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 mRNA 백신 ? 백신학의 새로운 시대

[요약문]

mRNA 백신은 그것의 높은 잠재력, 급속한 발전 능력, 저비용 제조 그리고 안전한 투약의 이유로 전통적인 백신의 강력한 대안이 될 수 있다. 그러나 mRNA의 불안정성과 생체 내 전달(in vivo delivery)의 비효율성에 의해 최근까지 그 적용이 제한되었다. 최근 기술 발전은 이러한 문제를 많이 극복했으며, 감염성 질병과 여러 종류의 암에 대한 다수의 mRNA 백신 플랫폼은 동물 모델과 인간 모두에서 고무적인 결과를 보여주었다. 이 리뷰는 mRNA 백신에 대한 자세한 개요를 소개하고, 광범위한 치료 용도로 발전시키기 위한 유망한 백신 플랫폼(platform)으로서 mRNA 백신의 앞으로의 방향과 과제를 살펴보고자 한다.

[목차]

1. 서론
2. mRNA 백신의 기초 약리학
3. mRNA 백신 기술의 최근 발전
  3.1 mRNA 번역 및 안정성의 최적화
  3.2 면역원성의 조절
4. mRNA 백신 전달의 발전
  4.1 수지상 세포(Dendritic cell)의 생체 외(Ex vivo) 전달
  4.2 생체 내 벌거벗은 mRNA 주입
  4.3 생체 내 물리적인 전달 방법
  4.4 프로타민
  4.5 양이온성 지질 및 폴리머 기반 전달
5. 감염성 질병에 대한 mRNA 백신
  5.1 자가 증폭형 mRNA 백신
  5.2 수지상 세포 mRNA 백신
  5.3 비복제 mRNA백신의 직접 주입
6. mRNA암백신
  6.1 수지상 세포 mRNA 암 백신
  6.2 mRNA 암 백신의 직접 주사
7. 치료 고려 사항 및 과제
  7.1 Good manufacturing practice 생산
  7.2 규제측면
  7.3 안전
8. 결론 및 향후 방안

[내용]

1. 서론

 백신은 수많은 질병을 예방하고 매년 수많은 생명을 구해왔다. 백신 사용이 널리 퍼진 결과로, 천연두 바이러스는 완전히 없어졌고, 소아마비, 홍역 그리고 다른 소아 질병들의 발병률은 전 세계적으로 크게 줄어들었다. 약독화(live attenuated), 불활성화(inactivated)된 병원균 그리고 아단위(subunit) 백신과 같은 전통적인 백신법은 다양한 치명적인 질병에 대한 보호를 제공한다. 이러한 성공에도 불구하고, 후천성 면역 반응(adaptive immune response)을 피할 수 있는 다양한 감염성 병원균에 대한 백신 개발은 어려움이 남아있다. 더욱이, 대부분의 새로운 백신 개발에 있어 큰 어려움은 전통적인 백신법의 효과가 아니라 백신의 신속한 개발과 대규모 배포의 필요성에 있다. 마지막으로 전통적인 백신 접종법은 암과 같은 비감염성 질병에는 효과가 없을 수 있다. 따라서 더욱 강력하고 다목적의 백신 플랫폼 개발이 시급히 필요하다.

핵산 치료법(nucleic acid therapeutics)은 전통적인 백신법의 강력한 대안으로 떠올랐다. 동물 모델에서 in vitro transcribed(시험관 내 전사) mRNA의 성공적인 사용에 대한 첫 번째 보고서는 리포터 유전자(Reporter gene) mRNA가 생쥐에 주입되고 단백질 생산이 확인된 1990년에 발표되었다. 1992년의 후속 연구에 따르면 시상하부(hypothalamus)에서 바소프레신(vasopressin)을 암호화하는 mRNA를 투여한 후 생쥐에서 생리적 반응의 변화를 관찰하였다. 그러나 이러한 초기 결과들은 mRNA 불안정성(instability), 높은 선천성 면역원성(innate immunogenicity) 및 비효율적인 생체 내 전달(In vivo delivery)과 관련된 단점으로 인해 mRNA 치료제 개발을 위한 실질적인 투자로 나아가지 못했다.

지난 10년 동안의 기술 혁신과 연구개발 투자로 인해 mRNA는 백신 개발 및 단백질 대체 치료제 분야에서 유망한 치료 도구가 되었다. mRNA 백신법은 DNA 백신뿐만 아니라 아단위, 사멸 및 생약독화 바이러스 백신을 뛰어넘는 유리한 특징이 있다. 첫째, 안전성(safety)이다. mRNA 백신은 비감염성이며 비삽입성 플랫폼이므로 감염 또는 genomic DNA 삽입에 의한 돌연변이 유발의 잠재적 위험이 적다. 또한 mRNA는 정상적인 세포 대사 과정에 의해 분해되며, 생체 내 반감기(in vivo half-life)는 뉴클레오사이드(nucleoside)의 다양한 변형(modification) 및 전달 방법을 사용하여 조절할 수 있다. 안전성을 더 증가시키기 위해 mRNA의 고유한 면역원성(immunogenicity)은 감소시킬 수 있다. 둘째, 효율성(efficacy)이다. 뉴클레오사이드의 다양한 변형은 mRNA의 안정성과 번역률(translation yield)을 증가시킬 수 있다. 효율적인 생체 내 전달은 mRNA를 전달(carrier) 분자에 배합하여 세포질 내에서 빠른 흡수 및 발현을 가능하게 함으로써 달성될 수 있다. mRNA는 최소한의 유전체 벡터이다. 따라서, 벡터에 대한 면역반응을 회피할 수 있으며, mRNA 백신을 반복적으로 투여할 수 있다. 셋째, 생산(production)이다. mRNA 백신은 주로 시험관 내 전사(in vitro transcription) 반응의 높은 수확량 때문에 신속하고 경제적이며 대용량의 제조가 가능하다. 본 논문의 이해를 위해 mRNA 백신의 작용 기작에 대하여 그림 1에 요약하였다.

2. mRNA 백신의 기초 약리학

mRNA는 단백질 정보를 암호화하는 DNA의 번역과 세포질의 리보솜에 의한 단백질 생산과정 사이를 연결하는 중간 매개체이다. 현재까지 RNA 백신의 두 가지 주요 유형은 비복제형 mRNA (non-replicating mRNA)와 바이러스에서 유래된 자가 증폭형 RNA (self-amplifying RNA)가 있다. 전통적인 mRNA 기반 백신은 5' 와 3' 말단에 비번역구간(untranslational region)을 포함하는 반면에, 자가 증폭형 RNA는 항원뿐만 아니라 세포 내 RNA 증폭 및 풍부한 단백질 발현을 가능하게 하는 바이러스 복제 기작을 갖고 있다.

치료제 목적을 위한 최적의 시험관 내 전사 mRNA 제조는 T7, T3 또는 Sp6 파지(phage) RNA 중합 효소(polymerase)를 사용하여 선형 DNA 주형(linear DNA template)으로부터 생산된다. 이렇게 만들어진 RNA는 관심 단백질(protein of interest)을 암호화하고 있는 Open reading frame, 비번역구간, 5’ Cap과 다중 아데노신 꼬리 서열(poly (A) tail)을 갖고 있어야 한다. 따라서 이렇게 제작된 mRNA는 완전히 성숙한 자연적인 mRNA 분자와 유사하며 진핵세포의 세포질에 자연적으로 존재한다.

생체 내 전달(In vivo delivery)을 위한 mRNA의 복합체에 대해서도 최근에 상세히 소개되었다. 벌거벗은(naked) mRNA(단백질과 같은 물질로 둘러싸여 있지 않는 RNA 분자 자체)는 세포 외 RNA 분해효소(RNases)에 의해 빨리 분해되고 효과적으로 세포 안으로 들어가지 않는다. 따라서, mRNA의 세포 흡수를 촉진하고 분해로부터 mRNA를 보호하는 다양한 시험관 내(in vitro) 및 생체 내(in vivo) 형질감염(transfection) 시약이 개발되었다. 일단 mRNA가 세포질로 이동하면 번역 후 변형 (post-translational modification)을 거친 단백질을 생성하여 최적으로 접히고(3차 구조를 형성하고) 완전히 기능하는 단백질을 생성한다. 시험관 내 전사 mRNA는 정상적인 생리적 과정에 의해 최종적으로 분해되어 대사 산물 독성의 위험이 적다.

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