가톨릭중앙의료원은 기초의학사업추진단 합성생물학사업단장 구희범 교수(가톨릭의대 의생명과학교실) 연구팀이 mRNA 백신과 유전자 치료제 핵심 전달체인 지질나노입자(Lipid Nanoparticle) 크기가 세포 내 전달 효율과 유전자 발현에 미치는 영향을 과학적으로 규명했다고 밝혔다.

이번 연구에는 가톨릭의대 의생명과학교실 김부건 박사와 박철희 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

mRNA는 체내에서 쉽게 파괴되는 특성이 있어 이를 안전하게 보호해 세포 내부로 전달하는 ‘전달체’ 기술이 필수적이다. 그중 LNP는 가장 대표적인 전달체로 꼽힌다.

기존 연구들이 주로 LNP ‘구성 성분’에 초점을 맞췄다면 이번 연구는 성분이 동일해도 ‘입자 크기’ 자체가 전달 효율을 좌우하는 핵심 요소임을 실험적으로 입증했다는 점에서 의의가 크다.

연구팀은 미세유체(microfluidic) 기술을 활용해 동일한 지질 성분과 mRNA를 사용하면서도 입자의 크기만을 나노미터 단위로 정밀하게 제어했다.

실험 결과, 일반적으로 입자가 작을수록 세포막 통과에 필요한 에너지가 줄어들어 세포 내 유입이 용이하고 단백질 생성량도 증가하는 것으로 확인됐다. 세포가 받아들이기에는 ‘작은 택배 상자’가 더 유리하다는 것이다.

그러나 연구팀은 ‘무조건 작은 것이 정답은 아니다’라는 사실도 함께 밝혀냈다. 지나치게 작은 LNP는 생체 환경에서 구조적 불안정성을 보였으며, 입자 표면을 보호하는 PEG(폴리에틸렌글리콜) 성분이 탈락하며 오히려 전달 효율이 감소하는 현상이 관찰됐다.

이는 mRNA 치료제 개발 시 효능을 극대화할 수 있는 ‘최적 크기(Optimal Size)’를 찾는 것이 필수적임을 시사한다.

아울러 연구팀은 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 도입해 LNP 생성 원리도 분석했다. 분석 결과 LNP 크기는 복잡한 난류(turbulence)가 아닌 분자 간 확산(diffusion) 속도에 의해 결정될 수 있음이 확인됐다.

향후 복잡한 장비 없이도 단순한 시스템을 통해 LNP 크기를 정밀 제어할 수 있는 가능성을 열어준 것으로, 대량 생산 공정 표준화에 기여할 것으로 기대된다.

구희범 교수는 “이번 연구는 mRNA 전달체의 성능을 결정짓는 핵심 요소로 ‘입자 크기’ 중요성을 직관적으로 보여준 결과”라며 “향후 다양한 질환을 표적으로 하는 차세대 mRNA 백신 및 유전자 치료제 설계에 안전성과 효율을 높이는 실질적인 가이드라인이 될 것”이라고 강조했다.

한편, 이번 연구는 가톨릭중앙의료원 기초의학사업추진단, 중견연구사업, 유전자편집·제어·복원기반기술개발사업 등의 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 나노바이오 분야 권위있는 국제학술지 ‘Journal of Nanobiotechnology(IF 12.6)’에 게재됐다.