심혈관 질환 유전자 치료: 아데노 관련 바이러스 벡터 (AAV)의 응용

지난해 10월 6일 Voyager Therapeutics는 화이자와 협력 계약을 발표했습니다. 화이자는 Voyager의 TRACER 캡시드 플랫폼으로 생성된 새로운 캡시드를 라이선스할 수 있는 옵션을 보유하게 되며, 신경계 및 심혈관 질환에 대한 유전자 치료제를 개발할 예정입니다. Voyager는 선급금으로 3천만 달러를 받게 되며, 개발·허가·상업화 마일스톤에 따라 최대 5억 8천만 달러를 추가로 받을 수 있습니다. 유전자 치료 연구가 급속도로 증가함에 따라 아데노 관련 바이러스(AAV) 벡터 기술의 유전자 치료 분야 적용이 성숙해지면서 Voyager Therapeutics와 같은 다수의 신생 기업이 등장했고, 다국적 제약 대기업들도 이 분야에 사업을 확장하기 시작했습니다.

올해 기준으로 전 세계적으로 수백 가지 재조합 아데노 관련 바이러스(rAAV) 유전자 치료 제품이 시판 허가를 받았거나 임상 시험에 진입했습니다. Clinical Trials 공식 웹사이트에 따르면 전 세계적으로 총 270건의 AAV 관련 임상 시험이 진행 중입니다. 2021년 6월 28일에는 ND4 미토콘드리아 유전자 돌연변이로 인한 레버 유전성 시신경병증(LHON) 치료를 위한 중국 최초의 임상 단계 안과용 rAAV 생체 내 유전자 치료제 NR082가 중국에서 첫 환자 등록 및 투여를 완료했습니다. 이 모든 데이터는 AAV 생체 내 유전자 치료 제품의 연구 개발이 고속 성장기에 접어들었음을 보여줍니다.

왜 AAV 벡터가 이렇게 큰 잠재력을 가지고 있을까요? 이는 아래에서 설명할 AAV 벡터 자체의 특징과 관련이 있습니다.

AAV의 게놈과 특징

아데노 관련 바이러스(AAV)의 게놈은 약 4.7 kb 크기의 단일 가닥 DNA 절편으로, 직경 20 nm의 20면체 비외피성 바이러스 캡시드 내에 포함되어 있습니다. AAV의 게놈은 3가지 기능 모듈로 구성되어 있습니다: 복제(Rep) 유전자와 캡시드(Cap) 유전자를 포함하는 2개의 개방 해독틀(ORF)과 역말단 반복 서열(ITR). Rep 유전자는 바이러스 복제에 필요한 4가지 단백질을 암호화하며, 분자량에 따라 Rep78, Rep68, Rep52, Rep40으로 명명됩니다.

Cap 유전자는 선택적 스플라이싱과 다른 시작 코돈의 번역을 통해 3가지 캡시드 단백질인 VP1, VP2, VP3을 암호화합니다. 캡시드 단백질 서열의 차이로 인해 AAV는 다양한 혈청형을 가지게 됩니다. 각기 다른 혈청형의 AAV는 서로 다른 세포의 표면 수용체와 결합할 수 있으므로, AAV 벡터는 각기 다른 조직을 표적으로 할 수 있습니다.

그림 1. AAV 바이러스 구조 모식도^[8]

과학자들은 AAV를 유전공학적으로 조작하여 세포 형질감염에 적합한 재조합 AAV 벡터(rAAV)를 개발했습니다. rAAV는 야생형 AAV와 동일한 캡시드 서열과 구조로 구성되어 있지만, rAAV 패키징의 게놈에서는 모든 AAV 단백질 암호화 서열이 제거되고 치료 유전자 발현 카세트가 추가된다는 차이점이 있습니다. 바이러스 유래 서열로는 벡터 생산 과정에서 게놈 복제와 패키징을 유도하는 데 필요한 ITR만이 남아 있습니다. 바이러스 암호화 서열이 완전히 제거됨으로써 rAAV의 패키징 용량이 최대화되고, 생체 내 전달 시 낮은 면역원성과 세포 독성의 원인이 됩니다.

그림 2. 야생형 AAV와 rAAV의 게놈 구조^[10]

다른 바이러스 기반 연구 도구와 비교했을 때 AAV는 많은 장점을 가지고 있어 생체 내 유전자 치료에 가장 널리 사용되는 바이러스 벡터입니다. 유전자 치료 적용에 있어서 AAV 벡터의 장점은 다음과 같습니다:

• 안전성: 야생형 AAV는 인체에 병원성이 있는 것으로 발견된 적이 없으며(인구의 80%가 AAV에 감염된 경험이 있습니다), 재조합 AAV는 야생형 AAV 게놈의 96%가 제거되어 안전성이 더욱 보장됩니다.
• 안정적인 발현: AAV는 비분열 세포에서 외래 유전자를 장기간 안정적으로 발현시킬 수 있습니다.
• 높은 표적성: AAV는 강력한 표적 능력을 가지고 있어 표적 장기와 조직에 특이적으로 형질감염시킬 수 있습니다.
• 넓은 숙주 범위: 분열 중인 세포뿐만 아니라 정지기 상태의 세포에도 형질도입할 수 있습니다.
• 안정적인 물리적 특성: rAAV는 60도에서도 불활성화되지 않으며 클로로포름에 내성을 가지고 있습니다.

심혈관 질환에서의 AAV 적용

현재 rAAV 생체 내 유전자 치료의 임상 적용은 주로 희귀 질환, 안과 질환, 대사 질환, 심혈관 질환, 신경계 질환 분야에 집중되어 있습니다. 본 문서에서는 주로 심혈관 질환 연구에서의 적용을 소개하겠습니다.

심혈관 질환에 대한 rAAV의 전 세계 임상 시험은 주로 다음 적응증에 집중되어 있습니다. 관련 기업들의 제품 포지셔닝은 표 1에 제시되어 있습니다.

표 1. 심혈관 질환에 대한 AAV 유전자 치료의 임상 진행 현황

1. 심부전

총 6건의 이 임상 시험들은 모두 rAAV를 통해 SERCA2a 유전자를 심장 조직에 전달합니다. 칼슘 순환 이상은 모든 유형의 심부전의 공통적인 특징입니다. SERCA2a는 심장의 칼슘 순환을 유지하는 데 중심적인 역할을 하며, 심부전 환자에서는 SERCA2a의 발현이 감소합니다. SERCA2a의 발현을 회복시킴으로써 심장 기능을 개선할 수 있습니다.

2. 심근병증

허혈성 심근병증(ICM)은 장기간의 심근 허혈로 인해 심근의 국소적 또는 미만성 섬유화가 발생하여 심장의 수축 및/또는 이완 기능이 손상되고, 이로 인해 심장이 확장되고 경직되어 울혈성 심부전(CHF)이 발생할 수 있는 질환입니다. 이러한 일련의 임상 증후군과 함께 심장 기능이 저하되며, 가장 초기 증상으로 부정맥이 나타날 수 있습니다. 현재 전 세계적으로 rAAV를 이용한 심근병증 치료에 대한 3건의 임상 시험이 진행 중이며, 주로 SERCA2a 전달을 통해 치료 효과를 얻습니다.

3. 동형접합 가족성 고콜레스테롤혈증

가족성 고콜레스테롤혈증(FH)은 저밀도 지단백 콜레스테롤(LDL-C) 이화작용의 핵심 유전자 중 하나의 돌연변이로 인해 발생하는 유전성 질환입니다. 현재 전 세계적으로 가족성 고콜레스테롤혈증에 대한 2건의 임상 연구가 진행 중이며, 정상적인 저밀도 지단백 수용체(LDLR) 유전자를 전달하여 치료 효과를 나타냅니다. LDLR은 콜레스테롤의 정상적인 대사와 수송에 중요한 역할을 합니다.

4. 다논병

다논병은 X연관 우성 유전 질환으로, 남성에게서 더 심각한 병리학적 영향을 초래합니다. 리소좀 관련 막 단백질 2(LAMP2) 유전자의 돌연변이로 인해 환자의 골격근과 심근이 약화되어 다기관 장애가 발생하며, 심장 이식을 받지 않을 경우 최종적으로 중증 심부전으로 이어집니다.

지난해 3월 캘리포니아 대학교 샌디에고 의과대학 연구진은 《Science Translational Medicine》에 논문을 발표했습니다. 그들은 먼저 LAMP2 유전자가 녹아웃된 마우스 모델을 구축한 후, rAAV9 전신 주사를 통해 LAMP2B 유전자를 마우스의 전신에 전달했습니다. 실험 데이터에 따르면 LAMP2B는 마우스의 여러 장기에서 단백질 발현을 회복시키고 대사 이상과 심장 기능을 개선하며 생존율을 높이는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 LAMP2B를 전달하는 유전자 치료가 다논병 환자의 치료 옵션이 될 수 있음을 시사하며, 관련 임상 시험은 이미 진행 중입니다.

질병 적용에서 AAV의 과제

AAV는 대사 질환과 심혈관 질환 치료에 넓은 잠재력을 가지고 있지만, 우리가 주목해야 할 몇 가지 제한점도 존재합니다:

• AAV는 작은 유전자 절편만 탑재할 수 있습니다: 5.0kb 미만의 유전자만 수용할 수 있으며, 많은 유전자는 5.0kb보다 훨씬 크기 때문에 탑재가 불가능합니다.
• 발현이 충분히 안정적이지 않습니다: rAAV는 숙주 게놈에 통합되지 않기 때문에 형질감염 후 세포 분열이 일어나면서 점차 소실됩니다.
• 면역계와의 상호작용 문제: 첫째, 많은 사람이 이미 체내에 AAV 중화 항체를 가지고 있습니다. 둘째, rAAV 단백질 캡시드와 게놈 단백질 생성물이 여러 단계에서 숙주 면역계와 상호작용할 수 있어 효과적인 유전자 전달과 지속적인 유전자 발현에 장애가 될 수 있습니다.

요약

rAAV 벡터는 많은 장점으로 인해 현재 생체 내 유전자 치료의 첫 번째 선택입니다. 현재 유럽과 미국에서는 신경계 질환과 안과 질환 치료에 사용되는 3가지 rAAV 제품이 시판 허가를 받았습니다. 유럽과 미국에서는 아직 심혈관 질환 치료와 관련된 rAAV 제품이 허가된 바 없습니다. 하지만 심혈관 질환에서 rAAV의 연구와 치료 적용을 탐색하는 다수의 임상 시험이 진행 중입니다. 가까운 미래에 더 많은 제품이 시판 허가를 받아 난치성 대사 관련 질환의 치료에 희망을 제공할 것으로 기대됩니다.

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