분자유전학실험실 (단국대학교 분자생물학과)



 이성욱 ( 2018-01-21 22:33:52 , Hit : 454
 JPM서 논란 ‘유전자가위 기술’ 올해의 마일스톤은?

http://m.biospectator.com/view/news_view.php?varAtcId=4808

입력 2018-01-19 14:24 수정 2018-01-19 17:13

바이오스펙테이터 이은아 기자

[JPM 2018]면역원성 논란에도 불구.."미국, 유럽, 올해 첫 크리스퍼 적용 임상 기대", "1세대 ZFN기술 이용한 in vivo 치료에 이어 크리스퍼 in vivo도 2019년엔 개시 가능성 있어".."유전자변형 전달효율, 특이성, 면역원성 해결이 핵심"

올해 1월초 미국 샌프란시스코에서 열린 JP모건 헬스케어 컨퍼런스에서 큰 관심을 끌었던 분야 중 하나는 '크리스퍼 유전자가위' 기술이다. 컨퍼런스 개막에 앞서 지난 5일 바이오아카이브(bioRxiv)에 발표된 한 논문에서 크리스퍼-Cas9이 체내에서 면역원성(immunogenicity)을 유발할 수 있다는 우려가 제기됐기 때문이다. 크리스퍼 기술 대표회사인 에디타스 메디슨(Editas Medicine), 인텔리아 테라퓨틱스(Intellia Therapeutics), 크리스퍼 테라퓨틱스(Crispr Therapeutics)는 주말을 보내고 장을 시작한 8일(월요일)에 총 5억 달러 이상의 시장 가치를 잃었지만, 이후 주가는 금방 반등하면서 회복세를 보였다.

◇ “크리스퍼 기술, 면역원성 유발 가능성 제기“.."기업들..문제 해결가능“

한 주 동안 크리스퍼 기술 대표기업들의 주가를 요동치게 한 연구는 어떤 내용이었을까? 매튜 포투스(Mathew Porteus)와 케네스 와인버그(Kenneth Weinberg)가 이끄는 스탠포드대 연구팀은 박테리아에서 추출한 Cas9 효소에 대한 면역반응에 주목했다. 22명의 소아와 12명의 건강한 성인에서 채취한 혈액을 분석한 결과, 황색포도상구균(Staphlococcus aureus)에서 추출한 Cas9은 79%가 항체를 만들며 면역원성을 보였고, 화농연쇄상구균(Stereptococcus pyogenes)에서 추출한 Cas9은 65%가 면역원성을 보였다. 또한, 13명의 성인 가운데 46%에서 황색포도상구균의 Cas9을 겨냥하는 T세포가 발견됐다.

스탠포드대 연구진은 이러한 면역반응이 유전자치료를 방해하고, Cas9을 타깃하는 T세포가 Cas9 발현 세포를 모두 사멸시키면서 안전성과 효능에 모두 영향을 미칠 수 있다고 보고 있다. 포투스 교수는 겸상적혈구 빈혈증(sickle-cell anaemia)에 관심을 갖고 있는데, 이는 환자의 혈액에서 조혈모세포를 채취해 크리스퍼-Cas9으로 유전자 교정을 한 후, 다시 환자에게 재주입하는 ex-vivo 유전자치료 방법이다. 그는 “이 경우는 Cas9에 대한 면역반응이 일어날 가능성이 낮을 수 있다. 그러나 다른 임상에서 크리스퍼-Cas9 기반 유전자치료로 독성 염증반응과 같은 심각한 질병이 발생할 수 있다”고 면역반응에 대해 주의할 것을 당부했다. 참고로 포투스 교수는 크리스퍼 테라퓨틱스의 과학기술 창립자(Scientific founder)이다.

그렇다면 크리스퍼 기술을 이용한 유전자치료는 사람에서 사용될 수 없는 것일까? 면역원성은 분명 해결해야할 중요한 문제 중 하나임에 틀림없지만 그렇지는 않을 것이라는 의견이 일반적이다. 포투스 교수도 언급했듯이 ex-vivo 치료법에서 Cas9에 대한 면역반응은 크게 영향을 받지 않을 것이다. 크리스퍼-Cas9으로 유전자 교정을 마친 후, 다시 환자에게 교정한 세포를 주입하기 전에 Cas9은 이미 사라져있기 때문이다.

이에 대해 유전자가위 기술 분야 권위자인 김진수 기초과학연구원 유전체교정연구단장은 “눈, 관절과 같은 면역 특권이 있는 기관은 in vivo도 문제없을 것이다”면서 “Cas9가 유래되는 미생물 종류에 따라 면역원성이 다르기 때문에 면역원성을 일으키지 않는 종류를 찾거나, 면역원성을 일으키는 펩타이드 시퀀스를 규명해 대체하는 방법으로 문제를 해결할 수 있다”고 말했다.

주말동안 불거진 이같은 논란으로 JP모건 행사장에서 열린 유전자치료 패널토론의 분위기는 뜨거웠다. 1세대 유전자가위 기술인 징크핑거뉴클레아제(ZFN, Zinc finger nuclease) 기술을 보유한 라이벌 기업인 상가모 테라퓨틱스(Sangamo Therapeutics)의 Sandy Macrae 대표는 “That's why we use human tools to edit humans"라고 말하며 긴장감을 더욱 고조시켰다.

반면 크리스퍼 기술 대표기업들은 큰 문제가 되지 않는다는 반응이다. 크리스퍼 테라퓨틱스는 면역계 문제를 일으킬 효소 시스템을 개선하면서 문제를 해결하고 있다는 입장이다. 카트린 보슬리(Katrine Bosley) 에디타스 메디슨 대표는 “우리는 면역원성에 대해 많은 노력을 기울여 왔으며, 이것이 크리스퍼 기반 치료법을 개발하는데 있어 중요한 문제로 보지 않는다”고 단언했다.

36회 JP모건 헬스케어 컨퍼런스에서 발표한 유전자가위 기술 전문기업은 3세대 크리스퍼 기술 대표 에디타스 메디슨과 1세대 ZFN 기술을 이용해 세계 최초로 환자 체내에 직접 주입하는 in vivo 유전자치료를 시도한 상가모 테라퓨틱스다. 두 회사의 발표를 통해, 유전자가위 기술이 임상에 적용하기 위해 어디까지 발전했는지, 유전자가위 기술을 이용한 임상시험 현황은 어떤지 살펴봤다.

◇ 에디타스 메디슨, “in vivo로 2018년 중반 선천성 안과질환 대상 임상시험 신청 목표”

에디타스 메디슨은 장펑 MIT 교수와 브로드연구소에 의해 크리스퍼 유전자가위 기술을 기반 치료법 개발을 위해 2013년 설립된 회사다. 이후 빌 게이츠가 설립한 비엔고(bngo)와 구글벤처스로부터 1억2000만 달러를 투자받으며 화제가 됐었다.

카트린 보슬리(Katrine Bosley) 에디타스 메디슨 대표는 지난 10일 발표에서 “우리는 크리스퍼 기술을 이용해 눈에서 성공적으로 유전자교정을 수행하는 첫번째 그룹이 될 것이다. 올해 중반 FDA에 유전성 안과질환 치료를 위한 ‘EDIT-101'의 IND 신청을 제출할 예정이다. 또한 2022년까지 초기임상 단계 3건, 후기임상 단계 2건, 플랫폼 기술 1건을 구축, 진행할 것이다”며 향후 5개년 계획을 발표했다.

EDIT-101는 매우 드물게 나타나는 선천성 망막질환인 레베르선천성흑내장(Leber's congenital amaurosis, LCA) 치료를 목표로 한다. LCA는 출생 1년 이내 광수용체 세포가 점차 소실되면서 궁극적으로 실명까지 이어지는데, 현재 CEP20, RPE65, RPGRIP1 등 10가지 유전자의 돌연변이에 의해 발병된다고 알려져 있다. 그중 LCA의 20~30%에 해당하는 LCA type10(LCA10)은 CEP290 유전자 돌연변이에 의해 유발되며 현재 치료옵션이 없는 상황이다.

EDIT-101은 망막 내 주사를 통해 크리스퍼 기술로 CEP290 유전자 돌연변이를 교정함으로써 정상적인 CEP290 단백질을 발현시키고, 소실됐던 광수용체의 outer segment를 다시 회복시켜 LCA10 환자의 시력저하를 막는 접근법이다.

보슬리 대표는 크리스퍼 유전자가위 기술에 있어 항상 뒤따라오는 의문인 'Specificity, Delivery, Immunogenicity'도 해결하기 위해 노력하고 있다고 강조했다. 선도 파이프라인 ‘EDIT-101'이 임상단계로 진입하기 위해 필요한 과학적 근거도 제시했다.



▲(왼) 크리스퍼 기술을 이용해 LCA환자 세포에서 CEP290 정상 mRNA, 단백질이 발현된다. (오) 영장류 동물모델에서 AAV5벡터를 이용한 delivery 효율 (출처: 2018 JP모건 컨퍼런스 발표자료)


먼저, LCA10 환자 세포에서 정확하게 교정된 CEP290 단백질이 실제로 발현한다는 것이다. 보슬리 대표는 “우리는 크리스퍼 기술로 정확하게 교정된 full-length CEP290 유전자와 단백질이 발현되는 것을 확인했다”면서 “사람과 해부학적으로 유사한 영장류 동물모델에서 높은 전달(delivery) 효율로 정확하게 광수용체에서만 유전자교정이 일어나는 것을 관찰했다”고 말했다. AAV5 벡터와 광수용체에만 발현시키는 GRK1 프로모터를 이용해 실제 유전자교정 효율이 13주차에 50%까지 도달한다는 설명이다. 치료효과가 나타날 것으로 보이는 수준은 6주차부터 나타나기 시작했다.

사람의 망막세포에서도 비슷한 효과를 보이는 것을 확인했다. human retinal explant photoreceptors 실험을 통해, AAV5 벡터가 사람의 광수용체 세포도 특이적으로 겨냥함으로써 EDIT-101이 치료가능 수준을 도달할 수 있다고 분석했다.

또한, computational prediction, 생화학, 세포적 접근법 등 다양한 방법을 통해 분석한 결과, 세포와 조직에서 EDIT-101의 'off-target' 문제도 관찰되지 않았다고 강조했다. EDIT-101이 임상에서 사용되기 위한 정확도와 특이성(specificity)을 가진다는 것을 엿본 셈이다.

이런 결과를 바탕으로 에디타스는 크리스퍼 기술을 이용해 선천성 망막질환 LCA 대상으로 임상시험을 준비하고 있으며, 올해 중반께 임상시험 신청서를 제출할 예정이다. FDA로부터 임상승인을 받게 되면 in vivo로 크리스퍼 기술을 이용한 첫 번째 임상시험이 되는 셈이다. 에디타스는 LCA 외에도 안과질환인 어셔 신드롬 타입2, ocular HSV에 의한 실명 등을 치료하기 위해 노력하고 있다.



▲에디타스 메디신과 주노테라퓨틱스는 크리스퍼 기술을 이용해 차세대 T세포를 개발하고 있다. (출처: 2018 JP모건 컨퍼런스 발표자료)


이날 에디타스는 주노테라퓨틱스(Juno therapeutics)와 손잡고 개발 중인 T세포 치료제 데이터도 처음 공개했다. 내부 항원을 타깃하기 위해 크리스퍼 기술을 이용해 T세포 수용체(TCR)를 없앤 TCR KO(Knockout) 세포를 제작함으로써 항바이러스 면역에 핵심적인 역할을 하는 인터페론 감마(CD4 IFNγ, CD8 IFNγ)가 증가한 것을 확인한 것이다. 에디타스가 차세대 T세포 치료제 개발을 기대하고 있는 이유다. 에디타스는 TCR KO 세포를 통해 HPV 관련 고형암을 먼저 겨냥해 5년 이내 임상시험을 진행할 계획이다.

◇ 상가모, “유전자가위 기술 최초로 첫 in vivo 치료 시행“..“유전자 변형 4개 동시 성공효율도 73%“

지난해 11월 1세대 유전자가위 징크핑거뉴클레아제(Zinc finger nuclease, ZFN) 기술을 이용해 최초로 사람의 체내에서 in vivo 유전자치료를 시도한 상가모 테라퓨틱스(Sangamo Therapeutics)의 발표도 10일 오후에 있었다. 상가모는 ZFN(Zinc finger nuclease) 기술의 지적재산권을 거의 독점하고 있는 회사다.

ZFN 기술은 아연(Zn2+) 이온에 의해 구조적으로 안정화된 징크핑거 단백질 도메인과 핵산 분해효소(nuclease)가 결합한 형태다. 이름에서 엿볼 수 있듯 손가락과 유사한 구조를 이용해 특정 유전자에 결합하면 Fok1 제한효소를 이용해 원하는 부분을 자를 수 있다. 다만, 2세대 탈렌, 3세대 크리스퍼 기술에 비해 제작하기 어렵다고 알려져 있다.

Sandy Macrae 상가모 대표는 “우리는 유전자가위 기술을 이용해 사람에서 처음으로 ex-vivo와 in-vivo 임상시험을 모두 진행하고 있는 유일한 회사다”면서 “새롭게 발전한 우리의 ZFN 기술은 Precision, Efficiency, Specificity를 모두 만족한다”고 자신했다. 어떤 유전자 서열이든 표적할 수 있도록 디자인 옵션을 300배가량 향상시켰고, 99.5%의 유전자 교정 효율을 가지며, off-target 문제도 1000배 이상 감소하면서 거의 발견되지 않았다는 설명이다.

현재 상가모는 혈우병A(HemophiliaA), 혈우병B(HemophiliaB), 리소좀 축적 질환(Lysosomal Storage Disorders)인 MPSI(mucopolysaccharidosis type I), MPSII에 대한 안전성과 유효성을 평가하는 임상1/2상 시험을 진행 중이다. 혈우병A 치료를 위한 ‘SB-525' 개발은 지난해 5월 화이자와 글로벌 협력을 체결해 임상1/2상을 진행중이고 현재 3명의 환자를 treat한 상태다. 또한 지난해 FDA로부터 베타 지중해빈혈(beta-thalassemia) 유전성 혈액질환에 대한 임상시험 신청도 승인받은 상태다.

지난해 가장 의미 있었던 성과는 세계 최초로 사람의 혈액에 유전자가위 도구를 주입한 것이다. 헌터증후군(Hunter syndrome)이라 불리는 2형 점액다당류증(MPSII) 질환을 앓던 44살의 브라이언 마두(Brian Madeux)가 지난해 11월 in vivo 유전자교정(genome editing)을 받은 첫번째 환자다.


▲상가모 테라퓨틱스의 희귀 대사장애 질환 치료를 위한 in vivo 유전자교정 방법 (출처: 2018 JP모건 컨퍼런스 발표자료)

MPSII은 당 분해에 필요한 iduronate-2-sulfatase(IDS) 효소에 돌연변이가 일어나 결핍됨에 따라 온 몸의 세포 내부에 독성 탄수화물이 축적되면서 발달지체, 장기부전, 뇌손상, 조기사망 등을 초래하는 희귀한 대사질환이다. 표준치료법이라 할 수 있는 효소 대체요법제(enzyme replacement therapy, ERT)를 투여받지만 IDS 수치가 혈액 내에서 검출이 불가능할 수준으로 빠르게 감소하는데다, 정기적 투여로 건강이 개선된 환자라고 하더라도 심장, 뼈, 폐 등에 진행성 손상이 지속돼는 한계가 있다. 심지어 상당수의 헌터증후군 환자가 기도폐쇄나 심부전으로 인해 20세 전에 사망에 이르는 것이 현실이다.

상가모는 이를 치료하기 위해 ‘SB-913'를 1회 정맥 내 투여했다. SB-913은 ZFN 단백질 2개와 교정 유전자를 AAV벡터를 통해 투여해 간세포의 DNA에 있는 알부민 프로모터 근처의 특정 부분을 자르고 새 유전자를 삽입하는 치료제다. ZFN가 투여되면 치료효과를 나타내는 IDS 유전자를 영구적이고 정확하게 DNA와 통합시킬 수 있다는 점이 기존의 AAV cDNA 유전자 치료법이나 유전자를 무작위로 유전체 내부에 삽입하는 렌티바이러스 또는 레트로바이러스 기반 유전자치료법과 차별화된 부분이다.

Macrae 대표는 “현재 MPSI와 MPSII 치료를 위한 ‘SB-318', 'SB-913'의 임상1/2상 시험을 사이트 14군데에 등록해 MPSII 환자를 시작으로 진행하고 있다. 빠르면 올해 1분기 내 preliminary data를 얻을 수 있게 된다. 혈우병B 치료를 위한 ’SB-FIX' 임상1/2상 시험도 착수했다”고 말했다. SB-318, SB-913, SB-FIX는 모두 체내 투여하는 in vivo 방식이다.

상가모는 ZFN 유전자가위 기술을 이용해 ex-vivo 방식으로 임상시험도 최초로 시작했다. 현재 T세포와 HSC세포를 변형해 HIV치료를 위해 각각 임상2상, 임상1/2상 진행 중이다. 베타 지중해빈혈(beta-thalassemia)를 위한 임상은 올해 초 개시할 예정이다.

Macrae 대표는 상가모의 높은 유전자교정 효율도 자랑했다. 그는 “T세포에 HLA와 TCR를 동시에 제거하고(knock-out) 원하는 CAR 유전자를 삽입하는 3가지 유전자변형을 모두 성공하기 위해서는 높은 효율이 중요하다. 보통 효율이 50%라 가정한다면 세가지 유전자가 모두 변형된 원하는 T세포를 얻을 확률은 13% 밖에 안된다”고 설명했다.


▲상가모 테라퓨틱스 ZFN 기술의 유전자교정 효율 (출처: 2018 JP모건 컨퍼런스 발표자료)

그는 이어 “우리는 효율을 90% 수준으로 맞췄다. T세포에서 HLA와 TCR을 동시에 제거하는 효율은 93%정도였고, off-target도 없었다”면서 “이것은 처음으로 공개하는 데이터인데, TCR, β2M(HLAI), CISH 유전자를 제거하고 원하는 유전자 하나를 삽입하는 등 4가지 변형이 모두 성공하는 경우도 76%의 높은 효율을 보였다. 이렇게 할 수 있는 곳은 어디에도 없다”며 기술의 우수성을 강조했다.

그밖에도 상가모는 유전자의 발현을 조절할수 있는 ZFP-TF 플랫폼 기술을 이용해 CNS 치료로도 범위를 확장하고 있다. 상가모는 현재 샤이어와 헌팅턴병 치료 개발을, 화이자와 함께 C90RF72 유전자 변이와 관련된 ALS, FTLD 등의 질환을, 자체적으로 타우 병증(tauopathies)에 대한 연구도 하고 있다.

◇ 미국ㆍ유럽, 올해 크리스퍼 적용한 첫 번째 임상시험 나올 예정

유전자가위 기술을 적용한 임상시험은 이미 시작됐다. 1세대 ZFN 유전자가위 기술을 이용해 상가모 테라퓨틱스가 처음 시도한 것이다. 상가모는 현재 규제당국으로부터 승인받아 계획 또는 진행 중인 임상시험만 5건이다. 그 중에는 환자에게 직접 유전자가위 도구를 투여하는 in vivo 방식도 포함된다.

그렇다면 3세대 크리스퍼 기술을 적용한 임상시험 현황은 어떨까? 지난 2016년 중국에서 처음 임상시험이 개시됐다. 암세포 공격능력을 향상시키기 위해 크리스퍼 기술을 통해 PD-1 유전자를 제거한 T세포를 폐암 환자에게 투여한 것이다. 지난해 10월 게재된 사이언스 논문에 따르면 현재 중국은 폐암, 자궁경부암, 전립선암, 방광암, 백혈병, 에이즈 등의 질환에 대해 임상시험을 승인받아 환자 모집단계 및 계획 중에 있다.

미국과 유럽에서도 올해 처음으로 크리스퍼 적용 임상시험 사례가 나올 전망이다. 2016년 6월 미국 NIH 자문위원회는 펜실베이니아 대학 연구진에게 크리스퍼를 적용한 T세포 관련 임상시험을 승인했었다. 그 연구가 올해 시작될 것으로 보인다. 연구진은 항암 효과를 높이기 위해 크리스퍼 기술로 PD-1과 또 다른 유전자를 제거한 T세포를 제작했다. 향후 다발성 골수종, 육종, 흑색종 환자 18명을 모집할 계획이다. 임상시험 개시 예정일은 공개되지 않았지만 미국 내 크리스퍼 기술을 이용한 첫 번째 ex-vivo 유전자치료 임상시험이 될 것이다.

유럽에서는 크리스퍼 테라퓨틱스가 그 첫 번째 주인공이 될 예정이다. 지난해 12월 크리스퍼 테라퓨틱스는 EMA에 혈액세포에서 크리스퍼 기술로 유전적 변형을 함으로써 혈액질환인 베타지중해혈증 치료를 위한 IND 신청을 제출한 상태다. 이 역시 ex-vivo 방식이다.

환자에게 직접 투여하는 in vivo 방식으로는 에디타스 메디슨이 올해 중반 FDA에 유전성 안과질환 치료를 위한 임상시험 승인을 신청할 계획이다. 이처럼 유전자가위 기술은 어느새 우리 곁에 성큼 다가와 있다.


이은아 기자euna.lee@bios.co.kr        

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