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전문가기고 [손우찬] 독성학적 관점에서 바라본 면역 항암제 개발

2019-09-27180

독성학적 관에서 바라본 면역 항암제 개발

(울산대의대 서울아산병원 병리학교실, 손우찬)

면역항암제는 항암제 개발의 추세로 자리 잡은 지 이미 오래다. 기존의 암 치료 즉, 암세포의 수술적 절제, 세포독성 항암제를 투여하는 화학요법, 방사선 치료, 혹은 암 특이 전달신호에 대한 표적치료 등이 적극적인 외부적 개입에 의한 치료라고 한다면 면역항암제는 근본적으로 이들과 달라서 인체 스스로의 면역작용을 통해서 항암효과를 나타날 수 있게 한다. 면역치료제의 항 종양 반응은 느리게 나타나지만 치료효과가 지속적으로 나타난다는 점, 그리고 항암반응이 있을 경우 그 효과가 분명하다는 점 그리고 항대적으로 독성의 문제가 덜하다는 점은 항암제의 큰 장점이 된다. 한동안 큰 기대를 모았던 표적치료제가 내성의 문제로 실망을 안겨준 것을 감안하면 연역 항암제는 표적 치료제들과도 크게 차별화되는 점이라고 할 수 있다. 무엇보다도 근래 면역관문 억제제가 보여준 임상적 탁월함은 면역에 보다 집중하여 항암제를 개발하여야 한다는 강력한 메시지를 주고 있다. 하지만, 면역항암제는 반응하는 환자가 제한적인 수라는 점과 환자의 독성 문제도 경우에 따라서는 심각하게 인식되고 있다. 면역항암제 개발의 다양한 면모에 대해 독성학적인 측면에서 살펴 보려고 한다.

표 1 에서 보듯이 면역관문 억제제를 투여받은 환자들은 다앙한 부작용을 겪는다. 이미 2000년대 중반에 agonistic antibody 인 TGN1412 의 초기 임상시험에서 심각한 부작용을 경험한 바 있으며, CAR-T 의 경우 사망에 이르는 독성이 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 하지만 이런 독성들을 미리 예측해 보는 목적의 전임상 동물시험에서는 대체로 높은 정도의 독성은 발견되지 않았다. 면역 항암제의 많은 부분을 차지하는 항체 치료제의 경우 교차반응(cross-reactivity)이 확인된 원숭이만을 실험동물로 사용하였음에도 불구하고 독성은 분명하게 나타나지 않았다. 하지만 막상 사람에게 투여하면 부작용이 있었던 것이다. 물론 이들 부작용은 대부분 면역치료제가 가지는 약리효과의 일환으로 나타나는 것들이었다. 면역관문 억제제의 독성은 면역관문이 억제될 때 쉽게 예상할 수 있는 자가면역(autoimmune) 현상이 염증의 형태로 나타난다. Wang (2018) 등은 WHO pharmacovigilance database (Vigilyze) 에서 PD-1/PD-L1 억제제 혹은 CTLA-4 억제제를 투여 받은 후 보고된 16,000,000 개의 AE(adverse events) 를 분석하였다. 그중 613 개의 치명적 면역관문 억제제 관련 사례 (fatal ICI toxic events)를 발견하였다. 193 명이 anti–CTLA-4로 사망하였는데, 대부분 대장염(135 [70%]) 이었으며, anti–PD-1/PD-L1–관련 사망의 경우, 폐렴 (333 [35%]), 간염 (115 [22%]), 혹은 신경독성(50 [15%]) 의 순서로 조사되었다. PD-1/CTLA-4 병용 투여시 사망원인은 주로 대장염(32 [37%])과 심근염(22 [25%]) 이었다. 하지만, US FDA에 제출된 Keytruda (pembrolizumab) 원숭이(Cynomolgus monkeys) 한달 정맥투여 독성시험에서는 의미있는 독성이 발견되지 않았다(US FDA, 2014a). 이 같은 현상은 같은 PD-1 억제제인 Nivolumab을 원숭이에게 투여한 독성시험에서도 마찬가지였다. Nivolumab을 투여받은 환자에서 경험한 자가면역 독성은 원숭이 독성시험에서 명확하게 관찰되지 않았었던 것이다(US FDA, 2014b). CTLA-4억제제인 Ipilimumab 의 경우에도 사람에서 경험한 심각한 독성들이 원숭이 독성시험에서는 매우 저평가 되었으며, 명확하게 나타나지 않았다. 원숭이에서는 명확한 임상 증상이 없었음은 물론이고, 고작 발견된 독성은 3 mg/kg 혹은 10 mg/kg 의 고용량으로 여러 번 투여한 동물의 조직병리 검사에서 발견된 백혈구 침윤 뿐이었다. 이런 독성도 면역관문 억제제의 약효와 같은 맥락인 자가면역이 발현된 것이었으며, 그것도 단지 항원-항체 결합력이 원숭이에서는 상대적으로 약해서 심각한 독성으로 나타나지 않았었던 것이다.

흥미로웠던 사실은, 면역관문 억제제에서 특별하게 발견된 생식독성이었다. Ipilimumab을 투여받은 임신 원숭이에서 third-trimester spontaneous, abortions stillbirths, 혹은 premature delivery가 관찰되었다. 이런 결과로 인하여 US FDA에서는 PMS (post-marketing requirement)를 요구하였다. PD-L1 억제제인 Durvalumab (Imfinzi) 원숭이 생식독성시험에서도 premature delivery 현상이 관찰되어 PMS가 진행중에 있다(US FDA, 2017). 이런 생식독성의 원인은 PD-1/PD-L1 억제제가 임신을 유지시켜주는 역할을 변화시켰기 때문이다. 즉, Durvalumab이 FcRn receptor결합을 유지시켜서 태아에게 노출이 된 것으로 이해된다. 이런 예에서 보듯이 항체 약물의 독성은 기대되는 약리작용이 과장되거나 혹은, 변형되어 나타나는 것이 대부분이다.

표1. 면역관문 억제제의 임상적 부작용

출처:https://www.esmo.org/Conferences/Past-Conferences/ESMO-Immuno-Oncology-Congress-2017/Educational-Articles/Toxicity-Associated-with-Cancer-Immunotherapy

Atezolizumab (anti-PD-L1)을 C57BL/6와 CD-1 마우스에 각각 투여하였을 때 CD-1 마우스에서는 독성변화가 관찰되지 않았던것에 반해 C57BL/6 마우스에서는 좌골신경에 변성변화와 함께 염증세포가 침윤되었다. 이런 현상은 C57BL/6 마우스와 같은 MHC H2b haplotype의 PD-1 결핍 암컷 마우스에게 항체를 투여하였을 때 나타난 다양한 장기의 자가면역 염증발현 현상과 동일한 것으로 이해된다. 따라서 CD-1 마우스는 자가면역 현상이 없었던 것으로 이해된다.

면역 항암제에서 우려되는 독성중의 하나는 소위, CRS (Cytokine Release Syndrome) 이다. CRS를 예측할 수 있는 동물 모델은 아직 알려진 바 없다. 보통 in-vitro cytokine release 시험을 실시하는데, PD-L1/PD-1 상호관계는 T-cell 활성을 저해하는데 중요한 역할을 하므로 PD-1 과 PD-L1 을 저해 시키면 T-cell activation 이 강화되고, 이런 과정에서 proinflammatory cytokine이 분비되고, 이런 시험관적 상황을 모니터하는 방법으로 잠재적인 CRS 를 평가하는 것이다. 건강 자원자의 PBMC를 개발 치료항체, anti-CD3 혹은 LPS와 같이 비교해 보는 것이다. 이런 시험관 시험 결과와 원숭이 시험에서 측정된 cytokine 변동을 함께 분석해 보는 방법으로 사람의 CRS 가능성을 예측해 보면 더 유용한 정보를 얻을 수 있다. 물론 Atezolizumab 등의 개발 과정에서도 이와 유사한 시험들을 전임상 독성 시험의 일환으로 실시하였다.

면역관문 억제제제로 개발된 항체들은 각기 독성의 차이를 보이고 있다. CTLA-4 억제제가 PD-1 억제제보다 독성이 심하였다. TGIT 억제제는 이들보다 독성이 약할 것으로 예상된다. 이는 co-inhibitory receptors 가 self-tolerance를 유지하는 영향의 정도와 면역독성이 직접적인 비례관계로 나타나기 때문이다.

그림 1. Co-stumulatory inhibitor 의 독성은 각 수용체가 self-tolerance 를 유지하는 영향력의 정도에 따라서 다르게 나타난다 (Anderson 등, 2016)

면역관문 수용체는 효현작용과 억제작용으로 구분할 수 있는데, 치료용으로 개발된 agonistic antibody 의 경우 독성이 매우 심하다. 임상 시험중 심각한 부작용을 나타낸 TGN1412 가 co-stimulatory CD28 receptor 에 작용하는 agonistic antibody 이다. T cell co-stimulatory receptor 인 4-1BB (CD137) 는 전임상 항암 동물모델에서 가장 강력한 효력을 보였지만 용량 제한적인 간독성을 보였다. Urelumab (BMS-663513)으로 불리는 이 항체 치료제는 첫번째로 시도된 anti-4-1BB 치료제였지만 간독성이 심한 정도로 나타났다. 간독성은 Kupffer cells 에 작용하는 on-target 독성이었으며 용량의존성을 보였다. Urelumab monotherapy 를 낮은 용량으로 투여하는 전략 혹은 Nivolumab과 병용 투여하는것도 시도해 보았지만 결국 결과는 실망스러웠다. 화이자에서 개발하는 Utomilumab (PF-05082566) 은 Urelumab 보다는 안전성은 좋아서, Utomilumab 과 Pembrolizumab 병용투여에서 병용 투여에 의한 grade 3 혹은 4 의 TRAE 도 발견되지 않았고, DLT 도 보이지 않았다(Chester et al, 2018). 하지만 면역 항암제의 다른 예에서도 그렇듯이 독성이 낮아지면 효력이 낮아진다는 측면에서 회의적인 약효를 예측을 해 볼 수도 있을 것이다.

면역 항암제에서 병용투여 전략은 매우 유효하다. 다양한 개념의 항암제와 면역관문 억제제, 특히 PD-1 억제제와의 병용투여 전략에서 놀랄만한 효력의 증대를 경험하고 있다. 예를 들어서 Yervoy 와 Opdivo 병용투여로 CTLA-4 와 PD-1 을 동시에 억제하여 T세포의 증식과 활성을 기대할 수 있으며, 동시에 CTLA-4 항체가 Treg 을 제거하여 면역억제를 되돌릴 수 있고, PD-1 항체에 의해 활성화된 T 세포가 memory T cells 로 되어 종양 항원을 인식에 의한 후속적 면역활성을 기대해 볼 수 있기 때문이다. 하지만 임상에서 CTLA-4 항체와 PD-1 항체의 병용 투여가 임상 부작용을 확대시켰다는 보고가 있으므로 최적의 투여 조합에 대한 탐색을 하는 것은 당연하다(Bowyer et al. 2016). 이런 병용 투여 전략시 비임상 개발을 어떻게 하여야 하는지에 대한 많은 의문이 생긴다. 병용투여를 계획 할 때 조합의 선택에 대해서 약리효과와 독성의 관점에서 평가를 해보아야 하지만 허가된 약물로 병용 투여시에는 규제기관 제출용 비임상 GLP 시험시 다시 반복할 필요는 없다. 조합에 이용되는 약물들이 모두 이미 판매 허가과정을 거쳤다면 임상 경험이 축적된 상태이기 때문이다. 또한 원숭이 시험에서 단독투여와 병용투여와의 독성의 차이가 있다고 하여도 임상의 부작용을 예측하는데 꼭 필요한 정도의 정보를 주는 것은 아니라는 것이 GLP 시험을 다시하지 않는 이유이다.

면역세포를 특정 표적에 전달하여 retargeting 하거나 다중 표적에 대한 engagement 를 통해서 상승반응을 기대하는 목적으로 bispecific antibody 가 치료용으로 개발되고 있다(Suresh et al. 2014). FDA 에서는 2019년에 가이던스를 발행하여 bispecific antibody 개발시 요구되는 고려사항에 대해서 설명하였는데, 독성분야에 대해서도 의미있는 언급을 하고 있다. 주요내용을 살펴보면, 먼저, 원칙적으로 일반적인 치료용 single target 항체의 개발과 크게 다르지 않다는 것을 강조하였다. 독성학적인 평가 모델을 이해하고 선정하기 위해서는 expression profile 과 각 target 에 대한 specificity 에 대한 충분한 이해가 중요함을 이야기 하였다. 만일 독성학적인 우려가 있는 부분이 있다면 관심을 가지고 평가를 해야 하나 single target 항체와 비교를 하는 프로토콜로 시험을 할 필요는 없음도 밝히고 있다. 주목해야 할 부분은 FIH 용량을 산정하는 과정에서 in vitro 시험과 동물을 이용하는 약리시험 결과를 잘 활용하는 것에 대해서 언급하고 있다는 것이다. 또한 agonistic antibody 일 경우 MABEL 을 이용하는 것의 유용성에 대해서도 기술하고 있다. 사실, 면역 항암제로 개발된 항체의 경우 FIH의 용량을 산정할 때 동물 독성 시험 결과로 얻은 NOAEL을 기준으로 산정하기 보다는 in vitro 시험이나 약리시험으로 사용된 syngeneic mouse 모델의 결과를 적극적으로 이용한 경우가 많았었다. 전임상 GLP 독성 시험의 목적이 FIH 용량을 구하는 것임을 생각한다면 약리시험과 시험관 시험에 대한 활용에 대해서 언급한 것은 매우 의미있는 내용으로 여겨진다. Saber 등 (2016)은 면역 활성을 통한 항암효력을 나타내게 하는 항암제를 대상으로 FIH 용량에 대해서 분석한 결과에 따르면 Hill 공식으로 구한 FIH 용량은 거의 반 (44%) 에서 임상적으로 안전한 용량보다 수백배 낮았었고, 동물시험에서 얻어진 NOAEL 의 10분의 1이나 HNSTD의 6분의 1 로 구한 FIH 용량은 몇몇 항체의 경우 임상에서 독성을 일으키는 용량이었었다. Fc-modifications 을 통해서 효력을 증진시키는 항체의 경우 Fc-modification 을 하지 않은 항체보다 독성이 더 높게 나타났다. 아쉬운 점은 그들의 연구에서 CD3 bispecific products 에 대한 부분을 포함시키지 않았다는 것이다.

뉴욕의 윌리엄 콜리 교수가 수술 불가능 암 환자에게 연쇄상구균 유래 물질의 항암효과를 보고하며 시작된 면역치료는 1891년으로 거슬러 올라가지만, 100여년이 지난 현재 면역치료가 다시 관심을 받고 있다. 당시 세포독성 화학물질 요법이 대두되면서 면역치료를 과학적인 사실로 믿지 않는 분위기 때문이었다고 한다. 하지만 오늘날에는 종양 미세환경 (TME, Tumour Micro-Environment)과 유전체학을 바탕으로 하는 종양 생물학에 대해서 보다 많은 이해를 하고 있다. 이런 이해를 바탕으로 혁신적인 면역 항암제 개발 전략들은 보다 정교하게 구사되고 있다. 면역항암제도 독성의 문제가 항상 있으므로 개발시 독성학적인 관점에서도 고려가 있어야 한다. 독성학적인 이해를 하려면, 면역 항암제의 약리작용에 대해서 폭넓은 이해를 하여야 하고, 독성을 미리 예측 할 수 있는 평가법을 적용하기 위해서는 인간화 마우스 혹은 면역결핍 마우스 모델에 대한 깊은 이해가 필요하다. 독성이 예측되는 환자를 선별하는 바이오 마커는 절실한 숙제이기도 하다.

암의 특징은 종양 세포 증식과 생존, 종양의 혈관 신생 및 전이를 포함한다, 종양유전자(Proto-oncogenes)와 종양발생 신호경로의 활성은 종양세포내의 종양억제 유전자의 불활성화와 함께 악성변화(malignant transformation)과 진행(progression)에 중요한 경로이다. 동시에 종양 면역학자들은 외인성 종양억제가(extrinsic tumor suppressor)로서 작용하는 면역 감시체계 활성화를 위해 필요한 면역 위험 신호들의 결핍, 증가된 면역억제 인자의 농도 증가 그리고 종양 미세환경에 있는 면역억제 세포들의 축적은 면역 조절(immune regulation)은 암의 진행에 있어 주도적인 역항을 한다는 것을 의미한다. 종양 미세환경을 조절하는 특정 분자들과 신호전달 경로의 정의는 종양면역치료(cancer immunotherapy)를 위한 중요한 타깃을 제공할 것이다.

참고문헌

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