mRNA 전달 효율을 개선한 신규 지질 나노입자 개발

충남대학교 자연과학대학 생화학과 최준식 교수 연구팀과 한국생명공학연구원 김윤경 박사 연구팀은 mRNA 전달 효율을 개선할 수 있는 새로운 지질 나노입자에 대한 공동 연구 결과를  Advanced Healthcare Materials (IF: 10.0)에 2월 12일 온라인 게재하였다.

●연구 배경:

전 세계적으로 COVID 19 유행 때 새로운 백신으로 효능이 입증된 mRNA 백신 치료제가 주목받게 되면서 RNA 기반 치료 기술의 연구가 활발해지고 있다. 특히, RNA를 전달할 수 있는 핵심 기술인 지질 나노입자(Lipid nanoparticle, LNP)는 mRNA 기반 약물을 효율적으로 전달할 수 있는 대표적인 방법으로 저분자 및 유전 물질을 포함한 광범위한 치료제를 특정 세포 및 조직에 표적할 수 있어 다양한 질병을 치료할 수 있는 새로운 전략으로 대두되고 있다. 하지만 LNP 사용에 따른 부작용 및 체내 안전성 문제와 유전자 발현 효율 개선을 위한 연구가 필요한 상황이다. 이에 본 연구진은 기존의 LNP의 문제점을 개선할 수 있는 새로운 나노입자에 대한 연구를 통하여 RNA 기반 치료제 개발에 새로운 전달체를 개발하였다.

●연구 내용 요약:

LNP의 구성 성분은 크게 ionizable lipid, helper lipid, cholesterol, PEG lipid로 이루어져 있으며, 지질들의 적절한 비율과 RNA가 함께 섞여 입자를 형성한다. 본 연구에서는 LNP의 구성성분 중 하나인 cholesterol을 히스티딘아미드와 결합하여 새롭게 개발한 화합물을 histidinamide cholesterol(Hchol)로 명명하고 이것으로 LNP를 제작하였다. 

그림 1. Cholesterol과 Hchol을 사용하여 LNP 제조 모식도

Hchol은 콜레스테롤에 히스티딘을 결합하여 세포막 내부로 진입을 쉽게 하고자 하였으며, Hchol의 아민기의 도입은 산성 환경에서 이온화 가능하도록 만들어 mRNA의 엔도좀 탈출(Endosomal escape)을 돕도록 하는 역할을 할 것으로 예상하고 분자를 설계하였다. 이러한 전략은 RNA 기반 약물이 세포질로 좀 더 효율적으로 전달될 수 있는 효과를 가져올 수 있는 장점을 지니고 있음으로, 기존의 LNP가 세포질로 RNA 기반 약물을 전달하는 효율의 한계를 극복할 수 있는 기술이다.

LNP는 엔도좀(Endosome) 형태로 세포 내부로 들어가는데, 엔도좀은 시간이 지남에 따라 내부가 산성화가 되고 Proton sponge effect에 의해 막이 불안정해지면 엔도좀 탈출이 일어나 mRNA가 세포질로 방출이 된다. Hchol의 아민기는 낮은 pH에서 (+) 전하로 바뀌어 엔도좀을 더 불안정화시켜 mRNA의 엔도좀 탈출을 증가시켰으며, 단백질 발현 효율도 함께 증가한 것을 세포실험과 동물실험을 통해 증명하였다.

LNP-Hchol을 통한 표적 RNA 전달에 따른 체내 안전성을 확인하기 위해 세포 독성실험과 사이토카인 염증 수치를 확인해본 결과 정상세포와 암세포에서 세포 독성이 나타나지 않았고 LNP 처리시 증가되는 염증성 사이토카인 IL-1β, IL-6, IFN-α, IFN-β의 증가되지 않는 결과를 통하여 개발된 LNP-Hchol은 염증반응이 증가되는 기존의 LNP의 단점을 개선한 것으로 확인되었다.

다음으로 LNP-Hchol를 이용하여 코로나 바이러스의 백신으로의 활용 가능성을 확인하기 위해 SARS-CoV-2 spike mRNA를 이용해 LNP를 제작하여 마우스에 주사하여 IgG titer를 분석한 결과, Hchol LNP를 사용했을 때 항체 생성에 유의미한 차이를 나타냈음을 확인할 수 있었고, 이러한 결과를 통하여 염증반응에 인한 독성이 감소되어 안전하게 mRNA를 생체 내로 전달할 수 있는 전달체로 LNP-Hcho를 이용하여 세포 및 동물 모델에서 효율적인 유전자 발현을 증명하였고, 감염병 백신에 대한 활용 가능성을 보여주는 연구 결과도 제시하였다.

●연구 성과의 의미:

본 연구 결과는 지질 나노입자(LNP)의 성분 중 하나인 콜레스테롤에 이온화성 특성을 도입한   새로운 지질을 개발함으로써 생체에 안전한 치료용 RNA 전달 기술을 통하여, mRNA를 비롯하여 siRNA 및 miRNA와 같은 핵산 전달을 통한 감염병 백신이나 난치성 질환 치료제를 위한 지질나노 입자의 개발 및 활용에 새로운 플랫폼 기술을 확보하였다는 의미가 있다.

논문제목, 페이지번호, 발행년도 : “Modulating Lipid Nanoparticles with Histidinamide-Conjugated Cholesterol for Improved Intracellular Delivery of mRNA” Adv Healthc Mater.Feb 12:e2303857. 2024

논문URL : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202303857