바이오인

RNA 치료제에 대한 세포 장벽 극복

요약문

Small-interfering RNAs(siRNAs), microRNAs(miRNAs), antisense oligonucleotides(ASOs), aptamers, 합성 mRNAs 및 CRISPR-Cas9와 같이 RNA를 기반하는 치료제들은 현재 약물을 통해서 조절 할 수 없는 많은 유전자 및 유전자 산물 들을 표적하고, 암에서부터 유행성 인플루엔자, 알츠하이머에 이르는 질병들에서 새로운 치료 패러다임을 창출할 수 있는 중대한 잠재력이 있다. 그러나 이러한 RNA의 잠재력이 최대한으로 발휘되려면 먼저 세포 외부의 RNA를 세포 내부로 침투하지 못하게 하는 오랜 시간 동안 진화적으로 완성된 방어체계를 극복해야 한다. 지질 이중층을 뚫고 RNA를 세포로 전달하는 것이 RNA 치료제의 광범위한 개발을 위한 주요 과제로 남아 있으나, 최근의 화학적 기술의 발달로 인해 이 진화적 갑옷을 뚫어 내기 시작했다.

본 자료는 Overcoming cellular barriers for RNA therapeutics. Nature Biotechnology, 35 (3), pp. 222-229.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 본 내용
2. 단일 가닥 ASO의 전달
3. 이중 가닥 siRNA의 전달
4. 엔도좀 탈출
5. 결론

1. 본 내용

지난 10년간 표적 RNA나 DNA에 대한 높은 선택적 특이성으로 인해, RNA 기반 치료법은 학계와 산업으로부터 많은 관심이 집중되었다. 이 약물들은 약물 적용이 되지 않는 인간 및 바이러스 유전자의 발현 억제, mRNA의 splicing 조절, 후성유전 조절에 관여하는 비암호화 RNAs (ncRNA) 표적, 표적 유전자의 증가, 유전자의 발현 그리고 유전체 교정 등의 작업을 선택적으로 가능하도록 해준다. 이러한 부분들은 저분자 억제제나 항체를 통해 실현될 수 없었던 형태의 치료적인 작용이다. 또한 RNA 기반 치료법은 암 돌연변이 및 전염병 바이러스 감염과 속도를 맞출 수 있는 발전 능력을 가진 유일한 방법이다. 2세대 RNA 화학 기술들은 RNA 치료제의 안정성을 크게 향상시키고, 의도하지 않은 부작용을 감소 시키며, 표적을 향한 약리 활성을 최대화 시킨다. 이러한 새로운 화학 기술들은 10여년 전에 저조한 성능을 보이던 RNA들을 이제는 거의 준비가 된 미래에 필수적인 치료제로 전환시켰다.

그러나 RNA 기반 치료법의 잠재력을 둘러싼 열광적인 기대에 반해 오래 전부터 제기되어왔던 약물 전달 문제는 지속적으로 지적되고 있다. 생명체는 원시 RNA와 고분자 용액들이 지질 이중층에 의해 캡슐화되어 외부의 RNA와 거대 분자들의 간섭 없이 독자적인 화학 반응이 가능해짐에 따라 발생되었다. 지질 이중층은 1,000 Daltons (Da)보다 작은 중성, 약간의 소수성 분자 <1,000 Daltons (Da)의 수동적 확산을 허용하는 반면, RNA와 같은 큰 분자의 이동은 제한한다. 따라서, 지질 이중층은 생명을 창조하고, 침입하는 RNA로부터 방어하는데 있어서 기본적인 것이었다. 이 오래된 장벽 위에는 RNases와 선천적인 면역 패턴 인식 Toll-like receptors (TLRs) 3, 7, 8, 이중나선 RNA 수용체 PKR 등을 포함하여, 침입하는 RNA로부터 metazoan 세포를 더욱 보호하기 위해 고안된 일련의 진화적 방어 장치가 있다. 또한, RNA는 신장과 간세포의 포획 수용체에 의해 혈액으로부터 빠르게 제거된다. 결과적으로, RNA 기반 치료제를 성공적으로 전달하기 위해서는 수십억 년에 걸쳐 완성된 진화적 방어 체계를 무너뜨리는 것이 필요하다. 이러한 장벽들 중에서도 지질 이중층을 통한 전달은 해결해야 할 '문제'로 남아 있다. 저분자 억제제는 분자량이 적고, 낮은 전하량 및 충분한 소수성 성질을 통해 세포막의 지질 이중층을 부드럽게 미끄러져 넘어갈 수 있다. 이와 대조적으로, 모든 RNA 기반 치료제는 지질 이중층을 가로 지를 수 있는 능력이 없으며 크기가 크고 고전하량의 거대분자 물질이다 (그림 1).

 RNA 기반 치료제는 세포막 포집 현상(endocytosis)에 의해 흡수될 수 있는 거대 분자이지만, 그 이후에 엔도좀(endosome) 내부에 갇힌 채로 남아있어 세포질과 핵 밖에 존재한다. 클라쓰린, 카베올레, 식세포작용, 대음세포작용 등 여러 가지 세포막 포집 현상이 있지만, 지질 이중층을 가로 지르는 문제는 모든 형태의 세포막 포집현상에서 동일하게 발생한다. 따라서 RNA 기반 치료제를 엔도좀에서 세포질 내로 독성없이 전달하는 것이 RNA 기반 치료제의 잠재력을 최대한 활용하기 전에 해결해야 할 핵심 기술 과제이다.

그림 1. RNA의 침입을 막는 40억년된 지질 이중층 보호막.

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