기억할 수 있는 한 레이젤 콜론(Razel Colón)은 고통을 알고 있었다. 목과 등을 찢고 다리에 총을 쏘고 발로 옮겨갔고, 종종 그를 몸부림치고 무력하게 만들었다. 그는 갑자기 호흡이 어려워지는 "급성 흉부" 발작을 이따금 겪었다. "코끼리가 내 가슴에 앉아 있는 것 같았어요. 꽉 조이는 고통으로요."라고 Colón은 말한다. 응급실과 병원에 가는 것은 일상적인 일이었다. 그는 “운이 좋다면 한 달 동안 집을 비울 수 있다”고 말했다.  

뉴저지주 호보켄에 사는 콜론은 겨우 19세였지만 이러한 효과를 일으킨 겸상적혈구병은 환영받지 못하더라도 변함없는 동반자였다. 하지만 지금은 그 고통 없이 1년 반을 보낸 사람의 입장에서 이야기를 전하고 있다. 그는 이전에는 불가능했던 일들을 할 수 있다: 농구하기, 역기 들기, 찬물에서 수영하기. Hackensack University Medical Center의 소아 혈액종양내과 전문의인 Stacey Rifkin-Zenenberg의 오랜 의사는 그의 치료가 "그가 질병에 걸린 상태에서 보균자로 바뀌었다"고 말한다.

콜론(Colón)의 사례는 겸상적혈구와 같은 질병 치료에 대한 접근 방식을 영원히 바꿀 수 있는 신흥 기술의 곡선상의 한 지점을 나타낸다. 혁신적인 게놈 치료의 최첨단 세계인 그 세계는 다시 한 번 폭발적인 변화의 한가운데에 있으며 디자이너 DNA가 대화의 중심에 있다.

이것은 과감한 새로운 영역이다. 유전자 요법과 같은 일부 전략은 치료 효과를 생성하기 위해 세포를 유전적으로 변형하는 능력, 즉 질병을 치료하기 위해 게놈에 수정된 유전자를 추가하는 능력을 포함하여 얼마 동안 이용 가능했다. 전통적으로 바이러스는 건강한 유전자를 세포에 전달하는 데 사용되었지만 지난 10년 동안 심오한 변화를 목격했다. 편평 세포 피부암, 유전성 실명의 드문 형태, 흑색종, 혈액 장애 등 다양한 상태를 치료하기 위해 다중 유전자 요법이 승인되었다.

콜론(Colón)의 겸상 적혈구 상태를 효과적으로 억제한 것은 Bluebird Bio가 주도한 최대 규모의 렌티바이러스 진행 중인 유전자 치료 시험의 일환으로 이러한 유형의 치료였다. 임상시험 참가자 19명의 미공개 중간 데이터를 최소 6개월 동안 추적했으며 심각한 혈관폐쇄성 사건(VOE)의 병력이 있으며, 회사 대변인에 따르면 콜론(Colón)과 유사한 겸상적혈구 위기는 모든 환자에서 심각한 VOE의 완전한 해결을 보여주었다. 실험이 진행 중이고 데이터가 아직 완전하지 않아 주의가 신중하지만 "약속은 엄청나다"고 대변인은 말했다.

차세대 기술인 유전자편집은 완전히 다른 수준이다. 유전자편집을 통해 과학자들은 많은 유기체(박테리아, 식물, 동물)의 비정상 유전자를 정확하게 표적화하고 DNA를 잘라낸 다음 절개 부위에서 새로운 DNA를 제거, 교체 또는 추가할 수 있다. 캘리포니아 버클리 대학교(University of California, Berkeley) 및 혁신 유전체학 연구소(Innovative Genomics Institute)의 유전자편집 전문가인 표도르 우르노프(Fyodor Urnov)는 “타이어가 펑크 난 차가 있다고 상상해 보라.” “유전자 요법은 핍스 휠을 가져와 차 어딘 가에 놓고 작동되기를 바라는 것이다. 유전자 편집은 평면을 복구하고 있다.”고 말한다.

이 기술은 Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats의 약어인 CRISPR이라는 유전자편집 도구가 2012년에 출시되면서 크게 향상되었다. CRISPR 기술은 이전 게놈 편집 방법보다 사용하기 쉽고 저렴하며 효율적이므로 과학자들이 유전자 기능을 수정하기 위해 DNA 서열을 빠르게 변경할 수 있다. 그것은 유기체의 건강에 긍정적인 영향을 미치거나 질병 증상을 역전시킬 수 있다.

"그것은 종종 '분자 가위'로 묘사된다."라고 공동 발명가이자 화학 분야의 노벨상 수상자인 Jennifer Doudna는 말한다. "과학자들은 CRISPR을 활용하여 모든 유기체의 DNA에서 특정 위치를 절단할 뿐만 아니라 DNA를 복구하는 템플릿을 제공할 수 있다."

겸상적혈구병(SCD)에서 베타 헤모글로빈 유전자의 단일 돌연변이는 적혈구를 초승달 모양 또는 낫 모양으로 만든다. 이 낫 모양의 세포는 끈적거리고 동맥을 막아 신체 조직에 적절한 산소 공급을 방해한다. 이것은 콜론(Colón)이 경험한 것과 같은 급성 쇠약성 통증 에피소드를 유발할 수 있으며 빈혈, 뇌졸중 및 폐, 심장, 신장, 비장 등과 관련된 장기 손상과 같은 여러 합병증을 유발할 수 있다.

환자들은 반복되는 입원과 수혈로 인해 삶의 질이 좋지 않고 조기 사망에 직면하는 경우가 많다. 의료 자원이 훨씬 더 제한된 아프리카와 중동과 같은 지역에서는 많은 어린이들이 5세 이전에 SCD로 사망한다.

CRISPR은 유전 공학을 통해 그러한 질병을 치료하는 속도를 가속화하고 있다. 유전자편집의 개척자이자 CRISPR Therapeutics의 설립자이자 스탠포드 의과대학 소아과 교수인 Matthew Porteus는 현재 연구자들이 겸상적혈구 환자를 치료하기 위해 두 가지 주요 유전자편집 전략을 사용하고 있다고 말했다. 한 유형은 CRISPR를 사용하여 기본적으로 게놈 스위치를 전환하여 초기에 중단되었던 건강한 태아 헤모글로빈 생산을 다시 켠다. 장점? 태아 헤모글로빈은 낫지 않다.

두 번째 유전자편집 전략인 유전자 교정은 질병을 일으킨 잘못된 유전자의 돌연변이를 직접 수정한다. 겸상 적혈구의 경우 교정을 통해 신체가 단순히 정상적인 헤모글로빈을 생성할 수 있다. 연구원들은 이 지점에 도달하기 위해 엄청난 양의 작업을 기록했다.

SCD의 증상을 완화하는 데 도움이 되는 몇 가지 새로운 약물의 승인으로 진전이 있었지만 완치되지는 않는다. 골수(줄기세포) 이식이 유일한 치료법이지만 건강한 기증자 일치를 찾는 것은 어려울 수 있다. 1972년 샌디에이고 캘리포니아 대학의 시어도어 프리드만(Theodore Friedmann)이 처음으로 유전질환에 대해 제안했고, 같은 해 스탠포드 대학의 폴 버그(Paul Berg)가 재조합 DNA를 생산하면서 현실을 향한 발걸음을 내디뎠다. 1980년대에 과학자들은 DNA가 세포로 전달되는 방법을 보여주었고 2003년에는 전체 인간 게놈이 해독되었다.

난관이 있었고, 유전자편집 시스템이 새 세기가 열렸을 때에도 이를 사용하는 것은 여전히 어렵고 시간이 많이 걸리는 일이었다. 그런 다음 CRISPR이 등장하여 임상 분야에 진출하여 치료뿐만 아니라 질병 예방도 잠재적으로 변화시킬 태세를 갖추었다. 이 기술은 이미 암, 림프종, AIDS, 낭포성 섬유증 등을 연구하는 과학자들이 SARS-CoV-2 검출을 포함한 진단을 위해, 그리고 더 큰 토마토, 갈변하지 않는 사과 및 오래 지속되는 버섯을 조작하기 위한 농업적 노력에도 사용하고 있다.

실시간으로, 희망은 유전자편집이 매우 흔하고 쇠약하게 하는 유전 질환인 겸상적혈구에 대한 치료법을 제공할 것이라는 것이다. 몇몇 전문가들은 처음으로 SCD에 대한 치료법이 곧 나올 것이라고 제안했다.

그것은 놀라운 생각이다. 실제로, 작동하지 않는 유전자를 절제하고 정상적으로 작동하는 유전자로 대체하는 능력은 다양한 질병의 최악의 영향을 무디게 하는 데 도움이 될 수 있다. 2020년 노벨 화학상은 이 기술의 발명으로 Jennifer Doudna와 Emmanuelle Charpentier에게 수여되었을 때 스웨덴 왕립과학원의 사무총장인 Goran K. Hansson은 다음과 같이 말했다. “올해의 상은 삶의 코드를 다시 쓰는 것이다.”

그리고 과학자들은 이미 더 정확한 차세대 CRISPR 기술을 연구하고 있다. DNA 이중나선을 절단하지 않고 단일 문자 DNA 돌연변이를 교정하는 "기본 편집기"가 최근 생쥐의 겸상 적혈구 질환을 치료하는 것으로 나타났고, 더 큰 DNA 꼬기를 대체할 수 있는 "프라임 편집기"가 있다.

모든 것이 매우 놀랍다. 아직 초기 단계이다. "혈색소병증에 대한 게놈 치료 분야는 제로섬 게임이 아니다."라고 Urnov는 말한다. “나는 궁극적으로 여러 승인된 의약품이 있을 것이라고 확신한다. 여러 유전자 치료 승인이 있을 것이고 여러 유전자편집 승인이 있을 것이다.”

유전자편집과 같은 개념이 얼마나 멀리까지 받아들여질 수 있는지, 비용, 안전성 및 접근성(전문가들은 현재 치료법이 200만 달러에 달할 수 있다고 말한다)에 대한 도덕적 의미를 포함하여 고려해야 할 많은 질문이 남아 있다. Doudna는 "진정한 치료법은 그것을 필요로 하는 모든 사람을 위한 치료법을 의미한다. 이것이 우리가 비용을 줄이고 더 쉽게 접근할 수 있도록 차세대 치료법을 개발하기 위해 열심히 노력하는 이유이다."고 말한다. 그리고 유전자편집이 완벽하지 않기 때문에 "모든 유전자 변형 치료법의 장기적인 안전성은 신중하게 연구되어야 할 것"이라고 Porteus는 말한다.

앞으로 몇 달 안에 캘리포니아 대학교 컨소시엄(U.C. 샌프란시스코, U.C. 버클리 및 U.C.L.A.)은 Innovative Genomics Institute에서 개발한 비바이러스 전달 CRISPR 기술을 사용하여 최초의 인간 공개 라벨 임상 1~2상 시험을 수행할 예정이다. 과학자들은 질병을 일으키는 결함이 있는 베타 글로빈 유전자를 수정된 유전자로 대체하고 혈액 줄기 세포의 돌연변이를 직접 수정함으로써 겸상 적혈구 실험 참가자의 고통을 완화하기를 희망한다.

"건강한 적혈구에서 수정되고 전파되는 돌연변이가 많을수록 치료가 뒤따를 가능성이 높아진다."라고 UC 샌프란시스코의 소아과 교수인 Mark Walters는 말합니다. "겸상적혈구병은 유전체 치료제로 치료될 것" 그것은 결국 기술의 가장 높은 사용이며, 우리가 이 분야에 대해 계속 배우는 동안에도 현실이 될 수 있다.