유전자 발현 조절을 위한 새로운 접합 의약품: 항체-올리고뉴클레오타이드 접합체(AOC)

1. 소핵산 치료제에서 AOC로

1.1 소핵산 치료제의 정의

올리고뉴클레오타이드 치료제(핵산 치료제)는 DNA, RNA 또는 화학적으로 변형된 유도체를 분자 골격으로 하며, 수십 개의 뉴클레오타이드 단량체로 이루어진 짧은 핵산 치료제입니다. 주로 염기 상보성에 따라 표적 RNA(전구 mRNA, 성숙 mRNA, 비암호화 RNA 등)에 특이적으로 결합합니다. 일부 핵산 압타머는 3차원 구조를 통해 표적 단백질을 인식합니다.

소핵산 치료제는 유전 정보 흐름의 전사 후 단계에 작용해 RNA 스플라이싱, 분해, 번역 등을 조절합니다. 전사 후 조절을 통해 병원성 단백질 발현을 낮춰 질환을 치료하거나 개입합니다. 핵산 치료제 전임상 평가 서비스는 표적 억제 확인부터 약효 평가까지 지원합니다.

작용 기전에 따라 소핵산 치료제는 안티센스 올리고뉴클레오타이드(ASO), 소간섭 RNA(siRNA), 마이크로RNA(miRNA), 핵산 압타머(압타머)의 네 가지로 나뉩니다. 각 종류는 분자 구조, 작용 기전, 적응증이 다릅니다. ASO, siRNA, miRNA는 염기 상보성을 통해 RNA를 표적으로 합니다(miRNA는 시드 영역의 일부 염기로 결합해 여러 표적을 조절할 수 있습니다). 반면 압타머는 단백질이나 소분자를 표적으로 하며 앞의 세 종류와 다른 기전으로 작용합니다.

1.2 네 가지 소핵산 치료제의 핵심 차이

1.3 소핵산 치료제의 제조 공정과 기술적 과제

(1) 핵심 제조 공정: 고체상 포스포아미다이트법

고체상 포스포아미다이트법은 조절 기공 유리(CPG)나 고분자 수지와 같은 불용성 고체 지지체에서 3′ 말단부터 5′ 말단 방향으로 화학 반응을 반복하며 뉴클레오타이드 단량체를 하나씩 첨가해 원하는 서열의 올리고뉴클레오타이드 사슬을 합성합니다.

제조 공정은 합성, 절단, 정제, 농축, 동결건조의 다섯 단계로 나뉩니다. 합성 단계는 다음 네 가지 반응으로 이루어집니다.

1. 탈보호: 고체 지지체에 결합한 첫 뉴클레오타이드의 5′-OH기에 붙어 있는 DMT(디메톡시트리틸) 보호기를 제거해 자유 5′-하이드록실기를 노출합니다.
2. 커플링: 다음 뉴클레오타이드 단량체(일반적으로 포스포아미다이트 단량체)를 노출된 5′-OH기에 연결합니다. 사슬은 보통 3′→5′ 방향으로 연장됩니다.
3. 산화: 불안정한 아인산 에스터 결합을 안정적인 인산 다이에스터 결합 또는 변형된 포스포로티오에이트 결합으로 산화합니다.
4. 캡핑: 아세틸화 시약으로 반응하지 않은 5′-OH기를 차단해 짧은 불순물이 후속 반응에 참여하지 못하게 하고 전장 산물의 순도를 높입니다.

이 반응 주기를 반복해 원하는 길이의 올리고뉴클레오타이드 사슬을 합성합니다.

합성이 끝나면 농축 암모니아수(NH₄OH)로 처리해 전장 올리고뉴클레오타이드 사슬을 고체 지지체에서 분리하고 염기와 인산 골격에 있는 모든 보호기를 제거합니다. 이후 HPLC나 PAGE 등의 정제, 탈염, 동결건조 과정을 거쳐 정제된 제품을 얻습니다.

(2) 기술적 과제

소핵산 치료제는 체내 안정성이 낮고 친수성이 강하며 음전하를 띠어 세포막과 혈액뇌장벽을 자유롭게 통과하기 어렵습니다. LNP, GalNAc 등 주요 전달 기술은 간 전달 문제를 해결하는 수준으로 발전했지만 간 외 조직을 표적 전달하기는 어려워 임상 적용이 크게 제한됩니다. 항체-올리고뉴클레오타이드 접합체(AOC)는 간 외 전달 병목을 극복하기 위해 제안된 새로운 접합 전략입니다. 항체의 표적 지향성을 이용해 올리고뉴클레오타이드를 특정 조직과 장기로 더욱 정밀하고 효율적으로 전달합니다.

2. AOC의 기본 구조와 접합 방식

2.1 AOC의 기본 구조

AOC는 표적 항체, 링커, 소핵산 치료제의 세 요소로 구성되며 각 요소가 명확한 역할을 맡아 함께 작동합니다. ADC·AOC 표적 약물 전달 플랫폼은 항체 발굴부터 세포 평가, 인간화 모델, 전임상 CRO까지 통합 지원합니다.

• 표적 항체(내비게이션): 표적 세포 표면 항원을 특이적으로 인식해 소핵산 치료제를 병변 부위에 집중시킵니다. 오프타깃 독성을 낮추고 표적 세포 내재화를 유도합니다.
• 링커(스마트 스위치): 혈액 순환 중에는 안정성을 유지하고 표적 세포에 도달한 뒤 특정 세포 내 환경에서 절단되어 소핵산 치료제를 정해진 위치에서 방출합니다.
• 소핵산 치료제(유전자 조절 페이로드): 표적 mRNA와 상보적으로 결합해 RNA 스플라이싱, 분해, 번역 등을 조절하고 병원성 단백질 발현을 근본적으로 낮춥니다.

2.2 접합 방식

AOC 접합 방식은 네 가지이며 결합 안정성과 적용 분야에 차이가 있습니다. 항체 구성요소의 발굴과 평가에는 항체 치료제 개발 서비스도 참고할 수 있습니다.

1. 정전기적 결합(비공유 접합): 소핵산 골격의 음전하와 양이온으로 변형한 항체의 양전하 사이의 정전기적 상호작용으로 결합합니다. 빠르게 제조할 수 있지만 안정성이 낮아 기초 연구에 적합합니다.
2. 친화성 접합(비공유 접합): 단백질과 소분자 사이의 친화성을 이용합니다. 소핵산에는 비오틴을 표지하고 항체에는 아비딘(스트렙타비딘)을 수식해 결합합니다.
3. 직접 공유결합: 티올기와 말레이미드기의 반응으로 안정적인 공유결합을 만듭니다. 화학적으로 변형한 소핵산을 링커에 도입한 뒤 항체의 라이신, 시스테인 또는 인공 도입 아미노산에 결합합니다. 안정성과 균일성이 높아 AOC 제조에서 우선적으로 고려되는 방식입니다.
4. 핵산 염기 혼성화 접합(비공유 접합): 먼저 단일 가닥 올리고뉴클레오타이드(앵커 가닥)를 항체에 공유결합으로 연결합니다. 이후 치료 페이로드(siRNA/ASO)를 가진 상보적 올리고뉴클레오타이드 가닥을 염기 상보성으로 앵커 가닥에 결합합니다.

3. 요약 및 전망

현재 여러 글로벌 제약사가 AOC 임상 개발을 진행하며 표적과 적응증이 구체화되고 있습니다. TfR1(트랜스페린 수용체 1) 표적 AOC의 개발이 가장 앞서 있으며 여러 후보물질이 임상 1~3상 단계에 진입해 뒤센 근이영양증, 제1형 근긴장성 이영양증 등 희귀 근육질환을 대상으로 합니다. 혈액뇌장벽 관련 수용체(예: TfR1)를 표적으로 하는 AOC는 알츠하이머병 등 중추신경계 질환을 주로 겨냥하며 현재 대부분 전임상 또는 초기 개발 단계에 있습니다. TfR1 등 혈액뇌장벽 수송 수용체 연구 솔루션을 활용한 전달 검증도 중요한 평가 축입니다. HER2, TROP2 등을 표적으로 하는 AOC는 종양 조직에서 유전자 조절 가능성을 탐색하고 있지만 대부분 전임상 또는 초기 임상 단계입니다.

AOC는 항체와 소핵산 치료제를 융합해 유전자 조절 치료를 간에서 근육, 신경 등 간 외 조직으로 확장하는 새로운 접합 의약품입니다. 희귀질환과 암 분야에서 큰 잠재력을 지닙니다. 기존 화학요법이나 ADC와 비교할 때 AOC는 다음과 같은 장점이 있습니다. 첫째, 간 외 전달의 병목을 넘어 근육, 신경, 종양 등 여러 조직에 정밀하게 전달할 수 있습니다. 둘째, 이론적으로 유전자가 암호화하는 모든 RNA를 조절할 수 있어 표적 범위가 넓습니다. 셋째, 세포를 직접 죽이기보다 유전자 발현을 조절하는 방식으로 작용하므로 상대적으로 높은 안전성이 기대됩니다.

물론 AOC에는 다음과 같은 기술적 과제가 남아 있습니다.

1. 간 외 전달 기술이 아직 충분히 성숙하지 않았으며 근육, 신장 등 일부 조직을 제외하면 중추신경계와 같은 조직의 전달 효율을 더 높여야 합니다.
2. 엔도좀 탈출 효율이 부족해 표적 세포에 내재화된 페이로드 일부가 작용 부위까지 방출되지 못할 수 있습니다.
3. TfR1 등의 표적은 여러 조직에 분포하므로 조직 특이성이 부족하면 오프타깃 효과가 발생할 수 있습니다.
4. 제조 공정이 복잡하고 비용이 높으며 대량 생산에도 어려움이 있습니다.

앞으로 접합 기술, 핵산 변형 기술, 항체 공학이 지속적으로 발전하면 AOC는 현재의 기술적 장벽을 넘어 ADC와 소핵산 치료제에 이은 혁신 신약 분야로 성장하고 유전자 치료와 표적 치료의 산업 구도를 한층 바꿀 수 있습니다.