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요약
- 코로나19에 대한 mRNA 백신의 성공은 해당 기술에 대한 투자와 혁신을 가속화했으며, 현재는 다른 여러 질병으로 그 적용 범위가 확대되었습니다.
- 현재 전 세계에서 진행 중인 mRNA 백신 임상 시험의 약 70%는 코로나19 이외의 질병을 대상으로 합니다. 이는 암(31%)과 기타 감염성, 유전성 및 면역 질환(69%)으로 나뉘며, 기존 방식, 자가 증폭, 원형 RNA 등 세 가지 주요 백신 기술이 사용됩니다.
- 지질 나노입자 전달 기술과 mRNA 염기의 화학적 변형이라는 두 가지 주요 돌파구가 이 기술의 임상적 실용성을 높였으며, 이는 카탈린 카리코와 드류 와이즈먼의 2023년 노벨 생리의학상 수상으로 이어졌습니다.
- 2026년 8월, 머크와 모더나의 개인 맞춤형 mRNA 암 백신(인티스메란 오토젠)은 흑색종 환자를 대상으로 한 개인별 신생항원 치료제로서 첫 임상 3상 성공 결과를 도출했습니다.
- mRNA의 안정성 및 전달 표적화와 관련된 과제들은 여전히 더 넓은 범위의 활용을 가로막는 장벽으로 남아 있습니다.
2026년 8월 24일 업데이트
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SARS-CoV-2를 위한 메신저 RNA(mRNA) 백신의 개발과 보급은 전 세계적인 보건 위기 속에서 이루어낸 엄청난 공중보건 성과였습니다. 이러한 성공은 mRNA 기술에 대한 막대한 관심을 불러일으켰고, 다양한 질병에 대한 기술 개발과 적용을 크게 앞당겼습니다.
현재 전 세계에서 진행 중인 mRNA 백신 전임상 및 임상 시험의 약 70%는 코로나19 이외의 질병에 집중되어 있으며, 암 관련 시험이 31%, 기타 감염성, 유전성 및 면역 질환 관련 시험이 69%를 차지합니다(그림 1 참조). 2020년 이후 이 백신들에 대한 연구 급증은 코로나19를 넘어섰으며, 이는 mRNA 백신이 향후 장기적인 연구 개발의 핵심 경로가 될 것임을 입증합니다.
mRNA 백신 연구 현황
mRNA 백신이 최근에 발명된 것처럼 보일 수 있지만, 이러한 유형의 백신에 대한 연구는 30년 넘게 지속되어 왔습니다. 인간이 큐레이션한 최대 규모의 과학 정보 저장소인 CAS Content CollectionTM에 따르면, mRNA 백신 분야의 저널 출판물은 1965년부터 2019년까지 완만한 연간 성장세를 보이며 느린 상승 곡선을 그렸습니다. 2019년까지 mRNA 백신 관련 저널 출판물은 571건에 불과했습니다(그림 2B 참조).
2020년부터 유의미한 성장이 시작되어 2024년에는 mRNA 백신 관련 저널 출판물이 8,000건을 넘어섰습니다. 특허 분야에서도 이러한 추세가 반영되어, mRNA 백신 특허 출판물은 2020년 약 30건에서 2024년 수백 건으로 증가했습니다(그림 2C 참조). 2020년부터 2024년까지 프리프린트 출판물이 눈에 띄게 증가한 것은 팬데믹 기간 동안 mRNA 백신 연구 결과를 신속하게 공유해야 할 필요성이 컸기 때문입니다.
이 십 년의 초기에는 COVID-19가 연구 환경을 주도한 것이 당연했지만, 팬데믹 기간 동안 구축된 인프라와 혁신은 이제 암, HIV, 희귀 질환을 포함한 다른 질병으로 적용되고 있습니다. 그림 1A에서 볼 수 있듯이, 2024년 12월 기준으로 280개의 백신이 개발 단계에 있으며, 55%는 전임상 단계, 45%는 다양한 임상 단계에 있습니다.
COVID-19는 대규모 mRNA 백신 개발의 촉매제였으나, 이 기술은 이제 다양한 난치성 질환을 해결하기 위한 장기적인 연구 개발 경로에 들어섰습니다.
mRNA란 무엇인가?
mRNA는 뉴클레오타이드 하위 단위로 구성된 단일 가닥 거대 분자로, 상응하는 DNA의 유전 정보를 운반하여 세포질 내 리보솜에서 단백질로 번역될 수 있습니다. mRNA 백신 기술의 핵심은 특정 항원을 암호화하도록 설계된 합성 mRNA를 사용하는 것입니다(그림 3A 참조).
비번역 영역(UTR), 5’ 캡, 3’ 폴리(A) 꼬리가 코딩 영역을 감싸고 있으며, mRNA 내의 뉴클레오사이드는 세포질 내 분해를 지연시키고 면역원성을 낮추며 번역을 향상시키기 위해 변형됩니다(그림 3D). 세포 내로 전달된 이 백신들은 숙주 세포의 번역 기구를 사용하여 항원으로 번역되어야 항원 특이적 면역 반응을 유도할 수 있습니다.
번역된 항원은 분비되어 외인성 항원으로 세포에 흡수됨으로써 MHC 클래스 II 매개 면역을 자극할 수 있습니다. 또한, mRNA 백신이 항원 제시 세포(APC)로 전달되면, 번역된 항원은 숙주에게 내인성 항원으로 인식되어 주로 MHC 클래스 I 면역 반응을 활성화합니다. mRNA 가닥은 뉴클레아제에 의해 분해되며 반감기가 짧습니다.
이 방법은 매우 유망하지만, mRNA는 세포 외 RNase에 의해 분해될 수 있어 번역 실패나 APC에 의한 내재화 실패로 이어질 수 있습니다. 또한 음전하를 띤 세포막을 통과하는 데 어려움을 겪을 수도 있습니다. 그러나 지질 나노입자(LNP)를 mRNA 전달 물질로 사용하고, 원치 않는 면역 반응을 피하기 위해 mRNA를 화학적으로 변형하는 두 가지 핵심 돌파구가 mRNA 백신을 가능하게 했습니다.
mRNA 백신 전달을 위한 LNP는 임상적 유효성이 입증되어 인체 사용 승인을 받은 유일한 약물 전달 시스템입니다. 2023년, 펜실베이니아 대학교의 카탈린 카리코(Katalin Karikó) 박사와 드류 와이즈먼(Drew Weissman) 박사는 노벨 생리의학상을 수상했습니다. 이들은 mRNA 염기를 화학적으로 변형하여 mRNA 안정성, 번역 효율성 및 면역 회피에 중대한 영향을 미친 공로를 인정받았습니다.
mRNA 백신의 유형
현재 mRNA 백신에는 비복제 mRNA, 자가 증폭 RNA(saRNA), 원형 RNA(circRNA)의 세 가지 유형이 있습니다.
- 기존/비복제/비증폭 mRNA: 이 유형의 mRNA 백신은 관심 단백질을 암호화하는 ORF, 5’ 캡 구조, 5’ UTR, 3’ UTR 및 폴리(A) 꼬리로 구성되며, 한 카피의 면역원성 단백질로 전사될 수 있습니다(그림 3A). 면역 반응은 전사된 mRNA의 수에 정비례합니다. 이 백신들은 신속하고 비용 효율적으로 생산할 수 있지만, mRNA의 짧은 반감기 때문에 반복적으로 투여해야 합니다.
- 자가 증폭(saRNA) 및 트랜스 saRNA: 선형 mRNA의 기존 요소 외에도, saRNA는 숙주 세포 내에서 mRNA를 증폭하기 위해 알파바이러스에서 유래한 바이러스 복제 효소(비구조 단백질; nsP1–nsP4)를 암호화하는 긴 ORF 서열을 포함합니다(그림 3B). 이 백신들 또한 대량 생산이 용이하며 기존 mRNA보다 낮은 용량으로 더 많은 항원을 생성합니다. 그러나 합성이 어려울 수 있고, 큰 복제자 크기(~10kb)로 인해 세포 내재화가 제한됩니다. saRNA는 큰 크기와 낮은 캡슐화 효율 문제를 피하기 위해 nsP1–nsP4가 없는 mRNA와 nsP1–nsP4 유전자를 암호화하는 mRNA라는 두 세트의 taRNA로 나뉠 수 있습니다(그림 3C).
- 원형 mRNA(circRNA): 이 유형의 mRNA 백신은 5’ 및 3’ UTR이 없는 폐쇄 루프 구조를 포함합니다. CircRNA는 백스플라이싱(back-splicing)을 통해 mRNA 전구체로부터 생성됩니다. CircRNA 번역의 개시는 5’ 캡 구조와 독립적입니다. 이는 롤링 서클 증폭(RCA)을 통해 단백질을 번역합니다. 폐쇄 루프 구조는 circRNA를 엑소뉴클레아제 분해로부터 보호하며, LNP 운반체를 사용하는 이 백신들은 매우 안정적입니다. 그러나 임상 사용 승인을 받기 위해서는 더 많은 안전성 테스트가 필요합니다.
COVID-19 이외의 질환을 위한 mRNA 백신
COVID-19를 넘어 감염병을 위한 mRNA 백신의 발전은 수년간 꾸준한 진전을 보여왔습니다(그림 4 참조). 인플루엔자는 이 연구 분야 임상 시험의 절반을 차지하며, 그 뒤를 RSV, HIV, 수두 대상포진 바이러스가 잇고 있습니다. 2020년 이전에는 연구가 주로 인플루엔자, HIV, HPV와 같은 질병에 집중되었으며, 초기 임상 시험을 통해 mRNA 기술의 잠재력이 입증되었습니다. 2020년 mRNA COVID-19 백신의 성공은 2021년까지 클라미디아, CMV, 엡스타인-바 바이러스, B형 간염, C형 간염, 말라리아, 염증성 장 질환 및 지카 바이러스를 표적으로 하는 연구 확장을 촉진했습니다.
인플루엔자(4가 인플루엔자 mRNA 백신 MRT-5413, NCT05650554) 및 RSV를 위한 다가 백신은 2022년에 후기 단계 임상 시험으로 진전되었으며, 치쿤구니야, 니파, HSV, 광견병, 황열병, 수두 대상포진 및 다성분 백신(예: 인플루엔자 및 RSV; 인플루엔자, RSV 및 SARS-CoV-2)과 같은 질병에 대한 초기 단계 연구가 시작되었습니다.
미래의 미충족 수요를 해결하기 위해 뎅기열, 에볼라, 하트랜드 바이러스, 임질, 일본 뇌염, 라사 바이러스, 마르부르크 바이러스, 엠폭스, 인간 메타뉴모바이러스, 플레보바이러스, 결핵 등을 포함하여 mRNA 백신 플랫폼을 확장하는 데 중점을 두고 있으며, 이는 이 분야의 상당한 성장을 강조합니다. 모더나(Moderna)는 최근 조류 독감에 대한 mRNA 기반 백신을 개발하기 위해 미국 정부로부터 상당한 자금을 확보했으며, 잠재적인 인체 발병에 대비하는 것을 목표로 하고 있습니다.
또 다른 흥미로운 발전은 강력한 T세포 반응을 유도하고 암세포를 박멸하기 위해 mRNA 백신을 사용하는 것입니다. 2010년대에 mRNA 기술 및 전달 시스템의 발전으로 흑색종 및 기타 암을 표적으로 하는 개인 맞춤형 암 백신의 초기 단계 임상 시험이 시작되었습니다. mRNA 백신 연구에 대한 노력은 COVID-19 백신의 성공적인 배포 이후 크게 증가했습니다.
현재 유방암, 난소암, 전립선암, 결장암, 전이성 신세포암, 교모세포종, 흑색종 및 고형암을 포함한 다양한 암종에 대해 60건 이상의 mRNA 암 백신 임상 시험이 등록되어 있습니다. 대부분은 전임상 단계이나, 일부는 2상 단계까지 진입했습니다(그림 5 참조).
mRNA 치료제 개발의 선구자인 큐어백(CureVac), 모더나(Moderna), 바이오엔테크(BioNTech)는 종양 연관 항원(TAA) 및 종양 특이 항원(TSA)을 기반으로 한 일련의 mRNA 백신을 설계해 왔습니다.2026년 8월, 머크(Merck)와 모더나는 개인 맞춤형 mRNA 암 백신인 인티스메란 오토진(V940/mRNA-4157)이 3상 임상 시험인 INTerpath-001에서 1차 평가변수를 충족했다고 발표했습니다. 이는 절제술을 받은 고위험 흑색종 환자에게 머크의 키트루다®(펨브롤리주맙)와 병용 투여했을 때, 키트루다 단독 투여 대비 질병 재발 및 원격 전이 위험을 감소시킨 결과입니다. 이는 개인 맞춤형 신생항원 암 백신으로서 첫 번째 긍정적인 3상 임상 결과이며, 해당 분야가 10년 넘게 노력해 온 이정표를 달성한 것으로, 양사는 이제 규제 당국의 승인을 추진할 계획입니다.
흑색종 외에도 INTerpath 프로그램은 이미 비소세포폐암, 방광암, 신세포암으로 확장되고 있으며, 관련 신생항원 접근법은 췌장암 분야에서 초기 가능성을 보여주고 있습니다. 이는 이번 3상 임상 성공이 mRNA 암 백신이 실험 단계를 넘어 임상적 현실로 자리 잡는 여러 질환 분야 중 첫 번째 사례가 될 수 있음을 시사합니다.
mRNA 백신 전달 기술의 최근 발전
적절한 운반체를 선택하는 것은 백신 성공의 핵심이며, 면역 반응의 강도와 정밀도에 영향을 미칩니다. 나노기술의 발전으로 다양한 운반체 시스템이 표적 세포 내 mRNA 전달 및 발현을 개선하게 되었습니다. 표 1은 주요 전달 운반체를 제시하며, 여기에는 지질나노입자(LNP), 고분자 기반 나노구조체 및 천연 유래 물질이 포함됩니다. 이러한 나노입자 기반 전달 시스템은 투여된 mRNA를 뉴클레아제 분해, 자가 가수분해 및 면역 체계의 공격으로부터 보호합니다. 또한 표적 세포에 mRNA를 안전하게 전달하기 위한 다재다능하고 표적화된 시스템을 제공합니다.
표 1: mRNA 백신 기술에서 mRNA 전달을 위한 나노입자 기반 플랫폼 요약. Meng-Zhen Yu 외 2023년 연구를 각색함. mRNA 백신의 임상적 진전과 과제 - PubMed
mRNA 백신의 현재 한계와 극복 방안
최근 mRNA 백신의 획기적인 성과는 이 기술이 다른 많은 질병에도 활용될 수 있는 효과적인 기술임을 입증합니다. 그러나 mRNA의 면역원성 및 안정성, 생물학적 안전성 우려, 전달 시스템의 표적화 문제, 대규모 생산을 위한 품질 관리 등 향후 개발을 위해 해결해야 할 과제들이 남아 있습니다.
예를 들어, SARS-CoV-2나 인플루엔자와 같은 코로나바이러스는 지속적으로 새로운 변이와 균주를 발생시키며, 이는 새로운 백신을 필요로 합니다. 따라서 연구자들은 이러한 유형의 바이러스를 위한 다가 부스터 백신과 범용 백신을 연구하고 있습니다. HIV 바이러스 또한 급격한 돌연변이를 일으키고 중요한 에피토프를 숨기는 프로테오글리칸 보호막을 가지고 있습니다. mRNA 백신이 HIV에 효과적이려면 광범위 중화 항체를 생성해야 합니다. 에볼라와 같은 질병을 다루려면 mRNA 백신은 열 안정성을 갖춰야 합니다. 현재 FDA 승인을 받은 에볼라 백신은 영하 80도 보관이 필요하며, 현재 임상 개발 중인 다른 mRNA 에볼라 백신은 없습니다. 광견병, RSV, 말라리아 또한 잠재적인 mRNA 백신 표적이지만, 각각 임상 시험에서 성공을 입증해야 합니다.
이러한 도전 과제에도 불구하고 이 기술의 미래는 매우 밝습니다. 수십 년간 축적된 mRNA 설계 및 핵산 전달 기술의 발전과 새로운 항원 표적의 발견은 mRNA 백신을 질병 예방 및 치료의 최전선에 올려놓았습니다. 코로나19 백신과 관련된 mRNA 연구가 급격히 증가했지만, 현재는 감염병과 암을 중심으로 코로나19 이외의 연구 개발 기술이 전임상 및 임상 시험을 주도하고 있습니다. 연구가 진행됨에 따라 mRNA 기술의 더욱 혁신적인 응용을 기대할 수 있습니다.
