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한국실험동물학회 뉴스레터 2022년 12월
[과학이슈] 고형암 치료의 게임체인저: CAR-M 세포치료제

고형암 치료의 게임체인저: CAR-M 세포치료제

한양대학교 생명공학과
박희호 교수

서론

  암을 치료하는 방법은 크게 수술요법, 항암 화학요법, 방사선 치료 3가지로 구분이 되고, 최근에는 면역요법, 유전자요법도 시도되고 있다. 환자 본인의 면역을 증강시켜 암을 치료하는 면역 항암제가 3세대 항암제로 주목받고 있으며, 암세포를 직접 공격하지 않고 환자의 면역체계를 활성화시킴으로써 환자의 면역 체계가 암세포를 공격하는 원리이다. 전 세계적으로 면역항암제 시장의 규모는 점차 증가하고 있으며 새로운 암 특이적 타겟 물질을 지속적으로 발굴하고 있다.

■ Chimeric antigen receptor (CAR)란?

  Chimeric antigen receptor (CAR)는 특정 표적 항원을 발현하고 있는 세포를 효과적으로 인식하고 제거하기 위해 T 세포나 NK 세포와 같은 면역세포에 발현하도록 엔지니어린 된 합성 수용체이다. CAR는 항체에서 파생된 세포 외 항원 인식 도메인인 scFv와 막횡단영역, 세포 내 T 세포 활성화 도메인인 CD3ζ가 포함된 구조를 가진다. 이러한 scFvT 세포가 종양 항원에 잘 결합할 수 있도록 하고, CD3ζ (ITAMS, immunoreceptor tyrosine-based activation motifs)에 의해 T 세포가 활성화된다. CAR의 유전적 구조를 완성하기 위해 CD8α와 면역글로불린으로부터 나온 힌지 (hinge)와 막횡단 영역을 이용하여 세포 외 scFv와 세포 내 CD3ζ 도메인으로 연결된다. CAR의 구조는 TCR (T cell receptor)와 유사하지만, CARscFvMHC (major histocompatibility complex)와 무관하게 TAA (tumor associated antigen)를 인식하고 종양 세포 표면에 발현되는 다양한 항원을 표적으로 한다. 암에 의한 주요 면역 기피 메커니즘이 종양 세포에 의한 MHC-관련 항원 제시의 상실이기 때문에, MHC 제한으로부터 독립적인 CAR 인식은 항암 효과에 이점을 부여한다. CAR의 구조는 1세대에서 4세대로 발전하였다. 1세대 CARCD3ζ 신호 전달 도메인만을 포함하고, 2세대가는 CD3ζ와 공동 자극 도메인 하나를 포함하며, 3세대 CAR CD3ζ와 공동 자극 도메인 2개를 포함한다. 4세대 및 5세대 CAR는 가장 최근 개발된 것으로, 2세대 CAR에 케모카인 (. IL-12)을 추가 또는 사이토카인 수용체의 세포내 도메인 (. IL-2Rβ 사슬 단편)을 추가한 구조를 가진다.

[그림 1] CAR의 구조 (Tokarew, N. et al. (2019) Teaching an old dog new tricks: next-generation CAR T cells. British Journal of Cancer, 120(1), 26-37)

■ 면역세포치료제 (CAR-T, CAR-NK)를 이용한 항암치료

  CAR-T 치료법은 현재까지 급성 림프구성 백혈병 (ALL, Acute Lymphoblastic Leukemia)에 대한 치료, 특히 Relapsed/ Refractory B세포 급성 림프구성 백혈병에 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 급성 림프구성 백혈병에 가장 효과적으로 작용하는 표적 항원 CD19B세포 급성 림프구성 백혈병에서 가장 높게 발현된다. 현재까지 CD19를 표적으로 한 CAR 모델이 대한 많은 임상 시험들이 발표되었으며, 그 중 상당수의 임상시험에서 완전 완화 (complete remission)와 부분 완화 (partial remission)의 비율이 유의미하게 나타났다. 최근에 급성 림프구성 백혈병에 대한 또 다른 표적항원 CD22CD1를 함께 CAR-T 치료법에 적용하는 임상 연구들이 진행중이다. 만성 림프구성 백혈병이나 림프종 등 다른 종류의 혈액암 치료를 위해 CAR를 사용한 치료법에 대한 여러 연구들도 진행되고 있으며, 새로운 표적항원 발굴도 함께 이루어지고 있다. CAR-NK 치료법 역시 비호지킨림프종 (NHL, Non-Hodgkin Lymphoma) 등의 혈액암 환자를 대상으로 한 임상 시험에서 좋은 효능을 나타냈으며, CAR-T 세포 치료법에 비해 상대적으로 안전했다는 연구 결과가 발표되었다. CAR-T 치료제는 후천성 면역세포인 T세포를 조작한 뒤 대량 배양해 환자에게 투여하기 때문에 환자 본인의 세포만을 사용해야 하지만, CAR-NK 치료제는 선천성 면역세포를 사용하기 때문에 상대적으로 안전하고 동종 치료제로 개발이 가능하며, CAR-NK 치료제를 위한 후보물질 최적화 역시 이루어지고 있다.




[그림 2] CAR-T 체외 생산 (National Cancer Institute, 2017)


■ 면역세포치료제 (CAR-T, CAR-NK)를 이용한 항암치료의 한계

  CAR-TCAR-NK 면역세포치료제의 혈액암 치료에 대한 성공적인 임상 시험 결과가 보고되는 가운데, 고형암에 대한 임상시험 결과는 기대에 미치지 못했다. 혈액암에 비해 고형암에서 CAR-T, CAR-NK 치료법에 대한 임상 시험이 기대에 미치지 못하는 이유는 고형암과 혈액암의 차이점에서 찾을 수 있다. 고형암은 혈액암과 다르게, 높고 균일하게 발현되는 특정 종양 항원을 찾는 것이 매우 어렵다. 이러한 종양 항원을 선택하는 것도 중요하지만, 충분한 수의 면역세포치료제가 말초혈액에서 종양 조직까지 효율적으로 도달할 수 있도록 CAR-T, CAR-NK의 지속 기간을 증가시키는 것 역시 필요하다. 독성에 관한 문제는 CAR-T 세포 기반의 면역치료법에서의 주요 문제이다. 대부분의 CAR는 종양 비 특이적 방법으로 종양 세포를 인식한다. 이는 CAR의 표적이 정상 세포와 비교하여 종양 세포에서 과발현되는 종양 관련 항원 (TAA, Tumor-Associated Antigen)임을 의미한다. CAR-T 세포에 의한 정상 조직의 인식은 on-target/off-tumor 효과를 유발하여 생명을 위협하는 독성을 유발할 가능성이 있다. 또한 CAR-T 치료제는 거부 반응이 일어날 수 있기 때문에 자가 세포밖에 사용할 수 없다. 환자 본인의 혈액에서 후천성 면역세포인 T세포를 추출해 사용하기 때문에 개인 맞춤형 치료제라는 장점도 있지만, 대량 생산이 불가능해 천문학적인 비용이 들고 사업화에 어려움이 따르기도 한다. CAR-NK의 경우 CAR-T에 비하여 독성 문제도 적고 자가유래 세포를 사용할 필요가 없어 상대적으로 낮은 비용으로 사업화가 가능한 기성품(Off-the-shelf)이라는 장점이 있긴 하지만 T 세포와 달리 배양이 잘 되지 않는 세포로 알려져 있으며, 사람마다 각각 NK세포 활성도가 달라 낮은 활성도를 가진 NK세포는 여전히 고형암에 대한 살상력이 떨어져 치료제 활용에 부적절하다는 단점도 있다.


[1] CAR-T, CAR-NK비교 (Maeil Business News Korea, 2021)


■ CAR-M (CAR-대식세포)의 발견

  최근 고형암 치료를 위해키메라항원수용체-대식세포 (CAR-대식세포)’를 이용하는 연구가 주목받기 시작했다. 대식세포는 동물 체내 모든 조직에 분포해 면역을 담당하는 세포로, CAR-대식세포는 식작용 (phagocytosis)을 통해 고형암에 효과적으로 대응한다. , 암항원 (tumor antigen)을 적응면역세포 (T 세포)에 제시하고 활성화, 우리 몸에 장기 면역기억 효과를 만들어 암의 재발을 막는다. 하지만 CAR-T세포와 같이 CAR-대식세포도 체외배양 및 유전자조작 과정이 필요하다. 이로 인해 수억 원에 달하는 치료비가 발생하고, 광범위한 임상 적용이 어렵다는 단점이 있었다이런 문제점을 개선하고자 환자의 체내에서 CAR-대식세포 생성을 유도하는 방안을 고안해냈다. 체내 주사만으로 대식세포 표면에 있는 수용체를 타겟팅해 유전자를 대식세포 내 전달하는 새로운 유전자 나노복합체를 만들었다. ‘MPEI/pCAR-IFN-γ’로 명명된 나노복합체는 고형암 주변의 대식세포 (TAM, Tumor-Associated Macrophage) CAR-대식세포로 변환시킴으로써 고형암을 효과적으로 제거했다. 이 연구는 면역세포치료제에 있어 새로운 패러다임을 제시하고 광범위한 고형암환자에게 저렴하면서도 효과적인기성품 (off-the-shelf) 치료제로 사용될 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.


[그림 3] CAR-Macrophage: A scanning electron micrograph of a macrophage (top) and cancer cells (Klichinsky, M. et al. (2020) Human chimeric antigen receptor macrophages for cancer immunotherapy. Nature Biotechnology, 38(8), 947-953)


■ CAR-T, NK, M의 비교

  키메라항원수용체 (CAR) 치료제에는 CAR-T, CAR-NK, CAR-M 세 가지 종류가 있다. CAR-T는 환자 본인의 혈액에서 T 세포를 채취해 다시 주입하는 자가유래 치료제 형태로 사용된다. CAR NK, CAR M은 동종유래 치료제로서 타인에게서 채취한 NK 세포나 M 세포를 이용한 치료가 가능하다. 가장 크게 주목해야할 부작용인 사이토카인 방출 증후군 (CRS)CAR-T에서 75~100%의 환자에서 발생하고 CAR-NKCAR-M에서는 CRS의 발생 우려가 적다. CAR-T는 약 4억원 상당으로 높은 가격부담을 갖고 있으며 CAR-NKCAR-M은 기성품 (off-the-shelf)으로도 사용될 수 있으며 CAR-T에 비해 상대적으로 저가이다. CAR 치료의 주 목적인 암 치료에 있어서 CAR-T는 혈액암에만 유효한 효과를 나타내며 CAR-NK는 혈액암과 고형암에 적용이 가능하며 CAR-M은 고형암에 특화된 효과를 나타낸다.


[2] CAR-T, CAR-NK, CAR-M 비교 (JW-Pharma, 2021)


■ 비용의 한계와 CAR 치료제 연구의 필요성

  CAR-T 치료제인 킴리아 (Kymriah) 번의 투여로 놀라운 치료 효과를 보이는원샷 항암제1 투여 비용이 4 원에 달해 비용 부담이 단점이 있다. 하지만, 최근 국내에서는 입원 급여 결정으로 인해 환자가 부담해야 하는 비용이 1회에 한해서 600만원 수준 (건강보험 급여 대상)으로 크게 줄어들었다. 이는 다른 지역 대비 매우 저렴한 수준이지만, 역시도 가격이 낮아져야 한다는 의견이 제시되고 있다. 이러한 CAR-T 치료제의 높은 가격의 원인은 환자 개별적인 자가유래 (autologous) 방식으로 치료제가 제조되기 때문이다. 세포 채취부터 환자에게 투여되기까지 공정이 고난이도의 기술을 필요로 하며, 특히 유전공학 기술이 적용돼 가격이 쉽게 낮아지기 어렵다. 이에 따라 다양한 CAR-T 치료제 개발과 대량 생산이 가능한 동종유래 (allogeneic) 방식의 CAR-T 치료제 개발의 필요성이 대두되고 있다. CAR-T 치료제의 가격을 낮추기 위해 여러 나라에 CAR-T 치료제를 생산할 있는 제조소를 확충하고 나섰지만 독특한 물류 특성을 가지고 있고 자가유래 치료제인 단점 때문에 이마저도 쉽지 않은 상황이다. 따라서 동종유래 기성품 (off-the-shelf) 형태의 CAR 세포치료제 개발 (CAR-NK, CAR-M) 또는 CAR 유전자-나노입자 기반 체내 프로그래밍 (in vivo programming) 절실하며 이는 CAR 치료제의 시장을 더욱 성장시킬 원동력이 것이다.


[그림 4] MPEI/pCAR-IFN-γ 나노입자 모식도 (Kang, M. et al. (2021) NanocomplexMediated In Vivo Programming to Chimeric Antigen ReceptorM1 Macrophages for Cancer Therapy. Advanced Materials, 33(43), 2103258)