바이오센서를 이용한 페닐케톤뇨증 합성 생균 치료제 개선

Nature Communications 12권, 기사 번호: 6215(2021) 이 기사 인용

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페닐케톤뇨증(PKU) 환자의 경우 페닐알라닌 수산화효소(PAH) 효소의 유전적 결함으로 인해 전신 페닐알라닌(Phe)이 증가하여 심각한 신경학적 손상을 초래할 수 있습니다. PKU 치료제로서 EcN(Escherichia coli Nissle) 균주 SYNB1618은 위장관 내에서 Phe를 분해하기 위해 Synlogic의 Synthetic Biotic™ 플랫폼을 기반으로 개발되었습니다. 이 임상 단계 조작 균주는 Phe 대사 효소 페닐알라닌 암모니아 분해효소(PAL)를 발현하여 Phe의 탈아미노화를 무독성 생성물인 트랜스신나메이트(TCA)로 촉매합니다. 현재 연구에서는 돌연변이 PAL 라이브러리의 바이오센서 기반 고처리량 스크리닝을 사용하여 전체 세포 PAL 활동의 최적화를 통해 보다 강력한 EcN 기반 PKU 균주를 생성합니다. 이 화면의 납 효소 후보는 SYNB1618에서 발견된 추가 Phe 대사 및 생물학적 안전성 기능을 포함하는 염색체 통합 균주인 SYNB1934의 구성에 사용됩니다. 직접적으로 비교하면 SYNB1934는 SYNB1618에 비해 생체 내 PAL 활성이 대략 2배 증가한 것으로 나타났습니다.

대사 질환인 페닐케톤뇨증(PKU)은 페닐알라닌 수산화효소(PAH) 효소의 기능이 없거나 기능이 저하되는 것이 특징입니다. PKU 환자는 아미노산인 페닐알라닌(Phe)을 대사할 수 없어 전신에 축적됩니다. Phe 수치가 높아지면 치료하지 않고 방치할 경우 심각한 신경학적 합병증과 장애가 발생할 수 있습니다. 다행히 PKU는 50년 넘게 신생아 선별검사를 통해 진단되어 왔으며, 생후 첫 주 이내에 질병을 발견하고 치료하면 심각한 장애가 완화될 수 있습니다1.

Phe는 필수 아미노산이므로 환자의 섭취량은 단백질의 식이 제한을 통해 조절할 수 있습니다. 그러나 많은 환자들이 식이요법의 엄격한 특성으로 인해 지속적인 순응도를 달성하지 못합니다. 실제로, 성인이 되어 PKU 다이어트를 중단하는 것은 실행 기능 및 주요 우울증 장애의 현저한 감소와 관련이 있습니다2,3. 식이 관리를 통해 Phe 섭취를 조절하는 것 외에도 두 가지 승인된 약리학적 치료 옵션이 있습니다. 이러한 옵션 중 하나인 사프로프테린 디히드로클로라이드(KUVAN, BioMarin Pharmaceutical)는 테트라히드로비옵테린(BH4) 반응 PKU 환자를 위한 PAH 활성화제입니다. 사프롭테린은 추가적인 보조인자를 제공하거나 돌연변이 PAH 효소의 생산적인 접힘을 촉진하는 BH4 유사체입니다. 그러나 그 메커니즘으로 인해 사프로프테린은 PAH 활성이 남아 있는 PKU 환자의 하위 집합에서만 효과적이며, 이는 PKU 인구의 약 1/3로 추정됩니다4,5. BH4 반응 환자의 경우에도 사프로프테린은 단독 요법으로 사용되는 경우가 거의 없으며 병행 식이 관리와 결합되어야 합니다6. 다른 치료 옵션인 페그발리아제(Palynziq, BioMarin Pharmaceutical)는 전신 주입된 페길화된 Phe 분해 효소인 페닐알라닌 암모니아 분해효소(PAL)로 구성됩니다. 그러나 이 치료법은 심각한 면역매개 이상반응 및 아나필락시스 보고와 관련이 있습니다7,8. 연령이나 유전적 배경에 관계없이 전체 환자 모집단의 요구를 해결할 PKU 환자를 위한 안전한 경구 전달 치료 옵션에 대한 필요성이 여전히 남아 있습니다.

위장관 내에서 치료 기능을 발휘할 수 있는 프로바이오틱 유기체의 설계 및 엔지니어링에 합성 생물학을 적용하는 데 최근 상당한 관심이 모아지고 있습니다9. 우리는 이전에 PKU10 치료를 위한 살아있는 생물치료제(LBP) SYNB1618의 구성과 특성화를 보고한 바 있습니다. 이 유전적으로 변형된 대장균 Nissle 1917(EcN) 균주는 Photorhabdus luminescens의 PAL(StlA)과 Proteus mirabilis11의 l-아미노산 데아미나제(LAAD)를 포함한 효소를 발현하며, 식이 및 장내 순환 Phe를 체내에서 무독성 대사물로 분해하도록 의도되었습니다. 위장관(각각 신남산12,13 및 페닐피루베이트14). SYNB1618은 Pahenu2/enu2 마우스(PKU의 마우스 모델)에서 혈장 Phe를 유의하게 낮추고 단백질 볼루스를 투여한 건강한 비인간 영장류(NHP)에서 혈장 Phe의 급증을 유의하게 예방하는 것으로 보고되었습니다10. SYNB1618은 건강한 지원자와 PKU 환자를 대상으로 한 무작위 위약 대조 최초 인간 연구에서 평가되었으며, 이 균주는 혈장 및 PKU 환자에서 SYNB1618 특정 Phe 대사산물이 용량 반응적으로 증가하면서 안전하고 내약성이 우수한 것으로 나타났습니다. 소변15.