【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 화학과 김원종 교수 연구팀이 질병관리청과 공동으로 mRNA를 효율적으로 전달할 수 있는 생분해성 고분자 기반의 전달체를 개발했다고 14일 밝혔다.

▲ 다양한 단량체를 통해 합성한 고분자의 mRNA 발현, T 세포 면역 활성, 중화항체 형성에 대한 모식도  © 포스텍

이 연구는 생체재료 분야 국제 학술지 중 하나인 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

코로나19 팬데믹 이후, 전 세계는 mRNA 백신의 잠재력에 큰 관심을 기울이고 있다. 특히, 기존 백신에서 주로 사용된 지질 나노입자(LNP)는 높은 전달 효율로 핵심적인 역할을 하지만, 치명적인 단점도 존재한다.

주사 후 체내로 퍼진 LNP는 간으로 이동한 다음 축적되면서 독성을 유발하거나 과도한 면역 반응을 일으켜 아나필락시스와 같은 심각한 부작용을 초래할 위험이 있기 때문이다.

이에 POSTECH 연구팀은 대안으로 생분해성 고분자인 ‘폴리 베타-아미노에스터 (Poly β-amino ester, 이하 PBAE)’를 활용한 연구에 나섰다. PBAE는 이미 siRNA, DNA, mRNA 전달에 사용되어 온 고분자로 체내에서 안전하게 분해되는 특성을 가진다. 연구팀은 이번 연구에서 55종의 PBAE 고분자를 합성하고 이를 활용해 새로운 고분자 나노입자(PNPs)를 설계했다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 특정 고분자는 기존의 LNP를 능가하는 mRNA 전달 효율을 보였다. mRNA 발현도 최대 4주 이상 지속됐는데, 이는 LNP의 평균 발현 기간인 5일을 크게 뛰어넘는 수치다. 특히 새로 개발된 고분자는 주사 부위에서만 mRNA가 발현되었고, 간에서 발현이 전혀 없어 독성이 관찰되지 않았다.

또한, 면역 반응 실험에서도 연구팀의 고분자는 T세포 면역 활성을 효과적으로 유도했고, 코로나19 바이러스에 대한 중화 항체 생성에서도 기존 LNP와 비슷한 수준의 성능을 보여주었다. 이처럼 안전성과 효율성을 모두 갖춘 고분자 기반 전달체는 차세대 mRNA 백신뿐만 아니라 유전자 치료제 개발에서도 다양하게 활용될 가능성을 열어주고 있다.

김원종 교수는 “기존의 LNP 기반 전달체는 발현 기간이 짧아 치료를 목적으로 사용하기 어렵지만 연구팀이 개발한 고분자 전달체는 최대 한 달까지 발현이 지속되어 치료용 mRNA전달에 적합하다”라며 “이번 연구는 해외에 선점된 LNP 특허를 대체할 수 있는 독창적인 고분자 소재를 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다”라는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 국립보건연구원 질병관리청 신기술 기반 백신 플랫폼 개발 지원 사업, 한국연구재단 과학기술정보통신부 연구사업 지원으로 수행됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 POSTECH Professor Won-Jong Kim's Team Develops Next-Generation mRNA Vaccine Delivery Vehicle Using Biodegradable Polymer

On the 14th, POSTECH announced that Professor Won-Jong Kim's research team in the Department of Chemistry, in collaboration with the Korea Disease Control and Prevention Agency, developed a biodegradable polymer-based delivery vehicle that can efficiently deliver mRNA.

This research was recently published in the online edition of 'Biomaterials', one of the international academic journals in the field of biomaterials.

Since the COVID-19 pandemic, the world has been paying great attention to the potential of mRNA vaccines. In particular, lipid nanoparticles (LNPs), which were mainly used in existing vaccines, play a key role with high delivery efficiency, but they also have fatal drawbacks.

This is because LNPs that spread in the body after injection move to the liver and accumulate, causing toxicity or excessive immune responses, which can lead to serious side effects such as anaphylaxis.

In response, the POSTECH research team began research using 'poly β-amino ester (PBAE),' a biodegradable polymer, as an alternative. PBAE is a polymer that has already been used to deliver siRNA, DNA, and mRNA, and has the characteristic of being safely decomposed in the body. In this study, the research team synthesized 55 types of PBAE polymers and designed new polymer nanoparticles (PNPs) using them.

As a result of the experiment, the specific polymer developed by the research team showed mRNA delivery efficiency that surpassed existing LNPs. mRNA expression also lasted up to 4 weeks, which is a figure that greatly exceeds the average expression period of 5 days for LNPs. In particular, the newly developed polymer expressed mRNA only at the injection site, and there was no expression at all in the liver, so no toxicity was observed.

In addition, in the immune response experiment, the research team's polymer effectively induced T cell immune activity and showed a similar level of performance to existing LNPs in the production of neutralizing antibodies against the COVID-19 virus. Such polymer-based carriers that have both safety and efficiency open up the possibility of being used in various ways not only in the development of next-generation mRNA vaccines but also in the development of gene therapy.

Professor Kim Won-jong said, “The existing LNP-based carriers have a short expression period, making them difficult to use for therapeutic purposes, but the polymer carrier developed by the research team can express for up to a month, making it suitable for therapeutic mRNA delivery.” He added, “This study is significant in that it has developed an original polymer material that can replace overseas LNP patents.” Meanwhile, this study was conducted with support from the National Institute of Health, Disease Control and Prevention Agency, New Technology-Based Vaccine Platform Development Support Project, and the National Research Foundation of Korea, Ministry of Science and ICT Research Project.