mRNA 백신 비임상 안전성 평가에서 괴팅겐 미니돼지의 토끼 대체 가능성을 확인한 비교 독성 연구
배경
감염병 대응과 항암 치료제 개발 현장에서 메신저 리보핵산(messenger RNA, mRNA) 기술은 독보적인 속도와 확장성을 입증했다. 지질나노입자(Lipid Nanoparticle, LNP)에 탑재된 mRNA 백신이 체내에 주입되면 세포 안에서 표적 항원을 발현시키고, 이 과정에서 일시적인 전신 면역 반응과 국소 염증이 유도된다. 이때 후보 물질이 인간에게 투여되기 전 안전역을 확인하고 잠재적 유해성을 탐지하려면 인체 생리와 면역 반응을 정밀하게 모사하는 비임상 안전성 평가 모델이 선행되어야 한다.
백신 독성 시험에서는 오랫동안 토끼(New Zealand White rabbit)가 표준 실험동물로 널리 쓰여 왔다. 근육주사 부위의 국소 자극성과 발열 반응을 신속하게 관찰할 수 있는 데다 백신 평가에 관한 역사적 데이터가 풍부하기 때문이다. 그러나 토끼는 mRNA-LNP 플랫폼을 정밀 검증하는 과정에서 뚜렷한 한계를 드러낸다. 체구가 작아 약물동태학 분석이나 다중 바이오마커 분석에 필수적인 연속 채혈량이 턱없이 부족하며, 상용화된 면역·염증 진단 시약의 폭도 제한적이다. 반복 투여 시 나타나는 미세한 혈역학 변화나 복합 염증 반응을 다각도로 추적하기에는 생리적 간극이 컸던 셈이다.
이러한 제약을 극복할 대안으로 괴팅겐 미니돼지(Göttingen minipig)가 주목받기 시작했다. 돼지는 심혈관계, 대사계, 피부 및 피하 조직 구조가 인간과 매우 유사하여 일반 독성 시험에서 비설치류 표준 모델로 활용도가 높다. 특히 소동물에 비해 체액 용량이 넉넉해 다빈도 채혈이 가능하고, 검증된 염증 표지자 분석 키트가 폭넓게 확보되어 있다. 이에 따라 mRNA 백신 평가에서도 미니돼지가 기존 토끼를 대체할 수 있을지 규명하려는 체계적인 비교 연구가 절실히 요구됐다.
핵심 발견
연구진은 헤마글루티닌 H3(Hemagglutinin H3, HA H3) 항원을 암호화한 mRNA-LNP 백신 후보물질을 동일 용량 수준으로 투여한 두 건의 독립적인 독성 시험 데이터를 교차 비교했다. 한 시험은 기존 표준 동물인 토끼를 대상으로, 다른 시험은 대체 후보인 괴팅겐 미니돼지를 대상으로 진행됐다. 평가 항목에는 일반 임상 증상 관찰, 주사 부위 국소 반응, 체중 및 사료 섭취량 변화, 체온 측정, 임상병리 검사, 면역원성 평가, 염증 바이오마커 측정, 부검 후 조직병리학적 검사가 포괄적으로 포함됐다.
두 동물종 모두에서 mRNA 백신 접종 후 예상되는 전형적인 면역 유도 반응이 나타났다. 접종 부위 내약성은 양쪽 모두 양호한 수준을 유지했으나, 국소 반응성과 발열 양상에서 미세한 종간 차이가 확인됐다. 주사 부위의 경증 일시적 경결(induration)과 일시적 체온 상승은 오직 괴팅겐 미니돼지 투여군에서만 명확히 관찰됐다. 이는 인간 임상에서 흔히 보고되는 접종 후 미열이나 국소 부종과 유사한 패턴으로, 미니돼지가 백신 유도성 반응원성(reactogenicity)을 더욱 민감하게 반영함을 드러낸다.
혈액 내 염증 반응 지표는 두 종에서 일관된 궤적을 그렸다. 접종 이후 호중구(neutrophil), 섬유소원(fibrinogen), C-반응성 단백질(C-reactive protein, CRP) 수치가 일시적으로 증가했으며, 일정 시간 경과 후 기저치로 회복됐다. 조직병리학적 분석에서도 일치하는 양상이 포착됐다. 주사 부위의 염증 세포 침윤과 국소 배출 림프절(draining lymph nodes) 내 배중심(germinal center) 세포 충실도 증가는 두 종 사이에서 동등한 수준으로 관찰됐다. mRNA 발현과 LNP 자극에 따른 림프계 면역 활성화가 양쪽 모델에서 동일하게 재현된 셈이다.
의미와 전망
이번 결과는 괴팅겐 미니돼지가 mRNA 백신 비임상 안전성 평가에서 기존 토끼를 대체할 수 있는 유효한 비설치류 모델임을 입증하는 예비적 근거를 제시한다. 충분한 채혈량을 바탕으로 사이토카인 프로파일링, 보체 활성화, 심층 약동학 등 고밀도 시계열 분석을 단일 개체에서 완결할 수 있다는 점은 평가 효율을 대폭 끌어올린다. 또한 인간과 유사한 피부 두께와 근육량 덕분에 실제 임상용 주사 바늘과 디바이스를 변경 없이 적용해 국소 병변을 관찰할 수 있다는 물리적 이점도 돋보인다.
극복해야 할 과제 역시 명확하다. 본 연구는 독립적으로 수행된 시험의 사후 정성 비교에 기반을 둔 만큼, 통제된 동일 환경에서 일대일로 대조하는 직접 비교 검증이 추가로 뒤따라야 마땅하다. 아울러 미니돼지는 토끼에 비해 사육 비용이 높고 대형 실험 시설을 요구하므로 초기 스크리닝 단계의 경제성은 다소 떨어진다. 규제 당국이 축적해 온 토끼 기반 독성 배경 데이터베이스(historical control data)에 비하면 미니돼지 백신 데이터는 여전히 형성 단계에 머물러 있다. 향후 다양한 항원과 LNP 조성을 적용한 데이터가 축적된다면, mRNA를 넘어 차세대 유전자 치료제와 핵산 백신 전반의 핵심 안전성 평가 플랫폼으로 확고히 자리 잡을 전망이다.
BACKGROUND: Robust non-clinical safety models are crucial to the development and evaluation of messenger ribonucleic acid (mRNA)-based drugs and vaccines. In this study, we leveraged cross-study data to explore whether the Göttingen minipig could serve as an alternative to the rabbit, a commonly used species in vaccine safety assessment. METHODS: Results from two independent toxicity studies of lipid nanoparticle-encapsulated mRNA encoding the hemagglutinin H3 antigen, administered at equivalent dose levels, were qualitatively compared. Clinical observations, local reactions, body weight, food consumption, body temperature, clinical pathology, immunogenicity, inflammatory biomarkers, and anatomical pathology endpoints were evaluated. RESULTS: Both species exhibited expected vaccine responses, with minor differences in local reactogenicity and body temperature. The vaccine candidate was well tolerated at the injection site in both species. However, mild and transient vaccine-related effects (i.e., injection site induration and increased body temperature) were observed only in minipigs. Transient increases in neutrophil, fibrinogen, and C-reactive protein levels were observed in both species following vaccination, consistent with an inflammatory response. Microscopic findings (i.e., inflammation at the injection site and increased germinal center cellularity in the draining lymph nodes) were comparable between species and aligned with expected immune activation following vaccination. CONCLUSIONS: This qualitative comparison provides preliminary, supportive evidence for the potential use of the minipig as an alternative to the rabbit in non-clinical safety evaluation of mRNA vaccines, with the added benefit of larger blood volume for sampling and availability of validated key inflammatory markers.
본 연구는 mRNA 백신 개발 파이프라인의 전임상 단계에서 연속 바이오마커 채혈과 반응원성 모니터링을 혁신하는 실질적 대안을 제공한다. 신약 개발사는 토끼 모델의 채혈 한계로 인해 여러 개체를 희생시켜야 했던 시계열 염증 분석을 괴팅겐 미니돼지 소수 개체로 집약해 동물 실험 윤리(3R 원칙)를 충족할 수 있다.
임상 진입을 앞둔 바이오텍의 경우, 미니돼지에서 검증된 CRP 및 다중 사이토카인 키트를 활용함으로써 인체 1상 임상시험에서 나타날 발열과 국소 경결 위험을 사전에 정량화하고 용량 설정의 안전역을 정밀하게 확보하게 된다. 규제 제출 측면에서도 신뢰도 높은 인간 유사 생리 데이터를 확보해 품목허가 신청 과정의 불확실성을 크게 낮출 수 있다.