"트로이 목마 미생물": 박테리아가 면역 체계로부터 종양 용해 바이러스를 숨기고 종양으로 직접 발사

종양용해성 바이러스는 암세포를 사멸시킬 수 있지만, 우리 면역 체계에는 종종 무력합니다. 중화 항체는 혈액 속 바이러스를 차단하여 종양에 도달하지 못하도록 합니다. 컬럼비아 엔지니어링 연구팀은 기발한 해결책을 제시했습니다. 바로 종양을 스스로 발견하고 증식하는 박테리아 내부에 바이러스를 숨기는 것입니다. 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering) 에 게재된 이 연구에서는 CAPPSID 플랫폼, 즉 "안전한 세포 내 전달을 위한 원핵생물과 피코르나바이러스의 협력 활동"을 발표했습니다. 살모넬라 티피무리움(Salmonella typhimurium) 이라는 박테리아는 종양용해성 바이러스인 세네카바이러스 A(SVA)의 RNA를 생성하여 종양 세포 내부로 방출합니다. 바이러스는 이곳에서 이륙하여 확산하며, 순환 항체에는 보이지 않습니다. 면역 기능이 정상인 생쥐에서 이러한 "차단"은 종양 성장을 억제하고 기존의 항바이러스 면역에도 효과가 있었습니다.

연구 배경

종양용해 바이러스는 오랫동안 "자가 복제 약물"로 여겨져 왔습니다. 암세포를 선택하고 그 안에서 복제하여 종양에 대한 면역 반응을 유발합니다. 그러나 이 접근법은 전달이라는 지속적인 전신 장벽을 가지고 있습니다. 정맥 투여 시, 바이러스는 중화 항체와 선천 면역 체계 요소에 의해 빠르게 차단되고, 일부 입자는 간과 비장에 "착"하며, 극히 일부만이 치밀하고 관류가 잘 되지 않는 종양에 도달합니다. 따라서 많은 임상 프로토콜이 종양 내 주사로 제한될 수밖에 없는데, 이는 적응증의 범위를 좁히고 다발성 병소 치료를 어렵게 만듭니다.

바이러스와 더불어, 또 다른 "살아있는" 항종양제 분야인 유전자 변형 박테리아가 개발되었습니다. 살모넬라균, 대장균, 리스테리아 균 등의 약화된 균주는 종양친화성을 나타냅니다. 이들은 저산소 종양 부위에 쉽게 서식하며 세포독소, 사이토카인 또는 유전자 카세트를 국소적으로 전달하는 운반체 역할을 할 수 있습니다. 그러나 박테리아 치료는 국소적으로 작용하며 군집화 규모에 제한을 받습니다. "박테리아 둥지" 외부의 세포에 도달하기 어렵고, 안전성과 제어 가능성은 항상 규제 기관의 엄격한 통제 하에 있습니다.

이러한 배경에서 두 세계의 장점을 결합하는 아이디어는 논리적으로 보입니다. 이전에는 중합체로 바이러스를 "보호"하거나, 운반체 세포(예: 중간엽 줄기세포)에 숨기거나, 엑소좀을 이용하려는 시도가 있었습니다. 이러한 접근 방식은 항체를 부분적으로 우회하지만, 생산 및 제어를 복잡하게 만듭니다. 박테리아는 종양을 독립적으로 발견하고 "화물"을 조직 깊숙이 운반할 수 있습니다. 만약 박테리아가 종양 세포 내부로 직접 바이러스를 발사하도록 훈련된다면, 전신 면역의 "항공기 우산"을 우회하는 동시에 바이러스 확산을 통해 감염 영역을 군집 너머로 확장할 수 있습니다.

번역의 핵심은 안전 관리입니다. 박테리아 내의 노출된 종양 살상 바이러스는 이론적으로 "미쳐 날뛸" 수 있습니다. 이것이 바로 현대 플랫폼이 다단계 퓨즈를 구축하는 이유입니다. 바이러스 RNA는 종양 세포에서만 합성되고 방출되며, 바이러스 입자의 완전한 조립은 "핵심", 즉 박테리아에서만 공급되는 특정 프로테아제 또는 기타 인자에 의존합니다. 결과적으로 바이러스는 표적에 도달할 때까지 "눈먼 승객"으로 남습니다. 면역 체계는 혈류에서 바이러스를 감지하지 못하고, 표적 방식으로 방출되며, 통제되지 않은 확산 가능성은 줄어듭니다. 이것이 바로 이 새로운 연구에서 개발된 전략으로, "운반 박테리아"가 종양 살상 피코르노바이러스를 종양에 안정적으로 전달하고 실제로 필요한 곳에서 활성화할 수 있음을 보여줍니다.

작동 원리

• 박테리아 탐지기. S. typhimurium을 조작하여 종양에 자연적으로 접근하고 암세포에 침투할 수 있습니다. 내부에서 특정 프로모터를 사용하여 바이러스 RNA(전장 SVA 유전체 포함)를 전사합니다.
• 자가분해 "유발 요인". 이 박테리아는 종양 세포의 세포질에서 용해되도록 프로그램되어 있으며, 동시에 바이러스 RNA와 보조 효소를 방출합니다. 바이러스는 복제 주기를 시작하여 주변 세포를 감염시킵니다.
• 보안 관리. 이 바이러스는 더욱 변형되어 성숙한 비리온을 형성하기 위해 프로테아제 "키"(예: TEV 프로테아제)가 필요한데, 이 키는 박테리아에서만 공급됩니다. 이는 통제되지 않는 확산을 제한합니다.
• 항체로부터 "보호"합니다. 바이러스 RNA는 박테리아에 "포장"되어 있지만, 혈액 내 중화 항체는 이를 감지하지 못하여 종양으로의 전달을 돕습니다.

실험 결과

• 배양 중: CAPPSID는 본격적인 SVA 감염을 유발했으며, 박테리아에 감염되지 않은 세포(H446 신경내분비성 폐암 세포주 포함)에서 바이러스가 확산되었습니다.
• 쥐의 경우, 종양 내 및 정맥 내로 CAPPSID를 투여하면 종양 성장이 억제되고 강력한 바이러스 복제가 가능해졌습니다. 일부 모델에서는 피하 소세포 폐암 종양이 완전히 근절되었습니다.
• 면역 "잡음 면역": 이 시스템은 SVA에 대한 중화 항체가 있는 경우에도 작동했습니다. 박테리아가 게놈을 종양에 전달하고 바이러스는 "방어선 뒤에서" 발사되었습니다.
• 확산 방지: 바이러스가 박테리아 프로테아제에 조건부로 의존하기 때문에 원래 세포 외부에서 감염 주기를 제한할 수 있었습니다. 이는 안전을 위한 추가적인 통제 수단이었습니다.

이것이 중요한 이유(그리고 이것이 기존 접근 방식과 어떻게 다른가)

기존의 종양용해 바이러스는 두 가지 문제점을 안고 있습니다. 항체가 혈액 내에서 바이러스를 차단하고, 전신 확산 시 독성 위험이 수반됩니다. 반면, 유전자 변형 박테리아는 종양을 좋아하지만 국소적으로 작용하여 종양 주변부까지 "도달"하는 데 어려움을 겪습니다. CAPPSID는 두 가지의 장점을 모두 결합했습니다.

• 박테리아를 통한 전달 → 항체를 우회하여 종양에 도달할 가능성이 더 높음
• 바이러스가 내부에 있음 → 주변 세포를 감염시키고 박테리아 군집 너머로 작용 영역을 확장함;
• 박테리아 프로테아제를 필요로 하는 바이러스 형태의 내장된 "퓨즈"는 통제되지 않는 확산의 위험을 줄입니다.

기술적 세부 사항

• 살모넬라균 에서 SPI-1/SPI-2 병원성 아일랜드 프로모터는 적절한 시간과 장소에서 바이러스 RNA와 용해 단백질(HlyE, φX174 E)의 전사를 정확하게 활성화하기 위해 모집되었습니다.
• 그들은 레플리콘(자체 증폭되지만 확산되지 않는 RNA)과 전체 길이의 SVA를 모두 테스트했는데, 전체 길이의 SVA는 재감염을 통해 병변을 확장하는 데 더 효과적이었습니다.
• TEV 프로테아제는 바이러스 입자를 조립하는 데 "외부 키"로 사용되었습니다. 이것이 없으면 바이러스는 "성숙하지 않습니다."

제한 사항 및 향후 참고를 위한 질문

• 현재로서는 임상 전 단계입니다. 세포, 면역 유능한 쥐, 제한된 종양 모델, 정위 모델 및 GLP 독성학이 앞으로 연구될 것입니다.
• 전신 투여 시 박테리아의 안전성과 바이러스의 돌연변이 탈출에 대한 "퓨즈"의 저항성에 대한 철저한 평가가 필요합니다(저자들은 이미 역전 가능성을 줄이는 절개 부위의 선택을 제시하고 있습니다).
• 실제 병원에서는 안전성이 입증된 균주(예: 인간 약독화 살모넬라 유도체)와 면역요법과의 신중하게 고안된 조합이 필요합니다.

이게 내일 무슨 뜻일까?

• 전달이 주요 병목 현상인 고형 종양을 위한 새로운 '살아있는 약물'.
• 바이러스 표적 개인화: SVA는 신경내분비 종양에 대한 적응성을 입증했습니다. 이론적으로 이 플랫폼은 다른 종양용해 피코르나바이러스나 레플리콘에도 재활용될 수 있습니다.
• 감염 부위에서만 바이러스 입자가 방출되므로 바이러스 입자 소모가 줄어들고 전신적 부작용 위험이 감소합니다.

결론

엔지니어들은 이 박테리아를 "살아있는 캡시드"로 만들어 항체로부터 바이러스를 숨기고 종양으로 전달하여 안전하게 종양 내부로 침투시키는 열쇠를 제공합니다. 생쥐 실험에서 이 기술은 종양 성장을 억제하고 항바이러스 면역을 우회했습니다. 다음 단계는 임상시험을 진행하면서 이 플랫폼의 안전성과 맞춤화 가능성을 확인하는 것입니다.

출처: Singer ZS, Pabón J., Huang H. 외. 유전자 조작 박테리아를 이용한 종양 살상 바이러스의 발현 및 제어. Nature Biomedical Engineering (2025년 8월 15일 온라인). doi: 10.1038/s41551-025-01476-8.