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앞으로 코로나19와 같은 호흡기 질환이 발생했을 때 기존처럼 주사 방식으로 맞지 않고, 자연스럽게 호흡으로 백신을 체내에 전달해 치료의 편의성과 효과성은 높이면서 부작용을 줄이는 것이 가능해질 전망이다.

박지호 카이스트 바이오및뇌공학과 교수는 이를 가능케 하는 '흡입 전달용 mRNA 입자 플랫폼'을 개발해 기술이전 등 상용화를 준비 중이라고 밝혔다.

mRNA 백신은 인공적으로 만든 mRNA를 사용해 면역 체계의 후천 면역을 강화한다. 백신 투여 시 세포 내에서 바이러스 항원을 형성할 단백질을 만들어내고, 이 항원은 면역 체계를 학습시켜 실제 바이러스 침입 시 효과적으로 항체를 형성하도록 돕는다.

박지호 교수는 "mRNA는 개발하고자 하는 단백질의 서열만 알면 즉시 제작해 몸에 주입할 수 있다"며 "코로나19 이전부터 관련 연구를 해오던 중 팬데믹 시기 mRNA 백신의 뛰어난 효과를 목격하면서 본격적으로 연구를 시작했다"고 말했다.

박 교수는 "mRNA는 기존 단백질 항체 치료제 개발에 드는 막대한 비용과 시간을 절감할 수 있는 잠재력을 갖고 있다"며 "다만 mRNA 백신이 우리 몸에 들어가 효과를 내기 위해서는 mRNA를 세포 내로 전달하는 '전달 입자'가 필수적"이라고 설명했다.

이어 "이것이 바로 리피드 나노파티클(LNP, 지질 나노입자)"라며 "어린이들도 병원에서 쉽게 사용하는 흡입 장비를 통해 약물을 폐로 전달할 수 있다는 점에 착안, mRNA를 폐로 전달해 질환을 치료하는 연구를 시작했다"고 덧붙였다.
기존 LNP 대비 폐에서 26.3배 높은 단백질 발현

박 교수에 따르면 기존 LNP는 주로 정맥 주사나 근육 주사를 통한 전신 전달 및 근육 내 백신 접종에 효과적이다. 하지만 네블라이저(수증기 생성 장비)를 사용하면 나노입자의 구조가 불안정해지고 mRNA 전달 효율과 보호 능력이 크게 감소한다.

그는 "폐의 미세 환경은 혈액과 달리 단백질 농도가 낮고 폐 표면활성제(PS) 층이 존재한다"며 "기존 LNP의 외부를 감싸는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 성분은 이러한 환경에서 세포 흡수를 저해하고 폐 표면활성제 층을 통과하기 어렵게 만든다"고 했다.

그러면서 "전신 투여 시 기존 LNP는 주로 간에서 단백질을 발현시키거나 폐로 전달되더라도 주로 혈관 내피세포에 축적돼 폐 질환의 표적인 상피세포로의 전달이 제한적이었다"고 부연했다.

박 교수는 이 같은 한계를 극복하고 폐 전달에 특화된 '이온화성 리포솜-mRNA 리포컴플렉스(iLPX)', 즉 흡입에 최적화된 기술(IH-iLPX)을 개발했다.

IH-iLPX는 높게 정돈된 지질 이중층 구조를 가져 네블라이저가 에어로졸을 만들 때 발생하는 강력한 전단력(Shearing force, 입자가 서로 다른 속도로 움직이면서 발생하는 힘)에도 입자의 안정성을 유지한다.

박 교수는 "폐의 낮은 혈청 환경과 폐 표면활성제 층을 쉽게 침투할 수 있도록 해 세포 내 전달 효율을 극대화했다"며 "이온화성 지질의 이점을 활용해 음전하 환경인 폐 표면활성제와 효과적으로 상호작용함으로써 mRNA를 보호하고 세포 투과를 용이하게 한다"고 설명했다.

박 교수에 따르면 동물실험에서 IH-iLPX는 기존 LNP 대비 폐에서 26.3배 높은 단백질 발현 효율을 보였다. 그는 "폐포 및 기도 등 폐 깊숙한 부위의 상피세포까지 mRNA를 효과적으로 전달했다"고 강조했다.
다음달 16일 코엑스 '테크마켓'서 기술 발표

박 교수는 다음달 16일 서울 코엑스에서 머니투데이 스타트업 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리'와 과학기술정보통신부가 주최하는 '4대 과학기술원 공동 2025 테크마켓'에서 자신의 기술에 대해 상세히 발표할 예정이다.

테크마켓은 카이스트를 비롯해 △대구경북과학기술원(DGIST) △울산과학기술원(UNIST) △광주과학기술원(GIST) 등 4대 과학기술원이 한데 모여 통합형으로 진행하는 사업화 유망 기술 설명회다. 4대 과학기술원의 혁신기술이 각 2개씩 총 8개 출품된다.

박 교수는 "IH-iLPX는 생체 적합성이 높으며 기존 mRNA 백신에서 아나필락시스(급성 알러지 반응) 같은 부작용을 일으킬 수 있는 특정 위험 물질을 제거하고 디자인했다"고 말했다.

그는 자신의 기술이 낭포성 섬유증, 특발성 폐섬유증, α-1-항트립신 결핍증, 호흡기 바이러스 감염, 천식 등 다양한 감염성 및 난치성 폐 질환 환자에게 치료적 이점을 제공할 수 있다고 전망했다.

박 교수는 "호흡기성 바이러스 창궐 시 흡입형 백신을 통해 더 빠르고 효과적으로 팬데믹에 대응할 수 있는 기반을 마련할 수 있다"며 "뿐만 아니라 mRNA와 화학 약물을 동시에 전달해 시너지 효과를 내는 치료제로도 확장 가능성이 있다"고 강조했다.

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