목 차

1. 서론
  1.1. 면역항암제(Immunotherapy)
  1.2. 면역관문억제제(Immune checkpoint Inhibitor, ICI)
  1.3. CAR-T 세포치료제(Chimeric Antigen Receptor T-cell)
  1.4. 치료용 항암백신(Therapeutic Cancer Vaccines)
  1.5. 항체-약물 접합체(ADC, Antibody-Drug Conjugates)
2. 본론
  2.1. 면역항암제 효능 평가를 위한 In Vitro 공배양 모델
    2.1.1. Well plate 기반 공배양 시스템
    2.1.2. Transwell 기반 공배양 시스템
    2.1.3. Microfluidic 기반 공배양 시스템
  2.2. 실제 임상 반영 사례
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

지난 수십 년 동안 항암치료는 1세대 화학항암제, 2세대 표적항암제, 그리고 3세대 면역항암제의 순차적인 발전을 거치며 암 치료 패러다임의 변화를 이끌어 왔다. 1세대 화학항암제는 1940년대 이후 임상에 도입된 가장 오래된 항암 치료 전략으로, 세포분열 억제 또는 DNA 손상을 통해 암세포 성장을 차단한다 [1]. 비교적 저렴하고 즉각적인 항종양 효과를 보이지만, 정상세포에도 비 특이적으로 작용하기 때문에 전신 독성이 크고 다양한 부작용을 초래한다는 한계를 지닌다 [2].

2000년대에 들어 등장한 2세대 표적치료제는 특정 유전자 변이(EGFR, HER2, ALK 등) 또는 신호전달 경로를 선택적으로 억제함으로써 안전성과 특이성을 크게 향상시켰다. 이러한 표적 기반 치료제는 정상 조직 손상을 최소화하고 암세포만을 공격할 수 있지만, 적용 가능한 환자군이 특정 분자 이상을 가진 환자로 제한되며, 시간이 지남에 따라 내성(acquired resistance)이 발생하는 문제를 갖는다 [3, 4].

최근에는 환자 고유의 면역체계를 재활성화하여 항암 효과를 유도하는 3세대 면역항암제가 주목받고 있다. 면역관문억제제(PD-1/PD-L1, CTLA-4 억제제), CAR-T 세포치료제 등은 기존 치료에 반응하지 않던 혈액암과 일부 고형암에서 장기 생존과 완치를 실현하며 임상적 돌파구를 제시하였다. 이러한 치료제는 면역세포로 하여금 암세포를 직접 인지·공격하도록 하며, 면역기억 형성을 통해 장기간 항암효과를 유지할 수 있지만, 전체 환자의 약 20~30%만이 유의미한 반응을 보이고, 면역 관련 이상반응(irAEs), 사이토카인 방출 증후군(CRS), 조직 특이적 면역독성 등 새로운 형태의 부작용이 동반되는 한계도 존재한다.

그림 1. 세대별 항암제 종류 및 작용원리

항암제의 세대적 발전은 곧 약물 효능을 평가하는 세포 기반 시험법의 변화도 요구해 왔다. 1세대 화학항암제 시대에는 암세포 증식 억제 및 사멸을 중심으로 한 2D 세포 실험(MTT, BrdU, WST-1 등)이 주요 평가법이었다. 이후 2세대 표적치료제의 등장과 함께, 생존율 분석에 더해 특정 신호전달 경로(ERK, STAT, AKT)의 인산화 변화, 표적 단백질 분해 여부, 변이형에 따른 민감도 평가 등 정밀한 분자기전 기반 분석이 필수적 요소로 자리 잡았다. 그러나 2D 배양 모델은 3차원 구조를 가진 실제 종양의 세포-세포, 세포-기질 상호작용을 제대로 반영하지 못하며, 이를 극복하고자 3D 스페로이드 및 오가노이드 모델이 개발되어 1·2세대 항암제 평가에 폭넓게 활용되기 시작했다 [5, 6] .

하지만 면역관문억제제, CAR-T/NK 치료제 등 3세대 면역항암제는 암세포뿐 아니라 면역세포와의 상호작용을 기반으로 작동하기 때문에, 기존 3D 모델만으로는 충분한 평가가 어려웠다. 이에 따라 T세포 활성화, ADCC (antibody-dependent cellular cytotoxicity), IFN-γ/IL-2 분비, 종양미세환경(TME) 내 면역세포 침윤 등을 측정하는 다중세포 기반 평가가 핵심으로 부상하였다. 현재는 종양 오가노이드–면역세포 공배양 모델, 3D tumor-immune spheroid, MPS (microphysiological systems) 등 인체 생리·면역 반응을 동시에 재현하는 플랫폼이 면역항암제의 효능 및 면역독성 평가에 폭넓게 사용되고 있다.

결국 항암제의 진화는 세포기반 약물효능평가 방식의 구조적·기전적 고도화를 필연적으로 동반해 왔다. 이는 차세대 항암제 개발에서 인체 생리와 면역반응을 동시에 반영할 수 있는 정교한 평가 모델의 필요성을 명확히 시사하며, 향후 전임상·임상 간격을 줄이는 핵심 기반 기술로서 더욱 중요성이 높아지고 있다.

1.1.면역항암제(Immunotherapy) 면역항암제는 기존 약물을 이용한 치료와 달리 환자의 면역세포를 활성화시켜 암세포를 찾아서 공격하게 한다. 면역체계가 암의 정보를 기억하기에 기존항암제들처럼 일정기간 복용할 필요 없이 면역효과가 오랫동안 지속되기에 완치의 가능성이 높고, 신체의 부작용이 적다. 하지만 대부분의 환자 중 20~30%만 효과를 보이며 면역 관련 부작용(irAEs), 사이토카인 방출 증후군(CRS)과 같은 과도한 면역체계 반응은 신체에 부작용을 일으킬 수 있고 치료에 들어가는 비용이 비싼 단점을 가지고 있다 [7].

그림 2. 면역항암제 종류 및 기전

1.2.면역관문억제제(Immune checkpoint Inhibitor, ICI)

T 세포의 활성 및 면역반응을 억제하는 면역 회피 기전 경로를 차단해서 면역체계를 활성화하고 항종양 면역반응을 회복시켜 치료하는 전략이다 [8-11]. 암세포의 경우 면역관문을 통해 T세포의 면역 감시를 회피하는데, 이러한 부분이 암 면역 치료에 대한 새로운 전략이 되고 있다 [12-14].

면역관문억제제에 대표적으로 많이 사용되는 약물에는 Pembrolizumab, Nivolumab(PD-1 억제제), Atezolizumab, Durvalumab(PD-L1 억제제), Ipilimumab(CTLA-4 억제제) 등이 있다.

PD-1 / PD-L1 및 CTLA-4 억제제와 같은 ICI 암 면역 요법은 암 치료에 새로운 패러다임을 제시하고 있으며, ICI를 단독으로 또는 다른 요법과 같이 사용하는 전략은 현재 임상적으로도 많이 사용되고 있습니다. 하지만 임상적으로 암 효과가 있음에도 불구하고, 환자 간의 반응이 다르고, 같은 바이오마커를 가진 환자에서도 치료 효과가 많이 다르게 나오기도 한다. 실제 효과가 있는 경우는 평균적으로 20% 전후이며, 일부 환자의 경우 저항성으로 인해서 ICI 효과가 감소하는 경우도 있으며, 주요 면역관문억제제에 대한 임상에서 사용하는 바이오 마커는 아래와 같다.

PD-1 (Programmed cell death protein 1)
PD-1은 T세포와 같은 면역 세포의 표면에 발현되는 막 단백질이며, PD-L1, PD-L2 두 개의 리간드를 가지고 있다. 종양미세환경(Tumor Microenvironment, TME)에서 암세포의 경우 PD-L1, PD-L2 단백질을 발현해서 T세포 표면에 있는 PD-L1, PD-L2와 결합하여 T세포 활성화 신호를 감소시키고 면역 회피를 유도하게 된다 [14-16].

 TMB (Tumor Mutational Burden)
TMB (Tumor Mutational Burden)는 종양 게놈에서 발견되는 체세포 돌연변이 수를 표준화해서 정의되며, mutations per megabase (mut/Mb) 단위로 표현한다. 종양에서 체세포 돌연변이가 많을수록, 비정상 펩타이드(neoantigen)가 생성될 가능성이 높아지고, 이로 인해 T세포 활성이 증가할 가능성이 높아진다. 하지만 면역미세환경(Tumor-Infiltrating Lymphocytes, TILs)이나 항원제시 능력에 따라 실제 면역 반응이 이뤄지는 지를 확인해야 한다 [17].

MSI-H / dMMR (microsatellite instability–high / deficient mismatch repair)
dMMR (mismatch repair-deficient)은 DNA 복제과정에서 염기 불일치 오류를 원래대로 고치지 못해서 생기는 수많은 돌연변이를 의미한다. MSI-H (Microsatellite instability-high) dMMR의 결과로 반복서열에서 삽입 및 결실이 반복되어 불안정성이 높아진 상태를 의미한다. MSI-H / dMMR로 인해 과돌연변이가 높은 신생항원이 증가하게 되며, 과발현 된 종양은 T-세포가 효과적으로 인식하고, PD-1을 경로로 표적 하는 치료에 잘 반응한다. 실제로 Pembroli-zumab, Nivolumab과 같은 약물을 사용하여 암 치료에 사용하고 있다 [18, 19].

1.3. CAR-T 세포치료제(Chimeric Antigen Receptor T-cell)

환자의 T세포를 꺼내서 유전자 조작을 하고 다시 환자의 몸으로 넣는 방식으로, 유전자 & 세포 치료제가 결합된 형태이다. 항체 유래인 scFv 도메인이 암세포 항원에 결합하고 세포 내 공동자극 도메인(CD28, 4-1BB)과 CD3ζ가 신호전달을 발생시켜서 T세포의 활성화 및 독성작용, 증식을 유도하게 되고 최종적으로 암세포가 사멸하게 된다. 대표적인 CAR-T 치료제로는 Kymriah, Yescarta가 있다 [20].

1.4. 치료용 항암백신(Therapeutic Cancer Vaccines)

암에 걸린 환자의 면역세포가 암세포를 목표로 강력하게 인식하고 공격해서 치료하는 능동적 방식의 치료방법이다. 항암백신의 경우 항원 제시 세포(APC), 수지상세포(Dendritic Cell, DC)를 활성화해서 CTL(세포독성 T세포) 반응을 유도하게 한다. 대표적인 치료용 항암백신에는 최초로 승인받은 Provenge(수지상세포 백신)과 Neoantigen(신생항원 맞춤형 백신)이 있다 [21].

1.5. 항체-약물 접합체(ADC, Antibody-Drug Conjugates)

항체-약물 접합체(ADC)는 암세포만을 찾아가는 항체의 정밀함과 세포를 죽이는 화학항암제의 능력을 결합해서 정상세포의 파괴는 최소화하면서 최대한 암세포만을 사멸하는 표적 항암기술 이다. 혈액 내에서는 분리되지 않다가 암세포 안에서만 약물을 방출하여 파괴시키는 링커 기술이 발전하게 되면서 약물의 전달 능력 향상과 안전성이 높아졌다. ADC의 대표적인 약물로는 Kadcyla, Enhertu이 있다 [22].

2. 본론

2.1. 면역항암제 효능 평가를 위한 In Vitro 공배양 모델

생리학적으로 유의미한 In Vitro 종양 모델을 만들기 위해서 환자 유래 암 오가노이드 (Patient-Derived Cancer Organoid)와 면역세포를 공배양 하여 복잡한 종양 미세환경을 구현한다. 환자유래 암 오가노이드는 실제 환자로부터 절제된 종양 조직은 물리적으로 잘게 쪼갠 후 효소적 분리 과정을 통해 단일 세포 현탁액으로 분리한다. 분리된 세포들은 3차원 세포 외 기질 (Extracellular Matrix, ECM) 환경을 조성하기 위해서 Matrigel, Collagen 등에 혼합 후 embedding 한다. Embedding 된 세포들은 3D 기반의 배양 프로토콜을 통해 증하게 된다.

생리학적으로 유의미한 In Vitro 종양-면역 상호작용 모델을 구축하기 위해서는 환자 유래 종양 오가노이드와 더불어, 실제 면역 반응을 매개하는 주요 면역세포를 고충실도로 확보·조작하는 과정이 필수적이다. 면역세포는 일반적으로 환자의 전혈로부터 분리한 말초혈액 단핵세포(peripheral blood mononuclear cells, PBMCs)를 기반으로 얻으며, Ficoll 밀도구배 원심분리(density-gradient centrifugation)를 통해 단핵세포층을 분리한 뒤, T 세포, NK 세포, 단구(monocyte) 등 세부 아형을 선택적으로 분리·정제한다. T 세포 기반 면역세포 모델은 종양 특이성을 강화하기 위해 유전적 조작을 통해 확장된다. 대표적으로 바이러스 벡터(예: lentiviral, retroviral) 또는 비바이러스성 전달 기술을 이용하여 키메라 항원 수용체(chimeric antigen receptor, CAR)를 도입한 CAR-T 세포, 혹은 특정 종양 항원을 인지하도록 설계된 TCR-T 세포를 생성한다. 이러한 유전적 재프로그래밍은 T 세포의 항원 특이적 활성, 지속성, 메모리 형질을 강화하여 종양세포 살상능을 높이는 목적을 갖는다. NK 세포는 선천 면역 기반의 즉각적인 세포독성(cytotoxicity)을 보이지만, 종양 미세환경(TME)에서 기능이 억제되는 경우가 많다. 이를 보완하기 위해 NK 세포에 CAR를 도입한 CAR-NK 세포가 개발되었으며, 이는 CAR-T 세포 대비 낮은 사이토카인 방출, 향상된 안전성, 이종이식(allogeneic) 기반 적용 가능성 등 임상적 장점을 제공한다. 또한 고형암의 경우, 종양 미세환경에서 나타나는 물리적 장벽 및 면역억제적 환경으로 인해 T/NK 세포의 침윤이 제한적이다. 이를 극복하기 위한 전략으로 단구 유래 대식세포(monocyte-derived macrophage)를 기반으로 한 CAR-macrophage(CAR-M)가 주목받고 있다. CAR-M은 본래 대식세포가 지닌 높은 조직 침윤능력 및 항원제시능력을 활용하여, 고형암에서의 면역활성화 및 종양 제거 능력을 개선하는 새로운 접근법으로 평가되고 있다. 이와 같이 PBMC 기반 면역세포를 분리·정제하고, CAR 또는 TCR 기반 유전적 재프로그래밍을 적용하는 일련의 과정은 환자 특이적 면역반응을 재현하는 고충실도 종양-면역 공배양 모델의 핵심 구성 요소로 기능한다. 이는 종양 오가노이드 시스템과 결합하여 면역항암제의 효능, 면역세포 침윤능력, 사이토카인 분비, 면역독성 등을 정량적으로 평가할 수 있는 차세대 In Vitro 플랫폼의 기반을 제공한다.

다양한 In Vitro 플랫폼(예: well plate, Transwell, microfluidic system)을 활용한 종양 오가노이드–면역세포 공배양 기술은 면역세포의 침윤, 세포독성(cytotoxicity), 신호전달 및 상호작용과 같은 기능적 특성을 정밀하게 분석할 수 있는 핵심 도구로 발전해 왔다 [23-25]. Well plate 기반 공배양 시스템은 가장 단순하면서도 직접적인 세포독성 평가가 가능한 방식으로, 동일한 공간에 종양 오가노이드와 면역세포를 함께 배양함으로써 면역세포가 물리적 장벽 없이 종양세포와 직접 접촉하여 일으키는 세포 사멸 효과를 정량화할 수 있다. Transwell 기반 공배양 시스템은 면역세포의 이동성 및 간접적 세포사멸 기전을 평가하는 데 유용하다. 상부 insert에는 면역세포를, 하부 well에는 종양 오가노이드를 배양하며, 두 영역 사이에 위치한 투과성 막을 통해 면역세포의 이동(chemotaxis, migration) 및 사이토카인 기반 간접적 항암효과를 동시에 분석할 수 있다. Microfluidic 기반 공배양 시스템은 살아있는 조직과 유사한 동적 종양 미세환경(dynamic tumor microenvironment, TME)을 재현할 수 있다는 점에서 최근 각광받고 있다. 미세유체 채널을 통해 혈류를 모사하고, 흐름 속에서 면역세포의 혈관 유사 구조 내 부착, 혈관외누출(extravasation), 종양조직 침윤 및 세포 간 상호작용을 정밀하게 관찰할 수 있다. 구축 과정이 복잡하다는 한계에도 불구하고, 실제 생체 반응과 가장 유사한 In Vitro 환경을 구현할 수 있어 면역항암제 개발 연구에서 점차 활용도가 증가하고 있다.

면역항암제의 효능 평가는 일반적으로 PD-L1 발현, MSI-H 여부, 종양돌연변이부담(TMB) 등 기존의 예측 바이오마커와 공배양 기반 기능적 분석 결과 간의 상관성을 통해 검증된다. 그러나 이러한 바이오마커가 높은 수준으로 발현된 환자에서도 실제 임상 반응률은 약 20~30%에 불과하다는 점에서, 바이오마커만으로는 면역항암제 반응을 충분히 설명하기 어렵다. 이에 따라 최근 연구에서는 환자의 치료 후 반응을 RECIST 또는 iRECIST 기준으로 평가하고, 체외에서 수행한 면역항암제 감수성 분석 결과와 직접 비교하여 In Vitro 플랫폼의 임상적 예측력을 검증하는 노력이 활발히 진행되고 있다.

그림 3. 면역항암제의 효능 평가 과정

2.1.1 Well plate 기반 공배양 시스템

Well plate에서 종양 오가노이드와 면역세포를 공배양하는 In Vitro 방식에는 여러 방법이 존재한다.

1) 직접적인 암세포 사멸(direct tumor killing) 방식
이 방법은 Matrigel과 같은 ECM에 종양 오가노이드와 면역세포를 함께 혼합해 하나의 돔(dome) 내에 공존하도록 배양하는 방식이다. 좁은 Matrigel 돔 환경에서는 면역세포가 별도의 탐색 과정 없이 종양 오가노이드와 즉각적으로 접촉할 수 있으므로, 세포 간 직접 상호작용에 의한 암세포 사멸을 신속하게 관찰할 수 있다. 이 방식은 CAR-T 세포의 세포독성(cytotoxicity), 침투 능력, 세포사멸 속도(killing kinetics) 분석에 적합하다.

2) 면역인자 기반의 간접적 암세포 사멸(indirect tumor killing) 방식
이 방식에서는 먼저 종양 오가노이드만 ECM에 포함시켜 plate에 로딩한 뒤, 상부 배지(성장배지)에 면역세포를 투입한다. 면역세포는 ECM을 통과해 오가노이드 내부로 직접 침투하거나, ECM 외부에서 사이토카인(cytokine)이나 케모카인 등의 면역인자를 분비해 간접적으로 암세포 사멸을 유도한다. 이 접근법은 면역세포의 침투 능력(infiltration capacity), 면역인자 분비 프로파일, 원거리(paracrine) 신호에 의한 항암효과 등을 분석하는 데 유용하다.

3) 부유 공배양(suspension co-culture) 방식
Suspension 기반 공배양 모델은 종양 오가노이드를 직접 사멸시키기보다는 오가노이드를 항원 공급원(antigen source)으로 활용하여 면역세포를 활성화하고 훈련시키는 데 초점을 둔다. 종양 오가노이드와 면역세포를 부유 상태에서 함께 배양함으로써 면역세포는 오가노이드에서 유래한 항원을 지속적으로 인지하고, 그 결과 종양 특이적이고 반응성이 높은 T세포(reactive T cell)를 대량으로 생성할 수 있다. 이 방식은 환자의 종양 항원에 특이적으로 반응하는 T세포를 확보해 세포치료제(예: TIL therapy, autologous T-cell therapy)로 개발하는 데 활용될 수 있다.

위 세 가지 방식에는 주로 Well plate 기반 공배양 방식이 사용된다. 대부분의 연구에서 공통적으로 이 방식은 다음과 같은 장점으로 인해 선호된다.

•실험 절차가 단순하고 표준화가 용이함
•오가노이드와 CAR-T 세포 간 직접 접촉(Direct cell–cell interaction)이 가능
•고해상도 현미경·이미징 분석과 결합하기 쉬움
•다양한 세포독성·세포생존 평가 기법과 호환성 높음

이러한 특성 덕분에, Well plate 기반 공배양은 면역세포의 침투(infiltration), 세포사멸 패턴, 사이토카인 분비 등을 정밀하게 관찰하는 데 널리 사용되고 있다. 최근에는 주로 환자유래오가노이드(Patient-Derived Organoid) 기반 공배양 시스템은 기존 2D 또는 동물모델보다 다음과 같은 강점을 지닌다.

•CAR-T 세포의 시간·공간적 반응(spatiotemporal dynamics)을 정밀하게 분석 가능
•항체 또는 면역관문억제제(PD-1 등)와의 병용요법(combination therapy) 검증 용이
•사람 유래 시스템이므로 종간 차이(inter-species gap)로 인한 오류 감소
•환자 샘플 간 반응성 차이를 직접 반영하여 정밀의료 기반 치료 반응 예측 모델 구축 가능

2.1.2. Transwell 기반 공배양 시스템

Transwell 기반 공배양 시스템은 상·하단 두 개의 챔버를 반투과성 막으로 분리함으로써, 면역세포의 이동(migration)과 용해성 인자에 의한 신호 전달을 선택적으로 조절할 수 있는 플랫폼이다. 이 구조를 이용하면, 암 오가노이드가 위치한 하단 챔버와 면역세포가 존재하는 상단 챔버 사이에서 세포 간 직접 접촉 여부, 이동 거리, 사이토카인 확산 등을 정밀하게 제어할 수 있어 면역항암제의 효능을 보다 체계적으로 평가할 수 있다.

특히 막의 기공 크기(pore size)에 따라 실험 목적이 명확히 구분된다. 기공 크기가 약 0.4 µm인 경우, T 세포·NK 세포와 같은 면역세포는 물리적으로 막을 통과할 수 없고, 사이토카인·케모카인 등 용해성 인자만 확산될 수 있다. 이때 상단 챔버에 면역세포를, 하단 챔버에 ECM과 혼합한 종양 오가노이드 또는 장 상피 오가노이드 단층을 배양하면, 직접 접촉 없이도 면역세포가 분비하는 IFN-γ, TNF-α 등의 면역인자가 종양세포의 생존·사멸, 장 상피 장벽 기능(TEER 변화 등)에 미치는 영향을 정량화할 수 있다. 실제로 장 오가노이드 유래 단층(enteroid-derived monolayer)을 0.4 µm Transwell에 도입하여 염증·감염·독성 자극에 대한 장 장벽 반응과 신호전달 경로를 고처리량(96-well)으로 분석하는 플랫폼이 보고되고 있으며, 이러한 장기특이적 Transwell 시스템은 향후 면역항암제에 의한 점막 독성 및 장내 면역반응 평가에도 직접 응용될 수 있다.

반면, 기공 크기가 3–8 µm 범위인 Transwell은 면역세포가 막을 통과하여 하단 챔버로 실제 이동·침윤(invasion) 할 수 있도록 설계된다. 상단 챔버에 CAR-T 또는 CAR-NK 세포를, 하단 챔버에 종양 오가노이드나 암세포 스페로이드를 배치하면, 하단에서 분비되는 케모카인 기울기를 따라 면역세포가 막을 통과해 종양 쪽으로 이동하는지를 migration/invasion assay로 정량화할 수 있다. CD19 CAR를 발현한 iPSC 유래 NK 세포나 CXCR2를 탑재한 CAR-NK 세포의 경우, Transwell을 이용하여 종양 미세환경(pericyte, 케모카인 발현 종양세포 등)을 향한 이동성 증가와 그에 따른 종양세포 살상능(cytotoxicity) 향상을 동시에 평가하는 연구들이 보고되고 있다. 이러한 계열의 연구는 단순한 세포독성 측정을 넘어, 면역세포가 실제 종양 미세환경으로 얼마나 잘 도달하는지(homing·trafficking)를 면역항암제 효능 평가의 중요한 축으로 포함시키고 있다는 점에서 의미가 크다.

또한 최근에는 96-well 형 Transwell 시스템을 기반으로, 일차 인간 장 오가노이드나 장 상피세포 단층을 하단에 배양하고, 상단에는 대식세포, NK 세포, 또는 병원체를 도입하여 여러 신호전달 경로, 장벽 기능, 염증 반응을 동시에 다중 readout으로 측정하는 고처리량 평가계가 구축되고 있다. 여기에 화학적으로 정의된 배지와 조직 유래 ECM 하이드로젤 등 Matrigel 대체 기질이 도입되면서, 장 오가노이드·장 상피 모델의 재현성과 표준화 수준이 향상되고 있으며, 이는 향후 면역관문억제제, CAR-T/NK, iPSC-유래 면역세포 치료제의 장·간·장막 등 장기 특이적 독성 및 효능을 체계적으로 검증하는 Transwell 기반 인체모사 플랫폼으로 확장될 가능성을 보여준다.

요약하면, Transwell 기반 공배양 시스템은

•기공 크기 조절을 통해 직접 접촉 의존적 세포독성 vs 용해성 인자 매개 반응을 분리 분석할 수 있고,
•면역세포의 이동·침윤과 표적 종양세포 살상능을 동시에 측정할 수 있으며,
•96-well 포맷과 장기특이 오가노이드 단층/ECM 하이드로젤을 결합함으로써 고처리량·표준화된 면역항암제 전임상 평가 플랫폼으로 진화하고 있다는 점에서, Well plate 기반 3D 공배양 시스템을 보완·확장하는 중요한 기술 축으로 자리 잡고 있다.

2.1.3. Microfluidic 기반 공배양 시스템

Microfluidic 기반 공배양 시스템은 미세유체 흐름을 이용하여 혈류·혈관벽·종양 미세환경(TME)을 동적으로 모사할 수 있다는 점에서, 기존의 정적 Well plate, Transwell 시스템을 보완하는 차세대 면역항암제 평가 플랫폼으로 부상하고 있다. 기본적으로 미세유체 칩은 종양 세포 또는 오가노이드가 위치하는 중앙 종양 채널(central/tumor channel), 양측에서 배지와 면역세포가 흐르는 측면 채널(side/flanking channel), 그리고 배지와 ECM을 물리적으로 구획해 주는 마이크로 포스트(post) 영역으로 구성된다. 중앙 채널에는 ECM과 혼합된 종양 세포·오가노이드를 주입하여 3차원 종양 조직을 형성하고, 측면 채널에는 혈관 내피세포를 배양하여 인공적인 혈관 내벽(endothelial barrier)을 구축한다. 이후 펌프 또는 중력 기반 유동을 통해 측면 채널에 배지를 지속적으로 흘려줌으로써, 면역세포가 혈류를 따라 이동 → 내피 장벽을 통과(diapedesis) → 종양 조직으로 침윤하여 살상하는 과정을 실시간으로 관찰·정량화할 수 있다.

최근 보고되는 연구 동향을 살펴보면, 첫째, NK 세포 및 CAR-NK 세포의 기능·탈진(exhaustion)과 TME 스트레스 간의 상관성을 규명하려는 시도가 활발하다. Tumor-on-a-chip 플랫폼에서 저산소, 영양결핍, 대사 스트레스 등 다양한 미세환경 조건을 재현하고, 이러한 스트레스가 NK 세포의 이동성, 세포독성, 탈진 마커 발현(예: PD-1, TIM-3)에 미치는 영향을 장기간 추적하는 연구들이 보고되고 있다. 이를 통해 고형암 TME에서 면역세포가 기능을 잃어가는 과정을 동적·기전적으로 분석할 수 있으며, 특정 면역항암제 또는 병용요법이 이러한 탈진을 얼마나 역전시키는지 평가하는 데 활용되고 있다.

둘째, 환자유래 오가노이드를 이용한 개인 맞춤형 항암·면역항암제 스크리닝으로의 확장이 두드러진다. 췌장암 등 난치성 고형암에서 조직 생검으로부터 환자유래 오가노이드(PDO)를 제작하고, 이를 microfluidic 칩 내부에 배양하여 화학항암제와 면역항암제(예: 면역관문억제제, NK 세포치료제)의 병용효과를 평가하는 플랫폼이 개발되고 있다. 이러한 시스템은 적은 세포 수·소량 약물만으로도 다수 조건의 병렬 비교가 가능하며, 약물 반응성과 면역세포 침윤 패턴을 동시에 분석하여 환자 맞춤형 치료 조합을 탐색하는 데 유리하다.

셋째, 고처리량(high-throughput) 미세유체 3D 세포독성 평가 플랫폼이 면역항암제 전임상 스크리닝에 도입되고 있다. 예를 들어 CACI-IMPACT와 같은 시스템에서는 다수의 마이크로챔버에 종양 스페로이드 또는 오가노이드를 로딩하고, 각 챔버에 서로 다른 CAR-T/NK 세포, 용량, 병용약물을 흘려보내어 실시간 세포사멸, 형광 이미지 기반 종양 축소, 사이토카인 분비를 자동화된 방식으로 측정한다. 이는 기존 96-well 기반 assay를 능가하는 유동 조건·농도 구배·시간 해상도를 제공하여, 다양한 면역항암 후보물질을 빠르게 비교·선별하는 데 적합하다.

넷째, 펌프 없는(pump-free) 또는 중력 구동형(gravity-driven) 미세유체 공동배양 시스템이 제안되면서, 칩 운용의 복잡성과 장비 의존성을 줄이면서도 유동 환경을 재현하려는 시도가 이루어지고 있다. 이러한 플랫폼에서는 NK 세포와 종양 스페로이드 간 상호작용을 흐름 조건 아래에서 관찰하여, 전단응력(shear stress)과 유동 패턴이 면역세포의 접착, rolling, 침투, killing 효율에 미치는 영향을 분석한다. 이는 실제 혈류 환경에서 면역세포 치료제가 종양에 도달하고 작용하는 과정을 보다 현실적으로 반영한다는 점에서 의미가 크다.

마지막으로, 면역관문억제제(immune checkpoint blockade) 평가를 위해 3D 종양 스페로이드 또는 organotypic tumor slice를 미세유체 칩에서 ex vivo로 장기간 유지하며, T 세포·NK 세포와의 공배양 및 항-PD-1/PD-L1 등의 투여 효과를 관찰하는 연구들이 보고되고 있다. 이러한 모델은 종양 내 면역세포의 공간적 분포, 면역관문 분자 발현, 종양 축소 및 재성장 패턴을 시간에 따라 추적함으로써, 면역관문억제제 단독 또는 세포치료제와의 병용전략을 정밀하게 검증할 수 있는 장점이 있다.

종합하면, Microfluidic 기반 공배양 시스템은

•혈류·혈관·종양 미세환경을 동시에 모사할 수 있고,
•면역세포의 이동(homing), 침윤, 탈진, 세포독성을 통합적으로 분석할 수 있으며,
•환자유래 오가노이드와 결합하여 개인 맞춤형 면역항암제 반응 예측에 적용 가능하고,
•고속 대용량 처리·자동화가 가능하여 전임상 스크리닝 플랫폼으로서의 잠재력이 크다.
•따라서 향후 면역항암제 개발 및 병용요법 최적화에서 Microfluidic 공배양 시스템은 Well plate·Transwell 기반 평가계를 보완하는 고도화된 인체모사 면역평가 플랫폼으로 더욱 중요성이 커질 것으로 예상된다.

표 1. In Vitro 면역항암제 효능 분석 연구 요약

2.2. 실제 임상 반영 사례

최근 들어 환자유래 오가노이드(Patient-Derived Organoid, PDO) 및 ex vivo 종양조직(tumor fragment) 기반의 면역세포 공배양 플랫폼을 활용하여, In Vitro에서의 면역관문억제제(immune checkpoint inhibitors, ICI) 반응성을 측정하고 이를 실제 환자의 임상 반응과 비교·연결하려는 시도가 빠르게 증가하고 있다. 이러한 기능적 분석 기반 면역항암제 예측 플랫폼은 기존의 유전체 기반 바이오마커(MSI-H, TMB, PD-L1 IHC)의 한계를 보완할 수 있다는 점에서 임상적 의미가 크다.

Voabil 등(Nature Medicine, 2021)은 환자 종양을 잘게 절단한 patient-derived tumor fragment(PDTF) 모델을 ex vivo에서 PD-1 차단 항체로 처리하여, T 세포 재활성화 정도, 사이토카인 분비, 면역세포 공간 분포 변화를 분석하였다. 연구팀은 ex vivo에서 PD-1 blockade에 강한 반응을 보인 PDTF는 실제 환자에서도 높은 면역치료 반응(Clinical response)을 보였다는 점을 제시하며, 기능적 반응성 자체가 임상 결과를 반영한다고 보고하였다. 해당 연구는 기능적 면역 반응이 실제 환자 반응성을 설명하는 직접적 근거로 평가되고 있다. 또한 후속 연구에서는 PDTF의 면역 반응성 점수가 anti–PD-1 치료의 반응/비반응(responders vs non-responders)을 거의 완벽하게 구분한다는 결과가 nature medicine에 보고되며, PDTF 플랫폼이 실질적인 동반진단(companion diagnostic) 후보로서 가능성을 제시하였다 [48].

Knoblauch 등 (J Cancer Res Clin Oncol., 2023) 는 환자 유래 췌장관선암(PDAC) 오가노이드와 대응하는 말초혈액 단핵세포(PBMCs)를 공배양한 in vitro 모델을 사용하여 T 세포 아형(CD4⁺, CD8⁺, Treg) 변화를 분석하였다. 연구 결과, 오가노이드 + PBMCs 조건에서 CD4⁺ Tcm 및 Treg 세포의 빈도가 증가했고, CD8⁺ Tnaïve 혹은 Teff 세포의 비율 변화 등도 확인되었다. 또한, 이러한 공배양 반응을 보인 환자 군에서 비교적 유리한 임상 결과가 관찰되었으며, 연구진은 이 모델이 향후 개인 맞춤형 치료 전략을 제시할 수 있는 전임상 플랫폼으로 활용 가능하다고 제안하였다 [41].

Nguyen 등(Frontiers in Immunology, 2025)은 환자유래 colorectal cancer microtumor(직경 ≤1 mm)를 perfusion 기반 미세환경에서 자가 PBMC 또는 T 세포와 함께 배양하고 pembrolizumab을 처리한 후 anti–PD-1 반응성을 평가하였다 [50].

이 연구는 microtumor에서 측정한 IFN-γ 분비량, T세포 침윤도, 종양 축소 패턴이 MSI-H, POLE 변이 등 임상 분자 특성 및 기존 환자 치료 반응 패턴과 일관된 경향을 보인다는 점을 보고하였다. 즉, microtumor 기반 플랫폼은 면역관문억제제의 ex vivo 반응성 → 실제 임상 결정에 활용 가능함을 시사하였다.

Scognamiglio 등(Br J Cancer, 2019)은 환자유래 오가노이드(PDO)와 T 세포를 공배양하여 anti-PD-1/PD-L1 처리 후 종양 축소, cytokine profile, apoptosis readout을 평가하였고, PDO 모델에서의 ICI 반응 패턴이 일부 환자의 실제 임상 반응과 유사하게 나타난다는 초기증거를 제시하였다 [51].

또한 Magré 등(JITC, 2023)이 발표한 최신 리뷰에서는 여러 PDO–immune co-culture 연구를 메타 분석 형태로 정리한 결과, 오가노이드 기반 ICI 반응성과 실제 환자 면역항암제 반응이 약 70–85% 수준으로 일치한다는 보고들을 종합하여 기술하였다 [52]. 이 결과는 기능적 In Vitro 플랫폼이 실제 환자 치료 반응을 예측할 수 있는 early functional biomarker로 활용될 수 있음을 지지한다. 이는 다양한 암종에서 기능기반(functional) ICI 예측 모델이 임상적으로 확장 가능함을 보여주는 사례이다.

이상의 연구들에서 공통적으로 나타나는 특징은 다음과 같다.

•기능적 면역 반응을 직접 측정한다는 점에서 기존 분자 바이오마커와 구별됨
•종양 미세환경(TME)의 유지 정도가 높아 환자 개별 반응성을 반영
•다양한 플랫폼(PDTF, microtumor, PDO–immune coculture)이 anti–PD-1/PD-L1의 임상 반응과 유의하게 상관성을 보임
•특히 PDTF 기반 연구는 임상 반응을 예측하는 잠재적 동반진단으로 가장 높은 수준의 근거 확보 노력.

따라서 PDO-면역세포 공배양 플랫폼은 면역관문억제제 반응 예측을 위한 차세대 기능적 진단법으로 부상하고 있으며, 향후 대규모 코호트 기반 검증을 통해 임상적 적용 가능성이 높아지고 있다.

3. 결론

면역항암제는 암 치료의 새로운 패러다임으로 자리 잡았지만, 환자 간 반응의 이질성과 낮은 반응률(20~30%)은 여전히 극복해야 할 과제로 남아 있다. 이에 따라, 환자 맞춤형 면역항암제 반응 예측을 위한 기능적 In Vitro평가 플랫폼의 필요성이 크게 대두되고 있다. 본 리뷰에서는 환자 유래 오가노이드(PDO)와 다양한 면역세포(T세포, NK세포 등)를 활용한 공배양(co-culture) 시스템의 기술적 발전과 이를 통한 면역항암제 효능 평가 사례들을 종합적으로 정리하였다.

특히, well plate, Transwell, microfluidic 기반 공배양 기술은 면역세포의 침윤, 세포독성, 사이토카인 분비 등을 정량화할 수 있는 도구로 발전해 왔으며, 최근에는 임상 반응과의 연관성을 보여주는 연구들이 다수 보고되고 있다. 최근에는 ex vivo tumor fragment(PDTF) 및 microtumor 기반 플랫폼을 통해, 면역관문억제제의 치료 반응성을 예측하고 이를 환자 치료 반응성과 연계하려는 임상적 응용도 활발히 진행 중이다.

이러한 기능기반 면역항암제 평가 기술은 기존 PD-L1, TMB, MSI-H 등의 분자 바이오마커 한계를 보완하고, 동반진단(companion diagnostics)으로의 확장 가능성을 제시한다. 향후에는 정밀의료 실현과 면역치료 반응 예측의 고도화를 위해 대규모 코호트 기반의 임상 검증과 표준화된 평가 지표 확립이 필수적이다. 나아가, 면역세포 유전공학, 오가노이드 바이오뱅킹, 고처리량 스크리닝 기술과의 융합을 통해 차세대 면역항암제 개발 및 맞춤형 치료 전략 수립에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

4. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조