점액다당류증 IVA (MPS IVA)에서 유전자 치료의 응용

뮤코다당증 IVA(MPS IVA)는 모르키오 증후군 A형으로도 알려져 있으며, 상염색체 열성 방식으로 유전됩니다. GALNS 유전자의 돌연변이로 인해 N-아세틸갈락토사민-6-설페이트 설파타제(GALNS) 결핍이 발생하여 케라탄 설페이트(KS)와 콘드로이틴-6-설페이트(C6S)가 축적되는 질환입니다. 주요 증상으로는 요와 혈중 KS 농도 상승, 현저한 저신장, 치상돌기 저형성, 닭가슴증, 척추후만측만증, 무릎 외반, 관절 이완, 각막 혼탁 등이 나타나지만 중추신경계 손상은 발생하지 않습니다.^[1] 현재 완치법은 없으며 환자가 나타나는 징후와 증상에 따라 치료가 이루어집니다.

새로운 유전자 치료 도구로서 아데노 관련 바이러스(AAV) 등의 전달 시스템을 이용해 돌연변이 유전자를 보완하는 방법은 많은 희귀병 치료에서 큰 적용 가능성을 보여주고 있습니다. Bertolin 등의 연구진은 MPS IVA 래트에 Galns를 암호화하는 혈청형 9 아데노 관련 바이러스 벡터(AAV9-Galns)를 주사한 결과, GALNS 활성이 장기간(1년) 회복되고 KS 발현 수준이 정상으로 돌아와 MPS IVA 모델의 증상이 개선되는 것을 확인했습니다. 이 연구는 AAV9-Galns를 이용한 유전자 치료가 MPS IVA 치료에 효과가 있음을 입증하였으며, 향후 MPS IVA 환자의 임상 치료를 위한 강력한 이론적 근거를 제공합니다.

다음으로 본 연구를 상세히 해설하여 실제 사례를 통해 유전자 치료 연구의 일반적인 전략을 이해해 보겠습니다.

연구 전략

MPS IVA 질환 래트 모델 구축

연구진은 유전자 편집 기술을 이용해 GALNS 단백질에서 p.Arg386Cys 변이를 유발하는 인간에서 가장 빈번하고 심한 미스센스 돌연변이 c.1156C>T를 보유한 MPS IVA 래트 모델을 구축했습니다(그림 1a). 시퀀싱 분석을 통해 점 돌연변이를 확인했으며, 유전자 편집 관련 오프타겟 이벤트를 제거하기 위해 Galns+/– 래트와 야생형(WT) 래트 간에 3회의 역교배를 수행했습니다(그림 1b,c). 이 래트는 분석한 모든 조직에서 GALNS 활성이 검출되지 않았으며, 생후 1개월부터 간과 혈청 내 지속적인 높은 KS 함량, 경골 길이 감소 등 모르키오 A 질환의 핵심 특징을 나타냈습니다.

그림 1. MPS IVA 래트 모델 구축

AAV9 매개 효율적 유전자 전달을 통한 골격계 광범위 형질도입

MPS IVA 질환 유전자 치료의 주요 과제는 골 이형성이 MPS IVA 환자에게 가장 심각한 변화이기 때문에 GALNS의 국소 농도를 높이기 위해 골격계 전체에 유전자를 효율적으로 형질도입하는 것입니다. 연구진은 4주령 수컷 래트에 AAV9-GFP 벡터를 주사하고 형광 강도를 관찰하여 AAV9 매개 유전자 전달 효율을 평가했습니다. 그 결과 대퇴골과 경골 성장판(GP) 및 골내막 주변의 조골세포 풍부 영역, 치밀골 내부 세포, 관절 연골에서 GFP 양성 신호가 검출되었습니다(그림 2a).

또한 분석한 모든 뼈(대퇴골, 경골, 앞다리뼈, 흉골, 갈비뼈, 척추)와 모르키오 A 질환의 주요 말초 장기에서도 높은 수준의 GFP 발현이 확인되었습니다(그림 2a,b).

마찬가지로 MPS IVA 래트에 최적화된 래트 Galns를 암호화하는 AAV9 벡터를 처리한 후 벡터 게놈 카피 수 분석을 수행한 결과, AAV9-Galns가 뼈(그림 2d)와 말초 장기(그림 2e)에서 더 우수한 형질도입 효율을 보이는 것으로 나타났습니다. 분석한 모든 뼈(장골: 대퇴골, 경골, 비골, 상완골; 편평골: 견갑골; 불규칙골: 척추; 종자골: 슬개골)와 간, 심장, 백색 지방 조직(WAT), 폐가 효율적으로 형질도입되어(그림 2d,e) AAV9 벡터가 MPS IVA 병리 치료에 효과가 있을 가능성을 시사합니다.

그림 2. AAV9-Galns 치료가 MPS IVA 병리를 개선합니다. a) 4주령 야생형(WT) 래트에 6.67×10¹³ vg/kg의 AAV9-GFP 벡터를 혈관 내 투여한 후 대퇴골과 경골의 광범위한 형질도입. b-c) 2주 후 치밀골(CB)(I), 성장판(GP) 주변 영역(II), 관절(III), 해면골(IV), 골내막(V)에서 GFP 신호가 검출되었습니다. 그룹당 n=3마리. 스케일 바: 2000µm; 삽입도 300µm. BM: 골수, SM: 골격근. d-e) 이후 4주령 MPS IVA 수컷 래트에 6.67×10¹³ vg/kg의 AAV9-Galns 벡터를 처리했습니다. F: 대퇴골, Ti: 경골, R: 갈비뼈, S: 흉골, V: 척추, FL: 앞다리뼈, K: 슬개골, Fi: 비골, Sc: 견갑골, Hu: 상완골, T: 기관, H: 심장, L: 간, A: 부고환 백색 지방 조직(eWAT), Lu: 폐, Q: 대퇴사두근.

AAV9-Galns 주사의 MPS IVA 치료 효과

저신장은 MPS IVA 환자의 대표적인 특징이므로 MPS IVA 연구 모델에서 관찰해야 하는 중요한 표현형입니다. MPS IVA 수컷 래트는 생후 첫 1개월 동안은 야생형 래트와 유사한 체중을 보였으나, 그 이후 체중과 크기가 크게 감소했습니다(그림 3a,b). 또한 MPS IVA 래트는 수명이 유의하게 짧았으며, 약 30%의 래트가 생후 2개월 정도에 사망했습니다(그림 3c).

AAV9-Galns 유전자 치료 후 MPS IVA 래트는 체중이 증가하고 생존율이 야생형 래트와 거의 비슷한 수준으로 회복되었으며(그림 3a–c), GALNS 활성과 KS 수준이 정상으로 돌아왔습니다(그림 3d–f). 간과 백색 지방 조직(WAT)에서도 더 높은 GALNS 활성이 관찰되었습니다(그림 3g,h). 증가한 GALNS 활성은 간 내 KS 함량을 정상화시켜 쿠퍼 세포와 백색 지방 조직에만 KS가 축적되었습니다(그림 3i–l). 또한 리소좀 항상성 바이오마커인 간 β-헥소사미니다제의 활성도 회복되었습니다(그림 3m).

그림 3. 4주령 MPS IVA 래트에 6.67×10¹³ vg/kg의 AAV9-Galns 벡터를 혈관 내 처리했습니다.

AAV9 매개 전달 시스템은 MPS IVA 치료에서 가능성을 보여주고 있습니다. 과학자와 연구자들은 유전적 병인 기전 발견부터 유전자 치료 접근법 개발까지 희귀병 치료를 위해 많은 노력을 기울여 왔으나, 희귀병 종류가 매우 다양하기 때문에 개인이나 단일 기관이 빠르게 정복하기 어려운 연구 분야입니다. 사이아젠은 전 세계 연구자에게 원스톱 유전자 치료 솔루션을 제공하여 희귀병 유전자 치료 개발을 가속화하고 더 많은 환자가 빠르게 완치의 희망을 얻을 수 있도록 노력하고 있습니다.

사이아젠은 모든 수준의 연구 요구를 충족하기 위해 유전자 치료 개발 원스톱 솔루션을 제공합니다. 서비스 내용으로는 유전자 편집 스크리닝 및 타겟 검증, 맞춤형 마우스 모델 구축, 아데노 관련 바이러스(AAV), 렌티바이러스(LV), 아데노바이러스(ADV)의 효율적인 패키징, 약리학 및 약력학(PD) 연구 등이 있습니다. 당사의 서비스가 유전자 치료 연구 결과의 효율성을 높여 임상 발견을 촉진하기를 기대합니다.

래트는 마우스보다 생리학적, 형태학적, 유전적으로 인간과 더 가까워 인간 질환 연구에 이상적인 동물 모델입니다. 래트와 인간의 유전체 상동성은 종 간에 관찰되는 더 큰 생리학적 유사성의 원인이 됩니다. 또한 마우스에 비해 래트는 과제 학습 능력이 더 뛰어나고 인지 및 기억 면에서 더 발달되어 있어 행동 연구와 신경계 인간 질환 연구에 널리 사용되는 동물 모델입니다.

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참고문헌

[1] Tomatsu S, Montaño AM, Oikawa H, Smith M, Barrera L, Chinen Y, Thacker MM, Mackenzie WG, Suzuki Y, Orii T. Mucopolysaccharidosis type IVA (Morquio A disease): clinical review and current treatment. Curr Pharm Biotechnol. 2011 Jun;12(6):931-45. doi: 10.2174/138920111795542615. PMID: 21506915.

[2] Bertolin J, Sánchez V, Ribera A, Jaén ML, Garcia M, Pujol A, Sánchez X, Muñoz S, Marcó S, Pérez J, Elias G, León X, Roca C, Jimenez V, Otaegui P, Mulero F, Navarro M, Ruberte J, Bosch F. Treatment of skeletal and non-skeletal alterations of Mucopolysaccharidosis type IVA by AAV-mediated gene therapy. Nat Commun. 2021 Sep 9;12(1):5343. doi: 10.1038/s41467-021-25697-y. PMID: 34504088; PMCID: PMC8429698.