㉙ 근원적 치료로의 패러다임 전환 '유전자치료제'
인간 게놈은 약 2만 5,000개의 유전자로 구성돼 있다. 이들 유전자는 세포의 구조와 기능, 생리적 과정 유지에 필요한 다양한 단백질을 암호화한다. 유전자 정보는 일반적으로 세대를 거쳐 안정적으로 유지되지만, 일부 유전자는 돌연변이(mutation), 기능 이상 또는 결실(deletion) 등에 의해 비정상적으로 변화할 수 있다. 이러한 유전적 이상은 단백질 기능 변화를 유발하며, 결과적으로 정상적인 세포 기능에 영향을 미쳐 다양한 질환과 장애의 원인이 된다.
유전 및 희귀질환 정보센터(Genetic and Rare Diseases Information Center, GARD)와 Global Genes®에 따르면 현재까지 보고된 희귀질환의 약 80%는 기능 이상 유전자와 관련되어 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 질병의 근본 원인을 교정하기 위한 유전자 치료(gene therapy)에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다.
유전자 치료라는 개념은 약 80년 전부터 제시되어 왔으며, 일반적으로 1962년 William Szybalski 교수가 포유류 세포에 외래 DNA를 전달하여 유전적 결함을 교정할 수 있음을 입증한 연구가 현대 유전자 치료의 출발점으로 평가된다. 이후 분자생물학과 재조합 DNA 기술의 발전에 따라 유전자 치료는 현대 의학의 핵심 치료 전략으로 발전하게 되었다.
기존 화학의약품이나 단백질 기반 치료제는 효과 예측과 장기 치료 측면에서 한계를 가지는 경우가 많다. 반면 유전자 치료는 치료 유전자를 직접 전달하여 원하는 단백질을 장기간 발현시킬 수 있으며, 특정 조직이나 세포를 표적으로 하여 질병의 근본 원인을 교정할 수 있다는 장점을 가진다. 이에 따라 유전자 치료는 단일 유전자 질환뿐 아니라 심혈관질환, 면역결핍질환 및 암 치료 분야에서도 중요한 차세대 치료 전략으로 평가되고 있다.
그러나 유전자 치료는 실제 임상 적용 과정에서 상당한 기술적·안전성 문제에 직면해 왔다. 치료 대상 유전자를 정확히 규명하고, 정상 유전자를 적절한 벡터(vector)에 탑재하여 표적 세포에 효율적으로 전달해야 하는 복잡한 과정이 필요하기 때문이다. 특히 바이러스 벡터를 활용하는 경우 면역반응, 삽입성 돌연변이(insertional mutagenesis), 비표적 조직 활성(off-target effect) 및 예상치 못한 임상 부작용 등의 문제가 제기되어 왔다. 실제 일부 초기 임상시험에서는 중대한 이상반응과 사망 사례가 보고되면서 유전자 치료 분야는 오랜 기간 안전성과 규제 문제에 대한 어려움을 경험하였다.
그럼에도 불구하고 최근에는 바이러스 벡터 설계 기술, 유전자 편집 기술 및 전달 플랫폼이 빠르게 발전하면서 유전자 치료의 안전성과 효율성이 크게 향상되고 있다. 이에 따라 유전자 치료는 기존 치료가 어려웠던 희귀 유전질환과 난치성 질환에 대해 근본적 치료 가능성을 제공하는 혁신적 치료 패러다임으로 자리잡고 있다.
유전자 치료는 무엇인가?
유전자 치료는 변형되거나 돌연변이가 발생한 유전자를 교정하거나, 치료 목적에 따라 특정 유전자 부위를 조절함으로써 질환을 치료하려는 의학적 접근법이다. 인간 유전체의 특정 부위를 선택적으로 변형할 수 있는 능력은 DNA가 유전의 기본 단위로 인식된 이후 현대 의학의 중요한 목표로 여겨져 왔다. 이러한 유전자 치료 기술은 분자생물학과 생명공학의 발전에 따라 급속히 발전하였으며, 특히 치료 유전자를 표적 세포에 전달할 수 있는 다양한 전달체(vector)의 개발이 핵심 기반이 되었다.
유전자 치료에서는 치료 목적의 유전자 또는 정상 유전자를 플라스미드(plasmid), 나노구조체(nanostructure), 바이러스 벡터(viral vector) 등에 삽입하여 표적 세포로 전달한다. 이 중 바이러스 벡터는 세포 침투 능력과 유전물질 전달 효율이 우수하여 가장 널리 사용되고 있다.
아데노연관바이러스(AAV), 레트로바이러스(retrovirus), 렌티바이러스(lentivirus), 아데노바이러스(adenovirus) 등이 대표적인 유전자 전달 플랫폼으로 활용되고 있다. 최근에는 비바이러스성 전달 시스템으로서 지질나노입자(LNP)와 같은 나노기반 전달체 연구도 활발히 진행되고 있다.
유전자 치료는 다양한 질환에 적용 가능성이 제시되고 있다. 대표적으로 낭포성 섬유증(cystic fibrosis), 혈우병(hemophilia), 뒤시엔 근이영양증(Duchenne muscular dystrophy), 겸상적혈구빈혈(sickle cell disease)과 같은 단일유전자 질환뿐 아니라 암, 후천성 면역결핍증(AIDS) 등 후천성 질환 영역에서도 치료 전략으로 연구되고 있다. 현재 대부분의 유전자 치료 임상시험은 미국, 유럽, 호주, 중국 등을 중심으로 수행되고 있으며, 일부 치료제는 실제 임상 사용 승인을 받아 적용되고 있다.
그러나 유전자 치료는 여전히 복잡한 기술적·윤리적 과제를 포함한다. 우선 치료가 필요한 표적 세포를 정확히 확인하고 접근해야 하며, 치료 유전자를 충분한 효율로 전달하고 안정적으로 발현시킬 수 있어야 한다. 또한 질환의 유전적 기전을 충분히 이해해야 하며, 장기적 안전성에 대한 평가 역시 중요하다. 특히 바이러스 벡터 사용 시 과도한 면역반응, 삽입 돌연변이(insertional mutagenesis), 비표적 조직 전달 등의 문제가 제기될 수 있다.
유전자 치료는 표적 세포에 따라 크게 생식세포 유전자 치료(germline gene therapy)와 체세포 유전자 치료(somatic gene therapy)로 구분된다. 생식세포 유전자 치료는 정자나 난자와 같은 생식세포 또는 초기 배아세포에 기능성 유전자를 도입하여 유전체 자체를 변화시키는 방법이다. 이 경우 변형된 유전자는 후손에게 유전될 수 있다. 이론적으로는 유전질환의 근본적 제거가 가능하지만, 인간 배아 및 후세대 유전자 조작이라는 윤리적 문제로 인해 대부분 국가에서 임상 적용이 제한되고 있다.
반면 체세포 유전자 치료는 환자의 체세포에 치료 유전자를 전달하는 방식이다. 치료 효과와 유전적 변화는 해당 환자에게만 국한되며 후세대로 전달되지 않는다. 현재 임상에서 승인된 대부분의 유전자 치료제는 체세포 유전자 치료에 해당한다. 특히 생체 내(in vivo) 및 생체 외(ex vivo) 유전자 전달 기술이 발전하면서 다양한 희귀질환과 암 치료 분야에서 실제 임상적 성과가 보고되고 있다.
따라서 유전자 치료는 질병의 원인을 유전적 수준에서 교정하려는 정밀의학 기반 치료 전략으로 발전하고 있으며, 전달체 기술, 유전자 편집 기술, 세포공학 기술의 발전과 함께 향후 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 전망된다.
유전자 치료는 어떻게 작동하는가?
유전자 치료는 세포에 새로운 DNA를 제공하거나 DNA를 변형시켜 유전 질환을 치료하는 방법이다. 유전자 치료에는 크게 유전자 전달과 유전자 편집 두 가지 유형이 있다.
유전자 전달(또는 유전자 추가)은 특정 세포의 DNA에 새로운 유전 코드를 추가하는 방식으로 작동한다. 추가된 유전 코드는 새로운 유전자 역할을 하며, DNA 서열에서 결함이 있거나 돌연변이가 발생했거나 결실된 유전자의 기능을 복원한다. 새로운 유전자는 결함이 있는 유전자의 정상적인 기능을 하는 변종일 수도 있고, 세포 기능을 다른 방식으로 개선하는 완전히 다른 유전자일 수도 있다.
유전자 편집은 DNA를 변형하는 보다 새롭고 정밀한 접근 방식이다. 질병을 유발하는 DNA 부분을 제거하거나, 특정 유전자가 유해한 단백질을 생성하지 못하게 하거나, 비활성화된 유전자가 필요한 단백질을 더 많이 생성하도록 만들거나, 돌연변이를 교정하는 데 사용할 수 있다.
최근까지 이러한 기술은 체외(몸 밖)에서 시행되었다. 세포를 추출하여 DNA를 변형시킨 후 환자에게 다시 이식하는 방식이다. 두 가지 유형의 유전자 치료 모두에서, 변형된 DNA는 복제 및 확산되어 질병을 효과적으로 치료한다. 겸상 적혈구 질환과 혈액암을 치료하기 위해서는 변형된 줄기세포를 이용한 혈액 및 골수 이식이 필수적이다.
두 가지 치료법 모두에서 세포 내 DNA에 정확한 유전 정보를 전달하기 위해서는 벡터가 필요하다. 과학자들은 이를 위한 효과적인 방법으로 바이러스를 사용하는 것을 발견했다. 환자에게 바이러스를 주입하여 유전 물질을 세포에 퍼뜨리는 것이다. 하지만 사용되는 바이러스는 질병을 유발하는 염기서열을 제거하고 대신 새로운 유전자 또는 염기서열을 운반하도록 유전적으로 변형된 것이다. 이렇게 변형된 바이러스는 환자의 DNA에 새로운 유전자 또는 염기서열을 전달한다.
유전자 전달에서는 무해한 바이러스가 새로운 유전자를 세포핵으로 운반하여 건강한 단백질을 생성하게 한다. 유전자 편집에서는 바이러스에 서로 다른 기능을 하는 세 가지 구성 요소가 함께 탑재된다.
하나는 DNA 가닥을 자르도록 설계된 가위 모양의 단백질이고, 다른 하나는 가위 단백질을 정확한 위치로 안내하는 가이드 분자이며, 세 번째는 DNA를 건강한 방식으로 재구성하는 데 도움이 되는 설계도 역할을 하는 "주형" DNA 조각이다.
유전자 치료는 여전히 질병 치료에 있어 비교적 새로운 접근법이며, 주로 소아 환자에게만 적용되어 왔다. 특히 골수 이식이 필요한 경우에는 신중하게 고려해야 할 상당한 위험이 존재한다. 이러한 치료는 세포를 암세포로 변형시키거나, 장기 또는 조직을 손상시키거나, 이식편대숙주질환(GVHD) 또는 심각한 감염을 유발하거나, 나중에 생식 능력에 부정적인 영향을 미치거나, 알레르기 반응을 일으킬 수 있다.
최근의 발전으로 안전성이 상당히 향상되었지만, 의료진과 유전자 치료의 현재 과제와 한계에 대해 충분히 논의하는 것이 중요하다.
세포 치료(cell therapy)와 유전자 치료(gene therapy)의 차이점은 무엇인가?
세포 치료와 유전자 치료는 모두 첨단재생의료 및 첨단바이오의약품 분야의 핵심 치료 플랫폼으로 분류되지만, 치료의 기본 개념과 작용 기전에는 근본적인 차이가 존재한다.
세포 치료는 살아있는 세포 자체를 치료제로 활용하여 조직 재생, 면역조절 또는 항종양 효과를 유도하는 전략인 반면, 유전자 치료는 질병의 원인이 되는 유전정보를 교정하거나 정상 유전자를 전달함으로써 질환의 근본 원인을 수정하는 접근법이다.
세포 치료는 환자 또는 공여자로부터 유래한 세포를 체외에서 배양·증식하거나 기능을 강화한 뒤 다시 체내에 투여하여 치료 효과를 유도한다. 초기 세포 치료는 주로 조혈모세포 이식이나 조직 재생 중심으로 발전하였으나, 최근에는 면역세포를 활용한 항암 세포치료가 급속히 성장하고 있다. 대표적으로 CAR-T(chimeric antigen receptor T-cell) 치료제는 환자의 T세포를 유전적으로 조작하여 암세포 특이 항원을 인식하도록 만든 뒤 다시 체내에 주입하는 방식으로 작용한다.
이러한 CAR-T 치료제는 혈액암 영역에서 획기적인 임상 효과를 나타내며 차세대 면역항암치료의 대표 플랫폼으로 자리 잡았다. 또한 중간엽줄기세포(mesenchymal stem cell, MSC)를 이용한 조직 재생 및 면역조절 치료제, 췌도세포 기반 당뇨병 치료제, 조직공학 기반 피부·혈관 재생 제품 등도 세포 치료 범주에 포함된다.
반면 유전자 치료는 결함이 있는 유전자를 정상 유전자로 대체하거나, 특정 유전자의 발현을 억제하거나, 유전자 자체를 편집함으로써 치료 효과를 유도한다. 초기 유전자 치료는 정상 유전자를 체내에 전달하는 gene addition 전략이 중심이었으며, 현재는 CRISPR/Cas9 기반 유전자편집 기술의 발전으로 gene editing 영역까지 빠르게 확대되고 있다.
유전자 전달에는 주로 adeno-associated virus(AAV), lentivirus, adenovirus 등의 바이러스 벡터가 사용되며, 최근에는 lipid nanoparticle(LNP) 기반 비바이러스 전달 기술도 주목받고 있다.
대표적인 유전자 치료제로는 망막질환 치료제인 럭스터나(LuxturnaⓇ, voretigene neparvovec), 척수성 근위축증(spinal muscular atrophy, SMA) 치료제인 졸겐스마(ZolgensmaⓇ, onasemnogene abeparvovec), 그리고 최초의 CRISPR 기반 승인 치료제인 카스제비(CasgevyⓇ, exagamglogene autotemcel) 등이 있다.
두 치료 플랫폼의 가장 큰 차이는 치료의 작용 수준에 있다. 세포 치료는 살아있는 세포의 기능 자체를 이용하여 면역 활성화 또는 조직 재생을 유도하는 반면, 유전자 치료는 DNA 또는 RNA 수준에서 유전정보를 조절함으로써 질병의 근본 원인을 수정한다. 따라서 세포 치료는 암 면역치료와 재생의학 분야에서 강점을 가지며, 유전자 치료는 희귀 유전질환 및 선천성 대사질환에서 높은 치료 가능성을 보이고 있다.
그러나 최근에는 두 기술의 경계가 점차 모호해지고 있다. 대표적으로 CAR-T 치료제는 세포를 이용한 치료라는 점에서 세포치료에 해당하지만, 동시에 T세포에 유전자를 삽입하여 항원 수용체를 발현시킨다는 점에서 유전자 치료의 특성도 함께 가진다. 또한 CRISPR 기반 ex vivo 유전자편집 치료제는 환자의 조혈모세포를 체외에서 유전자 교정한 후 다시 환자에게 주입하는 방식으로, 세포 치료와 유전자 치료가 융합된 대표적인 차세대 플랫폼으로 평가된다.
최근 세포·유전자치료 분야는 면역세포공학, 유전자편집, 바이러스 벡터 설계, 조직공학 및 재생의학 기술의 발전과 함께 빠르게 성장하고 있다. 특히 allogeneic CAR-T, in vivo CRISPR editing, iPSC 기반 세포치료 등 차세대 플랫폼이 등장하면서 암, 희귀질환, 퇴행성질환 및 조직재생 영역으로 적응증이 지속적으로 확대되고 있다.
이에 따라 세포 치료와 유전자 치료는 향후 정밀의료 및 맞춤형 치료 시대를 이끄는 핵심 바이오의약품 플랫폼으로 자리매김할 것으로 전망된다.
유전자 치료의 분류 및 치료 전략은 어떠한가?
유전자 치료는 질병의 근본 원인을 교정할 수 있는 차세대 치료전략으로 빠르게 발전하고 있으며, 유전자 대체, 유전자 편집 및 유전자 침묵 등 다양한 접근 방식이 개발되고 있다. 또한 in vivo 및 ex vivo 전달 전략과 함께 바이러스 및 비바이러스 벡터 기술이 발전함에 따라 치료 가능 영역이 지속적으로 확대되고 있다.
특히 CRISPR 기반 정밀 편집 기술과 RNA 전달 플랫폼의 발전은 향후 희귀 유전질환뿐 아니라 암, 신경퇴행성 질환 및 만성질환 치료 분야에서도 유전자 치료의 적용 가능성을 더욱 확대시킬 것으로 기대된다.
치료 전략에 따른 분류
1 유전자 대체(Gene Replacement)
유전자 대체는 결손되거나 기능 이상이 있는 유전자를 정상 유전자로 보충하거나 대체하는 가장 전통적인 형태의 유전자 치료 전략이다. 일반적으로 플라스미드(plasmid) 또는 바이러스 벡터를 이용하여 치료 유전자를 표적 세포에 전달하며, 세포 내에서 정상 단백질이 발현되도록 유도한다.
현재까지 승인된 대부분의 유전자 치료제는 재조합 아데노-연관 바이러스(recombinant adeno-associated virus, rAAV)를 기반으로 한 유전자 대체 전략을 사용하고 있다. AAV 벡터는 상대적으로 낮은 면역원성과 높은 조직 특이성을 가지며, 숙주 게놈에 무작위로 삽입되지 않고 염색체 외 에피솜(episome) 형태로 존재하면서 장기간 유전자 발현을 유도할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 특성은 삽입 돌연변이(insertional mutagenesis)의 위험을 감소시키는 데 기여한다.
대표적인 예로는 유전성 망막질환 치료제인 럭스터나(LuxturnaⓇ)와 척수성 근위축증 치료제인 졸겐스마(ZolgensmaⓇ가 있다. 이들 치료제는 각각 망막세포 및 운동신경세포에 정상 유전자를 전달함으로써 질병 진행을 억제한다.
그러나 유전자 대체 전략은 전달 가능한 유전자 크기에 제한이 있으며, 반복 투여 시 면역반응이 발생할 가능성이 있다는 한계가 존재한다. 또한 세포 분열이 활발한 조직에서는 에피솜이 희석되어 장기 발현 유지가 어려울 수 있다.
2 유전자 편집(Gene Editing)
유전자 편집은 돌연변이 유전자를 직접 수정함으로써 질병의 근본 원인을 교정하는 접근법이다. 특정 염기서열을 인식하는 뉴클레아제(nuclease)를 이용하여 DNA를 절단하거나 변형함으로써 유전자 기능을 제거(knockout)하거나 정상 서열로 복구할 수 있다.
초기 유전자 편집 기술로는 아연 핑거 뉴클레아제(zinc finger nucleases, ZFNs)와 TALEN(transcription activator-like effector nucleases)이 개발되었으며, 이후 CRISPR/Cas 시스템이 등장하면서 기술적 접근성과 효율성이 크게 향상되었다.
CRISPR/Cas9 시스템은 guide RNA(gRNA)를 이용하여 표적 DNA를 인식하고 Cas9 효소가 특정 위치를 절단하는 방식으로 작동한다. 세포는 비상동 말단 연결(non-homologous end joining, NHEJ) 또는 상동 재조합(homology-directed repair, HDR) 기전을 통해 DNA를 복구하며, 이를 이용하여 특정 유전자의 제거 또는 교정이 가능하다.
최근에는 이중가닥 절단(double-strand break)을 최소화하기 위한 base editing 및 prime editing 기술이 개발되었다. Base editing은 단일 염기 변환(single-base conversion)을 가능하게 하며, prime editing은 보다 정밀한 삽입, 삭제 및 염기 치환을 유도할 수 있다. 이러한 기술은 기존 CRISPR/Cas 시스템 대비 off-target 효과와 세포독성을 감소시킬 가능성이 있는 차세대 유전자 편집 기술로 평가받고 있다.
유전자 편집은 겸상적혈구병(sickle cell disease), β-지중해빈혈(beta-thalassemia), 유전성 망막질환 등 다양한 질환에서 임상 적용 가능성이 연구되고 있다.
3 유전자 침묵(Gene Silencing)
유전자 침묵은 특정 질병 유전자의 발현을 감소시키거나 억제함으로써 치료 효과를 유도하는 전략이다. 주로 RNA 간섭(RNA interference, RNAi) 기전을 이용하며, siRNA(small interfering RNA), shRNA(short hairpin RNA), miRNA(microRNA) 등이 사용된다.
siRNA는 표적 mRNA와 상보적으로 결합하여 mRNA 분해를 유도하며, 결과적으로 특정 단백질의 발현을 억제한다. 이러한 기술은 과발현된 병리 단백질이나 독성 단백질을 표적으로 하는 데 유용하다.
대표적인 예로는 transthyretin(TTR) 아밀로이드증 치료제인 온파트로(OnpattroⓇ, patisiran)이 있으며, 이는 간세포에서 TTR 단백질 생성 자체를 억제하여 질환 진행을 감소시킨다. 유전자 침묵 전략은 DNA 자체를 변형하지 않기 때문에 상대적으로 안전성이 높을 수 있으나, 지속적인 효과 유지를 위해 반복 투여가 필요한 경우가 많다.
전달 방법에 따른 분류
1 생체 내(In Vivo) 유전자 치료
생체 내 유전자 치료는 유전자 치료제를 환자 체내에 직접 투여하여 표적 세포를 체내에서 직접 형질도입(transduction)하는 방식이다. 일반적으로 정맥주사, 근육주사, 안구내 주사 또는 특정 장기 내 직접 주입 등의 방법이 사용된다.
이 방식은 시술이 비교적 단순하고 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다. 특히 간세포, 망막세포, 근육세포 및 신경세포와 같이 분열하지 않거나 천천히 분열하는 장기 생존 세포(long-lived cells)를 대상으로 할 때 효과적이다.
생체 내 전달 방식에서 AAV 벡터 기반 치료가 가장 널리 사용되며, 조직 특이적 혈청형(serotype)을 이용하여 특정 장기에 선택적으로 유전자를 전달할 수 있다. 그러나 생체 내 유전자 치료는 전신 면역반응, 간독성 및 벡터 재투여 제한 등의 문제가 존재할 수 있다.
2 생체 외(Ex Vivo) 유전자 치료
생체 외 유전자 치료는 환자로부터 세포를 분리한 뒤 실험실 환경에서 유전적으로 변형하고 다시 환자에게 재주입하는 방식이다. 주로 조혈모세포(hematopoietic stem cells) 또는 T 세포가 사용된다. 이 방식은 유전자 도입 과정을 체외에서 정밀하게 조절할 수 있으며, 유전자 변형 여부를 확인한 뒤 선택적으로 재이식할 수 있다는 장점이 있다.
대표적인 예로는 CAR-T 세포치료와 조혈모세포 기반 유전자 치료가 있다. CAR-T 세포치료에서는 환자의 T세포를 분리하여 암세포를 인식하는 키메라 항원수용체(chimeric antigen receptor, CAR)를 발현하도록 유전적으로 변형한 후 다시 체내에 주입한다.
생체 외 유전자 치료에서는 장기적 발현을 위해 렌티바이러스(lentivirus)와 같은 통합형 벡터(integrating vector)가 주로 사용된다. 렌티바이러스는 숙주 게놈에 안정적으로 통합되므로 지속적인 유전자 발현이 가능하지만, 삽입 돌연변이 위험에 대한 주의가 필요하다.
벡터에 따른 분류
1 바이러스 벡터(Viral Vector)
바이러스 벡터는 높은 전달 효율을 가지기 때문에 현재 가장 널리 사용되는 유전자 전달 시스템이다.
1.1 렌티바이러스 및 레트로바이러스
렌티바이러스와 레트로바이러스는 숙주 게놈에 통합되어 장기간 안정적인 유전자 발현을 제공한다. 특히 렌티바이러스는 비분열 세포에도 유전자 전달이 가능하다는 장점이 있다. 이들 벡터는 주로 ex vivo 유전자 치료에 사용되며, 조혈모세포 및 T 세포 기반 치료에서 중요한 역할을 한다.
1.2 아데노-연관 바이러스(AAV)
AAV는 낮은 면역원성과 우수한 안전성 프로파일을 바탕으로 현재 가장 많이 활용되는 in vivo 유전자 전달 벡터이다. 숙주 게놈에 무작위로 통합되지 않고 에피솜 형태로 존재하므로 삽입 돌연변이 위험이 상대적으로 낮다.
다양한 혈청형을 이용하여 간, 근육, 망막 및 중추신경계 등 특정 조직을 선택적으로 표적화할 수 있다. 다만 AAV는 적재 가능한 유전자 크기가 제한적이라는 단점이 있다.
1.3 기타 바이러스 벡터
아데노바이러스(adenovirus)는 높은 전달 효율을 가지지만 면역반응 유발 가능성이 높다. 단순포진바이러스(herpes simplex virus, HSV)는 큰 유전자 적재 용량을 가지며 신경계 질환 연구에서 활용된다.
2 비바이러스 벡터(Non-Viral Vector)
비바이러스 벡터는 면역원성이 낮고 대량 생산이 용이하다는 장점이 있으나, 일반적으로 전달 효율은 바이러스 벡터보다 낮다.
2.1 물리적 방법
물리적 전달 방식에는 전기천공법(electroporation), 유전자총(gene gun), 미세주입(microinjection), 레이저 및 초음파 기반 전달 방식 등이 포함된다. 전기천공법은 세포막에 일시적인 구멍을 형성하여 유전물질의 세포 내 유입을 촉진하는 대표적인 방법으로, ex vivo 세포 조작에서 널리 사용된다.
2.2 화학적 방법
화학적 전달 방식에는 칼슘-인산염, DEAE-덱스트란, 리포솜(liposome) 및 나노입자(nanoparticle) 등이 포함된다. 최근에는 지질 나노입자(lipid nanoparticle, LNP)가 mRNA 백신 및 RNA 기반 치료제 전달 플랫폼으로 크게 주목받고 있다. LNP는 비교적 높은 전달 효율과 낮은 면역원성을 동시에 제공할 수 있어 차세대 비바이러스 전달 시스템으로 평가된다.
유전자 전달 벡터 기술은 무엇인가?
유전자 전달 벡터 기술은 유전자 치료 발전의 핵심 기반 기술로 자리 잡아 왔다. 2000년경까지는 비바이러스성 전달 방식이 광범위하게 연구되었으나, 특히 생체 내(in vivo) 적용에서 유전자 전달 효율이 매우 낮다는 한계가 있었다.
반면 감마 레트로바이러스, 렌티바이러스, 아데노바이러스(AdV), 아데노연관바이러스(AAV)와 같은 주요 바이러스 벡터 플랫폼은 1980년대 후반부터 1990년대 초반에 걸쳐 지속적인 개발과 최적화를 통해 점차 확립되었다. 이러한 바이러스 벡터들은 암과 유전 질환을 대상으로 한 초기 임상시험에 활용되었으며, 일부에서는 안전한 유전자 전달 가능성을 보여주었다.
그러나 초기 임상시험 결과는 대체로 전달 효율의 한계로 인해 충분한 임상적 효과를 입증하지 못하였다. 특히 1999년 아데노바이러스 벡터 투여 후 발생한 제시 겔싱어(Jesse Gelsinger) 사망 사건은 유전자 전달 벡터의 안전성 문제를 전 세계적으로 부각시키는 계기가 되었다. 이후 유전자 치료 분야는 일시적인 침체를 겪었으나, 동시에 이후 벡터 기술의 고도화를 촉진하는 중요한 전환점이 되었다.
바이러스 벡터
과거에는 바이러스가 질병과 사망을 유발한다는 부정적 인식 때문에 치료 목적으로 바이러스를 활용하는 것에 대한 거부감이 존재하였다. 그러나 실제로 바이러스는 다양한 생물에 유전 물질을 전달할 수 있는 특성을 가지며, 일부는 면역 조절과 장내 환경 유지 등 생물학적으로 중요한 역할도 수행한다. 이러한 특성으로 인해 바이러스는 ‘자연의 유전자 공학자(natural genetic engineer)’로 불리기도 한다.
연구자들은 바이러스의 유전자 전달 능력을 활용하여 병원성 유전자를 제거하고 치료용 유전자를 삽입한 바이러스 벡터를 개발하였다. 이러한 바이러스 벡터는 숙주 세포를 효율적으로 감염시키고 외래 유전자를 안정적으로 발현시킬 수 있어 유전자 치료의 핵심 전달체로 활용되고 있다. 실제로 바이러스 벡터는 유전자 치료에 사용된 최초의 핵산 전달 플랫폼이었다.
현재 다양한 바이러스 벡터가 전임상 및 임상 연구에 사용되고 있으나, 각각 장점과 한계를 가진다. 이상적인 유전자 전달 벡터는 높은 형질전환 효율과 장기간 유전자 발현 능력을 가져야 하며, 특정 세포를 선택적으로 표적화할 수 있어야 한다. 또한 면역원성과 병원성이 낮고, 숙주 게놈 무작위 삽입 위험이 적으며, 대량 생산이 가능해야 한다.
최근에는 병원성 유전자를 제거하고 안전성을 향상시킨 비병원성·복제 불능 바이러스 벡터 개발이 활발히 진행되고 있으며, 현재 전 세계 유전자 치료 임상시험의 상당수가 이러한 바이러스 벡터 플랫폼을 기반으로 수행되고 있다.
1. 감마 레트로바이러스 벡터
감마 레트로바이러스(Gamma-retrovirus)는 대표적으로 생쥐 백혈병 바이러스(Moloney murine leukemia virus, MLV)를 기반으로 개발된 유전자 전달체이다. 1980년대부터 개발된 감마 레트로바이러스 벡터는 2000년대 초반까지 유전자 치료 분야의 핵심 플랫폼으로 활용되었으며, 중증 복합면역결핍증(SCID)을 포함한 여러 초기 유전자 치료 임상시험에 적용되었다. 특히 X-연관 SCID 환자에서는 초기 임상적 성공 사례가 보고되면서 유전자 치료의 가능성이 크게 주목받았다.
그러나 이후 일부 환자에서 삽입성 돌연변이(insertional mutagenesis)에 의한 백혈병 발생이 보고되면서 안전성 문제가 제기되었다. 감마 레트로바이러스 벡터는 숙주 게놈에 무작위로 삽입되기 때문에 종양 유전자 활성화를 유발할 위험이 있었다. 이러한 한계로 인해 감마 레트로바이러스 벡터의 사용은 점차 감소하였으며, 이후 보다 안전성이 향상된 렌티바이러스 벡터가 주요 ex vivo 유전자 치료 플랫폼으로 대체되기 시작하였다.
2. 렌티바이러스 벡터(LV-based gene therapy)
렌티바이러스(Lentivirus)는 레트로바이러스(retrovirus)의 한 종류로, 현재 대부분의 렌티바이러스 벡터는 HIV-1 기반 플랫폼을 이용하여 개발되고 있다. 렌티바이러스 벡터는 감염 이후 역전사(reverse transcription)를 거쳐 생성된 DNA를 숙주 게놈에 프로바이러스(provirus) 형태로 안정적으로 통합시키는 특징을 가진다. 그러나 감마 레트로바이러스(gamma-retrovirus)와 달리 비분열 세포(non-dividing cell)까지 효율적으로 형질전환(transduction)할 수 있다는 중요한 장점을 가지고 있어, 다양한 세포 기반 유전자 치료 플랫폼에서 핵심 전달체로 활용되고 있다.
이러한 특성은 조혈줄기세포(hematopoietic stem cell), 신경세포 및 면역세포와 같이 증식 속도가 느리거나 비분열 상태에 있는 세포를 표적으로 하는 치료 전략에서 특히 중요한 의미를 가진다. 이에 따라 렌티바이러스 벡터는 조혈줄기세포 기반 유전자 치료와 면역세포 치료 분야에서 빠르게 활용 범위가 확대되었다.
이러한 안전성 향상 기술을 기반으로 렌티바이러스 벡터는 2024년 기준 ex vivo 유전자 치료 분야에서 기존 감마 레트로바이러스 벡터를 대부분 대체한 상태이다. 현재 렌티바이러스 플랫폼은 CAR-T 세포치료제, 조혈줄기세포 기반 유전자 치료제 및 다양한 세포·유전자 치료제 개발에 광범위하게 활용되고 있으며, 안정적인 유전자 발현과 우수한 형질전환 효율을 제공하는 핵심 전달체로 자리잡고 있다.
3. 아데노바이러스 벡터(Ad-based gene therapy)
아데노바이러스(Adenovirus, AdV)는 비피막형(non-enveloped) 이중가닥 DNA 바이러스로, 일반적으로 숙주 세포에서 일시적인 용해성 감염(lytic infection)을 유발한다. 레트로바이러스와 달리 숙주 게놈에 안정적으로 통합되지 않으며, 세포 내에서 에피솜(episome) 형태로 존재한다는 특징을 가진다. 이러한 특성으로 인해 삽입 돌연변이(insertional mutagenesis) 위험이 상대적으로 낮아 초기 유전자 치료 연구에서 중요한 전달체로 활용되었다.
초기 아데노바이러스 벡터는 1990년경 개발되었으며, 낭포성 섬유증(cystic fibrosis) 환자를 대상으로 한 초기 임상시험에 사용되었다. AdV 벡터는 높은 유전자 전달 효율(transduction efficiency)과 다양한 세포에 대한 감염 능력을 가지고 있어 초기에는 매우 유망한 플랫폼으로 평가되었다. 그러나 초기 세대 AdV 벡터는 바이러스 유전자의 상당 부분을 유지하고 있었기 때문에 강한 선천면역 및 적응면역 반응을 유발하는 문제가 있었다.
이후 이러한 한계를 개선하기 위해 대부분 또는 모든 바이러스 유전자를 제거한 high-capacity adenoviral vector(HC-AdV) 또는 gutless adenoviral vector가 개발되었다. HC-AdV는 면역원성을 감소시키고 더 큰 크기의 치료 유전자를 탑재할 수 있다는 장점을 제공하였다. 그러나 바이러스 캡시드(capsid) 단백질 자체에 대한 면역반응은 여전히 중요한 한계로 남아 있으며, 반복 투여 시 중화항체 형성과 염증반응이 발생할 수 있다는 문제가 지속적으로 제기되고 있다.
그럼에도 불구하고 AdV 벡터는 높은 전달 효율과 대용량 유전자 적재 능력 덕분에 암 치료와 백신 플랫폼 분야에서 중요한 역할을 수행해 왔다. 최근에는 코로나19 백신 플랫폼, 종양용해바이러스(oncolytic virus), 혈관신생 촉진 치료 및 면역항암 분야에서도 중요한 전달체로 활용되고 있다.
4. 아데노연관바이러스 벡터(AAV-based gene therapy)
아데노연관바이러스(Adeno-associated virus, AAV)는 작은 단일가닥 DNA 바이러스로, 현재 생체 내(in vivo) 유전자 치료 분야에서 가장 널리 사용되는 전달체이다. AAV는 자연적으로 자체 복제 능력이 없으며, 아데노바이러스와 같은 보조 바이러스(helper virus)가 존재할 때만 증식이 가능하다. 이러한 특성으로 인해 병원성이 낮고 비교적 안전성이 우수한 플랫폼으로 평가되어 왔다. 또한 AAV 벡터는 낮은 면역원성과 장기간 유전자 발현이 가능하다는 장점을 가지고 있어 단일 유전자 질환(monogenic disease) 치료에 적합한 전달체로 널리 활용되고 있다.
1990년대 후반 이후에는 자가 상보형(self-complementary) AAV 설계, 다양한 혈청형(serotype)의 발견, 조직 특이적 캡시드(capsid) 개발 등 기술적 발전이 이루어지면서 형질전환(transduction) 효율이 크게 향상되었다. 특히 각 혈청형마다 서로 다른 조직 친화성(tropism)을 가진다는 점이 밝혀지면서 간, 망막, 근육 및 중추신경계 등 특정 조직을 선택적으로 표적화하는 전략이 가능해졌다. 이후 다양한 조직을 표적으로 하는 AAV 기반 유전자 치료제가 개발되었으며, 현재 승인된 대부분의 생체 내 유전자 치료제는 AAV 플랫폼을 기반으로 하고 있다.
그러나 일부 질환에서는 충분한 치료 효과를 얻기 위해 고용량의 AAV 벡터 투여가 필요하며, 이에 따른 간독성(hepatotoxicity)과 면역반응 위험이 중요한 한계로 지적되고 있다. 특히 고용량 투여 시 선천면역 및 적응면역 반응이 유도될 수 있으며, 기존 항-AAV 중화항체(pre-existing neutralizing antibody)의 존재는 치료 효율을 감소시키는 요인으로 작용할 수 있다. 또한 반복 투여가 제한된다는 점 역시 중요한 과제로 남아 있다.
이에 따라 최근에는 인간 특이적 조직 친화성을 향상시키고 독성을 감소시키기 위한 AAV 캡시드 엔지니어링(capsid engineering) 연구가 활발히 진행되고 있다. 캡시드 변형을 통해 특정 조직 전달 효율을 높이고 면역 회피 특성을 강화하려는 시도가 이루어지고 있으며, 이를 기반으로 차세대 AAV 플랫폼 개발이 지속적으로 확대되고 있다.
5. 단순포진바이러스 벡터(HSV-based gene therapy)
단순포진바이러스(Herpes simplex virus, HSV) 벡터는 주로 신경계 질환 치료를 목적으로 개발되어 왔다. 특히 HSV-1은 신경세포에 대한 높은 친화성(neurotropism)과 잠복 감염(latency) 특성을 가지고 있어 신경조직을 표적으로 하는 유전자 전달에 적합한 플랫폼으로 평가된다. 이러한 특성으로 인해 HSV 벡터는 다양한 신경계 질환 치료 연구에 활용되어 왔으며, 동시에 종양용해 바이러스(oncolytic virus) 기반 치료 플랫폼으로도 개발이 진행되어 왔다. 실제로 일부 재조합 HSV 기반 치료제는 교모세포종(glioblastoma) 치료제로 승인되면서 임상적 활용 가능성을 입증하였다.
최근에는 COL7A1 유전자 변이에 의해 발생하는 이영양형 수포성 표피박리증(dystrophic epidermolysis bullosa, DEB) 치료를 목적으로 개발된 비복제성(non-replicating) HSV 유전자 치료제인 비쥬벡(VyjuvekⓇ, beremagene geperpavec, B-VEC)이 2023년 미국 FDA 승인을 획득하면서 HSV 플랫폼의 임상적 가치가 다시 주목받고 있다. 비쥬벡은 COL7A1 유전자를 피부 병변 부위에 직접 전달하는 최초의 도포형(topical) in vivo 유전자 치료제로 평가되며, 국소 적용만으로 상처 치유를 유도할 수 있다는 점에서 기존 유전자 치료제와 차별화된다.
HSV 벡터는 비교적 낮은 면역원성을 나타내어 반복 투여가 가능하다는 장점을 가지며, 큰 크기의 유전자도 탑재할 수 있어 다양한 치료 유전자 전달에 활용 가능성이 높다. 그러나 안정적인 잠복 감염 조절과 장기 안전성 확보, 그리고 비신경 조직으로의 적용 확대는 여전히 해결해야 할 중요한 과제로 남아 있다.
비바이러스성 전달 벡터
비바이러스성 전달 시스템(Non-viral delivery system)은 바이러스 벡터 대비 낮은 면역원성과 삽입 돌연변이 위험 감소라는 장점을 가진다. 초기에는 전달 효율이 매우 낮아 제한적으로 사용되었으나, 최근 기술 발전이 빠르게 이루어졌다. 특히 지질나노입자(lipid nanoparticle, LNP)는 siRNA, mRNA, CRISPR guide RNA 등 다양한 핵산 전달 플랫폼으로 발전하면서 가장 중요한 비바이러스성 전달체로 부상하였다.
코로나19 mRNA 백신의 성공은 LNP 기술 발전을 가속화한 대표적인 사례이다. 비바이러스성 전달 시스템은 일시적 발현과 높은 적재 용량이라는 장점 덕분에 유전자 편집 분야에서 특히 유용하게 활용되고 있다. 그러나 현재까지는 간(liver) 이외 조직에 대한 효율적 표적화가 제한적이라는 한계가 존재하며, 이를 극복하기 위한 조직 특이적 나노입자 개발 연구가 활발히 진행 중이다.
1. 지질 나노입자(LNP-based gene therapy)
지질 나노입자(Lipid nanoparticle, LNP) 전달 기술은 소형 간섭 RNA(siRNA), 메신저 RNA(mRNA) 및 CRISPR/Cas9 시스템과 같은 핵산 기반 치료제를 체내로 효과적으로 전달할 수 있게 하면서 유전자 치료 분야의 중요한 전환점을 마련하였다. LNP는 일반적으로 양이온성 또는 이온화 가능한 지질(ionizable lipid), 보조 지질(helper lipid), 폴리에틸렌 글리콜(PEG)-지질 및 콜레스테롤 등 네 가지 주요 구성 요소로 이루어지며, 이러한 성분들은 전달 효율, 세포 흡수, 콜로이드 안정성 및 구조적 안정성에 중요한 영향을 미친다.
2013년 Teresa Coelho 연구팀은 Dlin-MC3-DMA 기반 LNP가 우수한 전달 효율과 내약성을 가진다는 점을 보고하였으며, 이는 유전성 트랜스티레틴 매개 아밀로이드증(hereditary transthyretin-mediated amyloidosis, hATTR) 치료제인 파티시란(Patisiran, OnpattroⓇ)의 개발로 이어졌다. 파티시란은 2018년 미국 FDA 승인을 받은 최초의 LNP 캡슐화 siRNA 치료제로, 희귀 말초신경질환 치료를 위한 최초의 siRNA 기반 의약품으로 평가된다.
2. N-아세틸갈락토사민(GalNAc-based gene therapy)
N-아세틸갈락토사민(N-acetylgalactosamine, GalNAc) 기반 전달 기술은 현재 안티센스 올리고뉴클레오티드(ASO)와 소형 간섭 RNA(siRNA) 전달에 가장 널리 활용되는 핵산 치료제 전달 플랫폼 중 하나이다. GalNAc는 간세포 표면에 풍부하게 발현되는 asialoglycoprotein receptor(ASGPR)에 높은 친화성을 가지며, 이를 이용해 핵산 치료제를 간세포에 선택적으로 전달할 수 있다. 일반적으로 GalNAc는 siRNA 또는 ASO와 결합하여 단일 접합체(conjugate)를 형성하며, 이후 수용체 매개 세포내 섭취(receptor-mediated endocytosis)를 통해 간세포 내부로 전달되어 약리 작용을 나타낸다.
대표적인 GalNAc 기반 siRNA 치료제로는 기보시란(Givosiran,GivlaariⓇ)이 있다. 기보시란은 간세포 내 ALAS1 mRNA를 표적으로 하는 피하 투여 RNA 간섭(RNA interference) 치료제로, δ-아미노레불린산(ALA)과 포르포빌리노겐(PBG)의 축적을 감소시켜 급성 간성 포르피린증(acute hepatic porphyria, AHP)을 치료한다. 미국 FDA는 2019년 기보시란을 AHP 성인 환자 치료제로 승인하였다.
루마시란(Lumasiran, OxlumoⓇ)은 또 다른 GalNAc 기반 siRNA 치료제로, hydroxyacid oxidase 1(HAO1)을 표적으로 하여 옥살산(oxalate) 생성을 감소시킨다. 루마시란은 원발성 고옥살산뇨증 1형(primary hyperoxaluria type 1, PH1) 치료제로 2020년 FDA와 EMA 승인을 획득하였다.
인클리시란(Inclisiran, LeqvioⓇ)은 PCSK9 발현을 억제하는 GalNAc 기반 siRNA 치료제로, 고콜레스테롤혈증 및 죽상경화성 심혈관질환 환자의 LDL-콜레스테롤 감소를 목적으로 사용되며 2021년 FDA 승인을 받았다. 또한 부트리시란(Vutrisiran, AmvuttraⓇ)은 트랜스티레틴(transthyretin, TTR)을 표적으로 하는 GalNAc 기반 siRNA 치료제로, 유전성 트랜스티레틴 매개 아밀로이드증(hATTR amyloidosis) 환자의 다발성 신경병증 치료를 위해 2022년 미국에서 승인되었다.
최근 승인된 네도시란(Nedosiran, RivflozaⓇ)은 합성 이중가닥 siRNA 치료제로, 원발성 고옥살산뇨증(PH1) 환자의 요중 옥살산 수치를 감소시키는 치료제이다. 네도시란은 2023년 미국에서 비교적 신기능이 유지된 9세 이상 소아 및 성인 환자 치료제로 승인되었다.
GalNAc 플랫폼은 간세포 특이적 전달 효율이 매우 높고, 정맥주사 없이 피하 투여가 가능하며, 상대적으로 낮은 용량에서도 강력한 유전자 억제 효과를 나타낸다는 장점을 가진다. 이에 따라 현재 다양한 간 표적 RNA 치료제 개발에서 핵심 전달 기술로 활용되고 있다.
유전자 치료제의 임상 적용 및 상업화 상황은 어떠한가?
지금까지 유전자 치료 연구의 주요 표적 질환은 크게 두 가지 요소에 의해 결정되어 왔다. 첫째는 특정 세포나 조직을 얼마나 효율적으로 표적화할 수 있는가 하는 벡터 기술의 한계와 가능성이었고, 둘째는 해당 질환이 가지는 미충족 의료 수요(unmet medical need)의 크기였다.
이러한 관점에서 유전자 치료의 발전사는 단순한 기술 진보의 역사라기보다는, 질환 특성·벡터 생물학·제조 기술·안전성 문제·규제 환경이 상호작용하며 형성된 과정이라고 할 수 있다.
유전자 치료의 대표적 성공 사례 중 하나는 유전성 망막 질환이다. 특히 RPE65 결핍에 의한 유전성 망막 이영양증은 생명을 위협하는 질환은 아니지만, AAV 벡터의 망막색소상피세포에 대한 높은 형질전환 효율 덕분에 유전자 치료 개발이 빠르게 진행되었다.
대표적으로 AAV2 기반 치료제인 럭스터나(LuxturnaⓇ)는 망막하 주사(subretinal injection)를 통해 비교적 낮은 용량만으로도 높은 치료 효과를 나타냈으며, 2017년 FDA 최초의 AAV 유전자 치료제로 승인되었다.
이는 동일한 AAV 기반 치료제라도 뒤센 근디스트로피(DMD) 치료제 엘레비디스(Elevidys)와 비교할 때 요구되는 벡터 용량이 수천 배 이상 차이난다는 점에서 중요한 의미를 가진다. 이러한 사례는 질환 선택 과정에서 벡터 친화성(tropism), 조직 접근성, 제조 가능성, 고용량 투여 시 독성 문제 등이 얼마나 중요한 영향을 미치는지를 보여준다.
암
암은 유전자 치료 역사 전반에 걸쳐 가장 활발하게 연구된 적응증 중 하나이다. 암은 높은 사망률과 재발률로 인해 미충족 의료 수요가 매우 크며, 위험성이 존재하는 혁신적 치료법도 상대적으로 수용될 가능성이 높았다.
실제로 인간 유전자 전달을 최초로 임상적으로 적용한 사례는 1989년 미국 국립암연구소(NCI)의 Steven Rosenberg 연구팀이 수행한 전이성 흑색종 환자 대상 종양침윤림프구(TIL) 유전자 표지 연구였다. 이후 암 분야는 유전자 치료 연구에서 가장 큰 비중을 차지하게 되었으며, 전 세계 최초 승인 유전자 치료제 5개 중 4개가 암 치료제였다는 사실도 이러한 흐름을 보여준다.
특히 최근 암 유전자 치료에서 가장 중요한 발전은 CAR-T 세포치료제의 등장이다. CAR-T 치료는 일반적으로 환자의 자가 T세포를 채취한 후, 렌티바이러스 벡터를 이용하여 키메라 항원 수용체(CAR)를 발현시키고 이를 다시 체내에 주입하는 ex vivo 유전자 치료 방식이다. CAR의 세포외 도메인은 특정 종양 항원을 인식하는 단클론항체 유래 scFv(single-chain variable fragment)로 구성되며, 세포내 도메인은 T세포 활성화 신호 전달 구조를 포함한다.
CD19를 발현하는 B세포 급성림프구성백혈병 및 림프종에서는 매우 우수한 임상 효과가 입증되었으며, 이후 다발성골수종 등으로 적응증이 확대되었다. 2024년 기준 전 세계적으로 승인된 CAR-T 세포치료제는 11종에 이른다. 반면 고형암에서는 종양 미세환경의 면역억제성, 종양 침투의 어려움 등으로 인해 아직 제한적인 성과를 보이고 있다.
원발성 면역결핍증
원발성 면역결핍증(Primary immunodeficiency)은 유전자 치료 역사에서 가장 초기부터 연구된 분야 중 하나이다. 1990년 NIH에서 시행된 ADA 결핍 중증복합면역결핍증(ADA-SCID) 치료는 최초의 치료 목적 유전자 치료 임상시험으로 평가된다.
초기에는 감마 레트로바이러스 벡터를 이용해 자가 T세포에 ADA 유전자를 도입하였으며, 이후 조혈줄기세포(HSC)를 표적으로 하는 전략으로 발전하였다. 그러나 초기 치료에서는 형질전환 세포 비율이 낮고, 일부 환자에서 LMO2 원종양유전자 활성화에 의한 백혈병 발생 사례가 보고되면서 삽입 돌연변이 문제가 중요한 안전성 이슈로 부상하였다.
이후 SIN(self-inactivating) 렌티바이러스 벡터 개발을 통해 위험성을 감소시키면서 임상 적용이 확대되었고, ADA-SCID 치료제 스트림벨리스(StrimvelisⓇ)는 2016년 유럽에서 승인되었다. 다만 환자 수가 매우 적고 상업적 수익성이 제한적이라는 이유로 2023년 시장에서 철수하였다. 이는 희귀질환 유전자 치료가 임상적 성공과 상업적 성공이 반드시 일치하지 않는다는 점을 보여주는 대표적 사례이다.
심혈관 질환
심혈관 질환 역시 높은 유병률 때문에 초기부터 유전자 치료의 주요 표적이 되었다. 그러나 대부분의 심혈관 질환은 다인자성·다유전자성 질환이라는 특성을 가지기 때문에 단일 유전자 교정만으로 충분한 치료 효과를 얻기 어렵다는 한계가 있었다. 초기에는 혈관신생을 촉진하기 위한 성장인자 전달 전략이 활발히 연구되었고, 심부전에서는 SERCA2a나 adenylate cyclase type 6와 같은 유전자 조절 전략이 시도되었다.
최근에는 간 표적 siRNA 기반 치료제인 렉비오(LeqvioⓇ)는 PCSK9 발현을 억제하여 LDL 콜레스테롤을 감소시키는 치료제로 승인되면서 심혈관 분야에서 RNA 기반 유전자 치료의 새로운 가능성을 보여주었다. 특히 siRNA 기술은 2000년 당시에는 존재하지 않았던 플랫폼이라는 점에서 유전자 치료 기술 진화의 대표적 사례로 평가된다.
안과 질환
안과 질환은 최근 20년간 가장 빠르게 성장한 유전자 치료 분야 중 하나이다. 이는 AAV 벡터의 망막 내 전달 효율이 매우 우수하기 때문이다. 2000년 Hauswirth 연구팀은 망막하 주사를 이용한 AAV 유전자 전달의 높은 효율성을 이미 보고하였고, 이후 러긋터나(LuxturnaⓇ) 승인 이후 산업계와 학계의 관심이 급격히 증가하였다. 망막은 상대적으로 면역 특권(immune privilege) 환경을 가지며, 적은 용량으로도 치료 효과를 유도할 수 있어 유전자 치료에 매우 적합한 장기로 평가된다.
대사질환
대사질환(Inborn errors of metabolism)은 단일 유전자 결함에 의해 발생하는 경우가 많기 때문에 유전자 치료의 이상적인 표적 중 하나로 간주되어 왔다. 특히 간(liver)은 AAV 벡터에 대한 높은 친화성을 보이는 장기이기 때문에 혈우병 A·B, 요소회로질환, 폼페병 등의 치료 연구가 활발히 진행되었다. 혈우병 분야에서는 간세포에 응고인자 유전자를 전달하여 장기간 응고인자 발현을 유지하는 전략이 성공적으로 개발되었으며, 이는 간 표적 AAV 유전자 치료의 대표적 성공 사례로 평가된다. 그러나 고용량 전신 투여에 따른 간독성 및 면역반응은 여전히 중요한 제한 요소로 남아 있다.
중추신경계 질환
중추신경계(CNS) 질환 분야에서도 유전자 치료는 빠르게 발전하였다. 특히 AAV9 벡터가 혈뇌장벽(blood-brain barrier)을 통과할 수 있다는 사실은 중요한 전환점이 되었다. 이를 기반으로 개발된 척수성 근위축증(SMA) 치료제 졸겐스마(ZolgensmaⓇ)는 신생아 환자에서 뛰어난 치료 효과를 보였으며, CNS 질환 유전자 치료 상업화의 가능성을 입증하였다. 이후 파킨슨병, 헌팅턴병, 알츠하이머병 등 다양한 신경계 질환으로 연구 범위가 확대되고 있다.
근육 질환
근육 질환 분야에서는 뒤센 근디스트로피(DMD)가 대표적 적응증으로 부상하였다. DMD는 디스트로핀(dystrophin) 유전자 이상에 의해 발생하며, 대규모 환자 단체와 재단의 적극적인 연구 지원이 유전자 치료 발전을 촉진하였다. 최근 엘레비디스(ElevidysⓇ)의 FDA 승인 이후 근육 질환 유전자 치료에 대한 관심은 더욱 증가하였다. 그러나 근육 조직 전체에 충분한 유전자 전달을 위해서는 매우 높은 용량의 AAV 벡터가 필요하다는 점이 여전히 중요한 기술적·안전성 한계로 남아 있다.
폐 질환
폐 질환에서는 낭포성 섬유증(CF)이 가장 초기부터 유전자 치료 연구의 중심이었다. 실제로 AdV 및 AAV 벡터의 최초 인체 적용 사례도 CF 환자에서 수행되었다. 그러나 폐 조직으로의 안정적인 유전자 전달이 어렵고, 이후 CFTR 조절제와 같은 소분자 치료제가 등장하면서 폐 질환 유전자 치료 연구는 상대적으로 감소하였다. 최근에는 코로나19 팬데믹 이후 mRNA 및 LNP 기반 플랫폼이 백신과 호흡기 감염 치료에 활용되면서 폐 관련 유전자 전달 기술이 다시 주목받고 있다.
유전자 치료제의 제조와 품질관리(CMC)는 어떠한가?
유전자 치료제는 바이러스 벡터 또는 세포 기반 시스템을 이용하기 때문에 기존 합성의약품과는 다른 복잡한 제조 및 품질관리(Chemistry, Manufacturing and Controls, CMC) 체계를 요구한다. 제품의 구조적 복잡성과 공정 민감성이 높아 제조공정 자체가 치료제의 안전성 및 유효성에 직접적인 영향을 미친다.
유전자 치료제 제조의 핵심은 바이러스 벡터 생산이다. 현재 아데노연관바이러스(AAV), 렌티바이러스 및 레트로바이러스 등이 주요 전달체로 사용된다. 특히 AAV는 낮은 면역원성과 장기 발현 특성으로 가장 널리 활용되고 있으나, 생산 수율이 제한적이고 대규모 생산이 어렵다는 한계를 가진다. 일반적으로 HEK293 세포 기반 transient transfection 방식이 사용되며, 최근에는 생산 효율 향상을 위한 stable cell line 및 suspension culture 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.
세포 배양 공정은 유전자 치료제 제조의 핵심 단계로, pH, 용존산소(DO), 온도 및 nutrient feeding 조건이 제품 품질에 직접적인 영향을 미친다. 공정 중 세포 스트레스가 증가하면 벡터 생산성이 감소하거나 비정상 입자(empty capsid)가 증가할 수 있어 정밀한 공정 제어가 필요하다.
생산 이후에는 정제 및 품질평가 과정이 수행된다. 바이러스 벡터 제조 과정에서는 세포 유래 단백질, 잔류 DNA 및 비정상 입자 등이 함께 생성될 수 있으므로 chromatography 및 filtration 기반 정제 공정을 통해 제거해야 한다. 최근에는 치료 유전자를 포함한 full capsid와 empty capsid를 분리하는 고해상도 정제 기술이 중요하게 평가되고 있다.
품질평가에서는 identity, purity, safety 및 potency 평가가 핵심 요소이다. 특히 역가(Potency) 시험은 단순한 바이러스 입자 수가 아니라 실제 생물학적 활성과 치료 효과를 반영해야 하므로 cell-based assay 및 기능 평가 시험이 활용된다. 그러나 potency assay는 시험법 표준화와 변동성 관리가 어려워 유전자 치료제 CMC의 가장 도전적인 분야 중 하나로 평가된다.
유전자 치료제는 장기 안정성 문제도 중요한 과제이다. 바이러스 벡터는 온도 변화와 물리적 스트레스에 민감해 장기 보관 중 입자 응집 및 활성 감소가 발생할 수 있다. 이에 따라 엄격한 냉장·냉동 보관(cold-chain management)이 요구되며, 일부 제품은 초저온 유통 시스템이 필요하다.
현재 미 FDA에서 세포 및 유전자 치료제로 승인된 약제는?
2026년 4월 기준 FDA 승인 세포·유전자치료제는 기술적으로 CAR-T, TCR-T/TIL, ex vivo 유전자변형 조혈모세포치료제, in vivo 바이러스 벡터 유전자치료제, 조직공학·재생 세포치료제, 제대혈 유래 조혈모세포 제품으로 구분할 수 있다.
초기 승인 제품은 제대혈 및 자가 세포치료제 중심이었으나, 2017년 킴리아(KymriahⓇ)와 예스카타(YescartaⓇ) 승인 이후 CAR-T가 혈액암 치료의 대표 플랫폼으로 자리 잡았다.
이후 AAV 기반 in vivo 유전자치료제는 망막질환, SMA, 혈우병, DMD, AADC 결핍증, 유전성 난청으로 적응증을 확장하였다. 최근에는 카스게비(CasgevyⓇ)와 같은 CRISPR 기반 ex vivo 유전자편집 치료제, 테셀라(TecelraⓇ)와 같은 TCR-T, 암타그비(AmtagviⓇ)와 같은 TIL 치료제까지 등장하면서 세포·유전자치료제는 암, 희귀질환, 유전성 대사질환, 조직재생 영역으로 빠르게 확장되고 있다.
1. CAR-T 세포치료제
CAR-T 치료제는 환자 T 세포를 체외에서 유전적으로 조작해 암세포 항원을 인식하도록 만든 뒤 다시 주입하는 방식이다. 현재 승인 제품은 주로 혈액암에 집중되어 있으며, CD19 또는 BCMA를 표적으로 한다.
2. TCR-T 및 종양침윤림프구(TIL) 치료제
TCR-T는 세포 내 항원을 HLA를 통해 인식할 수 있으며, TIL 치료제는 종양조직에서 분리한 림프구를 증식시켜 재투여하는 방식이다. 고형암 치료 확장 가능성이 큰 차세대 세포면역치료 플랫폼으로 평가된다.
3. Ex vivo 유전자변형 조혈모세포 치료제
환자 조혈모세포를 체외에서 유전자 교정 또는 유전자 삽입 후 재주입하는 전략이다. CRISPR 기반 유전자편집 치료제와 lentiviral vector 기반 치료제가 포함된다.
4. In vivo 바이러스 벡터 유전자치료제
치료 유전자를 바이러스 벡터에 탑재하여 체내에 직접 전달하는 플랫폼이다. 현재 AAV 기반 치료제가 가장 큰 비중을 차지하며, 혈우병·망막질환·신경근육질환·희귀 유전질환 영역으로 확대되고 있다.
5. 비유전자변형 세포치료제 및 조직공학 제품
이 범주는 유전자 삽입보다 세포 자체의 면역조절·재생·조직복구 기능을 이용한다. 재생의학 및 조직공학 분야의 대표 플랫폼이다.
6. 제대혈 유래 조혈모세포 제품
제대혈 기반 조혈모세포 제품은 세포·유전자치료 분야의 초기 상용화 플랫폼 중 하나이다. 주로 조혈모세포 이식에 사용되며, 최근에는 ex vivo 확장기술 기반 제품까지 등장하고 있다.
유전자 치료제의 초고가 약가와 사회적 과제는 어떻게 해결하는가?
유전자 치료제는 단회 투여(one-time treatment)만으로 질환의 근본 원인을 교정하거나 장기간 치료 효과를 기대할 수 있다는 점에서 기존 의약품과 차별화되는 혁신적 치료법으로 평가된다. 특히 희귀 유전질환, 신경근육질환 및 일부 암 질환에서 기존 치료의 한계를 극복할 가능성을 제시하며 현대 의학의 중요한 전환점으로 자리잡고 있다. 그러나 이러한 혁신성에도 불구하고 초고가 약가로 인해 다양한 사회적 과제가 제기되고 있다.
현재 주요 유전자 치료제의 약가는 수억원에서 수십억원 수준에 이르며, 일부 AAV 기반 치료제와 CAR-T 세포치료제는 단회 치료 비용이 10억원 이상에 달한다. 이러한 높은 약가는 제한된 환자 수, 복잡한 제조공정, 바이러스 벡터 생산, 세포 조작 및 품질관리(CMC) 비용, 장기간 연구개발 투자 등이 복합적으로 반영된 결과이다.
유전자 치료제의 초고가 약가는 건강보험 재정에도 큰 부담을 초래한다. 기존 보험 체계는 반복적 약제비 지출 구조를 기반으로 하지만, 유전자 치료제는 단기간에 대규모 비용이 집중되는 특징을 가진다. 이에 따라 재정 지속가능성(sustainability)에 대한 우려와 함께 제한된 의료 재원을 특정 초고가 치료제에 집중하는 문제도 논의되고 있다.
이러한 문제를 완화하기 위해 위험분담제도(Risk Sharing Agreement, RSA)가 도입되고 있다. RSA는 제약사와 보험자가 치료 효과와 재정적 위험을 분담하는 제도로, 환급형, 성과기반형, 분할지불형 및 총액제한형 방식 등이 활용된다. 특히 치료 효과가 일정 기간 유지되지 않을 경우 약가 일부를 환급하거나 장기간 분할 지불하는 모델이 논의되고 있다.
그러나 RSA 역시 장기 추적관찰 필요성, 임상 성과 평가의 어려움 및 복잡한 계약 구조 등 여러 한계를 가진다. 또한 국가별 보험 체계 차이에 따라 동일 치료제라도 접근성과 급여 여부가 달라질 수 있다.
또 다른 문제는 접근성 격차(access disparity)이다. 초고가 치료제는 국가 간 및 사회경제적 계층 간 치료 기회의 불균형을 심화시킬 수 있으며, 이는 의료 형평성(equity) 및 사회 정의(social justice) 측면에서 중요한 윤리적 문제로 이어진다. 특히 희귀질환 환자는 치료 대안이 제한적이기 때문에 사회적 요구가 매우 높지만, 현실적으로 모든 환자에게 무제한적 치료 제공은 어렵다.
결국 유전자 치료제 시대에는 의학적 혁신뿐 아니라 사회적 합의(social consensus)가 필수적이다. 정부, 보험자, 제약사, 의료진 및 환자단체가 함께 치료 접근성과 건강보험 재정 안정성 사이의 균형점을 모색해야 하며, 현실적인 약가 정책과 새로운 지불 모델 구축이 필요하다.
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7. 기타 인터넷 자료(보도 자료, 제품 설명서 등).
2026-06-05 06:00:46
최병철 박사