유전자치료제의 최근 동향에 관하여

오송첨단의료산업진흥재단 신약개발지원센터 이태규

유전자치료제 연구개발의 위기와 르네상스
유전자치료제(Gene therapy)연구는 바이러스를 이용한 유전자전달이 가능해지면서 희귀유전병 분야에서부터 먼저 시작되었다. 이 치료법은 1990년에 Adenosine deaminase(AD) 유전자 결핍으로 인해서 생긴 중증 복합형 면역결핍 증후군(SCID)을 지닌 4세의 Ashanti DeSilva에 첫 유전자치료제 임상실험을 한 후 그 가능성을 처음 확인하였다. 하지만 이 이 경우 T 세포에 투여하였기에 효과가 오래 지속되지 못했다. 이후 연구진들은 환자의 CD34+ hematopoietic stem cell(HSC, 조혈모세포)에 결핍유전자를 전달하여 이 질병을 치료하고자 했다. 2002년 프랑스의 연구진들이 결핍 유전자를 감마레트로바이러스 벡터(gamma-retroviral vector)를 이용하여 체외(ex vivo)로 조혈모세포에 전달한 후 이를 이식한 9명의 환자 중 4명에서 T cell leukemia(백혈병)가 발생하였고, 한 명은 사망하였다. 그 원인을 분석한 결과 proto-oncogene LMO-2근처에 바이러스유전자가 삽입되었기 때문이었다. 또 다른 사고가 1999년 펜실베니아대학 Wilson 연구진들의 임상연구에서 발생하였다. 이 경우 adenovirus에 ornithine transcarbamylase 유전자를 넣어 간에 직접 투여한 후 심각한 면역반응으로 사망하였다. 따라서 당시 과학계와 투자가 사이에서는 유전자치료제가 아직 덜 완성된 기술이라고 규정하였다.

그러면 현재와 같이 다시 임상개발이 활발해진 유전자치료제 연구는 어떻게 가능하게 되었는가? 이에 대한 답은 효능과 안전성을 많이 높인 벡터개량에서 찾을 수 있다. 그 동안 많이 사용된 레트로바이러스 벡터의 LTR 프로모터활성을 없앤 SIN(Self-inactivating) vector를 도입하여 백혈병 유발을 낮추었다. 또한 HIV에서 유래된 lentiviral vector를 이용하여 분열하지 않는 세포에도 유전자를 넣을 수 있게 되어 조혈모세포(HSC)에도 유전자전달이 용이해졌다. 그리고 lentiviral vector는 숙주 DNA의 regulatory 부위 보다는 유전자 안에 많이 들어가는 경향이 있어서 백혈병 유발이 감마레트로바이러스 벡터에 비해 훨씬 낮은 경향이 있다. 따라서 체외(ex vivo)로 유전자를 전달하는 임상실험에서는 SIN-lentiviral vector를 많이 사용하고 있다. 한편 체내에 직접 투여하는 유전자치료제로 많이 사용된 아데노바이러스 벡터는 면역반응을 크게 일으키기에 더 이상 사용을 안하고, AAV (adeno-associated virus)에서 유래된 AAV2 벡터를 많이 사용하고 있는 추세다. 특히 AAV serotype 연구를 통해 발굴된 AAV8는 간에 유전자를 전달하는 효율이 매우 높다. 하지만 체내에 바이러스를 투여하면 면역반응이 일어날 수 있기에 임상프로토콜을 작성시 항염증제와 스테로이드계열 약물을 포함시킨 것도 임상효과를 올리는데 기여하였다. 따라서 벡터의 효능 및 안전성 향상, 그리고 적절한 임상디자인과 더불어 유전자치료에 적합한 질환을 선정한 것이 유전자치료제 임상이 많아진 요인이라 볼 수 있다.

세계에서 가장 비싼 약물 Glybera
지금까지 허가된 약물은 유럽에서 허가된 Glybera(2012.11)와 Strimvelis(2016.5)이다. 네덜란드의 uniQure 사에서 출시한 Glybera는 LPL(Lipoprotein lipase) 유전자가 결핍되어 지방분해를 못하는 환자에 AAV1벡터를 이용해서 근육에 LPL 유전자를 직접 전달하는 치료제이다. 환자수는 유럽에 250명 정도 있는 희귀질환이다. 면역억제제를 같이 사용한 임상결과를 보면, 투여 후 12주까지 TG(triglyceride)가 감소하였고 이후 다시 원상태로 되었다. 그러나 근육에서 LPL이 3년간 발현되었고, 특히 pancreatitis가 감소되어 환자가 병원에 실려오는 횟수가 많이 줄어들었다. 하지만 가격은 환자 당 백 만불(US $)로 매우 비싸 유전자치료제의 적정한 가격정책에 대한 논쟁을 불러 일으켰다. 또 다른 약물인 Strimvelis(GSK)는 Adenosine deaminase가 없는 ADA-SCID환자의 피에서 CD34+ 조혈모세포를 얻어서 감마레트로바이러스를 이용하여 ADA 유전자를 전달한 후에 다시 환자에 주입하는 방식의 약물이다. 그러나 벡터삽입으로 인한 백혈병 유발여부를 장기간 관찰할 필요가 있고 이 약물 또한 가격이 매우 높을 것으로 보는데, GSK사는 몇 년간 나누어서 내거나 risk-sharing program을 통해 효과가 없으면 refund를 하는 가격정책을 세우고 있다. 

환자에서 분리한 조혈모세포에 유전자를 전달하는 기술
Strimvelis처럼 환자에서 분리한 CD34+ 조혈모세포에 렌티바이러스벡터를 이용하여 체외로 유전자를 전달하는 방법은 X-중증 복합형 면역결핍증증후군(X-SCID), 베타지중해빈혈(beta-thalassemia), Wiskott-Aldrich syndrome, Adrenoleukodystrophy 임상연구 등에 활용되고 있다. 최근에 각광 받고 있는 CAR(Chimeric antigen receptor)를 이용한 T-cell 면역요법(immunotherapy)도 이 분야에 속한다고 볼 수 있다. 특히 Bluebird(Cambridge, 미국)사는 lentiviral vector를 이용하여 CCALD(childhood cerebral adrenoleukodystrophy)환자가 필요로 하는 ALD 단백질을 제공하는 Lenti-D 후보약물을 임상 2/3상 중에 있다. ALD단백질은 ABCD1 유전자에 의해 만들어지고, 부족하면 VLCFA (very long chain fatty acid)가 축적되어 뇌신경을 둘러싸고 있는 myelin이 파괴되는 질병이다. Bluebird사는 beta-thalassemia major환자에서 CD34+ 조혈모세포를 꺼낸 다음 SIN-lentiviral vector로 beta-globin을 공급하는 Lenti-Globin BB305도 임상 3상 중에 있다. 이 두 약물은 2018-2019년에 미국 내에서 출시 될 것으로 예상하고 있으며 이전 약물과 달리 Lenti-D의 경우 2.5억불, LentiGlobin의 경우 40억불로 매출규모가 상당히 높을 것으로 보고 있다. 

유전자치료기술로 혈우병치료가 가능한가?
유전자를 체내에 직접 투여하는 데는 높은 역가로 제조할 수 있는 AAV벡터가 많이 사용되고 있다. 유전자치료에 쓰이는 AAV벡터는 세포 유전자에 끼어들어가지 않기 때문에 분열하지 않는 근육, 간, 신경 조직세포에 유전자를 전달할 때 사용한다. 과거에는 아데노바이러스를 임상시험에 많이 사용하였지만, 면역성유발로 심각한 부작용을 일으키기에 더 이상 사용하지는 않는 추세이다. 간에 유전자를 직접 전달하는 대표적인 예로 혈우병(hemophilia)을 들 수 있다. 이 유전질환은 혈액응고인자인 Factor VIII(FVIII)가 부족한 A 타입, Factor IX(FIX)이 부족한 B 타입으로 나눌 수 있다. 특히 FIX는 간세포에서 만들어지고 cDNA 크기가 1.4kb 이어서 AAV벡터로 충분히 전달할 수 있기에 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 반면에 FVIII cDNA는 8kb 이상 되기에 직접 AAV 벡터에 넣을 수는 없고 FVIII의 불필요한 부위를 제거하거나, 유전자를 두 벡터로 나누어서 세포 안에서 합치는 방법 등을 사용하고 있다. 혈우병 유전자치료제 분야는 여러 회사가 매우 경쟁적으로 임상개발 중이다. 특히 이 분야에서 첫 주자였던 Baxalta(Deerfield, 미국)는 AAV8 에 FIX-Padua유전자(정상 FIX보다 효소활성이 6배 높은 R338L 돌연변이)를 넣은 BAX-335를 임상 1/2 단계까지 하였으나, 회사가 Shire에 인수되면서 임상을 중단하였다. Spark Therapeutics사(Philadelphia, 미국)는 FIX-Padua유전자를 자체적으로 개발한 AAV벡터에 넣은 SPK-9001을 Pfizer와 $280M 규모의 계약을 맺고 공동으로 임상 1/2상 중에 있다. 특히 Spark사는 체내에 존재하는 중화항체를 없애기 위해 바이러스 capsids로 구성된 decoy를 넣는 전략도 사용하는 것으로 알려져 있다. Spark사는 또한 FVIII을 발현하는 SPK-8011도 자체적으로 임상 1/2상중에 있다. uniQure(Amsterdam, 네덜란드)사는 AAV5벡터를 이용해 FIX를 발현하는 AMT-060을 임상 1/2상 중에 있다. J. Wilson이 설립한 RegenX사와 Fidelity Bioscience가 공동 투자하여 만든 Dimension Therapeutics사(Cambridge, 미국)는 FVIII을 AAV 벡터에 넣어 간에 투여하는 DTX201을 임상준비 중에 있고, FIX를 AAVhr10에 넣은 DTX101을 임상 1/2상 중에 있다. DTX201은 Bayer사와 $252M 규모의 계약을 맺고 공동연구 중이다. 한편 Biomarin사(San Rafael, 미국)는 FVIII을 발현하는 AAV벡터 BMN 270을 임상 1/2상 중에 있고, 최근 결과를 바탕으로 2017년 중에 임상 2b를 계획 중에 있다. 

다음 유전자치료제는 망막질환 치료 분야에서 나올 수 있을까?
유전성 희귀질환인 망막질환도 유전자치료 연구가 매우 활발히 진행되고 있는 분야이다. 특히 망막은 면역관용부위(immune privileged site)이기에 넣어 준 바이러스벡터로 인한 염증면역반응이 잘 일어나지 않는다. 현재 200여개의 유전자가 유전성 망막질환(IRD, Inherited retinal disease)을 일으킨다고 보고되어 있고, 대부분 희귀질환에 속한다. RP(Retinal pigmentosa), LCA(Leber congenital amaurosis), CRD(Cone rod dystrophy), JMD(Juvenile macular degeneration), CHM(Choroideremia) 등의 질환이 있으며, 30여 유전자가 관여하는 RP 가 가장 흔한 질환이다. LCA는 19개 유전자가 관여하고 있고, 증상은 RP보다 심각하여 어려서 실명에 이르게 된다. 이 분야의 선두주자인 Spark사는 LCA 질환 20%를 차지하는 돌연변이 RPE65(all-trans-retinyl ester isomerase)를 교정하는 유전자를 AAV2벡터에 넣은 약물후보 Voretigene neparvovec(SPK-RPE65)의 임상3상을 완료하였고, 2017년에 BLA(Biologics Licensing Application)을 할 예정이다. 또한 이 회사는 CHM 돌연변이를 치료하기 위해 CHM(REP-1)유전자를 AAV2 벡터에 넣은 약물후보 SPK-7001을 임상 1/2 상 중에 있다. 미국과 유럽 내에 RPE65로 인한 LCA환자는 3,500여명, CHM 환자는 12,000 여명이 있다. 또 다른 CHM 치료제 후보는 NightstaRx(London, UK) 사의 AAV2-REP1로서 임상 1/2상 결과를 바탕으로 30여명의 환자에서 임상2상 중에 있다. 한편 시력을 잃게 되는 원인 중 하나로 미토콘드리아의 NADH dehydrogenase(ND) 1, 4, 6 유전자의 돌연변이를 들 수 있다. 이로 인해 생긴 질환을 LHON(Leber hereditary optic neuropathy)이라고 하고, GenSight사(Paris, France)에서 AAV2에 ND4 유전자를 넣어서 GS010 치료제 후보물질을 제조하였다. 이때 ND4 mRNA가 미토콘드리아에 도달할 수 있도록 MTS(mitochondria targeting sequence)를 붙여서 ND4 단백질이 미토콘드리아에서 만들어 질 수 있도록 디자인 한 점이 특징이다. 현재 임상 3상 중에 있다. 유전성 망막질환 외에 나이가 들면서 생기는 습성 황반변성(wet AMD, age-related macular degeneration)은 망막(retina)을 둘러싸고 있는 맥락막(choroid)에서 생긴 불완전한 혈관에서 출혈이 생기면서 망막 수용체가 기능을 잃게 되는 질환이다. 따라서 혈관생성을 유도하는 VEGF를 억제하는 Lucentis, Avastin를 치료제로 사용하고 있으나, 4주-8주마다 안구에 주사를 해야 하는 불편함이 있다. 이를 유전자요법으로 치료하고자 Oxford BioMedica(Oxford, UK)는 angiostatin과 endostatin을 발현하는 lentiviral vector OXO-201(RetinoStat)의 임상 1상을 통해 8명에서 치료용 단백질이 2.5년동안 발현됨을 보고하였다. 이는 인간에 lentiviral vector를 투여한 최초의 임상실험이었다.

Genzyme(Sanofi와 2011년 합병)은 sFLT1의 domain2와 Fc를 융합한 단백질을 AAV2를 이용하여 발현시켜 VEGF의 기능을 막는 전략으로 임상 1상 중이다. 따라서 안질환 특히 망막질환의 치료는 주로 유전병에 집중하여 AAV에 정상 유전자를 넣어 눈에 투여하는 방식으로 치료하고자 하고 있고 Voretigene neparvovec(Spark사)가 곧 허가를 받을 것으로 예상된다. 환자가 급증하는 황반변성의 경우 혈관생성을 억제하는 물질을 AAV에 넣어서 치료하는 방법을 연구개발하고 있으나 유전병을 치료하는 방식이 아니기에 질환에 대한 연구도 좀 더 진행되어야 할 것으로 본다. 

유전병이 아닌 질병에도 유전자치료제가 가능한가?
지금까지 살펴본 유전자치료는 대부분 유전병을 목표로 삼고 있다. 그러면 위에서 언급한 황반변성 연구개발처럼 유전병이 아닌 일반 질환도 유전자치료제가 가능한지 알아보기 위해 여러 회사가 시도하고 있다. Voyger Therapeutics(Cambridge, 미국)사는 파킨슨병을 치료하기 위해 AAV2 벡터에 AADC(L-amino acid decarboxylase) 유전자를 넣어 파킨슨질환의 dopaminergic neuron에서 줄어드는 AADC를 공급해 주고자 하였다. 이 효소는 환자에 투여하는 levodopa를 뇌에서 dopamine으로 바꾸어 준다. VY-AADC01의 임상1상 중간결과 운동기능 향상이 있었고, 6-12개월 지속됨을 확인하였다. 또한 이 회사는 전임상 프로그램에 근위축성 측색 경화증(ALS, Amyotrophic lateral sclerosis)의 원인인 돌연변이 SOD1(Superoxide dismutase 1)의 발현을 억제하기 위해 AAV2벡터 안에 RNAi를 도입하였다. RNAi로 Huntington disease의 원인이라고 여기는 hungtingtin의 발현억제, 통증치료를 위한 sodium ion channel Nav1.7의 발현억제도 전임상 중에 있다. Oxford Biomedica는 파킨슨질환을 치료하기 위해 도파민 생성에 중요한 3개 효소를 lentiviral 벡터에서 발현시킨 Prosavin을 임상 1/2상 수행하였으나 더 강력한 벡터인 OXB-102로 바꾸어서 전임상 연구 중이다. 그러나 심장질환을 연구하고 있는 Celladon 사(San Diego, 미국)는 SERCA2a (sarcoplasmic reticulum Ca+2 ATPase)를 AAV1 벡터에 넣은 Mydicar의 임상 2b 실험에서 실패하였다. 이후 이 회사는 Eiger Biopharm사에 인수되었다. 이처럼 일반 질환은 한가지 유전자로 인해 생기는 경우가 낮고 대신 여러 유전자나 환경적 요인이 관여하여 생기는 경우가 많기에 유전자요법으로 접근하기가 쉽지 않기에 질병의 기작 연구가 필요하다고 본다.

앞으로 해결할 문제점과 새로운 기술의 등장
유전자치료의 제2 르네상스는 벡터의 개발과 희귀 유전질환에 임상연구를 집중하면서 이루어졌다. 그러나 SIN-lentiviral vector가 이전 gamma-retroviral vector에 비해 많은 장점이 있지만, 벡터삽입으로 인한 돌연변이 가능성이 완전히 없어진 것은 아니다. AAV 벡터도 간에 투여된 이후 delayed cell-mediated 면역반응이 생겼는데, 이에 대한 연구가 더 필요하다. 그리고 AAV 바이러스 serotype의 연구를 통해 질환 특이성을 지닌 벡터개발도 필요하다고 본다. 유전자벡터의 효능성과 안전성은 더 증가되어야 할 것이며, 벡터 제조와 분석기술의 발전도 필요하며 특히 임상시험용 벡터의 표준화도 필요할 것이다. 바이러스벡터를 사용할 경우 여전히 면역성유발 가능성으로 인한 벡터의 효능감소와 안전성문제가 생길 수 있다. AAV 벡터의 경우 현재까지 큰 부작용을 일으키지 않았지만, 드물게 유전자 안에 들어갈 수 있기에 germ line등에 들어 갔는지의 유무를 장기간 관찰해야 할 것이다. 현재 나와 있는 두 가지 약물의 가격이 매우 비싸기에 이에 대한 가격정책도 관계자들이 모여 좀 더 유연한 정책을 세워야 할 것이다. 본 논고에서는 희귀 유전질환을 중심으로 최근 진행중인 유전자 치료제 동향을 살펴 보았다. 유전병 환자수가 제한 되어 있어 이 분야에서 유전자치료제의 시장 확장성은 크다고 볼 수는 없지만, 기존 약물이 치료할 수 없는 경우 환자에 주는 혜택이 매우 크기에 지속적으로 유전자치료제가 개발 될 것이다. 또한 일반 질병의 기작도 더 상세히 연구되면 유전자치료제로 개발할 수 있는 가능성도 높아진다고 볼 수 있다. 이 같은 방법 외에 T 세포에 lentiviral 벡터를 이용해 유전자를 넣어서 항암치료를 하는 CAR-T 치료법도 새로운 항암치료제로 등장하였다. Kite사의 KTE-C19, Juno사의 JCAR 015, U. Penn과 Novartis사의 CTL109가 FDA로부터 Breakthrough therapy로 지정 받았다. KTE-C19은 FDA에 BLA신청에 들어갔으며(2016.12), 다른 치료제도 올해 허가신청 할 것으로 본다. 그리고 유전자를 editing하는 기술인 CRISPR/Cas9 시스템을 이용하여 중국의 Lu You(Sichuan 대학)팀은 2016년 10월 PD-1의 기능을 없앤 면역세포를 키워 폐암환자에 투여하는 임상실험을 시작하였다. CRIPSR/Cas9 시스템은 차세대 유전자치료제로 불릴 만큼 매우 큰 영향력을 지니고 있어 Editas Medicine(Cambridge 미국), Intellia Therapeutics(Cambridge, 미국), Crispr Therapeutics(Cambridge, 미국), Caribou Bioscience(Berkeley, 미국)등의 회사가 설립되어 치료제에 응용하기 위해 연구개발중에 있고, 앞으로 많은 연구결과가 나올 것으로 본다.

참고문헌
1)    Gene therapy returns to centre stage. Nature 2015 Oct. 15 Vol 526:351-360
2)    Clinical development of gene therapy: results and lessons from recent success. Molecular Therapy-Methods & Clinical Development. 2016 May 25 Vol 3:16034  doi: 10.1038/mtm.2016.34
3)    Gene therapy: Moving toward commercialization. Insight Pharma reports. 2015 Nov. published by Cambridge Healthtech Institute. 
4)    CRISPR therapeutics push into human testing. Nature Biotechnology 2017 Jan. Vol 35:3-4
5)    Gene therapy company web sites: 
Blubirdbio (https://www.bluebirdbio.com/), Spark Therapeutics (http://sparktx.com/), uniQure (http://www.uniqure.com/), Dimension Therapeutics (http://www.dimensiontx.com/), Biomarin (http://www.biomarin.com/), NightstaRx (https://www.nightstarx.com/), GenSight (http://www.gensight-biologics.com/), Voyager Therapeutics (http://www.voyagertherapeutics.com/), OxfordBiomedica (http://www.oxfordbiomedica.co.uk/), Juno Therapeutics (https://www.junotherapeutics.com/), Kite Pharma (http://kitepharma.com/), Editas Medicine (http://www.editasmedicine.com/), Intellia Therapeutics (http://www.intelliatx.com/), Crispr therapeutics (http://crisprtx.com/), Caribou Bioscience (http://cariboubio.com/)
6)    임상진행자료 참조
https://clinicaltrials.gov/,  https://cortellis.thomsonreuterslifesciences.com/ .