mRNA 백신 성공 사례
메신저 RNA(mRNA) 백신은 COVID-19 팬데믹 진행 과정을 크게 변화시키고 수백만 명의 생명을 구하는 데 중요한 역할을 했다는 점에서 많은 사람들에게 친숙한 개념입니다. 그러나 mRNA가 완전히 새로운 발견은 아닙니다. 실제로 mRNA의 치료 가능성은 1980년대로 거슬러 올라갑니다. 당시에도 지질 방울을 통해 mRNA를 표적으로 전달함으로써 약물로 사용할 수 있다는 가설이 존재했습니다. 이후 mRNA 백신은 지카, 광견병, 인플루엔자, 거대 세포 바이러스와 같은 다양한 병원균을 표적으로 공격하도록 설계되었습니다.아래 그림 1은 세포 및 항체 매개성 면역을 유도하기 위한 mRNA 백신의 작용 메커니즘을 보여줍니다.
숙주의 면역 반응을 자극하는 항원 단백질을 직접 유도하는 전통적인 백신 접근법과 달리 mRNA 백신은 mRNA 인코딩을 질병 특정 항원으로 유도하며 숙주 세포의 단백질 합성 기구를 활용하여 면역 반응을 일으키는 항원을 생성합니다. 이러한 외부 항원을 체내에서 생성함으로써 면역 체제가 바이러스 항원을 인식하고 기억할 수 있도록 준비할 수 있어 동일한 항원을 가진 바이러스로 인한 향후 감염을 퇴치할 수 있습니다.
이 동영상을 통해 mRNA 백신이 인체 세포를 사용하여 어떻게 COVID-19 면역력을 생성하는지 알아보십시오.
mRNA 백신: 길고 험난한 여정
COVID-19 퇴치를 위한 mRNA 백신 기술의 성공적인 활용은 생화학자, 면역학자, 개발적 생물학자의 선구적인 노력 없이는 불가능했을 것입니다. 그러나 성공으로 가는 길은 멀고 험난했으며 수십 년에 걸쳐 막다른 길과 기술에 대한 논쟁이 반복되었습니다. 연구자들은 mRNA 기술이 불안정성으로 인해 연구에 어려움이 있을 것이라는 사실을 처음부터 알고 있었습니다. 그러나 지질 나노 입자(LNP) 개발로 문제를 대부분 극복할 수 있었습니다. 즉 mRNA를 작은 지방 방울 안에 넣어 캡슐화함으로써 분해되지 않고 세포 내 올바른 위치로 운반할 수 있었습니다.
mRNA 백신에 대한 초기 연구는 전망이 밝아보였지만 백신 플랫폼을 최적화하고 확장하는 데 드는 비용이 대규모 출시를 제한하는 주된 요인으로 작용했습니다. mRNA 백신을 개발하고 상용화하려는 초기 시도는 조류 독감 백신을 비롯하여 제조상의 문제로 인해 방치되었습니다. 많은 후보 백신이 인체 연구 단계로 진행되지 못했으며 Shire, Novartis와 같은 기업은 자체 mRNA 백신 포트폴리오를 매각했습니다. 이들 기업은 이 기술에서 경제적 잠재력을 보지 못했습니다.
COVID-19 mRNA 백신의 부상
COVID-19 팬데믹은 백신 개발에 큰 영향을 미쳤습니다. 갑작스럽게 mRNA가 빠르고 성공적으로 신종 코로나바이러스, SARS-CoV-2의 치료 백신으로 부상했습니다. 합동 연구 노력을 통해 2가지 mRNA 백신 후보가 COVID-19 퇴치를 위해 긴급 사용 승인을 받았습니다. 이들 백신은 기존 백신보다 다음과 같은 여러 가지 이점을 제공했습니다.
- B-세포와 T-세포 면역 반응 유도에 따른 특이성과 효능 향상.
- 시험관내 전사(IVT) 방식으로 무세포 환경에서 세포 내 대량 생산이 용이하여 더 빠른 개발, 생산 공정 간소화, 효율적 비용 제조 가능
- 안전상의 이점(즉 숙주 세포 게놈으로의 통합 불필요), DNA 상호 작용 불필요(따라서 숙주 변이 위험이 없음), 바이러스 입자 미형성, 일시적인 항원 발현(체내 지속성 제한).
COVID-19 팬데믹 기간 동안 전세계 과학자들의 공동 노력으로 mRNA 백신 개발이 빠르게 이루어졌으며 연구원들은 초기 연구를 방해한 과제를 극복할 수 있었습니다. 팬데믹에서 얻은 지식은 향후 백신 기술 분야와 함께 RNA 방식의 향후 백신 설계에서 중요한 역할을 하게 될 것입니다.
mRNA 백신 파이프라인
COVID-19 mRNA 백신의 성공에 고무된 90여 개발 리더들이 다양한 병원균에 대한 mRNA 백신 후보를 개발하고 있습니다. Moderna의 경우 엡스타인-바 바이러스, 거대 세포 바이러스, 계절 독감, 호흡기 세포 융합 바이러스 퇴치를 위한 mRNA 백신 개발을 독자적으로 진행하고 있습니다. 단순 헤르페스 바이러스, 다발성 경화증, 인체 면역 결핍 바이러스 치료를 위한 mRNA 백신 개발 계획도 논의되고 있습니다. 최초 mRNA 기반 말라리아 백신에 대한 임상 시험이 올해 시작될 예정으로, 장기간 방치된 이 질병의 퇴치 가능성에 대한 기대가 모아지고 있습니다. 이 기술은 실제로 응용 분야가 무궁무진한 것처럼 보입니다.
파이프라인을 잠깐만 살펴봐도 연구원들이 변형, 비변형, 자가 증폭 mRNA를 포함한 다양한 mRNA 기술 형식을 활용하고 있다는 것을 알 수 있습니다. LNP 제형이 mRNA를 표적으로 전달하는 가장 일반적인 방법이지만 양이온 나노 에멀전, 중합체와 같은 대체 전달 수단에 대한 연구도 이루어지고 있습니다. 개발자들은 이러한 새로운 제형이 안정성, 효능, 면역원성, 원자가 측면에서 이점을 가져다줄 것으로 믿고 있습니다. 그러나 mRNA 백신 후보의 약 3/4이 개발 과정상 임상 전/탐사 단계에 있는 상황에서 이 신기술이 임상 시험에서 어느 정도 성공을 거둘지 확인하려면 몇 년의 시간이 필요할 것입니다.
향후 사용을 위한 mRNA 백신 최적화
mRNA 백신 분야가 최근 몇 년 동안 발전을 이루었지만 플라스미드 DNA 공급, 시험관내 전사 및 캡슐화 공정의 복잡성, mRNA 불순물 프로필의 다양성, 극저온 보관 필요성 등 여러 가지 공정 개발 과제가 남아 있습니다..
COVID-19 사례와 같은 바이러스 변이 출현 가능성, SARS-CoV-2 백신 접종자의 투여량 증가와 다음 투여 사이트 반응 등 지속적인 혁신에 대한 요구를 강화하는 다른 요인도 있습니다.
안정성
중요한 특성임에도 불구하고 mRNA 약물의 안정성 프로필을 조사하기 위한 연구는 최소 수준으로 수행되었습니다. 예를 들어 LNP-mRNA 및 단백질 mRNA 복합물의 경우 mRNA 무결성에 대한 냉동 건조 효과를 조사하는 여러 연구가 포함됩니다. 다른 접근 방식에는 분무 건조 mRNA와 리오스페어(냉동 건조 mRNA 방울) 생성이 포함됩니다. 이 연구 영역은 향후 대규모 mRNA 백신 배포에 중요한 역할을 할 것입니다.
비용
앞서 언급한 것처럼 비용은 초기 mRNA 백신 개발에 있어 주요 제한 요인이었으며 지금도 중요하게 고려되고 있는 사항입니다. 현재 백신 생산에는 상대적으로 많은 양의 RNA가 필요합니다. 이에 따라 시간과 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 잠재적인 부작용 가능성도 증가합니다(이 내용은 자세히 다룰 예정임). -70°C의 극저온 보관 요건 또한 많은 비용을 필요로 합니다. 일반적으로 배포 또는 접종 센터에 구비되어 있지 않은 특수 냉동고가 필요하기 때문입니다. 연구원들은 mRNA 백신에 필요한 제조 인프라와 원재료에 대한 투자가 머지 않아 이러한 백신 비용을 낮추는 효과를 가져올 것으로 예측하고 있습니다.
투여량 감소
RNA 투여량을 줄이는 과제를 해결하기 위한 한 가지 방법은 자가 증폭 RNA를 사용하는 것입니다.
이 RNA는 구조 측면에서는 일반 RNA와 유사하지만 크기가 훨씬 더 커 레플리카제를 인코딩하는 방식으로 RNA를 세포로 전달할 때 원래 형태(stand)를 증폭시킬 수 있습니다. 결과적으로 단백질 수율이 훨씬 높아져 RNA 투여량이 최소화되며 비용과 효율성 측면에서 추가적인 이익을 얻을 수 있습니다. 그러나 한 가지 잠재적인 문제는 분자 크기와 전달 시 그에 따른 영향입니다.
mRNA 백신은 오랫 동안 사용되어 왔지만 전세계적인 팬데믹 상황이 도래하기 전까지 임상적 가능성에 대한 활발한 연구가 진행되지 않았으며 최근 몇년 동안 연구 활동에 큰 진전이 있었습니다. 차세대 mRNA 백신 생산에 필요한 요소에 있어 그 우선 순위는 명확합니다. 이 분야의 새로운 발전 동향에 주목하시기 바랍니다.
mRNA 백신 이상의 치료법
mRNA 백신 이외의 RNA 기반 치료법을 알아보려면 CAS Insights 보고서 “RNA 기반 의약품: 연구 동향과 개발 현황 검토(RNA-Derived Medicines: A review of the research trends and developments)”를 읽어보십시오. 의약품 개발을 위한 RNA 활용, 화학적 변형과 나노 기술로 RNA 의약품의 효능과 전달 성능을 개선할 수 있는 방법을 알아볼 수 있습니다.