코로나19 mRNA 백신, 암 치료제 개발 앞당길까

올해 미국 암연구소(CRI : Cancer Research Institute)의 W.B.콜리상(W.B.Coley Award)은 4명의 과학자인 카탈린 카리코 박사(Dr. Katalin Kariko), 우구르 사힌(Ugur Sahin), 외즐렘 튀레치(Özlem Türeci) 및 드류 바이스만(Drew Weissman)에게 주어졌다.

이 수상의 의미는 다양한 질병의 예방과 치료를 위한 완전히 새로운 접근 방식인 메신저 RNA(mRNA) 의학 분야를 개척하는데 도움을 준 공로를 인정 받았다는 것이다.

미국 타임지도 이들의 성과를 기리기 위해 2021년 올해의 영웅에 카탈린 카리코 박사(Dr. Katalin Kariko), 우구르 사힌(Ugur Sahin) 박사를 뽑기도 했다. 

사힌과 튀레치 박사 부부는 바이오앤테크(BioNTech)의 창립자이며 카리코와 바이스만 박사는 펜실바니아 의과대학 교수다. 코로나 백신 개발의 새로운 방법인 mRNA 분야의 과학자들이 암 면역 요법 전문 연구 기관인 CRI의 2021년 수상자로 된 것은 오래 전부터 암 치료 방법 그 중에서도 면역 치료제 개발에 mRNA를 활용한 연구를 해 왔다는 사실에 주목할 필요가 있다.

1890년대 초 뉴욕의 저명한 외과 의사로 ‘암 면역 요법의 아버지’라고 불리고 있는 콜리 박사(Dr. Coley)는 급성 세균에 감염된 상당수의 암 환자들이 종양의 자발적인 관해 (암세포의 완전 소멸 상태)가 된 것을 보고 종양의 소멸이 어떤 식으로든 감염과 관련이 있다고 확신하게 되었다.

그 확신에 따라, 악성 감염을 일으키기 위해 수술이 불가능한 악성 종양 환자에게 살아있는 박테리아를 주입하게 되었는데 이 환자는 완전히 회복되어 심장마비로 사망할 때까지 이 후 26년을 더 살 수 있었다.

오늘 날 암 치료에 있어서의 면역 요법의 출발점이 되었고 그의 딸이 다른 의사와 함께 면역 요법의 연구를 위해 1953년 설립한 연구소가 바로 CRI다. 이처럼 암 면역 요법을 전문적으로 연구하는 CRI는 왜 mRNA를 이용한 코로나19 백신 개발에 기여한 이 들을 수상자로 선정했을까?

암 면역 요법은 화학요법이나 방사선 치료가 암 세포를 직접 공격, 사멸시켜 암을 치료하는 것과는 달리 환자의 면역 체계를 치료하여 더 강력한 면역 반응을 활성화하거나 면역 체계가 암세포를 인식하고 파괴하는 방법을 가르쳐서 암 세포를 사멸시키게 함으로서 암을 치료하는 방법이다.

mRNA를 통한 암 치료 방법을 연구해 오던 암 학자들이 이번에 화이자와 모더나사의 코로나19 백신 개발을 주도하였다는 사실에 비추어 암 면역치료제의 개발과 mRNA 백신이 어떻게 연결되고 이번 백신 개발의 성공이 암 면역 치료에 어떤 발전적 의미를 가지는 지 살펴 보고자 한다.

mRNA 백신과 기존 백신과의 차이점

mRNA 백신 기술 이면의 개념은 비교적 간단하다. 우리 DNA의 유전자는 우리 세포에서 생산되는 모든 단백질에 대한 청사진을 포함하고 있지만 정보는 먼저 세포의 단백질 생산 공장으로 보내져야 한다.

메신저 RNA 또는 mRNA는 이러한 정보나 지침을 전달하는 역할을 한다. 따라서, 세포에 합성 조작된 mRNA를 공급하면 그에 포함된 정보에 따라 상상할 수 있는 모든 단백질을 생산할 수 있게 되는 것이다.

코로나19의 경우 mRNA 백신은 코로나 바이러스의 스파이크 단백질만을 인코딩하는 mRNA를 전달하게 된다. 이는 세포를 감염시키는 바이러스 능력의 핵심이지만 바이러스 자체는 감염시키지 않는다. 일단 체내에 들어간 후 백신은 우리 세포에 코로나 바이러스 스파이크 단백질에 대한 제조 지침을 제공하게 되면 우리의 면역 체계는 스파이크 단백질을 위험한 것으로 감지하고 이에 대한 반응을 시작하게 된다.

스파이크 단백질 표적 항체를 생성하는 B 세포와 감염된 세포를 직접 표적으로 하는 T 세포의 형태로 이러한 보호 기능을 통해 실제 바이러스가 발생했을 때 신속하게 대응할 수 있게 되는 것이다.

기존 DNA 방식의 백신이 거의 죽은 균을 인체에 주입하여 면역계가 대응력을 갖춰서 감염에 대응하게 하는 것과는 달리 mRNA 백신은 세균에 대한 정보를 담은 물질을 주입하여 면역 세포에게 미리 대응력을 갖추게 하는 방식인 것이다.

코로나 바이러스가 발견된 후 1년이 지나지 않은 2020년 11월, 임상 3상 시험에서 화이자 백신이 심각한 코로나19 증상을 예방하는데 95% 효과가 있는 것으로 그 결과를 낼 수 있었던 것도 이러한 mRNA 방식이었기에 가능했고 2년 여가 지난 오늘 날에는 코로나19의 주 백신으로 전 세계적으로 수억 명에게 배포되게 된 것이다.

코로나19 mRNA 백신 개발자의 개발 이야기

mRNA 백신은 20년 이상의 기술 개발과 과학적 연구를 통해 코로나19 백신을 짧은 시간에 개발할 수 있었다. 이러한 지식과 기술의 발전은 전염병 분야에서 비롯된 것이 아니다. 그것은 암 면역학 연구 분야인 종양학 (oncology)에서 나왔다.

복잡하고 어려운 암 치료를 위한 백신을 개발하는 과정에서 암세포를 정상 세포와 구별하는 특징을 고정밀도로 정의하는 것이 중요한데 이 과정도 쉽지는 않았는데 모든 사람의 암이 고유하다는 점에서 특히 그러하다.

특별히, mRNA는 제조가 매우 쉽고 빠른 천연 분자이기 때문에 암 백신을 위한 플랫폼으로 mRNA를 선택하게 되었지만, 수명이 매우 짧아서 체내에서 빠르게 분해된다는 문제점을 가지고 있었다.

이러한 문제점은 콜리상 수상자 동료인 카리코와 바이스만 박사 덕분에 mRNA를 보다 안정적으로 만들고 번역되어 단백질로 전환되도록 할 수 있게 됨으로써 해결점을 찾게 되었다.

이 분야의 연구를 기반으로 한 추가 최적화와 함께 이 발견을 통해 백신의 효능을 몇 배나 높일 수 있게됨으로써 앞으로의 암 치료제 개발에 커다란 진전이 있게 될 것을 기대한다.

mRNA로 극복해야 했던 또 다른 문제는 목표 지점에 주입되지 않으면 면역 체계가 제대로 반응하지 않아 효과적인 백신이 될 수 없기에 아무데나 주입할 수 없다는 것이다. mRNA는 특수한 수지상 세포가 위험한 세포를 직접 죽일 수 있는 T 세포의 고성능 코치 역할을 하는 림프절과 같은 올바른 면역 지점으로 전달되어야 된다.

이러한 문제는 mRNA가 패키징되는 전달 매개체인 지질 나노 입자 또는 지질 나노플렉스를 통해 수지상 세포와 T 세포에 전달할 수 있게 됨으로서 그 세포들이 암이 어떻게 생겼고 무엇을 공격해야 하는지에 대한 올바른 메시지를 습득할 수 있게 되었다.

mRNA 백신을 통해 해결할 수 있는 세 번째 주요 과제는 암의 다양성이다

면역 반응이 특정 종양을 표적으로 맞춤화 되어 각 환자에 대한 고유한 구성의 백신으로 개발되어야 하는데, 그 동안 개발하고 고안했던 mRNA 플랫폼은 이상적이어서 환자의 종양 관련 주문형 분석을 위한 프로세스를 확립할 수 있었다.

이는 앞으로 암환자 각자의 분자적 특징을 이해하고 모든 사람을 위한 맞춤형 백신을 설계하는데 도움이 될 것이다. 이미 2014년에 이러한 유형의 임상 시험은 시작되었고 4주에서 6주 이내에 이러한 백신의 제조가 가능하게 되었다.

코로나19 팬데믹이 닥쳤을 때 이 모든 경험과 기술이 활용되어 코로나 바이러스에 대한 매우 강력한 백신을 매우 빠르게 개발할 수 있게 된 것이다.