암과 싸우는 면역세포가 힘을 잃는 이유를 밝히고, 이를 극복할 새로운 기술이 발표됐다. POSTECH(포항공과대학교) 화학과·융합대학원 김원종 교수 연구팀은 종양 주변에서 면역세포 기능을 떨어뜨리는 일산화질소를 제거하는 ‘세포 표면 공학’ 전략을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 추가 표지 논문(supplementary cover art)으로 게재됐다.

 환자 면역세포를 활용해 암을 공격하는 ‘T 세포 면역치료’가 차세대 치료법으로 주목받고 있다. 환자의 몸에서 면역세포를 꺼내 기능을 강화한 뒤 다시 주입해 암을 공격하게 하는 방식이다. 실제로 일부 혈액암에서는 놀라운 치료 효과가 확인되었다. 하지만 폐암이나 췌장암처럼 덩어리를 이루는 고형암에서는 기대만큼 성과가 나오지 않는 경우가 많았다. 암세포 주변에 형성되는 특수한 환경, 이른바 ‘종양 미세환경’이 면역세포의 활동을 방해하기 때문이다.

 종양 주변에서는 다양한 분자들이 만들어지는데, 대표적인 것이 ‘일산화질소(이하 NO, Nitric oxide)’다. 이 물질은 면역세포 신호 전달을 방해해 T 세포가 제대로 작동하지 못하게 한다. 마치 전투에 나선 병사가 짙은 연기와 독성 가스로 가득한 공간에서 시야와 호흡이 막혀 제대로 싸우지 못하는 상황과 비슷하다. 이 때문에 종양 근처에서 면역세포가 제 기능을 유지하도록 하는 기술이 연구되고 있다.

 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘방해 분자’를 치우는 데 집중했다. ‘NO를 선택적으로 붙잡아 제거하는 분자’를 T 세포 표면에 부착하는 전략을 고안했다. NO를 포획하는 분자를 ‘리포좀(liposome)’이라는 아주 작은 지질 입자에 담고, 이 입자가 T 세포의 세포막에 결합하도록 설계한 것이다. 이렇게 만들어진 T 세포는 암 주변에서 생성되는 NO가 세포 내로 들어오기 전에 붙잡아 제거할 수 있다.

 실험 결과, 이 기술을 적용한 T 세포는 종양 환경을 모사한 조건에서도 활발하게 증식하며 면역세포 특유의 활성 상태를 유지했다. 동물 실험에서는 종양 내부로 더 많은 T 세포가 침투했고 면역 반응도 강화되면서 종양 성장 억제 효과가 크게 개선된 것으로 나타났다. 종양 미세환경의 방해 요소만 제거해도 면역치료 효과를 크게 높일 수 있다는 사실을 보여준 것이다.

 이번 연구는 면역세포 유전자를 직접 바꾸지 않고, 세포 표면을 간단히 개질하는 방식으로 기능을 강화했다는 점에서 큰 의미가 있다. POSTECH 김원종 교수는 “면역세포를 유전적으로 조작하지 않고도 종양 환경에서의 기능을 보호할 수 있는 전략을 제시했다”라며, “궁극적으로는 고형암 면역치료의 한계를 극복하고, 면역세포가 더 강력하게 암을 공격할 기술로 이어지기를 바란다”라고 전했다.

 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 리더연구사업과 과학기술정보통신부의 IRC 연구사업, 미래개척융합과학기술개발사업, 한국보건산업진흥원 의사과학자 양성 사업의 지원을 받아 수행됐다.

논문 정보

논문명
Engineering T Cells with Membrane-Anchored Nitric Oxide Scavengers for Anticancer Therapy (항암 치료를 위한 세포막 결합형 일산화질소 제거제 기반의 T 세포 엔지니어링)

김원종(공동교신저자, POSTECH), 이지혜(공동1저자, POSTECH), 강여울(공동1저자, POSTECH)

연구 개요

□ 연구배경
T 세포 치료제는 차세대 항암면역 치료법으로 주목받고 있으나, 종양 미세환경에서 과도하게 생성되는 일산화질소(NO)와 같은 면역억제성 물질이 T 세포의 활성과 생존을 저해해 치료 효과를 제한하는 한계가 존재한다. 기존에는 유전자 조작이나 약물 병용을 통해 이를 극복하고자 했지만, 안전성 문제와 복잡한 공정으로 인해 임상 적용에 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 면역세포의 본래 기능은 유지하면서 종양 환경의 부정적인 영향을 효과적으로 차단할 수 있는 새로운 접근법의 필요성에 주목했고, 세포 내부를 변화시키지 않고 T 세포 표면에 NO 제거 기능을 부여하는 엔지니어링 전략을 통해 면역치료 효능을 향상시키고자 본 연구를 시작하게 되었다.

□ 주요내용
본 연구의 가장 큰 차별점은 종양 미세환경에서 면역세포 기능을 저해하는 일산화질소(NO)를 세포 외부, 즉 T 세포 표면에서 직접 제거하는 전략을 제시했다는 점이다. 기존 연구들이 면역세포 내부 신호 조절, 혹은 항산화 물질의 전신 투여에 의존했던 것과 달리, 본 연구는 세포 내부를 변형하지 않고 세포막에 NO 제거 기능을 부여함으로써 안전성과 범용성을 동시에 확보했다. 또한 T 세포의 본래 생물학적 특성을 유지한 채 종양 미세환경에 대한 저항성을 강화해 항암 면역 기능을 지속적으로 유지할 수 있음을 실험적으로 입증했으며, 단일 세포 수준의 표면 공학만으로 치료 효능을 향상시켰다는 점에서 기존 면역세포 치료 접근법과 뚜렷한 차별성을 갖는다.

□ 기대효과
본 연구 성과가 실용화될 경우, 본 기술은 기존의 T 세포 기반 항암 면역치료 공정에 적용되어 종양 미세환경에서도 높은 활성을 유지하는 고효능 면역세포 치료제로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 환자 맞춤형 면역세포 치료 과정에서 추가적인 유전자 조작 없이 세포 표면 개질 단계만을 도입하면 되기 때문에 공정 단순화와 안전성 확보 측면에서 장점이 있다. 실용화를 위해서는 대량 세포 처리 공정의 표준화, 장기 안전성 및 체내 지속성 검증, 다양한 암종에 대한 치료 효과 검증이 선행되어야 하며, 임상 적용을 위한 규제 기준 충족 또한 중요한 과제로 남아 있다. 이러한 과제가 해결될 경우, 본 기술은 기존 면역항암제의 치료 한계를 극복하고 치료 반응률을 향상시키는 핵심 기술로 자리매김함과 동시에, 차세대 면역세포 치료제 개발과 바이오의약 산업 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.