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합성생물학에 힘입은 세포 엔지니어링의 잠재력

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 22-84

❏CAR-T세포 기술은 급성장하는 세포공학(Cell engineering)의 한 예에 불과

○ 생물학적 조절 기전에 대한 수십 년간의 연구로 세포 신호 시스템의 기본 원리와 특징적인 모듈성을 규명

< Science의 “Cell engieering” 특집호 표지 >

출처 : Science, VOL. 378, NO. 6622, 2022.11.25

- 이제는 연구자들이 원하는 반응을 유도하는 새로운 또는 변경된 센서를 세포에 도입하여 특정 신호에 적절하게 반응하는 논리회로의 프로그래밍이 가능

○ Science 특집호에서는 합성생물학에 힘입은 세포 엔지니어링의 잠재력을 강조

- 그 잠재력에는 일반적인 약물 또는 유전자치료제에 대한 대체기술 개발,

- 암, 면역질환 및 기타 질병에 대한 개선된 치료 전략 수립

- 조직재생 및 재생치료 옵션 설계

- 복잡한 생명 발달, 생물학적 시스템 제어 방법에 대한 근본적인 이해를 향상시킬 것으로 기대

❏세포 엔지니어링의 새로운 시대 : 복잡한 생물학적 기능을 프로그래밍하기 위해 세포의 모듈성을 활용

○ 살아있는 세포가 치료제의 빌딩 블록으로 사용되는 생명공학의 새로운 시대가 도래

- 개별 유전자와 단백질을 치료제로 최적화하는 것이 아니라 세포 중심 접근방식으로 분자 구성요소를 모듈로 사용하여 세포가 생체 내에서 더 높은 생리적 기능을 달성하기 위해 신호전달 방법을 리프로그래밍

- 세포 엔지니어링은 CAR-T 개발에 의해 임상적으로 검증되었으며, 다른 많은 질병에 대한 세포치료접을 설계하고 조직과 기관의 자기 조직화를 프로그래밍하는데 사용되기 시작

○ 생물학적 시스템은 유전적 또는 분자적 구성 요소로 암호화되지만 더 높은 수준의 기능은 궁극적으로 생성된 세포가 서로 상호 작용하는 방식을 통해 나타남

- 따라서 세포 입력 및 출력을 재작성하는 방법에 초점을 맞추면 생물학적 기능의 엔지니어링을 전략적으로 수행 가능

< 복잡한 생물학적 기능을 프로그래밍하는 세포 중심 접근방식 >

출처 : Science, The emerging era of cell engineering: Harnessing the modularity of cells to program complex biological function, 2022.11.24.

❏면역세포 엔지니어링의 미래

○ 면역세포는 질병 상태를 인식하고 반응하도록 조작되어 환자에게 전달될 때 "살아있는 약물(living drug)"로 작용

- CAR-T 등 변형된 면역세포는 종양 치료를 위해 승인되어 임상에서 사용되고 있으며, 현재 다양한 암, 감염질환 등을 치료하기 위해 면역세포의 운명과 기능을 수정하는 다양한 전략을 테스트 중

○ 면역세포 공학에 대한 접근방식에는 약리학적 조작 및 유전자 변형이 포함되며, 세포를 주입하기 전에 생체 외에서 수행하거나 체내에서 직접 수행 가능

- 특히, 생체 외에서는 3가지 방식의 유전적 엔지니어링을 통해 효과적인 ICT(immune cell therapy) 개발

※ (i) 트랜스제닉 T 세포 수용체(TCR) 및 키메라 항원 수용체(CAR)로 불리는 합성 항원 수용체를 포함하는 항원 수용체의 엔지니어링; (ii) 대사, 생존 및 증식과 같은 자연적 특성을 조절하는 세포 내 경로의 유전적 엔지니어링; (iii) 면역세포에 새로운 기능을 제공하는 보조 유전자의 도입

- 생체 내 접근방법으로 전달된 면역세포를 원하는 위치에 배치하는 물질의 사용, 체내에서 직접 유전자를 변형하는 것이 포함

○ 치료 목적으로 면역세포를 활용하는데 큰 발전이 있었지만 더 안전하고 효율적인 면역세포 기반 치료법 탐색 필요

- 면역세포 치료기술의 직면한 두 가지 중요한 문제는 비용과 제조의 복잡성으로, 효율성을 높이고 비용을 절감하기 위해 분산되고 더 빠르고 자동화된 제조방법 개발 및 규제 노력이 진행 중

○ 변형된 면역세포 치료법이 잠재력을 최대한 발휘하려면 다양한 과학적 노력이 필요

- 현재 면역학, 종양학, 합성생물학, 분자생물학 전반에 걸친 협력 연구를 통해 흥미로운 진전이 이루어지고 있으며,

- 단백질, 화학, 재료 및 생물학 엔지니어의 전문성 융합은 유전공학만으로 달성할 수 없는 면역세포 치료의 새로운 가능성을 열 수 있을 것으로 기대

❏역동적 암 치료법으로서 박테리아 엔지니어링

○ 합성생물학 도구는 치료용 박테리아의 유전자 회로를 변경하여 프로그래밍이 가능한 의약품(programmable medicines)이라는 새로운 개념을 구축

- 박테리아는 단독으로도 면역자극성이고 종양에 대한 면역반응을 유도할 수 있지만, 종양 탐지 및 치료를 개선하기 위해 박테리아 단일 제제로 또는 다른 기술과 조합하여 조작할 수 있는 다목적 플랫폼으로 활용 가능

- 저분자물질, 독소, 면역조절제, 효소, siRNA(small interfering RNAs) 및 나노바디 등 전신에 투여될 경우 독성이 될 수 있는 여러 종류의 탑재(치료)물질을 암호화하고 국소적으로 전달하도록 박테리아를 유전적으로 리프로그래밍

- 또한 자기공명영상(MRI) 및 집속초음파(FUS)와 같은 이미징기술을 접목하여 박테리아 감지 및 작동, 탑재물질 생산 및 방출을 조절

○ 합성생물학 도구는 치료용 박테리아의 유전자 회로를 변경하여 치료의 공간적, 시간적 제어가 가능하도록 지원

- 살아있는 치료제로서 박테리아는 자율적 제어, 감지 및 내재화 과정을 통해 그동안 세포 내 전달이 어려웠던 핵산, 단백질 등의 치료물질을 전달 가능

- 세포 외 공간은 박테리아가 고밀도로 성장할 수 있어 더 많은 치료물질을 생성하고 종양 공간 전체에 확산하여 암을 치료

< 박테리아-종양 인터페이스 엔지니어링 개념도 >

¶ 합성생물학 접근법으로 박테리아의 유전자 회로를 변경하여 세포 내로 치료물질을 전달하는 과정(A∼D), 세포 외에서 종양을 공격하는 과정(E∼H)

출처 : Science, Engineering bacteria as interactive cancer therapies, 2022.11.24.

...................(계속)

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