면역항암분야(Immuno-Oncology) 개요와 관전포인트들(4)

여기서 잠간 좀 넓은 범위의 Immuno Oncology 분야를 보아야 겠다.

사실 I-O는 크게 다음 세 분야로 나뉜다.

  • Checkpoint inhibitors [1,2,3부에서 다루었던 다양한 immune checkpoint들의 기능을 저하 혹은 증진시켜 잠든 면역을 깨우는 방식.. 요즘 Immuno Oncology라고만 하면 이 분야를 지칭한다고 봐도 무리는 없다]
  • Anticancer vaccines [면역원성이 뛰어난 tumor antigen을 주사해서 몸안의 면역을 유발하는 방식]
  • Adoptive cellular immunotherapy [몸안에 있는 면역세포를 꺼내서, 강화시키거나 유전공학적으로 변형시켜 다시 넣어주는 세포치료 방식으로 암세포에 대한 세포성면역을 강화시키는 방법. TIL (Tumor Infiltrating Lymphocytes) , CAR(Chimeric Antigen Receptor) and TCR(T-Cell Receptor) 기술등 세가지가 크게 있다.]

여기서 첫번째는 이미 자세히 설명을 했고, 두번째 Anticancer vaccines 방식은 이미 오래 진행되었지만 아직은 놀래킬 만한 효과를 입증하는데 어려움을 겪고 있어서 여기서는 좀 넘어가고자 한다. 그래서 여기서는 비록 잘 모르지만, 아는 선에서 Adoptive cellular immunotherapy에 대해 설명하고자 한다.

[adoptive cellular immunotherapy는 인터넷상에서 입양세포면역요법/치료, 차용세포면역요법/치료 혹은 그냥 세포면역치료/요법 등으로 번역되어 사용되는데, 여기서는 세포면역치료로 사용하고자 한다.]

 세포면역치료법의 기본적인 개념은 아래 그림으로 잘 설명된다 [2008년도 서울의대 허대식 교수님께서 쓰신 리뷰에 있는 그림을 따옴]

Adoptive cell therapy cartoon

 

1. TIL (Tumor Infiltrating Lymphocyte, 종양침윤림프구)

TIL을 하기 전에 우선 LAK(Lymphokine-activated killer, 림포카인 활성세포)를 먼저 이야기해야 한다. 처음 면역세포치료는 혈액에 있는 백혈구들을 체외에서 모아서 이를 IL-2와 같은 강력한 유도작용이 있는 림포카인과 함께 키웠다. 그리고 이를 자가 방식으로 다시 환자에게 주사를 했다. 이 경우 림포카인들에 의해 활성화된 벽혈구들이 암세포에 대한 면역활성을 강하게 띄게 된다.

초창기 국내에서 개발되던 대부분의 항암세포치료제들이 이에 해당된다.

[2000~2010년 사이 국내에는  크레아젠, 이노메디시스, 이노셀,  NK셀, 바이넥스 등 꽤 많은 회사들이 lymphocyte나 NK 세포 혹은 수지상세포(dendritic cell)들을 사용하여 LAK를 항암세포치료제로 개발하였었다. 크레아젠은 중외제약이 인수, 합병되었고, 이노셀은 현재 녹십자셀이 되었다. 그리고 바이넥스는 이름은 동일하지만, 현재는 세포치료제 연구를 하지 않는 것으로 알려져 있다.]

2008년 기준으로 세포항암치료제를 개발하던 국내 현황이 아래 표와 같다.

국내 세포치료제 임상 현황

[자료원: http://www.ekjm.org/upload/087402S320.pdf]

LAK는 생각보다 임상시험에서 반응률이 높지 않았고 효과도 기대보다 낮았다.

그래서 등장한 것이 TIL 치료방식인데…. 종양에 들어 있는 종양침윤세포를 배양해서 넣어주자는 아이디어이다. 즉 종양 내에 분포하는 백혈구들은 좀더 암에 대한 면역이 강할 수 있다는 생각이다. 우선 종양을 환자로부터 떼어낸 후, 이 종양을 잘게 썰어서 녹인 후에 면역세포가 더 증식되도록 배양한 후에 다시 환자에 주사하는 방식이다. 현재에는 많은 경우 흑색종에 대해 10여가지의 임상이 미국에서 진행 중에 있다. 제약회사들이 연구 스폰서로 되어있는 것은 별로 없고 NCI에서 진행하는 것들이다.

그 이후 CAR-T나 engineered TCR 기술이 나오면서 조용히 조명이 꺼지고 있는 동네라고 할 수 있다.

여기서 CAR과  TCR을 보기 전에 T세포와 관련된 세포매개면역(cell-mediated immunity)에 대한 간략한 지식이 좀 필요하다.

우선 세포매개 면역에서 직접적으로 감염된 혹은 잘못된(transformed) 세포들(예를 들면 암세포들)을 죽이는 작용을 하는 세포는 cytotoxic T cell (CTL)과 NK cell이다.

CTL :Cytotoxic T cell(세포독성 T세포), CD8+ T cell, T-killer cell, killer T cell, cytotoxic T lymphocyte 등 다양하게 불리지만 기본적인 기능은 항원특이적 (antigen-specific) 세포매개 면역을 담당하는 세포이다. 즉 특정항원을 인지해서, 그 항원을 보이는 세포를 세포사멸(apoptosis )방식으로 죽이는 역할을 하게 된다. 항원특이적이기 때문에 적응성 면역(adaptive immunity)로 분류된다.

NK cell:  natural killer cell (자연살해세포) 는 문제가 생긴 세포 (바이러스에 감염되었거나 비정상적으로 변한 암세포와 같은  transformed 세포등)를 인지하는 방식이 항원 특이적(antigen-specific)이지 않다는 점에서 CTL과 다르며   등으로 다양하게 불린다.  항원특이적이지 않기 때문에 내재적면역(innate immunity)로 분류된다.

CTL과 NK  cell은 그러면 어떻게 문제가 생긴 세포들을 인지하는 것일까?  이를 알기 위해서는 MHC(major histocompatibility complex, 주조직 적합성 복합체)에 대해 알아야 한다.

[MHC는 사람에서는  HLA(Human Leukocyte Antigen, 인간백혈구 항원)이라고도 불린다.]

MHC는 크게 3종류 (class I, II 그리고 III)로 나뉘지만 중요한 역할을 하는 것은 class I과 class II이다.  MHC의 역할은 세포 내에 있는 단백질들 혹은 세포 내로 들어오는 외래 생명체의 단백질을  8~10개 혹은 ~20여개 아미노산 크기로 잘려져 나오는 펩타이드들을 세포 표면에 전시(display)하는 것이다. 이는 마치, 자발적 민증^ 제시 의무를 하는 것과 같다. 세포 내에 혹시 정상적이지 않은 단백질들이 생기면 MHC에 의해 전시되는 펩타이드들이 ego(자신)의 단백질과 다를 것이고, 이렇게 제시되는 MHC에 결합된 펩타이드를 몸 속에 있는 경찰역할을 하는  CTL들이 하나씩 불심검문을 하면서 non-ego가 걸러내게 된다. 즉 non-ego(비자아) 유래 단백질을 제시하는 세포들은 이렇게 불심검문당한 CTL들에 의해 집중 공격을 당해서 스스로 자결(apoptosis, 세포사멸, 질서정연하게 세포가 죽음으로써 패기물들이 여기저기 흩어지지 않게 한다)을 하게 된다. 이렇게 보면 몸 안의 면역체계는 무시무시한 경찰국가체계이고, 모든 세포들 (거의 모든 세포들은 class I MHC를 가지고 있다)은 스스로 민증(펩타이들 조각들)을 이마( MHC class I)에 떡하니 붙이고 있는 불쌍한 인민처럼보인다. 그리고 혹시라도 불심검문에 의해 비자아 유래 펩타이드가 MHC에 붙어있음이 발각되면 바로 자결명령이 떨어지고,  다른 사람들에게 민폐를 끼치지 않기 위해 조용히, 그리고 질서정연하게 자살하게 되니……

[CTL 이 구체적으로 불심검문에 걸린 비정상적인 세포를 어떻게 죽이는지는 wikipedia에 물어보면 잘 나오니…]

그런데 어떤 바이러스들은 세포를 감염시킨 후   경찰(CTL)들을 피하기 위해 이마에 민증제시를 하지 않도록교묘하게 감염된 세포를 조작한다. 즉  MHC Class I 단백질 자체를 적게 만들어 내서 민증이 불심검문에 걸릴 확률을 줄이는 것이다. 이럴 떄 나오는 것이 자연살해세포(natural killer cell)이다. 이 NK cell은 민증제시가 부실한 (MHC class I의 숫자가 비정상적으로 적은) 세포들만 골라서 죽이는 역할을 한다.

결국 세포매개면역에서  민증(identity)을 제시하는 틀 (MHC, 주조직접합성 복합체)이 핵심적 역할을 하게 되고, 민증을 일일이 보고 ego(자아)인지 non-ego(비자아) 인지를 하나하나 점검하는  CTL(세포독성 T 세포, antigen-specific)과, 민증제시가 부실한 세포들을 무작위로 (not antigen-specific) 죽이는 NK cell (자연살해 세포)두가지 방식으로 이루어진다.

아래의 CAR와 TCR 기술은 모두 항원특이적 세포매개 적응성 면역(antigen-specific cell mediated, adaptive immunity)를 활용한 항암치료 전략으로 아래와 같은 공통점들이 있다.

1) CTL(세포독성  T 세포)을 암세포 공격의 방법으로 이용한다.

2) 환자유래 CTL을 ex vivo에서  특정 항원(예를 들면  CD19 )을 인지하도록 조작한다. [조작하는 구체적인 방식은 CAR와 TCR이 좀 다르다]

3) 이를 다시 환자에 재주사한다.

2. CAR

 CAR는 CTL이 암세포만을 인지하도록 CTL의 표면에 CAR (chimeric antigen receptor, 키메라 항원 수용체)를 만들도록 유전자 조작을 한다. 일반적으로 렌티바이러스 벡터를 이용한다. 이렇게 만들어진 CAR에는 두가지 특징을 가진다.

1) 특정 항원을 인식

2) 특정항원을 인식하면 CAR가 있는  T세포들이 자가 증식 [참고로 이분야의 선구자인 펜실베니아대학교  Carl June 교수가 만든  CAR-T는 임상시험에서 주사 후 약 1천배 정도 세포가 증식한 것이 알려졌다]

아래의 그림은 구체적으로  CAR라는 것이 어떻게 생겼는지 보여주는 것이다.

1) 세포막 외부에 있는 scFv 부분이 특정항원이 있는 문제세포들, 여기서는 암세포들을 인지하도록 하는 부분이다. 그리고 세포 내부의 CD3제타 등의 부분은 특정항원을 인지한 후 CAR-T 세포가 자가 증식하도록 신호를 전달하는 부분이다.

2) 세대별 차이는 세포 내에 있는 부분으로 자가 증식의 능력을 키워주어 작은 수의 세포수를 주사해 주더라도, 몸 안에서 암세포에 대항하는 CAR-T들이 많이 만들어지게 하기 위한 것이다.

Screenshot 2014-10-13 at 10.16.38 오전

(자료원: http://www.discoverymedicine.com/Jae-H-Park/2010/03/30/adoptive-immunotherapy-for-b-cell-malignancies-with-autologous-chimeric-antigen-receptor-modified-tumor-targeted-t-cells/)

2011년 8월 10일 세상을 놀라게 한 UPenn의 Carl June 교수팀의 연구발표(http://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa1103849#t=abstract)를 보면 CD19이라는 혈액암세포 특이적 항원에 대한 scFv를 달았고,  4-1BB와 CD3-zeta를 세포질 내에 가지는 CAR-T로서 kg당 1십5만세포 – 70 kg 기준이면 1천만개의 세포를 주사해 주었다. 그리고 몸 안에서 CAR-T 세포들이 약 천배넘는 숫자로 증식함을 확인하였다고 한다.

꽤 많은 회사들이 CAR-T기술을 이용해서 약물을 개발하고 있고, 가장 앞선 회사는  UPenn으로부터 기술이전을 받은  Novartis로 현재 임상 3상을 진행 중에 있다.  좀 자세한 내용은 이전에 필자가 포스팅한 봐도 봐도 좋은 카트(CAR-T) 을 참고하길 바란다.

3. TCR

CAR는 T세포에는 원래 없던 인위적인 수용체를 만들어서 넣어준 것이라면 TCR 기술은 원래  T세포에 있는  T cell receptor (TCR)을 이용하는 것이다.

원래 T세포에는, 모든 세포들의 MHC class I에 결합된 펩타이드 (민증)을 검사하기 위해 T cell receptor라는 스캐너를 가지고 있다.  마치 바코드 리더와 같은 역할을 하는데….  그런데 한 종류의 TCR은 특정 항원(펩타이드)와 결합하게 되는데, 결국 몸 안에는 전체적인 구조는 동일하지만, 다양한 종류의 펩타이드와 결합하는 매우 다양한 TCR들이 존재한다.  하나의 CTL 에는 한 종류의 TCR (특정 펩타이드(들)만 정확하게 인지하도록 되어 있음)을 가지고 있다.

Adoptive cell immunotherapy로서 TCR기술은 CAR대신 특정항원에 강하게 결합하는 TCR을 환자유래 CTL에 이식시켜주는 방식이다.

어떤 TCR이 특정항원에 더 특이적이고 강하게 결합하는지를 알아내서 이 특정 TCR을 환자유래 CTL에 이식시켜준다.

나중에  TCR 방법에 대해서는 자세히 한번 설명하도록 하겠다.

 

이렇게 Adoptive Cellular Immunotherapy(세포면역치료)도 면연항암요법의 중요한 방법 중의 하나로 checkpoint inhibitor들과는 다르게 변형된 면역세포 자체를 환자에 주사하게 된다.

 

특히 혈액암들에서는 checkpoint inhibitor들 ( PD-1/PD-L1 등)은 CAR/TCR등의 세포면역치료법과도 경쟁해야 하는 상황이다.

 

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