세포 염색체 내 특정 유전자 서열의 변이로 인해 발병되는 질환은 해당 변이를 교정하거나 정상 유전자를 인위적으로 발현시킴으로써 치료적 접근이 가능합니다. 이러한 유전자 치료의 실현을 위해서는 치료 유전자를 안정적으로 탑재하고 문제가 발생한 체내 장기 혹은 세포에 정확히 도달시킬 수 있는 유전자 전달 벡터 제작 기술이 핵심입니다. 기존 연구는 대부분 타겟 세포의 리셉터와 벡터의 상호작용을 개선시킴으로써 유전자 전달 효율을 향상시키는데 집중해왔습니다. 하지만, 외부에서 전달된 유전자를 세포 내에 전달하고 해당 유전 정보를 발현시키기 위해서는 세포막 통과 이외의 다양한 메커니즘에 대한 이해가 필요합니다. 무엇보다도 체내는 정적상태(static)가 아닌 동적(dynamic) 환경으로 구성되어 있고 목표 조직에 유전자 전달체를 도달시키기 위해 극복해야 하는 다양한 물리-화학적 장벽들(예: 점성을 띈 점액층 분포, 다양한 ions/gas/antibodies/유무기물 존재, 밀도 높은 ECM, shear stress, pH 차이, 여러 세포층 분포 등)이 존재하기 때문에 세포막 리셉터와의 친화력 향상 전략만으로 체내 유전자 전달체 주입 후 목표 조직으로의 정밀 타겟팅을 유도하는 것은 매우 제한적이라 할 수 있습니다. 또한, 소형동물 위주의 전임상 이후 임상 전환 시에는 소형동물 – 인체 간 스케일 차이로 인한 절대적 거리차가 발생할 수 있기 때문에 인체 적용 시에는 물리적 거리 및 장벽이 유전자 치료제의 효용성을 저하시킬 수 있는 제한적 변수로 작용할 수 있습니다. 따라서, 타겟 정밀 전달을 위해서는 타겟 세포막과의 특이성 향상 전략과 더불어 물리-화학적 장벽을 효율적으로 투과 및 이동할 수 있는 운동 성능을 지니거나 외부자극에 자발적 대응을 할 수 있는 벡터를 개발하는 것이 현실적인 정밀 타겟팅 방법이 될 것입니다. 이러한 신개념 벡터의 성공적인 개발을 통해 벡터 시장을 선도할 수 있는 차별화된 차세대 유전자 전달체를 보유할 수 있는 계기가 될 수 있을 것으로 기대합니다.

본 연구에서는, 최근 Leber’s congenital amaurosis (LCA) 치료제인 Luxturna와 spinal muscular atrophy (SMA) 치료제인 Zolgensma의 혁신적인 치료 효과와 성공적인 상용화 진입을 통해 안전성과 효율성을 입증 받은 아데노부속바이러스(adeno-associated virus: AAV)를 유전자 전달체로 활용합니다. 자연계 진화 방법을 모방하여 새로운 기능을 지닌 단백질 발굴에 활용할 수 있는 directed evolution 기법(2018년 노벨화학상: Professor Francis Arnold)을 새로운 AAV 벡터 개발 전략에 적용합니다. 다양한 분자생물학적 기법을 통해 AAV 캡시드에 무작위 변이가 존재하는 바코드 라이브러리를 구축하고, 목표 세포 특이성 뿐만 아니라 운동성능 및 외부 자극에 대한 반응성을 다중 선별압으로 사용함으로써 세포 특이성 및 운동성을 동시에 지닌 새로운 개념의 AAV 전달체를 발굴하고자 합니다. 실험적 접근을 통해 다기능을 지닌 캡시드 서열 정보를 밝혀내는 것은 제한적이기 때문에 바코드에 대한 NGS분석과 기계적 학습법을 도입하여 세포 특이성 뿐만 아니라 체내 운동성과 외부 자극 반응성을 유도할 수 있는 AAV캡시드 서열에 대한 확대된 예측 정보를 얻음으로써 AAV 유전정보와 목표 기능에 대한 연계성에 대한 데이터베이스도 구축하고자 합니다. 이러한 아이디어는 벡터의 물리적 이동성이 절실하게 필요한 대표 장기인 망막과 뇌에 적용해 보고자 합니다. 안구의 유리체강 내 주입 후 점성을 띈 유리체 장벽과 다양한 세포층을 투과하여 시세포 및 망막색소상피세포에 대한 특이적 유전자 전달이 가능한 벡터를 발굴하여 새로운 전달 전략이 도입된 망막질환 AAV 치료제 개발에 도전하고자 합니다. 또한, 혈관주입 후 물리적 제한 요소인 뇌혈관장벽을 투과하고 뇌내 특정 세포 타겟팅 효과를 도출할 수 있는 새로운 AAV 벡터도 발굴하고자 합니다. 본 연구를 통해 발굴된 AAV벡터의 신개념 타겟팅 기술을 적용하여 망막질환 치료제 및 뇌혈관장벽 투과 기술 개발에 도전함으로써 기술 선진국의 유전자 치료기술의 unmet need를 넘어설 수 있는 혁신적인 치료법을 제시할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.