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유전자편집 돼지의 신장을 환자에게 이식

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 24-21

■유전자편집 돼지에서 생산된 신장을 환자에게 이식하는 세계 최초의 수술이 진행

○ 2024년 3월 16일, 말기 신장 질환을 앓고 있는 62세의 리차드 슬레이먼(Richard Slayman)이 유전자편집 돼지에서 제작된 신장을 이식받았으며, 수술 후 빠르게 회복 중인 것으로 발표

• ╺︎이식 받은 신장은 수술 직후에 분홍색으로 변했고 소변을 생산하기 시작

    ※ 수술 전 환자의 혈중 크레아티닌 수치는 10mg/dL이었으며, 수술 후 4일째 날에는 2.4mg/dL로 감소

• ╺︎이는 신장이 제 기능을 잘 수행하고 있음을 의미하여, 연구팀은 향후 이수치가 정상 범위인 약 1.5mg/dL에 근접하기를 희망
  

• ╺︎환자는 면역 억제 약물을 복용하고 있으며, 지금까지 이식 거부의 징후를 보이지 않음

○ 이식 수술에 사용된 신장은 면역에 의한 이식 거부 반응을 방지하고, 돼지 바이러스가 인체를 감염시킬 위험을 줄이기 위해 69개의 유전자가 편집된 미니돼지에서 생산

• ╺︎CRISPR-Cas9 유전자편집 기술을 통해 인체 내 면역을 유발할 수 있는 돼지세포의 표면 단백질 발현에 관여된 3개의 유전자를 제거하고, 이식 거부 반응 억제와 관련된 인간 단백질을 생산하는 7개의 유전자가 추가
  

• ╺︎또한 59개의 유전자 편집은 돼지 유전체에 내재된 바이러스를 비활성화하여 이 바이러스가 인체 내에서 활성화될 위험을 제거

    ※ 더불어 환자에게 감염이 발생할 경우, 병원균의 출처를 분석하기 위해 환자와 가족, 그리고 수술 의사들의 혈액 샘플을 수집하여 동결

■이번 수술은 이식용 장기 부족 문제를 완화하는 데 중요한 결과로, 이종장기 이식(xenotransplantation)에 대한 기대가 확대

○ 미국에서만 거의 9만 명이 신장 이식을 대기하고 있으며, 매년 3천 명 이상이 이식을 기다리다가 사망

• ╺︎초기 임상시험의 성공 사례와 임상 데이터 축적은 이종장기 이식 분야 발전에 매우 중요

○ 지금까지 이종장기 이식수술에 대한 공식적인 임상시험은 없었지만, 최근 미국에서는 기관윤리위원회의 허가를 받아 몇몇 임상시험을 수행

• ╺︎2021년 말에는 유전자변형 돼지 신장을 뇌 기능을 식별할 수 없고 인공호흡기를 사용하고 있는 법적으로 사망한 두 사람에게 이식

     ※ 신장은 54시간 동안 정상적으로 기능했으며 소변을 생성하는 것으로 관찰

• ╺︎2022년 1월에는 FDA의 동정적 사용 승인에 따라 최초로 유전자변형 돼지 심장을 이식. 심장을 이식받은 환자는 회복되었고, 면역거부 반응이 나타나지 않았지만, 수술 2달 후에 사망

    ※ 돼지 심장에서 돼지 거대세포바이러스(PCMV, porcine cytomegalovirus)의 흔적을 발견했고 병원체가 사망 원인 중 하나인지 조사가 진행 중

    ※ 심장 이식 환자가 사망했지만, 수술은 엄청난 성과이며 이종이식의 과학적 발전과 가능성을 보여준 의미 있는 과정이라고 평가

○ 이번 임상시험을 주도한 eGenesis사의 목표는 유전자편집 돼지에서 이식용 장기를 생산하는 것으로,

• ╺︎유전자편집 돼지에서 신장, 간, 심장과 같은 장기를 이식에 적합하게 만드는 연구를 진행 중
  

• ╺︎더불어 eGenesis사는 미국 FDA와 이종장기 이식에 대한 임상시험 계획을 논의하고 있으며, 이는 규제 프레임워크 설정을 통해 안전성과 효과성을 입증하기 위해 중요한 단계라고 설명

○ 이종장기 이식에 대한 임상시험은 안전성과 효능, 장기적 결과에 대한 체계적인 데이터를 제공하여 이 분야의 연구와 적용을 더욱 발전시킬 수 있을 것으로 전망

• ╺︎이종장기 이식의 발전은 많은 사람들에게 희망을 주고 있지만, 과학적 도전 뿐만 아니라 윤리적, 사회적 논의와 합의가 조화롭게 진전될 때, 해당 기술이 장기 부족 문제를 해결하는 데 있어 중요한 해법이 될 수 있다고 강조

참고1 한 걸음 더 가까워진 이종장기 임상시험

■최근 개최된 미국 FDA 자문위원회 참석자 대부분은 돼지의 장기를 인간에 이식하는 이종이식 임상시험이 필요하다는 데 동의

○ FDA는 자문위원회 조언에 따른 향후 계획을 공개적으로 밝히고 있지 않지만, FDA는 임상시험 허용에 관한 계획을 세우고 있는 것으로 전망

• ╺︎최근 미국에서 수행된 임상시험은 "적절하게 선택된 환자"를 대상으로 한 "작고 집중적인" 임상시험의 시작을 뒷받침한다고 발표

     ※ 미국 듀크대학교 의과대학의 이식 외과의인 앨런 커크(Allan Kirk)가 발표

○ 연구자들은 돼지 장기를 개코원숭이와 같은 영장류에게 반복적으로 이식하는 데 성공

• ╺︎궁극적인 목표가 인체에 이식하는 것이라면 인간 대상의 돼지 장기 이식 임상시험을 포함하여 다양한 연구가 필요

   ※ 돼지 장기 이식 시 면역거부 반응을 억제할 수 있는 최적의 면역억제제 조합은 무엇인지, 바이러스 등 돼지 장기가 가질 수 있는 위험을 의사가 어떻게 관리할 수 있을지, 어떤 돼지 품종이 장기 이식에 적합한지, 당뇨병 등 기저질환이 이식 성공에 어떤 영향을 미칠지 등 연구 필요

• ╺︎의사들은 임상시험이 시급하다고 보고 있는데, 미국에서만 100,000명 이상의 사람들이 장기 이식을 기다리고 있는 중
  

• ╺︎연구자들은 이종이식이 부족한 장기 수요를 충족시켜 생명을 구하는 데 도움이 될 수 있기를 오랫동안 희망

■지금까지 이종장기 이식수술에 대한 공식적인 임상시험은 없었지만, 최근 미국에서는 기관윤리위원회의 허가를 받아 몇몇 임상시험을 수행

○ 2021년 말에는 유전자변형 돼지 신장을 뇌 기능을 식별할 수 없고 인공호흡기를 사용하고 있는 법적으로 사망한 두 사람에게 이식

• ╺︎신장은 54시간 동안 정상적으로 기능했으며 소변을 생성하는 것으로 관찰

    ※ 관련 논문 : N Engl J Med, Results of Two Cases of Pig-to-Human Kidney Xenotransplantation, 2022.5.19.

○ 올해 1월에는 FDA의 동정적 사용 승인에 따라 최초로 유전자변형 돼지 심장을 이식. 심장을 이식받은 환자는 회복되었고, 면역거부 반응이 나타나지 않았지만, 수술 2달 후에 사망

   ※ 돼지 심장에서 돼지 거대세포바이러스(PCMV, porcine cytomegalovirus)의 흔적을 발견했고 병원체가 사망 원인 중 하나인지 조사가 진행 중

• ╺︎심장 이식 환자가 사망했지만, 수술은 엄청난 성과이며 이종이식의 과학적 발전과 가능성을 보여준 의미 있는 과정이라고 평가

■이종이식이 표준적인 임상진료지침이 되기 위해 해결해야 할 과제와 질문이 많은 상황

○ 임상시험을 위해서는 PCMV 등 잠복해 있을 수 있는 돼지 바이러스를 제거하는 것이 중요

• ╺︎FDA는 바이러스 스크리닝을 개선하는 방법과 바이러스 감염 위험을 줄이는 방법에 대해 자문위원회 조언을 구함

○ 인간의 면역체계에 적합한 형질전환(유전자변형) 동물 등 기업에서도 관련 기술개발을 진행 중

• ╺︎United Therapeutics의 자회사 Revivicor는 이종이식용 장기 생산에 적합한 형질전환* 돼지를 개발

    * 인체에서 면역거부 반응을 일으키지 않는 장기 생산을 위해 돼지의 유전자 변형 조합을 탐색

○ 이식되는 장기와 수혜자의 상태에 따라 맞춤형 이식 전략 연구도 필요

• ╺︎인체 이식 시 사용할 면역억제제의 표준 조합(패키지)에 대해 모든 사람에게 적합한 조합을 찾기 힘들 것으로 예상하여 통상의 인간 대 인간 장기 이식에서와 같이 이식되는 장기와 수혜자의 상태에 따라 맞춤화할 필요

○ 앨라배마 대학과 메릴랜드 대학 의료센터의 연구원들은 조만간 이종이식 임상시험을 시작하겠다는 의사를 밝힘

• ╺︎FDA는 이종이식에 관한 향후 계획을 공개하고 있지 않지만, 월스트리트저널에 따르면 FDA는 이종이식 임상시험 허용에 대한 계획을 세우고 있다고 밝힘

참고2  세계 최초로 유전자가 변형(Genetically modified)된 돼지 심장의 인간 이식 성공

■유전자 조작으로 면역거부 반응을 없앤 ‘돼지의 심장을 사람에게 이식’하는 수술이 세계에서 처음으로 시도

○ 이번 수술은 ‘종 간 이식(이종이식) 연구의 이정표’로 인식되는 것으로 평가

• ╺︎해당 이식 수술은 생명을 위협받는 환자에게 더 이상 치료 가능한 방법이 없는 경우에 허가하는 동정적 사용(compassionate use)에 의해 허가받아 응급수술로 진행

< 수술에 사용될 유전자 조작 돼지 심장 검사 장면 >

출처 : Science, Here’s how scientists pulled off the first pig-to-human heart transplant, 2022.1.

○ 성공적인 수술을 위해 다양한 기술이 포함되었는데, 우선 인체에서 돼지 심장이 제대로 기능을 할 수 있도록 돼지 유전자를 조작

• ╺︎또한 신규 면역억제제 및 돼지 심장 보관용 배양액 관련기술 등이 포함

○ 이번 수술에 사용된 돼지는 미국 재생의료 기업인 Revivicor가 유전자 조작기술과 복제기술을 적용하여 개발

• ╺︎돼지 유전자 조작에는 돼지 심장 표면에 발현되어 인체 내에서 면역거부 반응을 나타낼 수 있는 당 합성 효소 유전자(3개) 제거를 포함하여 총 10개의 유전자를 변형

     ※ 이외에 돼지 심장 조직의 과도한 성장을 초래하는 유전자 1개를 제거하였고, 인체에서 외부 장기를 잘 받아들이도록 인간 유전자          6개를 돼지 유전체에 삽입

• ╺︎면역거부 반응을 억제하기 위해 기존 면역억제제와 제약사 Kiniksa Pharmaceuticals가 개발한 KPL-404라는 실험용 항체 약물을 활용
  

• ╺︎또한 스웨덴 회사 XVIVO에서 제조한 특수 배양액(물, 아드레날린 및 코티솔과 같은 호르몬, 용해된 코카인을 포함)에 돼지의 심장을 보관

○ 그동안 수많은 과학자들이 동물의 장기를 인간에 이식하는 연구를 진행 하였지만 면역거부 반응 문제로 대부분 실패

• ╺︎1983년 미국 캘리포니아대 연구진이 선천성 심장병을 가진 아이에게 개코 원숭이의 심장을 이식하는 수술을 진행했지만 면역거부 반응으로 21일 만에 사망

■돼지는 영장류와 달리 사육하기 쉽고 6개월 만에 다 자라기 때문에 인간의 장기를 대체할 수 있는 동물로 주목

○ 돼지 심장의 크기도 사람 심장의 약 94% 정도이고 해부학적인 구조도 유사. 이 같은 이유로 돼지 장기를 사람에게 이식하는 시도가 많아짐

• ╺︎심장 이식을 받은 환자는 이식 후 골든 타임인 48시간 이후에도 건강 상태를 유지하였으나 면역거부 반응 등 이상 반응을 지속 점검 중

 ※ David Klassen UNOS(United Network for Organ Sharing) 최고의료책임자는 “이번 수술은 장기 이식 수술의 전환점이 될 것” 이라면서도 “인간의 장기가 이식된 경우에도 장기적으로 거부 반응이 발생할 수 있으므로 주의 깊게 지켜봐야 할 것”이라고 언급

    ※ 또한 유전자 조작 돼지를 제공한 Revivicor CEO는 “이것은 일회성이 아니며 우리는 이것을 인간 임상시험까지 계속 진행할 것이며, 돼지의 장기를 무제한 공급할 수 있기를 희망한다”라는 의견을 제시