- 바이오및뇌공학과 박지호 교수 연구팀, 흡입 치료에 최적화된 mRNA 전달체 개발

- 에어로졸화 과정에서의 안정성과 폐 미세환경 투과에 특화된 입자 조성으로 높은 효율로 폐 내 단백질 발현 가능

- 기존 지질나노입자 대비 26배 이상의 단백질 발현량을 보여 호흡기 바이러스 및 난치성 폐질환의 mRNA 흡입 치료 기대

KAIST 박지호 교수 연구팀이 호흡기 바이러스 및 난치성 폐질환의 mRNA 흡입 치료를 가능하게 하는 나노 전달체를 개발해 유전자 폐 치료 연구의 새로운 지평을 열었다.

▲(왼쪽부터) 박지호 교수, 한준희 박사과정, 염경환 박사과정, Erinn Fagan 석사과정, 장민철 박사과정

코로나19의 전 세계적 유행 이후, 폐 등 호흡기 질병에 대비하기 위한 mRNA 백신 및 치료제는 차세대 치료제로 주목받고 있다. 하지만 기존 mRNA 백신용 전달체가 가지고 있는 한계점을 극복하고 KAIST 연구진이 호흡기 바이러스 및 난치성 폐질환의 mRNA 흡입 치료를 가능케 하며 유전자 폐 치료 연구의 근간이 될 연구에 성공했다.

KAIST(총장 이광형)는 바이오및뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 유전자 폐 치료에 최적화된 나노 전달체를 개발했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 기존 mRNA 전달을 위해 활용되던 지질나노입자(이하 lipid nanoparticle, LNP)의 에어로졸화 과정에서의 불안정성과 폐 미세환경에서의 낮은 전달 효율을 해결하기 위해 이온화성 지질나노복합체(ionizable lipocomplex, iLPX)를 개발했다.

iLPX는 이온화성 리포좀의 외부에 mRNA를 결합한 형태로, 에어로졸화 과정에서 입자의 구조를 유지하기 때문에 흡입 전달에 용이하다. 또한, 폐 미세환경 내에서 폐계면활성제와의 상호작용을 유도해 호흡 운동을 활용, mRNA를 높은 효율로 폐 세포 내로 전달할 수 있다. 

흡입 전달 및 폐 미세환경을 고려한 모방 환경 및 마우스 폐에서의 단백질 발현을 토대로 한 다차원 선별 과정을 통해 iLPX의 구성 요소들을 최적화시킴으로써 흡입용 mRNA 전달체(Inhalation optimized-iLPX, 이하 IH-iLPX)를 완성했다. 

연구팀은 에어로졸화 전후의 입자 크기, 균일도, mRNA 탑재율을 비교함으로써 IH-iLPX의 월등한 에어로졸화 안정성을 증명했다. 나아가, IH-iLPX를 전달한 마우스에서 LNP 전달 마우스보다 26배 높은 단백질 발현이 유도됨을 확인했다.

연구팀은 동물 모델에서 흡입 전달된 IH-iLPX가 폐 특이적으로 단백질을 발현시키며, 폐포 상피세포와 기관지 상피세포에서 mRNA를 효과적으로 전달함을 확인했다. 또한 혈액 생화학 분석과 조직 검사를 토대로 IH-iLPX가 폐와 혈액 환경에서 독성이 없음을 확인했기 때문에 효과적인 폐내 mRNA 발현뿐만 아니라 생체 안전성 측면에서 큰 의의를 갖는다고 밝혔다.

박 교수는 “mRNA를 반드시 내부에 탑재해야 한다는 고정 관념을 깨고 새로운 구성의 입자를 제시함으로써 기존에 불가능했던 흡입형 유전자 치료의 길을 열었다”며 “본 연구실에서 개발한 흡입형 유전자 전달체는 치료 단백질을 암호화하는 mRNA를 탑재해 폐질환에 적용되어 유전자 폐 치료의 적용 범위를 넓힐 것으로 기대된다”이라고 말했다.

KAIST 바이오및뇌공학과 장민철 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 나노기술 분야 국제학술지 ‘ACS 나노(Nano)’ 9월 3일 자 18권 35호에 게재됐다. (논문명: Inhalable mRNA Nanoparticle with Enhanced Nebulization Stability and Pulmonary Microenvironment Infilration)

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

그림 1.  흡입 최적화 지질 나노 복합체의 mRNA 흡입 전달 전략 모식도

그림 2.  기존 mRNA 전달체(LNP)와 개발된 흡입용 전달체(IH-iLPX)의 흡입전달 후 마우스 폐에서의 단백질 발현량 비교. 나노입자에는 루시퍼레이즈 암호화 mRNA를 탑재하였으며, 신호 세기(Total flux)는 단백질 발현량을 의미함.

□ 용어설명

1. 이온화성 리포좀

세포막을 구성하고 있는 인지질과 콜레스테롤, 그리고 이온화성 지질을 이용하여 인위적으로 만든 인공나노입자이다. 리포좀의 막은 지질 이중층으로 구성되어 있어서 지질 꼬리 간의 강한 소수성 상호작용이 일어나 외부로부터 발생하는 전단력에 강하다. 또한, 이온화성 지질을 활용함으로써 낮은 pH의 용매에서는 양이온을 띠고, 생리적 환경에서는 중성의 표면전하를 가진다. 이 성질을 활용하여 mRNA를 표면에 부착하고 흡입 전달할 수 있다. 

2. 폐미세환경

흡입 전달된 나노입자가 맞닥뜨리는 폐 내부의 환경을 일컫는다. 공기와 폐액의 계면에는 폐계면활성제라는 지질 단백질이 존재한다. 폐계면활성제는 음전하를 띠고 있는 물질로, 폐포의 표면장력을 낮추는 역할을 할 뿐만 아니라, 외부로부터 들어오는 물질을 차단하는 역할을 한다. 폐계면활성제는 호흡운동을 통해 폐세포 근처로 이동하고 재활용되는 “Squeeze out”메커니즘을 가지고 있으며, 본 연구에서는 해당 메커니즘을 통해 mRNA를 폐세포 내로 전달하고자 했다. 

3. In situ 캡슐화

폐계면활성제와 iLPX 간의 상호작용 이후 호흡 운동을 통해 squeeze out되면서 폐계면활성제가 iLPX의 표면을 감싸는 작용을 말한다. 이온화성 지질을 사용해 개발된 iLPX는 흡입 전달 시 양전하를 띠는 상태로 에어로졸화 되어, 음전하를 띠는 폐계면활성제와 상호작용한다. 이후 호흡 운동을 통해 폐액 내부로 이동하면서 내재적 반응에 의해 캡슐화가 일어나게 된다. 캡슐화된 iLPX는 폐세포로 전달되어 mRNA를 세포질로 전달할 수 있게 된다.