- 신규 면역세포 표적 펩타이드를 이용한 항원제시세포 선택 전달 및 펩타이드 기반 mRNA 전달체 개발, 향후 CAR-T치료제 개발 등 다양한 면역치료제 개발에 적용가능성 높임

연구 필요성
mRNA를 포함한 유전자를 활용한 백신 및 치료제는 질병 유발 단백질을 체내에서 직접 만들어 면역활성을 자극, 항체를 생산하여 질병 단백질을 중화, 제거할 수 있어 감염병 백신, 항암백신, 면역치료제 등으로 활용 범위가 확대되고 있다. 그러나 mRNA는 체내에서 쉽게 분해되고 세포막을 스스로 통과하기 어려워, 이를 보호하면서 원하는 조직과 세포 안으로 운반하는 전달체가 필수적이다. 현재 지질나노입자(LNP)는 가장 널리 활용되는 mRNA 전달체이지만, 세포 유형에 대한 선택성이 낮고 근육주사 뒤에도 간 등 비표적 조직에서 mRNA 발현이 나타날 수 있다. 또한 마우스에서 LNP가 전달한 mRNA의 단백질 발현은 비교적 빠르게 감소해, 지속적인 항원 노출과 세포성 면역 형성에 제약이 될 수 있다. 치료제 효능을 높이려면 mRNA가 수지상세포와 B세포 등 항원제시세포(APC)에 도달하고, 이들 세포가 모이는 림프절에서 충분한 기간 발현되어야 한다. 따라서 간 등 비표적 장기 노출은 줄이면서 APC 관련 세포로 선택적으로 전달되고, mRNA 발현을 오래 유지할 수 있는 림프 표적지향성 전달체 개발이 필요하다.

연구성과/기대효과
연구팀은 면역세포/림프 표적전달체 개발을 위해 항원제시세포(APC)를 표적하는 세포투과 펩타이드(A-CPP), 유전자약물와의 결합 펩타이드(RBP), 전하 조절 물질(PGA)들로 이루어진 모듈형 펩타이드 나노복합체(Peptide Nanocomplex)를 개발했다. 이러한 펩타이드 나노복합체는 플랫폼으로서의 역할을 할 수 있어, Peptide based Targeted Delivery (PEPTARDEL)이라는 명칭으로 플랫폼으로 정의해 다양한 표적전달체로 상용화 연구역시 진행하고 있다. 특히 표적선택성과 관련,  AI 기반 단백질 구조 예측과 분자 도킹 분석을 통해 신규 면역세포 표적 펩타이드가 면역세포의 세포 표면 CCR7 수용체와 특이적으로 결합할 가능성을 확인하고, 이를 활용한 림프절 표적 전달 전략을 제시했다. 펩타이드 나노복합체는 동물실험에서 근육과 배액 림프절에 국소적으로 분포하고 7일까지 mRNA 발현을 유지했으며, SARS-CoV-2 백신 모델에서 LNP 수준의 중화항체와 더 높은 CD8+ T세포 반응, 감염 모델에서 100% 생존을 보였다. 반복 고용량 투여에서도 유의한 독성이 관찰되지 않아 안전성도 확인됐다.
 이번 연구를 통해 펩타이드 기반 전달 플랫폼인 PEPTARDEL 기술이 적용되어 기존 LNP를 보완할 수 있는 타겟팅 및 지속성이 향상된 새로운 약물전달시스템(DDS)이 될 가능성을 확인했으며, 감염병 백신뿐 아니라 항암백신과 mRNA를 포함한 siRNA, ASO 치료제로 확장 가능한 플랫폼이 될 것으로 기대된다.

연구내용
서울대학교 치의학대학원(구강생화학교실) 박윤정 교수 연구팀은 ㈜나이벡, 질병관리청 국립보건원 백신연구센터와 공동으로, 림프절과 항원제시세포(APC)를 표적하는 펩타이드 기반 mRNA 전달 나노복합체를 개발했다. 연구 결과는 국제학술지 『Biomaterials』에 게재됐다.

❒모듈형 펩타이드 기반 mRNA 전달 나노복합체 개발
mRNA는 체내 안정성이 낮고 세포막을 통과하기 어려워 전달체가 필수다. LNP는 코로나19 mRNA 백신의 상용화를 이끈 핵심 전달체지만, 세포 선택성이 낮고 간 등 비표적 조직에서 발현이 나타날 수 있으며 발현이 비교적 짧게 유지되는 한계가 있다. 연구팀은 면역반응이 시작되는 배액 림프절과 APC에 mRNA를 선택적으로 전달하는 비지질성 전달체를 설계했다. 개발한 나노복합체는 양전하로 mRNA를 응축하는 RNA 결합 펩타이드 (RBP), 입자표면 전하를 조절하기 위한 PGA, 그리고 APC 인식과 세포 침투를 담당하는 A-CPP의 세 모듈로 구성된다. 연구팀은 각 모듈의 비율을 광범위하게 비교해 응축 안정성, 표면전하, 세포 유입과 세포질 방출이 균형을 이루는 최적 제형을 도출했다.

❒항원 제시세포를 표적하는 펩타이드 발굴
A-CPP의 면역세포 결합 부위는 세포 기반 파지 디스플레이 (in vitro phage display)로 새롭게 발굴한 펩타이드이다. 연구팀은 먼저 7-mer의 펩타이드를 무작위로 발현하는 파지 라이브러리를 이용하여 면역세포에 결합하는 파지를 선별하고 서열을 분석하여 펩타이드를 합성하였다. 이후 AI를 이용한 구조 예측, 분자 도킹 시뮬레이션과, 마크로파지 세포에서의 CCL19 경쟁 결합 실험 결과를 종합하여 CCR7을 A-CPP의 세포 인식에 관여할 가능성이 있는 후보 수용체로 제시했다. CCR7은 항원제시세포가 림프절로 이동하게 하는 역할로 필수적인 G 단백질 결합 수용체(GPCR)이다.

❒동물 감염 모델을 이용한 나노복합체의 백신 효과 확인
먼저 연구팀은 firefly luciferase(Fluc) mRNA를 이용하여 나노복합체를 제작하고 마우스에 근육주사를 하여 발현을 확인하였다. 대조군으로 사용한 LNP는 주사 부위와 함께 간에서 강한 발현 신호가 관찰된 반면 펩타이드 나노복합체는 주로 주사부위와 배액 림프절에서 국소적으로 분포했다. 또한 발현 지속성에도 차이를 보였는데, 대조군으로 사용된 LNP는 48시간 발현이 유지된 반면, 나노복합체는 7일까지 발현이 유지되었다. 이후 SARS-CoV-2 스파이크 mRNA를 탑재해 마우스에 면역한 결과, 나노복합체 제형은 LNP보다 배액 림프절의 성숙 수지상세포 비율을 1.8배 높였고, CD4+ T세포 반응은 유사하면서 CD8+ T세포 반응은 유의하게 높였다. 추가접종 뒤 스파이크 항원에 반응해 IFN-γ를 분비하는 세포도 LNP군보다 많았으며, 중화항체 수준은 LNP와 유사했다. 또한 치의학대학원 나운성 교수과 함께 진행한 K18-hACE2 마우스 감염 시험에서는 LNP 및 펩타이드 제형 백신군 모두 감염 후 10일까지 폐 바이러스 RNA가 검출한계 이하였고, 체중을 안정적으로 유지하며 100% 생존했다. 백신을 투여하지 않은 대조군에서는 체중 감소와 사망이 나타났다. 이는 펩타이드 나노복합체가 실제 SARS-CoV-2 감염 모델에서도 LNP와 견줄 만한 방어효과를 나타냈음을 보여준다. 반복투여 안전성 평가에서는 효능평가 용량의 100배와 200배를 매일 2주간 근육주사했을 때도 AST, ALT, BUN, 크레아티닌 등 간·신장 기능 관련 혈청 지표에 유의한 변화가 없었다. 연구진은 향후 A-CPP를 LNP, 고분자, 나노입자 등 다른 전달체에도 적용하고, 감염병 백신뿐 아니라 항암백신과 다양한 mRNA 치료제로 확장할 수 있다고 기대한다.

이번 연구는 질병관리청 국립보건원 백신연구센터의 연구사업과 교육부 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행되었다.

* 논문명: Lymph node-targeted mRNA delivery of fine-tuned peptide-nanocomplexes for SARS-CoV-2 Vaccination

연구결과
연구팀은 mRNA 응축, 표면전하 조절, APC 인식 및 세포침투 기능을 각각 담당하는 세 개의 펩타이드 모듈을 조합해 최적의 펩타이드 기반 나노복합체 제형을 확립했다. 이 제형은 기존의 LNP 대비 간 관련 발현을 줄이고 배액 림프절의 APC 관련 세포분획에 mRNA를 전달했으며, 발현을 최대 7일까지 유지했다. SARS-CoV-2 스파이크 mRNA 백신으로 적용했을 때 LNP와 유사한 중화항체, 더 높은 CD8+ T세포 반응, 감염 모델에서 폐 바이러스 억제와 100% 생존을 보였다. 고용량 반복투여에서도 간·신장 기능 혈청 지표의 유의한 변화가 관찰되지 않아 차세대 mRNA 백신 전달체로의 가능성을 제시했다.

용어설명
- mRNA: 세포가 특정 단백질을 만들도록 유전정보를 전달하는 전령 RNA. 체내에서 쉽게 분해되고 세포막을 통과하기 어려워 전달체가 필요하다.
- 지질나노입자(LNP, lipid nanoparticle): 지질 성분으로 이루어진 나노입자로, mRNA를 보호하고 세포 안으로 전달하는 대표적인 비바이러스성 전달체이다.
- 항원제시세포(APC, antigen-presenting cells): 수지상세포와 B세포 등 항원을 T세포에 제시해 항체 및 세포성 면역반응을 시작하는 면역세포이다.
- 배액림프절: 주사 부위의 림프액이 처음 유입되는 림프절로, 백신 항원이 면역세포와 만나 면역반응이 시작되는 주요 조직이다.
- A-CPP(APC-cell penetrating peptide): 항원제시세포 인식 기능과 세포투과 기능을 함께 갖도록 설계한 펩타이드 모듈.
- 파지 디스플레이: 박테리오파지 표면에 다양한 펩타이드 서열을 제시한 뒤, 특정 세포나 단백질에 잘 결합하는 서열을 선별하는 탐색 기술이다.
- CCR7(C–C chemokine receptor type 7): 면역세포의 림프절 이동에 관여하는 케모카인 수용체. 본 연구에서는 A-CPP 세포 인식에 관여할 가능성이 있는 후보 수용체로 제시됐다.