실명 환자들의 시각을 회복시키는 기술은 놀랍게도 단순하였다. 미국 캘리포니아 버클리 대학 연구팀은 실명된 쥐의 망막에 녹색 광수용체의 유전자를 삽입시킴으로서, 약 한 달이 지난 후 정상 쥐와 같이 쉽게 장애물을 통과하며 돌아다닐 수 있게 만들었다. 치료받은 쥐들은 움직임을 감지하고 빛의 변화 뿐만 아니라 글자를 파악할 정도이며 아이패드 상의 섬세한 디테일도 볼 수 있었다.

연구자들은 앞으로 3년 안에 유전자 치료 - 바이러스를 이용한 유전자 전달 기술- 를 사용하여 퇴행성 망막 질환으로 실명한 사람들을 대상으로 한 임상이 진행될 예정이라고 말한다. 환자들은 관련 임상을 통해서  독자적인 행동은 물론 독서와 동영상을 볼 수 있는 충분한 시력을 가질 수 있을 것으로 기대하고 있다.

“ 유전자를 전달하는 바이러스를 망막에 주입하고 약 2개월이면 실명 환자들은 사물을 볼 수 있을 것이다.” 라고 UC 버클리 대학의 분자 세포학 교수는 말하면서,

“ 망막의 퇴행성 질환으로 실명되는 환자들은 때때로 더 이상 시력 손상이 진행되는 것을 멈추게 하거나 늦추는 방법이라도 찾아나서길 바라고 있었다. 다만 퇴행성 망막 질환의 치료를 위해 다행히 여분의 세포층들이 여전히 남아 있다. 예를 들면 양극 세포나 신경절 세포층이 이에 속하는 데 이들은 비록 빛을 감지하지는 못하지만 환자들이 완전 실명되고 난 이후에도 수십년 동안 건강하게 살아 있는 것이다.‘ 라고 설명했다.

버클리 대학 연구팀은 쥐 실험을 통해 망막의 신경절 세포의 90 % 가 빛을 감지할 수 있도록 하는데 성공하였다. 버클리 대학 연구팀은 이러한 성공적인 연구 성과를 네이쳐 커뮤니케이션 학술지에 3월 호 판에 게재하였다.

쥐의 실명을 회복시키기 위해, 연구자들은 망막의 신경절 세포를 표적으로 하는 바이러스를 디자인하였고, 이 바이러스 몸 속에 빛을 인지하는 광수용체 유전자를 탑재하였다. 관련 유전자는 원뿔세포에서 작용하는 녹색광 옵신(Opsin)을 사용하였다.

정상적인 상태에서 녹색광 옵신 유전자는 광수용체인 원뿔세포에서만 작동하여 중간 파장에 속하는 노란색과 녹색을 감지한다. 그러나 이러한 바이러스가 눈 안에 주사되면 빛을 인지하지 못하는 신경절 세포가 이 유전자에 의해 시각을 만들고 이를 뇌로 전달하여 사물을 볼 수 있게 한다. 

“ 쥐를 검증하는 데는 한계가 있기 때문에 특별한 장치 없이는 이렇게 광유전학으로 치료받은 쥐와 정상적인 쥐의 행동을 세부적으로 설명할 수 없다. ”고 Flannery 박사는 말하면서, “ 다만 인간을 대상으로 한 임상 시험을 통해서 판단하는 것이 숙제로 남아있다.”고 그는 덧붙였다.

연구자들은 쥐 실험에서 망막의 신경절 세포 대부분에 옵신 유전자를 성공적으로 전달할 수 있었다. 그러나 인간을 치료하기 위해서는 더 많은 바이러스를 주입해야 하는데 그 이유는 쥐보다 인간의 눈에 신경절 세포가 수천배 많이 존재하기 때문이다. 이를 위해 버클리 대학 연구팀은 바이러스의 유전자 전달 능력을 향상시키기 위한 방법을 개발하여 왔으며 카메라의 고해상도에 맞먹을 정도로 많은 수의 신경절 세포에 유전자를 전달할 수 있기를 기대하고 있다.

- 어쩌면 20년 전에도 가능했던 기술이다? -

연구자들은 이 같이 간단한 기술을 고안해내기 위해 그동안 상당히 복잡한 시행 계획을 세웠고 십년 넘게 고생해온 바 있다. 이러한 과정에는 유전 공학적으로 조작된 신경 전달 물질의 수용체와 빛을 감지하는 화학 물질의 스위치 등을 아직은 살아있는 망막세포에 끝없이 집어넣는 과정도 포함된다. 그러나 이러한 노력은 일부 효능을 나타냈으나 정상적인 시각과는 차이가 있었다.

최근 미생물에서 얻어진 옵신 (채널 로돕신으로 현재 Gensight 사가 영국에서 임상 중에 있음) 을 사용하여 효과를 검증하고 있지만 이 역시 빛의 강도를 증폭시키는 안경이 필요하다. 

따라서 자연적인 시각과 같은 고감도의 시력을 얻기 위하여, 연구팀은 미생물의 유전자 대신에 인간의 광수용체에 존재하는 옵신 유전자를 사용하는 쪽으로 방향을 바꾸었다. 그리고 신경절 세포를 자연스럽게 감염시키는 아데노 연관 바이러스를 이용하여 신경절 세포 내의 유전체 속으로 옵신 유전자를 전달하는 데 성공하였다. 이로서 이미 실명 상태의 쥐는 평생 유지될 수 있는 시력을 갖게 되었다.

“ 이러한 시각 시스템의 효능은 아주 쉽고 단순한 부분도 있지만 우리에게는 대단히 만족스러운 성과였다.” 고 Isacoff 박사는 말하면서, “ 아이러니하게도 이러한 연구는 어쩌면 20년에도 가능했을 것이라” 고 그는 덧붙였다.

연구팀들은 3년 내에 유전자 치료 방식을 통해 인간을 대상으로 한 임상을 위해 자금을 마련하고 있다. 참고로 망막 관련 안과 질환의 치료를 위해 아데노 연관 바이러스 전달 시스템은 이미 미국 FDA로부터 승인을 받은 적이 있다.

- 기대한 만큼 효능이 없을 수도 있다? -

그동안 안과 분야의 많은 전문가들은 옵신 유전자의 경우, 막대세포나 원뿔세포와 같은 광수용체 세포 이외의 다른 세포에서도 과연 제대로 된 기능을 할지 의심스런 눈길을 보내고 있었다. 광수용체의 세포막은 옵신으로 장식되어 있으며 매우 복잡한 분자 기계로 이루어져 있다.

이같은 분자들의 연쇄 반응에 따라 시각 신호는 효과적으로 증폭되어 빛의 단일 광자라도 우리 눈은 포착할 수가 있다. 또한 우수한 촉매 효소 작용으로 빛을 포착하고 난후 쉽게 탈색되는 옵신 단백질은 즉각적으로 재충전 된다. 이같은 피드백 시스템은 다양한 밝기의 배경을 가진 이미지에도 적용된다. 더불어 특별하게 설계된 망막 세포의 이온 채널은 전기 신호를 만들어 낸다.

따라서 이같이 복잡한 일련의 분자 시스템이 통째로 이식되지 않는 한, 옵신 유전자는 그 자체로는 제대로 기능하지 못할 것이라는 의심은 어쩌면 당연하다.

그러나 신경 조직에서 감각 수용체를 전문적으로 연구해온 Isacoff 박사는 이러한 생체 부품들이 대부분의 인간 세포에 존재하고 있다는 사실을 알고 있었다. 그 역시도 옵신 유전자가 망막 신경절 세포의 신호 시스템과 자동적으로 반응하리라는 것을 의심하였다. 따라서 연구 초기에는 옵신 유전자 대신에 빛에 민감한 로돕신 유전자를 사용한 적이 있었다.

놀랍게도 로돕신 유전자를 쥐의 신경절 세포에 이식하였을 때 광수용체 세포인 막대세포와 원뿔세포는 완전히 죽어버렸다. 그 결과로 이들 쥐들은 시각을 잃어버렸지만 오히려 빛에 따라 어둠을 구분하는 능력은 되살아났다. 그러나 로돕신의 작동은 매우 느렸고 사물을 구분하는 능력은 한참 뒤떨어졌다.

이후 연구팀은 로돕신보다 10배 빠르게 반응하는 녹색광 옵신을 치료 유전자로 선택하였다. 치료 후 쥐들은 수평으로 칠해진 평행선을 구분하였는데 간격이 넓거나 상대적으로 좁은 선을, 그리고 정지된 선과 움직이는 선들을 확실하게 구분하였다. 이처럼 회복된 쥐의 시각은 매우 민감해서 밝은 LED 조명 대신에 비쥬얼 이미지를 보여주는 아이패드를 사용할 정도에 이르렀다.

“ 이것은 우리에게 강력한 메시지를 던져주었다.”고 Isacoff 박사는 말하면서, “ 결국 실명 환자들이 컴퓨터를 보고 비디오로 소통하며 영화를 볼 수 있는데 까지 시력을 회복할 수 있는 놀라운 성과였다.” 고 그는 설명한다.

이같은 성과는 한발 더 나아가서 시험 동물들이 회복된 시력으로 밖에 돌아다니며 어떻게 행동하는 지 알아보고 싶게 만들었다. 놀랍게도 녹색광 옵신은 성공 그 자체 였다. 실명된 쥐들이 시력을 회복하면서 그들은 평상시 행동으로 돌아갔다. 사물을 인지하고 입체적인 물건들을 탐색하기 시작하였다.

그렇다면 이런 질문들이 생겨날 것이다.

“ 만일 인간들도 이같이 시력을 회복된다면 밝은 곳으로 나다닐 수 있는가? 밝은 빛 때문에 혹시 눈이 멀지는 않을까? ” 여기에서 또 다른 놀라운 효능이 있다. Isacoff 박사는 녹색광 옵신의 작동으로 동물들은 명암의 변화에 즉각적으로 적응할 수 있었으며 일반 쥐와 마찬가지로 행동할 수 있었다. 이러한 적응력은 실내는 물론 야외와 같이 수 천배 밝기의 차이에서도 제 역할을 해냈다.

“ 모두가 성공하지 못할 것이며 그러한 연구는 미친 일이라고 말할 때, 우리는 뭔가 이루어내는 지점이었다.” 라고 프래러리 박사는 말한다. 이들의 성과는 LCD 스크린을 사용하여 모양을 구분해내는 시력을 회복시킨 최초의 성공 사례이며, 희미한 빛에서 변화를 감지하는 적응력과 사물을 구분하는 시력으로도 최초의 사례이다.

현재 버클리 연구팀은 추가적으로 색상을 구별하는 시각 뿐만 아니라 시력의 정확도와 빛에 대한 적응력 등을 높이는 다양한 연구 과제를 시작하고 있다.

출처: https://www.news-medical.net/news/20190315/Promising-gene-therapy-could-restore-vision-in-humans.aspx