압타머 (Aptamer) 개발의 최근 연구 동향 장승훈, 정기준 한국과학기술원 생명화학공학과 압타머 (Aptamer)는 그 자체로 안정된 삼차구조를 가지면서 표적분자에 높 은 친화성과 특이성으로 결합할 수 있는 특징을 가진 단일가닥 핵산 (DNA, RNA 또는 변형핵산)으로 “fitting”의 의미를 가지는 라틴어 “aptus”에서 그 어원이 유래했다. 압타머는 1990년에 Colorado 대학의 Larry Gold 연구팀에 의 해 SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment)라는 압타머 발굴 기술이 처음 개발된 이후 (1) , 저분자 유기물, 펩타이드, 막 단백질까 지 다양한 표적분자에 결합할 수 있는 많은 압타머들이 계속해서 발굴되어 왔다. 압타머는 고유의 높은 친화성 (보통 pM 수준)과 특이성으로 표적분자에 결합할 수 있다는 특성 때문에 자주 단일 항체와 비교가 되고, 특별히 “ chemical antibody”라고도 불리는 만큼 대체항체로서의 가능성도 매우 높다. 먼저 압타머 의 장점들을 살펴보면 다음과 같다. 1) 항체는 분자 구조가 크기 때문에 (~150 kDa) 생산하는데 어려움이 있고 변 형 (modification)또한 용이하지 못한 반면, 압타머는 약 20~60 mer 정도 길이의 핵산으로 구성되어 있는 작은 분자 구조이고, 여러 필요한 변형이 용 이한 장점을 가지고 있다. 2) 압타머는 항체에 비해 안정성이 매우 높다. 단백질이나 항체 의약품의 경우 실온에서 보관이나 운반이 불가능하지만 압타머는 가능하고, 심지어 멸균 후 에도 기능을 유지할 수 있으며, 만약 변성 (denaturation)이 되더라도 다시 짧은 시간에 재생 (regeneration)이 가능하기 때문에 특히 장시간 또 반복 사용이 요구되는 진단용으로의 응용이 매우 용이하다. 3) 항체의 경우 동물이나 세포를 이용하여 만들기 때문에 생산하는데 많은 시간 과 비용이 요구되며, 또한 만든 시기에 따라 기능성이 달라질 가능성도 있다
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압타머 (Aptamer) 개발의 최근 연구 동향
장승훈, 정기준
한국과학기술원 생명화학공학과
압타머 (Aptamer)는 그 자체로 안정된 삼차구조를 가지면서 표적분자에 높
은 친화성과 특이성으로 결합할 수 있는 특징을 가진 단일가닥 핵산 (DNA,
RNA 또는 변형핵산)으로 “fitting”의 의미를 가지는 라틴어 “aptus”에서 그
어원이 유래했다. 압타머는 1990년에 Colorado 대학의 Larry Gold 연구팀에 의
해 SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment)라는
압타머 발굴 기술이 처음 개발된 이후(1), 저분자 유기물, 펩타이드, 막 단백질까
지 다양한 표적분자에 결합할 수 있는 많은 압타머들이 계속해서 발굴되어 왔다.
압타머는 고유의 높은 친화성 (보통 pM 수준)과 특이성으로 표적분자에 결합할
수 있다는 특성 때문에 자주 단일 항체와 비교가 되고, 특별히 “ chemical
antibody”라고도 불리는 만큼 대체항체로서의 가능성도 매우 높다. 먼저 압타머
의 장점들을 살펴보면 다음과 같다.
1) 항체는 분자 구조가 크기 때문에 (~150 kDa) 생산하는데 어려움이 있고 변
형 (modification)또한 용이하지 못한 반면, 압타머는 약 20~60 mer 정도
길이의 핵산으로 구성되어 있는 작은 분자 구조이고, 여러 필요한 변형이 용
이한 장점을 가지고 있다.
2) 압타머는 항체에 비해 안정성이 매우 높다. 단백질이나 항체 의약품의 경우
실온에서 보관이나 운반이 불가능하지만 압타머는 가능하고, 심지어 멸균 후
에도 기능을 유지할 수 있으며, 만약 변성 (denaturation)이 되더라도 다시
짧은 시간에 재생 (regeneration)이 가능하기 때문에 특히 장시간 또 반복
사용이 요구되는 진단용으로의 응용이 매우 용이하다.
3) 항체의 경우 동물이나 세포를 이용하여 만들기 때문에 생산하는데 많은 시간
과 비용이 요구되며, 또한 만든 시기에 따라 기능성이 달라질 가능성도 있다
(batch to batch variation). 하지만 압타머는 화학적 합성방법을 이용하기
때문에 단시간에 적은 비용으로 생산이 가능하고, batch to batch variation이
거의 없으며 또한 고순도의 정제과정이 매우 용이하여 생산적인 측면에서 탁
월한 장점을 갖고 있다.
4) 항체나 다른 의약용 단백질의 경우에 쉽게 나타나는 생체내 면역거부반응이
거의 일어나지 않는 것으로 알려져 있으며, 이는 치료용으로의 개발연구에
매우 중요한 장점이 될 수 있다.
5) 항체를 만들기 어려운 독소 (toxin), 복잡한 단백질 복합체 또는 당과 단백
질 복합체에 대한 압타머를 만들 수 있으며, 또한 새로운 물질에 대한 결합
물질로의 변형이 용이하여 (flexibility) 새로운 압타머 발굴에 활발히 응용될
수 있다.
전세계 항체 의약품 시장을 살펴볼 때, 2007년 FDA 승인을 받은 22개의 제
품이 약 248억 달러 규모를 차지하였고, 2015년 엔 635억 달러 규모로 확대될
전망이다. 국내 시장 또한 2006년 300억원 규모에서 2016년 3,000억원 규모로
급성장할 것으로 전망하고 있다. 항체를 이용한 진단 시장 또한 2005년 전세계
에서 약 300억달러 규모이었고, 2020년경 약 800억 달러로 전망되고 있다(2,3).
이런 항체를 이용한 치료 및 진단시장에 비추어 압타머의 시장성을 가늠해 본다
면 항체보다 빠른 개발 시간, 낮은 생산 비용, 적은 면역 거부반응, 안정성 등의
장점을 갖고 있는 압타머가 앞으로 항체 시장의 일부를 대체하거나 틈새시장을
충분히 개척할 수 있을 것으로 보인다. 실제 압타머 시장 동향을 살펴 보면
2004년에 Macugen이 출시되어 2006년에만 1억 300만 달러의 매출을 기록하
여 압타머 시장의 가능성을 보여 주었고 이후 새로운 압타머 치료제를 개발하기
위해 대형 제약사들의 공동연구 참여가 급격히 늘어나고 있는 추세이다.
새로운 압타머 발굴 방법
SELEX를 통해 새로운 압타머를 선별하는 과정을 살펴보면 먼저 (i) DNA
합성 및 in vitro transcription 방법 (RNA인 경우) 을 이용하여 다양한 형태를
가지는 핵산 라이브러리 (>1015)를 만든다. (ii) 항체가 여러 종류의 항원과 결합
하는 것처럼 핵산 구조체 라이브러리 안에 있는 다양한 핵산 구조체들 (압타머
후보 분자들)은 다양한 표적물질과 결합할 수 있는 능력을 가지고 있고 따라서
다음 과정으로 원하는 표적분자와 결합할 수 있는 핵산 구조체만을 선별하는 과
정을 거치게 된다. (iii) Affinity chromatography 와 같은 방법을 통해 결합하지
않은 핵산 구조체는 제거되고(washing) 표적분자에 결합하는 것만을 선택적으로
얻을 수 있게 된다. (iv) 마지막으로 표적분자로부터 핵산 구조체를 분리(elution)
하게 되고 그 핵산을 증폭시킨 후 얻은 핵산 구조체를 이용하여 다시 이 과정들
을 5~15번 정도 더 반복함으로써 매우 우수한 결합력과 특이성을 보이는 압타
머를 발굴 할 수 있다.
그림 1. 새로운 압타머를 발굴하는 SELEX 과정.
1990년에 처음 개발된 SELEX 기술은 이후 많은 연구진에 의해 다양한 방
법의 변형된 SELEX 방법- Spiegelmer(4), Cell SELEX(5), capillary