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유전자 치료

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1. 개요

유전자 치료는 유전 질환을 치료하기 위해 유전자를 인체에 도입하는 기술을 의미한다. 1972년 유전자 치료의 개념이 처음 제시된 이후, 다양한 연구를 통해 기술이 발전해 왔다. 바이러스 벡터와 비 바이러스 벡터를 이용한 유전자 전달 방법이 있으며, 체세포 유전자 치료와 생식세포 유전자 치료로 구분된다. 하지만 표적 외 효과, 짧은 치료 효과 기간, 면역 반응, 비용, 윤리적 문제 등 여러 한계점과 해결해야 할 과제가 존재한다. 유전자 도핑 및 인간 유전공학 분야에서 잠재적인 활용 가능성이 논의되고 있으며, 대한민국에서도 관련 기술 및 정책에 대한 연구가 진행 중이다.

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유전자 치료

2. 역사

유전자 치료의 역사는 여러 중요한 단계를 거쳐 발전해 왔다.

유전자 치료는 1972년 처음 개념화되었다.[313][314] 1980년 7월 10일 마틴 클라인이 최초로 유전자 치료를 시도했으나, 데이터 공개 및 검증 부족으로 그의 연구 결과는 설득력을 잃었다.[315] 1980년대의 동물 실험과 1989년 박테리아 유전자 도입 실험의 성공을 통해, 1990년 9월 14일 아샨티 데실바가 중증면역결핍증 치료를 받은 사례가 첫 번째 성공 사례로 알려져 있다.[316] 1993년에는 영구적인 유전적 변화를 일으킨 최초의 체세포 유전자 치료가 보고되었다.

초기 임상실험에서의 실패는 유전자 치료에 대한 무관심으로 이어졌으나, 2006년 이후 임상실험의 성공으로 연구자들의 관심이 다시 높아졌다. 하지만 2014년까지는 여전히 실험적인 기술이었다. 이러한 실험적인 기술이었던 유전자 치료는 시신경 위축병[373][374][375][376], 맥락막 위축[317], X-연관 중증 면역결핍증[318], ADA-중증면역결핍증[319], 부신백질이영양증[320], 망막 질환 등의 치료에 사용되었다. 만성 림프구성 백혈병, 급성 림프구성 백혈병, 다발성 골수종[321], 혈우병, 파킨슨병[322] 등의 유전자 치료에 2013년부터 2014년 4월까지 미국의 기업들은 6억달러 이상을 투자했다.

최초의 상업적 유전자 치료제인 Gendicine은 2003년 중국에서 암 치료제로 승인받았다.[323] 2011년에는 Neovasculgen이 러시아에서 말초동맥질환 치료를 위한 최초의 유전자 치료제로 등록되었다.[324] 희귀 유전 질환 치료제인 글리베라는 유럽 위원회의 승인을 거쳐 유럽과 미국을 통틀어 임상 용도로 승인된 최초의 유전자 치료제가 되었다.[393][394]

지금까지의 의학, 임상적 치료는 질병이 발병한 후에 해당 질병의 물리적 원인을 제거하거나 유기 합성을 통해 만들어진 화합물을 투여하여 질병의 원인이 되는 물질을 억제하는 방법들이 주류를 이루었다. 유전자 치료는 질병을 가진 개체의 유전체 자체를 변화시켜 질병의 원인을 제거하거나 비정상적인 기능을 보이는 유전자들이 제 기능을 찾을 수 있도록 돕는 치료 방법으로, 기존의 치료 방법과 다르게 질병의 원인 자체를 조절할 수 있다는 장점을 가진다.

초기 유전자 치료 연구는 주로 결함이 있는 유전자를 대체하거나 파괴하는 방법에 중점을 두었으며, 단일 유전자 돌연변이로 일어나는 비교적 단순한 질병 치료에 집중했다. 현재는 단일 유전자 변이 교정을 넘어 유전자 가위 등을 이용하여 유전체를 편집하고, 원하는 유전자의 발현을 가속화할 수 있는 방법까지 연구되고 있다.

2. 1. 1970년대 이전

1972년, 프리드먼(Friedmann)과 로블린(Roblin)은 사이언스에 "인간 유전 질환에 대한 유전자 치료?"라는 제목의 논문을 발표하며,[148] 유전자 치료의 개념을 처음으로 제시했다. 같은 해, 로저스(Rogers)는 유전적 결함을 가진 사람들의 DNA를 외부 DNA로 대체하는 방법을 제안했다.[149]

2. 2. 1980년대

1984년, 레트로바이러스를 이용하여 포유류염색체에 외래 유전자를 효율적으로 삽입하는 방법이 보고되었다.[350] 이 방법은 유전자 치료 연구에 중요한 진전을 가져왔다.

1980년 7월 10일, 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA)의 유전학자 마틴 클라인은 최초로 유전자 치료를 시도했다.[313][314] 클라인은 환자의 유전자 중 하나가 6개월 후 활성화되었다고 주장했지만, 이 데이터를 공개하거나 검증하지 않아 그의 연구 결과는 설득력을 잃었다.[315] 그가 치료했다고 주장하는 베타 지중해 빈혈 치료에 도움이 되지 않았을 것이라는 비판도 있었다.

2. 3. 1990년대

1990년 9월 14일, 미국 국립 보건원(NIH)에서 윌리엄 프렌치 앤더슨의 지시 하에 최초로 승인된 유전자 치료 임상 연구가 진행되었다.[151] 4세 소녀 아샨티 데실바는 아데노신 탈아미노효소 결핍증(ADA-SCID)이라는 중증 면역 결핍증을 앓고 있었는데, 이 치료를 통해 결함이 있는 유전자를 가진 혈액 세포를 기능적인 유전자로 대체하였다. 그 결과, 아샨티의 면역 체계는 부분적으로 회복되었다. 하지만 이 효과는 일시적이었기 때문에, 아샨티는 두 달마다 정기적인 주사를 맞아야 했다.[152]

1992년에는 클라우디오 보르디뇽이 조혈모세포를 이용하여 유전 질환을 치료하는 유전자 치료를 최초로 수행했다.[155] 이 연구는 2002년 아데노신 탈아미노효소 결핍증(ADA-SCID) 치료의 성공으로 이어졌다.

1992년/1993년에는 암 유전자 치료가 도입되었다.[153] 악성 뇌종양인 교모세포종 치료에 안티센스 IGF-I RNA를 발현하는 벡터가 사용되었고(1993년 11월 24일 NIH 프로토콜 승인, 1994년 FDA 승인), 이는 암 면역 유전자 치료의 시작을 알렸다.[154]

1993년, 앤드류 고베아는 출생 전 유전자 스크리닝을 통해 중증 면역결핍증 진단을 받고, 출생 직후 탯줄 혈액에서 채취한 조혈모세포에 ADA 유전자를 도입하는 유전자 치료를 받았다. 4년 후, 그의 T 세포는 정상적인 ADA 효소를 만들기 시작했다.[157]

1999년, 제시 겔싱어가 유전자 치료 임상 시험 도중 사망하면서 유전자 치료 연구에 대한 회의적인 시각이 제기되었다.[159][160] 미국 식품의약국(FDA)은 윤리 및 절차 문제를 재평가하기 위해 여러 임상 시험을 중단하기도 했다.[161]

2. 4. 2000년대


  • '''2002년'''
  • 쥐를 대상으로 한 실험에서 바이러스 벡터를 이용하여 태아 헤모글로빈 생성을 유도, 겸상 적혈구 빈혈(Sickle cell disease) 치료 가능성이 보고되었다.[361] 사람의 경우, 수산화요소(hydroxyurea)를 이용하여 태아 헤모글로빈 생산을 유도해 겸상 적혈구 빈혈의 증상을 일시적으로 완화시킬 수 있었으나, 바이러스 벡터를 이용하는 방법이 더 영구적이고 효율적인 치료 방법임을 제시했다.[362]
  • 잘못된 유전자로부터 전사된 전령 RNA(messenger RNA, mRNA)를 고치는 새로운 유전자 치료 접근법이 제안되었다. 이 기술은 지중해 빈혈, 낭포성섬유증(cystic fibrosis) 그리고 몇몇 암 치료에 사용되었다.[363]
  • 연구자들은 치료에 필요한 DNA를 감싸는 리포솜(liposome)을 25나노미터 수준으로 만들어 핵막을 통해 전달할 수 있는 방법을 보고했다.[364]
  • '''2003년'''
  • 한 연구팀은 혈액-뇌 장벽(Blood-Brain Barrier, BBB)을 가로지를 수 있을만큼 작은 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)이라는 고분자로 코팅 된 리포솜(liposome)을 사용하여 최초로 뇌에 유전자를 도입했다. 이는 기존의 바이러스 벡터를 이용하는 방법으로는 불가능했던 일이다.[365]
  • 짧은 가닥 간섭 RNA(short interfering RNAs, siRNA) 기술: siRNA가 잘못된 유전자로부터 복사 된 RNA와 상보된 서열을 갖도록 설계된다면, 그 유전자의 RNA는 siRNA와 결합하여 분해되어 비정상적인 단백질은 생산되지 않는다.[366]
  • Gendicine이 중국에서 두경부 편평상피암(head and neck squamous cell carcinoma)의 유전자 치료제로 승인을 받았다. Gendicine은 조작된 아데노바이러스를 사용하여 종양 억제 유전자 p53을 전달하여 암을 치료한다.[323]
  • '''2006년'''
  • 연구자들은 골수세포에 영향을 미쳐 면역 체계에 피해를 입히는 X-연관 만성 육아종증을 가진 어른 2명을 유전자 치료를 통해 치료에 성공했다고 보고했다. 이는 골수의 면역체계를 유전자 치료를 통해 치료할 수 있음을 보인 첫 번째 사례이다.[367]
  • 한 연구팀은 면역 체계가 외래 유전자를 거부하는 반응을 방지하는 방법을 보고하였다.[368] 이 연구팀은 microRNA에 의해 조절되는 유전자들의 상호작용을 이용했다. microRNA가 면역 체계로 하여금 외래 유전자를 찾는 데에 도움을 주었기 때문에, 쥐에서 면역 세포에서 발현하는 microRNA의 목표 서열을 도입해 microRNA의 작용을 막자 더 이상 외래 유전자를 거부하는 반응을 보이지 않았다.
  • 연구자들은 킬러 T 세포가 암세포를 공격하도록 유전적 변화를 유도해 전이성 흑색종(metastatic melanoma)을 가진 2명의 환자를 치료했다.[369]
  • 연구자들은 HIV 바이러스의 표면을 암호화하는 유전자와 상보적인 유전자를 렌티바이러스(lentivirus)를 통해 도입함으로써 HIV를 제거하는 면역치료제(VRX496)를 보고했다. 5명의 만성 HIV 감염 환자를 대상으로 임상 1상이 진행되었고, 치료의 효능이나 안정성에서 문제가 없음을 보였다. 이 시험은 미국에서 인간의 치료를 위해 렌티 바이러스가 허용된 첫 시험이었다.[370][371]
  • '''2007년'''
  • 연구자들은 처음으로 선천적인 망막 질병을 치료하기 위해 유전자 치료법을 사용했다. 23세의 영국인 로버트 존슨(Robert Johnson)이 이 치료를 받았다.[372]
  • '''2008년'''
  • 레버 선천성 흑암시(Leber's congenital amaurosis) 치료: RPE65 유전자의 돌연변이로 인해 선천적으로 눈이 머는 질병인 레버 병 아이들을 상대로 아데노 관련 바이러스에 RPE65 유전자를 도입한 임상 시험 결과가 보고되었다. 총 3개의 임상 시험에서 환자들은 명확한 부작용을 겪지 않은 채 시각 능력을 회복하였다.[373][374][375][376]
  • '''2009년'''
  • 연구자들은 다람쥐원숭이(squirrel monkey)에게 3가지의 색을 볼 수 있는 능력을 주었다.[377]
  • 부신백질이영양증(adrenoleukodystrophy, ALD) 치료: ABCD1 유전자의 돌연변이로 생기는 치명적인 질병으로 알려진 부신백질이영양증을 가진 두 명의 어린이를 렌티 바이러스를 이용한 ABCD1 유전자의 도입을 통해 치료에 성공했다.[378]

2. 5. 2010년대

2010년 9월, 베타-지중해성 적혈구 빈혈을 앓고 있던 18세 프랑스 남성 환자가 렌티바이러스를 이용한 유전자 치료로 성공적인 치료를 받았다. 이 환자는 평생 수혈에 의존해야 했으나, 치료 후 환자의 헤모글로빈 수치가 안정적으로 유지되었고 더 이상 수혈이 필요하지 않았다.[380][381][382] 이 질병에 대한 유일한 치료법은 골수 이식이었지만, 환자의 75%는 적합한 골수를 찾지 못했다.[309][383]

2011년, Neovasculgen이 러시아에서 말초동맥질환 치료를 위한 유전자 치료제로 승인되었다. 이는 유전자 치료제로는 처음으로 승인된 사례이다.[324] 이 치료제는 인간의 혈관표피형성인자(VEGF)를 암호화하는 유전자를 운반한다.[389][390][391] 같은 해, 만성 림프구성 백혈병(CLL) 환자 치료에 유전자 치료가 성공적으로 사용되었다.[385]

2012년, 글리베라(Glybera)가 유럽 위원회의 승인을 받아 유럽과 미국에서 임상 용도로 승인된 최초의 유전자 치료제가 되었다.[393][394] 글리베라는 희귀 유전 질환인 지질단백질 분해효소 결핍증 치료제였다.[395][396] 2012년 당시 글리베라 치료 비용은 약 160만달러(한화 약 17억원)였으며,[398] 2015년에는 100만달러(약 11억원)로 인하되었지만,[399][400] 여전히 세계에서 가장 비싼 의약품이었다. 2016년에는 단 한 명의 환자만이 이 치료제로 치료받았다.[401]

2013년, 급성 림프성 백혈병(ALL) 환자 치료에 유전자 치료가 성공적으로 사용되었다.[402]

2014년, 맥락막 결여 환자들이 유전자 치료를 통해 시력을 회복했다.[414][415]

2015년, CRISPR 유전자 가위 기술을 이용한 유전자 치료 연구가 활발히 진행되었다.[424][425][426][427]

2016년, Strimvelis가 유럽에서 ADA-SCID 치료제로 승인되었다.[432][433] 이는 유럽에서 허가된 두 번째 유전자 치료제였다.[434][435]

2017년, 미국 식약청(FDA)은 급성 림프성 백혈병 치료제인 Tisagenlecleucel을 승인했다.[441] 이는 미국에서 처음으로 승인된 유전자 치료제였다.

3. 세포의 종류

유전자 치료는 적용되는 세포의 종류에 따라 체세포 유전자 치료, 생식세포 유전자 치료, 줄기세포 유전자 치료로 분류할 수 있다.


  • 체세포 유전자 치료 (SCGT): 배우자, 생식 세포, 생식 모세포, 미분화 줄기 세포를 제외한 체세포에 치료 유전자를 도입한다. 유전체 변형은 개인에게만 영향을 미치고 자손에게는 유전되지 않는다.
  • 생식세포 유전자 치료 (GGT): 정자난자와 같은 생식 세포에 기능 유전자를 넣어 유전체를 변형시킨다. 변형된 유전자는 해당 생물체의 모든 세포에 포함되며, 유전 가능하여 다음 세대로 전달된다.
  • 줄기세포 유전자 치료: 자기 재생 능력이 있는 줄기세포를 이용하므로 치료 효과가 오래 지속되어 주기적인 치료가 필요 없다는 장점이 있다.

3. 1. 체세포 유전자 치료 (SCGT)

체세포 유전자 치료(SCGT)는 배우자, 생식 세포, 생식 모세포, 미분화 줄기 세포를 제외한 세포에 치료 유전자를 도입하는 방법이다. 이러한 유전체 변형은 개인에게만 영향을 미치며 자손에게 유전되지 않는다. 체세포 유전자 치료는 치료용 DNA를 사용하여 질병을 치료하는 기본적인 치료법이다.[327]

미국에서는 체세포 유전자 치료를 이용한 600건이 넘는 임상 시험이 진행 중이다. 이 치료는 선천성 면역 결핍증, 혈우병, 지중해 빈혈, 낭성 섬유증을 비롯한 심각한 유전 질환에 중점을 두고 있다. 이러한 단일 유전자 질환은 체세포 치료를 위한 좋은 후보군이다. 하지만 유전 질환의 완전한 교정이나 여러 유전자의 대체는 아직 가능하지 않다.[327]

겸상 적혈구 빈혈증은 쥐에서 치료가 가능하다.[162] 바이러스 벡터를 사용하여 일반적으로 출생 직후 생산이 중단되는 태아 헤모글로빈(HbF)의 생산을 유도하는 방식이다. 사람의 경우, 하이드록시우레아를 사용하여 HbF의 생산을 자극하면 겸상 적혈구 빈혈 증상이 일시적으로 완화된다. 연구자들은 이 치료법이 치료적 HbF 생산을 증가시키는 보다 영구적인 수단임을 입증했다.[163]

새로운 유전자 치료 접근법은 결함이 있는 유전자에서 파생된 전령 RNA의 오류를 수정한다. 이 기술은 지중해 빈혈, 낭성 섬유증 및 일부 암을 치료할 가능성이 있다.[164]

연구자들은 핵막의 구멍을 통해 치료용 DNA를 운반할 수 있는 25nm 크기의 리포솜을 만들었다.[165]

3. 2. 생식세포 유전자 치료 (GGT)

생식세포 유전자 치료(GGT)는 정자 또는 난자 세포와 같은 생식 세포에 기능 유전자를 도입하여 유전체를 변형시키는 방법이다. 생식세포를 수정하면 해당 생물체의 모든 세포가 변형된 유전자를 포함하게 된다. 따라서 이러한 변화는 유전 가능하며 다음 세대로 전달된다.[328]

호주, 캐나다, 독일, 이스라엘, 스위스, 네덜란드[328] 등은 미래 세대에 발생할 수 있는 위험[328]에 대한 지식과 기술 부족, 그리고 윤리적인 문제로 인해 인간에게 생식세포 유전자 치료를 적용하는 것을 금지하고 있다. 반면 미국은 생식세포 유전자 치료를 포함하는 인간 유전자 변형을 다루는 연방 정부의 통제가 없다.[328]

3. 3. 줄기세포 유전자 치료

자기 재생 능력을 갖는 줄기세포를 이용한 유전자 치료는 치료 효과가 오래 지속되어 주기적인 치료의 번거로움을 줄일 수 있다는 장점이 있다.[333][334][335][336][337] 2010년대부터 보고되기 시작했으며, 조혈모세포(조혈 줄기세포), 신경줄기세포, 중간엽 줄기세포 등을 이용하여 여러 질병을 치료했다는 보고가 있다.[333][334][335][336][337] 자세한 내용은 줄기세포 문서의 유전자 치료 항목에서 다루고 있다.

4. 유전자 전달체/운반체

유전자 전달체는 치료 유전자를 세포 내로 운반하는 역할을 한다. 유전자 전달은 여러 방법으로 달성할 수 있다. 크게 두 가지로 분류하면 재조합 바이러스(바이러스 벡터)와 나체 DNA 또는 DNA 복합체(비바이러스 방법)이다.[63]

초기에는 원하는 단백질을 발현시키는 유전자를 투여하는 데에 중점을 두었으나, 기술이 발전하면서 3세대 유전자 가위인 CRISPR 등을 사용하여 직접 유전체를 편집하는 방향으로 연구가 진행되었다. 바이러스 벡터는 환자의 유전체에 유전자를 직접 도입하여, 원하는 단백질을 발현시키거나 핵산 분해효소(CRISPR 등)를 발현시켜 치료 효과를 얻도록 한다. 1980년대 후반부터 관련 연구가 꾸준히 진행되었고, 유전자 가위를 이용한 유전자 치료는 2010년대에 보고되기 시작했다.[326]

자살 유전자 치료 그래픽 (암 치료에 사용)


치료에 유전자 치료를 이용하려는 시도가 있어 왔다. 2017년 기준으로, 유전자 치료 임상시험의 65%가 암 치료를 위한 것이었다.[64] 아데노바이러스 벡터는 암에 항원을 추가하여 면역 반응을 일으키거나, 특정 단백질을 발현시켜 혈관 신생을 방해하는 데 사용될 수 있다.[75] 상업 제품으로는 젠디신과 온코린이 아데노바이러스 벡터를 사용한다.[75] 렉신 G는 레트로바이러스 기반 벡터를 사용하며, 종양에서 더 많이 발현되는 수용체에 선택적으로 결합한다.[75]

자살 유전자 치료는 암세포를 죽게 만드는 효소를 암호화하는 유전자를 도입하여 작동한다. 종양 용해성 바이러스를 사용하는 방법도 있는데, 온코린이 그 예시이다.[76]

mRNA 백신은 암세포의 기능을 일시적으로 변경하여 항원을 생성하거나 암세포를 죽이는 비바이러스성 벡터로 제안되었으며, 여러 임상시험이 진행되었다.[79]

아파미트레젠 오토류셀(테셀라)은 활막 육종 치료에 사용되는 자가 T 세포 면역 요법으로, T 세포 수용체(TCR) 유전자 치료법이다.[84]

4. 1. 바이러스 벡터

바이러스는 자신의 유전 물질을 숙주 세포에 주입하여 유전 정보를 복제한다. 유전자 치료는 이러한 바이러스의 특성을 이용하여, 바이러스 유전 물질을 치료용 DNA 또는 RNA로 대체한다.[45][64] 이때 사용되는 바이러스를 '바이러스 벡터'라고 부른다.

바이러스 벡터로는 레트로 바이러스, 아데노 바이러스[311], 렌티 바이러스 등이 이용된다.[45] 치료용 DNA는 바이러스 벡터를 통해 숙주 세포의 유전체에 삽입되어 영구적인 유전자 변형을 일으키도록 설계된다.[45]

아데노바이러스 바이러스 벡터는 숙주 세포의 DNA에 통합되지 않아, 세포의 유전자 발현을 일시적으로만 수정한다.[65]

렌티바이러스 벡터는 레트로바이러스의 일종인 렌티바이러스를 기반으로 한다. 이 벡터는 유전자를 영구적으로 발현시키기 위해 세포의 핵 게놈을 수정할 수 있지만, 필요에 따라 통합을 방지하도록 수정할 수도 있다.[45]

아데노 관련 바이러스(AAV)는 다른 바이러스(헬퍼 바이러스)에 감염되어야만 세포 간 전달이 가능하다. 아데노바이러스와 헤르페스 바이러스가 AAV의 헬퍼 바이러스 역할을 한다. AAV는 주로 에피솜 형태의 콘카테머를 형성하여 세포 핵 게놈 외부에 장기간 존재한다.[67]

4. 2. 비 바이러스 벡터

비 바이러스 방법은 바이러스 벡터를 이용하는 방법에 비해 면역 반응에 의한 피해가 적고, 대량 생산이 가능하다는 장점을 가진다.[63] 그러나 바이러스 벡터를 이용하는 방법보다 형질 전환 혹은 유전자 발현 효율이 낮아 치료 효과가 떨어진다는 단점도 존재한다.[71] 최근에는 세포 특이 표적화 및 세포내 수송 제어 등의 새로운 기술들을 도입하여 이러한 문제를 보완할 수 있다는 가능성을 제시하는 연구들이 보고되고 있다.

비 바이러스 유전자 치료법에는 히스톤이 제거된 DNA 직접 주입, 전기천공법, 유전자총, 소노포레이션, 자기장을 이용한 자화 감염, 올리고뉴클레오타이드 사용, 리포솜 내에 약물을 넣는 방법(lipoplexes), 덴드리머 및 무기 나노 입자 사용 등이 있다.[71][72][73]

5. ''Ex vivo''와 ''In vivo''의 차이점

일반적으로 유전자 치료제는 체외(''ex vivo'')와 체내(''in vivo'')로 구분된다.[53][54] 생체 외(ex vivo) 유전자 치료는 환자의 세포를 채취하여 유전자를 변형시킨 후 다시 환자에게 주입하는 방식이고, 생체 내(in vivo) 유전자 치료는 유전자를 운반하는 벡터를 환자에게 직접 주입하는 방식이다. 1990년 아샨티 데실바가 아데노신 탈아미나제 결핍증(ADA-SCID) 치료를 받으면서 유전자 치료가 성공적으로 받아들여졌다.

5. 1. 생체 내 ''In vivo'' 유전자 치료제

치료 유전자를 포함하는 유전자 전달 벡터를 환자의 몸에 직접 주입하여 타깃 세포 내에서 치료 유전자가 활성화되도록 하는 방법이다. ''Ex vivo'' 유전자 치료와 달리 환자의 세포를 채취하고 유전자를 도입한 세포를 다시 몸에 넣는 과정이 필요 없어 간편하다.[338] 그러나, 원하는 타깃 이외의 조직이나 장기에서 치료 유전자가 발현되는 '오프 타깃 효과(Off-Target Effect)'가 발생할 수 있고, 면역 반응으로 인해 안전성 문제가 발생할 수 있다.[338] 실제로 오르니틴 트랜스카바밀라제 결핍증 치료제 개발을 위한 아데노바이러스 벡터 치료제 임상 시험에서 제시 겔싱어(Jesse Gelsinger영어)가 전신 염증 반응으로 사망하여 미국 전역에서 유전자 치료제 임상 시험이 일시 중단되기도 했다.[338] 하지만 2022년 현재에는 생체 내 및 생체 외 치료제가 모두 안전한 것으로 간주된다.[339]

''생체 내 유전자 치료''는 세포 분열성 세포를 수집할 필요가 없어 더 간단하지만, ''생체 외 유전자 치료''는 내약성이 더 좋고 심각한 면역 반응과 덜 관련되어 있다.[54]

5. 2. 생체 외 ''Ex vivo'' 유전자 치료제

Ex vivo영어 유전자 치료는 환자의 몸에서 세포를 채취한 후, 치료 유전자를 전달하고, 다시 환자의 몸에 넣어주는 방법이다.[53] 이 방법은 '오프 타깃 효과' 및 면역 반응을 줄일 수 있다는 장점이 있다.[54] 또한, 형질 전환된 세포에 대한 선별, 증식, 품질 평가가 가능하여 추가적인 안전성 및 효능을 확보할 수 있다.[54] 주로 레트로바이러스 벡터 또는 렌티바이러스 벡터를 이용하는 경우에 사용된다.

Ex vivo gene therapy
생체 외 유전자 치료

  • '''장점:'''
  • * '오프 타깃 효과' 감소: ''In vivo'' 유전자 치료의 단점인 '오프 타깃 효과'를 줄일 수 있다.
  • * 면역 반응 감소: 바이러스 전달체에 의해 유발될 수 있는 면역 반응을 최소화할 수 있다.
  • * 세포 선별, 증식, 품질 평가 가능: 형질 전환된 세포에 대해 선별, 증식, 품질 평가를 수행하여 안전성과 효능을 높일 수 있다.
  • '''활용:'''
  • * CAR-T 치료법: CAR-T 치료법과 같은 ''생체 외 유전자 치료''에서는 환자 자신의 세포(자가 세포) 또는 건강한 공여 세포(동종 세포)를 특정 단백질(예: 키메라 항원 수용체)을 발현하도록 벡터를 사용하여 신체 외부에서 수정한다.

6. 한계

유전자 치료는 아직 해결해야 할 문제들이 많다.

1990년대에 임상 시험이 시작된 이후, 유전자 치료 연구는 여러 문제로 인해 쇠퇴와 부흥을 반복했다. 1999년에는 사망 사고가 발생했으며, 백혈병을 앓게 된 환자도 있었다. 이러한 이유로, ES 세포나 iPS 세포를 중심으로 한 줄기 세포 치료로 연구 방향이 전환되기도 했다.[318]

2010년대에 들어 징크 핑거 뉴클레아제 (ZFN), TALEN, CRISPR/Cas9를 중심으로 한 게놈 편집 기술이 등장했다.[305] 2015년에는 중화인민공화국에서 CRISPR/Cas9를 사용해 세계 최초로 인간 수정란 유전자 조작을 시도하여 국제적인 논란이 일었다.[306][307] 이는 인간 수정란에 대한 게놈 편집 기술의 생명 윤리적 규제에 대한 새로운 과제를 제기했다.[308]

유전자 치료의 일반적인 문제점은 다음과 같다.


  • 전달 문제: DNA는 전하를 띤 분자이므로 세포막핵막을 통과하기 어렵다. 바이러스를 벡터로 사용하기도 하지만, 제어가 쉽지 않다.
  • 기능 문제: DNA를 표적 세포에 넣더라도, 단백질로 전사 및 번역될 가능성이 낮아 기능 발현이 어려울 수 있다.
  • 면역 반응 문제: 바이러스는 이물질로 간주되어 면역계의 공격을 받을 수 있으므로, 장기간의 바이러스 투여가 어렵다.

6. 1. 짧은 치료 효과 기간

유전자 치료가 영구적인 치료법이 되기 위해서는 표적 세포에 도입된 치료용 DNA가 지속적으로 기능을 유지해야 하며, 치료용 DNA가 들어있는 세포가 안정적이어야 한다.[111] 그러나 유전체에 치료용 DNA를 도입하는 것과 급속히 분화하는 세포들의 특성으로 인해 지속적인 효과를 얻지 못하는 문제가 있다. 따라서 환자는 여러 번의 치료를 받아야 한다.

6. 2. 면역 반응

인체 조직에 이물질이 들어오면 면역계가 자극되어 침입자를 공격하는 면역 반응이 일어난다. 면역계가 이전에 보았던 바이러스에 대한 면역 반응을 향상시키면 반복된 치료 효과가 감소한다.[111] 면역 반응은 유전자 치료 효과를 감소시킬 수 있다.

6. 3. 다발 장애

심장 질환, 고혈압, 알츠하이머병, 관절염, 당뇨병과 같이 일반적으로 발생하는 일부 질환은 여러 유전자의 변이에 의해 영향을 받으므로 유전자 치료가 복잡해진다.[113]

6. 4. 삽입 돌연변이 유발

DNA가 종양 억제 유전자와 같은 유전체의 민감한 위치에 도입되면 종양을 유발할 수 있다. 이러한 삽입 돌연변이는 조혈모세포레트로바이러스를 이용하여 교정된 유전자를 도입해, X-연관 중증 복합 면역 결핍증 (X-SCID) 환자를 치료하는 임상 시험에서 발생했으며, 이로 인해 20명의 환자 중 3명에게서 T세포 백혈병이 발병했다.[340][341] 한 가지 해결 방법은 도입될 DNA에 기능성 종양 억제 유전자를 추가하는 것이다. 이것은 DNA가 길수록 세포의 유전체에 도입되는 것이 어렵기 때문에 치료 효과를 낮출 수 있다는 문제를 가지고 있다.[342]

6. 5. 비용

일반적으로 유전자 치료는 비용이 매우 높다. 예를 들어 지단백 리파아제 결핍증 치료제인 알리포진 티파르보벡(글리베라)은 환자 당 160만달러(한화 약 17억)의 비용으로 2013년에 세계에서 가장 비싼 약으로 보고되었다.[343][344]

6. 6. 윤리적 문제

유전자 치료는 여러 윤리적 문제를 야기한다. 1999년에는 유전자 치료 임상 시험 도중 환자가 면역 거부 반응으로 사망한 사례가 있으며,[345] 2003년에는 X-SCID 환자가 백혈병으로 사망하기도 했다.[316]

문제점설명
표적 외 효과 (Off-target effects)원치 않는 유전자 변이가 발생할 수 있다.[111]
단기적 특성 (Short-lived nature)치료 효과가 오래 지속되지 않아 여러 번 치료를 받아야 할 수 있다.
면역 반응 (Immune response)인체 면역 체계가 치료를 방해할 수 있다.
바이러스 벡터 (Viral vectors) 문제바이러스 벡터는 독성, 염증 반응 등을 유발할 수 있다.
다유전자 질환 (Multigene disorders)여러 유전자가 관련된 질병은 치료가 복잡하다.
삽입 돌연변이 (Insertional mutagenesis)DNA가 잘못된 위치에 삽입되면 종양을 유발할 수 있다.[114][115]
생식 세포 변형일부 치료법은 생식 세포를 변화시켜 윤리적 문제를 야기할 수 있다.[113]
비용 (Cost)일부 유전자 치료는 매우 비싸다. 예를 들어, 알리포젠 티파르보벡은 2013년에 환자당 160만달러의 비용으로 세계에서 가장 비싼 약물로 보고되었다.[118][119]



2015년에는 중화인민공화국에서 CRISPR/Cas9 기술을 이용해 인간 수정란 유전자 조작을 시행하여 국제적인 논란이 일기도 했다.[306][307] 이는 인간 수정란에 대한 게놈 편집 기술의 생명 윤리적 규제 문제를 제기한다.[308]

7. 사용 전망

유전자 치료는 질병 치료뿐만 아니라 운동 능력, 외모, 신진대사, 기억력, 지능 등 다양한 인간의 능력을 향상시키는 데 사용될 수 있다는 전망이 제기되고 있다.

유전자 도핑은 아직까지 발생 사례는 없지만, 운동선수들이 유전자 치료 기술을 사용할 가능성에 대한 우려가 존재한다.[130] 일각에서는 모든 선수에게 유전자 도핑이 동등하게 제공된다면 공정한 경쟁이 가능하다는 주장도 있지만,[131] 윤리적인 문제를 제기하는 비판적인 시각도 존재한다.

인간 유전공학, 특히 생식세포 유전자 조작에 대한 윤리적 논쟁은 1990년대부터 꾸준히 제기되어 왔다.[456] 태아가 유전자 변형되지 않은 채로 태어날 권리, 부모가 자녀의 유전자를 선택할 권리 등 다양한 주장이 대립하고 있다.[452][453][454] CRISPR와 같은 최신 기술의 등장은 이러한 논쟁을 더욱 심화시키고 있으며, 2015년에는 과학자들이 인간 생식세포 유전체 변형에 대한 일시적 중단(모라토리움)을 제안하기도 했다.[424][425]

미국 국립 과학 아카데미와 국립 의학 아카데미 위원회는 유전체 편집의 안정성과 효능이 보장되고, 대상이 심각한 상황에 처해 있으며, 엄격한 통제가 가능한 경우에만 인간 유전체 편집을 지지한다는 입장을 밝혔다.[461] 미국 의학 협회의 윤리 및 사법위원회는 특정 형질을 강화하는 유전자 조작은 매우 제한적인 상황에서만 허용되어야 하며, 다음과 같은 조건을 충족해야 한다고 주장했다.[455]

조건
태아나 어린이에게 명확하고 의미 있는 혜택을 주는 경우
다른 특성과 절충이 없는 경우
소득이나 다른 사회 경제적 특성에 관계없이 유전 기술에 동등하게 접근 할 수 있는 경우


7. 1. 유전자 도핑

운동 선수들은 유전자 치료를 통해 경기력을 향상시킬 수 있다.[451] 아직까지 유전자를 이용해 운동능력을 향상시키는 방법은 알려지지 않았으나, 여러 유전자 치료법이 그러한 효과를 낼 가능성은 있다.

유전자 도핑은 아직 발생한 사례가 없지만, 선수들이 경기력 향상을 위해 유전자 치료 기술을 사용할 수 있다는 우려가 제기되고 있다.[130] 카이저 등은 모든 선수에게 유전자 도핑이 동등하게 제공된다면 공정한 경쟁을 가능하게 할 수 있다고 주장한다. 그러나 비판론자들은 치료 목적이 아닌 경기력 향상을 위한 어떠한 개입도 의학과 스포츠의 윤리적 기반을 훼손한다고 주장한다.[131]

7. 2. 인간 유전공학

유전공학은 질병 치료뿐만 아니라 외모, 신진대사, 그리고 기억력과 지능을 포함하는 신체적, 정신적 능력을 향상시키는 데에도 이용될 수 있다. [132] [133] [134]

생식세포 유전자 조작에 대한 윤리적 논쟁은 계속되고 있다. 여기에는 태아가 유전자 변형되지 않은 채로 태어날 권리, 부모가 자녀의 유전자를 선택할 권리, 모든 아이들이 예방 가능한 질병으로부터 자유로울 권리가 있다는 주장이 포함된다.[452] [453] [454] 일각에서는 유전자 조작이 식단, 운동, 교육, 훈련, 화장품, 성형 수술과 같이 자녀의 능력을 향상시키는 또 다른 기술로 간주될 수 있다는 주장도 제기된다.[135] [136]

1990년대 생명공학 발전 초기부터 인간 생식세포의 유전체 변형에 대한 우려의 목소리가 높았으며,[456] 기술이 발전함에 따라 이러한 우려는 계속되었다.[457] [458] CRISPR과 같은 최신 기술의 등장으로 2015년에는 과학자들이 인간 생식세포 유전체 변형에 대한 모라토리움을 제안하기도 했다.[424] [425] [426] [427] 같은 해 4월에는 생존 불가능한 인간 배아의 유전체를 CRISPR을 통해 편집하는 것에 대한 논쟁이 벌어지기도 했다.[459] [460]

미국 국립 과학 아카데미와 국립 의학 아카데미 위원회는 유전체 편집의 안정성과 효능이 보장되고, 대상이 심각한 상황에 처해 있으며, 엄격한 통제가 가능한 경우에만 인간 유전체 편집을 지지한다고 밝혔다.[461] [462] [463]

미국 의학 협회의 윤리 및 사법위원회는 특정 형질을 강화하는 유전자 조작은 매우 제한된 상황에서만 허용되어야 한다고 주장했다. 허용 조건은 다음과 같다.[455]

조건
태아나 어린이에게 명확하고 의미 있는 혜택을 주는 경우
다른 특성과 절충이 없는 경우
소득이나 다른 사회 경제적 특성에 관계없이 유전 기술에 동등하게 접근 할 수 있는 경우


8. 고려할 점

이론적으로 인간과 다른 동물에게 유전자를 주입하는 것에는 큰 차이가 없다. 그러나 여기에는 복잡한 윤리적, 기술적 문제점이 따른다.[174][219]

열성 유전병과 우성 유전병을 치료하는 방법에는 기본적인 기술적 차이점이 있다. 열성 유전병은 특정 생성물의 결핍에 의해 나타나기 때문에 온전한 생성물 유전자를 생물체에 주입하면 된다. 이와 달리 우성 유전병의 경우에는 결함 유전자를 정상 상태로 전환시키거나 비활성화시켜야 한다.

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