가톨릭중앙의료원, mRNA 백신 지질나노입자 ‘최적 크기’ 규명

[더파워 이설아 기자] 코로나19 백신으로 대표되는 mRNA 기술이 암·희귀질환 치료제까지 확장되는 가운데, 핵심 전달체인 지질나노입자(LNP)의 ‘크기’가 유전자 전달 효율을 좌우하는 핵심 변수라는 국내 연구 결과가 나왔다.

가톨릭중앙의료원은 12일 mRNA 백신과 유전자 치료제에 사용되는 지질나노입자의 크기와 세포 내 전달 효율, 유전자 발현 사이의 상관관계를 과학적으로 규명했다고 밝혔다.

연구는 가톨릭대학교 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단 합성생물학사업단을 이끄는 구희범 교수(교신저자)와 의과대학 의생명과학교실 김부건 박사, 박철희 연구원(공동 제1저자) 연구팀이 수행했다.

연구팀은 그동안 성분 조성에 초점을 맞춰 개발돼 온 LNP 연구에서 한 걸음 나아가, ‘구성 성분이 아닌 입자 크기 자체’가 mRNA 전달 성능을 결정짓는 핵심 요소임을 실험적으로 입증했다는 점에서 의미가 크다고 설명했다.

mRNA 백신·유전자 치료제는 우리 몸에 약효를 직접 투여하는 방식이 아니라, 단백질을 만드는 설계도인 mRNA를 세포 안으로 넣어 치료 효과를 내는 기술이다. 그러나 mRNA는 체내에서 쉽게 분해될 만큼 불안정해 그대로는 세포까지 도달하기 어렵다.

이때 mRNA를 감싸 보호하고 세포 안까지 안전하게 운반하는 ‘택배 상자’ 역할을 하는 것이 바로 지질나노입자다. 일종의 기름방울 형태로 mRNA를 포장해, 체내 이동과 세포막 통과를 돕는다.

연구팀은 동일한 지질 성분과 동일한 mRNA를 사용하면서, 오직 지질나노입자의 크기만을 달리한 LNP를 제작해 비교 실험을 진행했다. 이를 위해 미세유체(microfluidic) 기술을 활용, 머리카락 굵기의 수천 분의 1 수준인 나노미터(nm) 단위에서 입자 크기를 정밀하게 제어했다. 이렇게 만든 다양한 크기의 LNP를 세포에 투여한 뒤 세포 내 유입량과 단백질 생성량을 분석했다.

실험 결과, 지질나노입자가 작을수록 세포 안으로 더 잘 들어가고, 그에 따라 단백질 생성량도 증가하는 것으로 나타났다. 연구팀은 “입자가 세포막을 통과할 때 필요한 에너지가 작을수록 낮아지기 때문에 세포 입장에서는 작은 ‘상자’를 더 쉽게 받아들이는 것과 같다”고 설명했다. 즉, 같은 성분이라도 크기를 줄이면 세포 내 유전자 전달 효율을 크게 높일 수 있다는 것이다.

하지만 이번 연구는 “작으면 작을수록 무조건 좋은 것”은 아니라는 점도 함께 밝혔다. 지나치게 작은 지질나노입자는 체내 환경에서 구조적 안정성이 떨어지고, 표면을 보호하는 물질인 PEG(폴리에틸렌글리콜)가 이탈하면서 오히려 전달 효율이 감소할 수 있다는 사실이 확인된 것이다. 연구팀은 이를 근거로 “mRNA 치료제 개발에서 가장 효과적인 ‘최적 크기 구간’을 찾는 것이 중요하다”고 강조했다. 너무 크면 세포에 잘 들어가지 못하고, 너무 작으면 체내에서 쉽게 불안정해지는 만큼, 치료제 설계 단계에서 크기를 정밀하게 조절해야 한다는 의미다.

연구팀은 실험뿐 아니라 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 활용해 LNP가 생성될 때 입자 크기가 어떻게 결정되는지도 분석했다. 그 결과 LNP의 크기는 복잡한 소용돌이(난류)처럼 격렬한 혼합이 아니라, 물질이 스스로 섞이는 확산 지배적 혼합, 즉 분자들이 서로의 경계를 넘어 자연스럽게 퍼지는 과정에 의해 좌우될 수 있음을 제시했다. 물에 잉크 한 방울을 떨어뜨렸을 때, 별다른 교반 없이도 시간이 지나며 서서히 번져가는 현상과 비슷한 원리다.

이는 향후 복잡한 장비 없이도 비교적 단순한 구조의 생산 시스템으로 지질나노입자 크기를 정밀하게 맞출 수 있는 가능성을 보여준다. LNP 크기를 예측 가능하게 설계·제어할 수 있다면, mRNA 치료제의 대량 생산과 공정 표준화에 필요한 핵심 기반 기술로 이어질 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

실제로 제약·바이오 업계에서는 mRNA 백신과 유전자 치료제 상용화를 위해, 균일한 크기의 LNP를 안정적으로 생산하는 공정 기술 확보가 중요한 과제로 꼽혀 왔다.

구희범 교수는 “이번 연구는 mRNA 전달체 성능을 결정짓는 핵심 요소로 ‘입자 크기’의 중요성을 직관적으로 보여준 결과”라며 “향후 다양한 질환을 표적으로 하는 mRNA 백신과 유전자 치료제 개발 과정에서 보다 안전하고 효율적인 전달체를 설계하는 데 실질적인 기준으로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단을 비롯해 중견연구사업, 유전자편집·제어·복원기반기술개발사업, Post-Doc 성장형 공동연구 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 나노바이오 분야 국제학술지 'Journal of Nanobiotechnology'(피인용지수 IF 12.6)에 게재됐다.

이설아 더파워 기자 news@thepowernews.co.kr