가톨릭중앙의료원, mRNA 백신 전달의 ‘크기 비밀’ 풀다

- 기초의학사업추진단 구희범 교수 연구팀,

지질나노입자 크기와 유전자 전달 효율의 상관 관계 규명 -

[사진 : 구희범 교수, 김부건 박사, 박철희 연구원]

  코로나19 백신을 통해 알려진 mRNA 기술은 이제 암이나 희귀 질환을 고치는 차세대 치료제로 주목받고 있다. 하지만 mRNA는 매우 약해서 몸속에서 금방 파괴된다. 이를 보호해 세포 안으로 안전하게 배달하는 ‘택배 상자’가 바로 지질나노입자다.

  가톨릭대학교 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 합성생물학사업단장 구희범 교수(교신저자, 가톨릭대학교 의과대학 의생명과학교실), 의과대학 의생명과학교실 김부건 박사(공동 제1저자), 박철희 연구원(공동 제1저자) 공동 연구팀이 mRNA 백신과 유전자 치료제의 핵심 전달체로 활용되는 지질나노입자(Lipid Nanoparticle, LNP)의 크기가 세포 내 전달 효율과 유전자 발현에 어떤 영향을 미치는지를 과학적으로 규명했다.

  이번 연구는 지질나노입자의 ‘구성 성분’이 아니라 ‘크기 자체’가 전달 효율을 좌우하는 핵심 요소임을 실험적으로 입증했다는 점에서 의미가 크다. 특히 mRNA 백신과 차세대 유전자 치료 기술의 성능을 높이기 위한 구체적인 설계 기준을 제시했다는 평가를 받고 있다.

  mRNA 백신이나 유전자 치료제는 우리 몸에 직접 약효를 내는 물질이 아니라, 단백질을 만드는 설계도(mRNA)를 세포 안으로 전달하는 방식이다. 하지만 mRNA는 매우 불안정해 그대로는 세포 안으로 들어가기 어렵다. 이때 mRNA를 감싸 보호하고 세포까지 안전하게 운반하는 역할을 하는 것이 바로 지질나노입자(LNP)이다. 쉽게 말해, 지질나노입자는 아주 작은 기름방울 형태의 ‘택배 상자’다.

  연구팀은 동일한 지질 성분과 동일한 mRNA를 사용하면서, 지질나노입자의 크기만을 다르게 만들어 실험했다. 이를 위해 미세한 유체 흐름을 정밀하게 조절하는 미세유체(microfluidic) 기술을 활용해, 머리카락 굵기의 수천 분의 1 수준인 나노미터 단위에서 입자 크기를 정밀하게 제어했다.

  그 결과, 입자가 작을수록 세포 안으로 더 잘 들어가고, 단백질 생성량도 증가한다는 사실을 확인했다. 이는 작은 입자가 세포막을 통과할 때 필요한 에너지가 더 적기 때문으로 분석됐다. 즉, 세포 입장에서는 ‘작은 상자’가 더 쉽게 받아들일 수 있는 택배인 셈이다.

  흥미로운 점은, 지질나노입자가 무조건 작을수록 좋은 것이 아니라는 사실이다. 연구팀은 지나치게 작은 지질나노입자의 경우, 몸속 환경에서 구조가 불안정해지고, 입자 표면을 보호하는 물질(PEG)이 떨어져 나가면서 오히려 전달 효율이 감소할 수 있다는 점도 함께 밝혀냈다. 이는 mRNA 치료제 개발에서 ‘가장 효과적인 최적 크기’를 찾는 것이 중요하다는 점을 시사한다.

  이번 연구는 실험 결과에 더해, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD : 컴퓨터 소프트웨어를 이용해 액체나 기체의 흐름을 가상으로 시뮬레이션하는 기술) 시뮬레이션을 활용해 LNP가 만들어지는 물리적 원리도 함께 분석했다. 그 결과, 지질나노입자의 크기는 복잡한 소용돌이(난류, 액체가 소용돌이치며 격렬하게 섞이는 상태)가 아니라, 물질이 자연스럽게 퍼지는 확산 과정에 의해, 즉 분자들이 서로의 경계를 넘어 이동하는 속도(확산 지배적 혼합, 물에 잉크 한방울을 떨어뜨렸을 때처럼, 분자들이 스스로 움직여서 퍼지는 현상)에 의해 결정될 수 있음을 제시했다.

  이는 향후 복잡한 장비 없이도 단순한 구조의 시스템으로 지질나노입자 크기를 정밀하게 조절할 수 있는 가능성을 보여주며, mRNA 치료제 대량 생산과 공정 표준화에도 중요한 기초 자료가 될 것으로 기대된다.

  구희범 교수는 “이번 연구는 mRNA 전달체의 성능을 결정짓는 핵심 요소로서 ‘입자 크기’의 중요성을 직관적으로 보여준 연구”라며, “앞으로 다양한 질환을 표적으로 하는 mRNA 백신과 유전자 치료제 개발 과정에서, 보다 안전하고 효율적인 전달체를 설계하는 데 실질적인 기준으로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

  이번 연구는 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단을 비롯해 중견연구사업, 유전자편집·제어·복원기반기술개발사업, Post-Doc 성장형 공동연구 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 나노바이오 분야 국제학술지 《Journal of Nanobiotechnology》(IF 12.6)에 게재되었다. 

[그림 설명 : 지질나노입자 크기에 따른 mRNA 전달 효과 모식도]