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난공불락의 라스 단백질 공략하는 항체 기술 찾았다
Bio통신원(한국연구재단)
한국연구재단은 김용성 교수(아주대) 연구팀이 세포내부의 암유발 라스(Ras) 돌연변이 단백질을 직접 표적해서 종양의 성장을 막는 치료용 항체 기술을 개발했다고 밝혔다.
라스 돌연변이 단백질은 가장 널리 알려진 종양유발 인자로 인간 종양의 약 30%에서 발견된다. 특히 췌장암에서 약 95%, 대장암에서 약 52%, 비소세포폐암에서는 약 30%로 발견된다. 1982년 발견한 이후 지난 30여 년간 라스 돌연변이를 직접 표적하는 약물이 개발된 바가 없어 난공불락 표적이라 불리고 있다.
기존 치료용 항체는 세포 외부의 막단백질*과 분비단백질*을 표적으로 암, 면역질환 등의 치료제로 개발되어 왔다. 하지만 이 방법은 세포질 내에 위치한 질환유발 단백질은 직접 표적할 수 없다는 한계가 있다.
* 막단백질 : 세포막 표면에 발현되어 세포외부에 노출된 단백질
* 분비단백질 : 세포에서 분비되어 세포외부에 있는 단백질
연구팀은 라스 돌연변이 단백질을 표적하면서 동시에 세포질 침투능이 있는 세포침투 간섭항체를 개발하여 종양세포의 성장과 분열을 촉진을 방해하는데 성공했다.
항체가 종양세포 표면에 과발현되어 있는 인테그린 수용체를 통해 내재화된 후에, 엔도좀 탈출*로 세포질에 위치하여 세포질 내부의 라스 돌연변이 단백질과 결합한다. 결합 후 라스 단백질의 성장 신호 전달을 저해하게 되어 종양 성장이 억제되는 것이다.
* 엔도좀 탈출 : 세포내부에 있는 막주머니인 엔도좀에 구멍을 내서 세포질로 나오는 과정
연구팀은 실험 쥐 모델을 통해 라스 돌연변이를 지닌 대장암과 섬유육종의 성장을 크게 억제하는 결과를 확인했다.
김용성 교수는 “이 연구성과는 항체가 종양세포에 침투하여 라스 표적에만 선택적으로 결합하고 비정상적 신호전달을 차단한 것이다. 필요성이 크지만 현재까지 약물이 없었던 라스 돌연변이 단백질을 직접 표적하는 신약 항체 치료제 개발의 가능성을 열었다고 생각한다.”고 연구의 의의를 밝혔다.
이 연구성과는 미래창조과학부‧한국연구재단의 미래유망융합기술파이오니어 사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 5월 10일 게재되었다.
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자정보
- 논문명 : Antibody targeting intracellular oncogenic Ras mutants exerts anti-tumor effects after systemic administration.
- 저자 정보 : 김용성(교신저자, 아주대), 신승민 박사과정, 최동기 박사(공동 제1저자, 아주대), 정근옥 박사, 김지선 박사과정, 박성욱 박사과정, 송기훈 박사, 배점일 박사 (공동저자, 아주대)
□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
○ 현재 항체 치료제는 세포막을 투과하여 세포질로 침투할 수가 없어, 종양을 비롯해 다양한 질환 타겟의 약 50%을 차지하는 세포질 내 질환유발 단백질을 직접적으로 표적할 수 없는 한계가 있다.
○ 따라서 세포 내부에 있는 수많은 질환관련 단백질을 항체가 직접 표적할 수 있는 항체기술을 개발할 필요성이 있다. 개발된다면 차세대 항체 기반기술로 글로벌 수준의 원천기술 확보와 신약 항체 개발 가능성을 제공할 것이다.
○ 라스 유전자 돌연변이는 인간 종양의 약 30%에 발견된다. 췌장암의 약 95%, 대장암의 약 52%, 비소세포폐암의 약 30%에서 발견된다. 이에 따라 항암제 개발이 매우 시급한 상황이다. 지난 30여 년간 수많은 노력에도 Ras 돌연변이를 직접 표적하는 약물이 개발된 바가 없어 약물개발이 불가능한 난공불락(undruggable) 표적이라 여겨지고 있다.
2. 연구내용
○ 완전한 IgG 항체형태로서 질환 세포 표면에 발현되어 있는 수용체에 결합하여 세포내로 내재화 된 후에 엔도좀 탈출로 세포질에 위치하는 세포침투 항체를 항체공학기술을 적용하여 세포질 내에서 활성화된 라스 돌연변이에 특이적으로 결합하여 활성을 저해하는 세포침투 간섭항체를 제조하였다.
* IgG 항체형태 : 원래 인간 몸에 존재하는 Y자 모양의 항체로 온전한 항체 기능을 가지는 형태
○ 상기 라스 돌연변이 표적 항체가 세포 및 동물시험 연구에서 라스 돌연변이를 가진 대장암, 육종암의 암세포 증식을 억제하는 결과를 도출하고 자세한 억제 과정을 규명하였다.
○ 대장암의 경우 상피세포 성장인자 수용체(EGFR) 항체표적치료제인 세투시맙(Erbitux®)이 표준치료법으로 쓰이고 있다. 하지만 라스 돌연변이만 있으면 내성과 저항성을 보인다. 라스 돌연변이로 세투시맙에 저항성을 갖는 대장암 이종이식 실험쥐 모델에서 라스 돌연변이 표적 항체와 세투시맙과의 병용투여가 내성을 극복하는 결과를 보였다.
* EGFR : 상피세포 성장인자 수용체 (Epidermal growth factor receptor)로 대장암, 폐암, 췌장암 등에서 과발현되어 종양을 유발함
3. 연구 성과
○ 세포침투 간섭항체는 전신 투여 후에 1) 타겟 질환 조직/세포 특이 인식, 2) 엔도사이토시스에 의한 세포 내재화 후에 엔도좀 탈출 능에 의한 세포질 위치, 3) 세포질 타겟 라스 돌연변이 단백질을 고특이성/고친화도 인식하여 기능을 억제하는 기능을 갖는 항체임을 밝혔다.
○ 아직 라스 돌연변이를 직접 표적하는 약물개발은 없어 현재까지 난공불락이었던 라스 돌연변이를 직접 표적하는 신약 항체 치료제 개발의 가능성을 열었다.
○ 세포침투 간섭항체 기술은 기존항체가 표적하지 못했던 세포질 내의 수많은 질환관련 단백질을 항체로 직접 표적하는 플랫폼 기술을 제공한다.
○ 세포침투 간섭항체 원천기술 사업화를 위해 2016년 8월 이승주 박사와 함께 오름 테라퓨틱㈜ (대표이사 : 이승주)을 공동으로 창업했다. 향후 임상시험 단계를 거쳐 제품화로 이어지면 연간 900억 달러*(2016년 기준)에 달하는 국ㆍ내외 치료용 항체 시장에 진출할 수 있을 것으로 전망한다.
* 출처 : 2015년 식품의약안전처, ‘항체의약품 개발 기술 동향’ 보고서 인용
○ 연구결과는 2건의 국내특허를 확보(‘16. 3월)하였고, 미국, 유럽 등 14개국에 국제특허를 출원(‘17. 2월) 하였다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
ㅇ 기존 치료용 항체는 세포 외부의 막단백질과 분비단백질만을 표적으로 해서, 암, 면역질환을 비롯한 다양한 질환 치료제로 개발되어 왔으나, 세포질 내에 질환유발 단백질을 직접적으로 표적할 수 없는 한계가 있음.
ㅇ 이번 연구에서는 완전 IgG 형태로 살아있는 세포내부 세포질로 침투할 수 있는 항체 원천기술을 개발했다. 현재 가장 중요한 항암 표적인 라스 돌연변이 항암 표적과 특이적으로 결합하여 다양한 종양의 성장을 억제하는 세포침투 간섭항체를 개발함.
2. 연구내용
ㅇ 완전 IgG 항체형태로 세포내부에 침투한 뒤 세포질에 위치하여 세포질내의 질환관련 단백질 상호작용을 표적할 수 있는 신개념 세포침투 간섭항체 기반기술을 개발하고, 이 기술을 적용하여 세포질내의 난공불락 질환관련 단백질을 표적하는 치료용 항체 후보물질을 개발함.
ㅇ 세포침투 간섭항체 원천기술을 활용하여 모든 인간 종양의 30%에 발견되는 종양유발 라스 돌연변이를 세포 밖에서 직접 표적할 수 있는 항체를 개발하고 이를 마우스 종양모델에서 항암 활성을 검증함.
3. 기대효과
ㅇ 라스 돌연변이를 직접 표적하는 최초 신약 (first-in-class) 항체 개발이 가능해졌음.
ㅇ 세포침투 간섭항체 기반기술은 라스 표적 외에도, 기존에 소분자 약물로 표적이 어려웠던 세포질 내의 수 많은 난공불락 질환관련 단백질을 효과적으로 표적할 수 있는 항체 치료제를 개발할 수 있는 글로벌 수준의 원천기술로 여겨짐.
ㅇ 세포침투 간섭항체는 기존 항체치료제가 갖는 타겟에 대한 고친화도, 고특이성을 지니고, 전신 투여가 가능한 완전 IgG 형태여서, 기존 항체의약품이 갖는 많은 장점을 지니고 있어, 신약 항체개발 가능성도 용이함.
★ 연구 이야기 ★
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
세포 내부에서 단백질들의 상호작용(Protein-Protein interaction, PPI)은 생명현상에 중요한 역할을 하며, 단백질의 돌연변이나 과발현과 같은 불균형에 의해 수많은 질병이나 종양이 발생하게 된다. 현재 이를 치료하기 위한 약물로는 세포내 단백질 타겟은 소분자 약물이, 세포막 단백질 및 분비 단백질 타겟은 항체/단백질/펩타이드를 포함하는 바이오의약품이 주를 이루고 있다. 이렇게 타겟 단백질에 제한이 있는 이유는 소분자 약물의 경우 타겟 표면의 소수성 포켓에 특이적으로 결합하는 원리로 효과를 나타내는데, 이러한 소수성 포켓을 가진 단백질은 전체 단백질의 약 10%여서, 대부분의 타겟 단백질을 표적 못하는 한계를 지니기 때문이며 항체와 같은 바이오의약품의 경우 타겟에 결합하는 표면적이 넓어 단백질 상호작용을 효과적으로 표적할 수 있는 능력이 있으나, 큰 분자량과 친수성 특징으로 세포막 투과를 거쳐 세포질로 침투할 수 있는 능력이 없는 한계가 있기 때문이다. 따라서, 연구팀은 이러한 소분자 약물과 항체의 한계를 극복하고자 세포질로 침투하여 세포 내부의 단백질을 표적할 수 있는 치료용 항체 개발 연구를 착수하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
연구팀은 이전 연구를 통해 세포질 침투능을 가진 인간화된 경쇄가변부위(Light chain variable region) 도메인 항체 기술을 보유하고 있었다. 이를 이용해 대부분 치료용 항체의 형태인 IgG 형태로 개발하기 위해 중쇄가변부위(Heavy chain variable region)와 상호작용 결합이 원활히 이루어 질 수 있도록 개량하였으며, 이를 일반 IgG 포맷 항체의 경쇄가변부위에 도입하여 세포질 침투능을 갖는 세포침투항체(cytotransmab)을 개발하였다. 이후 종양 유발 라스 돌연변이 단백질을 표적할 수 있는 인간항체 중쇄가변부위를 효모표면발현 기술을 이용하여 선별하였고, 이를 세포침투항체 경쇄가변부위에 도입하여 라스 돌연변이 표적‘세포침투 간섭항체’(iMab, internalizing & PPI interfering antibody)를 개발하였다. 개발된 라스 돌연변이 표적 iMab은 세포질 침투 후 세포내 활성화된 라스에 특이적으로 결합하여 라스 하위 신호전달 물질과의 결합을 억제함으로써 라스 돌연변이 세포주에서 효과적인 세포 생장억제능을 보였다. 추가적으로 항체에 종양 조직 특이성을 부여하기 위해 종양에서 과발현되는 인테그린을 표적할 수 있는 펩타이드를 항체에 융합하였고, 이 라스 돌연변이 표적 iMab은 라스 돌연변이 세포주를 이종이식한 쥐에서 종양 성장을 효과적으로 억제하는 것을 확인하였다. 이러한 연구결과는 기존 항체치료제와 달리 세포 내부 단백질을 표적할 수 있는 새로운 패러다임의 치료용 항체 개발 가능성을 보여주었다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
연구팀은 종양 유발 라스 단백질 표적을 위해 활성화된 라스 단백질을 표적하는 중쇄가변부위를 선별하고자 하였으며, 이를 위한 항원 단백질을 준비하는 과정에서 라스 단백질을 활성화된 형태로 유지 및 보관하는 과정에서 문제점이 많았다. 하지만, 많은 문헌과 자료 등을 조사하여 좀 더 안정성이 지속될 수 있는 항원 단백질을 준비를 할 수 있었고, 이를 이용하여 좋은 효과를 보이는 항체를 선별할 수 있었다. 또한, IgG 형태의 세포침투항체를 이용하여 동물실험을 진행한 보고가 없기 때문에 실험 디자인에 있어 참고할 문헌이 없었지만, 현재까지 시도된 많은 라스 단백질 표적 소분자 약물 문헌을 참고하여 실험을 진행하였고 의미있는 결과를 얻을 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
연구팀 이외에 세포침투 간섭항체를 개발하는 국내외 연구팀들이 있지만, 세포질이 아닌 세포핵을 표적으로 하는 마우스 유래의 항-DNA scFv 형태의 항체이거나 세포 침투능을 가지지만 종양 조직 특이성이 없는 항체이다. 이는 실제 치료용 항체로 이용되기 위해서 면역원성 및 종양 조직 특이적 표적이라는 문제를 가지고 있다. 하지만 연구팀의 기술은 치료용 항체로 가장 많이 이용되는 완전한 IgG 형태의 인간 항체이며, 동물실험을 통해 종양 조직 특이성을 확인하였다. 세포침투 간섭항체 기술은 세포외 분비 단백질이나 세포막 단백질만을 표적하는 기존 치료용 항체의 개념을 뒤집는 혁신적인 기술이다. 또한, 라스 이외에 다른 항원에 대한 특이성을 가지는 중쇄가변영역으로 치환시 새로운 iMab 항체로 개발할 수 있는 플랫폼 기술로써, 그 이용 가능성이 무궁무진하다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
종양 유발 라스 돌연변이는 전체 암 중 30% 가량의 높은 빈도로, 특히 췌장암, 대장암, 폐암 각각의 약 95%, 45%, 35%에서 관찰되지만, 이를 치료하기 위한 FDA 승인된 치료제는 전무하다. 이를 위해 라스 돌연변이 치료제 개발이 지난 30년간 꾸준히 시도되어 왔으나, 라스 단백질 구조상 소분자약물의 결합에 한계가 있어 모든 경우 실패하였고, 최근 일부 특정 돌연변이만을 억제할 수 있는 소분자약물이 개발 초기단계에 있다. 이에 현재 연구팀은 세포침투 간섭항체가 실제 임상에서 사용될 수 있는 라스 돌연변이 치료제 타겟 항체 개발을 목표로 하고 있다. 하지만, 현재 개발한 종양 유발 라스 돌연변이 표적 iMab은 매우 혁신적인 기술이지만, 실제 치료용 항체로 사용하기에 고용량의 약물이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 연구팀은 현재 라스 돌연변이 표적 iMab의 효능을 개선하기 위한 연구를 진행할 계획이다. 또한, 항체 표적의 블루오션인 세포질 단백질에는 질환 타겟의 ~50%가 존재하며 아직 효과적인 약물이 없기 때문에, 라스 돌연변이 이외의 세포 내부의 질환 및 종양 유발 단백질을 표적하는 새로운 iMab 항체 개발에 매진할 계획이다.
□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
연구팀이 초기에 KRas 돌연변이 표적 항체 개발에 대해 네이처 커뮤니케이션즈 저널에 투고 하였으나, 한 명의 리뷰어가 리뷰 과정에서 또 다른 종양 유발 Ras 패밀리 단백질인 NRas에 대해 관심을 가지고 있어 이에 대한 다양한 실험을 제안하였다. 리뷰어의 질문에 대한 답을 제시하기 위해 동물 실험을 비롯한 많은 실험을 짧은 리뷰기간 동안 해야 했으나 다행히 정해진 기간 내에 만족할 만한 결과를 얻었고, 이를 통해 다양한 종양 유발 Ras 패밀리 단백질에 대한 효능을 가진 항체 개발로 보고 할 수 있어, 보다 더 넓은 의미를 가진 내용으로 완성된 논문을 보고할 수 있었다.
(그림1) 라스 표적 세포침투 간섭항체의 원리
종양세포 표면에 과발현되어 있는 인테그린 수용체에 결합하여 세포내로 내재화 되어 엔도좀에 위치함. 엔도좀에서 탈출하여 세포질에 위치하게 되고 세포질 내의 타겟 단백질인 라스 돌연변이 단백질에 특이적으로 결합함. 결합 후 라스 단백질에 의한 종양세포 성장 및 분열을 촉진하는 신호전달을 저해함에 따라서 세포침투 간섭항체가 종양성장을 억제함.
(그림2) 종양유발 라스 돌연변이 표적 항체의 항암효과로 인한 종양의 크기 변화
개발된 종양유발 Ras 돌연변이 표적 항체가 KRas 돌연변이를 지닌 대장암(SW480, LoVo)과 NRas 돌연변이를 지닌 섬유육종 (HT1080) 실험 쥐에서의 성장을 효율적으로 억제하는 실험 결과. 대조군에 비해 항체를 처리한 군에서 종양의 크기가 더 작다.
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다.
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