나노기술 및 정책 정보

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게놈 편집 기술인 CRISPR은 우리가 질병을 치료하는 방식을 바꿀 수있는 강력한 새로운 도구로 부상함. 그러나 우리 세포의 유전학을 변경할 때 문제는 치료가 필요한 유전자, 조직 및 기관을 대상으로 안전하고 효과적이며 구체적으로 수행하는 방법임.

미국 Tufts University와 Broad Institute of Harvard 및 MIT의 과학자들은 특히 간에 유전자 편집 기계를 포장하고 전달할 수 있는 지질(지방 분자)로 구성된 독특한 나노입자를 개발함.

CRISPR 기계를 쥐의 간에 효율적으로 전달하는 나노입자(LNP)는 특정 게놈 편집과 혈중 콜레스테롤 수치를 57%까지 감소시미켜, 이는 단 한 번의 주사로 최소 몇 달 동안 지속될 수 있음.

질병 통제 예방 센터에 따르면 고 콜레스테롤 문제는 2,900만 명 이상의 미국인을 괴롭히고 있으며, 이 상태는 복잡하고 여러 유전자뿐만 아니라 영양 및 생활 방식 선택에서 비롯될 수 있으므로 치료가 쉽지 않음. 그러나 연구진은 유전자 편집에 의해 중단될 수 있는 경우 상승된 콜레스테롤에 대한 보호 효과를 제공할 수 있는 하나의 유전자를 수정함.

연구진은 안지오포이에틴 유사 3효소(Angptl3)를 암호화하는 데 초점을 맞추었고, 이 효소는 콜레스테롤 분해를 돕는 다른 효소인 리파아제의 활동을 억제함. Angptl3 유전자를 제거할 수 있다면 리파아제가 제 역할을 하도록 하고 혈중 콜레스테롤 수치를 낮출 수 있음.

일부 운 좋은 사람들은 Angptl3 유전자에 자연적인 돌연변이를 가지고 있어, 알려진 임상적 부작용 없이 혈류에서 지속적으로 낮은 수준의 트리글리세라이드와 저밀도 지단백(LDL) 콜레스테롤(일반적으로 나쁜 콜레스테롤이라고 불리는)을 유발함.

다른 사람의 angptl3 유전자를 제거하여 그 상태를 복제할 수 있다면 높은 콜레스테롤에 대한 안전하고 장기적인 해결책을 얻을 수 있으며, 부작용을 일으키지 않도록 유전자 편집 패키지를 특별히 간에 전달해야 한다고 연구진은 설명함.

연구진은 CRISPR-Cas9를 코딩하는 mRNA와 Angptl3을 표적으로 하는 단일 가이드 RNA로 포장된 지질 나노입자를 한 번 주입한 후 최소한 100일 동안 낮은 수준에서 LDL 콜레스테롤이 57%까지, 트리글리세리드 수준이 약 29%까지 크게 감소하는 것을 관찰함.

그 효과가 그보다 훨씬 더 오래 지속될 수 있다고 추측하며, 아마도 간에서 세포의 느린 전환에 의해서만 제한될 수 있으며, 이는 약 1년에 걸쳐 발생할 수 있음. 콜레스테롤과 트리글리세리드의 감소는 용량에 따라 다르므로 한 번의 주사로 LNP를 더 적게 또는 더 많이 주입하여 그 수준을 조정할 수 있다고 연구진은 설명함.

이에 비해 FDA가 승인한 기존의 CRISPR mRNA 탑재 LNP 버전은 쥐에서 테스트했을 때 LDL 콜레스테롤을 최대 15.7%까지, 중성 지방은 16.3%까지만 감소시킬 수 있음.

더 나은 LNP를 만드는 비결은 mRNA 주변에 거품을 형성하기 위해 함께 모이는 분자인 구성 요소를 맞춤화하는 것임. LNP는 물에 끌리는 전하 또는 극성 머리, 페이로드를 포함하는 거품의 중앙을 가리키는 탄소 사슬 꼬리, 그리고 그들 사이의 화학적 링커를 갖는 장쇄 지질로 구성됨. 또한 폴리에틸렌 글리콜이 존재함. 물론 일부 콜레스테롤(지질막에서 누출을 줄이기 위해 정상적인 역할을 함)은 내용물을 더 잘 유지함.

이러한 성분의 특성과 상대적 비율이 mRNA를 간으로 전달하는 데 큰 영향을 미치는 것으로 나타났기 때문에 모든 성분 중 머리, 꼬리, 링커 및 비율의 많은 조합을 사용하여 간을 표적으로 하는 능력에 대해 LNP를 테스트함. LNP 제형의 시험관 내 효능은 생체 내 성능을 거의 반영하지 않기 때문에 게놈 편집이 발생할 때 빨간색으로 켜지는 세포에 리포터 유전자가 있는 마우스의 전달 특이성과 효능을 직접 평가함.

궁극적으로 쥐의 간을 비추는 CRISPR mRNA가 장착된 LNP를 발견하여 유전자 편집 도구를 간으로 구체적이고 효율적으로 전달하여 작업을 수행할 수 있음을 보여줌.

이러한 나노입자의 독특한 특징은 긴 지질 사슬 사이에 이황화 결합이 존재한다는 것이며, 세포 외부에서 LNP는 내용물을 고정하는 안정적인 구형 구조를 형성함. 세포 내부에 있을 때 내부의 환경은 이황화 결합을 끊고 나노입자를 분해함. 그런 다음 내용물이 빠르고 효율적으로 셀로 방출됨. 세포 외부의 손실을 방지함으로써 LNP는 내용물을 전달하는 데 훨씬 더 높은 수율을 가질 수 있음.

이 LNP 플랫폼을 통해 이제 CRISPR을 다양한 간 질환이나 장애를 치료하기 위한 실용적이고 안전한 접근 방식으로 만들 수 있을 것으로 예상됨.

본 연구 성과는 Proceedings of the National Academy of Sciences ("Lipid nanoparticle-mediated codelivery of Cas9 mRNA and single-guide RNA achieves liver-specific in vivo genome editing of Angptl3")에 게재됨.