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이혁진

이화여대 약학대학, 의공학

리보핵산 치료제 및 전령 리보핵산 백신의 체내 전달 돕는 지질나노입자 개발

공적 요약

코로나-19를 비롯해 다양한 감염병과 난치병을 치료할 수 있는 전령리보핵산(mRNA) 물질을 효과적으로 체내에 전달하는 지질나노입자(LNP)를 개발하여 국산화에 성공.

구체적 내용

전령리보핵산 약물은 세포 배양을 통한 생산 과정이 없어 개발 기간이 짧고 약물 치료효과가 높아 2010년대부터 암과 유전질환의 새로운 치료법으로 제시되어 왔다. 하지만 주변 온도와 수소농도이온지수(pH) 등 환경에 취약하고 체내 효소에 의해 빠르게 분해되는 한계가 있다. 따라서 바이오 신약 개발을 위해 mRNA 약물을 체내까지 안전하게 운반할 지질나노입자(LNP) 원천기술 확보 경쟁이 치열하다.
이혁진 교수는 전령 리보핵산 약물을 세포 내부로 전달하는 효율을 높이기 위해 주변 수소농도이온지수 환경에 따라 이온화 상태가 변화하는 이온화 지질을 개발하여, 전령 리보핵산 약물을 안전하게 포장하여 세포 내로 전달하는 지질나노입자(LNP)를 제작하는 데 성공했다. 연구팀은 개발된 지질나노입자로 포장한 전령 리보핵산을 동물 모형에 주입한 결과 1번의 투여만으로도 80% 이상의 표적 세포에 전령 리보핵산 약물이 전달됨을 확인하여, 안전성과 효율성을 확보한 약물전달체 원천기술임을 입증했다. 연구결과는 2021년 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 2월 26일 온라인판에 게재됐다.

주요경력
~
주요학력
2005. 3. ~ 2009. 2. 한국과학기술원(KAIST) 생명과학, 박사
2003. 9. ~ 2004. 5. 미국 컬럼비아대학교(Columbia University) 의공학, 석사
1999. 9. ~ 2002. 12. 미국 존스홉킨스대학교(Johns Hopkins University) 의공학, 학사

코로나-19 세계적 유행으로 신약개발 틀이 변화하고 있습니다. 그 중 하나가 지금까지의 백신 원리와는 다른 전령 리보핵산 기반 백신의 안전성과 효율성을 확인하며, 본격적인 리보핵산 치료제 시대의 개막을 알린 것입니다. 일반인들도 평소 관심 밖이었던 바이러스와 백신, 신약 개발 소식에 새롭게 눈을 떴습니다.

이혁진 교수가 발표한 지질나노입자 전달체 기술은 리보핵산 약물을 우리 몸속에 안전하고 효율적으로 전달하는 리보핵산 치료제의 핵심기술이지만, 아직까지는 세계적으로 소수의 연구그룹만이 핵심원천기술을 보유하고 있습니다. 이혁진 교수는 리보핵산 물질에 대한 기초 연구와 이를 효과적으로 전달하기 위한 약물 전달체 연구를 추진하고 있는데요. 연구결과가 학술적 수준에 머물지 않고 사회에 기여할 수 있도록, 산업 현장에서 해결하기 어려운 부분, 즉 리보핵산 치료제의 대량생산 연구, 리보핵산 치료제의 체내 도입을 위한 화학적 수식 최적화, 신규 리보핵산 구조체를 기반으로 한 신개념의 리보핵산 치료제 개발 등 응용·공동연구에도 많은 노력을 기울이고 있습니다. 보다 건강한 인류의 미래를 위해 오늘도 연구에 매진하는 이혁진 교수의 연구이야기를 소개합니다.

이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감과 함께 교수님의 최근 근황도 전해주세요.

이달의 과학기술인 상을 수상하게 되어 매우 영광입니다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단 관계자 여러분들, 그리고 이화여자대학교 약학대학 교수님들과 연구실 학생들에게 진심으로 감사드립니다. 항상 곁에서 함께 해준 가족에게도 고마움을 전합니다. 최근 저희 연구실은 전령 리보핵산 기반 백신 및 치료제 개발을 위해 국내 기업 및 질병관리청 국립보건연구원과 협력 연구를 진행하는 등 후속연구에 매진하고 있습니다.

약물전달체 개발 등 차세대 신약 개발의 기반을 제공해 오셨습니다. 교수님의 주요 연구 주제에 대해 소개해 주세요

최근 세계적으로 유전자 치료제, 특히 리보핵산 치료제에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 아마도, 코로나(covid) 전령 리보핵산 백신의 영향이 큰 것으로 생각이 되는데요. 리보핵산 치료제는 우리 몸에 있는 거의 모든 유전자를 제어(발현 및 억제) 할 수 있는 혁신적 치료방법을 제공함으로써, 향후 바이오 의약품 시장을 이끌어 나갈 차세대 치료제입니다. 성공적인 리보핵산 치료제 개발을 위해서는 약물로 기능을 하는 리보핵산 물질에 대한 기초 연구와 이를 효과적으로 전달하기 위한 약물 전달체 연구가 동시에 진행되어야만 합니다. 저희 연구실은 리보핵산 치료제(siRNA 및 mRNA)의 구조 디자인 및 생산, 그리고 화학적 수식에 대한 최적화 연구를 진행하고 있습니다. 또한, 이러한 리보핵산 치료제를 체내에 효과적으로 전달하기 위한 전달체 플렛폼 기술로 이온화지질을 기반으로 한 지질나노입자(LNP·lipid nanoparticle) 제형 개발 연구를 수행하고 있습니다.

의공학을 전공하시고, 약물개발에 관심을 가지게 된 계기가 있나요? 리보핵산 치료제와 약물전달체 분야에서 독창적인 연구를 추진할 수 있었던 배경도 궁금합니다.

학부 및 석사 학위과정 동안 의공학(Biomedical Engineering) 전공을 기반으로 화학공학(Chemical Engineering) 분야 약물전달기술에 큰 관심을 가지고 연구 하였습니다. 앞으로는 기존의 저분자(small molecule) 의약품이 아닌 세포나 단백질 그리고 유전자 치료제 전달 분야가 제약 산업을 이끌어 나갈 것이라고 생각했기 때문입니다. 박사 학위 과정을 한국과학기술원 (고) 박태관 교수님 연구실에서 진행하면서 표적 약물전달기술에 대해 배우는 기회를 갖게 되었고, 이때부터 본격적으로 리보핵산 치료제 및 전달체 연구에 매진하였습니다.

최근 코로나-19 등 다양한 감염병과 난치병을 효과적으로 치료하는 신약 개발의 핵심기술로 주목받는 이온화 지질나노입자를 이용한 세포 표적 리보핵산 약물 전달기술 개발에 성공하였습니다. 연구의 주요 내용을 소개해 주세요.

리보핵산 치료제는 세포 내 단백질의 발현 및 억제를 가능하게 하는 의약품으로 질병의 원인을 근본적으로 제어/조절할 수 있는 획기적인 치료제입니다. 다만 리보핵산의 특성상 안정성이 매우 낮아서, 체내에 투여되면 빠르게 분해되어 소실되는 문제점이 있습니다. 이를 극복하기 위해 다양한 약물전달체 기술이 개발 되었습니다. 그중에서도 상업화에 성공한 기술이 지질나노입자 기술입니다. 매사추세츠공과대학(MIT) 포스닥 시절부터 RNAi 치료제 회사인 앨나일램 파마슈티컬스(Alnylam Pharmaceuticals)와 지속적으로 공동 연구를 진행하며 향후 이 부분에 대한 기술적 수요가 비약적으로 증가할 것으로 예상하였습니다. 저희 연구실에서 개발한 지질나노입자의 경우 기존의 간 조직 특히 간 세포(hepatocytes)를 주요 타겟으로 하는 약물전달체의 한계를 넘어 다른 표적 세포에 리보핵산 약물 전달이 가능하다는 것이 특징이며, 이것이 가장 큰 성과라고 생각합니다.

‘지질나노입자’기술은 전 세계에서 소수 기업만 보유하고 있을 뿐 아니라 화이자·모더나 등 코로나-19 백신의 핵심기술이라는 점에서 학계와 산업계의 관심이 더 높은 것 같습니다.

화이자·바이오엔텍과 모더나도 지질나노입자 기술을 보유한 회사가 아닙니다. 실제 지질나노입자 기술은 캐나다 브리티시컬럼비아대학교(UBC)의 피터 쿨리스(Pieter Cullis) 교수님과 매사추세츠공과대학의 로버트 랭거(Robert Langer) 교수님 연구실을 필두로 개발되어 상업화에 성공하였습니다. 이렇듯 대학을 기반으로 한 기초 연구 결과물이 상업화에 성공을 하고 또 많은 바이오 개척기업(벤처) 및 기업 창업을 이루었다는데 굉장히 큰 의미가 있다고 생각합니다.

실제로도 국내기업과 코로나 전령 리보핵산 백신 공동개발을 위해 노력하는 등 기초연구뿐만 아니라 기술이전과 산업화에도 많은 관심을 보여주셨습니다.

기초 연구 결과가 신약 개발로 이어져 실제 환자에게 도움이 될 때, 연구자로서 그 기쁨과 자부심은 매우 큽니다. 저희 연구실은 기초연구 상용화를 위한 공동연구 내지 기술이전을 지향하는데요. 그 중요성은 앞서 언급한 것처럼 포스닥 시절 앨나일램 파마슈티컬스(Alnylam Pharmaceuticals)와 공동연구를 하며 배울 수 있었습니다. 한국에 귀국하여 연구 분야를 결정할 때도 산업 현장에서 해결하기 어려운 부분, 즉 리보핵산 치료제의 대량생산 연구, 리보핵산 치료제의 체내 도입을 위한 화학적 수식 최적화 연구, 신규 리보핵산 구조체를 기반으로 한 신개념의 리보핵산 치료제 개발, 그리고 이들을 전달하기 위한 약물 전달체 연구 등을 수행하고자 했습니다. 그 일환으로 현재 국내기업과 면역활성을 높이고 상온 보관이 가능한 3세대 지질나노입자 플랫폼 기술 확보를 위한 공동개발을 진행 중입니다. 또 지난 9월에는 연구실에서 첫 개발한 지질나노입자(코드명:EN-LNP)를 기술이전 한 바 있습니다.

약물 전달체 개발 연구를 진행하며 가장 큰 어려움은 무엇이었고, 어떻게 어려움을 극복할 수 있었나요? 그동안의 다양한 노력도 설명 부탁드립니다.

상업화 수준이 가능한 약물전달체 기술을 발굴하기 위해서는 이를 체내에 적용하였을 때, 그 효과가 정말로 좋은지를 매우 높은 기준으로 평가하는 자세가 중요합니다. 단순 논문 발표나 업적을 쌓기 위한 연구가 아니라, 기존 개발된 물질을 대체할 수 있는 수준의 높은 효과가 나와야 실제 신약개발이 가능하고, 국민들의 건강 증진에 기여할 수 있기 때문입니다. 본 연구는 2015년부터 시작되어 7년차가 되었습니다. 이번 성과는 그동안 여러 대학원 학생들이 노력해 온 결실이자, 지속적인 물질 발굴 및 장기간 동물 실험을 통한 선별(스크리닝) 과정이라는 어려움을 극복하고 얻어진 값진 결과입니다.

차세대과학기술한림원 회원으로도 활동해 오셨습니다. 11월 18일은 약의 날을 맞아 우리나라 약학 분야 발전을 위해 평소 생각해 오신 바가 있다면 이야기해주세요.

2018년부터 차세대과학기술한림원(Y-KAST) 회원으로 활동하게 되었습니다. 영광스러운 자리인 만큼 제가 속한 의약학 분야에 도움이 되고자 노력하고 있습니다. 우리나라 제약 산업은 지금까지는 복제약인 제너릭이나 바이오시밀러를 기반으로 한 추격(fast follower) 전략을 취해 연구개발 비중이 높지 않았습니다. 하지만 최근 신약개발을 목표로 연구개발이 활발히 진행되고 있으며, 제약산업은 향후 국가 경제를 이끌 주요 산업으로 발전할 가능성이 매우 높습니다. 최근 국내 제약사들도 적극적으로 R&D 투자를 진행하고 다양한 신약 파이프라인을 구축함으로써 세계시장 진출을 위한 준비를 하고 있는 것으로 보입니다. 세계적인 블록버스터 신약이 국내에서 개발될 수 있도록 범부처 차원의 협력과 산학연의 공동연구가 더욱 내실있게 진행되길 기대합니다.

구글 학술검색(Google Scholar)통계에 따르면 교수님의 논문이 국내 리보핵산 치료제 및 전달체 분야에서 가장 많은 피인용 수(2021년까지 7,016회)를 기록하고 있습니다. 이처럼 우수한 연구성과를 이어오신 경쟁력은 무엇인가요?

리보핵산 치료제의 한계점을 극복하는 전략을 고민하고, 이에 해당하는 연구 분야를 설정하고 연구해온 것이 주요했던 것 같습니다. 다만, 이러한 기초 및 응용 연구는 오랜 기간 노력이 필요한 만큼 열정적인 대학원 학생과 뛰어난 공동 연구자의 도움이 없이는 이루어 질수 없었을 것입니다. 더불어 꾸준히 한 분야에 집중함으로써 연구의 깊이가 깊어지고 이를 통해 얻어진 기초 연구를 기반으로 다양한 응용 연구가 가능해졌습니다. 앞으로도 국내외 연구진과 다양한 공동연구를 통해 응용 분야의 연구결과를 발표할 수 있길 기대합니다.

연구자이자 후학을 양성하는 스승으로서 연구실 구성원들에게 강조하는 연구자의 자세, 학문을 대하는 태도에 대해서도 들려주세요.

연구실 학생들에게 강조하고 싶은 한 가지는 자신이 하고 있는 일을 진심으로 대하는 자세입니다. 기본적으로 자신이 진행하는 연구를 좋아하고 즐길 수 있는 마음가짐이 중요합니다. 특히나 계획한 실험은 대부분 잘 안 되는 것이 연구자의 일상이기 때문에 과정에 일희일비 하지 않고 마음이 상하지 않는 내공이 필요합니다. 박사 과정 학생의 경우 졸업 이후 자신이 진행한 연구 분야에서 전문가라고 할 수 있을 정도로 다양한 경험을 쌓는 것이 중요한데요. 이 역시 실패의 경험이 바탕이 됨을 이야기 해주고 싶습니다.

교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표는 무엇인가요?

본격적으로 리보핵산 치료제 시대가 시작되었습니다. 현재는 전령 리보핵산 백신 분야가 각광 받고 있지만, 지금부터 그 다음을 준비하는 것이 중요합니다. 제가 도전하고 싶은 연구 분야는 전령 리보핵산을 기반으로 한 체내 세포 엔지니어링 및 유전자 교정 치료제 개발입니다. 관련 연구가 향후 임상적용이 가능한 수준이 되려면 전령 리보핵산에 대한 기초 연구 뿐만 아니라 표적 전달이 가능한 지질나노입자의 개발이 필요합니다. 저희 연구실에서 올해 발표한 표적 전달 기술의 발전형이라고 보시면 좋을 것 같습니다.

미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 한 말씀 부탁드립니다.

관심이 있는 과학 현상에 대해 언제든지 도전할 수 있는 적극성을 키웠으면 합니다. 과학이라는 학문은 궁금증에서 출발합니다. 따라서 내가 관심을 갖는 현상에 대해 흥미를 유지하고 꾸준함을 기반으로 조금씩 연구를 해 나가는 것이 중요합니다. 연구에 대한 큰 부담감이나 책임감은 종종 올바르지 못한 결과를 낳기 때문에 평상심을 유지하는 것도 매우 중요합니다.

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