차세대 유전자 치료제의 물결 ② 

바이러스 벡터를 이용한 유전자 요법은 큰 가능성을 보여주지만 장기적으로 임상에 미치는 범위는 아직 확실하지 않다. 즉, 성공은 아직 개발 중인 혁신적인 솔루션에 달려 있다고 할 수 있다. 최근 들어 바이러스 벡터 유전자 치료의 성공과 실패가 모두 보고 되었다. 여러 아데노바이러스(adenovirus) 벡터를 기반으로 한 백신의 빠른 개발과 대규모 출시는 전례 없는 성과를 나타냈다. 같은 기간 동안 여러 유명 유전자 치료제 자산은 안전성 문제나 효능 목표 달성 실패로 인해 임상 시험이 일시 중단되는 문제에 직면하기도 했다.

이러한 성공과 좌절은 바이러스 벡터 유전자 치료의 현재 상태를 상징적으로 보여주고 있다. 이 기술은 상당한 잠재성을 갖고 있지만 아직 해결해야 할 여러 과제가 남아 있는 기술이다. 점점 더 많은 유전자 요법이 임상에서 실행됨에 따라 바이러스 벡터 유전자 요법의 잠재력을 최대한 활용하려면 여러 가지 기술적 과제를 여전히 극복해야 한다는 것이 분명해진 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 생명 공학 및 제약 회사는 바이러스 벡터 유전자 요법 개발의 모든 측면을 다루는 다양한 기술 발전과 혁신적인 전략을 테스트하고 있다. 따라서 차세대 바이러스 벡터 유전자 치료법에서 빠른 변화 속도를 따라갈 준비가 된 기업에게 이러한 혁신은 새로운 기회를 제공할 것으로 전망된다.

바이러스 벡터 유전자 요법은 변형된 바이러스를 약물 전달 수단으로 사용하여 특정 DNA 서열(유전자, 유전자 발현 조절 RNA(예: small interfering RNA[siRNA]) 또는 기타 치료 물질)을 세포에 전달하는 것이다. 이 기술은 기존 방식보다 잠재적인 이점을 갖고 있기 때문에 오랫동안 과학계의 관심이 되었다. 많은 유형의 치료제(예: 효소, 항체 및 siRNA)는 표적이 식별되면 신속하게 디자인 및 합성할 수 있는 DNA 서열로 암호화될 수 있다.

바이러스는 세포에 효율적으로 들어간다는 점과 매우 특이적인 세포에 접근할 수 있는 능력 때문에 유전자를 전달하는 강력한 수단이 될 수 있다. 이러한 기능을 결합하여 바이러스 벡터 유전자 요법을 사용하여 프로그래밍 가능한 방식으로 유전자 발현을 수정할 수 있으며, 유전자 교체에 의한 희귀 단일 유전자 질환 및 유전자 발현을 제어함으로 광범위한 질병을 잠재적으로 치료하거나 예방접종으로 질병을 예방할 수 있는 유연성을 제공한다.

현재 이용 가능한 거의 모든 유전자 치료법은 아데노 관련 바이러스(adeno-associated-virus, AAV) 벡터, 아데노바이러스(adenovirus) 벡터 또는 렌티바이러스 (lentivirus) 벡터의 세 가지 벡터 유형 중 하나를 사용한다(그림 1). AAV 및 아데노바이러스 벡터는 일반적으로 생체내 주입 또는 국소 주사에 의해 환자에게 직접 투여되는 유전자 요법에 사용되며, AAV는 종양학 및 백신 이외의 영역에서 가장 인기 있는 벡터이다. Lentivirus 벡터는 일반적으로 환자로부터 분리된 세포가 환자에게 재이식 되기 전에 세포 배양을 통해 사용되는 요법에 적용된다. 이 기사는 주로 생체 내 유전자 요법에 중점을 두고자 한다. 그러나 이 기사에서 논의된 많은 도전과 발전은 두가지 형태의 벡터 개발에서 주로 논의되고 있다.

바이러스 벡터 유전자 요법에 대한 관심은 분명하다. 현재 시장에 출시된 생체 내 바이러스 벡터 유전자 치료제는 4개뿐이지만 2020년 말 현재 100개 이상의 유전자 치료제 자산이 임상 시험 중이며 전임상 개발 단계에는 훨씬 더 많은 상황이다. 이러한 자산의 대부분은 지속적이고 높은 수준의 벤처 캐피털 자금으로 지원되는 중소 생명 공학 회사와 학술 연구소의 꾸준한 결과에서 나왔다. 대형 제약 회사는 지난 2년 동안에만 10억 달러 또는 그 이상의 가치를 지닌 7건의 생명 공학 회사 인수를 통해 바이러스 벡터의 잠재력에 점점 더 집중하고 있다(그림 2). 아데노바이러스는 에볼라에 대한 백신 승인과 획기적인 COVID-19 백신 개발을 통해 백신 플랫폼으로 입증되고 있다.

일부 유전자 요법의 높은 가격은 한때 상업화에서 거의 극복할 수 없는 도전으로 여겨졌지만 혁신적인 의료비 상환 전략 덕분에 ZOLGENSMA(출시 첫 10개월 동안 600명 이상의 척수성 근위축증(spinal muscular atrophy) 영아를 치료)로 인해 시장 애널리스트의 예상과는 달리 성공적인 출시가 가능하다는 것을 보여주었다. 바이러스 벡터 유전자 치료제의 전 세계 매출은 COVID-19 백신의 잠재적 영향을 제외하더라도 향후 5년간 전년 대비 50% 이상 성장하여 수만 명의 환자들의 삶에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

그러나 상당한 추진력이 있기는 하지만 최근 여러 번의 좌절도 있었다. 이러한 문제들 중 다수는 효능, 내구성 및 제조를 포함하는 유전자 치료의 미래에 발생할 수 있는 관점과 관련이 있다. 이러한 치료법이 원래 목표로 삼았던 매우 희귀한 적응증을 넘어서 적응증 확장을 모색함에 따라 세 가지 기술적 과제가 장애물로 나타났다. 바이러스 벡터 유전자 요법이 20년 전의 단일클론항체 기술과 마찬가지로 진정한 게임 체인저(game changer)가 되려면 이러한 일련의 기술적 과제를 극복해야 한다.

현재 차세대의 바이러스 벡터 유전자 치료법은 수십 년간의 생물학 및 임상 연구의 정점을 보여주고 있다. 더 많은 환자가 이러한 요법을 받으면서 다음 세 가지 근본적인 문제가 바이러스 벡터의 적용 가능성을 제한한다는 것이 분명해졌다. 첫째 면역 체계를 넘어야하고, 둘째 용량을 낮추어야 하며, 셋째 전달 유전자의 발현을 제어하는 ​​것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 진행 중인 연구 개발은 현재 치료법을 뛰어넘고 바이러스 벡터의 잠재력을 구체화하는 기술 혁신의 기반이 될 것으로 전망된다.

첫째, 면역 시스템 넘어서기

모든 바이러스 벡터 유전자 요법의 성공 여부는 인간 면역계에 의해 형성된 여러 방어선을 통과하는 능력에 달려 있다. 바이러스 캡시드(capsids), 바이러스 벡터 DNA, 심지어 전달 유전자 산물 자체가 외부 물질로 인식될 수 있으므로 신체에서 면역 체계가 유전자 요법을 제거할 수 있는 여러 가능성이 있다.

바이러스 캡시드에 대한 면역은 유전자 요법의 효능을 제한할 수 있다. 오늘날 대부분의 바이러스 벡터 유전자 치료법은 인체에서 순환하는 무해한 바이러스에서 파생된 벡터를 사용하기 때문에 많은 환자(최대 60%)가 과거 바이러스 노출로 인해 이미 존재하는 면역을 가질 수 있다. 예를 들어 CanSinoBIO는 약물 전달을 위해 선택한 아데노바이러스-5(adenovirus-5, Ad5) 벡터에 대한 기존 항체가 있는 개인에서 COVID-19 백신의 효능이 감소했다고 보고했다.

이 효과는 사용된 벡터 혈청형에 따라 다르고 임상적 영향은 여전히 ​​불분명하지만 많은 임상 시험 의뢰자는 해당 벡터에 대한 항체가 있는 환자를 연구에서 일반적으로 제외시킨다. 이러한 조사로 인해 대부분의 환자들은 치료에 부적격 판정을 받게 되는 것이다. 바이러스 벡터에 대한 획득 면역은 장기적으로 바이러스 벡터 유전자 치료에 추가적인 문제가 된다. 이러한 점에서 최근 유전자 요법으로 치료받는 환자들은 미래에 동일한 바이러스 벡터를 이용한 두 번째 유전자 요법을 받지 못할 수 있다.

또한 바이러스 캡시드와 바이러스 벡터 DNA는 신체의 면역 반응을 활발하게 유도할 수 있다. 바이러스 벡터 백신의 경우 이 면역원성은 보조제의 필요성을 줄이고 효능을 증가시키기 때문에 유익할 수 있다. 그러나 다른 치료 목적을 갖은 바이러스 벡터 유전자 요법의 경우 면역원성은 효능을 감소시켜 유전자 요법이 면역계에 의해 탐지되고 제거될 가능성을 증가시킬 수 있다. 실제로 일부 사람들은 면역원성 벡터 DNA 서열이 일부 최근 유전자 치료법의 효능을 낮추는 원인들 중 하나라고 추정하고 있다. 더 중요한 것은, 높은 수준의 바이러스 캡시드가 주사 시 심각한 면역 반응을 일으킬 수 있기 때문에 면역원성은 치료중 안전성 문제로 이어질 수 있다.

바이러스 벡터 유전자 요법에 대한 면역 반응과의 연관성은 매우 복합적이기 때문에 그 해법을 찾는 것은 여전히 ​​어려운 일이다. 면역 시스템은 서로 다른 종 간에 상당히 다르고 이전 바이러스 감염 경험 역시 상당한 차이가 있기 때문에 동물 모델은 인간 면역 반응을 대변할 수 없는 것이다.

둘째, 복용량 낮추기

현재의 바이러스 벡터 유전자 치료법은 특히 전신 질환 치료를 목표로 하는 경우 환자에게 많은 수의 바이러스 입자를 투여해야 한다. 예를 들어, 몸 전체의 근육 세포에서 돌연변이를 교정하는 것을 목표로 하는 뒤센 근이영양증(Duchenne muscular dystrophy, DMD)에 대한 최근의 유전자 요법은 최대 약 10^16(만조)의 바이러스 입자, 즉 단일 용량으로 3×10^14 벡터 게놈[vg]/kg[kg], (30kg 어린이 경우의 용량)을 전달한다. 이는 인체 세포 수의 몇 배에 해당한다. 전신 질환의 경우 신체의 많은 세포를 개별적으로 표적화하고 복구해야 할 필요가 있기 때문에 이렇게 많은 양을 투여할 수 있다. 또 다른 설명은 특정한 세포에 전달할 수 있는 현재 사용중인 바이러스 벡터의 제한된 특이성 때문이다. 즉, 적절한 수의 바이러스가 임상적으로 관련된 세포에 도달하도록 하려면 많은 수의 바이러스 입자가 전달되어야 한다.

현재 유전자 치료에 사용되는 고용량은 두 가지 문제를 제기하고 있다. 첫째, 다량은 제조하기 어렵고 비용이 많이 든다. 오늘날, 고수율 세포주와 대용량 생물반응기를 사용하는 AAV 벡터 요법의 일반적인 제조는 용량당 거의 $100,000의 비용으로 단일 배치에서 약 10회분의 전신 유전자 치료제만을 생산할 수 있다(약 1회 × 10^17 vg/배치). 이러한 비용은 유전자 요법이 임상 및 상업적 규모에 도달하기 시작함에 따라 점차 감소할 것이지만, 필요한 용량을 줄이는 기술 발전이 임상에 필요한 용량을 10배 감소시킨다면 비용도 10배를 감소시킬 수 있기 때문에 즉각적인 이점을 가져올 것이다.

둘째, 훨씬 더 중요하게는 많은 양의 바이러스를 투여하는 것이 유해한 안전성 결과와 관련이 있다는 것이다. 2020년 AAV 벡터 요법의 임상 시험에서 4건의 사망에 대한 조사가 진행 중이지만 고용량 코호트에서 3건의 사망이 발생했다. 임상 시험 프로토콜은 이 문제의 심각한 중요성을 반영하여 바이러스 용량을 제한하기 위해 이후에 수정되었다.

셋째, 이식 유전자의 발현 조절

바이러스 벡터가 문제의 세포에 치료 유전자를 성공적으로 전달하면 유전자 치료의 효능은 이식 유전자 발현에 의한 단백질의 질에 달려 있다. 특히, 이식유전자는 원하는 임상 효과를 매개하기 위해 적절한 세포에서 적절한 수준(너무 낮지도 너무 높지도 않음)으로 일정 기간 동안 발현되어야 한다.

백신에 사용하는 것과 대조적으로 치료용 용도의 경우, 유전자 요법이 일회성 치료법으로 제공하여 이식 유전자를 영구적으로 발현해야 할 수 있게 되면 반복 투여가 필요한 현재의 치료 표준에 비해 매력적인 대안이 될 수 있다. 그러나 이러한 접근법은 이전에 제시한 방법들을 기반으로 할 때 불가능할 수 있다. 규제 기관은 유전자 발현이 유지된다는 것을 보여주는 다년간의 추적 데이터를 요구하고 있다. 실제로 일부 약물은 12개월 후에 발현이 약해져 폐기되기도 했다.

성공 가능성을 최대화하기 위해 초기 바이러스 벡터 유전자 요법은 모든 세포 유형에서 높은 수준의 이식유전자의 발현을 유도하도록 선택된 조절 요소(유전자 발현 방식을 제어하는 ​​프로모터 및 인핸서(enhancer)와 같은 DNA 서열)를 포함했다. 그러나 이 접근법은 특히 유전자 요법이 희귀 질환을 넘어 다양한 적응증을 대상으로 발전함에 따라 상당한 단점으로 작용할 수 있다. 비인간 영장류에 대한 최근 연구결과를 바탕으로 할 때 이식유전자의 과발현 또는 잘못된 세포에서의 발현은 염증 및 기타 독성에 기여할 수 있다고 보고되었다. 더욱이, 현재의 유전자 치료법은 일단 투여되면 필요할 경우 임상의가 통제하거나 중단할 수 없다.