바이오인

mRNA 백신 개발의 역사와 연구 동향 및 시사점

한국생명공학연구원 항암물질연구센터 차현주

1. 들어가며

사스, 메르스, 지카, 에볼라 그리고 지금의 전례 없는 코로나19 팬데믹과 같은 감염병에 의해 인류의 생명과 안전이 위협받고 있고 세계적으로 공포가 확산되고 있다. 일년 반 이상 지속되고 있는 코로나19 팬데믹은 전 세계적으로 정치, 사회, 경제적 위기상황을 심화시켰다. 현재 229개국에서 총 192,281,943명이 코로나19로 확진되었고 이 중 4,134,016명이 사망하였으며 (Worldometer, 2021.07.21), 우리나라의 경우도 최근 코로나 재확산으로 확진자 및 사망자가 급격히 증가하고 있는데 현재까지 182,265명의 확진자 및 2,060명의 사망자(2021.07.21., Worldometer)가 발생했으며, 지속되는 사회적 거리두기 시행으로 인해 사회, 경제적 어려움이 가중되고 있다. 또한 코로나19로 인한 GDP 손실액이 전 세계 5조 6,000억 달러(한화 6,205조 9,200억 원)에 달하는 것으로 나타났다(PharmaNews, 2020.02.25.).

이와 같은 초유의 팬데믹 사태를 종식시키고 미래에 또 출현할 수 있는 신변종 바이러스에 대응하기 위한 유일한 방법은 신속히 백신을 개발하는 것이다. 2020년 1월에 중국 과학자들이 우한을 파괴하고 있는 Sars-Cov-2의 유전자 서열을 공개하자 전 세계의 연구자들이 백신 개발에 착수해 지금 현재 여러 개의 백신이 긴급사용승인 후 전 세계에서 사용되고 있다. 

출처 : Paul-Ehrlich-Institute

2. mRNA 백신 개요와 중요성

약독화 생백신(live attenuated vaccine), 비활성화 백신(inactivated vaccine), 바이러스 유래 소단위 항원 백신(subunit vaccine)과 같은 전통 백신은 폴리오, 수두, 홍역과 같은 바이러스 감염병과 결핵, 콜레라 등의 세균성 질환의 발병률을 줄이는데 혁혁한 공헌을 해왔다. 그러나 생균이나 사균을 주입하는 전통적인 백신의 경우 예방 효과는 좋은 반면 균 자체를 주입하기 때문에 병원성의 우려가 있고 장기간 보관이 어려워 제조 및 운반에 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 게다가 제조 기간이 길어 신변종 바이러스 감염병에 신속히 대응하기가 어렵다.

최근 분자 생물학과 유전자 정보 분석 기술의 혁신적인 발전으로 각종 감염 질환을 일으키는 병원체와 그 감염에 대응해 유도되는 체내 면역 시스템의 분자 기전에 대한 포괄적인 분석이 이루어지고 있다. 이렇게 각 병원체에 관련해 축적된 데이터를 이용 전통 백신에서 사용하는 비 특이적인 방법으로 면역을 활성 시키는 것을 탈피해 체내 면역을 특이적이며 효과적으로 유도하는 혁신적인 접근법의 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 혁신적인 접근법의 백신중 하나가 mRNA 백신 기술이며, 코로나 펜데믹을 통해 유망한 바이오 기술로 떠올랐다. mRNA 백신은 다양한 항원 조합이 가능하여 체액성과 세포성 면역반응을 모두 유도할 수 있고, 사멸/생약독화 바이러스 백신에 비교해 비감염성이며, DNA 백신에 비교해 비삽입성 약품 유형(drug modality)으로 게놈 DNA 삽입에 의한 돌연변이 유발의 잠재적 위험이 적다. mRNA는 정상적인 세포대사 과정을 통해 분해되기 때문에 뉴클레오사이드(nuceloside)의 다양한 변형 및 전달 방법을 이용하여 생체 내 반감기를 쉽게 조절할 수 있다. 뉴클레오사이드의 다양한 변형으로 mRNA의 안정성과 번역률(translation yield)을 증가시킬 수 있고, 효율적인 생체 내 전달은 mRNA를 전달(carrier) 분자에 배합하여 세포질 내에서 빠른 흡수 및 발현을 가능하게 하며, 세포내 이입 후 mRNA가 바이러스 항원으로 발현되면서 본연의 번역 후 변형이 일어나므로 단백질 서브 유닛 백신에 비해 자연적 바이러스 감염 모사 능력이 뛰어나다.

추가적으로 mRNA는 선천성 면역반응을 활성화시켜 면역보조제 기능도 할 수 있으며 개발, 제조 및 투여가 용이하여 미래 신·병종 감염병의 펜데믹에 쉽고 빨리 대처할 수 있는 백신 유형이다. mRNA 백신은 시험관 내 전사(in vitro transcription) 반응의 높은 생산효율 때문에 빠르게 대용량의 제조가 가능하고 한 시설에서 같은 제조 공정으로 파이프라인에 있는 모든 mRNA 바이오 의약품을 생산할 수 있어 매우 경제적이다.

출처 : 자체 제작

3. mRNA 백신 개발의 발자취(역사)

가. mRNA 백신˙치료제 탄생의 주역 ‘카리코와 와이스만’ 박사

RNA 기반 백신 및 치료제로 구성되는 생물학적 제제들이 비교적 뉴 클래스의 치료 옵션으로 암, 비만, 연령과 연관된 치매, 알츠하이머, 당뇨병, 결핵, 자가 면역 질환, 심혈관 질환과 같은 넓은 범위의 만성, 감염성 및 희귀질환에 대한 치료 및 예방 조치로 역할을 하고 있다. 이 시장의 주요 리더들은 Moderna Therapeutics, BioNTech AG, CureVac AG, Sangamo Therapeutics, Inc., Argos Therapeutics, Inc., Translate Bio, Inc., In-Cell-Art, eTheRNA Immunotherapeutics, ethris GmbH, 그리고 Tiba Biotech. 등이 있다. 코로나19 펜데믹 전인 2019년 당시 신약개발 파이프라인에 있는 700개의 DNA와 RNA 기반 therapeutics 중 약 430개가 아직 개발의 전임상 단계에 있었으며, 이들의 약 35%가 암치료를 목표로 하고 있었다.

또한 12개의 mRNA 백신이 그 당시 개발 중에 있었으며; 이 중 7개가 큐어백(CureVac)에 의해 개발되고 있었다. 이러던 중 2020년에 발생한 코로나19 펜데믹에 대응해 11개월이라는 전대 미문한 짧은 시간에 신속히 개발된 Moderna(mRNA-1273) 및 Pfizer&BioNtech(BNT162b2)의 mRNA 백신이 최초의 상용화된 mRNA 의약품으로 전통백신에 비해 이 백신들이 보여준 뛰어난 예방효능과 안전성 때문에 mRNA 백신 시장의 앞으로의 전망을 밝게 하고 있다. 다음은 올해 4월 뉴욕타임즈에 실린 mRNA 백신 관련 기사를 정리해 보았다.

이번 mRNA 백신 개발의 성공 신화는 30년 이상의 긴 시간동안 투자한 R&D를 통해 이루어 낸 mRNA 플랫폼 기술의 많은 발전으로 만들어 졌으며 그 역사는 1990년대 초로 거슬러 올라가 카털린 카리코(Katalin Kariko) 박사가 펜실베니아 대학에서 심장전문의인 엘리엇 바네이선(Elliot Barnathan) 박사와 유로카이네이즈 수용체(Urokinase receptor)단백질 정보를 담은 in vitro transcribed(IVT) mRNA를 세포에서 발현시키는데 성공하면서 시작된다. 그 후 이 둘은 이 결과를 바탕으로 심장질환 치료를 위해 원하는 부위에 혈관형성을 활성화 시키거나 또는 인간세포의 수명을 연장하는데 IVT mRNA를 활용하려고 했으나 바네이선 박사가 펜실베이니아 대학을 떠나 바이오기업으로 이직하게 된다.