임상 전 연구에서 AAV9가 MPS IVA 병리학을 역전시킴
다당증 IVA(MPS IVA)는 자가우성 열성 유전 방식으로 유전되며, GALNS 유전자의 돌연변이로 인해 N-아세틸갈락토사민-6-설파트산 설파타제(GALNS) 결핍이 발생하여 케라탄 황산(KS)과 콘드로이틴-6-황산(C6S)의 축적이 일어납니다. 주요 임상 증상으로는 소변 및 혈액 내 KS 수치 상승, 심한 신장성 소아성, 후두부 골절 부위의 발달 부전, 흉곽 돌출, 골반측만증 및 척추측만증, 무릎 내측 휘어짐, 관절의 탄력성 저하 및 각막 혼탁이 있으며, 중추신경계 손상은 관찰되지 않습니다. [1] 현재까지 치료법은 없으며, 환자의 증상에 따라 치료가 이루어지고 있습니다.
신규 유전자 치료 도구로서 아데노 관련 바이러스(AAV) 및 기타 전달 시스템을 이용한 돌연변이 유전자 보완이 다양한 희귀질환 치료에 큰 응용 가능성을 보여주고 있습니다. Bertolin 등은 MPS IVA 쥐 모델에 Galns를 코딩하는 아데노 관련 바이러스 유형 9(AAV9-Galns)를 주입하여 GALNS 활성이 1년 동안 지속적으로 회복되고 KS 발현 수준이 정상으로 돌아오는 것을 확인하였습니다. 이는 AAV9-Galns를 이용한 유전자 치료가 MPS IVA 치료에 가능성을 지닌다는 것을 보여주며, 향후 MPS IVA 환자에 대한 임상적 치료에 강력한 이론적 근거를 제공합니다.
다음으로, 이 연구를 구체적으로 해석하여 실용적 맥락에서 유전자 치료 연구의 전통적 전략을 이해하고자 합니다.
연구 전략
MPS IVA 질환 쥐 모델 생성
연구자들은 타겟 유전자 편집-Pro 기술을 사용하여 인간에서 가장 흔하고 심각한 오류암호화 돌연변이 c.1156C>T를 지닌 쥐 모델을 생성하였으며, 이는 GALNS 단백질에서 p.Arg386Cys 변이를 유도합니다 (그림 1a). 시퀀싱 분석을 통해 점 돌연변이를 확인하였고, Galns+/− 및 WT 쥐 사이에 3세대 선택적 교배를 실시하여 타겟 유전자 편집-Pro 기술에 따른 비표적 작용을 제거하였습니다 (그림 1b, c). 이러한 쥐는 분석된 모든 조직에서 GALNS 활성이 검출되지 않으며, 1개월령부터 Morquio A 질환의 주요 특징을 나타내었으며, 간 및 혈청 내 KS 농도가 지속적으로 높고, 경골 길이가 감소하는 현상이 관찰되었습니다.
효율적인 AAV9 매개 유전자 전달: 골격계 광범위한 전달
MPS IVA 질환의 유전자 치료에서 주요 과제는 골격계에서 광범위한 유전자 전달을 달성하여 지역적 GALNS 농도를 증가시키는 것입니다. 왜냐하면 골격계 이상이 MPS IVA 환자에게 가장 심각한 변화이기 때문입니다. 연구자들은 4주령 수컷 쥐에 AAV9-GFP 벡터를 주입하고, 형광 강도를 관찰하여 AAV9 매개 유전자 전달의 효율성을 평가하였습니다. 결과적으로, 대퇴골 및 경골 성장판(GP) 주변의 골형성세포 풍부 지역, 밀도 높은 뼈 내부 세포, 관절 연골에서 GFP 양성 신호가 검출되었습니다 (그림 2a).
또한, 모든 분석된 뼈(대퇴골, 경골, 전방지골, 흉골, 갈비뼈, 척추) 및 Morquio A 질환의 주요 말초 장기에서도 높은 수준의 GFP 발현이 관찰되었습니다 (그림 2a, b).
마찬가지로, MPS IVA 쥐에 최적화된 쥐 Galns를 코딩하는 AAV9 벡터를 투여한 결과, 벡터 게놈 복제 수 분석에서 AAV9-Galns가 뼈(그림 2d) 및 말초 장기(그림 2e)에서 더 높은 전달 효율을 보였습니다. 분석된 모든 뼈(긴 뼈: 대퇴골, 경골, 종아리뼈, 상완골; 평면 뼈: 어깨뼈; 비정형 뼈: 척추; 부정형 뼈: 무릎 관절 연골) 및 간, 심장, 흰 지방 조직(WAT), 폐가 효율적으로 전달되었습니다 (그림 2d, e), 이는 AAV9 벡터가 MPS IVA 병리 치료에 잠재력을 지닌다는 것을 시사합니다.
그림 2. AAV9-Galns 치료는 MPS IVA 병리를 수정합니다. a) 4주령의 정상 쥐(WT)에 6.67 × 1013 vg/kg의 AAV9-GFP 벡터를 정맥 내 투여한 후 대퇴골 및 경골의 광범위한 전달. b-c) 2주 후, 밀도 높은 뼈(CB) (I), 성장판 주변 영역(GP) (II), 관절(III), 다공성 뼈(IV), 내막(VE)에서 GFP 신호를 관찰. n = 3 마리/군. 척도 기준: 2000 µm; 인셋: 300 µm. BM 골수, SM 골격근. d-e) 이후, 4주령의 MPS IVA 수컷 쥐에 6.67 × 1013 vg/kg의 AAV9-Galns 벡터를 투여. F, 대퇴골; Ti, 경골; R, 갈비뼈; S, 흉골; V, 척추; FL, 전방지골; K, 무릎 관절 연골; Fi, 종아리뼈; Sc, 어깨뼈; Hu, 상완골; T, 기관; H, 심장; L, 간; A, eWAT; Lu, 폐; Q, 대퇴사두근.
AAV9-Galns 주입은 MPS IVA 치료에 효과적입니다
신장성 소아성은 MPS IVA 환자의 대표적인 특징이며, 따라서 MPS IVA 연구 모델에서 관찰하고자 하는 주요 형질입니다. MPS IVA 수컷 쥐는 1개월령까지는 WT 쥐와 유사한 체중을 보였으나, 이후 체중과 크기의 중요한 감소가 관찰되었습니다 (그림 3a, b). MPS IVA 쥐는 또한 유의미하게 짧은 수명을 보였으며, 약 30%의 쥐가 2개월령 무렵 사망하였습니다 (그림 3c).
AAV9-Galns 유전자 치료 후, MPS IVA 쥐는 체중 증가를 보였으며 생존율이 WT 쥐 수준에 거의 회복되었습니다 (그림 3a–c), GALNS 활성과 KS 농도도 정상 수준으로 회복되었습니다 (그림 3d–f). 간 및 흰 지방 조직(WAT)에서도 높은 GALNS 활성이 관찰되었습니다 (그림 3g, h). 증가된 GALNS 활성은 간 내 KS 농도를 정상화하였으며, 이는 주로 쿠퍼 세포 및 WAT에 저장되었습니다 (그림 3i–l). 또한, 리소좀 균형 유지 지표인 간 내 β-헥소사민다제 활성도 회복되었습니다 (그림 3m).
AAV9 매개 전달 시스템은 MPS IVA 치료에 가능성을 보여주고 있습니다. 과학자들과 연구자들은 희귀질환 치료를 위해 유전적 병인 기전을 발견하고 유전자 치료 접근법을 개발하는 데 많은 노력을 기울였지만, 희귀질환의 종류가 많기 때문에 개인이나 단일 기관이 빠르게 승리하기 어려운 연구 분야입니다. Cyagen은 전 세계 연구자들에게 원스톱 유전자 치료 솔루션을 제공하고, 희귀질환에 대한 유전자 치료 개발을 가속화하여 더 많은 환자들이 빠르게 치료의 희망을 얻을 수 있도록 노력하고 있습니다.
Cyagen은 연구의 모든 수준에 맞는 유전자 치료 개발을 위한 원스톱 솔루션을 제공하고 있습니다. 서비스 내용은 다음과 같습니다: 타겟 유전자 편집-Pro 스크리닝 및 타겟 검증; 맞춤형 마우스 모델 생성; 효율적인 아데노바이러스/렌티바이러스 패키징(아데노 관련 바이러스(AAV), 렌티바이러스(LV), 아데노바이러스(ADV)); 약리학 및 약동학(PD) 연구 등. 이러한 서비스가 유전자 치료 연구 성과의 효율성을 향상시켜 임상적 발견을 촉진하기를 기대합니다.
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.
