국내 연구진이 전기적 소작기법을 이용해 간암에 대한 면역세포 치료의 효과를 증진시키는 새로운 복합 면역치료법을 개발했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대학교 박우람 교수 연구팀이 비가역적 전기천공법(IRE)*을 활용해 간암 병변의 면역억제성 종양 미세환경을 변화시키고, 키메라 항원 수용체(CAR)** 자연살해세포(NK)***의 항암 능력을 증진시키는 결과를 얻었으며, 이에 대한 핵심 분자 경로를 규명했다고 밝혔다. 이는 난치성 고형암 치료의 새로운 전략을 제시하는 중요한 성과로 평가된다.
     * 비가역적 전기천공법(IRE, Irreversible electroporation): 고전압의 전기 펄스를 가해 세포막에 복구 불가능한 구멍을 내어 세포를 사멸시키는 비열 전기소작술
     ** 키메라 항원 수용체 (CAR, Chimeric antigen receptor): 특정 암세포의 특정 항원을 표적할 수 있는 인공으로 제작된 수용체 단백질
     *** 자연살해세포(NK, Natural killer): 암세포를 선택적으로 살해할 수 있는 선천면역세포로, 암의 발생 및 전이 등을 효과적으로 억제하여 면역세포기반 항암치료제로써 주목받고 있음

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구 지원사업으로 수행됐으며, 생화학 및 분자생물학 분야 국제 저명 학술지인 ‘시그널 트랜스덕션 앤드 타겟티드 테라피(Signal Transduction and Targeted Therapy)에 3월 10일 온라인 개제됐다.

기존의 면역세포 기반 항암치료는 종양의 면역억제 미세환경으로 인해 세포 침투가 제한되고 치료 효과가 떨어지는 문제점이 있었다. 특히 간암은 면역억제 환경이 매우 강해 CAR-NK세포 치료 단독으로는 충분한 항암효과를 기대하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 임상에서 이미 승인된 비열성 전기소작술인 IRE를 종양 미세환경 개선 수단으로 활용하는 접근법을 고안했다. IRE는 고전압 펄스 전기장으로 종양세포를 괴사시키며, 이를 통해 손상 관련 분자패턴*과 케모카인**을 방출시켜 종양 미세환경을 NK세포에 유리한 상태로 변화시켰다. 특히 연구팀은 IRE 처리 후 종양 내에서 CX3CL1 케모카인 농도가 현저히 증가해 NK세포 모집이 조기에 일어난다는 사실을 확인했다. 또한 IRE에 의해 생성된 반응성 산소종***의 증가로 인해 잔존 종양세포가 NK세포에 훨씬 더 민감해진다는 메커니즘을 규명했다.
      * 손상 관련 분자패턴(DAMP, Damage-associated molecular pattern): 세포 손상이나 괴사 시 세포 밖으로 방출되어 면역세포를 활성화하는 신호 물질로 선천면역을 자극해 항종양 면역반응을 유도
      ** 케모카인(Chemokine): 면역세포의 이동을 유도하는 화학적 신호 단백질로 특정 면역세포를 염  증 부위나 종양 조직으로 선택적으로 유인함
      *** 반응성 산소종(ROS, Reactive oxygen species): 산소로부터 생성되는 반응성이 높은 분자군으로, 세포손상이나 신호전달에 관여하며 과도하게 축적시 세포사멸을 유도함

또한, 지질나노입자(LNP)* 기반 유전자 전달 기술을 이용해 생성한 글리피간3(GPC3) 표적 CAR-NK세포를 결합한 결과, 단일 치료보다 훨씬 강력한 종양 제어 효과를 나타냈다. 실험에서는 IRE 처리된 간암세포가 CAR-NK세포에 의해 빠르게 제거됐으며, 다양한 전임상 모델에서도 IRE와 CAR-NK세포 병합 치료가 우수한 종양 억제 효과와 생존 연장을 보였다.
      * 지질나노입자(LNP, Lipid nanoparticle): 지질로 구성된 나노미터 크기의 전달체로, 핵산을 보호하고 세포 내로 효율적으로 전달하는 플랫폼

박우람 교수는 “이번 연구는 임상에 이미 진입한 IRE, LNP 플랫폼 및 CAR-NK세포 등을 이용해 국소 종양 환경 개선하고, 정밀한 세포 면역치료를 결합했기에 임상에 더욱 빠르게 적용될 수 있는 병용치료법으로 자리잡을 수 있을 것”이라고 밝혔다.

주요내용 설명
<작성 : 성균관대학교 융합생명공학과 박우람 교수>

논문명
Synergistic immunothrapeutic effects of irreversible electroporation and CAR-NK cell therapy against hepatocellular carcinoma

저널명
Signal Transduction and Targeted Therapy

키워드
Irreversible electroporation(비가역적 전기천공법), Chimeric antigen receptor-natural killer cells(키메라 항원 수용체 자연살해세포), Lipid nanoparticle(지질나노입자), Hepatocellular carcinoma(간세포암), 암 면역치료(Cancer immunotherapy)

저  자
박우람 교수(교신저자/성균관대학교), 박주동 박사과정생(제1저자/성균관대학교), 신하은 박사(제1저자/성균관대학교)

1. 연구의 필요성
 ○ 간암(hepatocellular carcinoma, HCC)은 전 세계 암 관련 사망의 주요 원인으로, 방사선 주파수 절제(RFA), 경동맥 화학색전술(TACE) 등 기존 치료법에도 불구하고 높은 재발률과 낮은 장기 생존율이 문제로 남아있다. 특히 간암의 심각한 면역억제성 종양 미세환경은 면역세포의 활성과 종양 침투를 저해해 면역치료 효과를 제한하는 핵심 요인으로 지목된다.
 ○ CAR-NK세포 치료는 CAR-T 세포치료 대비 이식편대숙주질환 위험이 낮고 안전성이 높은 차세대 세포 면역치료 전략으로 주목받고 있다. 그러나 종양 조직 내 침투 부족과 면역억제성 종양 미세환경으로 인해 단독 치료 시 항암 효과가 충분히 발휘되지 못하는 한계가 있다.
 ○ 따라서 면역억제적 종양 미세환경을 면역 활성화 상태로 전환하면서 CAR-NK세포의 종양 침투와 세포독성을 동시에 증진시킬 수 있는 병용 치료 전략의 개발이 시급한 상황이다.

2. 연구내용
 ○ IRE 유도 종양 미세환경 개선 메커니즘 규명: 연구팀은 마우스 간암 모델에서 IRE 처리 후 종양 조직 내 면역세포 침투를 확인했다. 상세 분석 결과, IRE는 다양한 케모카인(CX3CL1, CCL6, CCL8, CCL9/10, CCL12, CCL22, CXCL1, CXCL2, CXCL6, CXCL9, chemerin)의 발현을 증가시켰으며, 특히 NK세포는 IRE 후 3시간부터 현저히 증가했다.
 ○ CX3CL1 매개 NK세포 모집 메커니즘: 펄스 전기장(PEF)*에 노출된 간암세포주는 CX3CL1의 분비를 증가시키며, 분비된 CX3CL1은 NK세포의 화학주성을 강력하게 유도한다. 중화 항체로 CX3CL1을 차단하면 NK세포 이동이 유의미하게 감소하는 것으로 확인되었다.
     * 펄스전기장(PEF, Pulsed electric field): 매우 짧은 시간 동안 고전압 전기 펄스를 가해 세포막의 투과성을 변화시키는 기술
 ○ DAMP-ROS 매개를 통한 NK세포에 대한 민감화: PEF 처리는 잔존 암세포의 ROS를 증가시키며, N-아세틸-L-시스테인(NAC)으로 ROS를 제거하면 NK세포 세포독성이 대조군 수준으로 복원된다. PEF는 손상 관련 분자패턴(DAMP), 특히 ATP와 HMGB1*을 방출한다. HMGB1 억제 실험을 통해 DAMPs가 ROS 생성의 핵심 중개자임을 규명했다.
      * HMGB1(High mobility group box 1): 세포핵 내 DNA 결합 단백질로, 세포 손상 시 세포 밖으로 방출되어 염증과 면역반응을 유도하는 대표적인 DAMP 분자
 ○ LNP 기반 CAR-NK세포 개발: 비바이러스 전달체인 LNP 플랫폼을 이용해 GPC3 표적 CAR-NK세포를 생성했다. LNP는 150nm 내외의 크기, >90%의 mRNA 캡슐화 효율, 50% 이상의 NK세포 형질감염 효율을 나타냈다.
 ○ 병합 치료의 시너지 효과: 시험관 실험에서 PEF가 처리된 간암세포주 및 간세포암 환자유래 오가노이드에 대한 CAR-NK세포의 세포독성은 대조 NK세포보다 현저히 높았다. Hepa1c1c7 동종이식 모델 및 Huh-7 이종이식 동물 모델에서도 IRE와 CAR-NK 병합 치료는 IRE 단독 치료나 IRE와 대조 NK세포 치료보다 우월한 종양 억제율을 보였으며, 이러한 병합 치료는 더 높은 후천면역 활성화를 유도했다.

 3. 연구성과/기대효과
 ○ 연구팀의 이번 성과는 면역억제성 종양 미세환경을 능동적으로 조절하는 IRE 기법과 정밀 세포 면역치료를 결합함으로써, 복합 암 치료의 새로운 패러다임을 제시했다는 점에서 큰 학술적 의미를 갖는다. 기존에는 면역세포를 강화하는 데 초점이 맞춰져 있었다면, 본 연구는 종양 주변 환경을 먼저 ‘치료 친화적 환경’으로 바꾸고 여기에 CAR-NK세포를 투입하는 전략을 통해 IRE와 CAR-NK세포 간 분자 수준의 시너지 메커니즘을 규명했다.
 ○ 또한 이번 연구는 CAR-T 대비 안전성이 높은 CAR-NK세포 치료의 한계를 보완할 수 있는 임상 전략을 제시했다는 점에서 주목된다. 이미 임상에 적용되고 있는 비열성 종양 소작술 IRE와 새로 개발된 GPC3 표적 CAR-NK세포를 결합함으로써, 기존 단독 요법보다 우수한 항암 효과를 보여 임상적 실현 가능성을 높였다. 향후 적절한 용량, 투여 시점, 병합 프로토콜 등이 확립되면 간암 환자를 대상으로 한 실제 임상시험으로 빠르게 이어질 수 있는 기반을 마련한 것이다.
 ○ 산업적 측면에서도 파급효과가 기대된다. 이번에 제시된 플랫폼은 간암에 국한되지 않고 췌장암, 폐암 등 다른 고형암으로도 확장이 가능한 구조를 가지고 있어, 면역억제성 종양 미세환경을 공략하는 차세대 면역항암제 개발의 모듈형 플랫폼으로 활용될 잠재력이 크다. 이를 바탕으로 다국적 제약사 및 바이오 기업과의 기술 이전, 공동 개발 등으로 이어질 경우, 국내 세포·유전자 치료 분야의 글로벌 경쟁력 강화에도 크게 기여할 것으로 전망된다.

연구 이야기
<작성: 성균관대학교 융합생명공학과 박주동 박사과정생>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 간암은 전 세계적으로 암으로 인한 사망의 주요 원인이면서도 만족할 만한 치료법이 부족한 실정입니다. 특히 기존의 수술, 방사선 주파수 절제술 등도 높은 재발률 문제를 해결하지 못하고 있습니다. 한편, CAR-T 세포치료와 같은 세포 면역치료가 혈액암에서 놀라운 성과를 거두었으나, 고형암인 간암에는 종양의 면역억제 환경이라는 큰 장벽이 있습니다. 저희 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 두 가지 관점에 주목했습니다. 첫째, 임상 승인된 비열성 절제술인 IRE가 종양 환경을 면역 활성 상태로 개선할 수 있다는 점, 둘째, CAR-NK 세포가 CAR-T 세포보다 안전성이 높으면서도 간에 자연적으로 축적된다는 점입니다. 이 두 가지를 결합하면 더욱 강력한 치료 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상했고, 이번 연구를 시작하게 되었습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 본 연구는 기초적인 메커니즘 규명 단계부터 시작했습니다. 먼저 동물 간암 모델에서 IRE 처리 후 종양 미세환경의 변화를 선천면역 수준에서 분석했고, 특히 CX3CL1이라는 케모카인이 NK세포 모집의 핵심 요소임을 발견했습니다. 다음 단계로, 반응성 산소종(ROS)이 암세포를 NK세포 공격에 더욱 취약하게 만드는 메커니즘을 규명했습니다. 이러한 기초 메커니즘을 바탕으로 CAR-NK 세포 개발을 진행했습니다. 바이러스 비사용 지질나노입자(DLNP) 기술을 활용해 효율적으로 NK세포에 GPC3 CAR 유전자를 전달할 수 있는 플랫폼을 구축했습니다. 마지막으로, 시험관 실험과 동물 모델을 통해 IRE와 CAR-NK 세포의 병합 치료 효과를 검증했으며, 환자 유래 간암 종양체(PDO)까지 테스트해 임상 적용 가능성을 확인했습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 가장 큰 도전은 NK세포에 대한 효율적인 유전자 전달 시스템을 개발하는 것이었습니다. NK세포는 기존의 바이러스 벡터나 전통적인 전기천공 방법에 반응이 좋지 않기 때문입니다. 이를 극복하기 위해 저희 연구팀이 이전에 개발한 DLNP 기술(DOTAP를 포함한 양이온성 지질나노입자)을 활용했으며, 이를 통해 50% 이상의 높은 형질감염 효율을 달성할 수 있었습니다. 또 다른 도전은 복합 치료의 시너지 메커니즘을 체계적으로 규명하는 것이었습니다. IRE와 CAR-NK 세포가 어떻게 상호작용하는지 명확히 하기 위해 다양한 분자 마커, 신호 전달 경로, 그리고 세포 생리 변화를 동시에 분석해야 했습니다. 특히 HMGB1-ROS 축의 역할을 규명하는 과정에서 HMGB1 녹다운 세포를 이용해 인과관계를 명확히 할 수 있었습니다. 동물 모델에서도 여러 세포주와 모델 시스템(동종 이식 모델, 이종이식 모델, 간세포암 환자 유래 오가노이드)을 모두 검증하는 것이 기술적으로 복잡했으나, 이를 통해 결과의 강건성과 임상 적용 가능성을 높일 수 있었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 CAR-NK 세포 치료 연구들은 주로 세포 자체의 특성 향상(예: 표적 인식, 세포독성)에 집중했습니다. 이번 저희 연구의 혁신은 종양 환경 자체를 먼저 개선하는 전략을 도입했다는 점입니다. 임상 승인된 비열성 전기 소작술(IRE)과 유전공학 세포 치료(CAR-NK)의 최초 결합을 통해 신조합 전략을 제시했으며, IRE에 의한 NK세포의 CX3CL1 매개 모집과 HMGB1-ROS 축을 통한 간암세포의 면역 민감화의 기전을 확인함으로써 분자적 시너지 메커니즘을 규명했습니다. 이러한 IRE와 CAR-NK세포의 병합치료 전략은 동물 모델에서 단일 치료 대비 획기적으로 향상된 종양 제어를 통해 강력한 효능을 보이며, 전신 독성 없이 국소 치료와 세포치료를 결합해 높은 안전성을 보였습니다. 이번 저희 연구에서는 이미 임상 승인된 IRE 기술과 안전한 LNP 플랫폼 및 NK세포를 활용해 조기 임상 실현성을 높일 수 있을 것으로 생각됩니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 이번 기술은 다양한 임상 현장에서 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 우선 간암 환자에서 기존 수술, 국소치료, 약물치료만으로는 충분한 효과를 보지 못한 경우에 새로운 대안이 될 수 있습니다. 특히 기존 치료에 반응하지 않는 진행성 간암이나 항암제에 내성이 생긴 환자에서도, IRE로 종양 미세환경을 재구성한 뒤 CAR-NK 세포를 투여하는 전략은 전혀 다른 기전의 치료로서 의미가 큽니다. 더 나아가 이 플랫폼은 원리상 고형암 전반에 적용가능한 구조를 갖추고 있어, 향후 췌장암, 담도암, 폐암 등 난치성 고형암으로의 확장 가능성도 열려 있습니다.
 실제 환자 치료에 사용되기 위해서는 해결해야 할 과제들도 분명합니다. 먼저 임상시험을 통해 어느 정도의 IRE 에너지와 펄스 빈도가 가장 안전하고 효과적인지, 그리고 CAR-NK세포를 언제, 어떤 용량과 일정으로 투여하는 것이 최적인지에 대한 체계적인 설계가 필요합니다. 또한 LNP를 이용한 CAR 유전자 전달 시스템은 기존 치료제와 다른 특성을 지니고 있으므로, 안전성·유효성 평가를 포함해 이를 뒷받침할 규제 요건과 인허가 경로를 명확히 마련해야 합니다.
 치료제의 실제 보급을 위해서는 대량 생산 체계의 확립도 필수적입니다. 환자 맞춤형 CAR-NK세포를 안정적이고 일정한 품질로 생산할 수 있는 제조 공정과 인프라를 구축해야 합니다. 아울러 어떤 환자가 이 치료에 잘 반응할지, 또 치료 과정과 이후에 효과를 어떻게 추적·평가할지 판단할 수 있는 생물표지자(biomarker)를 개발하는 작업도 중요합니다. 마지막으로, 기존 표준치료와 비교했을 때 생존 기간 연장, 삶의 질 개선, 의료비 부담 측면에서 어느 정도 이점이 있는지에 대한 비용-효과 분석을 수행함으로써, 건강보험 적용과 의료 현장 도입의 근거를 확보하는 과정이 뒤따라야 합니다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이번 연구에는 성균관대학교, 서울대학교, 노스웨스턴대학교, KIST 등 국내외 기관의 연구자들이 참여했습니다. 특히 국제 협력이 중요한 역할을 했는데, 종양 면역학, 생체재료학, 세포치료 분야 전문가들이 함께 협력함으로써 단순한 기술 적용을 넘어 깊이 있는 메커니즘 규명이 가능했습니다. 또한 학부생부터 박사후 연구원까지 다양한 수준의 연구자들이 참여했으며, 많은 시행착오를 거치면서도 팀 전체가 최종 목표에 집중할 수 있었던 것이 큰 성과입니다. 이번 연구를 통해 "기초 과학의 깊이와 임상적 필요성이 만났을 때 진정한 혁신이 탄생한다"는 확신을 갖게 되었습니다.