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암은 전 세계적으로 사망원인 2위를 차지하고 있는 질환이다. 암을 치료하기 위한 방법들로 수술, 방사선 치료, 화학 요법이 있다. 그러나 기존의 항암치료법은 한정적인 범위에서 치료가 가능하며, 정상세포에도 악영향을 미쳐 여러가지 부작용을 유발한다. 이를 보완하기 위한 새로운 항암치료법으로 환자의 면역체계를 통해 암세포를 제거하는 항암면역치료법이 개발되었다. 암백신은 항암면역치료법의 일부이며, 종양의 항원을 이용하여 특정 암세포에 대해 면역을 획득 시킨다. 최근, mRNA와 지질나노입자를 이용한 mRNA 백신이 COVID-19와 같은 ...

암은 전 세계적으로 사망원인 2위를 차지하고 있는 질환이다. 암을 치료하기 위한 방법들로 수술, 방사선 치료, 화학 요법이 있다. 그러나 기존의 항암치료법은 한정적인 범위에서 치료가 가능하며, 정상세포에도 악영향을 미쳐 여러가지 부작용을 유발한다. 이를 보완하기 위한 새로운 항암치료법으로 환자의 면역체계를 통해 암세포를 제거하는 항암면역치료법이 개발되었다. 암백신은 항암면역치료법의 일부이며, 종양의 항원을 이용하여 특정 암세포에 대해 면역을 획득 시킨다. 최근, mRNA와 지질나노입자를 이용한 mRNA 백신이 COVID-19와 같은 감염병을 대상으로 효과가 있음이 입증되었다. 그러나, 기존 mRNA 백신은 매우낮은 안정성을 가져 극저온의 보관 체계가 필요하며 이 마저도 장기간 이상 보관할 수 없다. 또한, 암과 같은 비감염성 질환에 성공적으로 적용된 적은 없다. 따라서, 본 연구를 통해 기존의 mRNA 백신의 한계점을 극복할 수 있는 전달체를 개발하고, 해당 전달체에 종양연관항원인 MAGE-A3 mRNA를 포획하여 종양 예방 및 치료에 사용이 가능한 mRNA암백신을 개발하고자 하였다. 양전하를 가지는 DMKD와 세포 포식을 유도하는 PS를 조합하여 DMKD-PS지질나노입자를 제조하였다. 제조한 DMKD-PS 지질 나노입자에 GFP mRNA를 포획한 후 16주 동안 냉장 보관을 한 결과, 다른 지질 나노입자들 (ALC-0315, SM-102, DMKD)에 비해 안정적인 구조를 유지한 상태로 RNaseA로부터 mRNA를 보호하는 것을 확인하였다. 또한, 다른 지질 나노입자와 세포독성시험에서는DMKD를 사용한 지질 나노입자의 독성이 조금 더 높았으나, 실제 허용 가능한 투여 범위 (200 μg/mL)에서는 다른 지질 나노입자들과 비슷한 독성을 보였으며 생체 내 분포는 48시간 이내 체내에서 안정적으로 대사되는 것을 확인하였다. GFP mRNA를 포획한 지질 나노입자가 세포 내에서 단백질 번역을 유도할 수 있는지 확인하기 위하여 RAW 264.7, CT26 세포를 이용해 공초점 현미경과 유세포 분석기로 형광의 발현 여부를 관찰한 결과, DMKD-PS 지질 나노입자를 사용하였을 때 가장 우수한 GFP 발현 여부를 보였다. 종양연관항원인 MAGE-A3 mRNA를 이용하여 암 백신을 개발하였고 16주간 냉장 보관을 하여도 항원이 발현되는 것을 확인하였다. 마지막으로, 1) 암 백신을 접종한 후 피하에 종양세포 이식(종양의 예방), 2) 암 백신을 접종한 후 혈관 내로 종양세포 이식(종양 전이의 예방), 3) 종양을 형성한 마우스에 암 백신을 투여(종양의 치료) 하여 실험을 진행하였다. 결과적으로, 종양 예방 실험에서는 DMKD-PS mRNA 암 백신의 종양 크기 변화가 가장 적었으며 종양 치료 실험에서는 항암제 독소루비신과 비슷한 종양의 크기 변화를 보였으며 종양 전이 모델에서도 크게 개선된 생존율을 보여주었다. 암백신을 접종한 마우스의 생체 내 사이토카인과 분리한 비장의 배양액에서 IL-4, IFN-γ의 수준을 측정한 결과, 체액성 면역을 의미하는 Th2 우세 면역임을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로, DMKD와 PS를 이용하여 제조된 MAGE-A3 mRNA 항암 백신은 종양 발생 예방, 종양 치료, 종양 전이의 예방 및 치료에 이용될 수 있을 것으로 보이며, 기타 mRNA를 이용하여 암 뿐만 아니라 다양한 감염 질환의 치료 및 예방에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cancer, a global scourge that claims more than 10 million lives yearly, can be battled through various approaches, including surgery, radiotherapy, chemotherapy, and immunotherapy. Cancer vaccines, a key component of immunotherapy, target unique markers on cancer cells, known as tumor-specific or tu...

Cancer, a global scourge that claims more than 10 million lives yearly, can be battled through various approaches, including surgery, radiotherapy, chemotherapy, and immunotherapy. Cancer vaccines, a key component of immunotherapy, target unique markers on cancer cells, known as tumor-specific or tumor-associated antigens. They mobilize the body's own immune system to fight cancer. One of the most advanced types of these vaccines is the mRNA vaccine. Similar to the technology used in COVID-19 vaccines, mRNA vaccines deliver genetic instructions to our cells to produce proteins that trigger an immune response against cancer. This approach has shown promising results, indicating a potential breakthrough in cancer treatment. However, the carriers employed in existing mRNA vaccines are structurally fragile and necessitate a cold-chain system, leading to safety and stability concerns. This study made a notable effort to enhance stability by leveraging a cationic lipid, O,O′-dimyristyl-N-lysyl aspartate (DMKD), to bind readily to mRNA. Furthermore, the strategy aimed to optimize antigen presenting by immune cells, utilizing phosphatidylserine (PS) to stimulate phagocytosis. The synthesized DMKD and PS-based particles (DMKD-PS) demonstrated their structural stability through little change in particle size despite the long-term refrigeration and presence of RNase, all while successfully containing mRNA. In vitro mRNA transfection of green fluorescence protein (GFP) revealed superior protein expression in immune and non-immune cells compared to lipid nanoparticles (LNPs) of other compositions. The In vivo biodistribution of DMKD-PS also showed that LNPs were safely eliminated from the body within 48 hr. Subsequently, MAGE-A3 mRNA was produced and encapsulated in various LNPs to assess the potential for preventing and treating colorectal cancer. The preventive and therapeutic efficacy of DMKD-PS, as evidenced by growth inhibition in tumor size, weight, along with its substantial impact against metastatic cancer, was confirmed. Furthermore, to verify the generation of immunity against tumors, an increase in immunoglobulins and specific cytokines was observed. Despite the administration of the DMKD-PS carrying MAGE-A3 mRNA, no specific histotoxicity was identified in the liver, lungs, heart, kidneys, spleen, and testicles. When the tumor cross-section underwent immunohistochemical staining for MAGE-A3, a reduction in MAGE-A3 expression was observed following inoculation with the DMKD-PS cancer vaccine. In addition, Through ELISA, the levels of IL-4 and IFN- were quantified in both the serum of DMKD-PS immunized mice and the culture media from primarily cultured spleen. While no significant increase in either cytokine was observed in the serum, both cytokines showed a marked elevation in the primary spleen culture media than naïve mice. The results imply that the MAGE-A3 mRNA cancer vaccine, developed with DMKD-PS lipid nanoparticles, holds promising potential for not only preventing tumor development but also treating existing and metastasized tumors, thereby marking a significant breakthrough in cancer therapeutics.

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