AI 설계 AAV 캡시드를 활용한 망막 유전자 치료: 유리체내 투여와 전임상 모델
망막 유전자 치료의 핵심 장벽 극복
망막 유전자 치료에서는 효과적인 치료 서열만으로는 충분하지 않습니다. 벡터가 올바른 망막 세포에 도달하고, 충분한 발현을 달성하며, 임상 개발을 뒷받침하는 실험 시스템 전반에서 일관된 성능을 보여야 합니다. 특히 광수용체는 망막 깊은 층에 위치하므로 유리체내 투여 후 접근하기 어려운 표적입니다.
최근 『Molecular Therapy Advances』에 게재된 “AI-engineered AAV Capsid Enables Intravitreal Delivery for the Treatment of Diverse Retinal Degenerations” 연구는 인공지능 기반 AAV 캡시드 엔지니어링을 통해 이러한 장기적인 전달 장벽을 해결하고자 했습니다.
Cyagen 전임상 CRO 플랫폼 연구진과 공동 연구팀이 공저자로 참여한 이 연구는 유리체내 주사 후 망막 침투와 도입 효율을 높이도록 설계된 AAV2 유래 캡시드 AAV2.PN168의 개발과 검증을 보고했습니다. 이 작업은 AI 기반 캡시드 설계, 벡터 생산, 종 특이적 스크리닝, Cyagen이 개발한 망막 질환 모델, 안과 시술, 다중 모드 효능 평가를 통합했습니다.
연구진은 캡시드 성능만 평가한 것이 아니라, GUCY2D 관련 Leber 선천성 흑암시 1형(LCA1)과 VEGFA 기반 습성 연령관련 황반변성(wet AMD)에서의 치료 개념 검증까지 벡터 엔지니어링을 직접 연결했습니다.
유리체내 망막 유전자 전달이 여전히 어려운 이유
AAV 벡터는 망막 세포에서 지속적인 전이유전자 발현을 지원할 수 있어 안과 유전자 치료에서 폭넓게 연구되고 있습니다. 그러나 치료 성능은 캡시드와 투여 경로 모두에 크게 의존합니다.
광수용체 또는 망막색소상피를 대상으로 하는 질환에서는 많은 개발 중 치료제가 망막하 주사에 의존합니다. 이 접근법은 벡터를 표적 세포 가까이에 배치할 수 있지만, 국소적인 망막하 bleb 형성이 필요하고 이미 손상된 망막에 추가적인 기계적 스트레스를 줄 수 있습니다. 또한 도입 범위는 일반적으로 처치 부위에 집중됩니다.
유리체내 주사는 덜 침습적이며 안과 약물 전달에 이미 일상적으로 사용됩니다. 주요 한계는 생물학적 장벽입니다. 기존 AAV 캡시드는 내망막 장벽을 통과해 외핵층의 광수용체까지 도달하는 데 어려움이 있습니다.
따라서 유리체 쪽에서 광범위한 망막 도입을 달성할 수 있는 캡시드는 더 낮은 침습성의 전달을 지원하면서 치료 유전자에 노출되는 망막 영역을 확장할 수 있습니다.
실험 데이터 기반 AI 엔지니어링 워크플로
연구진은 AAV tropism 변형에 흔히 사용되는 R587/R588 인근 영역에 7~12개 아미노산 펩타이드 삽입을 포함한 다양한 AAV2 캡시드 변이 라이브러리에서 AAV2.PN168을 개발했습니다.
이후 대규모 실험 데이터를 활용해 AI 모델을 학습시켜 캡시드 생존성 및 망막 표적화라는 두 가지 핵심 특성을 예측했습니다. 생존성은 벡터 생산 전후 변이체 abundance를 비교해 평가했고, 망막 표적화는 유리체내 투여 후 마우스와 cynomolgus monkey 망막에서 회수한 RNA를 시퀀싱해 평가했습니다. RNA 기반 readout이므로 망막 전달뿐 아니라 세포 진입과 전이유전자 발현도 반영합니다.
별도의 마우스 및 비인간 영장류 표적화 모델은 서열 생성, AI scoring, 다목적 최적화를 결합한 반복 워크플로에 통합되었습니다. 이를 통해 생산 적합성과 종 관련 망막 활성을 동시에 선택할 수 있었고, 최종적으로 AAV2.PN168이 도출되었습니다. 이 캡시드는 보고된 조건에서 야생형 AAV2보다 높은 정제 수율을 포함해 제조 측면에서도 유리한 성능을 보였습니다.
비인간 영장류에서의 광범위한 망막 도입
비인간 영장류 결과는 이 연구의 중요한 translational 요소입니다. 안구 해부학, 수용체 발현, 망막 장벽의 차이 때문에 설치류에서 확인된 캡시드가 영장류에서 동일한 성능을 재현하지 못할 수 있습니다.
영장류 망막 조직에서 활성을 보이는 후보를 찾기 위해 연구진은 AI 설계 캡시드 43종과 야생형 AAV2, 그리고 기존에 유리체내 망막 전달에 연구된 AAV2.7m8을 포함한 focused library를 평가했습니다.
각 벡터에는 barcode eGFP 발현 cassette가 포함되어 단일세포 수준에서 캡시드 활성을 분석할 수 있었습니다. 유리체내 투여와 single-cell RNA sequencing 후 AAV2.PN168이 주요 후보로 확인되었습니다.
이 캡시드는 여러 망막 세포 집단을 도입했으며 rod 및 cone 광수용체에서 두드러진 활성을 보였습니다. 동일 용량 비교에서 AAV2.PN168은 AAV2.7m8보다 더 넓은 망막 GFP 발현을 유도했고, 황반부·중앙부·주변부 전반에서 외핵층의 GFP 양성 세포 비율이 더 높았습니다.
외핵층에는 빛 감지에 필요한 광수용체가 있으므로 이러한 결과는 특히 중요합니다. 유리체내 투여로 이 세포층에 도달하는 것은 망막 유전자 치료의 주요 목표입니다.
다만 이 연구는 초기 개념 검증 단계입니다. 저자들은 임상 전환을 평가하려면 더 큰 비인간 영장류 cohort, 추가 biological replicates, 더 긴 follow-up, 공식적인 안전성 연구가 필요하다고 언급했습니다. 중요한 점은 동일 용량에서 AAV2.PN168이 AAV2.7m8보다 더 광범위한 망막 GFP 발현을 생성하고, 황반부·중앙부·주변부에서 표적 세포 비율을 높였다는 것입니다.
마우스 망막에서의 종간 성능
AAV2.PN168은 비인간 영장류 설계 워크플로를 통해 우선 후보로 선정되었지만, 마우스에서도 상당한 활성을 보였습니다.
이 연구는 single-cell RNA sequencing, in vivo bioluminescence imaging, 안저 형광 영상, 망막 조직학, 전이유전자 발현의 분자 정량 등 여러 상호보완적 endpoint를 통해 망막 도입을 평가했습니다.
이러한 분석 전반에서 AAV2.PN168은 야생형 AAV2보다 더 강하거나 더 넓은 망막 활성을 보였고, 여러 실험에서 AAV2.7m8을 능가했습니다.
따라서 이 캡시드의 의미는 단일 종에서의 높은 활성에 그치지 않습니다. 마우스와 비인간 영장류에서 모두 망막 성능을 유지한다는 점이 중요합니다. 전임상 개발에서는 효능, 약리, 생체분포, 안전성 프로그램이 여러 동물 시스템을 거치는 경우가 많기 때문에, 종을 넘어 유지되는 활성은 특히 가치가 있습니다.
Cyagen 개발 망막 질환 모델에서의 치료 검증
개선된 망막 전달이 치료 효과로 이어질 수 있는지 확인하기 위해 연구진은 Cyagen이 개발한 두 가지 망막 질환 모델에서 AAV2.PN168을 평가했습니다.
GUCY2D 관련 LCA1 모델
연구진은 GUCY2D 관련 Leber 선천성 흑암시 1형(LCA1)을 대표하기 위해 Gucy2e/Gucy2f double-knockout 마우스 모델을 사용했습니다. 이 모델은 뚜렷한 망막 기능 장애와 외핵층 thinning을 보였고, 광수용체 지향 유전자 보충을 평가하기 위한 명확한 시스템을 제공했습니다.
AAV2.PN168은 광수용체 특이적 hGRK1 promoter의 제어하에 인간 GUCY2D를 전달했습니다. 단회 유리체내 주사 후 처리된 마우스는 scotopic 및 photopic ERG 반응이 개선되었고, 비교 캡시드를 투여한 마우스보다 망막 hGUCY2D 발현이 더 높았습니다.
망막 기능은 야생형 수준까지 회복되지는 않았고 외핵층 구조 회복도 입증되지 않았습니다. 따라서 이 데이터는 확립된 변성의 역전이 아니라 남아 있는 광수용체의 기능적 rescue를 지지합니다.
hVEGFA 전이유전자 습성 AMD 모델
연구진은 습성 연령관련 황반변성(wet AMD)을 대표하는 Cyagen 개발 hVEGFA transgenic 마우스 모델에서도 AAV2.PN168을 평가했습니다. 이 모델에서는 망막의 인간 VEGFA 발현으로 비정상적인 혈관 활성과 fluorescein으로 검출 가능한 누출이 발생합니다.
AAV2.PN168은 anti-VEGFA antibody fragment 전달에 사용되었습니다. 단회 유리체내 투여는 야생형 AAV2 및 AAV2.7m8보다 더 높은 망막 anti-VEGFA 발현을 유도했습니다. 형광안저혈관조영술에서는 누출의 점진적 개선이 확인되었고, 21일 연구 기간 동안 AAV2.PN168은 비교 캡시드보다 더 빠르고 강한 반응을 보였습니다.
이 결과는 AAV 매개 발현이 안구 내 anti-VEGFA 활성을 연장할 수 있음을 시사합니다. 다만 지속성, 발현 조절, 면역원성, 장기 안전성을 평가하려면 더 긴 연구가 필요합니다.
Cyagen 통합 전임상 CRO 역량의 실증
이번 논문은 엔지니어링된 캡시드의 동정에 그치지 않습니다. AI 기반 벡터 설계를 질환 관련 모델과 포괄적인 in vivo 검증에 통합할 수 있음을 보여줍니다.
Cyagen CRO 플랫폼의 연구진은 이 연구에 직접 기여했으며, Cyagen이 개발한 실험용 마우스는 두 가지 서로 다른 망막 질환 환경에서 치료 평가를 지원했습니다.
전체 워크플로에는 AAV 생산 및 정제, 유리체내 투여, 안저 영상, 형광안저혈관조영술, ERG, 망막 조직병리, ddPCR, single-cell RNA sequencing, biomarker 분석, 정량적 효능 평가가 포함되었습니다.
Cyagen의 전임상 플랫폼은 망막 유전자 치료 프로그램을 다음과 같이 지원할 수 있습니다.
- 벡터 엔지니어링: AI 가이드 AAV 캡시드 설계, 스크리닝, 맞춤형 벡터 구축 및 패키징.
- in vivo 모델링 및 전달: 맞춤형 망막 질환 모델과 정밀한 안구 내 투여.
- 다중 모드 효능 평가: OCT, 안저 영상, ERG, 행동 시험.
- 분자 및 조직학 분석: single-cell RNA sequencing, ddPCR, 면역염색.
벡터 엔지니어링, Cyagen 개발 동물 모델, 통합형 안과 CRO 서비스를 결합하면 연구자는 캡시드 tropism, 전이유전자 발현, 기능적 outcome, 치료 효능을 조율된 전임상 워크플로 내에서 평가할 수 있습니다.
원스톱 마우스 모델 검색 플랫폼: MouseAtlas
MouseAtlas는 KO 마우스부터 humanized mouse까지, 유전자명이나 제품 모델명으로 검색할 수 있는 플랫폼입니다. 생체 마우스 여부와 정자 동결 보존 상태, 실시간 재고 현황, 검증 데이터, 상세 설명을 직관적으로 확인할 수 있으며 직접 주문도 가능합니다. 사내 제품 관리 시스템과 연동되어 최신 정보가 지속적으로 업데이트되고 있으며, 현재 39,000종 이상의 모델 마우스를 수록하고 있습니다. 연구자에게 매우 유용한 원스톱 솔루션입니다.
싸이아젠(Cyagen) 소개
Cyagen Biosciences Inc.는 2006년에 설립된 의약품 개발 업무 수탁기관이자 세포 관련 제품 제조 기업입니다. 현재 전 세계에 1,000명 이상의 임직원이 근무하고 있으며, 본사는 미국 캘리포니아 실리콘밸리에 위치하고 중국 쑤저우와 광저우에 생산 거점을 두고 있습니다. 싸이아젠(Cyagen)은 유전자 변형 동물 모델 제작 분야의 선도 기업으로, 합리적인 가격대의 고품질 시약과 연구 도구를 제공합니다. Cyagen은 마우스 모델뿐 아니라 안과학, 신경과학, 종양면역 등 다양한 분야에서 CRO 서비스를 제공하며, 유전성 질환 연구를 지원하고 유전자 치료제 개발을 촉진하는 것을 목표로 합니다.
FAQ
AAV2.PN168은 어떤 목적으로 설계된 AAV 캡시드인가요?
AAV2.PN168은 유리체내 투여 후 내망막 장벽을 넘어 망막 전반, 특히 외핵층의 광수용체까지 효율적으로 도달하도록 AI 기반으로 설계된 AAV2 유래 캡시드입니다.
이 연구에서는 어떤 질환 모델에서 치료 효과를 검증했나요?
GUCY2D 관련 Leber 선천성 흑암시 1형(LCA1) 모델과 인간 VEGFA를 발현하는 습성 연령관련 황반변성(wet AMD) 모델에서 검증했습니다.
Cyagen은 망막 유전자 치료 연구에서 어떤 지원을 제공할 수 있나요?
Cyagen은 AAV 벡터 설계·제작, 망막 질환 모델, 유리체내 투여를 포함한 안구 내 투여, OCT·안저 영상·ERG·병리·ddPCR·single-cell RNA-seq을 결합한 전임상 CRO 워크플로를 지원할 수 있습니다.
참고문헌
Cui M, Liu H, Cai L, Zhang Q, Yuan L, Gao C, et al. AI-engineered AAV capsid enables intravitreal delivery for the treatment of diverse retinal degenerations. Mol Ther Adv. 2026. doi:10.1016/j.omta.2026.201806.
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