흡입 전달용 mRNA 전달 입자 플랫폼

개요

• mRNA 치료제는 생체적합성과 개발 단계에서의 경제적 이점으로 인해 차세대 치료제로써 주목받고 있다. 특히, COVID-19의 전세계적 유행 이후 호흡기 질병에 대한 mRNA 치료제 개발의 중요성이 강조되었다. 폐 특이적 약물 전달 효율을 높여 부작용을 줄이기 위한 폐 국소적 약물주입법 중 네뷸라이저를 활용한 흡입 전달법은 비침습적이고, 빠른 흡수가 가능하다는 장점이 있어 호흡기 치료제의 주요 전달법으로 활용되었다. mRNA 기반 흡입 전달 치료제는 감염성 질환뿐만 아니라 천식, 낭포성 섬유증, 특발성 폐섬유증 등 유전자 치료를 필요로 하는 다양한 난치성 질환에 적용될 수 있어, 흡입 전달 기반 mRNA 치료제의 개발이 필요하다.

  mRNA 치료제의 전달체로써 상용화된 이온화성 지질을 활용한 LNP는 정맥 주사 후 혈액 내에서 입자 표면의 폴리에틸렌글리콜과 혈청 단백질 간의 교체가 일어나 세포 내로 mRNA를 전달한다. 하지만, 지질나노입자는 흡입 전달하는 경우 에어로졸화 과정에서의 전단력에 의한 입자 구조 파괴, 폐상피세포와 공기의 계면에 존재하는 폐계면활성제에 대한 미미한 투과율, 그리고 낮은 혈청 단백질 환경에서 세포내 전달율이 현저히 떨어지는 등의 뚜렷한 한계점이 존재한다. 현재 임상적으로 사용되고 있는 흡입 전달용 mRNA 치료제는 전무하며, 따라서 기존mRNA 치료제 흡입전달의 한계점을 극복할 수 있는 mRNA 전달체에 대한 연구가 필요한 상황이다.

  본 연구진은 흡입 전달법을 활용한 mRNA 치료제에 사용될 수 있는 흡입 전달용 mRNA 전달 플랫폼을 개발하고 해당 입자 플랫폼을 폐 모방환경에서 최적화하여 흡입 전달 최적화 나노입자를 개발했다. 개발된 입자는 에어로졸화 과정의 전단력을 견디고, 생체 내에서 폐계면활성제를 투과하며, 낮은 혈청 단백질을 가지는 폐포액 환경에서 세포 내로 잘 전달되어 높은 mRNA 전달 및 단백질 발현 효과를 보였다.

특징

• • mRNA가 흡입 전달되기 위해서는 에어로졸화 과정에서 입자가 안정적이어야하며, 공기와 폐포액의 계면에 존재하는 폐계면활성제 층을 투과해야한다. 또한, 낮은 단백질 농도를 가지는 폐포액에서 폐세포 내로 전달되어야한다. 해당조건들을 충족하기 위해 개발된 mRNA-지질 나노 복합체 (iLPX)는 기존 mRNA전달용 지질 나노입자(Lipid nanoparticle, LNP)와 다르게 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene Glycol, PEG)이 없는 조성(PEG-free)으로 만들어졌으며, 이온화성지질을 활용했기 때문에 생리적 pH(7.4)에서는 중성이지만 낮은 pH(~6)에서는 양이온성을 띤다. 또한, mRNA가 입자 외부에 탑재됨으로써 지질 꼬리 구조가 질서있게 정돈되어 외부의 전단력에 안정적으로 버틸 수 있게 설계되었다.

  
  

  • 흡입 전달에 최적화된 iLPX를 선별하기 위해 흡입 전달 및 폐미세환경을 고려한 모방 환경과 마우스 폐에서의 단백질 발현을 토대로 한 다차원 선별과정을 거침으로써 흡입용 mRNA 전달체(Inhalation optimized-iLPX, 이하 IH-iLPX)를 완성했다.

  
  

  • IH-iLPX는 에어로졸 전후의 입자 물성이 유지되어 월등한 에어로졸화 안정성을 지녔다. 또한 PEG-free 조성과 이온화성을 토대로 공기와 폐 계면에 존재하는 폐계면활성제에 in situ (내재적) 캡슐화된 후, 호흡운동에 의해 폐세포 근처로 이동하는 “Squeeze-out” 메커니즘을 활용해 mRNA를 폐세포 내로 높은 효율로 전달할 수 있다 (그림 1).

  
  

  • IH-iLPX는 마우스에 흡입전달된 후, 기존 LNP 대비 26배 높은 단백질 발현을 유도한다. 흡입 전달된 IH-iLPX는 폐 특이적으로 단백질을 발현시키며, 폐포 상피세포와 기관지 상피세포로 mRNA를 효과적으로 전달할 수 있다. 또한, 혈액 생화학 분석과 조직 검사 결과 폐와 혈액 환경에서 독성이 없어 생체 안전성 측면에서 큰 의의를 갖는다.

  
  

    

      그림 1. IH-iLPX의 mRNA 흡입 전달 전략 모식도

기술 경쟁력 우수성

• • 에어로졸화 과정에서 입자 특성과 mRNA 전달 효율을 유지함.

  
  

  • 폐계면활성제 캡슐화 전략을 통해 높은 폐미세환경 투과율을 가짐.

  
  

  • 흡입 전달 후 폐에서 26배 이상 향상된 단백질 발현량을 보임.

  
  

  • PEG-free 조성을 가져 생체 적합성이 뛰어남