소개할 논문제목
An anti-CD19/CTLA-4 switch improves efficacy and selectivity of CAR T cells targeting CD80/86-upregulated DLBCL (PMID: 38340727) 논문링크

세포에는 다양한 수용체가 존재하고, 이를 통해 다양한 Ligand나 Cytokine에 반응하게 됩니다. 그런데 Cell therapy의 경우, 내가 의도한 치료효과를 방해하는 Ligand나 Cytokine에 세포가 노출되는 경우가 생깁니다. 따라서 그런 부작용을 없애기 위해 손쉽게 떠올릴 수 있는 방법은 불리하게 작용하는 수용체를 없애는 것입니다. 하지만 만약 세포에게 불리하게 작용될 신호를 유리한 신호로 바꿀 수 있다면 오히려 좋지 않을까요? 이번 글에서 소개하는 Chimeric checkpoint receptor가 바로 그런 기능을 합니다. 이번에 소개할 논문은 2024년 2월 Cell Reports Medicine 저널에 발표된 논문이며, 기존의 CD19 CAR-T cell에 새로운 Chimeric receptor를 넣어줌으로써 항암효과를 증진시킨 내용입니다.

Prinz, Lars Fabian, et al. "An anti-CD19/CTLA-4 switch improves efficacy and selectivity of CAR T cells targeting CD80/86-upregulated DLBCL." Cell Reports Medicine (2024).

<배경지식 소개: Immune checkpoint>

우림 몸에 있는 면역세포들은 외부에서 침입한 병원균에 저항하거나 몸 안에서 생긴 암세포를 제거하기 위해 필요에 따라 활성화되어야 합니다. 하지만 면역세포가 너무 과도하게 활성화가 된다면 과도한 염증반응으로 인해 오히려 우리 몸에 손상을 입히게 됩니다. 이러한 부작용을 방지하기 위해서 면역세포는 나름대로 스스로를 조절할 수 있는 브레이크 시스템을 가지고 있는데, 이런 시스템을 Immune checkpoint라고 부릅니다. 예를 들어 T cell이 활성화가 되면 CTLA-4를 발현하게 되는데, CTLA-4는 T cell의 활성을 억제하는 신호를 만드는 수용체입니다. 본래 T cell이 활성화될 때 T cell은 항원제시세포(Antigen presenting cell, APC)에 의해 TCR (T cell receptor)과 CD28 신호가 활성화됩니다. TCR은 APC의 MHC:Peptide와 결합하고, CD28은 APC 표면에 존재하는 CD80 혹은 CD86과 결합합니다. 그런데 T cell이 활성화되고 나서 CTLA-4가 발현되면, CTLA-4는 CD28과 경쟁적으로 CD80/CD86과 결합하여 T cell 활성을 억제하게 됩니다. 이와 유사하게 작동하는 Inhibitory receptor로 PD-1이 알려져 있습니다.

이러한 Immune checkpoint는 반드시 필요한 안전장치입니다. 하지만 암세포를 제거해야 하는 경우 암세포에 의해 Immune checkpoint가 발동되어 T cell 활성화가 억제되면, 이로 인해 T cell에 의한 항암효과가 저해되는 안타까운 결과가 발생합니다. 이를 해결하고자 CTLA-4, PD-1, PD-L1을 타깃으로 하는 Checkpoint inhibitor들이 개발되어 항암치료에 사용되고 있으며, Immune checkpoint를 발견한 공로로 James Allison 교수와 Tasuku Honjo 교수는 2018년에 노벨생리의학상을 수상하였습니다.

<논문 소개>

이번에 소개하는 논문에서는 Immune checkpoint에 대해 Inhibitor를 사용하는 대신 오히려 Immune checkpoint로 인해 전달되는 억제신호를 활성신호로 변경해 줄 수 있는 Chimeric checkpoint receptor (CCR)를 개발했습니다. 피할 수 없으면 즐기는 것을 넘어서 불리한 상황을 유리하게 역전시키는 기술이 된 것입니다.

논문에서는 CTLA-4 수용체의 Extracellular domain과 활성수용체인 4-1BB의 Intracellular domain을 합친 CCR를 개발해 CAR-T cell에 발현시켰습니다 (그림 1). 이렇게 함으로써 CTLA-4가 CD80/CD86과 결합할 때 억제신호가 전달되는 것이 아니라 반대로 활성신호가 전달되게 되어 CAR-T cell이 억제되지 않고 오히려 활성화되는 효과를 얻어냈습니다.

그림 1. Chimeric checkpoint receptor 구조CTLA-4 수용체의 Intracellular domain을 4-1BB의 Intracellular domain으로 치환한 Chimeric chemokine receptor는 CTLA-4의 Lingand인 CD80/CD86과 결합할 때 활성신호를 전달한다.

논문에서 연구한 질병은 Diffuse large B cell lymphoma (DLBCL)이며, B cell이 문제가 되어 생기는 혈액암입니다. DLBCL에 대한 CD19 CAR-T cell therapy는 B cell을 효과적을 제거하지만, 이에 대한 효과가 크지 않은 환자군도 존재합니다. 논문에서는 DLBCL 환자의 B cell이 CD80/CD86를 높게 발현한다는 사실을 발견했으며, 이를 토대로 CD80/CD86에 결합하는 CTLA-4를 활용한 Chimeric receptor를 개발하게 된 것입니다. 현재 사용되는 CAR의 경우 CD3 활성신호와 4-1BB costimulatory 신호가 같이 존재하지만, 논문에서는 Costimulatory 신호가 없는 1세대 CAR를 사용하고 Costimulatory 신호는 CTLA-4를 통해서만 전달되도록 함으로써 CD19와 CD80/CD86이 동시에 존재하는 악성 B cell에 대해서만 CAR-T cell이 활성화되도록 했습니다 (그림 2).

그림 2. 논문의 Graphical abstract기존의 CAR T cell의 경우 CTLA-4에 의한 억제신호가 존재한다. 하지만 CTLA-4 CCR을 발현시킬 경우 CTLA-4가 Ligand (CD80/CD86)과 결합할 때 오히려 활성신호가 전달된다. 또한 1세대 CAR와 CTLA-4 CCR을 같이 발현시킬 경우, Costimulatory 신호가 CTLA-4 CCR로부터 전달되기 때문에, CAR의 타깃인 CD19과 CTLA-4 CCR의 타깃인 CD80/CD86이 같이 발현되는 악성 B cell을 인식할 때 CAR T cell이 활성화된다. 이로써 CD80/CD86 발현이 낮은 정상적인 B cell에 대해서는 Cytotoxicity가 떨어지는 안전성을 확보한다.

<해당 연구의 중요성과 의미>

이전 글에서도 다뤘듯이 Cell therapy에 대한 제약업계의 관심과 시장에서의 수요가 점점 늘고 있으며, 이러한 동향 속에서 CAR-T therapy에 대한 많은 연구들이 계속해서 발표되고 있습니다. CAR-T cell therapy를 발전시키기 위해 다양한 관점에서 접근을 하는데, 이번에 소개한 논문은 Immune checkpoint를 활용한 Chimeric receptor를 통해 불리한 신호를 유리한 신호로 전환하여 CAR-T cell therapy의 효과를 증진시킨 논문입니다. 이러한 Chimeric receptor라는 접근방법은 다양하게 응용이 가능합니다. 예를 들어 CTLA-4 수용체의 Intracellular domain을 IL7Rα의 Intracellular domain으로 대체함으로써 CTLA-4와 CD80/86의 결합이 IL-7 신호를 대체하도록 할 수도 있습니다. 또한 Cytokine receptor 자체의 Intracellular domain을 바꿀 수도 있습니다. 최근에 Cell Reports Medicine 저널에 발표된 또 다른 논문은 IL-6에 의한 신호가 IL-7 신호로 바뀌도록 하기 위해 Chimeric cytokine receptor를 만들었습니다.

Yoshikawa, Toshiaki, et al. "Development of a chimeric cytokine receptor that captures IL-6 and enhances the antitumor response of CAR-T cells." Cell Reports Medicine (2024).

이처럼 Chimeric checkpoint receptor, Chimeric cytokine receptor, Chimeric chemokine receptor 등을 만들어 불리한 신호를 유리한 신호로 바꿀 수 있습니다. 이런 기술은 Treg cell therapy에도 활용될 수 있습니다. 예를 들어 Proinflammatory cytokine receptor의 Intracellular domain을 IL2R의 Intracellular domain으로 바꿔서 STAT5 활성화를 유도하면 염증환경에서 Treg cell이 오히려 더 잘 분열하고 안정성을 유지할 수도 있습니다.

해당 논문에서 만든 CCR이 갖는 또 다른 중요한 점은 Logic-gated receptor라는 것입니다. Logic-gating 기술은 다양한 종류가 있는데, 이 경우에는 두 항원 (CD19과 CD80/CD86)이 동시에 존재할 때 CAR-T cell이 활성화되는 종류의 Logic-gated receptor입니다. 이를 통해 CD80/CD86을 높게 발현하는 악성 B cell만을 효과적으로 제거하는 CAR-T cell을 만들 수 있었습니다.

이번 논문 소개를 통해 새로운 종류의 Chimeric receptor를 소개했습니다. 다양한 DNA 엔지니어링 기술들이 발전함에 따라 새로운 Chimeric receptor 개발이 가능해졌고, 이를 활용한 Cell therapy들도 개발 중입니다. 이번 논문에서 소개한 것은 하나의 예시일 뿐이며, 위에서 간략하게 설명했듯이 다양한 종류의 Chimeric receptor는 세포에게 불리할 수 있는 신호를 오히려 유리한 신호로 전환시켜 주는 스위치로서의 기능을 가질 수 있습니다. 이러한 접근방식이 실제로 활용되기까지는 시간이 더 필요하겠지만, CAR T cell therapy가 현재 진행형이듯이, 다양한 Chimeric receptor를 활용한 Cell therapy도 현실화될 것을 기대해 봅니다. 비록 이번 글에서 자세히 다루지는 않았지만, 이후에 Logic-gating 기술에 대해서 다루는 글도 준비해 보겠습니다.