AAV 유전자 전달 기반 AD·PD·ALS 정밀 모델링

서론

알츠하이머병, 파킨슨병, ALS의 복잡한 병리를 실험 환경에서 어떻게 충실히 재현하고 치료제 개발을 가속할 수 있을까요?

수십 년 동안 동물 모델링은 주로 형질전환 계통이나 독소 유도 모델에 의존해 왔습니다. 이러한 모델은 여전히 가치가 크지만, 환자에서 관찰되는 시간적 조절성이나 특정 뇌 영역 중심의 병리를 충분히 반영하기 어렵다는 한계가 있습니다. 최근 아데노연관바이러스(AAV) 벡터는 신경과학자에게 일종의 “정밀 메스”와 같은 도구로 부상하고 있습니다. AAV는 높은 안전성, 낮은 면역원성, 안정적인 장기 발현, 폭넓은 조직 지향성을 바탕으로 특정 유전자를 신경 회로에 직접 전달할 수 있으며, 신경퇴행성 질환의 핵심 병리 특징을 높은 정밀도로 모사할 수 있습니다.

이번 글에서는 AAV 기술이 알츠하이머병, 파킨슨병, ALS의 차세대 모델 구축에 어떻게 활용되고 있는지 살펴봅니다.

알츠하이머병(AD): AAV 벡터를 활용한 Aβ 및 Tau 모델링

알츠하이머병(AD)은 임상적으로 치매를, 병리학적으로는 아밀로이드-β(Aβ) 침착과 Tau 단백질 과인산화를 특징으로 합니다. AAV 정위 주입은 인간 변이 APP 또는 Tau를 해마에 특이적으로 전달하여 이소성 발현을 유도하고 AD 병리를 모사할 수 있게 합니다^[1].

그림 1. 정상 뇌와 AD 뇌 구조 비교^[1]

Aβ 침착 타겟화: AAV-APP/PSEN1 전달을 통한 Aβ 침착 모델링

Aβ 중심 AAV 모델의 실용적 설계는 인간 변이 APP 및/또는 γ-secretase 구성 요소인 PSEN1을 정위 주입으로 뇌에 전달하는 것입니다. 이러한 변이는 응집성이 높은 Aβ40 및 Aβ42 생성을 증가시킬 수 있으며, Aβ42/Aβ40 비율은 초기 AD 병리의 핵심 유발 요인으로 강조됩니다.

사례 연구: Mickael Audrain 등^[2]은 AAVrh.10 벡터를 활용해 인간 변이 APP^SL 및 PS1^M146L을 C57BL/6J 마우스 해마에서 공동 발현시켰습니다.

결과: 이 모델은 인위적 과발현을 피하면서 인간 AD 환자와 유사한 APP 수준을 달성했고, 높은 Aβ42/Aβ40 비율을 유지했습니다. 이를 통해 정량적 과발현이 아니라 Aβ 처리 과정의 질적 변화에 의해 유도되는 초기 AD 모델을 성공적으로 구축했습니다.

그림 2. 주입 3개월 후 APP 생성 수준^[2]

그림 3. 주입 3개월 후 Aβ42/Aβ40 비율^[2]

AAV 기반 비인간 영장류 모델에서 Tau 인산화 타겟화

아밀로이드 가설을 넘어, AAV는 비인간 영장류(NHP)에서 타우병증을 연구할 수 있게 하며 높은 중개 연구 가치를 제공합니다.

사례 연구(붉은털원숭이): Jiang 등^[3]은 AAV9를 통해 인간 Tau 유전자를 붉은털원숭이 해마에 전달했고, Tau 응집, 신경원섬유 엉킴, 해마 위축, 인지 기능 저하 등 다양한 AD 유사 특징을 관찰했습니다. 이 접근법은 인간과 더 가까운 뇌 시스템에서 약물 스크리닝을 수행할 수 있는 플랫폼으로 평가됩니다.

그림 4. 영장류 모델 구축 및 평가 워크플로 모식도^[3]

그림 5. 3R/4R Tau 축적 및 Tau 과인산화^[3]

그림 6. 내후각피질 AAV-Tau 전달 후 AD 병리 특징^[4]

파킨슨병(PD): α-시누클레인 진행 모델링

파킨슨병(PD)은 흔한 진행성 신경퇴행성 질환으로, 흑질 도파민성 뉴런의 진행성 소실과 잘못 접힌 α-시누클레인 응집체를 특징으로 합니다. PD 모델링 전략은 일반적으로 독소 모델, 유전 조작, 병리 단백질의 in situ 유도 모델로 구분됩니다. AAV를 이용해 α-시누클레인을 흑질 또는 선조체와 같은 특정 부위에 전달하면 Lewy body 관련 병리와 질환 진행 등 핵심 특징을 재현할 수 있습니다.

그림 7. 파킨슨병의 특징^[5]

진행성 퇴행의 시뮬레이션

사례 연구: 하노버 의과대학 연구진^[6]은 AAV/DJ 혈청형을 사용해 인간 α-시누클레인을 Rat에 전달했습니다.
결과: 이 모델은 조직병리와 진행성 운동 결손을 동기화한 첫 모델로 제시되었습니다. 8주 시점에 뚜렷한 TH+ 뉴런 소실이 관찰되었고, 이후 선조체 섬유 밀도 감소와 Ser129 인산화 α-시누클레인 봉입체 형성이 뒤따랐습니다.

그림 8. 도파민성 뉴런의 입체학적 평가^[6]

전구기 PD의 내인성 보상 기전 연구를 위한 AAV 활용

사례 연구: James B. Koprich 등^[7]은 AAV1/2를 사용해 인간 A53T α-시누클레인을 전달했습니다.
결과: 진행성 도파민성 뉴런 소실과 축삭병증을 유도했습니다. 흥미롭게도 바이러스 용량을 조절함으로써 도파민성 시스템 내부의 내인성 보상 기전을 확인했으며, 이는 PD 전구기와 잠재적 신경보호 개입을 연구할 수 있는 독특한 창을 제공합니다.

그림 9. 흑질의 도파민성 뉴런 소실^[7]

ALS 모델링: AAV-TDP-43을 통한 운동 회로 분석

근위축성 측삭경화증(ALS)은 뇌와 척수의 상위 및 하위 운동 뉴런을 선택적으로 침범하는 치명적 신경퇴행성 질환으로, 진행성 근력 약화, 근위축, 최종적으로 호흡부전을 유발합니다. 대표적 병리 특징 중 하나는 세포 내 TDP-43 응집입니다. 모델링 전략은 SOD1, TDP-43, FUS, C9orf72와 같은 가족성 ALS 관련 변이 유전자를 AAV로 발현시키고, 척수강 내 또는 뇌실 내 경로로 전달해 운동 뉴런을 타겟화함으로써 운동 뉴런 퇴행과 기능 상실을 재현하는 데 중점을 둡니다.

그림 10. ALS-FTD 기전 및 임상 증후군^[8]

ALS에서 TDP-43의 순행성 및 역행성 전파 추적

사례 연구: Shintaro Tsuboguchi 등^[9]은 AAV1을 사용해 변이 TDP-43을 마우스에서 발현시켜 서로 다른 전파 패턴을 확인했습니다.
결과: 해당 연구는 근위축과 앞다리 마비(기술된 조건에서 주입 후 8주에 관찰)를 보고했습니다. 12~24주 동안 피질척수 뉴런 소실, 피질척수로(CST) 축삭 퇴행, 변이 TDP-43이 CST를 따라 희소돌기아교세포로 순행성 전파되어 봉입체를 형성한다는 in vivo 근거가 제시되었습니다. 반대로 척수 운동 뉴런에서 TDP-43을 유도하면 심한 역행성 퇴행과 신경성 근위축, 진행성 운동 장애가 나타났으며, 이는 분자 병리, 세포 퇴행, 행동 표현형을 포착하는 모델임을 뒷받침합니다.

그림 11. TDP-43 유도 근위축 및 운동 결손^[9]

요약: AAV 캡시드 및 프로모터 혁신을 통한 in vivo 모델링 강화

AD, PD, ALS의 위 사례들은 하나의 공통된 메시지로 수렴됩니다. AAV는 질환 유발 인자를 표적 영역과 회로 맥락에 맞게 도입할 수 있으며, 이를 통해 핵심 분자 병리를 재현하고 하위 병리 및 표현형을 in vivo에서 추적할 수 있습니다. 앞으로 캡시드 엔지니어링, 조직 특이적 프로모터, 전달 전략의 지속적 혁신은 난치성 신경퇴행성 질환 연구에서 AAV가 제공할 수 있는 가능성을 더욱 확장할 것입니다.

Cyagen의 주요 사례: AAV 매개 질환 모델링

참고문헌

1. Breijyeh, Z. and R. Karaman, Comprehensive Review on Alzheimer's Disease: Causes and Treatment. Molecules, 2020. 25(24).

2. Audrain, M., et al., Alzheimer's disease-like APP processing in wild-type mice identifies synaptic defects as initial steps of disease progression. Mol Neurodegener, 2016. 11: p. 5.

3. Jiang, Z., et al., A nonhuman primate model with Alzheimer's disease-like pathology induced by hippocampal overexpression of human tau. Alzheimers Res Ther, 2024. 16(1): p. 22.

4. Beckman, D., et al., A novel tau-based rhesus monkey model of Alzheimer's pathogenesis. Alzheimers Dement, 2021. 17(6): p. 933-945.

5. Dovonou, A., et al., Animal models of Parkinson's disease: bridging the gap between disease hallmarks and research questions. Transl Neurodegener, 2023. 12(1): p. 36.

6. Kefalakes, E., et al., A holistic rat model to investigate therapeutic interventions in Parkinson's disease: viral induction of a slow-progressing motor phenotype, dopaminergic degeneration and early microglia neuroinflammation. Brain Res Bull, 2025. 230: p. 111464.

7. Koprich, J.B., et al., Progressive neurodegeneration or endogenous compensation in an animal model of Parkinson's disease produced by decreasing doses of alpha-synuclein. PLoS One, 2011. 6(3): p. e17698.

8. Ilieva, H., M. Vullaganti, and J. Kwan, Advances in molecular pathology, diagnosis, and treatment of amyotrophic lateral sclerosis. Bmj, 2023. 383: p. e075037.

9. Tsuboguchi, S., et al., TDP-43 differentially propagates to induce antero- and retrograde degeneration in the corticospinal circuits in mouse focal ALS models. Acta Neuropathol, 2023. 146(4): p. 611-629.