빛을 향한 포기하지 말라—유전자 치료가 실명 환자의 시력을 회복하는 데 기여
눈은 영혼의 창문이라고 말하지만, 선천성 실명을 가진 많은 사람들이 빛을 '보지 못합니다'. 세계보건기구(WHO)가 공개한 자료에 따르면 전 세계적으로 최소 22억 명 이상이 시력 장애 또는 실명 상태에 있습니다. 특히 중국은 전 세계 실명 환자 중 가장 많은 수를 차지하며, 전체 실명 환자 수의 18%에서 20%를 차지하고 있습니다. 유전성 안과 질환은 어린이 실명 및 시력 장애의 약 1/3을 차지하며, 실명 및 중증 시력 장애의 80%를 차지하고 있습니다. 선천성(유전성) 안과 질환은 현재 어린이 및 청소년 실명의 가장 흔한 원인으로, 미래 세대의 시력을 위협하는 가장 심각한 문제로 부각되고 있습니다.
유전성 망막질환(IRd)은 망막에 영향을 미치는 이질적인 유전 질환군으로, 광수용체, 망막색소상피 또는 망막하조직의 기능 저하 및 퇴행으로 인해 시력 장애가 발생합니다. IRD와 관련된 병원성 유전자는 300개 이상으로 알려져 있습니다. 그러나 현재의 연구는 주로 광수용체 관련 IRD 및 망막변성 질환에 집중되어 있으며, 망막색소변성, 레버 선천성 아마우로시스, 스타가르트병 등이 포함됩니다.
많은 희귀 IRD는 여전히 치료가 불가능하며, 치료 없이 방치할 경우 환자는 중증 시력 장애 및 실명을 겪게 됩니다. 대부분의 희귀 IRD는 단일유전자 질환으로 분류되며, 망막은 아데노연관바이러스(AAV)와 같은 유전자 치료 벡터의 효율적인 표적 부위입니다. 따라서 안과 질환에 대한 표준화된 약물 효능 평가 방법이 점차 확보되고 있습니다. 이러한 맥락에서 유전자 치료는 희귀 안과 질환, 특히 IRD 환자들에게 새로운 희망으로 떠오르고 있습니다.
이러한 맥락에서, 우리는 몇 가지 희귀 IRD에 대한 유전자 치료 접근법의 개발을 소개하고, 전임상 약물 효능 평가를 위한 신뢰할 수 있는 전임상 동물 모델을 제안합니다.
망막 및 망막하조직의 원형 위축증 (GACR)
망막 및 망막하조직의 원형 위축증(GACR)은 아미노산 대사 장애로 분류되는 희귀한 자가우성 열성 유전 질환입니다. 이 질환은 미토콘드리아 효소 오르니틴 아미노트랜스퍼라제(OAT)를 코딩하는 유전자의 병원성 변이로 인해 발생하는 망막 및 망막하조직의 퇴행과 위축을 특징으로 합니다. OAT는 주로 간에서 발현되며, GACR 환자는 혈액 및 기타 체액 내 오르니틴 수치가 높아집니다. 환자는 시야가 점진적으로 좁아지며, 결국 실명에 이르게 됩니다. 초기 증상으로는 야맹증과 주변 망막 및 망막하조직 퇴행으로 인한 시야 제한이 일반적입니다. 후기 단계에서는 중심 시력 손실이 심해지고, 망막 중심부(맥락)가 영향을 받을 경우 완전한 실명이 발생할 수 있습니다. 현재 치료법은 없으며, 일부 연구에서는 높은 오르니틴 수치가 망막의 미세 구조에 독성을 가질 수 있으며, 오르니틴 수치를 조기에 낮추는 개입이 질병 진행을 예방하거나 지연시킬 수 있을 것으로 제안하고 있습니다 [1-2].
OAT 유전자 결손 마우스는 신생아기 오르니틴 부족 및 치명적인 상태를 보이며, 단기적인 아르기닌 보충으로 회복이 가능합니다. 나이가 들면서 고오르니틴혈증이 발생하며, 인간 GACR 환자와 유사한 양상을 보입니다. 이들의 망막 퇴행은 천천히 진행되며, 전기망막도(ERG)의 진폭이 점진적으로 감소하는 것으로 나타납니다. 시간이 지남에 따라 망막색소상피에 이상이 발생하고, 광수용체의 외부 세그먼트는 짧아지고 정렬이 어긋나며, 광수용체 세포는 점진적으로 소실됩니다. OAT 결핍 마우스는 인간 GACR와 유사한 질병 표현형을 보이므로, 매우 우수한 전임상 동물 모델로 활용됩니다 [3-4].
그림 1. OAT 결핍 마우스(Oat-/-)에서 전기망막도(ERG) 진폭의 현저한 감소 [3]
유전자 치료는 많은 단일유전자 유전 질환에 효과적인 해결책으로 부상하고 있습니다. 최근 연구에서 AAV8 벡터를 사용하여 간 특이적 프로모터를 활용해 OAT 유전자를 조절하는 치료법이 시도되었습니다. 이 유전자 치료 벡터 투여 후, OAT 결핍 마우스의 혈액 및 눈 내 오르니틴 수치가 감소하였으며, 전기망막도는 개선되었고, 망막 구조는 부분적으로 회복되었습니다. 이러한 효과는 최소 1년 이상 지속되었습니다 [5]. 이 연구는 AAV8-OAT 유전자 치료가 고오르니틴혈증을 효과적으로 교정하고 망막의 기능과 구조를 개선할 수 있음을 입증하였으며, GACR에 대한 간 표적 AAV 매개 유전자 치료의 개념적 타당성을 보여주었습니다.
그림 2. AAV 매개 간 특이적 OAT 유전자 치료가 OAT 결핍 마우스(OatΔ)의 질병 표현형을 개선함 [5]
유셔 증후군 유형 III (USH3)
유셔 증후군은 유전성 난청-망막색소변성 증후군으로도 알려져 있으며, 망막색소변성(RP)과 다양한 정도의 청각 손실을 특징으로 하는 자가우성 열성 유전 질환군입니다. 이 유전적 이질성을 가진 질환군 중에서 유셔 증후군 유형 III(USH3)는 가장 희귀한 형태입니다. USH3는 청소년기에서 진행성 신경성 난청과 망막색소변성을 특징으로 하며, 병인학적으로 유일하게 알려진 유전자는 클라린-1(CLRN1) 유전자입니다.
유셔 증후군 유형 III 환자는 출생 시 정상적인 청각을 보이지만, 보통 만성기 또는 청소년기부터 청각 손실을 경험하며, 시간이 지남에 따라 악화됩니다. 청각 표현형과 유사하게, 안과 표현형도 진행성입니다. 시각 증상은 보통 사춘기 무렵에 나타나며, 많은 환자는 야맹증을 처음 경험한 후 시야가 점차 좁아져 터널 시야 상태가 됩니다. 이후 중심 시력과 색각 인식이 상실되며, 결국 완전한 실명에 이르게 됩니다 [6].
마우스에서 Clrn1 유전자 녹아웃(KO)은 청각 장애와 망막 퇴행을 유발합니다. 특징적인 안과 표현형은 망막 내 광수용체 세포 수의 감소로, 이는 시력 장애와 시야 제한을 초래합니다. 이러한 증상은 마우스의 태생 후 초기 단계에서 나타나며, 시간이 지남에 따라 악화됩니다. 또한 Clrn1-KO 마우스는 출생 후 2일차부터 고립세포 결함을 보이며, P21~P25 무렵에 실명 상태에 이릅니다.
연구자들은 Clrn1 유전자에 UTR 영역을 포함시켜 투여함으로써, 고립세포 구조의 악화와 관련된 후기 발현형 진행성 난청을 유도하는 데 성공했습니다. 시각 및 청각 장애 외에도, Clrn1-KO 마우스는 균형 장애 및 운동 조절 장애와 같은 다른 시스템의 표현형 변화를 나타낼 수 있으며, 이는 인간 USH3 표현형과 유사합니다 [7-10].
그림 3. Clrn1-녹아웃 마우스(Clrn1-/-)에서 전기망막도(ERG) 진폭의 결함 [8]
마찬가지로 단일유전자 유전 질환인 USH3에 대한 유전자 치료 접근법이 개발되고 있습니다. AAV 기반 USH3 유전자 치료에 관한 여러 연구가 발표되었습니다 [9-11]. Dinculescu 등은 Clrn1-KO 마우스를 이용해 AAV-CLRN1 유전자 치료의 생체 내 타당성을 탐색했습니다. 그 결과, 전신적이고 지속적인 닭 β-액틴 프로모터에 의해 유도된 AAV-CLRN1은 망막 내 모든 주요 세포 유형에서 발현되었으며, 외부 CLRN1 단백질은 내세그먼트 영역과 외측 결합층에 주로 국소화되어, 내재 단백질의 발현 패턴과 유사했습니다. 이는 향후 USH3 유전자 치료 연구 설계에 있어 매우 중요한 의미를 지닙니다.
그러나 전체 강도의 바이러스 티터를 이용한 망막하 투여는 심각한 망막 기능 손실을 초래했으며, 광수용체 세포 내 CLRN1 발현에 대한 임계값이 존재함을 시사합니다. 이러한 발견은 안전한 USH3 치료 접근법 개발을 위해 적절한 AAV 벡터 용량, 프로모터 및 투여 방법을 신중히 선택해야 함을 강조합니다 [11].
그림 4. AAV-CLRN1 유전자 치료가 Clrn1-녹아웃 및 유전자형 마우스의 망막 단백질 발현에 미치는 영향 [11]
망막위축증 (CHM)
망막위축증(CHM)은 전 세계적으로 약 5만 명당 1명에서 10만 명당 1명의 발생률을 보이는 희귀한 X 염색체 열성 유전 질환입니다. 주요 증상은 중심 시력의 점진적 저하, 시야의 좁아짐, 색각 이상입니다. CHM은 X 염색체에 위치한 CHM 유전자의 변이로 인해 발생하며, 남성이 여성보다 훨씬 더 흔히 영향을 받습니다. CHM 유전자는 막골격 단백질인 Rab 에스코트 단백질-1(Rep1)을 코딩하며, 이는 망막색소상피 세포에서 중요한 역할을 합니다. Rep1의 손실 또는 기능 저하로 인해 망막색소상피 세포와 망막의 퇴행이 발생하며, 이로 인해 망막위축증이 발생합니다. 현재 망막위축증에 대한 치료법은 없으며, 치료는 증상 관리에 주로 초점이 맞춰져 있습니다 [12]. 동물 연구에서 체내 또는 망막 특이적 녹아웃(KO)을 가진 Chm/Rep1 마우스는 눈 관련 표현형 이상을 보이며, 광수용체의 점진적 퇴행, Rab 전질화 결함, 망막색소상피 세포 퇴행, 망막 위축, 망막 혈관 이상, 시력 장애 등의 증상이 나타납니다 [13-14].
그림 5. Chm/Rep1의 망막 특이적 녹아웃이 광수용체의 심각한 퇴행을 유도함 [14]
현재 망막위축증(CHM) 치료를 위해 망막하 투여를 통한 CHM 발현 아데노연관바이러스(AAV) 벡터를 이용한 유전자 치료를 평가하는 최소 8개의 임상 시험이 진행 중입니다. 대표적인 사례로는 Biogen의 BIIB111/AAV2-REP1과 4D Molecular Therapeutics의 4D-110이 있습니다 [15]. BIIB111/AAV2-REP1은 3상 STAR 연구에서 주요 목표 및 주요 보조 목표를 달성하지 못했지만, STAR 연구 이전의 임상 및 전임상 데이터는 향후 CHM 유전자 치료 접근법 개발에 있어 유의미한 참고 자료를 제공합니다. 이러한 연구에서 얻은 통찰은 유전성 망막질환, 특히 망막위축증을 포함한 혁신적 치료법 개발에 기여하고 있습니다. 이러한 약물의 전임상 연구에서 Chm/Rep1 유전자 녹아웃(KO) 마우스는 여전히 전임상 약물 효능 평가에 필수적인 모델로 사용되고 있습니다. 한 연구에서 AAV2/2-CBA-REP1 유전자 치료는 Chm/Rep1 유전자 KO 마우스의 어두운 적응 상태 ERG의 a파 및 b파 진폭에 용량 의존적 효과를 보였으며, 높은 용량의 AAV2/2-CBA-REP1 치료는 Chm/Rep1 유전자 KO 마우스의 어두운 적응 망막 기능을 개선하는 데 효과적이었습니다 [16].
그림 6. Chm/Rep1 유전자 녹아웃 마우스를 이용한 AAV2/2-CBA-REP1 효능 평가 실험 [16]
희귀 질환 연구 자원 - 유전자 변형 마우스 모델
유전자 변형 마우스 모델은 희귀 질환의 병리 기전 연구 및 전임상 약물 개발 및 평가에 핵심적인 역할을 합니다. Cyagen은 독자적으로 개발한 수천 가지 유전자 편집 마우스 품종을 제공하며, OAT, CLRN1, CHM 등 희귀 질환에 대한 다양한 유전자 녹아웃(KO) 및 조건부(KO/floxed) 모델(예: 조직 특이적)을 포함합니다. 또한 맞춤형 동물 모델(CAM) 개발 및 CRO 서비스를 통해 연구 목적에 맞게 맞춤화된 솔루션을 제공하며, 종합적이고 신속한 CAM/CRO 솔루션을 통해 희귀 질환 연구를 가속화할 수 있습니다.
| 질환 | 타겟 유전자 | 유형 |
|---|---|---|
| 망막 및 망막하조직의 원형 위축증 (GACR) | Oat | KO, cKO |
| 유셔 증후군 유형 III (USH3) | Clrn1 | KO |
| 망막위축증 (CHM) | Chm | KO, cKO |
Cyagen 안과 질환 CRO 서비스
통합 계약연구기관(CRO) 서비스 제공업체로서, Cyagen은 안과 질환을 유전자 치료의 돌파구로 인식하고 전임상 연구를 지원하기 위한 안과 유전자 치료 플랫폼을 구축하였습니다. 풍부한 경험을 가진 전문 팀은 최신 안과 장비를 갖춘 일련의 표준화된 평가 서비스를 제공할 수 있습니다. 우리의 안과 기술에는 마우스용 미크론 IV 소형 동물 망막 현미경 이미징 시스템, 전장 전기망막도(ffERG), 이미지 유도 광학간섭단층촬영(OCT) 시스템, 그리고 마우스용 휴대용 안압계가 포함됩니다. 당사는 당뇨성 망막병증, 망막모세포종, 황반변성, 조산아 망막병증(ROP), 망막하 혈관신생, 망막색소변성 등 안과 질환의 쥐 모델에 대한 검사 서비스를 제공할 수 있습니다. 16년에 걸친 유전자 편집 모델 구축 경험을 바탕으로, Cyagen은 안과 유전자 치료를 위한 표준화된 전임상 연구 솔루션을 제공할 수 있습니다.
HUGO-GT™ 프로그램
유전자 치료 약물 개발을 가속화하기 위해, Cyagen은 차세대 인간화 마우스 모델 개발 프로그램을 출시하였습니다. 당사의 새로운 전체 유전자 DNA 인간화 유전자 치료를 위한 유전자 오르톨로그(HUGO-GTTM) 마우스를 기반으로 하여, ASO/타겟 유전자 편집/siRNA를 포함한 유전자 치료 방법의 효율적인 약물 스크리닝을 위한 병원성 유전자에 대한 완전한 유전체 커버리지를 제공합니다. 희귀 질환 데이터 센터(RDDC)라는 종합적인 생물학적 데이터 플랫폼을 기반으로, 병원성 유전자-질환-동물 모델-약물 임상 정보에 접근할 수 있으며, TurboKnockout 기술과 BAC 융합 기술을 활용하여 대규모에서 완전한 유전체 대체 및 인간화 능력을 확보하였습니다. 이를 통해 희귀 선천성 질환 연구 및 유전자 치료 약물 개발에 더 적합한 전체 유전체 인간화 모델을 창출하였습니다.
안과 질환 분야에서 Cyagen은 독자적으로 전체 유전체 인간화 마우스를 개발하였으며, 예를 들어 전체 유전체 인간화 마우스 hRHO를 포함하고 있으며, 이를 기반으로 한 관련 안과 질환 모델인 hRHO-P23H 점변이 모델과 hCEP290 등의 다른 안과 모델도 개발하였습니다.
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