1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

혈액암을 타겟하여 치료할 수 있도록 하는 면역 치료 중에 CAR-T 치료제가 전세계에서 각광받고 있습니다. FDA에 승인을 받은 6종류의 CAR-T 치료제는 모두 CAR를 발현할 수 있는 유전자를 바이러스를 통해서 세포 내로 전달하게 됩니다. 바이러스는 유용한 전달 도구임에 분명하지만, 제조와 관리 과정에서 많은 비용이 들고 감염 및 면역 반응에 대한 안정성 측면의 한계점이 있습니다. 최근에는, 겸상 적혈구 치료를 위한 첫 크리스퍼 기반의 세포 치료제 CASGEVY®가 FDA 승인을 받으며 세포 치료제의 새로운 지평을 열었습니다. 이 치료제는 세포에 전기충격을 주어 일시적으로 세포막을 열어 크리스퍼를 전달하는 전기 천공 방식을 이용하고 있다고 알려져 있습니다. 전기천공법은 바이러스가 가지고 있던 문제점들을 많이 극복했지만, 세포의 종류에 따라 충분하지 않은 효율을 보여줍니다. 또한 낮은 세포 생존률과 유전자 발현량 변화와 같은 문제점들이 있어서, 다양한 세포 치료제의 등장과 증가하는 관심만큼이나 새로운 전달 방식이 필요한 시점입니다.

그동안 미세유체를 통한 기계 천공 방식이 기존의 방식들을 대체할 수 있을 것이라는 기대가 있었습니다. 이 기계 천공 방식은 세포를 직접적으로 찌그러트리거나 유체 흐름에 부딪치게 하여 세포막을 일시적으로 열어 물질을 전달하는 방식으로, 비용이 적게 들 뿐만 아니라 전기를 사용하는 방식보다 유전자 발현에 영향을 적게 미쳐서 안정적이라는 보고가 있었습니다. 그럼에도 불구하고, 이 미세유체 방식이 기존의 방식을 대체할 수 없었던 결정적인 이유는 기존의 방식들에 비해 전달 효율이 부족했기 때문입니다. 특히 크리스퍼 유전자 편집기는 그 분자적 구조성이 복잡하고 크기 자체가 크기 때문에 세포 내로 전달하는 것이 어려운데, 전달 효율이 낮을 경우 유전자 편집이 잘 이루어지지 않아 이를 통해 치료제를 개발했을 때 실질적인 치료 효과를 볼 수 없습니다.

제가 연구한 액적천공기는 높은 전달 효율을 바탕으로 위와 같은 문제점을 타계하여 높은 유전자 편집이 가능하도록 하여 기존의 전달 플랫폼들의 대체제로서 사용될 가능성을 보였습니다. 액적천공기는 미세유체 바이오칩을 이용하여 미세 액적 안에 세포와 크리스퍼와 같은 전달 물질을 공동 캡슐화시킨 다음 병목을 빠르게 지나게 하는 방식을 사용합니다. 병목을 지난 세포는 일시적으로 세포막이 열리게 될 뿐만 아니라, 병목 통과 이후에 액적 내부에서 발생하는 이차 유동에 의해 높은 효율로 세포 내로의 전달이 일어나게 됩니다. 액적을 사용하면 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 고가의 전달 물질과 세포를 최소한으로 사용할 수 있기 때문에 전체적인 처리 비용을 아낄 수 있는 장점도 있습니다. 이렇게 연구한 액적 천공기는 최적화된 조건에서 크리스퍼 캐스9 유전자 가위를 기존의 전기 천공 방식보다 더 높은 효율로 전달할 수 있음을 보였습니다. 전달 자체에서 그치지 않고 단일 녹아웃(유전자 결실)에서 6.5배, 이중 녹아웃에서 3.8배, 녹인 (유전자 삽입)에서 3.8배로 전기 천공 방식보다 본 액적 천공기를 통한 유전자 편집 효율이 높음을 확인하였습니다. 이와 같은 결과를 통해, 액적천공기를 이용하면 고효율 저비용의 크리스퍼 기반 치료제를 제작할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 방식들을 대체할 수 있을 것이라 기대하고 있습니다. 이 내용은 국제적인 네이쳐의 자매지인 네이쳐 커뮤니케이션스 (impact factor =14.7)에 보고되었고 최근 출판되었습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저는 고려대학교 바이오의공학과 바이오미세유체 연구실에서 정아람 교수님의 지도하에 연구를 진행하였습니다. 교수님께서는 연구 내용을 바탕으로 MxT biotech 을 창업하여 경영하고 계시지만, 그럼에도 불구하고 항상 연구실에도 애정과 관심을 갖고 지도해주셨습니다. 전통적인 생명과학도, 기계공학도 아닌 두 분야가 융합한 연구실이기 때문에 두 가지의 방향성에 대해서 동시에 배울 수 있고, 상업화를 진행중이신 교수님의 넓은 시야 덕분에 연구를 위한 연구 이상의 세상에 정말 필요한 연구를 진행할 수 있는 것 같습니다. 교수님께서는 열심히 하는 학생들에 대해 언제나 지지와 지원을 아끼지 않으시고, 연구 자체 뿐만 아니라 학회 참석이나 네트워킹의 중요성도 강조하시면서 다양한 경험을 할 수 있게 도와주시고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

유전자 편집기 플랫폼을 개발하기 위해서는 아이디어뿐만 아니라 다양한 기술의 체득과 전문적인 수행 능력이 필요한 상황이었습니다. 이 연구는 이차원 스케치 소프트웨어로 직접 채널을 디자인하고, 반도체 공정을 익혀 노광공정을 통해 디자인한 패턴을 적절한 높이의 채널로 제작하는 것에서 시작합니다. 세포 배양에 대한 전문적인 지식을 바탕으로 일차 세포와 세포주를 다루고, 이 세포들에 높은 효율뿐만 아니라 높은 생존률을 보이는 조건을 찾기 위해 다양한 병목의 디자인과 유속 조건을 시험해야 합니다. 이후 전달 결과의 해석을 위해 유세포 분석이나 형광 이미지 분석뿐만 아니라 세포의 유전자를 추출하여 유전학적 지식을 바탕으로 겔 이미지 전기영동 분석이나 차세대 염기서열 분석을 진행할 수 있어야 합니다. 다양한 기술과 능력이 필요한 만큼 다양한 곳에서 문제가 발생할 여지가 있고, 그를 해결해야하는 필요성이 있었습니다. 이런 문제가 발생할 때 마다 해당 분야에 대해서 더 깊이 연구하고 해결해 나가는 경험이 가장 큰 보람이라고 생각합니다. 그리고 한 가지의 연구가 나오기까지 얼마나 많은 능력이 필요한지 느낀 것 같습니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

저는 석사 과정으로 입학했다가, 연구 분야와 연구실 그리고 교수님이 잘 맞는다고 느껴, 자의로 석박 통합 과정으로 전환한 케이스 입니다. 처음 제가 학부 인턴으로 컨텍하여 교수님께 찾아왔을 때는 홈페이지 정도를 보고 관련 분야에 대한 논문 한편을 제대로 읽어보지도 못했던 것 같습니다. 하지만 제가 조금씩 발전하는 모습에 지지와 응원을 보내주신 교수님과 선배님들 덕분에 대학원 생활을 단순히 버틴다는 것 이상으로 애정을 갖게 된 것 같습니다. 연구 자체에도, 문제가 발생하는것을 절망하거나 안된다고 단정 짓기 보다는, 끊임 없이 “왜?” 라고 질문하고 또 해결해 나가는 것에 대해서 즐거움이 있었기 때문에 연구의 길을 계속 가기로 마음을 먹었습니다. 열심히 한 만큼 석사 첫학기에 처음으로 국제학회 구두 발표를 할 수 있는 기회가 있었고, 학회에서 수상을 한다던가, 매년 각국을 돌아다니며 연구 내용을 소개하고, 좋은 저널에 논문을 개제할 수 있었던 것 같습니다.

좋은 기회가 많이 있는 것은 사실이지만, 대학원은 워라벨을 기대하거나, 해외 학회를 빌미로 놀러간다거나, 돈을 많이 벌기 위해서 오는 곳은 아니라고 모두들 잘 알고 계실 것 같습니다. 제가 해드리고 싶은 말은, 대학원은 워크와 라이프를 분리해서 볼 수 없는 만큼 라이프 자체가 워크가 될 수 있는 각오가 있는 분들께 적합할 것 같습니다. 그런 각오만 있다면, 성장할 수 있는 기회가 무궁무진 한 것은 분명합니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

현재에는 액적천공기를 이용하여 더욱 전달이 어려운 차세대 유전자 편집기의 전달과 인간 일차 면역세포를 이용한 세포 치료제 개발에 집중하여 연구를 진행하고 있습니다. 질병과 관련된 인간 유전변이의 58퍼센트는 유전자의 점변이에 의해서 발생한다고 알려져 있습니다. 유전자 점변이의 경우 기존의 크리스퍼 보다는 차세대 유전자 편집기 중 하나인 염기 편집기를 사용하여 고칠 수 있습니다. 이 엄청난 잠재력을 가진 염기 편집기는 구조의 복잡성으로 인해 세포 내로 전달하는 것에 어려움을 겪고 있는데, 전달 효율 및 편집 효율이 우수한 액적천공기 플랫폼을 통하면 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

현재 상용화된 CAR-T 치료제는 가격 문제 뿐만 아니라 불필요한 면역 반응을 막기 위해 환자 자신의 T 세포를 이용해야 하는 불편함을 가지고 있습니다. 환자의 T 세포가 충분하지 않거나 이미 문제를 가지고 있는 경우에는 치료를 시도조차 할 수 없고, 개인화된 치료제 제작은 시간과 비용에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다. T 세포의 유래를 인식하는 표면 단백질 발현 유전자(TRAC)를 제거하면 이 문제를 해결할 수 있는데, 이는 크리스퍼 유전자 편집기를 통한 해당 유전자 결실로 이루어낼 수 있습니다. 액적 천공기를 이용하면 T세포가 형질변환이 어려운 세포 종류임에도 불구하고 기존의 전기천공 방식보다 우수한 TRAC 유전자 결실 효율을 확인할 수 있어서, 액적천공기를 기반으로 제작된 T 세포 기반 세포치료제들의 효능을 평가하여 우수성을 입증하고자 합니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

논문 이상의 이야기들을 할 수 있게 자리 마련해준 한빛사에 감사드립니다. 무엇보다, 지도해주신 정아람 교수님과, 항상 많이 도와주는 연구실 선후배, 친구들에게 진심으로 감사드리고, 앞으로도 다양한 협업을 통해서 좋은 연구를 진행할 수 있도록 하겠습니다.