A therapeutic revolution: RNA in COVID-19 and beyond

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May 6, 2022

Frontiers in Bioengineering and Biotechnology에 발표된 한 최근 논평의 저자들은 현재를 "치료 혁명의 시대"로 규정했습니다. 이들은 최신 연구 및 임상 개발에서 RNA 치료법의 빠른 확대를 언급하면서 그 부분적인 이유를 지속되는 SARS-CoV-2 팬데믹 상황으로 인해 RNA COVID-19 백신에 대한 관심이 증가한 때문인 것으로 보고 있습니다.

전통적으로 의약품 개발은 소위 말하는 저분자 약물(저분자량 유기 화합물로 정의)이 주를 이루었으며 지금까지도 다양한 의학 분야에서 활용되고 있습니다. 그러나 생명 공학과 분자 생물학의 발전에 따라 단일 클론 항체와 재조합 단백질에서 올리고뉴클레오타이드, 유전자/유전자 절편에 이르는 다양한 거대 분자 물질을 약물 후보로 설계하는 연구가 진행되고 있습니다. 결과적으로, ‘생물의약품’이 오늘날 치료 도구 관점에서 중요한 역할을 하게 되었습니다. 2020년 초 기준, 전세계 10대 베스트셀러 의약품 중 7개가 생물의약품입니다.

여기에 새로운 핵산 기반 약물 설계 방식이 빠른 확장세를 보이고 있습니다. 과거 RNA 치료법은 기존에는 효율성, 면역원성과 같은 문제로 제약을 받아왔지만 최근 mRNA COVID-19 백신 성공과 여러 RNA 기반 약물 승인에 따라 이 분야의 발전 속도가 상당히 빨라지고 있습니다. 엄선된 최대 규모의 과학 지식 간행물 컬렉션인 CAS Content Collection™을 활용하여 현대 의약품에서 RNA의 응용 사례를 살펴봅니다.

관련 CAS Insights 보고서 읽기: RNA 유도 의약품: 연구 동향 및 개발 검토

RNA 치료법의 장점과 과제

"약물 개발이 불가능한 물질" 표적화

RNA 치료법의 큰 장점 중 하나는 RNA 약물을 사용하여 '약물 개발이 불가능한' 분자를 표적으로 삼을 수 있다는 것입니다. 이러한 분자는 저분자 기반 약물로는 표적화하기가 어렵거나 불가능합니다. 저분자, 항체 등 일반적으로 사용하는 약물로는 단백질의 약 1/5만 표적화할 수 있으며 전통적인 저분자 또는 단일 클론 항체(단백질 수용체 또는 효소의 활성 부위 포켓에 결합되어 변환 필요)로는 비암호화 RNA를 표적화할 수 없습니다.

합성 용이

RNA 산물은 최근 RNA 백신 개발과 특히 관련이 있는 제조 프로세스의 단순성, 비용 효과, 속도 측면에서 단백질보다 제조상의 이점이 큽니다. 핵산 기반 전략은 또한 포유류 세포의 세포 기계장치를 활용한 변환 후 변형과 같은 복잡한 합성 프로세스가 필요하지 않습니다.

또한 RNA 염기서열은 빠른 변형이 가능하므로 표적에 따른 맞춤형 분자를 제공할 수 있습니다. 결과적으로 개발 프로세스가 가속화되며 이는 COVID-19 RNA 백신의 빠른 개발 사례에서 명확하게 입증되었습니다.

안전과 부작용

DNA 약물은 세포핵에 침투하므로 숙주 게놈으로의 잠재적인 통합으로 인한 안전 문제를 야기합니다. RNA는 게놈을 편집하는 CRISPR-Cas 시스템 RNA를 제외하고는 유전자 물질을 변경하지 않으므로 유전자 통합에 따른 위험이 없습니다.

그러나 RNA 치료법은 특이성 문제로 인한 부작용 위험이 있으며 분해 민감성으로 인해 약력학적 특성이 저하되어 사용 방법이 복잡해질 수 있습니다. 이러한 몇몇 문제를 RNA의 화학적 변형으로 완화시킬 수 있으며 관련 연구가 집중적으로 이루어지고 있습니다.

전달

RNA 치료법은 저분자 치료법에 비해 규모가 크고 전하량도 많은 경향이 있어 기본 형태로는 세포 내 전달이 어렵습니다.

RNA 치료법 연구 동향

1995년 이후 RNA 치료법에 대한 정보를 포함하는 학술지와 특허 수가 지속적으로 증가하고 있습니다. 특허 건수는 2001년 즈음 최대치를 기록했으며(mRNA 암호화 종양 항원으로 세포 감염된 가지 세포를 사용한 최초의 인체 임상 시험과 관련된 것으로 추정) 학술지 수는 2020년(COVID-19 mRNA 백신에 대한 관심에 따른 결과로 추정) 가장 많은 수를 기록했습니다(그림 1).

의료 목적의 RNA와 관련된 CAS 컨텐츠 컬렉션의 간행물 수를 보여주는 차트 — *그림 1: 의료 목적의 RNA와 관련된 CAS 컨텐츠 컬렉션의 연도별 간행물 및 특허 수 현황.*

RNA는 새로운 유형의 RNA 발견에 따라 점차 다양해지고 있으며 특히 siRNA, miRNA, lncRNA, CRISPR에서 이러한 양상이 두드러지고 있습니다(그림 2). circRNA, 엑소좀 RNA, lncRNA, CRISPR에 대한 간행물 수 증가율이 다른 유형에 비해 훨씬 더 빠르게 나타나고 있습니다. 특히 CRISPR 기술이 2020년 전체 RNA 관련 특허 출원의 20%를 차지합니다. 이는 CRISPR 기반 치료법의 임상 시험 승인 횟수의 증가와 맞물려 일어나게 됩니다.

*RNA 유형별 간행물 동향(1995-2020). 그래프상의 백분율은 1995~2020년 연도별 간행물 수를 RNA 유형별 총 간행물 수로 정규화한 결과값입니다.*

새로 발견된 RNA의 기능을 방해하는 것이 전통적인 치료 방식의 약점을 극복할 수 있는 유망한 치료 도구로 간주됩니다(표 1).

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***표 1: 다양한 RNA 유형의 치료 기능***
RNA 유형	치료 기능
mRNA	mRNA 치료법의 기본 원리에는 체외 전사 mRNA를 표적 세포로 전달하는 단계가 포함됩니다. 여기서 mRNA는 기능 단백질, 즉 항체, 항원, 사이토카인으로 변환됩니다.
siRNA	siRNA는 표적화된 mRNA 분해를 통해, 알려진 유전적 배경과 연관된 다양한 질병의 발생 과정에서 염기서열 특정 유전자 발현 억제를 중재합니다.
miRNA	miRNA가 여러 가지 다른 표적 유전자의 발현을 중재할 수 있습니다. 동시에 표적화된 mRNA 분해 또는 mRNA 변환 억제를 중재합니다.
IncRNA	lncRNA는 구조적으로 복잡한 RNA 유전자로 구성되는 대형 유전자군으로, DNA, RNA 또는 단백질 분자(히스톤)와의 상호작용 및 후생적 변형으로 유전자 전사를 조절할 수 있습니다(주로 메틸화, 아세틸화를 통해).
circRNA	circRNA는 세포 이하 구획 간에 단백질을 격리 또는 전위시킬 수 있습니다. circRNA 조절 장애는 여러 질병, 특히 암, 심혈관 질환, 신경 질환과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다. 일반적으로 조직 또는 세포 특정 방식으로 circRNA 표현식을 사용하여 기능 획득, 기능 상실 접근법을 수행합니다.
piRNA	piRNA는 피위 단백질에 결합되어 piRNA/피위 복합체를 만들며 이 복합체가 트랜스포존 발현 억제, 정자 형성, 게놈 재배열, 후생적 조절, 단백질 조절, 세균 줄기세포 유지에 영향을 미칩니다.
리보자임	RNA 효소, 리보자임은 촉매성 RNA 분자로, 표적 RNA를 고도의 염기서열 특정 방식으로 인식하여 병원성 유전자를 하향 조절 및 복구합니다. 따라서 리보자임을 사용하여 선천적 대사 장애부터 바이러스 감염, 암과 같은 후천성 질환에 이르는 다양한 질병을 치료할 수 있습니다.
엑소좀 RNA	엑소좀은 다양한 병적 증상의 진단 또는 치료에 사용될 수 있는 세포외 나노베지클의 한 종류입니다. 임상 진단에서 엑소좀 RNA 검출 가능성을 조사하는 연구가 진행되고 있습니다. 치료 목적의 경우, 표적 RNA의 촉매 분해 또는 변환 저지(translation arrest)로 엑소좀 기반 소형 RNA 전달을 강력한 특정 전사 후 유전자 발현 억제 도구로 사용합니다.
CRISPR	CRISPR-Cas9 시스템은 게놈 편집, 유전자 기능 조사, 유전자 치료에 사용할 수 있는 가장 유용하고 효율적인 염기서열 특정 유전자 편집 기술 중 하나입니다. 현재 CRISPR-Cas9은 듀켄씨근이영양증, α1-항트립신 결핍증, 혈우병, 난청, 조혈 질환 등의 유전병에 널리 사용되고 있습니다.

RNA 치료법을 활용하는 치료 영역

전염병과 암이 연구 단계에서 가장 많은 치료법과 높은 증가율을 보였습니다(그림 3, 4). COVID-19 팬데믹은 연구 단계와 승인 치료법 수에서 모두 감염병 치료를 위한 RNA 의약품을 증가시켰으며(그림 4) mRNA 치료법이 처음 판매 승인을 받는 계기가 되었습니다.

RNA 치료법의 표적이 되는 특정 질병에 대한 연도별 특허 간행물 현황을 보여주는 그래프 — *그림 3: RNA 치료법, 백신, 진단법의 표적이 되는 특정 질병에 대한 연도별 특허 간행물 현황.*

개발 단계별 잠재적 치료법과 백신 수 — *그림 4: 다양한 질병 유형의 개발 단계별(임상 전, 임상 중, 임상 완료, 임상 철회, 임상 승인) 잠재적 치료법과 백신 수.*

RNA 치료법 과제 해결

RNA 화학적 변형을 사용하면 RNA 분해를 방지하고 표적 특이성을 개선할 수 있으며 결과적으로 부정확한 효과에 따른 부작용 위험을 낮출 수 있습니다. 화학적 변형 이외에, 나노 물질을 포함하는 전달 수단을 사용하여 RNA 분해를 방지하고 원하는 표적으로의 치료제 운반을 도울 수 있습니다.

CAS 컨텐츠 컬렉션 데이터에 따르면 RNA 변형 사용은 1995년에 시작되었으며 짧은 염기서열 길이와 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다(그림 5). 변형된 18-27-뉴클레오티드 RNA의 우세는 특정 형태의 RNA(siRNA 및 ASO)에서 이러한 길이의 염기서열을 사용한 결과입니다. FDA 승인 RNA 의약품의 변형에 대한 조사로 RNA 유형과 변형 간 상관관계가 확인되었습니다.

그림 5: 변형을 포함하는 RNA 염기서열과 염기서열 길이별 분포 현황(출처: CAS 컨텐츠 컬렉션). 파란색 막대: 변형된 RNA 염기서열의 절대 수, 주황색 선: 염기서열 길이가 같은 전체 RAN 염기서열 대비 변형된 RNA 염기서열의 백분율.

RNA 염기 변형

수소 결합 형성을 방해하도록 변형된 뉴클레오티드는 표적과 함께 듀플렉스 형성을 열적으로 불안정하게 만들며 표적 외 결합을 제한하여 표적의 특이성을 개선할 수 있습니다. 또한 변형을 통해 치료 RNA의 성능을 개선할 수 있습니다. COVID-19 mRNA 백신의 경우처럼 치료 mRNA에서 변형된 염기 N1-메틸슈도유리딘을 사용함으로써 변환을 개선하고 mRNA에 대한 세포독성으로 인한 부작용과 면역 반응을 줄일 수 있습니다. Pfizer의 Comirnaty 백신과 Moderna의 Spikevax mRNA 백신은 또한 5’ 3인산염에서 mRNA의 5’ 말단까지 연결된 7-메틸구아노신 캡을 사용하며, mRNA의 5’ 말단 분해를 방해하고 자연 상태에서 존재하는 mRNA 캡을 복제합니다.

리보오스 변형

RNA에서 리보오스의 2’ 위치를 변형시켜 안정성을 높이고 표적 외 영향을 줄일 수 있습니다. 2’ 위치의 가장 일반적인 변형은 2’-O-메틸, 2’-플루오르, 2’-O-메톡시에틸(MOE), 2’-아민입니다.

중추 변형

당인산 중추의 인산기를 변형하는 방식으로 막 간 운반을 간섭하고 뉴클레아제에 대한 저항성을 높일 수 있는 음전하를 중성화함으로써 RNA 전달을 개선할 수 있으며 결과적으로 조직 제거 반감기를 연장할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 중추 변형 중 하나가 포스포로티오에이트입니다.

RNA 나노 수송체 관련 연구

면역원성, 뉴클레아제 안정성과 같은 생물학적 장벽은 일반적으로 RNA의 화학 구조를 변형시켜 해결할 수 있지만 체내 다른 장벽을 극복하기 위해서는 추가적인 전달 시스템이 필요합니다. RNA를 나노 입자에 캡슐화하여 RNA를 보호하고 전달할 수 있습니다. 현재 CAS 컨텐츠 컬렉션에는 RNA 전달 시스템과 관련된 약 7,000건의 과학 간행물이 있습니다. RNA 수송체 관련 연구는 지질 나노 입자가 가장 많으며 바로 다음은 중합 나노 수송체입니다(그림 6).

*그림 6: CAS 컨텐츠 컬렉션에서 RNA 나노 수송체 관련 문서 분포율.*

결론

RNA 치료법과 관련 약물은 빠른 추세로 그 범위가 확장되고 있으며 많은 질병의 치료 기준에 변화를 가져올 것이라는 기대를 받고 있습니다. 이 치료법은 비용 효과적이고 제조 방법이 상대적으로 간단하며 이전에 '약물 개발이 불가능'했던 부위를 표적화할 수 있는 등 저분자와 생물학적 분자를 기반으로 하는 전통적인 의약품에 비해 여러 가지 이점을 갖고 있습니다. 안정성, 전달, 잘못된(off-site) 효과로 인한 기존 과제는 화학적 변형과 RNA 나노 수송체로 해결 또는 완화시킬 수 있습니다. CAS 컨텐츠 컬렉션의 한 연구에서 COVID-19, 암과 같은 감염병을 RNA의 주요 치료 영역으로 규정했으며 circRNA, 엑소좀 RNA, lncRNA, CRISPR에 대한 간행물 수의 증가율이 특히 높다는 사실을 확인했습니다. 그중에서도 CRISPR 관련 연구는 현재 폭발적인 수준입니다.