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암 치료를 위한 유전자 변형 면역 세포
암 치료를 위한 유전자 변형 면역 세포 저자 하자인 (서울대학교)
등록일 2018.06.07
자료번호 BRIC VIEW 2018-R14
조회 1989  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
키메라 항원 수용체 (CAR) T 세포는 유전자 변형 면역 세포가 새로운 종류의 강력한 암 치료제로 활용될 수 있음을 입증했다. 임상 시험은 광범위하고 다양한 종양 치료에서 유전자 변형 T 세포가 안전하고 효과적인 플랫폼이 되기 위해 충족해야 할 주요 과제를 정리하는 데 도움이 되었다. 세포 공학을 위한 합성 생물학 접근법의 출현은 면역 세포 프로그래밍에 필요한 도구를 제공했다. 이 리뷰에서는 이러한 도구를 사용하여 스마트 T 세포를 이용한 차세대 정밀 치료법의 설계 방법에 대해 논의한다.
키워드: 키메라 항원 수용체 (CAR) T 세포, 암 면역 치료, 유전자 변형 면역 세포, 합성 생물학
분야: Cancer Biology/Oncology, Cell_Biology
써모피셔사이언티픽
본 자료는 The Principles of Engineering Immune Cells to Treat Cancer. Cell. 2017; 168(4):724-740.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 살아있는 치료제는 복잡한 감지 및 응답 기능을 독자적으로 수행 가능하다
3. 유전자 변형 T 세포는 의학과 과학의 다양한 영역의 통합을 나타낸다
4. T 세포 치료 경험
  4.1 종양 침윤 림프구
  4.2 CD19 CAR T 세포: 성공 사례
  4.3 CD19 CAR T 세포: 남아있는 문제
5. 고형 종양
  5.1 자연 T 세포를 가진 고형 종양: 지금까지의 면역 치료법
  5.2 유전자 변형 T 세포 시험
  5.3 교차 반응 독성
  5.4 비 CD19 CAR 유전자 변형 T 세포
  5.5 고형 종양 치료법 전망
6. 세포 치료법의 다차원적 도전 과제
  6.1 추적
  6.2 종양 인식과 방관자 구별
  6.3 증식과 지속성
  6.4 억압적 미세 환경 극복
  6.5 제어 메커니즘
7. 인식 향상: 새로운 수용체 및 인식 프로그램
  7.1 AND 게이트 회로: 다중 항원 조합 인식
  7.2 NOT 게이트 회로: 정상 세포 항원에 대한 음성 차별
  7.3 OR 게이트 회로 및 이중 항원 타겟팅 CAR
8. 증식과 지속성
  8.1 보조 자극 도메인의 통합
  8.2 T 세포 고갈 조절
9. 미세 환경 개조
  9.1 검문 억제제 조합 치료법
  9.2 미세 환경 개조 능력 보유한 T 세포
10. 치료용 T 세포의 제어 시스템 강화
  10.1 자살/제거 스위치
  10.2 약물 제어 ON 스위치 CAR
  10.3 어댑터 매개 CAR
  10.4 피드백 제어
11. 결론: 정밀 의학의 면역 세포 치료 전망!


1. 서론

유전자 변형 T 세포(engineered T cell)의 출현은 암과 같은 복잡한 질병에 대한 대처 방법을 제공함으로써 의학의 새로운 시대를 열었다. 지난 몇 년 동안 B 세포 암을 인지하는 유전자 변형 T 세포를 사용한 급성/만성 백혈병 대상 임상 시험에서 높은 반응률(70~90%)과 반응 지속성을 확인할 수 있었다. T 세포를 이용한 방법은 암 치료에 혁명을 일으킬 태세지만 동시에 안전성, 표적 독성, 저항성과 같은 점들로 인해 여전히 의심쩍은 시선을 받고 있다. 또한 고형 종양에 대한 임상 효험의 명확한 논증도 필요하다. 제기된 문제점들에 대한 효능 검증이 궁극적으로 이 새로운 방법이 암과의 광범위한 전쟁에서 얼마나 효과적으로 작용할 수 있는지 결정할 것이다.

2. 살아있는 치료제는 복잡한 감지 및 응답 기능을 독자적으로 수행 가능하다

유전자 변형 T 세포 치료법을 가장 혁신적으로 만드는 것은 살아있는 세포를 치료 플랫폼으로 사용하는 개념이다. 살아있는 세포는 지능형 감지 및 반응 행동을 할 수 있다는 점에서 저분자 또는 항체와 같은 비생산적인 플랫폼과 근본적으로 다르다. 동시에, 이러한 세포 장치는 조작하거나 제조하고 제어하기가 더 어렵다. 복잡한 감지-반응을 수행할 수 있는 살아있는 플랫폼과 이러한 행동을 유전적으로 재프로그램할 수 있는 능력을 결합한다면 파괴적인 치료 잠재력을 창출할 수 있다.

3. 유전자 변형 T 세포는 의학과 과학의 다양한 영역의 통합을 나타낸다

유전자 변형 T 세포 요법은 다양한 의학 분야와 기초 과학의 융합을 대표한다. 이 새로운 접근 방식은 역사가 깊은 세 가지의 치료 전략 개념을 결합한다. 우선 변형된 항체는 질병 진단 및 치료의 표준 플랫폼으로 주로 표적 단백질의 활성을 막거나 독성 대상을 표적하는 데 주로 사용되어 왔다. 호스트 면역계를 각성시키기 위해 다양한 방법을 사용하는 백신 예방 접종은 오랫동안 복잡한 면역 반응을 일으키는 효과를 보여주었다. 마지막으로, 이식은 살아있는 치료 플랫폼(세포 또는 기관)을 이용하는 패러다임을 수립했다.

오늘날, 우리는 이러한 다양한 치료 전략을 종합하여 보다 효과적인 세포 치료 플랫폼을 구축할 수 있게 되었다. 암과 같은 복잡한 질병에 효과적으로 대처하기 위해서는 정교한 인지 및 반응 행동을 보이는 맞춤형 세포 조절 회로를 만들어야 한다. 새로운 합성 생물학 분야는 이와 같은 회로를 체계적으로 설계하기 위한 구성 요소 및 기술을 제공한다.

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4. T 세포 치료 경험

치료를 위해 주입하는 비유전적 변형 T 세포의 타당성 및 안전성은 지난 20년 동안 검증되었다. 생체 외에서 증식된 T 세포의 주입은 흑색종 환자에서 처음 이루어졌고 그 이후 CMV 전파 감염 환자 및 에이즈(HIV/AIDs) 환자에게 시도되었다.

4.1 종양 침윤 림프구

종양 침윤 림프구(tumor-infiltrating lymphocytes, TILs) – 종양에서 분리된 T 세포 - 주입은 수십 년 동안 흑색종 환자에게 이루어졌다. 종양 침윤 림프구가 종양의 신생 항원을 표적으로 삼을 수 있다는 최근의 시연은 흑색종이나 폐암처럼 높은 돌연변이를 지닌 종양을 치료하기 데 필요한 이론적 근거를 제공했다. 그러나 몇 가지 문제가 종양 침윤 림프구의 광범위한 사용을 가로막고 있다. 우선, 종양 침윤 림프구의 제조는 논리적으로 복잡하며, 암을 인식하는 과정에서 내생 T 세포 수용체(endogenous TCR)에 의존한다. T 세포 수용체는 펩타이드와 자가 MHC 분자를 인식하는 특이한 항원 수용체로 종양 특이적 돌연변이를 포함하여 방대한 펩타이드를 인식할 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나 암 치료제로 활용하려는 경우, T 세포 수용체는 치료 관점에서 근본적인 한계점을 갖는다. 1) 각 환자에 대한 MHC 매칭(인간은 현재 10,000개 이상으로 추정되는 HLA 대립 유전자을 지닌다) 및 2) 암 표적에 대한 T 세포 수용체의 친화성은 낮은 마이크로 몰 범위로 종양 특이적 T 세포의 활성화 및 세포 독성을 제한할 수 있다. (T 세포 수용체를 유도하는 바이러스성 펩타이드에는 나노 몰 범위의 친화성을 보여 훨씬 효과적으로 인식하고 구별해 낼 수 있다)

4.2 CD19 CAR T 세포: 성공 사례

키메라 항원 수용체(chimeric antigen receptors, 이하 CAR)는 T 세포의 유연한 사용자 특이적 재표적화를 가능하게 하는 합성 분자다. CAR은 MHC 발현, MHC 동일성 및 보조 자극의 필요성과 같은 T 세포 수용체의 몇 가지 한계를 극복할 수 있다. 연구자들은 이러한 유형의 합성 수용체 분자가 T 세포에 의한 MHC-독립적인 표적 인식을 가능하게 한다는 것을 증명했다. 현재 CAR T 세포 전략의 한계는 종양 세포의 외부 표면 표적을 필요로 한다는 점이다.

CD19를 타겟으로 하는 CAR T 세포는 암 치료용 유전자 변형 T 세포 요법 중에서도 선두 패러다임으로 부상했으며 합성 생물학과 T 세포 생물학을 결합시킨 시너지 효과를 보여준다. CD19를 대상으로 한 임상 연구의 성공에 기여한 몇 가지 기능이 있다. CD19는 B 세포 악성 종양에서 빈번하고 높은 수준으로 발현되고, 쥐와 인간의 정상적인 B 세포 발달에는 필요하기 때문에 초기 표적으로 선택되었다. 대체 항체 요법(IVIG)에 따라 정상 B 세포의 손실이 심하지 않아 CD19는 거의 이상적인 표적이다. CD19 CAR로 성공적으로 치료받은 환자는 심한 B 세포 무형성증을 가졌으며, B 세포 무형성증의 소실은 종종 재발을 예고한다. 다른 CAR 예비 결과는 CD19의 비종양 교차 반응이 다른 계보의 표적에서도 나타날 수 있음을 제시했다. 예를 들어, B 세포 성숙 항원(BCMA, TNFRSF17 또는 CD269)을 표적으로 하는 CAR로 진행 중인 임상 시험에서, 다발성 골수종 환자의 골수종 세포뿐 아니라 BCMA를 발현하는 다른 비악성 형질 세포마저 박멸되었다. 이런 종류의 비종양 반응이 얼마나 심할지는 표적이 되는 비종양 세포의 유형에 달려 있다.

4.3 CD19 CAR T 세포: 남아있는 문제

지금까지의 성공에 불구하고, CD19 CAR T 세포에는 몇 가지 문제가 남아 있다. 급성 림프구성 백혈병(acute lymphoblastic leukemia, ALL) 환자의 80 % 이상은 관해(remission)에 이르기 때문에 주입 독성을 감소시키고 반응 지속성을 증가시켜야 한다. 주입 독성은 사이토카인 방출 증후군과 명확히 규명되지 않은 신경학적 증후군 등으로 발현된다. 사이토카인 방출 증후군은 주입 시점에서 질병 부담이 높은 환자에서 더 자주 발생하며 IL-6을 표적으로 하는 사이토카인 유도 요법으로 해결할 수 있다.

대조적으로, 약 50%의 만성 림프구성 백혈병(CLL) 환자는 CAR에 반응을 보이고, 반응을 보이는 환자에서는 5년 이상 재발하지 않았다. 그러나 반응율을 높이기 위해서는 추가 연구가 필요하다. 현재 임상 평가 중인 한 가지 접근법은 ibrutinib과 같은 표적 치료제나 PD1 길항제와 같은 관문 치료제를 CAR 주입과 조합하는 것이다. 또 다른 접근법은 만성 림프구성 백혈병 환자에서 T 세포 고갈 또는 노화와 같은 세포 내재적인 내성 기전을 극복할 수 있는 T 세포의 동종 원천을 사용하는 것이다.

새롭게 발견된 문제는 CAR이 지속되는 환자에서 B 세포 무형성증의 장기적 결과를 이해하고 관리해야 한다는 것이다. 선천성 B 세포 무형성증 환자의 경우, 바이러스 백신은 금기이며, 대부분의 환자는 정맥 내 면역 글로불린 대체 요법으로 관리된다. 따라서, CAR에 의한 B 세포 무형성증은 CAR 치료를 받기 전에 기억 B 세포와 수명이 긴 형질 세포가 완전히 확립되지 않은 소아에게서 더욱 심각할 수 있다. 결국 지속적 CAR이 아닌 전환 가능한 CAR은 B 세포 무형성증의 한계를 극복해야 한다.

5. 고형 종양

면역 종양학 분야에서 가장 큰 과제는 선암이나 육종 같은 고형 종양을 효과적이고 안전하게 치료할 수 있는 T 세포 요법을 마련하는 것이다. 이 파트에서는 고형 종양을 포함한 세포를 면역계가 죽일 수 있다는 증거, T 세포 입양 전이를 이용한 임상 시험의 교훈, 고형 종양 면역 요법에 최적화된 T 세포 설계에 대해 알아본다.

5.1 자연 T 세포를 가진 고형 종양: 지금까지의 면역 치료법

동종(비자가) 조혈 줄기 세포(hematopoietic stem cell, 이하 HSC) 이식의 강력한 항암 효과는 초기에는 치명적인 화학 요법 및 방사선 요법으로 인한 것으로 생각되었다. 추후, 일란성 쌍둥이 또는 형제 기증자에서 동일한 HSC 이식 절차를 수행했을 때, 예기치 않게 쌍둥이 이식 환자의 생존이 형제간 이식과 비교하여 낮았기에, 동종 면역 반응으로 인한 항암 효과임을 알게 되었다. 만성 골수성 백혈병 환자에서 기증자 T 세포의 입양 전이가 완전 관해를 유도하기에 충분하다는 것이 동종 이형성 T 세포의 항암 효과에 대한 확실한 증거가 되어주었다.

동종 이형성 T 세포 주입의 주요 독성은 이식편 대 숙주 질환(graft versus host disease, 이하 GVHD)으로, 공여자의 T 세포가 숙주 항원에 반응할 때 발생한다. GVHD는 피부, 위장관, 간, 림프절, 골수 및 폐에서 현저한 면역 병리가 발생하여 급속도로 치명적일 수 있다. 동종 이형성 T 세포의 주입에 따른 다양한 조직의 상대적 민감성과 내성은 유전자 변형 T 세포를 이용하여 항암 효과를 보고자 하는 전략과도 관계 있다.

동종 면역 효과에 의한 강력한 항종양 효과의 발견으로 여러 임상 시험에서 다양한 고형 종양 환자가 동종 조혈 줄기 세포 이식을 받았다. 비록 소수의 환자는 장기 생존을 보여주었지만, 동종 조혈 모세포 이식 및 동종 이형성 T 세포 주입의 전체적인 결과는 실망스러운 수준이었다.

5.2 유전자 변형 T 세포 시험

현재까지 자연 T 세포에 의해 유발된 가장 강력한 면역 효과는 동종 면역 유도다. 기증자 T 세포를 주입하면 백혈병 또는 치사성 GVHD가 몇 주 내에 박멸될 수 있다. 그러나 위에서 언급한 것처럼 모든 암이 퇴행하는 것은 아니며 일부 장기는 동종 이형성 T 세포의 영향을 받지 않는다. 변형된 TCR 또는 CAR T 세포의 주입은 이 규칙이 깨질 수 있다는 것을 보여준다.

첫 번째 검사는 다양한 암에서 높은 수준으로 발현되지만 정상 조직에서도 발현되는 항원을 표적으로 하는 변형 TCR을 발현하는 T 세포로 수행했다. T 세포에 의해 인식되는 흑색종 항원인 MART-1을 표적하는 TCR 형질 도입 T 세포를 이용하여 흑색종 환자에서 일련의 시험이 진행되었다. 저 친화성 TCR은 독성은 낮았지만 항암 효과도 미미했다. 고 친화성 TCR을 이용한 2차 시험은 다른 결과를 나타냈다. 대부분의 환자는 피부 가려움, 눈의 염증, 스테로이드 치료가 필요한 청력 상실을 포함한 심각한 독성을 나타냈다. 또한 항원 친화도가 높을수록 항암 효과가 증가하는 것으로 나타났다.

표적 세포에 대한 TCR의 결합력은 표면에 위치한 TCR의 수, 표적 세포에 있는 동족 항원의 밀도, CD4 또는 CD8과 같은 보조 수용체의 존재뿐 아니라 펩타이드-MHC 복합체에 대한 TCR의 친화력에 의해 결정된다. 많은 기본적인 면역학 연구에 따르면, 친화력은 T 세포 기능을 지정하는 데 중요하므로 자가 면역의 출현을 피하면서 종양 인식을 최적화하는 친화력의 범위가 있을 것이다. 사람의 경우 종양 세포에 종종 발현되는 자가 항원을 표적으로 하는 TCR의 친화력은 평균적으로 외래 병원체에 대한 TCR 친화성보다 30배 더 낮다.

5.3 교차 반응 독성

미국 국립 암 연구소에서는 암 정소 항원인 MAGE-A3 펩타이드로 백신 접종시킨 형질 전환 쥐에서 TCR을 분리하였고, 이 TCR을 발현하는 T 세포로 치료된 환자에게서 중증의 신경 독성이 관찰되었다. 부검에서 T 세포 침윤과 관련된 괴사성 백질 뇌병증이 관찰되었다. TCR이 인간 두뇌에서 정상적으로 발현되는 MAGE-A12를 포함한 여러 동종 단백질과 교차 반응했던 것이다. 파지 디스플레이에 의해 결합력이 강화된 케이스에서 분리하여 독립적으로 변형한 MAGE-A3 TCR을 이용한 또다른 시험에서 환자는 심장 독성으로 사망했다. 관련 없는 비표적인 근육 특이적 단백질인 티틴을 인식하여 독성이 나타났다. 식도암 환자의 MAGE-A4 및 HLA-A24를 인식하게끔 전환된 T 세포는 시험 상으로 안전한 것으로 나타났지만, 가장 중요한 종양 억제 효과는 관찰되지 않았다.

5.4 비 CD19 CAR 유전자 변형 T 세포

고형 종양에 대한 최초의 CAR T 세포 시험은 난소암, 신경모세포종 및 신장암 환자에서 시행되었다. 난소암 및 신경모세포종에서 진행된 CAR T 세포 시험은 엽산 수용체 1 알파 및 CD171을 표적으로 하는 것으로 독성이나 효능을 보이지 않았다; 그러나 주입된 CAR T 세포가 짧게 유지되었기 때문에 안전성 해석은 유보해야 한다. 대조적으로, 보다 생리적인 T 세포 배양 방법을 사용하여, 전이성 신장 세포 암종 환자에서 탄산 탈수 효소 IX를 표적하는 CAR T 세포 시험은 심각한 간 독성을 겪었지만 항암 반응은 보이지 않았다. 이러한 시도에서 CAR T 세포에 대한 숙주 면역 반응이 있었고, 이는 B 세포를 표적으로 하지 않는 시험에서는 면역원성에 심각한 한계가 있음을 나타낸다. 두 그룹은 수용체 티로신 단백질 키나아제 erbB-2(ERBB2, 인간 상피 성장 인자 또는 HER2로 지칭)를 표적으로 하는 CAR 시험을 보고했다. 높은 용량의 CAR T 세포와 CD28 및 4-1BB로 구성된 3세대 신호 전달 도메인을 사용하는 시험에서 환자는 사이토카인 폭풍과 심각한 독성으로 사망했다. 이와 반대로 2세대 신호 전달 도메인과 보다 낮은 용량의, HER2를 표적하는 낮은 친화성 CAR T 세포를 이용한 시험은 임상적으로 유익한 항암 효과 증거를 보이며 안전하게 완료되었다.

5.5 고형 종양 치료법 전망

현재까지 진행된 고형 종양을 표적으로 하는 T 세포 실험에 여러 교훈이 있다. 우선, 주입된 T 세포의 특이성이 가장 중요하다. 수십 년 동안 연구자들은 T 세포가 정상 조직 발현을 무시할 것으로 기대하면서 종양 및 정상 조직에서 공유하는 항원을 표적으로 삼아 종양 퇴행을 유도하려고 시도했다. 이러한 접근법은 대체로 효과가 없었고 심각한 독성을 유도했다. 따라서, 고형 종양을 표적하는 유전자 변형 T 세포는 표적 효과를 유지하면서 비-종양 교차 반응을 피하기 위해 정밀 표적화 및 조절 기작이 필요하다.

둘째, 초기 시도의 결과는 고 친화성 TCR의 경우, 독성을 예측하기 어렵다는 것을 보여준다. 여러 연구자들은 현재 유전자 변형 TCR의 표적 외 감지를 알아보기 위한 스크린을 개발 중이다. 대조적으로, CAR의 경우 정상 조직에 대한 항체 반응성을 스크리닝하는 강력한 기술이 개발되어 예기치 않은 독성은 문제가 되지 않는다.

셋째, 위에서 언급했듯이 일부 경우, 유전자 변형 T 세포의 예비 시험에서 예기치 않은 독성이 나타났다. 그러나 현재까지 시험을 거친 T 세포의 경우, 독성에 대한 메커니즘이 신속하게 밝혀져 문제 사항을 개선할 수 있다. 즉, 유전자 변형 T 세포의 중요하고 뚜렷한 이점은 독성 또는 기타 문제가 밝혀지면 "디버깅"될 수 있다는 것이다. 공학적으로 설계된 감지 및 반응 프로그램은 체계적이고 반복적인 과정을 통해 합리적인 방법으로 개선될 수 있을 것이다.

6. 세포 치료법의 다차원적 도전 과제

T 세포의 임상 경험을 포함하여 면역 종양학 분야의 지식이 폭발적으로 증가하고, 이에 따라 T 세포가 효과적인 암 치료법으로 사용되기 위해 가져야 하는 기능을 훨씬 더 깊이 이해하게 되었다. 가장 중요한 점은 모든 암이 복잡한 다방면 질병이며, 따라서 효과적인 T 세포 치료는 항상 여러 기능적 과제를 동시에 해결할 필요가 있다는 점이다.

6.1 추적

T 세포 요법이 암세포를 죽이기 위해서는 당연히 종양 세포의 위치로 이동할 수 있어야 한다. 종양 추적은 혈액암(CD19 CAR T 세포의 표적) 에서는 큰 문제가 아니지만 고형 종양의 경우에는 중요한 문제이다. 일부 종양은 섬유화가 더 심하고 물리적으로 침투하기 어려울 수 있고, 다른 종양은 T 세포 침윤을 매개하는 케모카인(chemokine) 신호 전달을 억제할 수도 있다. 다른 면역 요법(예: 면역 관문 억제제(checkpoint inhibitor))에 반응하지 않는 많은 환자에서는 종종 T 세포가 종양으로 침투하는 것 자체가 어려운 경우가 분명 있다. 면역 세포의 화학 주성과 이동에 대한 기본적인 이해를 넓힌다면 T 세포 검출 및 원점 복귀 회로를 생성하는 새로운 방법을 도출해낼 것으로 보인다.

6.2 종양 인식과 방관자 구별

사용자가 지정한 항원을 T 세포가 인식하게끔 하는 기능은 CAR의 핵심 진보 중 하나이다. 그러나 근본적인 질문은 T 세포를 새로운 목표로 리다이렉트할 수 있는지가 아니라 오히려 충분한 차별성이 있는 새로운 질병 목표를 식별할 수 있는지 여부이다. 거의 모든 T 세포 치료법 시험에서, 비 암세포의 일부 교차 반응 및 살상에 대한 증거가 나왔다. CD19 CAR T 세포의 경우, 이러한 교차 반응은 CD19을 발현하는 정상 B 세포의 사멸을 포함하며, 비록 생명에는 지장이 없지만 B 세포 무형성증을 일으켰다. 반면, 종양 세포를 대상으로 하는 CAR과 TCR 세포를 사용한 일부 실험에서, 비종양의 교차 반응은 T 세포의 필수 조직 공격으로 이어져 치명적인 부작용을 일으켰다.

CAR에 의해 안전하게 표적될 수 있는, 절대적으로 종양 특이적인 "마술 총알" 같은 항원이 존재하는지는 분명하지 않다. CAR 감지는 표면 항원에만 국한되며, 많은 "종양 특이적" 항원은 종양 세포의 일부에서만 이질적으로 발현된다. 또한, 과발현되는 종양 항원은 그보단 낮은 수준이지만 다수의 정상 조직에서 광범위하게 발현된다. 따라서 개선된 감지 방법이 개발되어야 한다. 더 넓은 범위의 종양 신생 항원을 인식할 수 있는 TCR을 개발한다면, 종양 세포 표적화에 더 나은 해결책을 제공할 수 있을 것이다.

6.3 증식과 지속성

CAR T 세포의 역사는 T 세포 증식과 지속성의 임상적 중요성을 경험적으로 보여주었다. 효과적인 증식 반응은 임상 효능의 가장 좋은 예측 요소이다. 수용체의 세포 내 부분에 보조 자극 도메인을 추가하지 않으면 시험관과 생체 내에서 T 세포 증식이나 지속성 또는 임상 효능을 관찰하기 어렵다. 간단히 말해, T 세포는 생체 내에서 종양을 제거하기 위해 필요한 효과기:표적 비율을 달성하기 위해서 증식해야 한다. CD19 CAR T 세포의 경우 T 세포가 주입되면 CD19 표적을 빠르게 접해 활성화되어 증식하기 시작한다. 그러나 고형 종양에서는 어떻게 될까? 종양을 제거하기에 충분한 T 세포를 축적할 정도로 증식이 일어난다는 것을 어떻게 확인할 수 있는가? 더 나아가, 종양을 제거하기 위해 몇 주 이상 세포가 유지되는 것을 어떻게 확인할 수 있을까? 따라서 증식과 지속성의 개선이 현재 연구의 주요 초점이다.

6.4 억압적 미세 환경 극복

고형 종양의 경우, T 세포 집단을 종양으로 표적화하는 것에만 초점을 두는 것은 임상적 효과가 떨어질 가능성이 높다. 많은 고형 종양에는 면역을 억제하는 주변 미세 환경이 있기 때문이다. 종양이 T 세포를 직접 하향 조절하는 면역 억제성 환경을 조성하는 경우, 유전자 변형 T 세포가 유지되고 증식하여 효과적으로 세포 독성 프로그램을 수행할 수 있게 하는 추가 기능이 필요할 수 있다.

6.5 제어 메커니즘

지금까지 T 세포 공학에서의 대부분의 노력은 표적 항원을 타깃으로 방향을 바꾸고 반응과 증식의 강도를 높이는 데 중점을 두었다. 그러나 거의 모든 임상 시험에서 심각한 부작용이 있었다. 따라서, T 세포 활동의 진폭 및 타이밍을 조절하는 방법은 점점 더 중요하게 인식되고 있다. 결국, T 세포에서 진화한 천연 조절 기작의 많은 부분이 T 세포 활동을 억제하는 데 사용된다. T 세포가 자율적이기 때문에 통제가 중요한 문제이다. 환자에게 T 세포가 옮겨지면 제어할 수 있는 것은 거의 없다. 따라서 연구자들은 의사가 T 세포의 생존을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 활동의 타이밍, 강도 및 위치를 조절할 수 있는 사용자 제어 규제 전략을 개발하고 있다. 앞으로 더 나아가, 피드백 제어 시스템을 치료용 T 세포로 설계하여 유해한 결과가 중요한 단계에 도달할 때 자율적으로 모니터링할 수 있다.

7. 인식 향상: 새로운 수용체 및 인식 프로그램

좀 더 정교한 인식 수용체와 인식 회로 개발의 발전은 표적 종양 세포를 효과적으로 인식하면서도 정상 세포를 구별해내는 치료용 T 세포의 설계 가능성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 위에서 언급했듯이, 펩타이드 MHC 복합체를 인식하는 유전자 변형 TCR 또는 CAR의 발전은 특정 MHC에 국한되긴 하지만, 광범위한 세포 내 종양 신생 항원을 잠재적으로 인식할 수 있는 강력한 새로운 방법을 제공한다. 여기에서는 여러 항원에 대한 정보를 통합하여 인식 특이성을 향상시키는 (조합적 항원 인식) CAR 기반 회로의 발전에 중점을 둔다.

7.1 AND 게이트 회로: 다중 항원 조합 인식

CAR T 세포를 활성화시키기 위해 두 개 이상의 항원을 조합하는 몇 가지 전략이 등장했다. 일반적인 전략은 각각의 표적 항원에 대해 하나씩, 총 두 개의 분리된 CAR을 발현하는 것으로, 하나의 수용체는 TCR의 CD3제타 신호 전달쇄를 갖고, 다른 하나가 보조 자극 모티프를 지닌다. 이론적 근거는 두 수용체 모두 면역 시냅스에 관여할 때만 증식을 비롯한 완전한 활성화가 일어난다는 것이다. 이중 CAR AND-gate는 실제로 두 표적 항원을 모두 발현하는 세포에 의해 훨씬 더 강하게 활성화되지만, 하나의 항원만으로는 종종 상당한 활성화가 이루어지며, 항원 발현과 친화력의 조정이 이중 항원 세포와 단일 항원 세포를 명확히 구별하기 위해 필요하다.

AND 게이트 인식의 새로운 전략은 하나의 수용체의 활성화가 세포 사멸을 매개하는 두 번째 수용체의 발현을 유도하는 방식이다. 두 항원이 모두 존재할 때만 프라이밍(priming)과 T 세포 활성화가 지속적인 방식으로 일어난다. 이러한 프라이밍은 최근 개발된 합성 Notch 수용체를 사용하여 수행할 수 있다. 이 강력한 키메라 수용체는 표면 항원을 인식하고 결합할 경우, 수용체가 전사를 활성화한다. synNotch 수용체는 세포막에 걸친 Notch의 조절 영역과 새로운 세포 외 인식 도메인, 새로운 세포 내 전사 활성화 인자 도메인을 갖는다. synNotch 수용체가 상대 세포의 리간드와 결합하면 세포막 내 절단을 유도하여, 세포 내 전사 도메인이 방출되고, 이것이 핵으로 들어가 표적 유전자의 전사를 활성화시킨다. 이러한 유형의 이중 항원 인식 회로는 단일 항원 종양과 이중 항원 종양을 구별하여, 이중 항원 종양만을 제거하는 것으로 나타났다.

7.2 NOT 게이트 회로: 정상 세포 항원에 대한 음성 차별

교차 반응 세포를 대상으로 삼지 않는 T 세포의 능력을 최소화함으로써 더 정확한 종양 인식을 달성하는 것이 가능할 수도 있다. 이를 위한 전략은 T 세포를 조작하여 양성 표적 항원을 갖는 세포뿐만 아니라 바이 셀러에 존재하지만 암세포에는 존재하지 않는 음성 항원을 접종할 때 활성화를 무시하는 것이다. 이런 종류의 NOT-gate 회로를 만들기 위한 전략은 두 번째 항원인 우선 항원에 대해 하나의 항원 (살상 항원) 에 대한 CAR과 억제 CAR (iCAR)을 결합하는 것이다. iCAR에는 세포 외 항원 인식 도메인이 있지만 활성화 TCR 유도 도메인을 포함하지 않고 세포 내 도메인에는 PD-1 및 CTLA-4와 같은 면역 억제 수용체의 신호 도메인이 있다. CAR과 iCAR을 동시에 발현하는 T 세포가 CAR 항원만 발현하는 세포를 만났을 때, T 세포는 표적을 죽였지만 동일한 면역 시냅스에서 CAR과 iCAR 항원 모두 마주칠 때 iCAR 음성 조절 시그널링은 CAR 시그널링을 저해하여 T 세포 활성화를 저하시킨다.

7.3 OR 게이트 회로 및 이중 항원 타겟팅 CAR

많은 연구자들이 두 개의 독립적인 항원 인식 도메인을 포함하는 CAR을 만들었다. 흥미롭게도, 두 CAR은 OR 게이트로서 작용하는 것으로 보이며, 2개의 상이한 항원 리간드에 의해 활성화될 수 있다. 이러한 종류의 OR 게이트 기능은 표적 항원의 손실을 통한 내성 발현을 예방하는데 특히 유용하다. 예를 들어, 두 개의 B 세포 특이 항원 CD19 또는 CD22를 표적으로 하는 CAR은 CD19의 손실로 인한 내성에 덜 민감한 것처럼 보인다.

8. 증식과 지속성

생체 내 CAR T 세포의 증식과 지속성은 백혈병의 지속 가능한 관해와 관련이 있다. 따라서, 증식을 자극하는 다른 방법들은 입양 전이된 T 세포의 기능을 향상시키는 중요한 기회를 제공한다.

8.1 보조 자극 도메인의 통합

CAR T 세포의 최근 성공은 CD28이나 4-1BB 보조 자극 도메인을 갖는 경우였다. 전임상 연구에서, 이들 CAR은 더 많은 IL-2 분비를 유도하고, T 세포 증식을 증가시키며, 종양 거부 반응을 매개한다. 발열이 시작될 때까지의 시간과 관해 유도는 CD28 CAR의 경우가 더 빠르다. 대조적으로, 4-1BB CAR T 세포의 지속성이 더 길다. 따라서 CD28 CAR은 관해 유도로 더 좋을 수 있고, 4-1BB CAR은 최종 치료 또는 종양 재발을 예방하기 위한 면역 감시에 더 유용할 수 있다. CD28 및 4-1BB 외에도, CD27, OX40 및 ICOS를 포함하는 많은 다른 보조 자극 도메인이 CAR에 통합되어 보조 자극 특성을 더욱 향상시켰다.

8.2 T 세포 고갈 조절

만성 항원 노출과 염증 조건 하에서 T 세포는 기능적으로 이펙터 활성을 나타내지 못 하는 T 세포 고갈이라는 상태가 된다. 많은 환자에서 종양 특이적 T 세포가 다양한 고갈 상태에 있음을 보여주는 증거가 있다. 연구에 따르면 종양 형성 초기에 T 세포는 고갈 특징을 갖게 되며, 이 과정이 진행되면 고갈은 돌이킬 수 없는 것으로 나타났다. 고갈 상태의 특징은 결국 T 세포가 증식하는 능력을 잃는다는 것이다. 과정 초기에 PD-1 리간드 결합이 중단되면 T 세포 기능과 종양 표적화를 회복시킬 수 있다. 쥐에서 PD-1 결핍 T 세포의 입양 전이는 고갈에 대한 저항성을 증가시켰다. 고갈된 인간 및 쥐의 T 세포에서는 RAR, T-bet 및 Sox3의 모티프를 포함하는 고갈 특이적 증강 인자에 의해 PD-1이 지속적으로 발현되고, 안정적인 후성적 변화가 PD-1 길항제에 대한 내성을 유도한다. 이러한 결과는 T 세포의 유전적 및 후성적 조절이 종양에 의한 고갈 유도를 지연하거나 예방할 수 있음을 시사한다.

9. 미세 환경 개조

유전자 변형된 항암 T 세포에서 가장 필요한 것은 많은 고형 종양에서 발견되는 면역 억제 미세 환경을 극복하거나 개조할 수 있는 능력이다. T 세포가 종양 세포를 추적하고 정확하게 인식할 수 있다 해도, 면역 억제 미세 환경에 의해 그 기능이 저하된다면 암을 효과적으로 공격할 수 없다. 또 다른 문제는 종양은 본질적으로 이질적이라는 것이다; 면역 억제 미세 환경을 조성하는 데에는 여러 방법이 있을 수 있기 때문에, 적절한 대응책은 종양의 종류에 따라 달라져야 한다.

9.1 검문 억제제 조합 치료법

이 문제를 해결하는 첫 번째 방법은 흑색종이나 폐암 환자에서 상당히 성공적이었던 항 PD-1, PD-L1 및 CTLA-4와 같은 관문 억제제 항체를 이용하는 것이다. 비-검문 반응 환자의 일부는 검문 단백질이 억제된 이후에도 종양을 인식하는 내인성 T 세포 집단이 부족할 수도 있다. 따라서 유전자 변형 CAR T 세포와 검문 억제제의 조합은 많은 의미를 가지며, PD-1 또는 PD-L1 길항제가 유전자 변형 T 세포와 함께 투여되는 경우, 전임상 모델에서 관찰된 시너지 효과에 비추어 볼 때, 초기 임상 시험이 유망할 것으로 보인다.

9.2 미세 환경 개조 능력 보유한 T 세포

또 다른 전략은 억제 미세 환경에 대처할 수 있는 새로운 기능을 갖춘 T 세포를 만드는 것이다. 예를 들어, 소위 "장갑"(armored) CAR T 세포는 사이토카인 IL-12를 지속적으로 발현한다. IL-12는 선천 및 적응 면역 세포 모두에 작용하는 가장 강력한 항암 사이토카인 중 하나이므로 종양의 미세 환경을 개조하는 강력한 매개체가 될 수 있다.

최근에는 미세 환경을 개조할 수 있는 매개체를 전달하기 위한 새로운 전략이 개발되었다. 예를 들어, 앞에서 설명한 synNotch 수용체 시스템을 이용하여 표적 항원 인식에 반응하여 특이적으로 분비하는 탑재물을 생산하는 T 세포를 만들 수 있다.

10. 치료용 T 세포의 제어 시스템 강화

치료용 T 세포의 안전성을 증가시킬 수 있는 제어 시스템이 이제 임상 우선 순위가 되었다. 많은 제어 스위치는 저분자 또는 생물학적 제제의 첨가를 통합 사용자-제어에 중점을 두고 있기에, T 세포 기능을 향상시키거나 저하하는 방식으로 조절할 수 있다.

10.1 자살/제거 스위치

가장 초기에 개발된 제어 시스템 유형은 자살 또는 제거 스위치였으며 과도한 독성 효과를 보이는 T 세포를 제거하기 위해 촉발시킬 수 있다. iCasp9라고 불리는 자살 스위치는 조혈 모세포를 이식 받은 환자에서 이식편 대 숙주 질환을 제한하는 데 임상적으로 유효하다는 것이 확인되었다.

10.2 약물 제어 ON 스위치 CAR

제어 전략은 대개 비활성인 T 세포를 조작하는 것이지만, 반대로 특정 활성화 제제를 첨가함으로써 스위치를 활성화 상태로 바꿀 수 있다. 예를 들어, 인식 scFV 및 시그널링 도메인 (CD3z 및 보조 자극 모티프)이 별도의 폴리펩타이드에 있으며, 각각은 약물에 의해 이성질체를 이루는 파트너 도메인을 포함하는, 약물 유도성 CAR을 구성할 수 있다. 분할되어 있는 CAR은 이성질체화 약물이 첨가될 때까지 비활성이며, 조합이 된 후에야 완전히 기능하는 수용체가 된다. 이 분할된 ON-스위치 CAR의 활동은 신속하게 조절될 수 있기에 이론적으로 의사들이 높은 수준으로 원격 제어할 수 있다.

10.3 어댑터 매개 CAR

어댑터 매개 CAR는 암을 표적할 수 있도록 어댑터 분자를 추가해야 한다. 예를 들어, Fc 수용체 도메인을 갖는 CAR은 Fc 수용체 도메인이 항체에 결합할 수 있도록 암 항원을 표적으로 하는 항체를 첨가함으로써 특정 암을 표적할 수 있다. 동족체 리간드 또는 펩타이드를 인식하는 결합 도메인을 갖는 어댑터 CAR 이 설계되었다. 이러한 어댑터 매개 CAR의 장점은 표적화 유연성이다. 그들은 어떤 어댑터 항체가 사용되는지에 따라 다른 표적으로 재 타겟팅될 수 있다.

10.4 피드백 제어

치료용 T 세포를 공학적으로 제어하기 위한 대부분의 노력은 의사가 잠재적인 부작용에 대비하여 T 세포 기능을 조절하거나 제거할 수 있는 방법을 제공하는데 초점을 맞추었다. 그러나 궁극적으로는 T 세포에 자율 피드백 회로를 설계하여 항상성을 유지할 수 있도록 하는 방법이 가장 강력할 것이다. 최대 활성은 암을 제거하거나 부작용을 최소화하는 데에 최적이 아닐 수 있다. 일정치의 활성도만으로 충분하거나 혹은 동력학적으로 활성도가 증가-감소하도록 제어하는 것이 항 종양 효과를 보기에 더 최적일 수 있다. 또한, 독성 징후에 따라 피드백 제어를 설계하는 것이 바람직하다.

11. 결론: 정밀 의학의 면역 세포 치료 전망

지난 몇 년 동안 일반적인 암 면역 요법과 더불어 보다 구체적인 유전자 변형 면역 세포를 많이 사용하게 되었다. 현재, 치료제로서의 T 세포의 힘은 주목할 만하다. 동시에 조기 임상 경험이 유전자 변형 면역 세포를 암 치료의 – 특히 고형 종양의 경우 – 신뢰할 수 있는 안전하고 효과적인 플랫폼으로 만드는 데 필요한 주요 과제를 밝혀냈다. 암 치료는 여러 문제를 동시에 해결해야 하는 복잡한 다중 요인 문제다. 더욱이, 개별 암 유형은 서로 다른 해결 방법을 필요로 하기에 변형하는 방향이 다르다. 다양하고 강력한 도구와 접근법이 T 세포 매개 암 치료의 공학적 요구 사항들을 해결하기 위해 개발되고 있다. 인공 세포 요법은 합성 생물학 적용을 위한 주요 시험대 중 하나이다. 세포 공학자들은 지금까지 논의된 기능적 도전 과제를 해결할 수 있도록 모듈화된 도구를 개발하려 한다. 이 툴박스에는 표적 암에 최적화된 감지 - 반응 행동을 실행하기 위해 여러 유형의 회로에 함께 배치할 수 있는 새로운 분자(예: 센서, 스위치 등)가 포함된다. 이를 통해 치료용 T 세포는 분자 치료제보다 훨씬 다각적으로 작용할 수 있다.

우리는 정밀 생물 정보학 시대에 접어 들었다. 항원이 존재하는 종양, 억제 분자가 존재하는 종양, 종양을 구성하는 다른 세포에 이들이 어떻게 분포하는지에 대한 상세한 정보에 접근하기 시작했다. 분자 특성을 식별하고 종양의 취약점을 공격하는 최적화된 치료 반응 시스템을 설계하기 위해 정보 기술 데이터를 사용할 수 있다. 또한 새로운 합성 생물학 도구를 사용하여 이러한 시스템을 구축할 수 있다. 궁극적으로 정밀 의학의 개념을 정밀 정보학과 정밀 세포 치료법을 결합하여 직접적으로 실행 가능하게 만든다면 우리는 더 많은 것을 성취할 수 있을 것이다.

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하자인(2018). 암 치료를 위한 유전자 변형 면역 세포. BRIC View 2018-R14. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3004 (Jun 07, 2018)
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