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RNA-LNP Vaccines : The Role of Lipid Nanoparticle Compositions |
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Author : Robin Oliverse | 리스트돌아가기 | |
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지질 나노입자 (LNP) 는 생명공학 분야에서 혁신적인 도구로 떠올랐습니다. 특히 mRNA-지질 나노입자 백신 (mRNA-LNP) 및 RNA 기반 치료제 개발에 중요한데, 이는 핵산을 표적 장기 및 세포로 캡슐화, 보호,
전달하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문입니다. 유전 물질 운반을 위해 종종 변형된 바이러스에 의존하는 바이러스 벡터 전달 방식과 달리, LNP 는 비바이러스성 경로를 제공하여 RNA 치료제의 전달 효율성과
안전성 프로필을 크게 향상시켰으며, 이는 COVID-19 백신의 성공으로 입증되었습니다.
LNP 의 지질 조성은 단순한 제형의 세부 사항이 아니라 RNA 기반 치료제의 효능, 안전성, 그리고 전반적인 성공을 결정하는 매우 중요한 측면입니다. 따라서 그 조성에 대한 탁월한 이해는 해당 치료법의
궁극적인 성공에 필수적입니다.
이 글은 RNA-LNP 백신의 지질 조성에 초점을 맞추며, LNP 제형에 대한 광범위한 소개로 시작하여 상업적으로 이용 가능한 LNP와 이들이 RNA 치료제의 성공을 높이는 데 기여하는 중요성을 다룰 것입니다.
Overview of Lipid Nanoparticles Composition in Vaccines
RNA 백신 개발을 위한 지질 나노입자 (LNP) 의 선택은 생체 분포 (biodistribution), 전달 대상 (delivery target), 캡슐화 효율(encapsulation efficiency) 에 영향을 미치는
섬세한 균형을 이룹니다. 이 백신에 포함된 다양한 지질이 인체와 상호작용하는 방식은 국소 염증이나 불편함과 같은 부작용 발생률에 상당한 영향을 미칩니다.
현재 RNA 백신에 이온화 가능한 지질을 포함시킨 것이 이전 세대의 지질 기반 나노입자에 비해 생체 적합성을 향상시키긴 했지만, 특히 대규모 생산 맥락에서 물리화학적 특성에 대한
정교한 제어를 추구하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다.
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Typical lipid nanoparticle composition
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| FDA 승인을 받은 RNA 백신의 지질 구조는 일반적으로 네 가지 지질 유형으로 특징지어집니다: 인지질(phospholipids), 이온화 가능한 지질(ionizable lipids), 스테롤 지질(sterol lipids),
그리고 PEG화 지질(PEGylated lipids). 각 지질 유형은 수성 환경 내에서 올리고뉴클레오타이드를 캡슐화하는 특정 역할 때문에 신중하게 선택됩니다. |
Ionizable Lipids : The Cornerstone of LNP Formulation
이온화 가능한 지질은 LNP 의 지질 구성에서 약 50% 를 차지하며 매우 중요합니다. pH 에 따라 전하를 바꿀 수 있는 독특한 능력 덕분에 이들은 몇 가지 중요한 기능을 수행합니다.
1. 제조 과정에서 RNA의 효율적인 캡슐화를 용이하게 합니다.
2. 핵산의 세포질 내 전달을 향상시킵니다.
3. 중성 pH 에서는 비대전 상태를 유지하여 나노입자의 독성을 최소화합니다.
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Ionizable lipid formula for Lipid Nanoparticle
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이러한 지질은 LNP 의 근본적인 핵심을 형성하여 핵산 탑재물을 고정합니다. 또한 막의 기능에 기여하는데, 세포질 내에서 이들의 전하 변화가 LNP 의 구조적 파괴를 유도하여
payload 를 세포로 전달하게 됩니다.
아래에 자세히 소개된 백신 조성에서 볼 수 있듯이, 가장 널리 사용되는 이온화 가능한 양이온성 지질은 Acuitas Therapeutics 가 특허를 낸 ALC-0315 입니다. |
Phospholipids : From Predominance to Precision
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| 원래 지질 기반 나노입자의 주성분이었던 인지질은 이제 상업적인 LNP 제형에서 구성 분자의 약 10%를 차지합니다. 주로 막 구조에 존재하는 이 지질들은
캡슐화 효율을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. |
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phospholipid structure used in RNA-LNP Vaccines
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Sterol Lipids : The Adaptive Auxiliary
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| 스테롤 지질, 주로 콜레스테롤은 보조적인 역할을 합니다. 이들의 기능적 역할은 짝을 이루는 특정 지질에 따라 달라집니다. 인지질과 함께 스테롤 지질은 막에 강성과 안정성을 부여하여
치료제의 안정적인 캡슐화를 돕고 수명과 효능을 향상시킵니다. |
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Sterole lipid
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PEGylated Lipids (PEG) : A Minor but Crucial Component
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| 지질 기반 나노입자 (LNP) 구성에서 가장 작은 부분을 차지함에도 불구하고, PEG 화 지질은 입자 크기, 응집 거동, 독성, 안정성, 캡슐화 효능을 포함한 여러 핵심 특성에 큰 영향을 미칩니다.
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Pegylated Lipid (PEG) formula
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| 일반적으로 PEG는 지질 운반체 표면에 배열되며, 그 길게 늘어진 꼬리는 나노입자 구성 요소를 함께 유지하는 데 도움을 줍니다. 결과적으로, PEG 의 적은 존재만으로도
LNP의 최적 크기를 유지하는 데 중요하며, 이를 통해 전신 순환 시간과 약물 전달 과정의 전반적인 효과를 향상시킵니다. 농도 외에 이러한 결과에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는
조성 내 PEG의 몰 비율과 지질 꼬리 및 지질 PEG 사슬의 크기입니다. |
요약하자면, RNA 백신에 사용되는 지질 나노입자 (LNP) 는 이온화 가능한 지질, 인지질, 스테롤 지질, 그리고 PEG 화 지질의 혼합물로 구성됩니다. 각 지질 유형은 독성을 줄이면서 백신 전달 및 효능을 최적화하는 데
매우 중요합니다. 따라서 이러한 구성 요소들 간의 정밀한 균형은 필수적이며, 최적의 결과를 얻기 위해서는 특정 RNA 화물과 표적 세포 또는 장기에 맞춰 조정되어야 합니다.
Why the Choice of Lipids Is Critical for Developing Successful Drug Products
지질 선택은 지질 나노입자(LNP) 개발의 핵심 요소인데, 이는 입자 크기, 캡슐화 효율, 안정성 및 약물 방출 프로파일과 같은 LNP의 핵심 품질 특성(CQAs) 에 상당한 영향을
미치기 때문입니다. 이러한 CQAs는 결국 약물 제품의 약동학, 효능, 안전성 및 전반적인 성능을 결정합니다.
각 지질 구성 요소, 즉 캡슐화를 위한 이온화 가능한 지질, 구조적 안정성을 위한 헬퍼 지질, 막 무결성을 위한 콜레스테롤, 순환 시간을 위한 PEG-지질은 LNP 제형을 최적화하는 데
특정한 역할을 합니다. 지질 유형, 비율, 농도 및 순도의 선택은 제형화 과정에서의 나노입자 거동, 생체 시스템과의 상호작용, 그리고 제조를 위한 확장성에 영향을 미칠 수 있습니다.
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Ionizable lipid formula for Lipid Nanoparticle
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| 전략적이고 정보에 입각한 지질 선택은 낮은 캡슐화 효율, 불안정성 또는 독성과 같은 위험을 최소화하면서 일관되고 고성능의 LNP를 보장합니다.
따라서 올바른 지질 선택은 규제 요구 사항을 충족하고 임상적 성공을 달성하며, 품질 저하 없이 개발 단계에서 상업적 생산으로 확장하는 데 매우 중요합니다. |
FDA-Approved RNA-LNP Therapies
RNA-LNP 치료제의 FDA 승인 현황은 지질 나노입자가 RNA 분자를 표적 세포에 효과적으로 전달하는 데 성공하면서 확대되고 있습니다. 현재까지 3가지 RNA-LNP 치료제가 승인되었습니다.
| 1. |
ONPATTRO (Alnylam Pharmaceuticals Patisiran) : 최초의 RNA-LNP 치료제로, 희귀 질환인 트랜스티레틴 매개 아밀로이드증에 관련된 RNA를 siRNA-LNP를 이용해 표적으로 삼는 획기적인 치료제입니다. |
| 2. |
Comirnaty (Pfizer-BioNTech COVID-19 Vaccine) : 이 mRNA 백신은 백신 기술과 공중 보건의 중요한 이정표를 나타냅니다.
mRNA 를 전달하기 위해 LNP 기술을 활용하여 개발된 코미나티는 세포가 면역 반응을 유발하는 단백질을 생성하도록 유도하여
COVID-19 에 대한 예방이 가능하게 하였습니다. |
| 3. |
Spikevac (Moderna's mRNA-1273) : 이와 유사하게, 모더나의 백신은 LNP 로 캡슐화된 mRNA 기술을 활용합니다.
이는 COVID-19 와 싸우는 데 중요한 도구가 되었으며, 전 세계적인 팬데믹 위기 동안 신속한 mRNA 백신 개발 및 배포에 있어
RNA-LNP 플랫폼의 다양성과 잠재력을 보여주었습니다. |
What are the lipid nanoparticle compositions in FDA-approved vaccines?
LNP Composition in the ONPATTRO Vaccine by Alnylam
온파트로 (ONPATTRO, Patisiran) 는 최초의 FDA 승인 RNA-LNP 치료제로서 RNA 간섭 (RNAi) 치료 분야에서 중요한 돌파구를 마련했습니다. 이러한 발전은 RNA 기반 치료제의 거대한 잠재력을 처음으로 보여주었고,
미래 발전을 위한 길을 열었습니다.
알닐람 제약 (Alnylam Pharmaceuticals) 이 개발한 이 혁신적인 치료제는 지질 나노입자를 이용해 간으로 소형 간섭 RNA(siRNA) 를 직접 전달함으로써 해로운 TTR 단백질 생성을 획기적으로 감소시킵니다.
- siRNA vaccine dose : 0.3 mg/kg1
- Route of administration : Intravenous
- Cargo : siRNA
- Buffer: Potassium phosphate, monobasic, anhydrous Sodium phosphate, dibasic, heptahydrate pH ~ 7
- N/P ratio : 3
Lipid nanoparticle composition of the ONPATTRO vaccine
LNP Composition in the BNT162b2 COVID-19 mRNA vaccine by Pfizer-BioNTech
BNT162b2 로 알려진 화이자-바이오엔텍 (Pfizer-BioNTech) 의 코로나19 백신은 코로나19 바이러스에 대항하기 위해 개발된 획기적인 mRNA LNP 백신입니다.
이 백신은 메신저 RNA 기술을 사용하여 세포가 면역 반응을 유발하는 단백질을 생성하도록 유도함으로써 바이러스에 대한 예방효과를 제공합니다.
아래의 LNP 조성물을 사용하여 세포 내 mRNA 전달이 성공적으로 달성되었습니다. 이 백신은 전 세계적으로 가장 널리 사용된 코로나19 백신이었습니다.
- mRNA vaccine Doses: 30μg
- Route of administration : Intramuscular
- Cargo : mRNA
- Buffer : 0.01mg Potassium dihydrogen phosphate 0.07mg Disodium hydrogen phosphate dihydrate pH 7 - 8
- N/P ratio: 6
Lipid nanoparticle composition of the mRNA-1273 vaccine
How to choose the right lipid nanoparticle composition for your development?
지금까지 이해하신 바와 같이, 표적 장기/세포, 탑재물 (mRNA, siRNA 등), 투여 경로, 제형 공정 등 개발을 위한 최적의 지질 혼합물을 선택하기 위해 고려해야 할 수많은 요소들이 있기 때문에
이 질문에 대한 보편적인 답은 없습니다.
하지만, LNP 시스템을 설계할 때 따를 수 있는 몇 가지 지침은 다음과 같습니다.
| 1. |
Oligonucleotide/RNA Type : 치료 목표에 따라 RNA 유형 (mRNA, siRNA, sgRNA, ASO) 을 선택합니다. 이는 LNP 선택에 영향을 미칩니다. |
| 2. |
Lipid Selection : 다양한 탑재물과 표적에 적합한 기존 LNP 조성물부터 시작한 다음, 더 복잡한 옵션을 탐색하십시오. |
| 3. |
Formulation Design : 적절한 완충액, pH, N:P 비율을 선택하십시오. 일반적으로 에탄올에 녹은 지질은 RNA와 복합체를 형성하는 동안 지질 이온화를 위해 수용액 단계에서 산성 완충액을 사용합니다. |
| 4. |
Mixing Process : 수용액상과 유기상 (지질) 을 효과적이고 균일하게 혼합하여 일관된 RNA-LNP 복합체 형성을 보장하는 마이크로유체 기반 시스템을 사용하십시오. |
| 5. |
Parameter Optimization : RNA-LNP의 효과적인 세포 내 전달을 위해 유속 및 농도와 같은 합성 조건을 조정하여 올바른 나노입자 크기, PDI 및 캡슐화 효율을 달성하십시오. |
| 6. |
Selectivity Improvement (Optional) : 특정 세포 유형을 능동적으로 표적화하기 위해 LNP 에 리간드나 펩타이드를 추가하여 표적화를 강화하십시오. |
Alternatives to PEG
이전에 설명했듯이, 폴리에틸렌 글리콜 (PEG) 을 나노입자에 부착하는 과정인 PEG화 (PEGylation) 는 나노입자를 안정화하고, 스텔스 효과를 통해 혈류 내 LNP의 순환 시간을 연장하며,
최적의 세포 내 섭취 과정을 위해 크기를 조절하는 데 도움이 되는 일반적인 전략입니다. 그러나 잠재적인 알레르기 반응과 PEG 에 대한 면역 체계의 익숙함 증가 (효능 감소로 이어짐) 와 같은
PEG에 대한 일부 우려로 인해 대체 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 다음은 LNP 제형을 위한 몇 가지 PEG 대체재에 대한 소개입니다.
| 1. |
Polysarcosine (pSar) : 생체 적합성을 제공하고 면역 인식을 줄여 나노입자 순환 시간을 연장하는 데 유용한 펩타이드 기반 고분자. |
| 2. |
Hydrophilic Polymers : Polyvinyl Alcohol 과 Polyvinyl Pyrrolidone 과 같은 고분자들은 PEG 와 유사하게 나노입자에 '스텔스' 코팅을 제공합니다. |
| 3. |
Zwitterionic Polymers : 양전하와 음전하를 모두 포함하고 있어 비특이적 단백질 결합을 줄이고 순환 시간을 늘려줍니다. |
| 4. |
Polyamino Acid-Based Polymers : Polyglutamic Acid 와 같은 생분해성 고분자로, 약물 전달 시 면역원성을 낮추는 효과가 있습니다. |
| 5. |
XTENylation : PEG 의 친수성 폴리펩타이드 대체재로, 혈류 내 치료용 단백질 및 펩타이드의 반감기를 연장시켜 주는 특성이 있습니다. |
| 6. |
Polytioglycidul Glycerol : 특정 LNP 요구사항에 맞게 조절 가능하며 안정성 및 순환 시간을 향상시키는 신규 고분자입니다 |
Using Alternative to cholesterol
콜레스테롤은 리포솜 제형에서 중요한 구성 요소로, 지질 이중층의 강성과 구조적 완전성에 기여합니다. 그러나 최근 연구들은 콜레스테롤의 안정화 효과를 모방하거나 심지어 향상시키면서
전달 효율, 캡슐화 효율 및 약물 방출 프로파일을 개선할 수 있는 대체 화합물들을 탐색하고 있습니다.
현재 사용되는 PEG 의 가장 일반적인 대체재는 β-시토스테롤 (β-sitosterol) 이며, 이는 콜레스테롤에 비해 알킬기가 추가로 붙어 있습니다.
Lipid nanoparticle composition of the mRNA-1273 vaccine
최근 연구에 따르면, β-시토스테롤 (β-sitosterol) 은 기존의 콜레스테롤 조성물과 비교하여 HeLA 세포에서 루시페라아제 발현을 10배에서 100배까지 향상시키는 데 도움이 될 수 있음을 보여줍니다.
Passive and Active Targeting
지질 나노입자가 특정 조직이나 세포에 대한 특이성을 높여 치료 효능을 향상시키고 부작용을 줄이기 위해 능동적 표적화 (active targeting) 및 수동적 표적화 (passive targeting) 방법이 사용될 수 있습니다.
일반적으로 능동적 표적화는 표적 세포의 특정 수용체를 인식하고 결합하는 리간드, 항체 또는 펩타이드와 같은 표적화 요소를 사용하여 LNP 표면을 수정하고 기능화함으로써 달성됩니다.
반면에 수동적 표적화는 보다 선택적인 전달을 위해 LNP 의 물리화학적 특성 (조성, 크기 등) 을 최적화하는 데 의존합니다.
Conclusion of Lipid nanoparticle for RNA Therapies
결론적으로, 온파트로, 코미나티, 모더나의 mRNA-1273 백신과 같이 FDA 승인을 받은 RNA-LNP 치료제들의 성공은 새로운 RNA 기반 백신 개발 및 치료적 개입에 있어 지질 나노입자 (LNP) 의 중요한 역할을 강조합니다.
이러한 LNP의 효과는 효율적인 RNA 캡슐화를 위한 이온화 가능 지질, 안정성 및 최적의 생체 분포를 위한 PEG화 지질, 구조적 완전성을 위한 인지질, 막 유연성을 위한 스테롤 지질 등 세심하게 설계된 지질 조성과
최종 나노입자 특성에 큰 영향을 미치는 제작 공정에서 비롯됩니다.
하지만 이러한 성공에도 불구하고, RNA 백신 및 치료제를 위한 LNP 설계는 PEG 및 콜레스테롤과 같은 전통적인 성분들의 새로운 대체재를 통해 더욱 개선될 수 있으며,
이는 향상된 효능과 감소된 면역원성을 가진 미래를 가리킵니다. 또한, 표면 변형을 통한 능동적 표적화 메커니즘의 통합은 RNA 전달의 특이성을 높여 치료 효능을 극대화하는 동시에 부작용을 최소화합니다.
이 글은 LNP 설계의 복잡한 특성과 RNA 기반 치료제 분야를 발전시키는 최첨단 과학적 진전을 강조합니다. LNP 의 사용이 확대됨에 따라, 다양한 의료 분야에서 LNP의 역량을 완전히 실현하기 위해서는
이러한 나노 규모 전달 시스템에 대한 지속적인 연구와 개선이 필수적입니다.
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