바이오인

[생물의약품] 이종이식제제 연구개발 동향 및 제제별 품질관리 고려사항

◈본문

I. 서론

장기이식만이 유일한 치료법인 말기 장기부전 환자는 매년 증가하는 추세이며 우리나라의 경우 장기 이식 대기자 수는 2021년 기준 4만 8천 명, 미국의 경우 10만 명을 넘어서고 있지만, 실제로 장기이식을 받은 환자는 전체 대기자 중 약 30%에 불과하다(그림 1). 또한 우리나라에서 장기이식을 기다리다 사망한 환자가 2022년 기준 3천 명에 육박하는 것으로 집계되기도 했다(표 1). 이식용 장기 부족 현상은 우리나 라 뿐만 아니라 전 세계적으로 매우 심각한 수준으로 인신매매, 불법 장기밀매 등의 사회적인 문제까지 야 기되는 상황이다. 이에 부족한 장기를 대체할 수 있는 해결책의 하나로 이종이식이 주목받고 있다[1-3].

그림 1. 장기 기증자, 장기 이식 건수, 장기 이식 대기자 현황. 국내 (좌), 미국 (우)

표 1. 연도별 장기 이식 대기 중 사망자 현황 (보건복지부)

II. 국내·외 이종이식제제 연구 개발 및 규제 동향

1. 국·내외 이종이식제제 연구개발 동향 

1.1. 형질전환 미니돼지 개발

 •미니돼지는 인간과 유전적으로 비교적 가깝고 장기 크기가 비슷할 뿐 아니라 유전자 조작 및 번 식이 용이하고 특정 병원체가 제어된 환경에서 대량 사육이 가능해 안정적인 장기 공급원으로 주 목받고 있다[4]. 

•그러나 이종이식의 경우 면역거부반응이 동종이식의 경우보다 훨씬 더 빠르고 심각하게 나타나 기 때문에 이를 극복하기 위한 형질전환 미니돼지 개발이 매우 중요하다. 돼지 장기 표면에 존재 하는 Alpha-Gal, Neu5Gc, Sda와 같은 당사슬(이종항원)은 인간의 면역체계에 존재하는 자연항체 와 급격하게 반응해 초급성·급성 거부 반응을 유발하고 이식된 장기를 괴사시킬 뿐 아니라 수혜 자의 생명까지도 위태롭게 할 수 있다. 따라서 이종항원을 합성하는 돼지 유전자의 제거(knockout, KO)가 필수적이며, 더불어 발생하는 보체 활성, 혈액 응고, 면역세포 활성 반응을 조절할 수 있는 인간 유전자를 발현하도록 형질전환된 미니돼지의 개발이 요구된다(그림2).

그림 2. 이종이식 시 일어나는 면역거부반응 메커니즘

•2002년 미국 미주리대학과 이머지바이오세러퓨틱스社가 세계 최초로 Alpha-gal 결손 형 질전환돼지(GGTA1 knock-out, GTKO)를 개발한 이후, 2015년 CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas9과 같은 유전자 편집 기술이 소개되면서 이종이식 을 위한 형질전환돼지 개발에 속도가 붙기 시작했다[6]. 미국의 Revivicor社, eGenesis社가 대표 적이고 독일, 중국, 일본, 그리고 우리나라에서도 형질전환돼지 개발 연구가 활발하게 진행 중이 다(표 2).

•최근에는 10개 이상의 유전자가 형질전환된 돼지가 개발된 것으로 보고되고 있는데, 미국 eGenesis社는 돼지 이종항원 유전자 3개와 돼지 내인성 레트로바이러스(Porcine endogenous retrovirus, PERV)를 1개를 비활성화하고 인간 유전자 9개를 삽입한 형질전환돼지를 개발하였고 [8], Revivicor社의 경우 돼지 이종항원 유전자 3개와 이식 후 수혜자의 몸에서 이식된 돼지 장기 가 성장하는 것을 방지하기 위해 돼지 성장호르몬 수용체 유전자 1개를 추가로 제거한 뒤 6개의 인간 유전자를 삽입한 형질전환 돼지를 개발하였다(그림 3)[9]. 

•우리나라의 경우 2009년 축산과학원의 GTKO 형질전환돼지 생산을 시작으로 국내 대학, 기업들 에서 형질전환 돼지 개발 연구를 지속하고 있으며 2024년 현재, 옵티팜社에서 최대 8개의 유전 자가 형질전환된 이종 이식용 미니돼지를 개발·보유하고 있다.

그림 3. eGenesis社와 Revivicor社가 개발한 형질전환 돼지

•이종이식에서 나타날 수 있는 면역원성을 측정하기 위한 시험은 제제별로 시험관 내 (in vitro)에 서 항원(돼지 세포)-항체(인간 혹은 영장류 혈청) 반응의 정도를 확인[10, 11]하고 항원-항체 결합 으로 유도되는 보체 활성 및 다양한 면역세포들의 반응 정도를 검토하는 방법[10, 12-14] 등을 사 용하고 있다(그림 4)[15]. 

•혈관이 많이 분포된 폐나 간의 경우 면역반응이 빠르고 심한 반면, 각막의 경우 면역특권 (immune privilege)으로 불릴 정도로 낮은 면역원성을 나타내는 등 이종이식제제는 세포별, 장기 별로 면역원성이 다르게 나타나기 때문에 제제별로 최적의 형질전환 타입을 선정하는 것이 중요하다.

1.2. 이종이식제제(이종췌도 및 이종혈액) 개발 동향 

•전 세계 당뇨병 환자는 2021년 기준 약 5억 3천 명이며 당뇨로 인하여 사망한 환자는 6백만 명이 넘었고[17], 그 중 췌도세포의 기능 이상으로 인슐린 투여가 필요한 제1형 당뇨 환자가 8백만 명 에 육박하고 있다[18, 19]. 인슐린을 복용하면 위에서 분비되는 위산에 의해 파괴되기 때문에 피 하에 인슐린을 주사하는 방법이 사용되고 있으나 반복적인 주사로 인해 당뇨병 환자들의 삶의 질 이 크게 떨어진다. 

•이러한 환자들의 고통을 해소하기 위한 가장 이상적인 치료법은 췌도세포의 이식이다[20]. 하지 만 앞서 언급한 바와 같이 기증되는 췌장의 공급이 부족하여 치료 가능한 충분한 양의 췌도세포 를 확보하기도 매우 어려운 실정이다. 이러한 한계점을 극복하기 위한 대체 방안으로 돼지 췌장 의 췌도세포를 이식하는 연구가 2000년대부터 시도되었다. 췌도세포는 고형장기에 비해 면역 반응이 낮고, 세포 수준으로 이식하기 때문에 이종이식의 가능성을 비교적 빠르게 검증할 수 있었다. 

•영장류를 이용한 돼지 췌도세포 이종이식의 경우 2005년에 미국의 연구팀에서 야생형 성체 돼 지 췌도세포를 영장류에 이식하여 최고 6개월을 생존시키는 기록을 세웠고[21], 같은 해 미국 의 또 다른 연구팀은 야생형 신생자돈의 췌도세포(neonatal porcine cell clusters, NPCC)를 영 장류에 이식하여 최고 400일까지 생존한 성공적인 결과를 발표하였다[22]. 2022년에 호주 연 구팀은 형질전환된(GTKO/hCD55.hCD59.HT) 신생자돈의 췌도세포를 원숭이에게 이식하여 돼 지 췌도세포를 이식받은 원숭이 5마리 중 4마리에서 당뇨병 치료 효과를 보였으며, 최대 397일 까지 당뇨병 치료 효과가 유지됨을 확인하였다[23]. 위의 연구들 모두 임상에 사용할 수 없는 항-CD154를 면역억제제 중 하나로 사용하였지만 돼지 췌도세포의 당뇨병 치료 가능성을 보여주 고 있다. 

•2022년에는 미국에서 임상에 적용할 수 있는 면역억제제 프로토콜을 이용하여 형질전환 하지 않은 야생형의 돼지 췌도세포를 영장류에 이식하는 연구를 수행하였다[24]. 총 6개의 그룹으로 나누어 면역억제제 처치를 다르게 한 결과, 일정한 면역억제 프로토콜 그룹에서 생존 기간이 250일 이상으로 확인되었다. 연구팀은 면역억제 프로토콜의 수정을 통해 생존 기간 연장이 가능 함을 제시하고 있다(그림 5).

...................(계속)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.