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전문가기고 [황유경] NK 세포를 이용한 차세대 항암면역세포치료제 개발

2018-07-19255

NK 세포를 이용한 차세대 항암면역세포치료제 개발

( GC녹십자랩셀 세포치료연구소장 황유경, 연구 unit장 조성유)

1. 항암제 개발의 새로운 트렌드, 면역세포치료

항암제 개발 과정을 살펴보면, 빠르게 증식하는 종양세포의 특성을 이용하여 분열하는 세포를 공격하는 화학항암제와 종양 세포의 특정 분자나 신호전달 체계를 공격하는 표적항암제를 거쳐 바야흐로 면역학적 방법을 이용하여 종양을 치료하는 면역항암제의 시대가 도래했다고 할 수 있다. 면역항암제는 종양 항원을 표적하는 항체치료제(Rituximab 등), 면역세포를 다시 활성화 하는 면역관문억제제(Immune checkpoint inhibitor 등), 면역세포를 직접 투여하는 면역세포치료제(Immune cell theraphy)등으로 구분할 수 있다 (Oiseth et al, 2017)

세계최초로 FDA에 품목허가를 받은 항암면역세포치료제는 수지상세포치료제로 2010년 Dendreon사에서 전립선암을 대상으로 개발/허가를 받은 Provenge라는 제품이다. 하지만 가격 대비 낮은 유효성과 제 때 보험을 받지 못하는 등의 이유로 시장에서 퇴출되고 만다. 이후, 1980년대부터 임상연구로 경험을 축적한 T 세포치료제가 드디어 유전공학기술과 만나 획기적인 치료성적을 보이며 항암면역 유전자세포치료제의 시대를 열게 된다. 2017년 Novartis는 Kymriah의 개발 성공으로 항암면역유전자치료의 가능성을 보여주었지만, 여전히 기술적으로 해결해야 할 과제를 남기고 있다 (Smith et al, 2016). 이에 CAR-T의 대안이 될 수 있는 NK 세포와 차세대 기술들에 대해 살펴보고자 한다

2. 새로운 항암 치료 기술, Chimeric Antigen Receptor expressing (CAR)T cells

항암면역세포 치료는 1980년대 중반 NIH를 중심으로 체외 배양으로 활성화된 자가 T 세포를 이용하여 악성 흑생종 환자를 대상으로 한 임상연구가 시도되면서 미국을 중심으로 많은 연구가 이루어졌다. 그러나 항원 특이성을 부여하지 핞으 T 세포는 악성 종양을 제거하는데 충분하지 못하다는 결론을 얻게 외었고 (Foppena et al, 2015), 항원 특이성을 부여하기 위한 복잡한 공정들이 개발되어왔다. 이러한 배양 공정을 획기적으로 개선한 것이 항체 인식부위(scFv)와 T 세포의 세포내 활성화 domain을 결합시킨 키메라항원수용체(Chimeric antigen receptor,CAR)를 이용하는 방법이다(그림 1). 펜실베니아 의과대학의 Carl H. June 교수는, 환자의 T 세포에 유전자 조작으로 CD19 항원을 인식하는 CAR 유전자를 도입한 CD19-CAR-T를 개발한다. 재발한 악성 B 세포 혈액암 소아를 대항으로 한 임상에서 획기적인 성적을 보고하면서 항암면역 세포 치료제는 면역세포치료의 패러다임을 바꾸면서 상업화를 촉발하는 새로운 전기를 맞게 된다(Schuster st al, 2017).

그림 1. T 세포를 이용한 Adoptive cell theraphy

Carl H. June 교수가 사용했던 CD19-CAR-T 기술은 Novartis가 독점 개발하게 되고 Tisagenlecleucel(제품명 Kymriah) 이라는 제품으로 2017년 8월 미국 FDA의 허가를 받았다. 같은 항원을 이용하여 림프종에 대한 개발을 진행하던 Kite의 CD19-CAR-T 세포는 길리어드에 약 13조에 이르는 가격으로 매각된 이후 두번째로 허가(2017년 10월)를 받는 등 본격적인 상업화가 시작되었다 (Pettitt et al, 2018).

3. 자가 T 세포의 새로운 대안, NK 세포

 그러나 CAR-T 세포는 환자 자신의 T 세포를 이용하여 복잡한 유전자 조작 공정을 거처야 하고, 환자 1인을 위한 수억원에 달하는 고가의 맞춤 치료라는 점이 산업화의 허들이 되고 있다. 또한 표적 세포를 만나면 빠르게 분열하는 T 세포의 특성으로 인하여 사이토카인 폭풍(Cytokine storm, Cytokine release syndrome, CRS) 및 중추 신경계의 부종 등과 같은 심각한 부작용이 보고되고 있다. 뿐만 아니라 memory로 오랫동안 체내에 남는 T 세포의 특성은 재발할 경우 언제라도 동일한 부작용이 불시에 발생할 수 있다는 문제점이 있따. 이러한 clonal expansion과 memory T cell은 유효성을 담보하는 바람직한 특성이기도 하지만, 동시에 관리되어야 하는 위험 요소로 인식되고 있다. 이를 해결하기 위하여, 자살유전자를 추가로 주입한 CAR-T 세포나, 타인의 T 세포에서 면역원성을 일으키는 유전자를 제거하여 동종 CAR-T를 만들고자 하는 시도가 있지만(그림 2), 여전히 더 복잡한 공정을 요구하고 있으며, CRS의 문제로 인한 사망 사례가 계소 보고되는 등 근본적인 해결 방법이 되지 못하고 있다(Erhao Zhang and Hanmei Xu, 2017).

그림 2. 안전성 확보를 위한 다양한 유전자 조작방법들

 반면, 자연살해세포(Natural Killer Cell, NK cell)는 우리 몸의 면역계에서 제1선을 담당하고 있는 효력 세포로, 종양 세포나 바이러스 감염 세포 등 비정상세포를 즉각적으로 인식하여 제거할 수 있다고 알려져 왔다. 또한 T 세포와 비교할 때 memory 기능과 clonal expansion 기능이 약하므로 cytokine storm등의 위험이 상대적으로 T 세포에 비해 적은것으로 알려져 있따 (Adelheid Cerwenka and Lewis L. Lanier 2016). 이미 기존에 많은 의약품이 자연살해세포의 활성을 증가시켜 주거나(Interleukin-2 등), NK 세포 매개 면역반응을 유도하여 치료하는 방식(ADCC 효과를 유발하는 항체)을 택하여 항암치료에 사용이 되어왔다. (Wang et al 2000, Liu et al 2017). 혈액암에 대한 골수 이식과 같은 조혈모세포이식에서 NK 세포의 직접적 투여는 이식편대숙주병 (Graft-versus host disease, GvHD)을 억제하는 반면 이식편의 항종양 효과(Graft-versus Leukemia, GvL)를 유발한다는 것이 밝혀지면서(그림 3), 조혈모세포이식 전후에 시행하는 다양한 혈구세포이식에서 NK 세포에 의한 치료효과를 기대하고 있다. (Aura Muntasell and Miguel Lopez-Botet2016). 혈액암에 거의 한정되었던 NK 세포 치료효과를 다양한 암종으로 확대하고 있는 추세이며, 다른 면역세포치료요법에서도 비교적 양호나 치료성과를 보였던 흑색종, 신세포암, 림포마 등을 대상으로 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 동종 조혈모세포이식을 통하여, 타인에세 이식되었을 때, 항종양 효과를 보이지만 이식편대숙주병을 일이키지 않는다는 사실은 산업적으로 NK 세포를 동종의 항암면역세포치료제로의 개발에 유리하게 작용하고 있다(Adelheid Cerwenka and Lewis L. Lanier 2016).

그림 3. 혈액암의 동종조혈모세포이식에서 동종 NK세포의 작용

4. NK 세포를 위한 CAR 설계

그러나 종양 환경에서는 면역세포들의 활성을 올릴 수 있는 보조자극 분자들 (CD40, OX40, 4-1BB 등)의 발현이 억제되어 있고, 조절 T 세포 (regulatory T cell, Treg)에서 분비하는 TGF-beta와 같은 고농도의 면역 회피물질로 인하여 T 세포 및 NK 세포의 기능이 무력화되어 있기 때문에 체내 항암 작용이 제한적인다 (Gregory L Beatty and Whitney L.Gladney 2015). 따라서 암환자에서 무력화되어 있는 T/NK 세포의 활성을 높이기 위해서 면역 억제반응을 극복할 수 있는 인자(예, OX40 또는 4-1BB)의 세포내의 신호전달 도메인을 항원 특이적인 scFv와 유전공학적으로 융합시켜서 CAR에 사용하고자 하는 시도가 늘어나고 있다.

CAR에 의한 종양 제거 능력 향상은 CAR의 구조에 기인하는데, 일반적으로 CAR NK의 CAR도 CAR-T의 구조와 같이 1)세포 표면의 특정 단백질을 정확히 탐색할 수 있는 세포 표면 부분(extracellular domain)과 2)강력한 세포 활성화 신호를 생성하는 세포 내부 부분(intracellular domain)이 3)연결부위(linker, 예 : CD8 linker 등)로 연결된 형태이다 (그림 4). 세포 표면 부분에 존재하는 항원 결합 도메인은 주신호가 전달되는 부위로 세포막 외부에 있으며, 암세포의 특정 항원을 인지하는 부위일 수 있고(예: scFv), 또는 암세포가 비정상 상태에 있을 때 발현하는 ligand들을 인식하는 NK 세포 활성화 수용체(NK cell receptor, NCR)일 수 있다(그림 5). CAR-NK세포의 기능을 한다고 알려진 CD3ζ나 DAP12를 사용하고 있다 (Smith et al, 2016, Isabelle Riviere et al 2013).

그림 4. T 세포 신호전달에 기반한 CAR의 설계

그림 5. 항체기반 CAR-NK와 NCR 기반 CAR-NK

한편 T 세포가 특정 항원에만 특이적으로 인식하는 TCR(T cell receptor) 수용체를 이용하여 종양을 인식하지만, NK 세포는 종양의 다양한 항원을 익식하는 많은 면역 수용체들을 이용하여 종양 및 비정상 세포를 인식한다. 이중 특히 NKG2D 수용체는 DNA 손상, 암 발생, 감염 시 발현이 증가되는 세포 내 분자인 UL16 binding protein(ULBPs)와 MICA/B, RAE1, H60, MULT1을 감지하는 것으로 알려져 있다 (Wu et al 2015).이 외에도 NKp46, NKp44, NKp30, 2B4, DNAM-1 등의 활성화 수용체들이 암세포에서 특이적으로 발현하는 당양한 항원들을 감지하여 제거하는데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Vivier et al2014, 그림 6). 결론적으로, 여려 항원을 동시에 인식 가능한 NK 특이적 항원 수용체에 종양 환경의 면역억제 반응을 극복할 수 있도록 강력한 활성화 신호를 발생시키는 보조 자극 도메인과 필수 신호 전달 도메인을 유전공학적으로 연결한 CAR NK의 개발은 다양한 암종에 적용 가능한 활용성이 높은 플랫폼 기술로서 비임상 시험 및 임상시험이 성공적일 경우 모든 암을 대상으로 그 치료범위를 확장할 수 있는 가능성이 있다.

그림 6. NK 세포와 종양 세포 표면의 다양한 수용체와 리간드

5. NK 세포 치료제의 상업화

일반적으로 NK 세포는 T 세포와 달리 배양이 잘 되지 않는 세포로 알려져 있으며, 특히 동종 사용을 위해서는 GvHD를 일으키는 타인의 T 세포 혼입 없이 순도 높은 NK 세포를 배양하여야 한다. 기존에는 단순히 사이토카인을 처리하거나 K562 자체를 이용하는 NK 배양법을 주로 사용하였으나 최근에는 여러 그룹들이 유전자 변형 지지세포(예: mbIL15-4-41BBL 발현 K562, 또는 mbIL21-4-41BBL 발현 K562 등)를 활용하는 CAR NK 대량 세포 배양법을 개발하여 실용화를 위한 기반을 확보하였다(Duck Cho and Dario Campana 2009). CAR NK의 대량생산을 통하여 기존 생산비용이 크게 절감되었고, 또한 동결제형 기술의 발달로 환자가 원하면 언제든지 제공할 수 있는 off-the-shelf 개념의 치료제를 목표로 개발에 뛰어들고 있다. 현재 미국을 중심으로 start up 회사들(Fate therapeutics, NantKwest, Nkartra Therapeutics)이 CAR NK의 개발에 힘쓰고 있으며 국내에서는 녹십자랩셀이 다양하게 유전자 조작된 차세대 NK 프로그램을 개발하고 있다. 특히 최근 MD Anderson cancer center에서 발표한 임상 자료에서 CD19을 인식하는 scFv를 바탕으로 제작된 제대혈 유래 CAR NK가 좋은 성적을 내는 것으로 보고가 되어 CAR T의 대안으로 사용될 수 있음을 임상적으로 증명한 바 있다.

또한 경제성 측면에서도 CAR NK의 개발은 NK세포의 특성상 환자가 아닌 건강한 타인의 세포를 사용할 수 있기 때문에 환자 자신의 세포만을 사용해야 하는 CAR T세포 치료제와 비교하였을때 제작기간 및 비용을 혁신적으로 단축할 수 있으며 (NK 세포의 경우에는 세포뱅킹 구축 가능), T 세포 대비하여 환자의 부담을 획기적으로 감축할 수 있는 가능성이 있다.

결론적으로 CAR NK 세포치료제가 성공적인 임상을 거쳐 신약개발이 완료될 경우, T 세포 치료제에 비하여 저비용으로 뛰어난 항암치료효과를 갖는 면역세포 치료제로 개발될 수 있으며, 모든 암종을 대상으로 치료 범위를 확장할 수 있어 항암치료에 새로운 패러다임을 제시하는 혁명을 가져올 수 있을 것으로 예상된다.

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