배경

유전자 치료제와 백신 시장이 급격히 성장하면서 이들의 핵심 전달체 역할을 하는 지질나노입자(LNP)의 가치도 함께 높아지고 있다. 하지만 표적 세포에 유전물질을 정확하게 배달하고 방출할 최적의 화학적 조합을 설계하는 작업은 대단히 복잡한 과정이다. 기존 학계는 LNP의 전달 효율을 검증하고자 실험동물을 희생시킨 뒤 간이나 비장 등 장기 조직을 직접 갈아내어 약물 축적량을 측정하는 침습적인 방식에 크게 의존해 왔다. 이러한 접근법은 전달체인 LNP가 단순히 특정 장기로 이동했는지만 보여줄 뿐, 세포질 내에서 유전물질이 실제로 방출되고 해독되어 단백질을 합성했는지 판별하는 '기능적 배달' 여부는 반영하기 어렵다는 지적을 받는다. 더욱이 마우스와 비인간 영장류(NHP)의 생리적 메커니즘 차이로 인해 설치류 실험에서 우수한 성적을 낸 입자가 NHP나 인체 내에서는 무용지물이 되는 종간 장벽 현상도 빈번하게 관찰된다. NHP를 대상으로 하는 대규모 효능 시험은 동물 복지 관점의 윤리적 거부감과 천문학적 비용 부담이 수반되어 초기 후보물질 스크리닝 단계의 거대한 장벽으로 꼽힌다.

핵심 발견

미국 조지아 공과대학교와 에모리 대학교 공동 연구팀은 이러한 난제를 해결하고자 혈액 분석으로 나노약물의 발현 효율을 직접 측정하는 비침습적 바코딩 기술인 스냅코드를 선보였다. 연구팀은 세포 밖으로 배출되는 분비형 나노루시페라아제(secNluc)에 자가 표지 단백질인 스냅태그(SNAP-tag)를 결합한 융합 단백질 발현용 mRNA를 각 LNP에 주입하는 설계 방식을 선택해 눈길을 끈다. 이와 동시에 각각의 입자 제형에 고유한 DNA 바코드를 부여한 뒤, 바코드 말단에 스냅태그와 화학 반응을 일으키는 벤질구아닌(BG) 분자를 접합시켰다. LNP가 세포 내부로 들어가 mRNA 번역을 유도하면 스냅태그 단백질이 생성되고, 이 단백질이 벤질구아닌과 공유결합을 형성해 안정적인 단백질-DNA 복합체를 이루는 원리다. 이렇게 만들어진 복합체는 세포막을 빠져나와 혈류를 따라 전신으로 순환하게 된다. 연구진은 마우스와 NHP를 대상으로 6가지 서로 다른 LNP를 정맥 투여한 뒤 혈액을 채취해 유효성을 검증했다. 차세대 염기서열 분석(NGS) 기법으로 혈청 속 복합체의 DNA 바코드를 분석한 결과, 분비된 바코드 수치가 실제 각 LNP의 mRNA 전달 및 단백질 발현량과 밀접하게 일치한다는 사실을 밝해냈다.

의미와 전망

이번 연구는 실험동물 연구에서 효능이 우수했던 나노약물이 임상 시험 단계에서 미끄러지는 고질적인 종간 장벽 문제를 완화할 대안으로 평가받는다. 무엇보다 비침습적 방식을 채택함으로써 단 한 마리의 NHP 대상 실험만으로 시간 경과에 따른 전달 효능의 연속적인 추적이 비로소 가능해졌다. 종전처럼 매 측정 시점마다 동물을 안락사시킬 필요가 없어 실험 설계의 유연성이 매우 극대화되는 셈이다. 또한 신약 개발 과정에서 희생되는 실험동물의 수를 대폭 줄여 연구 윤리적 의무를 실천하는 유용한 도구로 환영받고 있다. 다만 이 플랫폼이 현존하는 모든 한계를 해결해 주지는 못한다. 혈류로 유출된 바코드를 정량화하는 특성상, 약물의 영구적인 체내 안전성이나 표적 장기 내부의 정밀한 세포 단위 분포도까지 완벽히 그려내는 데는 무리가 따른다. 게다가 외부 유래 스냅태그 단백질이 반복 투여 시 NHP 체내에서 부작용을 일으키거나 면역 반응을 촉발할 수 있다는 우려도 제기되므로, 향후 임상 전 단계에서 이에 관한 보완 연구가 뒤따라야 할 조치다.