희귀난치 질환 치료를 위한 유전자 교정 치료제 개발 동향

[황제불패]

우리나라의 경우 희귀난치 질환 이라함은 법제처에서 정한 ‘유병인구 2만 명이하이 거나 진단이 어려워 유병인구를 알 수 없는 질환으로 보건복지부령으로 정한 절차와 기준에 따라 정한 질환’을 말한다. 우리나라에 희귀난치 질환으로 등록되어있는 질환 은 1094종 (2017년 기준)의 질환으로 이 중에 유전자 변이에 의해 발병되는 질환은 640여종에 달한다. 현재 이 질환들을 위한 뚜렷한 치료제는 없는 상태이며 질환의 진행속도 및 통증만 완화 시킬 뿐 근치적 치료 이외에 고식적 연명 치료가 치료의 대부분이다. 그러나 유전자 변이 진단법 발달 및 유전자 교정기술이 발달 되면서 유 전자변이로 인한 희귀 난치성질환에 유전자 변이 검사를 통한 조기진단이 가능해 지 고, 유전자 교정 치료라는 새로운 치료법을 시도할 수 있는 시대가 도래 하였다. 이 분야는 아직 기술성장 단계로 기초 연구에 머물고 있거나, 대부분이 임상연구 초기단 계이지만, 유전자 교정 치료제 개발에 대한 빠른 발전 속도와 희귀의약품의 거대한 세계 시장 규모로 볼 때 유전자 교정 치료제는 개발 단계에서 곧 품목 허가단계로 성장 할 날이 멀지 않은 것으로 보인다. 전 세계의 기술개발 동향에 발맞추어 우리나라는 핵심기술인 CRISPR(유전자 가위)의 특허기술을 보유한 국가이며, 최근 희귀질 환 중에 하나인 혈우병에 대해 유전자치료 가능성을 동물모델을 통해 검증하여 보고 하기도 하였다. CRISPR를 이용한 유전자 치료의 장점은 기존의 유전자 치료법에 비 해 효율이 월등하며, 치료 효과 또한 영구적일 것으로 예상된다. 이러한 전망으로 최 근 한국과학기술정보연구원에서는 치료대안이 없는 희귀질환에 유전자 치료제 시장 이 2017년을 기점으로 급격히 성장할 것으로 전망하고 있다

희귀난치 질환

 우리나라의 경우 희귀난치 질환이라함은 법제처에서 정한 ‘유병인구 2만 명이하이거나 진단이 어려워 유병인구를 알 수 없는 질환으로 보건복지부령으로 정한 절차와 기준에 따라 정한 질환’을 말한다. 희귀질환의 특성은 첫째로, 희귀성으로 조기진단이 어렵다. 해당 분야의 전문가가 부족하기 때문에 오진의 가능성이 높고 확진까지 오랜 기간이 소 요되는 경우가 많다. 둘째로, 효율적인 치료가 없어 치명적이거나 만성화되는 경향이 있 다. 셋째로, 희귀질환의 80%이상이 유전적, 선천적 질환이다. 이러한 희소성, 난치성, 만 성화 등의 특징으로, 치료제가 있다고 하더라도 대부분 고가인 경우가 많아서 환자 및 가족의 경제적 부담이 크다. 약제를 개발하는 입장에서도 희소성과 낮은 수익성으로 민 간 차원의 연구개발이 힘든 시장 실패 영역이다. 우리나라에 등록된 희귀질환은 총 1094종 질환(2017년 기준, 희귀난치성질환 전문정보사이트; 헬프라인)으로 2016년 보 다 27종 질환이 추가로 등록되었다(2017년 기준 1067종 질환). 이 중 유전자 변이 질 환은 602종 질환(2016년 기준)에 달하여 희귀질환의 절반 이상이 유전자관련 질환으로 포함되어 있다. 현재 우리나라의 유전자 변의에 의한 희귀질환 진료에 대한 국가적인 지 원은 희귀질환 환자의 조기검진을 위한 유전자 진단지원을 하고 있다. 지역거점병원 또 는 진단의뢰기관에서 유전자 진단지원 기관으로 ①임상정보, 동의서, 환자시료 발송(시 료운송; 전문 업체), ②지역거점병원 또는 진단의뢰기관으로 진단결과 통보, ③국립보건 연구원으로 진단결과를 보고하는 시스템으로 진행된다. 또한, 유전자 진단지원으로 확인 되지 않는 환자는 NGS analysis & Gene Identification을 실시하고 미진단자에 대해서 는 희귀질환의 진단 기술 개발 및 치료법 개발을 위해 연구자원으로 활용하고 있다.

희귀질환 유전자 진단지원사업 수행 체계도

 희귀질환 중 유전자 검사가 필수인 대상 질환은 2017년 8월부터 총 37종 질환으로 진단 지원이 확대 되었다. 이는 2013년 17종 질환에서 24종 질환으로 확대시행 된 이후 진단 법이 개발됨에 따라 지속적으로 확대시행 되고 있음을 보여준다. 월별 유전자 검사의뢰 현 황을 보면 매년 희귀난치질환 진단을 위한 유전자 검사 대상이 증가하고 있는 추세이다

<월별 유전자검사 의뢰현황>

유전자 검사 의뢰자 중 희귀질환 진단지원사업 검사완료 현황은 2016년에 508건이 보고되 었다(보건복지부). 이들 질환 중 유전자 돌연변이로 인한 대사 과정의 이상으로 질환이 발생 한 경우 대사산물의 작용을 억제하거나 부족한 대사산물을 채워주는 개념의 치료제가 대부분 으로 그 수가 매우 적으며, 근치적 치료 이외에 고식적 연명 치료가 치료의 대부분이다. 치료 의 장기화와 치료제의 희소성으로 많은 사회적 비용이 발생하게 된다. 현재까지는 유전자 변 이에 의한 희귀질환은 일부 특정 유전자 돌연변이로 인해 발생한 질환으로 결손된 유전자의 산물을 대체 약물로 치료가 가능한 일부

질환을 제외하고는 유전자 돌연변이를 고치지 않고서 는 근치적인 치료가 불가능한 실정이다.

인간은 3만 여개의 유전자를 보유하고 있으며, 3500 여개의 질병과 관련된 유전자 변이가 알려져 있다. 이 중 단일 유전자 돌연변이로 인한 질병으로 미국에서만 20만 명 이상, 전 세계 적으로 4억 명 이상이 고통 받고 있다. 이런 유전자 변이로 인한 질병은 완치를 위한 근치적인 치료는 거의 없으며, 유전 이상으로 인한 대사산물을 대체하거나 억제하는 약물을 투여하는 등의 보존적인 치료가 주를 이루고 있다. 1980년대부터 인간의 DNA에 유전자를 전달하려는 노력이 있었으나 실패를 거듭하다 1989년 최초로 인간 유전자 전달에 성공하게 되었다. 이후 1990년 4살 아이에게 첫 유전자 전달을 성공하면서 유전자 치료의 역사가 시작되었고 이후 현재까지 2000개가 넘는 임상 시험이 진행되었고 현재도 진행되고 있다. 유전자 치료는 고전 적인 바이러스를 이용한 유전자 전달 및 RNA 간섭(RNA interference, RNAi)을 이용한 문제 유전자의 발현을 억제하는 방법이 사용되어왔다. 최근 CRISPR(유전자 가위)란 유전자 교정 기술의 발달로 현재 유전자 치료는 유전자 전달, RNA간섭 이외에 유전자 수술(CRISPR를 이 용한 유전자 교정)의 방법으로 분류할 수 있다

바이러스를 이용한 유전자 치료(유전자 전달)는 외부에서 넣어주는 유전자의 삽입 위치에 따른 돌연변이 및 특정 유전자의 불활성화를 유도할 수 있고, 유전자 간섭치료(RNA interference)역시 비정상적인 유전자 발현을 충분히 억제하지 못한다거나, 낮은 특이성으로 전혀 다른 유전자의 발현을 억제하는 결과가 보고된 바 있다. 그러나, 유전체 내의 특정 위치 에 DNA 이중가닥 절단(Double strand breaks, DSB)을 유도하는 유전자 수술은 CRISPR 기 술 개발에 의해 가능해 지고 이로써 유전체 교정 기술이 새로운 전기를 맞이하게 되었다. 이러한 기술들을 이용해 유전자를 전달하는 방식에 따라 유전자 치료는 유전자를 직접 사람에 게 시행하는 생체 내 유전자 치료(In vivo gene therapy)와 조혈모세포 등을 생체 외에서 유 전자 치료를 시행하고 사람에게 주입하는 생체 외 유전자 치료(Ex vivo gene therapy)로 나 눌 수 있다

유전자 교정기술은 meganucleases, 1세대 ZFN(Zinc Finger Nuclease), 2세대 TALEN (Transcriptor Activator-Like Effector Nuclease), 3세대 CRISPR(Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas9로 발전해왔다 (표 1). 이 중에서 meganucleases, ZFN, TALEN은 단백질이 DNA 결합을 통해서 표적 염기서열을 인식한다.

표 1. 유전자 교정기술의 종류 및 특성 비교

	ZFNs	TALENs	CRISPR	Meganucleases
뉴클라아제	Fok1	Fok1	Cas9	다양함
DNA결합방법	Zinc finger 단백	TALE 단백	가이드 RNA	단백질
타입	퓨전 단백질	퓨전 단백질	단백질+RNA	자연적으로 발생하는 제한효소들
유전자 조작의 용이성	어려움	중간 정도 어려움	쉬움	어려움
결합부위	2군데 ‧ ZFN monomer (9-18bps) ‧ ZFN pair (18-36bps)	2군데 ‧ TALEN monomer (14-20bps) ‧ TALEN pair (28-40bps)	1군데 ‧ 18-22bp guide seqeuence + 3gb NGG protospace adjacent motif(PAM) ‧ >44bp for double nicking	1군데 ‧ 14 to 40bp
특이성	매우 높음	매우 높음	낮음	매우 높음
멀티플렉싱의 용이성	낮음	낮음	높음	낮음
면역원성	낮음	가능하지만, 정도는 알려져 있지 않음	가능하지만, 정도는 알려져 있지 않음	가능하지만, 정도는 알려져 있지 않음
타깃팅시 제한점	G가 많은 염기 서열이 있어야함	TALEN monomer를 위한 5'서열이 반드시 T여야만 함	원하는 부위에 PAM 염기 서열이 존재해야함	새로운 염기서열은 타깃팅할 수 없음

이와 다르게, 3세대 유전자 교정기술인 CRISPR는 Cas9과 복합체를 형성하고 있는 small guide RNA(sgRNA)가 표적 염기서열을 인식하고 자르는 방법이다. CRISPR 방법은 목표 DNA와 RNA 결합을 통해 핵산분해효소인 Cas9이 결합하므로, 이전의 ZFN이나 TALEN 기 술에 비해 보다 정교하며 제작이 간편하고 비용이 적게 드는 장점이 있다.  CRISPR의 작용 원리는 간단히 말해서, sgRNA는 특정서열을 인식하고 Cas9은 sgRNA이 인식한 표적 염기서 열을 자른다. 잘라진 염기서열을 회복시키기 위해 생체 내에서 DNA 수복(DNA repair) 기능 이 활성화 되면, 비상동 말단 접합법(Non-homologous end-joining, NHEJ), 또는 상동 재조 합(Homologous recombination) 원리를 이용한 DNA 회복이 일어나고, 이때 염기서열의 일부 나 전체염기서열이 제거(Deletion)되거나 삽입(Insertion), 또는 유사한 서열을 template로 복제하여 표적이 되는 유전자의 발현을 없애거나 교정할 수 있다

CRISPR의 개발과 더불어 유전자 교정이 비교적 간단해 지면서 유전자 교정치료제 개발에 대 한 연구가 증가하고 있다. 또한, CRISPR 기술은 미국 사이언스지에서 2015년도 최고 혁신기 술로 선정되었고, 우리나라에서도, 한국생명공학연구원에서 발표한 2017년 바이오 미래유망 기술 중의 하나로 꼽히기도 하였다.

희귀난치질환분야에서도 유전자 교정 기술을 이용한 치료에 대한 연구가 증가하고 있고, 희귀 질환 치료를 위한 유전자 치료 관련기술은 기술시장 성장단계 분석에서 전반적으로 성장 단계 에 있는 것으로 분석되고 있다. 기술시장성장단계에서 성장단계는 R&D의 급격한 증가와 경 쟁의 격화, 그리고 특허와 특허출원인의 빠른 증가를 의미한다

유전자 교정 치료제 시장현황

 유전자 교정기술의 급격한 발전에 맞추어 유전자 교정기술을 이용한 다양한 치료제 개발에 대한 예산이 적극적으로 지원되고 있다. 미국의 CRISPR funding 규모는 2012년에 약 29억 정도였으며, 2014년엔 150억, 2015년엔 2천 300억, 2016년엔 1천 270억으로 계속 증가하고 있으며, 그만큼 활발한 연구영역임을 입증하고 있다.

우리나라의 경우 유전자 가위 기술관련 키워드로 우리나라 전체 과제 지원은 2015년에 약 137억 2천 만원이, 2016년엔 2015년 계속 과제 포함 128억 7천 만원 정도가 지원되고 있다(NTIS에 등록된 부처별 유전자 가위기술관 련 과제비 현황). 2015년 국가과학기술지식정보 서비스(NTIS)에 등록된 과제 중 식물이나 이식동물연구를 제외한 과제비는 30억 정도였으며 2016년에는 2015년 계속과제를 포함 45 억 정도로 검색되고 있다(NTIS에 등록된 부처별 질병극복과제 관련 유전자 가위기술 과제비 현황).

 유전자 관련 임상시험 현황에 따르면, 1990년부터 2000개가 넘는 임상시험이 시행되었으 며, 대부분 유전자 전달과 관련된 유전자 치료제개발이다. 치료 대상 질환은 단일 유전자 질환 이 10%를 차지하고 있다. 현재까지 전 세계적으로 7개의 치료제가 품목허가를 취득하였으며, 미국의 임상연구 등록 웹사이트(www.clinicaltrials.gov)에 의하면 전 세계적으로 578건의 유 전자치료제 임상연구가 진행 중에 있다

표 2. 품목 허가된 유전자 치료제

연도	국가	제품명	회사명	타겟질환
2003	중국	Gendicine	Shenzhen SiBiono GeneTech Co. Ltd	두경부암
2004	라티비아	RIGVIR	Aina Muceniece	흑생종
2005	중국	Oncorine	Shanghai Sunway	두경부암
2007	필리핀	Rexin-G	Epeius Biotechnologies	전이성 악성 종양
2011	러시아	Leovasculgen	Human Stem Cell Institute	중증하지허혈(CLI)
2012	유럽	Glybera	UniQure	지단백지질분해 효소결핍증(LPLD)
2015	미국	Imlygic	Amgen	악성흑색종

현재까지 보고된 유전자 치료 사례 중 생체 외 유전자 치료사례로는 후천성 면역결핍증 (AIDS)환자 (CCR5 유전자가 조작된 CD4 발현 T 면역세포 치료를 하여, 성공적으로 유전자 치료를 시행함)가 보고되었고, 생체 내 유전자 치료사례로는 제 2형 레버 선천성흑내장으로 소아기에 발생하여 시력을 상실하게 되는 유전질환을 아데노 바이러스에 해당유전자의 cDNA 를 환자의 눈에 직접 주입하여 시력이 호전되는 결과가 보고되었고 현재 2상 임상시험이 진행 중이다. 최근, 우리나라 기초과학연구원(IBS)은 CRISPR 기술을 이용하여 선천성, 유전성 질 환인 혈우병에 대한 세포치료 가능성을 제시하였다. 혈우병(hemophilia)은 전 세계 약 40만 명이 앓고 있는 것으로 파악되는 유전적 돌연변이 질환 중 하나이다. 피가 멎지 않는 출혈성 질환으로 근본적인 치료법이 없어 혈액 응고 단백질을 수시로 투여한 실정이다. 연구팀은 혈 우병 환자의 역분화 줄기세포(iPS cell)에서 CRISPR를 이용하여 유전자 교정 후 혈관내피세 포로 분화시킨 다음 동물모델에 이식 시 혈액응고 효과로 출혈 증상을 개선한 결과를 국제 저명 학술지 셀 스템 셀(Cell Stem Cell)지에 보고하였다. 

현재, CRISPR 원천기술 보유 기업들이 유전자 교정기술을 적용한 치료제 개발에 적극적으로 참여하고 있다. 이 중 우리나라 회사인 툴젠(ToolGen)도 자체 원천기술을 보유하고 있고 유 전자 치료제 개발을 진행 중에 있다

. 유전자 가위 기술

회사명	보유 기술	기술획득 경로	사업영역	설립년도	국가
Sangamo	ZFN	M&A, 라이선스인, 자체개발	치료용	1995	미국
Cellectis	TALEN	라이선스인	연구/산업/치료	1999	유럽/미국
ToolGen	ZFN/TALEN/ CRISPR	자체/공동 개발	연구/산업/치료	1999	한국
Editas medicine	CRISPR	라이선스인	치료용	2013	미국
CRISPR Therapeutics	CRISPR	라이선스인	치료용	2014	유럽/미국
Intellia Therapeutics	CRISPR	라이선스인	치료용	2014	미국

또한, 국내 기업 중 CRISPR 원천기술보유 회사 외에도 바이로메드(허혈성 심혈관질환), 코오 롱생명과학(퇴행성관절염), 제넥신(자궁경부전암), 진원생명과학(조류독감), 신라젠(간암) 등이 유전자 치료제 개발에 대한 연구를 진행 하고 있다.

현재 전 세계적으로 유전자 교정(genome editing)으로 시도하고 있는 질환들 중 희귀난치 질환은 낭포 성 섬유증(Cystic fibrosis), 듀센형 근이영양증(Duchenne Muscular Dystrophy, DMD), 겸상 적혈구 빈혈(Sickle cell anemia), 지중해성 빈혈(Beta Thalassemia), 원발성 면 역 결핍병(Primary immunodeficiency disease), 혈우병(Hemophilia B)등으로 꼽히고 있다. 이러한 질환을 선두로 전 세계적으로 유전자 치료제 개발이 봇물을 이룰 것으로 예상된다

2014년 희귀의약품 세계시장 규모는 970억 달러로 추정되며, 전체 처방의약품 시장의 14.3%를 차지하고 있고, 2020년에는 시장규모가 1760억 달러, 비중은 19.1%로 높아질 것으 로 예측되고 있다.

희귀질환은 “희귀”하나 시장가치는 절대 “희귀”하지 않으며, 시장을 자세히 분석해 보면 전체 시장 규모의 1/7을 차지하고 있는 거대시장이다. 희귀 유전 질환이 차지하고 있는 부분도 시 장의 상당부분으로 예측 된다. 전 세계적으로 유전자치료를 위해 이미 20년 전부터 시작된 임상시험은 상당히 진행된 단계이나, 지금까지 진행된 희귀난치 유전 질환에 대한 치료는 제 한적이며, 치료 효과도 영구적이지 않다. 최근, CRISPR라는 놀라운 기술이 개발이 되었고, 이 로 인해 유전자 교정으로 질환을 고치는 유전자 수술을 시행할 수 있는 시대가 도래 하였다. 이 분야는 아직 기술성장 단계로 전 세계과학자들이 경쟁적으로 연구에 몰입하고 있고, 임상 단계에 진입을 시도하고 있는 추세이다. 유전자 가위를 이용한 유전자 수술은 기존의 유전자 치료법에 비해 효과가 월등하며, 치료 효과 또한 영구적일 것으로 예상되기 때문에 각국 정부 의 연구비와 거대 제약회사의 투자가 증가하고 있다. 이러한 추세로 한국과학기술정보연구원 에서는 치료대안 없는 희귀질환에 유전자 치료제 시장이 2017년을 기점으로 급격히 성장할 것으로 전망하고 있다. 우리나라는 유전자교정치료의 핵심기술인 CRISPR의 특허기술과 연구 력을 보유한 국가로서 선도적 역할이 기대된다. 앞으로 실제 진료실에서 이 기술이 희귀유전 질환환자에 적용되어 치료에 응용되기까지 치열하게 전개되는 전 세계적인 유전자치료제 시 장의 R&D 경쟁에서 우위를 점하기 위해서 사회적인 관심과 국가적인 지원이 필요할 것으로 생각된다.