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[바이오신약] 고형암 치료의 게임 체인저: CAR-M 세포치료제의 연구 및 임상 동향

박희호 / 한양대학교 생명공학과 부교수

◈ 목차

1. 개요

2. CAR의 구조 및 CAR-T 치료의 문제점

  가. CAR의 구조

  나. CAR-T의 세대(1st~4th generation)와 임상 결과

3. CAR-Macrophage 연구 동향

  가. CAR-M의 고형암 적용 가능성

  나. CAR-M 임상 현황

  다. 연구동향

4. 결론 및 시사점

◈본문

1. 개요

 최근, 생명공학 기술의 비약적 발전으로 불치병으로 여겨지던 고형암을 치료하기 위한 새로운 기술들이 개발되고 있다. Nivolumab(제품명:OPDIVO®), Pembroblizumab(제품명: KEYTRUDA®)으로 대표되는 ICI(Immune Checkpoint Inhibitor)의 개발은 체내 면역계를 이용한 면역항암제의 가능성을 제시하였고 [1], 이후 CAR-T, CAR-NK 등 직접적인 유전자 개입을 통한 면역세포치료제(Immune cell therapy)의 개발이 활발히 진행되었다.

 특히, CAR-T, CAR-NK 등의 면역세포치료제는 첨단 유전자 기반 세포치료제로서, 특정 항원(Antigen)만을 인식하는 키메릭항원수용체(CAR,ChimericAntigenReceptor)를 면역세포에 발현시켜, 암세포 특이적인 면역반응을 촉진하고 면역체계의 기억작용을 통한 암의 재발 방지 기능을 할 것으로 기대되었다. 그러나, 실제 임상에서 B cell lymphoma, leukemia 등의 혈액암(Hematologic maligancy)에는 탁월한 효과를 보였으나, 고형암(Solid tumor)에서는 그 효과가 미미하였고 [2], 백혈병(leukemia) 환자 79명 중 61명(77%)에서 사이토카인 방출 증후군(Cytokine Release Syndrome), 56명(71%)에서 면역세포연관신경독성증후군(Immune effector Cell-Associated Neurotoxicity Syndrome)의 부작용이 발생하였으며, 일부 환자는 사망하였다(NOVARTIS KYMRIAH® Safety Profile, 2017).

 고형암은 낮은 pH, 낮은 용존산소량, 면역 억제 인자 분비 등 면역세포의 활성을 저해하는 종양미세환경(TME, Tumor microenvironment)을 갖고 있어 CAR-T의 고형암 적용을 어렵게 하는 요인 중 하나이다. PD-1 항체와 같은 ICI와 세포외 기질(ECM, Extracellular matrix) 분해효소, 화학 항암제 병용투여 등 CAR-T의 고형암 치료를 위한 다양한 연구가 진행 중이지만, 이는 제작 및 치료 과정이 복잡하고, 이미 복잡한 공정으로 수 억원에 달하는 CAR-T 치료 비용을 증가시킬 수 있어 고형암 치료에 대한 새로운 전략의 필요성이 제기되었다.

출처 : 집필자 작성

[그림 1] 복잡한 CAR-T 체외 공정

 대식세포(Macrophage)는 체내 면역반응을 시작하는 선천 면역세포(Innate immune cell)의 종류 중 하나로, T 세포와 다른 사이토카인 방출 프로파일 및 종양 침습(Tumor infiltration)적 특성으로 부작용을 거의 일으키지 않고, 고형암 내로 쉽게 침투할 수 있다. 특히, 대식세포는 고형암 주위의 종양미세환경 형성과 암세포 증식을 촉진하는 종양 관련 대식세포(TAMs, Tumor-Associated Macrophages)의 형태로 많이 존재하는데, 이는 복잡한 체외 생산 방식(Ex vivo generation)이 아닌, 대식세포를 표적으로 체내 TAMs에 CAR 유전자를 전달하는 체내프로그래밍 방식(Invivoprogramming)을 가능하게 하며, 복잡한 공정 방식을 획기적으로 줄일 수 있다.

 위와 같은 특성들로 최근, CAR-M(CAR-Macrophage)은 고형암 치료에 유망한 면역세포치료제로서 주목받고 있으며, 국내외로 활발한 연구가 진행되고 있다. 본 보고서에서는 CAR-M의 고형암 치료에 대한 여러 최신 연구 동향 및 실제 임상 적용 사례에 대해 소개하고자 한다.

출처 : Cortés-Selva, D et al. Innate and innate-like cells: The future of chimeric antigen receptor(CAR) cell therapy. Trends in Pharmacological Sciences. 42, 45–59 (2021).

[그림 2] 고형암 치료에 기존 CAR-T 대비 CAR-M의 장점

2. CAR의 구조 및 CAR-T 치료의 문제점

가. CAR의 구조

 CAR는 특정 단백질이나 항원에 결합하도록 디자인된 모든 융합 단백질 수용체(Fusionproteinreceptor)로 정의되나, 일반적으로는 면역 효능 세포(Immune effector cell)에 발현하여, 표적 항원 특이적 면역 활성을 유도하는 융합 단백질 수용체를 뜻한다. CAR의 구조는 항체에서 유래되어 특정 항원에 결합하는 scFv(Single-chain variable fragment) 영역과 항원 결합 부위와 막 통과 영역 사이의 유연성을 결정하는 힌지 영역(Hinge domain), CAR를 고정하는 막 통과 영역(Transmembrane domain), T세포의 생존과 증식에 관여하는 공동 자극 영역(Co-stimulatory domain), 면역세포 활성을 유도하는 활성화 영역(Activation domain)으로 구성된다. CAR는 전반적으로 TCR(T cell receptor)과 구조가 유사하나, MHC(Major-Histocompatibility Complex)에 의한 자기-비자기 판별(Self-nonself discrimination) 없이, 항원 결합만으로 T세포를 활성화 한다는 장점이 있다.

출처 : Sarwish Rafiq et al. Engineering strategies to overcome the current roadblocks in CAR T cell therapy. Nature Reviews Clinical Oncology. 17, 147-167 (2020)

[그림 3] Chimeric Antigen Receptor (CAR)의 구조

나. CAR-T의 세대(1st~4th generation)와 임상 결과

각 영역은 항원의 종류, 면역세포의 종류 등을 고려하여, [그림 3]처럼 subset에서 한 가지를 선택할 수 있으며, CAR의 구조는 CAR-T 연구에 적용된 순서를 따라 1~4세대로 분류된다. 1세대 이전, CAR는 TCR의 modification된 형태로 항체와 TCR이 결합된 형태로 설계되었다 [3]. 그러나, TCR의 항원 결합 부위 형성을 위해선 두 개의 chain이 dimer 형태를 이뤄야 했고, MHC의 결합을 통한 자기 판별(Self-discrimination)이 필요하였기 때문에, 하나의 chain으로 이루어진 항체의 항원 결합 부위(scFv)와 CD3ζ등 면역세포 수용체의 신호 전달 부위(Leukocyte intracellular signaling domain)가 결합된 1세대 CAR가 탄생하였다 [4]. 그러나 기대와 달리, 1세대 CAR는 in vitro와 전임상 단계에서 고무적인 결과를 보였으나, 실제 임상에서 난소암 환자에 투여 후, 항암효과가 거의 나타나지 않았으며, 투여된 CAR-T 세포는 1달 내로 모두 사멸하였다 [5].

출처 : J. Tomasik et al. Next generations of CAR-T cells - New therapeutic opportunities in hematology? Frontiers in Immunology. vol. 13 (2022)

[그림 4] Chimeric Antigen Receptor (CAR)의 세대별 구조

 이후, T세포의 면역기능 활성에 CD28 등 공동-자극 수용체 신호(Co-stimulatory receptorsignal)가 필요하다는 것이 밝혀지면서 [6], CD28 신호 전달 부위가 결합된 2세대 형태의 CAR가 등장하였다. 2세대 CAR-T는 1세대에 비해, in vitro와 전임상 단계에서 향상된 증식 속도와 지속성, IL-2 등 면역 사이토카인의 생성증가를 보였고, 만성림프구백혈병(Chronic lymphocytic leukemia)에 대한 첫 임상에서 10년간 만성 림프구 백혈병을 앓던 환자의 완치에 성공하면서, 항암 치료에 대한 새로운 패러다임을 제시하였다 [7].

 2세대 CAR-T의 임상 성공으로, 공동 자극 영역(Co-stimulatory domain)의 존재가 CAR-T의 효능에 영향을 미친다는 사실이 밝혀지며, 공동 자극 영역을 하나 더 추가한 3세대 CAR-T가 개발되었다. 3세대 CAR-T는 전임상 단계에서 2세대 CAR-T에 비해 40배 이상의 증식 속도를 보이며, mice 체내에서 3달 이상 지속된다는 것을 밝혔다 [8]. 그리고, 만성 림프구 백혈병에 대한 임상 적용 결과, 상대적으로 적은 양의 투여(10⁶cells/kgor 5x10⁶cells/kg)만으로 8명 중 6명의 환자에서 유의미한 치료 경과를 보였고, 3달 이상 체내에서 유지됨을 확인하였다 [9]. 3세대 CAR-T의 경우, 아직 그 효능을 확인하기에 임상데이터가 부족한 상황이나, 2세대 CAR-T와 직접적인 효능을 비교한 임상결과에서, 동일한 양의 2세대, 3세대 CAR-T를 각각 투여한 경우, CRS와 ICANS 등의 부작용에서 큰 차이를 보이지 않았고, 한 환자에 동시 투여하였을 때, 기억 T 세포로 전환된 비율은 3세대(74.6%), 2세대 (25.4%)로 세대에 따른 효능의 차이는 크지 않았으나, 3세대의 경우, 체내에 더 오래 잔류하며 지속성이 높았고, 기억세포로 잘 전환되어 이후 재발방지에 기여할 것으로 생각되며 장기적인 관찰이 필요할 것으로 보인다 [8].

 혈액암에 대한 1~3세대 CAR-T의 성공은 CAR-T의 항암제로서의 가능성을 제시하였다. 그러나, 혈액암은 전체 암 발병 중 9%만을 차지하며, 그 외의 경우 대부분 고형암으로 알려져 있다. 고형암은 혈액암과 달리, 면역 억제적인 TME를 형성하여 CAR-T의 면역기능을 영구 상실시키는 탈진(Exhaustion)을 일으키기 때문에, CAR-T의 고형암 적용을 위해 새로운 전략이 필요하게 되었다. 이어, 개발된 4세대 CAR-T는 2세대 CAR와 IL-12, IFN-g 등 사이토카인을 함께 분비하여, TME 형성에 관여하는 항염증성 면역세포(Anti-inflammatoryimmune cell)를 다시 면역 활성을 갖는 염증성 면역세포(Inflammatoryimmunecell)로 재 분극화(Re-polarization)하고, TME 개선과 고형암 주변 면역세포를 이용하고자 하였다. 현재, 간세포암(NCT03980288), 골육종(NCT03356782), 다발성 골수종(NCT03271632) 등 다양한 고형암에 대한 임상이 진행되고 있으며 그 경과를 지켜볼 필요가 있다.

본문에서처럼, CAR-T 연구는 1~4세대까지 다양하게 진행되었지만, 고형암에 대한 낮은 치료 효능과 타인 간 면역 비 호환성에 기인한 복잡한 체외 생산 방식(Ex vivo generation process), 또 그로 인해 수억 원에 달하는 높은 치료비용은 근본적으로 해결하지 못 하였다. 이러한 문제점들은 CAR-T의 고형암 치료 적용을 어렵게 만들고 있으며, CAR-T 외의 다양한 면역세포치료제가 연구되는 계기가 되었다. 특히, CAR-M은 여러 면역세포치료제 후보 중 고형암 치료에 가장 부합하는 특성들로 주목받기 시작했다.

...................(계속)

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