- 기존보다 적은 용량으로도 강한 항체·면역세포 반응을 동시에 유도하는 고효율 백신 기술 구현 - mRNA 전달과 설계를 동시에 개선해 기존 백신의 용량·부작용 한계를 극복할 새로운 전략 제시
코로나19를 통해 익숙해진 mRNA 백신은 개발 속도가 빠르고 효과가 좋아 차세대 백신으로 손꼽히고 있다. 그러나 충분한 면역 효과를 얻기 위해서는 비교적 많은 양을 투여해야 하며, 용량이 증가할수록 발열이나 통증과 같은 부작용이 커질 수 있다는 한계가 있다.
한국생명공학연구원(원장 권석윤, 이하 생명연) 핵산치료제연구센터 차현주 박사 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 적은 용량으로도 높은 면역 반응을 유도할 수 있는 차세대 mRNA 백신 플랫폼 설계 방법을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 백신의 핵심인 mRNA를 몸속 세포에 잘 전달해주는 지질 나노입자와, mRNA가 더 잘 작동하도록 돕는 유전 설계 구조를 동시에 개선한 것이 특징이다.
mRNA 백신은 우리 몸의 세포 안으로 단백질을 만드는 설계도를 전달해 항원 단백질을 직접 만들어 면역력을 키우는 원리다. 하지만 mRNA는 몸속에서 쉽게 분해되고 세포막을 스스로 통과하기 어렵기 때문에, 이를 안전하게 감싸 보호하고 세포 안까지 운반해 줄 나노입자 기술이 필수적이다.
연구팀은 먼저 mRNA를 더 잘 전달할 수 있는 새로운 나노입자를 개발했다. 96종의 후보 물질을 비교한 결과 ‘H9T6’라는 새로운 물질이 기존에 사용되던 물질보다 세포 안으로 mRNA를 더 잘 전달하는 것으로 확인됐다. 특히 이 나노입자는 세포 안으로 들어간 뒤 mRNA가 작은 주머니 같은 공간(엔도좀)에 갇혀 분해되기 전에 단백질을 만드는 곳으로 잘 빠져나오도록 도와, 면역 단백질 생성이 크게 늘어나는 것으로 나타났다.
또한, 연구팀은 mRNA의 설계도까지 함께 개선했다. mRNA에는 단백질을 얼마나 많이, 얼마나 오랫동안 만들지를 결정하는 앞뒤 조절 구간(UTR)이 있는데, 연구팀은 수십만 개의 후보를 분석해 가장 효과적인 구조를 찾아 단백질 생성 능력을 크게 높였다.
새롭게 개발된 기술을 적용한 결과, 기존보다 적은 용량으로도 강한 항체 반응과 면역 반응이 동시에 나타나는 것을 확인했다. 또한, 여러 번 접종하는 상황을 가정한 안전성 검사(독성평가)에서도 특별한 부작용 없이 일시적인 반응 후 회복되는 모습을 보여 안정성도 확인됐다.
이번 연구는 단순히 하나의 백신 성능을 개선한 것을 넘어 mRNA 백신을 더 효율적으로 설계하는 새로운 개발 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 이는 향후 신종 감염병 대응뿐 아니라 암 백신 등 다양한 mRNA 기반 백신 및 치료제 분야로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.
연구책임자인 차현주 박사는 “이번 연구는 mRNA 전달 기술과 유전자 설계를 동시에 최적화함으로써 기존 백신의 한계를 보완할 수 있음을 보여준 사례”라며 “적은 용량으로도 높은 효과를 낼 수 있는 백신 개발의 기반이 마련된 만큼, 향후 다양한 감염병 대응과 차세대 백신 개발에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구 결과는 2026년 3월 3일 국제학술지 ACS Nano (IF 16.1)에 게재되었으며, (논문명: Comprehensive Engineering of Ionizable Lipid Nanoparticles and mRNA Elements for Next-Generation Vaccines / 교신저자: 생명연 차현주 박사, 미국 펜실베이니아대 Michael J. Mitchell 교수, KIT 황정호 박사, 충북대 김두진 박사/ 제1저자: 생명연 김정기 박사, 이동재 박사, 이성준 석사, 미국 펜실베이니아대 Junchao Xu 박사, KIT 송정아 박사) 국가과학기술연구회(NST) 융합연구단사업, 과기정통부 나노 및 소재기술개발사업, 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.
연구결과개요
□ 연구내용 ○ 연구팀은 단백질 아르지닐화 효소 ATE1(Arginyl-tRNA–protein transferase 1)가 유방암 진행에서 수행하는 역할을 규명하기 위해 TCGA 환자 데이터 및 다양한 유방암 세포주를 분석하였다. ○ 그 결과 ATE1 발현이 정상 유방상피세포보다 높게 나타났으며, 특히 조기 단계 환자에서 높은 ATE1 발현은 불량한 예후와 연관되어 있음을 확인하였다. ○ siRNA 및 shRNA를 이용해 ATE1을 억제한 결과, 유방암 세포의 생존력, 증식능, 이동능이 현저히 감소하였으며, 반대로 정상 세포(HMEC)에는 큰 영향을 미치지 않았다. 생쥐 이종이식(xenograft) 모델에서도 ATE1 억제 시 종양 성장 억제가 뚜렷하게 관찰되었다. ○ 단백질체학(proteomics)과 N-terminomics 분석을 통해 ATE1이 MAPK–MYC–CDK6 축을 조절하는 핵심 인자임을 확인하였다. 특히 루미날형 T-47D 세포에서 ATE1은 ERK 매개 Ser62 인산화를 통해 MYC 단백질을 안정화시켜 세포주기 진행을 촉진하고 세포사멸을 억제하였다.
□ 연구성과의 의미 ○ 본 연구팀은 mRNA 백신의 효율을 높이기 위해, 백신 성능을 좌우하는 두 축인 지질 나노입자(LNP) 전달체와 mRNA 비번역 조절구간(UTR)을 동시에 최적화하는 통합 전략을 수립하였다. 이를 통해 적은 용량으로도 높은 면역 효과를 유도할 수 있는 차세대 mRNA 백신 플랫폼 개발 가능성을 검증하였다. ○ 먼저 연구팀은 96종의 생분해성 이온화 지질 라이브러리를 구축하고, 이 가운데 H9T6를 차세대 전달용 지질로 선정하였다. H9T6 기반 LNP는 대표 비교 물질인 SM-102 대비 3.5배 이상 높은 수지상세포 전달 효율을 보였으며, 세포 내 엔도좀 탈출 능력도 향상되어 단백질 발현을 효과적으로 높이는 것으로 나타났다. ○ 이어 연구팀은 mRNA의 발현 효율을 높이기 위해 3′UTR과 5′ UTR 라이브러리를 대규모로 분석하였다. 그 결과, 63만 개 이상의 3′ UTR 변이와 6만 8천 개 이상의 5′ UTR 서열 가운데 단백질 발현과 안정성을 가장 효과적으로 높이는 조합을 선별하였고, 최종적으로 5B-8 UTR 구조를 도출하였다. 이 구조는 기존 상용 mRNA 백신에 활용된 비교 UTR보다 in vitro 및 in vivo에서 더 높은 항원 발현을 보였다. ○ 연구팀은 최적화된 H9T6 LNP와 5B-8 UTR을 결합한 mRNA 백신 후보를 제작하고, SARS-CoV-2 스파이크 항원을 이용해 면역원성을 평가하였다. 마우스 실험에서 이 백신 후보는 저용량(1.0 μg) 투여만으로도 강한 항체 반응과 세포성 면역 반응을 유도하였다. 특히 항체 반응은 주로 UTR 최적화 효과에 의해 강화되었고, T세포 반응은 지질 전달체와 UTR 설계가 함께 기여하는 것으로 확인되었다. ○ 이번 연구는 단일 요소 개선에 그치지 않고, 이온화 지질 설계, LNP 제형 최적화, UTR 공학을 하나의 백신 개발 파이프라인으로 통합했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 이를 통해 저용량·고효율·림프절 표적형 mRNA 백신 개발의 일반화 가능한 설계 프레임워크를 제시하였다.
그림 1. 차세대 저용량 mRNA백신 플랫폼 모식도 ※ Gemini에 의해 생성된 이미지 지질 나노입자와 mRNA 설계를 동시에 개선해 백신 효율을 높인 차세대 기술을 보여준다. 새로운 H9T6 지질을 적용한 나노입자는 mRNA를 세포 안까지 더 효과적으로 전달하고, mRNA의 조절 구조를 최적화해 단백질 생성 능력을 향상시켰다. 이를 통해 적은 용량으로도 강한 항체 반응과 면역세포 반응이 동시에 나타났으며, 반복 투여 상황에서도 안정성이 확인돼 차세대 백신 기술로의 활용 가능성을 제시한다. [사진=한국생명공학연구원]
그림 2. H9T6/5B-8-spike mRNA 백신의 체액성 및 세포성 면역반응 평가 a. C57BL/6 암컷 마우스를 대상으로 day 0과 day 21에 근육주사로 백신을 투여하고, day 20 및 day 34에 혈액을 채취한 뒤 day 35에 비장을 수집한 면역화 실험 일정 b. 1차 및 2차 면역 후 3주차 혈청에서 측정한 SARS-CoV-2 spike 특이적 IgG 항체 반응 비교 c. 2차 면역 후 5주차 혈청에서 측정한 SARS-CoV-2 spike 특이적 IgG 항체 반응 비교 d. 5주차 비장세포에서 측정한 IFN-γ 분비 세포 수를 통한 spike 특이적 세포성 면역반응 비교 e. 각 군의 IFN-γ ELISPOT 결과 대표 이미지. H9T6/5B-8 조합이 가장 강한 T세포 반응을 유도함 [사진=한국생명공학연구원]
그림 3. mRNA 백신 후보의 반복투여 독성 평가 a. ALC-0315/BioNTech, ALC-0315/5B-8, H9T6/5B-8 mRNA 백신을 랫드에 주 1회씩 2회 근육주사하고, day 12/13 및 day 22에 희생시켜 평가한 독성시험 설계 개요 b. 각 실험군의 체중 변화 추이 c. 반복투여 후 측정한 혈액학적 지표(hematological parameters) 분석 결과 d. 고용량 투여군 수컷 랫드의 서혜부 림프절(iLN) 조직병리 이미지. 화살표는 세포사멸(apoptotic cells) 및 단핵세포 침윤(mononuclear cell infiltration)을 나타냄 e. 고용량 투여군 수컷 랫드의 주사 부위 근육 조직병리 이미지. 확대 이미지를 통해 국소 조직 반응을 확인함 [사진=한국생명공학연구원]
용어설명 1. mRNA 백신 ◦ 세포가 특정 단백질을 만들 수 있도록 유전정보를 담은 메신저 리보핵산(mRNA)을 체내에 전달해 면역 반응을 유도하는 백신. 2. 지질 나노입자(LNP, Lipid Nanoparticle) ◦ mRNA를 외부 환경으로부터 보호하고 세포 안으로 효과적으로 전달하기 위해 사용하는 지질 기반의 초미세 입자. 현재 mRNA 백신과 핵산치료제 전달에 널리 활용. 3. 이온화 지질(Ionizable lipid) ◦ 지질 나노입자의 핵심 구성 성분으로, 특정 환경에서 전하를 띠며 mRNA와 결합하고 세포 내부 전달을 돕는 물질. 전달 효율과 안전성에 큰 영향을 미침. 4. UTR(Untranslated Region, 비번역 조절 구간) ◦ mRNA에서 단백질로 번역되지는 않지만, mRNA의 안정성, 번역 효율, 단백질 생성량을 조절하는 중요한 서열 구간. 5′ UTR과 3′ UTR로 구분됨. 5. 엔도좀 탈출(Endosomal escape) ◦ 세포 안으로 들어간 mRNA가 엔도좀에 갇히지 않고 세포질로 빠져나와야 실제 단백질 생성이 가능해지는 과정을 말함. 핵산 전달 효율을 결정하는 중요한 단계임. 6. 반응원성(Reactogenicity) ◦ 백신 접종 후 나타날 수 있는 발열, 통증, 피로감 등과 같은 일시적 생리 반응을 의미한다. 일반적으로 면역 활성화 과정에서 나타날 수 있음.
출처: [BRIC Bio통신원] 적게 맞아도 더 강하다… 저용량·고효율 mRNA 백신 플랫폼 기술 개발
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