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

지질나노입자(Lipid Nanoparticles, LNPs)는 RNA 기반 백신 및 치료제를 체내에 안정적으로 전달할 수 있는 효과적인 전달 매개체로, 특히 COVID-19 팬데믹 당시 지질나노입자를 활용한 mRNA 백신이 FDA 승인을 받고 성공적으로 상용화되면서 큰 주목을 받았습니다. RNA 의약품은 신속하게 대량 생산할 수 있고 체내 DNA에 영향을 미치지 않아 안전성 면에서 매우 큰 강점을 지닙니다. 그러나 RNA 자체는 매우 불안정하고 세포 내 전달 효율이 낮다는 단점이 있어, 2018년에 이르러서야 지질나노입자를 이용한 첫 siRNA 기반 신약이 FDA 승인을 받고 사용되기 시작했습니다. 지질나노입자는 기본적으로 이온화 지질, 인지질, 콜레스테롤, 폴리에틸렌글리콜(PEG) 결합 지질의 네 가지 성분으로 구성됩니다. 이온화 지질은 RNA 봉입 및 전달 효율에 핵심적인 역할을 하며, 인지질과 콜레스테롤은 입자의 구조적 안정성을 유지하고 세포막과의 융합을 촉진합니다. PEG 결합 지질은 입자의 콜로이드 안정성을 높이고 약물의 체내 순환 시간을 연장시킵니다. 하지만 기존 지질나노입자는 간을 비롯한 여러 장기에 비특이적으로 전달되거나 외인성 이온화 지질로 인한 독성 문제가 발생할 수 있어, 이를 개선하기 위한 신규 지질나노입자 개발 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다. 이에 더해, 한국의 질병관리청은 다음 팬데믹에 대비해 mRNA 백신 플랫폼을 확보하고자 비임상부터 임상 3상까지의 연구개발을 지원할 계획을 밝혔으며, 국내 기업들도 이를 위해 적극적으로 기술 확보에 나서고 있습니다.

저희 연구팀은 mRNA 백신의 효능을 유지하면서 독성을 최소화한 새로운 지질나노입자 개발에 집중해왔습니다. 최근 연구에서는 독성 유발 가능성이 있는 이온화 지질 일부를 트레할로즈 당지질로 대체한 새로운 지질나노입자를 개발했습니다. 이 지질나노입자는 FDA 승인된 지질나노입자와 비교하여, 쥐 모델에서 인플루엔자 mRNA 백신의 전달 효율은 유지하면서도 고농도의 백신 주사 후에도 심장 및 간 독성 지표에 변화가 없음을 입증해 독성 저감 효과를 확인했습니다. 해당 연구의 성과는 2024년 Bioactive Materials 학술지에 실리며 그 학문적 가치를 인정받았습니다.

더 나아가, 연구팀은 mRNA 기반 COVID-19 백신 mRNA1273(Moderna)의 SM-102 이온화 지질을 대체할 국산 기술 개발에 착수했습니다. 기존 특허를 피하면서도 새로운 구조를 창출하기 위해, 비타민 B5를 중심 구조로 사용해 이온화 머리와 소수성 꼬리를 연결한 이온화 지질을 설계했습니다. 비타민 B5는 천연 물질로 독성이 거의 없으며, 반응 가능한 작용기를 3개 보유하고 있어 이온화 머리와 소수성 꼬리의 도입이 용이합니다. 또한, 면역 증강 효과가 이미 입증되어 백신 전달체로서 매우 적합하므로 중심 구조로 선정되었습니다. 연구팀은 비타민 B5 기반의 새로운 이온화 지질 후보군들을 합성해 이들을 포함한 지질나노입자의 구조적, 기능적, 물리화학적 특성을 평가했습니다. 평가 결과를 바탕으로 최종 선정된 트레할로즈 당지질 및 새로운 비타민 B5 기반 이온화 지질을 포함한 지질나노입자는 비장과 림프절 같은 면역 관련 기관에 특이적으로 축적되었으며, 주요 장기에 독성을 유발하지 않는 것으로 나타났습니다. 또한, 양성대조군인 SM-102 기반 지질나노입자보다 높은 mRNA 전달 효율과 mRNA 기반 인플루엔자 백신 및 암 백신의 효과 개선을 쥐 모델에서 증명했습니다. 이는 면역 기관에 특이적으로 mRNA 백신을 전달해 면역 효율을 향상시키면서 부작용을 감소시키는 K-mRNA 백신 개발의 의미 있는 진전에 기여한 것으로 생각됩니다. 더불어, 본 연구에서 개발된 지질나노입자는 동결건조 후 냉장 보관 시 1개월 이상 안정성을 유지하여, 백신의 콜드 체인 문제 해결 가능성을 시사하였습니다. 연구 과정에서 팀원 간의 긴밀한 협력이 필수적이었으며, 예상치 못한 문제들이 발생할 때마다 해결책을 모색하며 연구를 한 단계씩 진전시킬 수 있었습니다. 연구팀은 앞으로도 독성이 낮고 특정 장기로의 전달이 가능한 지질나노입자 라이브러리를 구축하여, 차세대 RNA 기반 백신 및 치료제 개발을 지속적으로 추진할 계획입니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저희 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구본부의 뇌융합기술연구센터에 소속되어 있습니다. KIST는 우리나라 최초의 정부출연 연구소이자 종합연구소로, 뇌과학연구본부는 뇌의 구조와 기능에 대한 이해를 심화하고 이를 기반으로 다양한 뇌질환의 병인 규명, 질환 단계별 진단, 및 새로운 치료제 개발을 통해 뇌질환을 극복하고자 여러 팀이 협력하여 연구를 수행하고 있습니다. 그 중에서도 저희 연구팀이 속한 뇌융합기술연구센터는 이러한 연구에 활용할 수 있는 다양한 기반 기술을 개발하고 있으며, 본 연구팀은 핵산 기반 의약품의 전달 시스템 개발에 주력하여 다양한 연구 분야에의 적용을 모색하고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

KIST에서 연구 활동을 하며 국내 기술을 기반으로 RNA 백신 및 치료제 개발에 기여하고 있다는 점에서 큰 자부심과 보람을 느껴왔습니다. RNA 기반 기술은 팬데믹과 같은 글로벌 보건 위기 상황에서 빠르고 효과적인 대응책을 제공할 수 있는 혁신적인 플랫폼으로 자리 잡고 있습니다. 이러한 첨단 기술의 개발과 최적화를 통해 국내 바이오 의약품 연구 역량을 강화하고, 해외 의존도를 줄이며 자립적인 기술 생태계 구축에 기여했다고 생각합니다. 또한, 연구 과정에서 다양한 도전 과제를 극복하며 사회적 가치를 창출하고 공공의 건강 증진에 기여할 수 있다는 점은 큰 보람으로 다가옵니다. 특히, 협력 연구자들과의 지속적인 소통과 아이디어 교환을 통해 새로운 가능성을 탐구하며 국내 바이오 산업 발전에 기여하고 있다는 점은 저에게 큰 동기부여가 됩니다. 앞으로도 이러한 성과를 바탕으로 더 안전하고 효과적인 치료제 및 백신 전달 시스템을 개발하기 위해 연구를 지속해 나가고자 합니다.

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

저는 다양한 분야의 지식과 기술을 적극적으로 배우고 이를 연구에 활용해온 경험이 제 연구 생활에 큰 도움이 되었다고 생각합니다. 생유기화학을 전공하며, 질병 진단을 위한 저분자 및 고분자 기반의 화학 센서 개발과, 질병 치료 및 예방을 위한 지질나노입자 기반 약물 전달체 연구를 수행하고 있습니다. 저는 다양한 연구자들과 적극적으로 소통하며 폭넓은 지식과 기술을 배우고 체득하는 데 소홀하지 않으려 노력해왔습니다. 그 결과, 새로운 지질나노입자를 개발하는 데 있어 이를 구성하는 신규 지질의 설계 및 합성, 지질나노입자의 제조 및 물리화학적 특성 분석은 물론, 개발된 지질나노입자가 핵산 기반 백신 및 치료제의 전달체로서 적절히 기능하는지를 검증할 수 있는 생체 내외 평가까지 전반적인 실험을 이해하고 수행할 수 있는 연구자로 성장할 수 있었습니다. 앞으로도 정체하지 않고 끊임없이 성장하여, 보다 안전한 삶을 여는 연구자가 되고자 합니다. 이 분야로 진학하려는 후배 연구자 분들께도 이러한 연구 자세가 큰 도움이 되기를 바랍니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

앞으로의 연구 활동은 전달 효율을 극대화하면서 부작용을 최소화할 수 있는 지질나노입자 라이브러리 구축에 중점을 둘 계획입니다. 이를 위해 질환별로 특화된 지질나노입자를 설계하고, 그 특성을 체계적으로 분석하여 맞춤형 전달체의 플랫폼을 개발할 것입니다. 특히, 각기 다른 질환의 병리학적 특성과 약물 전달 메커니즘을 고려한 나노입자의 물리화학적 특성을 최적화하는 데 연구의 초점을 맞출 것입니다. 개발된 지질나노입자는 세포 및 동물 모델에서 광범위한 효능 평가를 통해 전달 성능과 안전성을 검증할 계획입니다. 궁극적으로, 이러한 연구는 다양한 치료제와 백신 개발에 적용할 수 있는 다목적 지질나노입자 플랫폼의 구축으로 이어져, 맞춤형 의약품 전달 시스템의 실현을 목표로 하고 있습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

본 연구의 진행과 논문 게재까지 각자의 역할을 성실히 수행해주신 모든 박사님, 교수님, 그리고 연구자분들께 깊은 감사의 말씀을 드립니다. 특히, 제 연구 여정에서 중요한 전환점이 되었던 시기에 아낌없는 지원과 연구 방향에 대한 귀중한 조언을 주신 금교창 박사님과 방은경 박사님께 진심으로 감사드립니다. 또한, 학부 연구생 시절부터 박사 학위에 이르기까지 저를 헬스케어 분야의 다양한 연구에 적극적으로 임하는 연구자로 성장할 수 있도록 지도해주신 한민수 교수님께 항상 깊은 감사의 마음을 전합니다.

끝으로, 저를 믿고 변함없는 사랑으로 지지해준 영근 오빠와 언제나 든든한 버팀목이 되어주신 부모님과 혜선이, 그리고 미국으로 연구하러 가는 며느리를 흔쾌히 응원해주신 저의 두 번째 부모님께 진심으로 감사의 인사를 드립니다.