콧속에 뿌리기만해도 호흡기 바이러스 잡는다

독감이나 코로나19처럼 종류가 다양하고 변이가 빠른 호흡기 바이러스는 백신만으로 완벽히 막기 어렵다. 국내 연구팀이 이 문제를 해결하기 위해 기존 인터페론-람다 치료제가 지닌 열에 약하고 코 점막에서 금방 사라지는 한계를 인공지능(AI) 기술로 극복한 비강(콧속) 투여형 항바이러스 플랫폼을 개발했다.

김호민 KAIST 생명과학과 교수 공동연구팀(정현정 교수오지은 의과학대학원 교수)이 AI로 인터페론-람다 단백질을 안정적으로 재설계한 후 이를 비강 점막에 확산하고, 오래 머물게 하는 전달 기술과 결합해 다양한 호흡기 바이러스를 범용적으로 예방할 수 있는 기술을 구현했다고 15일 밝혔다.

인터페론-람다(IFN-)는 우리 몸이 바이러스 감염을 막기 위해 스스로 만드는 선천면역 단백질로, 감기독감코로나19와 같은 호흡기 바이러스 차단에서 중요한 역할을 한다. 하지만 이를 치료제로 만들어 비강에 투여할 경우 열분해효소점액섬모운동 등에 취약해 실제 효능이 제한된다.

연구팀은 AI 단백질 설계 기술을 이용해 인터페론-람다의 구조적 약점을 정밀하게 보완했다.

먼저, 단백질의 헐거운 루프(loop) 구조로 흔들리던 부분을 단단한 스프링처럼 고정되는 나선형(helix) 구조로 바꿔 안정성을 크게 높였다.

또 단백질끼리 서로 달라붙어 덩어리(뭉침)가 생기는 문제를 막기 위해 표면을 물과 잘 섞이도록 설계하는표면 엔지니어링을 적용했으며, 단백질 표면의 당사슬(glycan) 구조를 추가하는글라이코엔지니어링(glycoengineering)을 도입해 단백질을 한층 튼튼하고 안정하게 재설계했다.

새롭게 제작된 인터페론-람다는 50℃에서 2주를 버틸 만큼 안정성이 대폭 향상됐으며, 끈적한 비강 점막에서도 빠르게 확산되는 특성을 보였다.

연구팀은 여기에 단백질을 나노리포좀(nanoliposome)이라는 미세 캡슐에 담아 보호하고, 그 표면을 저분자 키토산으로 코팅해 코 점막에 오래 붙어 있도록 점막 부착력(mucoadhesion)을 크게 강화했다.

이 전달 플랫폼을 인플루엔자 감염 동물 모델에 적용한 결과, 콧속 바이러스가 85% 이상 감소하는 강력한 억제 효과가 확인됐다.

이 기술은 간단히 코에 뿌리는 것만으로 바이러스 감염을 초기에 차단할 수 있는 점막 면역 플랫폼으로, 계절성 독감은 물론 예기치 못한 신변종 바이러스에도 신속히 대응할 새로운 치료 전략으로 기대된다.

김호민 교수는 AI 기반 단백질 설계와 점막 전달기술로 기존 인터페론-람다 치료제의 안정성과 체류 시간 한계를 동시에 극복했다라면서 고온에서도 안정적이고 점막에 오래 머무르는 이번 플랫폼은 엄격한 냉장 유통시스템(콜드체인) 인프라가 부족한 개발도상국에서도 활용 가능한 혁신 기술로, 다양한 치료제백신 개발로의 확장성이 크다. 또 AI 단백질 설계부터 약물 전달 최적화, 감염 모델을 통한 면역 평가까지 다학제 융합 연구가 만들어낸 의미 있는 성과라고 밝혔다.

이번 연구에는 KAIST 이노코어(InnoCORE) AI-혁신신약연구단 윤정원 박사, 생명과학과 양승주 박사, 의과학대학원 권재혁 박사과정 학생이 공동 제 1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, 11월 20일)와 바이오머터리얼즈 리서치(Biomaterials Research11월 21일)에 잇달아 게재됐다. 논문 제목은 Computational Design and Glycoengineering of Interferon-Lambda for Nasal Prophylaxis against Respiratory Viruses(Advanced Science), Intranasal Nanoliposomes Delivering Interferon Lambda with Enhanced Mucosal Retention as an Antiviral(Biomaterials Research).

이번 연구는 KAIST 이노코어 프로그램(InnoCORE, AI-혁신신약연구단), 한국연구재단(NRF) 중견연구자지원사업 및 바이오의료기술개발사업, 한국 보건 산업진흥원(KHIDI) 보건의료기술연구개발사업, KAIST 대규모 융합연구소 운영사업, 기초과학연구원(IBS)의 지원으로 수행됐다.