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바이러스 벡터의 개발에 따른 유전자치료제의 진화

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작성자 CoGIB 작성일17-03-29 15:04 조회384회 댓글0건

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정 효 영 박사

(오송첨단의료업진흥재단 신약개발지원센터 신약약효평가지원부)

 

 

유전자치료란 질병의 치료 또는 예방을 목적으로 세포나 조직에 유전물질을 도입하거나 결함 유전자를 정상 유전자로 치환하는 것을 의미한다. 지금까지 허가된 유전자치료제는 총 3건으로 Glybera (2012 유럽 허가, UniQure)Imlygic (2015 미국 허가, Amgen), Strimvelis (2016 유럽 허가, GSK)이다.

 

유전자치료제는 1990년에 최초 임상시험 후 희귀 유전 질환과 바이러스 (HIV) 감염질환 치료제로 대두되었다. 그러나 1999Ornithine Transcarbamylase를 탑재한 아데노바이러스 벡터를 유전자 결핍 환자의 간에 투여하는 임상시험에서 전신 염증과 다발성 장기 부전으로 환자가 사망하였으며, 이에 이어 2002년에는 11명의 중증 복합형 면역결핍 증후군 (SCID, Severe Combined Immune Deficiency) 환자를 대상으로 한 임상시험에서 전달체로 사용한 감마레트로바이러스 유전자가 LMO-2 Oncogene을 활성화하여 4명의 환자에게서 백혈병이 발생한 바 있다.

이후 유전자치료제 개발은 장기간 침체기를 보내다가 최근에 들어서야 안전성과 효능이 개선된 다양한 유전자 전달용 바이러스 벡터의 개발과 함께 다시금 그 개발이 활발히 진행되고 있고 현재 전 세계적으로 91건의 임상3상 시험을 포함하여 약 2,400여개의 유전자치료제가 임상시험 또는 테스트 중이다.

 

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유전자치료제 임상연구 현황

(The Journal of Gene Medicine, Clinical Trials Database, 2016)

 

 

 

유전자전달용 벡터로서 아데노바이러스와 레트로바이러스가 지속적으로 개량되며 사용되고 있는 한편 연구자들은 유전자 전달 효율을 높이고 기존의 바이러스 벡터에 비하여 상대적으로 유전독성과 면역독성이 약한 새로운 바이러스 벡터 개발에 집중하고 있다.

현재는 안전성과 효능이 증가된 렌티바이러스와 아데노부속바이러스 (AAV, Adeno Associated Virus) 유전자치료제의 중요 벡터로 사용되고 있다.

 

두에 언급한 SCID 환자를 대상으로 한 임상시험에서 사용된 바이러스 벡터는 감마레트로바이러스인 MLV (Murine Leukemia Viruses)이다.

MLV는 분열 중인 세포에 효과적으로 전염되며 타깃 세포의 유전자에 integration 되어 전달된 유전자가 안정적으로 유지/발현되게 한다. 그러나 MLV는 전사가 시작되는 유전자 부분인 Proto-Oncogene과 세포 성장 조절 유전자가 많이 위치한 hot spot, 특히 RNA 전사 조절 인자들이 있는 부분에 integration 되는 경향이 있다. MLV의 이런 특성으로 인한 유전독성은 SCID 환자에게 백혈병을 유발하는 요인이 된다.

 

HIV 유래 렌티바이러스MLV와 유사하게 타깃 세포 유전자의 hot spotintegration 되지만 전사되는 유전자의 downstreamintegration 되는 경향이 있어 MLV에 비하여 유전독성이 낮은 장점이 있다. 거기에 추가로 바이러스 벡터의 LTR (Long Terminal Repeat) 프로모터 활성을 제거한 SIN (Self Inactivating) 벡터를 도입하여 유전독성을 한층 감소시켰다. 현재는 체외 (ex vivo)로 유전자를 전달하는 임상시험에서는 SIN 렌티바이러스 벡터를 많이 사용하고 있다.

이러한 렌티바이러스는 분열 중인 세포 뿐 아니라 분열하지 않는 세포에도 효과적으로 유전자를 전달할 수 있어 CD34+ 조혈모세포 (HSC)SIN 렌티바이러스 벡터를 이용하여 ex vivo로 유전자를 전달하는 방법은 베타지중해빈혈 (Beta-Thalassemia), Wiskott-Aldrich Syndrome, ALD (X-Linked Adrenoleukodystrophy) 임상연구 등에 활용되고 있다. 또한 최근에 각광받고 있는 CAR (Chimeric Antigen Receptor)를 이용한 T cell 면역요법에도 SIN 렌티바이러스 벡터가 주로 사용된다.

 

AAV는 렌티바이러스와 유사하게 분열 중인 세포 및 분열하지 않는 세포에서도 효과적으로 유전자가 발현된다. 또한 세포에서 Episome 형태로 존재하며 수년간 안정적으로 도입한 유전자도 발현시킬 수 있는 장점이 있어 in vivo 유전자치료용으로 현재 가장 많이 활용되고 있는 바이러스 벡터이다.

지금까지 자연으로부터 총 12종의 AAV Serotype이 발견되었으며 각 Serotype의 조직 특이적인 전염성은 유전자치료제의 조직 특이적 발현에 유용하게 활용되고 있다.

이 중 AAV2 벡터가 in vivo 유전자치료에 많이 사용되고 있는 추세이다. wt AAV2는 사람의 Chromosome19에 있는 AAVS1 locus에 특이적으로 integration 되는 경향이 있어, 유전자치료제용 합성 AAV2 벡터는 integration에 관여하는 요소가 삭제되어 있다. AAV1 벡터 기반인 Glybera의 임상시험에서도 바이러스는 낮은 빈도로 무작위로 integration 되었지만 유전독성은 관찰되지 않았다.

AAV 벡터를 이용하여 안전하게 장기적으로 유전자를 전달하는 치료방법은 B형 혈우병, 류마티스 관절염, 근이영양증, 파킨슨병, 심부전, 망막질환 등 다양한 질병의 임상연구에 활용되고 있다.

  

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The Tropism of AAV Serotypes

 

 

항암바이러스 (Oncolytic Virus)란 감염능과 복제능을 가진, 살아있는 바이러스로써 종양세포를 용해시키는 바이러스이다. 주로 환자의 면역반응을 유도하는 치료 유전자를 탑재하고 있다. 아데노바이러스, 헤르페스바이러스 (HSV, Herpes Simplex Virus), 백시니아바이러스 등을 재조합하여 종양 표지 인자에 의존적으로 복제하는 항암바이러스가 개발되고 있다.

아데노바이러스 Onyx-015는 종양세포에서 종종 비활성화 되는 p53 단백질에 저항성을 가지는 요소를 제거하여 p53 결핍 종양세포에서만 복제되어 종양세포를 용해시킨다. Onyx-015는 진행 중인 두경부암 환자를 대상으로 한 임상1, 2상 시험에서 효과를 보였다.

201510월 미국에서 허가된 AmgenImlygicHSV를 이용해 항암물질을 전달하는 바이러스 항암제로 초기 수술 이후 재발한 피부암 환자 림프절의 병변을 치료한다. 감염된 세포의 스트레스 반응을 막는 ICP34.5 유전자가 결손된 Imlygic은 스트레스 반응이 없는 종양세포에서만 복제되어 세포를 용해시킨다. 또한 바이러스에 탑재된 GM-CSF에 의하여 환자의 면역반응이 강화될 것으로 예상된다.

Thymidine Kinase 유전자가 결손된 백시니아바이러스 JX-594 (Pexa-Vec)Thymidine Kinase가 발현되는 종양세포에 특이성을 가지며 면역강화 인자인 GM-CSF를 탑재하고 있다.

 

이와 같은 희귀 질환을 타깃으로 하는 유전자치료의 성공과 CAR-T 면역세포치료제, 항암바이러스에서의 놀라운 발전은 보다 안전하고 효과적인 바이러스 벡터 개발을 기반으로 이루어졌다고 말하여도 과언이 아닐 것이다. 하지만 SIN 렌티바이러스 벡터가 이전의 감마레트로바이러스에 비해 많은 장점이 있는 한편, integration으로 인한 돌연변이 가능성이 완전히 없어진 것은 아니다. 또한 아데노바이러스 벡터의 예에서 보았듯이 바이러스 벡터에 의해 유도된 innate 면역반응에 의한 부작용도 완벽하게 해소된 것은 아니며, 바이러스 벡터 단백질에 결합하는 항체를 비롯한 adaptive 면역 시스템에 의한 유전자치료제 벡터의 효능 저하도 극복하여야 할 문제이다.

최근의 조사에 의하면 거의 모든 AAV Serotype의 중화 항체들은 혈청에 높은 확률로 존재하고 있음이 밝혀졌다. 그러므로 바이러스 벡터의 안전성과 효능을 증가시키기 위한 노력이 지속되어야 하며 그와 동시에 벡터의 대량 제조와 분석기술의 발전이 필요하다. 또한, 이와 함께 임상시험용 벡터의 표준화 작업도 수반되어야 할 것이다.

 

 

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