파브리병(FD) 연구 모델 - Gla-KO 마우스

파브리병(Fabry's disease;FD)은 리소좀 저장 질환(Lysosomal Storage Diseases;LSD)의 한 형태인 희귀 유전 질환입니다. 파브리병은 리소좀 갈락토시다아제A(α-GalA) 활성의 결핍으로 인해 심장, 신장, 췌장, 피부, 폐, 신경계 등 인체의 다양한 기관에 대사 기질인 GL-3(globotriaosylceramide) 및 관련 당스핑고지질(glycosphingolipid)이 축적되어 발생합니다. 이러한 축적은 결국 일련의 해당 장기 질환으로 이어지며, 심한 경우 심혈관 및 뇌혈관 합병증이나 말기 신장 질환 또는 조기 사망까지 발생할 수 있습니다^[1]. 그러나 FD의 비특이적이고 드문 증상으로 인해 일반적으로 질병의 말기에 진단되어 질병의 진단, 예방, 치료 및 예후에 큰 도전이 됩니다.

파브리병(FD)의 유전적 메커니즘

파브리병(FD)은 X 염색체에 있는 GLA 유전자의 돌연변이로 인해 리소좀 갈락토시다아제A(α-GalA)의 활성이 감소하여 발생합니다. α-GalA는 GL-3(globotriaosylceramide)의 대사 과정에 중요한 효소로, α-GalA가 결핍되면 GL3가 몸 전체의 세포에 점진적으로 축적되어 종종 조기 발병 뇌졸중, 심장 부정맥, 심근경색 또는 심부전, 신부전의 위험이 커집니다^[1]. FD는 조기 발병형(전형적)과 약화형(후기 발병형)의 두 가지 주요 임상 양상이 있습니다. 조기 발병 FD는 α-GalA 기능과 활성이 거의 완전히 상실되어 사지 감각 이상, 발한 이상, 각막 윤부 및 혈관각화종, 또한 심근병증, 심장 부정맥, 뇌졸중 및 단백뇨와 같은 심혈관, 뇌혈관 및 신장 질환을 포함한 광범위한 다기관 합병증이 조기에 발병하는 것이 특징입니다. 반면, 부분적인 잔류 α-GalA 활성으로 인해 약화형 FD의 병태가 말기에 나타나며 주로 잔류 α-GalA 활성 수준에 따라 다르게 나타납니다^[1-2]. 또한, 병원성 유전자가 X 염색체에 위치하기 때문에 FD의 발생은 남성과 여성 환자 간에 상당한 성별 차이를 보이며, 일반적으로 남성 환자가 여성보다 증상이 더 심합니다.

그림 1. 파브리병(FD)의 병태생리학적 메커니즘: 여러 다른 세포에서 당스핑고지질이 리소좀에 축적되어 파브리병(FD)의 장기 손상을 일으킵니다.^[2]

파브리병(FD) 치료법 개발

파브리병(FD)의 주요 치료법에는 아갈시다제 알파(agalsidase-α) 또는 아갈시다제 베타(agalsidase-β)를 매주 정맥에 주사하는 효소 대체 요법(ERT)과 미갈라스타트(Migalastat)를 매일 경구 투여하는 분자 샤프론 요법 두 가지가 있습니다. 그러나 이러한 치료법은 진행성 질환에 많은 영향을 미치며 높은 치료 비용(연간 약 25만 유로)으로 인해 많은 환자에게는 감당하기 어려울 수 있습니다^[3]. 따라서 FD의 발병 메커니즘에 대한 심층적인 연구와 새롭고 효과적인 치료법 개발이 연구의 초점이 되고 있습니다.

현재 Abeona Therapeutics、UniQure 그리고 Spark Therapeutics 등 10개 이상의 기업이 아데노연관바이러스(AAV) 벡터를 매개로 한 유전자 치료법을 개발하고 있습니다^[4-5]. 이러한 치료법은 AAV 벡터를 통해 건강한 GLA 유전자의 사본을 체내로 보낸 다음 유전자가 전사와 번역을 거쳐 기능성 α-Gal A 효소를 생성합니다. 현재 최소 6개의 AAV-hGLA 유전자 치료법이 임상 시험 단계에 들어가고, 이는 파브리병(FD) 치료에 새로운 희망을 가져다줍니다.

그림 2. 파브리병(FD) AAV 유전자 치료법 4D-310의 치료 전략^[6]

파브리병(FD)의 동물 모델

AAV 유전자 치료법은 파브리병(FD)의 새로운 치료법을 위한 중요한 연구 방향입니다. 이러한 치료법을 개발하는 과정에 먼저 동물 모델 체내에서 약물의 효능과 안전성을 평가해야 합니다. 파브리병(FD)은 주로 α-Gal A 효소의 기능과 활성에 결핍을 초래하는 GLA 유전자의 돌연변이로 인해 발생하므로, 해당 치료법의 전임상 평가를 위해 Gla Knockout(Gla-KO) 마우스는 연구자들이 가장 선호하는 모델입니다. Freeline의 FLT190(2상)^[7], 4DMT의 4D-310(1/2상)^{[6, 8]}, UniQure의 AMT-191(1/2상)^[9], Sangamo의 ST-920(1/2상)^[10-12] 등 임상 단계에 진입한 여러 치료법에서 Gla-KO 마우스 모델을 사용하여 약물의 효능을 평가했습니다. 또한 CANbridge와 Genzyme 등 기업도 비임상 단계의 AAV 치료법을 개발하고 있으며^[13-14], Gla-KO 마우스를 사용하여 평가를 진행하고 있습니다. 그러므로 Gla-KO 마우스 모델은 파브리병(FD) 질환 연구 모델의 '황금 표준'으로 널리 알려져 있으며, 질병 메커니즘을 연구하고 새로운 치료법의 효능을 전임상 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

그림 3. Gla-KO 마우스(Fabry mouse) 모델이 AAV 유전자 치료법 ST-920 전임상 평가에 적용됩니다.^[11]

파브리병(FD) 연구를 촉진하는 Cyagen Biosciences의 Gla-KO 마우스 모델

Gla-KO 마우스는 다양한 세포 유형에 GL-3(globotriaosylceramide)을 축적하며, 이러한 현상은 나이가 들면서 더욱 심해집니다. 기질 축적의 특성과 시간적 영향을 포함한 마우스 모델의 체내 조직학적 변화는 파브리병 환자의 병리 생리학적 과정과 매우 유사합니다^[15]. 따라서 Gla-KO 마우스가 효소 대체 요법, AAV 유전자 요법 그리고 기질 감소 치료법의 전임상 효능과 안전성을 평가하는 데 널리 사용되고 있습니다. Cyagen Biosciences에서 개발한 Gla-KO 마우스 모델(제품 번호 S-KO-00955)은 메커니즘 연구와 치료법 평가에도 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, 간 특이적 AAV 유전자 요법을 사용하여 Gla-KO 마우스를 치료하는 연구(Orphanet J Rare Dis, 2023)^[16] 그리고 이를 사용하여 새로운 효소 대체요법(ERT)의 효과와 약물 대사를 평가하는 연구(Biomolecules, 2022)^[17]가 있습니다. 또한, Gla-KO 마우스는 리소좀 축적 질환과 비특이 면역 사이의 본질적인 연관성을 밝히고 리소좀 축적 질환(LSD)에 대한 새로운 치료 전략을 제안하는 데 박차를 가했습니다(Nature Cell Biology, 2024)^[18].

그림 4. Cyagen Biosciences의 Gla-KO 마우스(FD) 모델이 AAV 유전자 요법에 대한 전임상 연구를 촉진합니다.^[16]

참고 문헌:

[1] Chan B, Adam DN. A Review of Fabry Disease. Skin Therapy Lett. 2018 Mar;23(2):4-6.

[2] Lerario S, Monti L, Ambrosetti I, Luglio A, Pietra A, Aiello V, Montanari F, Bellasi A, Zaza G, Galante A, Salera D, Capelli I, La Manna G, Provenzano M. Fabry disease: a rare disorder calling for personalized medicine. Int Urol Nephrol. 2024 Apr 13.

[3] Lenders M, Brand E. Fabry disease - a multisystemic disease with gastrointestinal manifestations. Gut Microbes. 2022 Jan-Dec;14(1):2027852.

[4] Domm JM, Wootton SK, Medin JA, West ML. Gene therapy for Fabry disease: Progress, challenges, and outlooks on gene-editing. Mol Genet Metab. 2021 Sep-Oct;134(1-2):117-131.

[5] Rodríguez-Castejón J, Beraza-Millor M, Solinís MÁ, Rodríguez-Gascón A, Del Pozo-Rodríguez A. Targeting strategies with lipid vectors for nucleic acid supplementation therapy in Fabry disease: a systematic review. Drug Deliv Transl Res. 2024 Apr 8.

[6] 4D molecular therapeutics. An Open-label, Phase 1/2 Trial of Gene Therapy 4D-310 in Adult Males with Fabry Disease. Retrieved April 18, 2024, from 4DMT PPT Template (4dmoleculartherapeutics.com)

[7] Jeyakumar JM, Kia A, Tam LCS, McIntosh J, Spiewak J, Mills K, Heywood W, Chisari E, Castaldo N, Verhoef D, Hosseini P, Kalcheva P, Cocita C, Miranda CJ, Canavese M, Khinder J, Rosales C, Hughes D, Sheridan R, Corbau R, Nathwani A. Preclinical evaluation of FLT190, a liver-directed AAV gene therapy for Fabry disease. Gene Ther. 2023 Jun;30(6):487-502.

[8] Shen JS, Arning E, West ML, Day TS, Chen S, Meng XL, Forni S, McNeill N, Goker-Alpan O, Wang X, Ashcraft P, Moore DF, Cheng SH, Schiffmann R, Bottiglieri T. Tetrahydrobiopterin deficiency in the pathogenesis of Fabry disease. Hum Mol Genet. 2017 Mar 15;26(6):1182-1192.

[9] uniQure. Patient enrollment in the clinical trial of AMT-191, uniQure’s gene therapy candidate for the treatment of Fabry disease, is expected to begin in the first half of 2024. Retrieved April 18, 2024, from Fabry Disease | Programs & Pipeline | uniQure

[10] Pagant S, Huston MW, Moreira L, Gan L, St Martin S, Sproul S, Holmes MC, Meyer K, Wechsler T, Desnick RJ, Yasuda M. ZFN-mediated in vivo gene editing in hepatocytes leads to supraphysiologic α-Gal A activity and effective substrate reduction in Fabry mice. Mol Ther. 2021 Nov 3;29(11):3230-3242.

[11] Yasuda M, Huston MW, Pagant S, Gan L, St Martin S, Sproul S, Richards D, Ballaron S, Hettini K, Ledeboer A, Falese L, Cao L, Lu Y, Holmes MC, Meyer K, Desnick RJ, Wechsler T. AAV2/6 Gene Therapy in a Murine Model of Fabry Disease Results in Supraphysiological Enzyme Activity and Effective Substrate Reduction. Mol Ther Methods Clin Dev. 2020 Jul 9;18:607-619.

[12] Takahashi H, Hirai Y, Migita M, Seino Y, Fukuda Y, Sakuraba H, Kase R, Kobayashi T, Hashimoto Y, Shimada T. Long-term systemic therapy of Fabry disease in a knockout mouse by adeno-associated virus-mediated muscle-directed gene transfer. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002 Oct 15;99(21):13777-82.

[13] PR Newswire. CANbridge Pharmaceuticals to Present Fabry Disease Gene Therapy Abstract at ESGCT 30th Annual Congress.  Retrieved April 18, 2024, from CANbridge Pharmaceuticals to Present Fabry Disease Gene Therapy Abstract at ESGCT 30th Annual Congress (prnewswire.com)

[14] Ziegler RJ, Cherry M, Barbon CM, Li C, Bercury SD, Armentano D, Desnick RJ, Cheng SH. Correction of the Biochemical and Functional Deficits in Fabry Mice Following AAV8-mediated Hepatic Expression of α-galactosidase A. Mol Ther. 2007 Mar;15(3):492-500.

[15] Ohshima T, Murray GJ, Swaim WD, Longenecker G, Quirk JM, Cardarelli CO, Sugimoto Y, Pastan I, Gottesman MM, Brady RO, Kulkarni AB. alpha-Galactosidase A deficient mice: a model of Fabry disease. Proc Natl Acad Sci U S A. 1997 Mar 18;94(6):2540-4.

[16] Deng M, Zhou H, He S, Qiu H, Wang Y, Zhao AY, Mu Y, Li F, Zhao AZ. Systematic gene therapy derived from an investigative study of AAV2/8 vector gene therapy for Fabry disease. Orphanet J Rare Dis. 2023 Sep 5;18(1):275. 

[17] Deng M, Zhou H, Liang Z, Li Z, Wang Y, Guo W, Zhao AY, Li F, Mu Y, Zhao AZ. Development of Lanzyme as the Potential Enzyme Replacement Therapy Drug for Fabry Disease. Biomolecules. 2022 Dec 27;13(1):53.

[18] Wang A, Chen C, Mei C, Liu S, Xiang C, Fang W, Zhang F, Xu Y, Chen S, Zhang Q, Bai X, Lin A, Neculai D, Xia B, Ye C, Zou J, Liang T, Feng XH, Li X, Shen C, Xu P. Innate immune sensing of lysosomal dysfunction drives multiple lysosomal storage disorders. Nat Cell Biol. 2024 Feb;26(2):219-234.