세포실험과 동물투여 목적 맞춰 개별 최적화하는 mRNA 지질나노입자 플랫폼 개발
배경
지질나노입자(Lipid Nanoparticles, LNP)는 메신저리보핵산(messenger RNA, mRNA)을 세포 내로 전달하여 단백질 생성을 유도하는 백신과 치료제 핵심 기술로 자리를 잡았다. 그러나 기존 LNP 시스템은 여전히 세포막 투과 효율이 낮거나 안전성이 부족하며, 보관 과정에서 입자가 쉽게 불안정해지는 물리적 한계를 노출해 왔다. 특히 약물 발굴 초기 단계에서 진행하는 세포 수준 실험(in vitro)과 실제 임상 진입을 목표로 하는 동물 수준 실험(in vivo)은 서로 다른 입자 특성을 요구하기 마련이다. 세포실험에서는 신속하고 강력한 단백질 발현이 최우선인 반면, 동물 체내 투여 시에는 면역 반응 통제와 특정 장기로의 지향성 및 생체 내 안정성이 우선시된다. 지금까지 학계와 산업계는 단일한 조성의 LNP로 두 영역 모두 대응하려 시도했으나, 이는 효율 저하나 예상치 못한 독성 문제를 유발하는 원인이 됐다. 이에 따라 사용 목적과 표적 환경에 맞춤형으로 대응하는 전달체 설계 연구가 활발히 진행 중이다.
핵심 발견
최근 국내외 공동 연구진은 이러한 LNP의 한계를 극복하고자 사용 환경에 맞춰 조성과 구조를 최적화한 두 가지 상호보완적 맞춤형 전달 플랫폼을 구축했다.
먼저 세포 실험용 LNP의 경우, 기존 콜레스테롤 성분을 식물 유래 스테롤 화합물인 베타-시토스테롤(β-sitosterol)로 대체하는 방식이 시도됐다. 초저온 투과전자현미경(Cryogenic Transmission Electron Microscopy, Cryo-TEM) 분석으로 기존 입자와 확연히 구분되는 독특한 내부 지문 구조를 확인하는 데 성공했다. 이 구조적 변화는 세포막과의 융합 효율을 높여 세포 내 단백질 발현량을 기존 LNP보다 100배 이상 증가시키는 결과로 이어지게 만든다. 다만 베타-시토스테롤 LNP는 동물 체내 투여 환경에서 단백질 발현을 상승시키지 못했으며, 제형 안정성이 급격히 떨어지는 약점이 드러나 세포 실험 전용 도구로 적합하다는 판단을 받았다.
체내 투여를 목적으로 하는 생체용 LNP 설계에는 생체 적합성이 뛰어난 비타민 분자를 도입하는 새로운 전략이 채택됐다. 연구진은 화학적 합성 과정을 거쳐 총 8종의 비타민 결합 이온화 지질을 확보했으며, 이 중 효능 가능성이 높은 6종의 후보 지질을 동물 모델에 직접 투여해 약효를 확인했다. 검증 결과 최종 선별된 2종의 비타민 지질 기반 LNP는 시판 중인 기존 상업용 LNP 대비 동물 체내 표적 단백질 발현 수준에서 상당한 우위를 보였다. 이와 함께 온도 변화에 따른 가속 안정성 평가에서 기존 제형보다 뛰어난 물성을 유지해 장기 보관 가능성을 증명했다.
생체 최적화 LNP의 효능을 백신 제형으로 검증하고자 수두대상포진 바이러스(Varicella-Zoster Virus, VZV) 및 호흡기세포융합바이러스(Respiratory Syncytial Virus, RSV) 유전 정보를 담은 mRNA를 탑재한 뒤 마우스 면역 실험이 진행됐다. 동물 실험에서 맞춤형 LNP는 대조군으로 쓰인 상업용 전달 물질보다 더 낮은 투여 용량으로도 체내 유도 면역원성이 우수함을 보여주었다. 나아가 생체 안전성 평가 결과에서도 기존 LNP 투여군에서 나타나던 전신 독성이나 염증 유발 부작용이 현저히 감소하여 임상 적용 가능성을 뒷받침했다.
의미와 전망
이번 연구 성과는 LNP를 기반으로 하는 유전자 치료제 개발 과정을 단축하고 안전성을 제고하는 실마리를 제공한다. 세포용과 생체용으로 역할을 분담한 다원화 전략은 실험실 단계의 연구 성과가 실제 신약 개발 후보 물질 도출로 이어지는 연계성을 강화할 잠재력이 있다. 다만 본 플랫폼이 다양한 장기와 조직으로 mRNA를 표적 전달하는 수준까지 확장되기 위해서는 수용체 결합능을 정밀 제어하는 추가적인 엔지니어링 단계가 요구된다. 아울러 비타민이 결합된 이온화 지질이 대량 생산 공정에서도 균일한 입자 크기와 품질을 유지할 수 있을지 검증하는 양산화 공정 최적화 작업이 향후 중요한 과제로 꼽힌다.
LNP-mediated mRNA delivery encounters challenges with insufficient efficacy, poor safety, and unstable performance. Moreover, the distinct requirements of in vitro and in vivo applications call for specific LNP strategies. To address this, we developed two complementary LNP strategies tailored to different application scenarios: one optimized for in vitro transfection efficiency and the other enhanced for in vivo delivery performance. For the in vitro-oriented strategy, β-sitosterol was used to replace cholesterol in LNPs. The resulting β-sitosterol-based LNPs displayed distinct internal fingerprint structures visualized by Cryo-TEM and markedly enhanced in vitro protein expression by two orders of magnitude, making it a high-efficiency tool for in vitro mRNA delivery. However, this modification did not enhance in vivo transfection efficiency and led to a significant reduction in LNP stability, confirming its suitability for in vitro use only. For the in vivo-oriented strategy, eight vitamin-conjugated ionizable lipids were synthesized. Six of these lipids were selected for animal screening, and two exhibited higher in vivo protein expression levels compared with the commercial LNP control. Accelerated stability studies demonstrated that LNPs containing these vitamin-conjugated ionizable lipids had good stability. Furthermore, the optimized in vivo-oriented LNP was used to encapsulate varicella-zoster virus (VZV) mRNA and respiratory syncytial virus (RSV) mRNA, and animal immunization experiments showed that it induced superior immunogenicity at a lower dose than the commercial delivery system. In vivo safety studies further confirmed that the in vivo-oriented LNPs had a better safety profile than commercial LNPs, with no obvious cytotoxicity or adverse reactions. Herein, we developed two complementary LNP strategies based on cholesterol analogs and vitamin-conjugated ionizable lipids, which address the limitations of traditional LNP systems, providing targeted solu
이번에 최적화된 맞춤형 LNP 플랫폼은 향후 고성능 신약 발굴 스크리닝과 바이러스 예방 백신 개발 속도를 대폭 끌어올릴 실질적 도구가 될 전망이다. 신약 개발사들은 후보 물질 발굴 단계에서 베타-시토스테롤 LNP를 사용해 세포 내 유전자 전달 실험을 극대화함으로써 타깃 단백질의 활성 여부를 적은 양의 mRNA만으로 빠르게 판별하는 혜택을 누리게 된다. 한편 감염병 대응이나 유전자 치료 분야에서는 비타민 결합 LNP를 이용해 백신의 효율성을 대폭 개선하는 데 기여한다. 예를 들어 VZV나 RSV 백신 제조 시 탑재할 mRNA 용량을 줄여 원가 절감 효과를 거두는 동시에 독성 이상 반응 위험을 최소화하여 영유아나 고령층 환자군에도 안전하게 투여하는 맞춤형 백신 설계가 가능해진다.