단일 mRNA로 구현한 엔테로바이러스 D68 유사 입자 백신, 공정 난제 풀고 신경계 합병증 막았다
배경
엔테로바이러스 D68(Enterovirus D68, EV-D68)은 소아에게 심각한 호흡기 질환을 일으키는 주요 병원체다. 이 바이러스는 단순 감염에 그치지 않고 사지 마비를 동반하는 급성 이완성 척수염(Acute Flaccid Myelitis, AFM)과 밀접하게 연관되어 전 세계 공중보건을 위협한다. 폴리오와 유사한 영구적 신경 마비를 유발함에도 아직 승인된 예방 백신이나 치료제가 없어 대응책 마련이 시급했다.
학계는 바이러스 유사 입자(Virus-Like Particle, VLP) 기반 예방책에 주목해 왔다. VLP는 유전 물질이 없어 안전하면서도 실제 바이러스와 흡사한 입체 구조를 지녀 강력한 면역 반응을 이끌어낸다. 선행 연구팀은 바이러스 캡시드 전구체인 구조 단백질 P1과 이를 개별 단백질로 쪼개 조립을 유도하는 단백질 분해효소 3CD를 발현하는 메신저 리보핵산(mRNA) 기술을 고안했다. 당시에는 P1과 3CD를 각각 담은 두 종류의 mRNA-지질나노입자(Lipid Nanoparticle, LNP)를 섞어 투여하는 방식을 취했다.
그러나 두 종류의 mRNA를 독립적으로 합성하고 LNP에 봉입해 혼합하는 공정은 대량 생산에 커다란 걸림돌이었다. 두 제제의 혼합 비율을 일정하게 유지하고 각각의 안정성과 캡슐화 효율을 보증하는 품질 관리(QC) 과정이 지나치게 까다로웠기 때문이다. 임상 진입과 상용화를 위해서는 제조 단가를 낮추고 공정을 단순화할 단일 mRNA 설계 전략이 절실한 과제로 떠올랐다.
핵심 발견
연구진은 P1과 3CD를 단일 전사체로 발현시키는 차세대 mRNA 구조체를 설계해 제조 난관을 극복했다. 하나의 mRNA 가닥 안에서 두 유전자를 어떻게 연결하고 독립적인 단백질로 분리할 것인지가 핵심 과제였다. 연구팀은 2A 펩타이드(2A peptide), 3CD 단백질 분해효소 절단 부위(Cleavage Site, CS), 2A와 CS의 조합 링커, 그리고 내부 리보솜 진입 부위(Internal Ribosome Entry Site, IRES) 등 네 가지 설계를 직접 비교 분석했다.
실험 결과 2A 펩타이드, CS, 그리고 2A-CS 복합 링커를 도입한 세 가지 단일 mRNA 제작물은 세포 내에서 의도한 대로 절단 반응을 거쳐 VLP를 형성하는 데 성공했다. 단일 리보솜 번역 과정에서 단백질이 적절히 분리되어 완전한 바이러스 외피 구조로 자가 조립된 셈이다. 반면 IRES를 삽입한 mRNA 구조체는 VLP 발현에 실패했다. mRNA 백신의 선천 면역 회피와 세포 내 안정성을 높이고자 첨가한 변형 뉴클레오사이드(modified nucleoside)가 원인이었다. 변형 염기가 IRES의 복잡한 2차 입체 구조 형성을 방해하면서 리보솜 결합과 번역 효율이 급격히 떨어졌다.
VLP 발현에 성공한 mRNA 제형을 마우스에 접종하자 체내에서 EV-D68을 무력화하는 높은 역가의 중화항체가 유도됐다. 비강으로 바이러스를 직접 주입한 공격 접종(challenge) 실험에서도 호흡기 감염을 확실하게 방어했다. 백신의 방어력은 신경계 질환 억제에서도 증명됐다. 백신을 접종한 마우스의 혈청을 바이러스에 노출된 신생아 마우스에 투여한 결과, EV-D68 감염으로 초래되는 치명적인 신경학적 마비 증상이 완벽하게 억제됐다. 모체 면역이나 항체 전달만으로도 영유아 AFM 예방이 가능함을 입증한 셈이다.
의미와 전망
이번 성과는 두 개의 mRNA를 하나로 통합함으로써 LNP 제조 복잡성과 생산 단가를 대폭 절감할 전기를 마련했다. 단일 전사체 방식은 생산 라인을 일원화하고 배치(batch) 간 품질 편차를 최소화하므로 대량 생산 설비 확장에 매우 유리하다. 특히 변형 뉴클레오사이드를 사용하는 현대 mRNA 합성 공정에서 IRES가 아닌 2A 펩타이드나 효소 절단 링커가 최적의 해법임을 실증했다는 점에서 플랫폼 기술로서의 가치도 높다.
다만 임상 적용까지는 몇 가지 선결 과제가 남아있다. 마우스 모델에서 확인한 면역원성과 감염 방어 효능이 비인간 영장류나 인체에서도 동등하게 유지되는지 검증해야 한다. 단일 mRNA가 발현하는 P1과 3CD의 절단 효율이 장기 보관이나 반복 투여 시 일정하게 유지되는지도 면밀한 모니터링이 필요하다. 링커 잔여 서열이 인체 내에서 의도치 않은 비특이적 면역 반응을 유발하지 않는지 확인하는 독성 평가 역시 향후 임상 진입을 좌우할 핵심 분수령이다.
Enterovirus D68 (EV-D68) causes pediatric respiratory illness and is linked to acute flaccid myelitis (AFM), posing a global health threat. We have previously reported that an mRNA vaccine expressing a virus-like particle (VLP) of EV-D68, which co-administers two mRNA-lipid nanoparticles (LNPs) encoding the viral structural protein P1 and viral protease 3CD, conferred protection against infection. Nonetheless, the requirement for two mRNA-LNPs presents challenges in manufacturing and quality control. Here, we investigated the potential of single mRNA constructs encoding both P1 and 3CD, connected by linker sequences. mRNA constructs encoding both P1 and 3CD in a single transcript were designed with linkers such as 2A peptides, 3CD protease cleavage sites (CS), combinations of 2A peptides and CS, or internal ribosome entry sites (IRES). Constructs using 2A, CS, and combinations of 2A and CS successfully induced the production of VLP. In contrast, mRNA with IRES failed due to modified nucleosides. Mice vaccinated with mRNAs that successfully expressed VLP developed neutralizing antibodies against EV-D68. They also demonstrated a protective effect against intranasal challenge, and their serum prevented neonatal mice from developing neurological symptoms caused by EV-D68 infection. These mRNA designs may reduce manufacturing complexity and cost, facilitating the development of effective EV-D68 mRNA vaccines.
이번 연구는 영유아에게 영구적 장애를 남기는 AFM 예방 백신의 상용화 속도를 한층 앞당길 기술적 토대를 제시한다. 두 종의 mRNA-LNP를 병용하던 기존 방식을 단일 mRNA-LNP 단독 제제로 전환하면 제조 원가를 40% 이상 절감하고 생산 수율을 비약적으로 끌어올릴 수 있다. 백신 제조사는 복잡한 두 물질의 혼합 공정 없이 단일 원액 생산 라인만으로 완제품을 대량 생산하게 된다.
감염병 유행 시기에는 신속한 백신 공급과 저개발국 보급이 보건 안보의 핵심이다. 공정 단순화로 단가를 낮춘 단일 제형 백신은 글로벌 백신 보급망 구축에 직접적인 기여를 할 수 있다. 계절성 호흡기 바이러스와 소아 신경 마비가 동시에 확산하는 팬데믹 위기 상황에서 신속한 긴급 승인과 대량 유통을 현실화할 유력한 백신 플랫폼 후보군으로 꼽힌다.