[기획 특집] 우리는 왜 mRNA 암백신을 기대할까? ④ mRNA 백신이란

<글 싣는 순서>
①백신의 역사와 원리
②백신의 종류
③핵산 백신의 종류
④mRNA 백신이란
⑤암 백신이란
⑥미래 백신에 대한 전망

“유전자 의약품은 크게 우리 몸의 단백질 발현을 억제하는 의약품과 단백질 발현을 유도하는 의약품으로 나눠볼 수 있습니다. mRNA 백신은 이 중 단백질 발현을 유도하는 의약품으로 체내 특정 항원을 발현시키도록 유도하여 그 항원에 대한 면역을 일으키게 하는 의약품입니다. 단백질 발현을 유도하는 또다른 의약품으로 DNA가 있을 수 있습니다. DNA 역시 체내 특정 항원 발현을 유도할 수 있기 때문에 백신으로 개발이 가능한 형태입니다. 백신개발에 있어서 DNA와 비교하여 mRNA는 높은 효율의 단백질 발현율, 고유의 면역 유도능, 그리고 낮은 돌연변이 위험성 덕분에 높은 효용성을 가진다고 보고 있습니다.”

질병관리청의 국립보건연구원 국립감염병연구소에서 발행한 ‘2022 백신정보분석’에서 경상국립대학교 약학대학 이규리 교수가 기고한 글의 첫 문단이다.

코로나19 팬데믹으로 급부상한 mRNA백신에 대한 관심은 뜨겁다. 며칠 전 빌 게이츠 마이크로소프트(MS) 공동창업자가 시진핑 국가주석과 만남을 앞두고 중국의 mRNA백신 기술 개발에 5000만 달러(약630억원)을 기부한다고 밝혀 세간을 놀라게 했다.

언제부터 mRNA 백신이 등장했으며, 어디까지 개발이 되고 있을까.

mRNA 백신의 역사

먼저, 보통 DNA는 유전정보를 보관 및 보존하는 데 이용되며, RNA는 유전정보를 발현하여 단백질을 만드는 과정 등에서 이용된다. RNA는 Ribonucleic acid의 약자로 유전자 정보를 매개, 유전자의 발현의 조절 등에 관여한다.

mRNA는 특정 단백질을 암호화하고 있는 유전자를 RNA 중합효소(RNA polymerase)가 전사(transcription)하는 과정에서 만들어지는 RNA를 말한다. 이 과정에서 유전자가 가지고 있는 DNA 염기서열이 mRNA로 정확히 전달되고 이는 최종적으로 단백질로 합성하는 리보솜(Ribosome)으로 유전정보를 제공하는 역할을 하게 된다. 따라서 mRNA는 DNA의 유전정보를 전달하여 단백질 합성 과정에서 단백질의 아미노산 서열을 지정하는 역할을 하기 때문에 ‘메신저 RNA’, ‘전령RNA’라 부른다.

mRNA 백신은 특정 항원 혹은 항원 결정 부위를 암호화하는 핵산을 주입하는 백신의 한 종류다. 이미 의과학계는 30년 전부터 핵산 백신 개발을 위한 노력이 시작됐다.

한국바이오협회의 ‘코로나19 mRNA 백신 개발에 얽힌 역사’에 따르면, 1978년까지 과학자들은 리포솜(liposome)이라고 하는 지방막 구조를 사용하여 mRNA를 마우스 및 인간 세포로 전달하여 단백질 발현을 유도했다. 리포솜은 mRNA를 포장하고 보호한 다음 세포막과 융합하여 유전물질을 세포에 전달했다. 이 실험 자체는 리포솜과 mRNA에 대한 수년간의 작업을 기반으로 하며 둘 다 1960년대에 발견되었다.

당시 mRNA는 약물이나 백신으로 사용하기에 너무 불안정하고 비쌌으며, 수십 개의 대학 연구실과 기업들이 mRNA 백신의 구성요소인 지방과 핵산의 올바른 포뮬러를 찾는데 어려움을 겪었다.

1987년 말, 로버트 말론은 획기적인 실험을 수행했다. 그는 일종의 분자 스튜(molecular stew)를 만들기 위해 메신저 RNA 가닥과 지방 방울을 혼합했는데 이 유전 스튜에 잠긴 인간 세포는 mRNA를 흡수하고 이로부터 단백질을 생산하기 시작했다.

캘리포니아 솔크 생물학 연구소의 대학원생인 말론은 이 발견이 의학에서 광범위한 잠재력을 가질 수 있다는 것을 깨달았다. 그는 1988년 1월 11일 세포가 세포에 전달된 mRNA에서 단백질을 생성할 수 있다면 "RNA를 약물로 취급"하는 것이 가능할 수 있다고 메모했다.

그해 말 말론의 실험은 개구리 배아가 mRNA를 흡수한다는 것을 보여주었다. 살아있는 유기체로 mRNA의 통과를 용이하게 하기 위해 지방 방울을 사용한 것은 이번이 처음이었다.

이러한 실험은 역사상 가장 중요하고 수익성 있는 두 가지 백신인 전 세계 수억 명의 사람들에게 제공되는 mRNA 기반 COVID-19 백신을 향한 디딤돌이었다.

그리고 2008년에 스위스의 제약사 노바티스(Novartis)와 영국의 제약회사 샤이어(Shire)는 모두 mRNA 연구 부서를 설립했다. 노바티스는 백신에 초점을 맞추고 샤이어는 치료제에 중점을 두었다. 독일 바이오엔테크(BioNTech)도 그 해에 설립되었다.

2012년 미국 국방고등연구계획국(US Defense Advanced Research Projects Agency)이 RNA 백신과 약물을 연구하기 위해 업계 연구원들에게 자금을 지원하기로 결정하면서 다른 신생 기업들도 경쟁에 뛰어들었다.

당시 모더나(Moderna)는 이 작업을 기반으로 하는 회사 중 하나였으며, 2015년까지 mRNA를 활용하여 신체의 세포가 스스로 단백질이 없거나 결함이 있어 발생하는 질병에 대한 치료제를 만들도록 유도하겠다는 계획으로 10억 달러 이상을 모았다. 하지만 그 계획이 실패하자 모더나는 덜 야심찬 목표인 백신을 만드는 것을 우선순위로 정했다.

2019년 말까지만 하더라도 감염성 질환에 대한 15개의 mRNA 백신 후보가 임상 시험에 들어갔고 3상 시험에 진입한 것은 없었다. 그 당시에는 mRNA 백신이 규제 승인을 받기까지 최소 5~6년은 더 걸릴 것이라고 생각되었으나, 이러한 예상은 2020년 COVID-19 팬데믹이 전 세계를 덮쳤을 때 뒤집혔다.

2019년 12월 중국 우한에서 COVID-19가 발생하고 모더나는 바이러스의 게놈 서열이 온라인에서 이용 가능하게 된 지 며칠 만에 프로토타입 백신을 만들면서 빠르게 목표를 달성했다. 그 이후 미국 국립 알레르기 및 전염병 연구소(NIAID)와 협력하여 10주 이내에 마우스 연구를 수행하고 인체 실험을 시작했다.

독일의 바이오엔테크도 신속하게 다른 기관과 힘을 합치는 방식을 취하며 2020년 3월에 뉴욕에 기반을 둔 제약 회사인 화이자(Pfizer)와 파트너 관계를 맺었다. 그 후 임상 시험이 기록적인 속도로 진행되어 8개월 이내에 사람을 대상으로 한 최초 시험에서 긴급 승인까지 이르렀다.

2020년 12월 11일 화이자 백신 BNT162b2는 FDA의 긴급 승인을 받았으며 인간에게 사용하도록 승인된 최초의 mRNA 약물이 되었다. 일주일 후, 모더나 백신 mRNA-1273도 미국에서 사용이 허가됐다.

그리고 국내에서 2021년 2월 26일 처음으로  아스트라제네카(AZ) 코로나19 백신 접종이 시작됐다. 

mRNA백신 개발의 현재

2021년 6월까지 185개의 COVID-19 백신 후보가 전임상 개발 중이고 102개가 임상시험에 진입했으며 임상 시험 중인 백신 중 19개는 mRNA 백신이었다.

이론상, mRNA 백신은 전통적인 백신에 비해 몇 가지 장점이 있다. 일부 바이러스 백신과 달리 mRNA는 게놈에 통합되지 않아 삽입 돌연변이 유발(insertional mutagenesis)에 대한 우려가 없고, 무세포 방식으로 제조될 수 있어 신속하면서도 확장 가능하고 비용 효과적인 생산이 가능하다.

예를 들어, 5리터 바이오리액터에서 단일 반응으로 mRNA 백신 백만 도즈 생산도 가능하다.

또한, 하나의 mRNA 백신이 여러 개의 항원을 인코딩할 수 있어 병원체에 대한 면역반응을 강화할 수 있고 단일 제제로 여러 미생물 또는 바이러스 변이체를 표적 할 수 있다. 따라서 코로나19 예방을 넘어 인플루엔자, 지카, HIV 등 다양한 질환에 대한 mRNA 백신 개발이 진행되고 있다.

한편, 오늘날의 mRNA 백신은 화학적으로 변형된 RNA와 이를 세포로 운반하기 위한 다양한 유형의 지질을 포함하여 많은 혁신이 있었기에 가능했다.

한국바이오협회에서 발간한 ‘최신동향브리프’ 2월호에 따르면, RNA 백신 개발 동향으로 현재 90개 이상의 RNA 백신 중 대부분이 전임상 단계에 있으며 인플루엔자, HIV, 광견병 같은 전염병에 대한 예방 목적의 백신과 여러 암에 대한 치료 목적의 RNA 백신 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.

예방 목적의 RNA 백신으로는 코로나19 이전부터 감염성 질환에 대한 예방 목적으로 RNA 백신이 개발되어 왔고, 현재는 흑색종, 췌장암, 유방암 등의 암에 대한 예방 차원에서 RNA 백신 연구가 진행되고 있다.

치료 목적의 RNA 백신으로는 치료 목적용 RNA 백신은 주로 암과 관련하여 10년 동안 개발되어왔음. 현재는 흑색종, 전립선암, 뇌암 및 췌장암에 대한 치료용 RNA 백신 개발이 진행 중이며, 3상 임상시험 완료하고 곧 상업화 예정이다.