유전자 조절은 질병치료뿐 아니라 최근 백신/어쥬번트 개발에도 효율적이라는 것이 알려지면서 선천적, 후천적 질병 치료 및 다양한 백신 개발을 하는 연구와 관련 기업에 많은 각광을 받고 있다. 초기 바이러스 전달체를 활용한 유전자 치료법이 연구되면서 감염 가능성 및/또는 원하지 않는 염증 유발 등의 안전성 문제가 개선되고 있지만, 개발 및 제조 공정이 복잡해서 최근에는 안전성이 높은 비바이러스 전달체들이 관심을 받고 있다. 그러나 비바이러스 전달체가 체내에 주입되면 다양한 효소분해, 면역세포에 의한 제거, 비특이적 세포 결합 등의 장벽을 극복해야 하고, 전달된 유전자가 표적세포에 들어가더라도 독성 및 라이소좀(lysosome)에 의한 유전자 분해 등의 문제로 낮은 유전자 발현 효율이 발생한다.
서울대학교 농생명공학부 윤철희/조종수 교수 연구팀은 비바이러스 전달체의 단점을 극복하고 표적 세포 내에서의 독성 감소, 엔도좀에서의 전달물질(유전자 및 백신후보) 탈출, 라이소좀 안에서 타깃물질 분해 억제 등의 해결책으로 비바이러스 전달체의 일종인 고분자 전달체 개발을 해오고 있다. 그 결과 세포 내 장벽을 극복하기 위한 새로운 전략으로 엔도사이토시스(endocytosis) 기전 조절이 세포 내 도입 물질(유전자, 단백질)의 운명을 좌우한다는 사실을 밝혔다. 카비올레이(caveolae) 엔도사이토시스 기전은 전달된 물질이 라이소좀 소포와 융합되지 않기 때문에 도입된 유전자 또는 백신후보물질이 라이소좀 안에 있는 효소에 의해 분해되지 않은 상태로 사이토졸로 이동된다. 연구된 고분자 전달체는 카비올레이 기전을 촉진하는 방법의 하나인 삼투압 특성을 갖는 프리폴리머(prepolymer)와 엔도좀 탈출을 돕는 세포독성이 적은 저 분자량의 폴리에칠렌 이민과의 공중 합체의 물질이다.
본 리뷰 논문에서는 그동안 얻어진 연구결과를 바탕으로 엔도사이토시스 기전에 영향을 미치는 고분자 전달체의 물리화학적 특성과 세포 내 기전 및 상호작용을 정리하여 재료분야 최고학술지인 Progress in Materials Science (2022 impact factor: 48.165)에 2022년 6월 논문을 발표하였다 (논문 제목: Essential cues of engineered polymeric materials regulating gene transfer pathways).
본 연구진은 전 세계적으로 고분자 전달체/유전자 복합체의 엔도사이토시스가 선택적으로 카비올레이 매개에 의해 세포내복합체의 라이소좀 분해 회피로 유전자/단백질의 전달 효율이 현저히 향상됨을 발표하였다.