[논문으로 배우는 면역학] SynNotch+합성 억제 세포

Bio통신원(박은총)

등록 2025.01.10
조회 1471

소개할 논문 제목
Engineering synthetic suppressor T cells that execute locally targeted immunoprotective programs (PMID: 39636990) 논문링크

마블 코믹스에 등장하는 다양한 슈퍼 히어로들은 각기 자신들만의 특별한 능력을 갖습니다. 만약 이들의 모든 능력치를 다 합친 히어로가 등장한다면, 물론 그러면 재미는 없겠지만, 매우 효율적으로 적을 제압할 수 있지 않을까요? 면역 세포들도 각기 기능들이 있습니다. 그런데 내가 필요한 기능만 선택적으로 골라서 슈퍼 세포를 만들 수 있다면 효과적인 세포 치료제를 만들 수 있지 않을까요? 이번에 소개할 논문은 면역 억제 기능 능력치를 한껏 올린 인위적인 세포를 만드는 시도를 한 논문이며 Science 저널에 2024년 12월에 발표되었습니다.

Reddy, Nishith R., et al. "Engineering synthetic suppressor T cells that execute locally targeted immunoprotective programs." Science 386.6726 (2024): eadl4793.

<배경지식 소개: SynNotch>

이번 논문을 이해하려면 SynNotch (Synthetic Notch)라는 합성 수용체를 먼저 설명해야 합니다. SynNothch는 CAR (Chimeric antigen receptor)처럼 인위적으로 만들어낸 수용체로써 특정 항원을 인식할 때 원하는 반응(원하는 유전자의 발현)을 만들어내는 수용체입니다. 이를 이해하기 위해서는 우선 Notch 수용체를 이해해야 합니다.

Notch 수용체는 특정 Ligand에 결합해 활성화가 될 때 세포 표면에 존재하는 절단 효소에 의해 수용체가 잘리게 됩니다(Ectodomain shedding). 그리고 자유롭게 된 세포 내부 부위(Intracellular domain)가 핵으로 이동해 전사조절인자(Transcription factor)의 기능을 수행하여 특정 유전자가 발현됩니다. 즉 Notch 수용체의 핵심은 전사조절인자가 평소에는 세포막 부분에 고정되어 있다가 수용체가 활성화될 때 수용체에서 떨어져 나와서 전사조절인자로서의 역할을 수행하게 된다는 것입니다. 이러한 Notch 수용체의 원리를 응용해 합성한 인위적인 수용체가 SynNotch이며, SynNotch수용체를 구성하는 중요한 세 부위가 있습니다.

세포 외부 항원 결합 부위: 특정한 항원을 인식하기 위한 부분이며, CAR처럼 보통 scFv를 이용해 특정 항원에 결합하도록 합니다.
Notch 조절 부위: 절단 효소에 인식되어 수용체가 잘리도록 하는 인식 부위입니다.
전사조절인자: 실제적으로 핵 안으로 이동해 특정 유전자의 발현을 조절합니다.

SynNotch 수용체는 특정 항원에 결합할 때 활성화 되어서 특정 유전자(인위적으로 설계해서 넣어준 유전자)의 발현을 일으킬 수 있습니다. 따라서 SynNotch를 사용하면 특정 유전자의 발현을 특정 항원이 존재하는 목표 조직에서 유도해 낼 수 있으며, 이렇게 발현되는 유전자는 CAR 같은 또 다른 합성 수용체가 될 수도 있고, 사이토카인, 여러 종류의 수용체 등 사용자가 원하는 다양한 종류의 유전자가 될 수 있습니다 (그림 1).

그림 1. Notch 수용체와 SynNotch 수용체

Notch 수용체는 라이간드에 결합할 때 전사조절인자부위가 떨어져 나와 핵 안으로 이동해 타깃 유전자의 발현을 일으킨다. 이러한 원리로 작동되는 SynNotch 수용체는 특정 항원을 인식할 때 전사조절인자부위가 떨어져 나와 핵 안으로 이동하게 되며, 이렇게 이동한 전사조절인자는 인위적으로 넣어준 (Transduction) 유전자의 발현을 일으킨다. 이러한 원리로 특정 조건에서 특정 유전자의 발현을 일으킬 수 있다.

<논문 소개>

이번에 소개하는 논문에서는 CD4+ T cell에 SynNotch 수용체를 도입함과 동시에 면역 억제 물질을 생성하는 합성 억제 T 세포를 만들었습니다. 이렇게 만들어진 세포는 항염증성 사이토카인을 분비하고, 면역 억제 신호를 활성화하는 등 염증반응을 낮추는 여러 기전을 동시에 가짐으로써 효과적으로 면역 억제 효과를 발휘할 수 있습니다. 또한 SynNotch 수용체를 이용함으로써 국소적인 면역 억제 효과를 얻을 수 있습니다.

논문에서 사용된 기술을 조금 더 구체적으로 살펴보겠습니다. 논문의 Figure 1에서는 CD19를 인식할 때 타깃 유전자가 발현되는 SynNotch를 도입시킨 CD4+ T cell을 만들었습니다. 이때 발현되는 유전자들은(논문에서는 Payloads로 부름) 크게 네 종류로 구분 짓는데, 억제성 사이토카인(IL-10, TGFβ1, IL-35), 염증성 사이토카인 흡수(CD25, sTNFαR), 억제성 수용체 혹은 라이간드(PD-L1, CTLA4, CD39), 분열 촉진 사이토카인(IL-2)입니다 (그림 2).

그림 2. Synthetic Suppressor T cell 원리

특정 항원에 결합하는 SynNotch 수용체에 의해 발현되는 다양한 유전자들(Payloads)은 T cell 분열을 억제함으로써 면역 반응을 억제한다.

한 가지의 Payload만을 발현하는 합성 CD4+ T cell을 이용해 테스트해 본 결과 IL-10, TGFβ, PD-L1이 효과적으로 CD4+ T cell과 CD8+ T cell의 분열을 억제하는데 도움을 주는 것으로 확인되어 IL-10 + CD25, TGFβ + CD25, PD-L1 + CD25를 발현하는 세 종류의 합성 억제 세포(Synthetic suppressor cell)을 만들었습니다. 최종적으로 논문에서는 TGFβ와 CD25를 동시 발현하는 합성 억제 세포를 이용해 실험을 진행했습니다.

염증을 억제하는 연구나 Treg cell 연구에서는 많은 경우에 자가면역질환 모델을 사용합니다. 그러나 이번 논문에서는 조금 다른 In vivo 모델을 사용했습니다(논문의 Figure 3). CAR-T cell에 의한 종양 제거를 억제하는 모델을 사용했습니다. 염증 억제 연구를 위해 종양이 잘 제거되지 않도록 한다는 것이 다소 역설적이지만, 논문에서는 이 방법을 통해 저자들이 개발한 합성 억제 세포가 항원 특이적으로 작동한다는 것을 효과적으로 보여주고 있습니다. 그 방법은 다음과 같습니다.

CD19과 Her2를 발현하는 종양과 Her2만을 발현하는 종양을 같은 쥐에 이식한 뒤 Her2를 타깃 하는 CAR-T cell과 CD19를 타깃으로 하는 합성 억제 세포를 이용해 종양의 제거 여부를 보았습니다. 흥미롭게도 Her2만 발현하는 종양은 CAR-T cell에 의해 효과적으로 제거되었지만, CD19과 Her2를 모두 발현하는 종양은 제거가 되지 않았습니다. CD19에 의해 활성화된 합성 억제 세포가 TGFβ1과 CD25 발현을 통해 CAR-T cell의 기능을 억제했기 때문입니다 (그림 3).

그림 3. Synthetic suppressor T cell에 의한 종양 제거 억제

SynNotch 수용체가 인식하는 항원(CD19)이 있는 종양은 합성 억제 세포의 TGFβ1과 CD25 발현을 유도함으로써 CAR-T cell의 기능을 억제하게 된다. CD19이 없는 종양의 경우 합성 억제 세포의 면역 억제 기능이 활성화되지 않아 CAR-T cell에 의해 제거된다.

이와 유사하지만 또 다른 모델로 베타 세포 이식 모델을 사용했습니다. 이는 장기 이식을 모방하는 모델입니다. 마찬가지로 이식된 베타 세포를 제거할 수 있는 CAR-T cell과 함께 합성 억제세포를 넣어주게 되면 CAR-T cell에 의한 베타 세포 제거가 억제되는 것을 확인함으로써 합성 억제세포가 장기 이식에서의 면역 거부를 억제하는 데도 사용될 수 있는 가능성도 제시하였습니다.

<해당 연구의 중요성과 의미>

염증을 억제하기 위한 목적의 세포치료제로 Treg cell therapy에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이와는 조금 다른 접근방법으로, 이번에 소개한 논문에서는, 일반 CD4+ T cell에 염증 억제 기전을 탑재하는 방식을 채택함으로써 합성 억제 세포를 개발했습니다. 그리고 이렇게 개발한 합성 억제 세포를 이용해 효과적으로 면역반응을 억제했다는 점에서 이번 논문은 기존의 다른 연구들이 갖는 접근 방법과 다른 접근 방법을 취했습니다. 또한 이렇게 만든 합성 억제 세포가 전신에서 면역 반응을 억제하는 것이 아니라 국소적으로 타깃 항원이 존재하는 곳에서만 기능을 하도록 하기 위해 SynNotch 기술을 이용했다는 점에서 기술적으로도 돋보이는 연구입니다. 게다가 논문에서는 이렇게 만든 합성 억제 세포가 이식 거부, 자가 면역질환, CAR-T cell의 비특이적 살상 등의 문제를 해결하는데 적용될 수 있다는 가능성을 제시하였습니다.

또한 논문에서는 꽤나 재미있는 In vivo 모델들을 사용했습니다. 보통의 종양 모델을 효과적으로 종양을 제거하는 것을 보여주는 것이 목적인데 이번 논문에서는 반대로 종양이 제거되지 않는 것을 보여줌으로써 합성 억제 세포들의 기능을 확인시켰습니다. 게다가 같은 쥐에 두 종류의 종양을 넣어줌으로써 항원 특이적으로 (국소적으로) 면역 억제가 일어난다는 것을 확인시켰습니다. 추가적으로 사용한 베타 세포 이식 모델도 꽤나 힘든 모델입니다. 이를 위해 줄기세포를 이용해 베타 세포 분화를 했고, 이를 이식했습니다.

논문에서 연구한 합성 억제 세포는 효과적으로 CAR-T cell의 기능을 억제할 수 있었습니다. 그리고 이를 위해 최적화된 조합이 TGFβ1와 CD25 공동 발현이었습니다. 그러나 만약 이렇게 만든 합성 억제 세포를 다른 용도로 사용한다면, 예를 들어 자가면역질환 치료를 위해 사용한다면, 이를 위한 Payloads의 조합은 다른 것이 되어야 할 가능성도 높습니다. 왜냐하면 자가면역질환에서는, 각 종류의 자가면역질환마다, 다른 발병 기전을 갖고 다양한 면역 세포들이 염증에 기여하기 때문에 이를 막기 위한 기전도 달라져야 합니다. 논문에서는 외부에서 넣어준 CAR-T cell의 기능 억제에만 초점을 두었으나, 실제 자가면역질환에서는 B cell을 막아야 하기도 하고, Th17 cell을 막아야 하기도 하고, Monocyte를 막아야 하기도 하는 등 다양한 억제 기전이 필요하기 때문입니다.

Treg cell을 이용한 세포 치료제에서 해결해야 하는 큰 숙제는 Treg cell의 안정성 (Stability)입니다. Treg cell이 염증 환경에 노출이 되면 Foxp3 발현을 잃어버리고 염증성 세포의 기능을 획득하는 일이 발생하기 때문입니다. 이런 부분을 고려할 때, 논문에서 만든 합성 억제 세포는 어떨지도 충분히 고려해야 할 것입니다. 논문에서 만든 합성 억제 세포는 일반 CD4+ T cell을 이용해서 만들었기 때문에 마찬가지로 염증환경에 지속적으로 노출이 되면 염증성 사이토카인을 만들어내는 염증성 세포가 될 가능성이 충분히 있습니다. 따라서 논문에서 사용한 접근 방법을 실제로 적용하기 위해서는 합성 억제 세포가 끝까지 억제 기능을 유지할지 아니면 변절해서 염증성 세포로 둔갑하게 될지에 대한 연구가 충분히 이루어져야 할 것입니다.

논문에서 소개한 SynNotch 기술은 이번 논문의 교신저자인 Wendell A. Lim 교수 (UC San Francisco) 연구팀에서 처음 개발한 기술입니다 (Morsut, Leonardo, et al. "Engineering customized cell sensing and response behaviors using synthetic notch receptors." Cell 164.4 (2016): 780-791). 그리고 이 기술을 처음 발표했을 때 같은 호의 Cell 저널에 이 기술을 활용한 또 다른 논문을 동시에 발표했습니다 (Roybal, Kole T., et al. "Precision tumor recognition by T cells with combinatorial antigen-sensing circuits." Cell 164.4 (2016): 770-779.). 이번에도 해당 논문이 발표된 Science 저널 같은 호에 비슷한 내용의 논문을 연달아 발표했습니다 (Simic, Milos S., et al. "Programming tissue-sensing T cells that deliver therapies to the brain." Science 386.6726 (2024): eadl4237.). 이 밖에도 해당 연구팀에서는 SynNotch를 이용한 다수의 논문들을 유수한 저널에 발표한 것을 볼 수 있습니다. 또한 이 기술을 가지고 Wendell A. Lim 교수가 투자를 받아 설립했던 회사는 2017년에 Gilead Sciences에 의해 5억 6700만 달러에 인수됐습니다. 이처럼 SynNotch 기술은 하나의 혁신적인 기술이 학술적으로 많은 논문의 기초가 될 뿐 아니라 산업적으로도 큰 기여를 하는 좋은 예입니다.

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