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암세포 엑소좀 파괴하는 면역치료제 신물질 발굴
Bio통신원(한국보건산업진흥원)
국내 연구진이 종양세포가 분비하는 세포유래 소포체인 엑소좀(exosome)을 인식하고 붕괴시켜 항암면역치료 효능을 대폭 높여주는 펩타이드를 발굴하여, 국내 항암신약 개발에 청신호가 켜졌다.
한국보건산업진흥원(원장 차순도, 이하 진흥원)은 성균관대학교 박재형 교수와 조슈아 잭맨 교수 공동 연구팀이 암세포의 엑소좀*을 붕괴시켜 기능을 억제하는 펩타이드**를 기반으로 하여 면역관문억제제의 효능을 크게 향상시키는 병용치료 기술을 제안했다고 밝혔다.
* 엑소좀(exosome) : 세포에서 분비되는 나노사이즈(30~200nm)의 이중지질막 형태로 이루어진 작은 소포체. 수용세포의 증식 및 활동에 영향을 미칠 수 있음
** 펩타이드 : 아미노산의 중합체. 크기가 항체보다 작아 미세 세포 침투력이 높음
3세대 항암제로 부각되고 있는 면역관문억제제*를 활용한 항암치료의 경우, 암세포 자체를 공격하던 기존 치료와 달리 체내 면역체계의 특이성, 기억 능력, 적응력을 강화시켜 줌으로써 다양한 암종에 적은 부작용으로 장기적인 항암 효과를 볼 수 있다는 장점이 있다.
* 면역관문억제제(immune checkpoint inhibitor) : 암세포를 파괴하는 세포 독성 T세포의 활성을 유도하는 항체기반 면역치료제
하지만, 이러한 혁신적인 치료제도 단일요법으로는 효과를 보이는 환자가 15-45%에 불과하여 여전히 많은 사람들이 치료제의 혜택을 보지 못하고 있는 실정이다.
최근 연구에서는 면역관문억제제가 듣지 않는 결정적 요인으로 종양에서 분비되는 엑소좀이 주목받고 있다. 종양 유래 엑소좀은 면역세포의 활성을 조절하여 면역 억제성 환경을 조성하는 것으로 알려져 있다. 또한, 표면에 PD-L1*을 발현하고 있어 혈액을 통해 온몸을 순환하면서 세포독성 T세포의 사멸을 유도하고 면역관문억제제를 중화함으로써 기능을 저해하는 것으로 보고되었다.
* PD-L1(Programmed Cell Death-Ligand 1 Protein) : 암세포 표면에 과발현되는 단백질로, T세포가 암세포를 공격 대상으로 인지하지 못하게 하는 대표적인 면역관문 분자
즉, 종양은 엑소좀을 이용해 체내에 투여한 치료제를 무력화하고, 암세포를 공격하는 면역세포를 비활성화시키는 전략으로 면역치료에 대항하는 것이다.
성균관대학교 공동연구진은 종양 유래 엑소좀의 기능을 억제할 수 있다면 면역관문억제제의 한계를 극복할 수 있을 거라는 판단 아래, 엑소좀을 둘러싼 지질막의 곡률(curvature)을 인식하여 결합하고 붕괴시킬 수 있는 펩타이드(이하 AH-D-펩타이드)를 발굴해냈다.
AH-D-펩타이드는 높은 지질막 곡률을 가져 장력이 충분히 큰 300nm 이하 크기의 나노사이즈 소포에는 지질막에 결합하고 공동(pore)을 형성하여 붕괴시킬 수 있는 성질이 있다. AH-D-펩타이드는 크기가 200nm 이하인 엑소좀의 지질막을 붕괴하여, 결국 막단백질을 유리시키고 내부 생리활성 물질을 방출시켜 엑소좀의 기능을 무력화시킨다.
AH-D-펩타이드는 장력이 작은 세포의 지질막은 파괴하지 않고 장력이 큰 200nm 이하 크기의 종양 유래 엑소좀만을 파괴하는 뛰어난 선택성을 보였으며, 특히 종양 미세환경의 약산성환경에서 붕괴능이 향상되어 활용도 면에서 범용성 및 안전성이 높은 것으로 나타났다.
연구진은 발굴한 AH-D-펩타이드가 종양 유래 엑소좀을 붕괴시켜 PD-L1 기능을 효과적으로 억제하고, 이러한 억제 효과가 암세포를 공격하는 세포독성 T 세포의 활성화로 이어짐을 확인하였다.
추가적으로 동물실험을 통해 면역관문억제제와 AH-D-펩타이드의 병용 투여를 해본 결과 T 세포 기반의 항암면역반응이 유발되는 것을 발견하였으며, 결과적으로 병용치료 시 단일요법 대비 종양 치료 효과를 대폭 향상시키고 전이암의 생성을 억제할 수 있음을 검증하였다.
성균관대학교 박재형 교수는 “AH-D-펩타이드는 주변 조직의 손상없이 종양 유래 엑소좀을 선택적으로 제거함으로써 치료효과와 안전성을 동시에 담보할 수 있는 신물질”이라며, “향후 병용치료 기술개발 후속연구를 통해 효과성 높은 항암면역치료제 개발에 주력하겠다”고 밝혔다.
종양 엑소좀의 구조적 특성을 이용하여 면역치료용 펩타이드를 발굴해낸 이번 연구성과는 보건복지부 외 과기부, 산업부가 지원하는 범부처 국가신약개발사업단 연구개발과제를 통해 수행되었고 재료과학 분야 최고 권위 국제학술지 네이쳐 머티리얼스(Nature Materials)에 3월 23일 게재되었다.
※ 연구결과 게재논문 정보
1. 게재 논문
- 저널명: Nature Materials [IF=47.6, 해당분야 상위 1% 이내]
- 논문명: Curvature-sensing peptide inhibits tumour-derived exosomes for enhanced cancer immunotherapy
- 저자정보: (공동 제1저자) 신솔 박사과정, 고혜원 박사(성균관대학교)
(공동교신저자) 박재형 교수, 조슈아 잭맨 교수(성균관대학교)
1. 연구의 필요성
○ 암 자체를 공격하는 기존 항암제와 달리 면역체계의 특이성(specificity), 기억 능력(memory), 적응력(adaptiveness)을 증강시켜 장기적인 항암 효과를 유도하는 면역항암요법이 화학요법의 대안으로 주목을 받고 있음. 그 중 PD-1 (programmed death-1), PD-L1 (programmed death ligand-1) 등을 차단하는 면역관문억제제(immune checkpoint inhibitor)는 적용 가능한 암종이 다양하고 부작용이 적어 고령 환자를 포함한 전 연령대의 환자에게 투여 가능한 장점 때문에 최근 암 치료제 시장에서 시장 규모가 가장 빠르게 성장하고 있음.
○ 그러나 대다수의 환자의 경우는 면역관문억제제에 대부분 반응하지 않는다고 알려져 있으며 이는 T세포의 종양침투능을 저하시켜 적절한 면역반응을 일으키지 못하게 하는 면역억제성 종양 미세환경이 주요 원인으로 제시되고 있음.
○ 이와 같은 한계를 극복하기 위해 FDA 승인된 7개의 면역관문억제제를 중심으로 기존 항암제와 병용투여하는 시도가 활발히 이루어지고 있으며, 상대적으로 면역학적 반응이 잘 일어나지 않는 암이라 하더라도 병용투여를 통해 치료 효과가 향상될 가능성이 보고되고 있음. 하지만 대부분의 병용치료가 면역관문억제제의 부족한 치료 효능을 보완할 수 있는 또 다른 기전의 항암제를 조합하는 방식으로 이루어지고 있고, 비가역적인 독성 때문에 환자의 생명까지 위협하는 문제로 인해 치료 효과와 독성 문제를 모두 만족시켜 최종 승인까지 이어진 사례는 미비한 상태임.
○ 면역관문억제제 반응성이 낮은 환자들에게서는 T세포 활성화 및 종양 침투능이 크게 떨어지는 양상이 공통적으로 관찰됨. 이는 종양세포가 면역 억제성 미세환경을 조성하여 면역세포의 활성 및 침투를 억제하기 때문이라고 알려져 있음.
○ 종양 유래 엑소좀은 종양세포로부터 분비되어 종양 주변부 혈관 생성 및 간질 조직형성에 기여하며, 면역세포의 활성을 조절하여 면역 억제성 환경을 조성함. 특히, 종양 유래 엑소좀 표면에 발현된 PD-L1(exosomal PD-L1)은 혈액 내를 순환하며 세포독성 T세포에 면역관문억제제(anti-PD-1 등)와 경쟁적으로 결합하여 T세포를 비활성화하거나 혈중 면역관문억제제 (anti-PD-L1 등) 자체를 중화시키는 것으로 알려져 있으며, 이는 면역관문억제제 치료제 효능 저하의 주된 요인으로 밝혀짐(Nature. 2018; 560(7718): 382-386., Cell. 2019;177: 414-427).
○ 현재까지 대부분의 종양 유래 엑소좀 관련 연구는 면역관문억제제의 반응률을 예측하는 바이오마커로서의 역할에 초점이 맞춰져 있으며, 엑소좀을 치료 타겟으로 하여 면역관문억제제의 효과를 증대시키는 전략은 구체적으로 제시된 바가 없음.
○ 종양 유래 엑소좀을 제거하기 위한 전략으로 엑소좀을 표지하는 항체 및 투석 기기가 발명된 바 있으나 종양 유래 엑소좀만을 선택적으로 제거할 수 없고, 무엇보다도 극히 일부의 양만 처리 가능하여 효과가 미비한 것으로 보고 됨.
○ 따라서 주변 조직의 손상없이 종양 유래 엑소좀을 선택적으로 제거함으로써, 1) 종양미세환경을 면역활성형으로 제어하고, 2) T세포의 비활성화를 방지하여, 3) 면역관문억제제의 효능을 극대화 할 수 있는 치료기술의 개발이 필요한 실정임.
2. 연구내용
○ Cell membrane penetration 펩타이드 (CPP) 등의 막투과 펩타이드가 물과 지질막 사이의 소수성 상호작용을 펩타이드-지질막 결합을 통해 방해하고 불안정성을 높여 내부 물질을 유출(leakage)까지 할 수 있음은 보고 된 바가 있으나, AH-D-펩타이드는 막투과능 향상을 통해 지질막 곡률과 막 장력이 충분히 큰 경우(300nm 크기 이하) 지질막 붕괴까지 유도할 수 있음. 본 연구의 참여연구자의 선행연구에서 수정 진동자 미세 저울(QCM-D)와 지속 형광현미경 (time-lapse fluorescence microscopy)을 이용해 AH-D-펩타이드가 입자크기 의존적으로 지질막 파열에 대한 에너지 장벽을 넘어갈 수 있음이 검증되었음. 해당 펩타이드는 300nm 이하의 범위에서 90% 이상의 지질막 파괴 효과를 보여주었음.
○ 따라서 AH-D-펩타이드의 막-펩타이드 상호작용을 통해 엑소좀의 내부 물질 유출 및 막단백질 해리를 통하여 생리 활성 물질들의 활성을 손상시킴으로써 종양 유래 엑소좀에 의한 T세포 기능 장애를 저해하고 종양 내 미세환경이 면역 억제적인 환경으로 형성되는 것을 제어하여, 궁극적으로는 면역관문억제제와의 병용투여를 통해 항암 면역치료 효능을 향상시킬 수 있음. 본 연구를 통하여 병용치료제로서의 개발 가능성을 확인하였음.
1) AH-D-펩타이드의 종양 유래 엑소좀 붕괴 효과 규명
AH-D-펩타이드의 종양 유래 엑소좀 붕괴 효과를 다양한 암종의 세포주 (B16F10, WM-226, 4T1, MDA-MB231)의 엑소좀을 추출하여 검증하였음. AH-D-펩타이드의 농도 및 시간에 비례하여 엑소좀의 농도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 1 μM 농도에서 10분 이내로 모든 세포주에서 65-85 % 의 엑소좀을 붕괴시키는 것을 확인하였음.
2) 종양 미세환경에서의 AH-D-펩타이드의 종양 유래 엑소좀 붕괴 효과 강화 기작 규명
종양 미세환경과 유사한 약산성 조건에서 소포 붕괴가 증가하는 것을 확인하여, 이러한 효과의 메커니즘은 Wimley-White 계면 소수성 척도를 기반으로 다양한 pH 조건에서 AH-D-펩타이드 대한 막 분할의 Gibbs 자유 에너지의 변화를 계산한 결과를 통해 규명하였음. AH-펩타이드는 3개의 pH에 민감한 Asp 잔기를 가지고 있으며, 일반적으로 막-펩타이드결합 계면에서 약 7-8의 pKa 값을 가지기 때문에 이보다 아래인 pH 6.5와 6.8에서의 막 분할이 pH 7.4에서보다 약 1kcal/mol만큼 더 유리한 것으로 예측되었음. 이 열역학적 차이는 Asp 잔기의 이온화 정도의 pH 의존적 변화로부터 발생하며, AH-D-펩타이드가 종양 미세환경의 약산성 조건에서 강화된 소포 붕괴를 나타낼 수 있음을 뒷받침하였음.
3) 종양 유래 엑소좀 억제에 의한 T 세포 활성화 검증
종양 유래 엑소좀에 의한 면역억제작용은 주로 종양 유래 엑소좀 표면의 PD-L1과 CD8+ T세포의 PD-1간의 상호작용에 기반 한다고 알려짐. 종양 유래 엑소좀을 처리한 결과, T 세포의 증식이 현저하게 감소하는 반면, AH-D-펩타이드를 함께 처리할 경우 T 세포 활성도가 정상수준에 가깝게 회복됨을 확인할 수 있었음. 추가적으로 확인한 세포사멸 유발 프로타아제인 granzyme B (GzmB)는 암세포 사멸에 관여하는 단백질로, T세포의 활성 및 암세포 사멸 효능을 나타내는 주요 지표임. 이에 AH-펩타이드에 의해 감소한 PD-L1의 활성이 CD8+ T세포의 활성에 미치는 영향을 해당 지표를 통해 정량화하였음. 종양 유래 엑소좀을 처리한 결과, T세포 내 GzmB 발현 수준이 비활성화된 T세포 수준으로 감소하는 반면, AH-펩타이드를 함께 처리할 경우 GzmB 발현이 대조군 대비 80%가량 증가하여 T세포 활성도가 정상수준에 가깝게 회복됨을 확인할 수 있었음.
4) In vivo AH-D-펩타이드와 면역관문억제제 병용 투여에 따른 종양 성장 억제 효능 평가
aPD-1과 AH-D-펩타이드의 병용투여에 따른 종양 성장 억제 효능을 평가하기 위해 종양 동물모델을 구축한 후, AH-D-펩타이드 및 NH-D-펩타이드 (7.5 mg/kg) 및 aPD-1 (5 mg/kg)를 그림과 같은 일정으로 투여하였음. 그 결과 종양의 성장은 aPD-1를 처리한 모든 군에서 유의미하게 지연되었음. 특히, 병용투여군(AH-D + aPD-1)은 대조군(Saline)과 비교하였을 때는 암 부피 및 무게가 대략 20% 수준으로 억제되는 효능을 보여주었음. 주목할 만한 점은 aPD-1 단독투여와 비교했을 때 병용처리군의 경우 종양 부피가 약 44% 수준으로 확인되었음. 이는 AH-펩타이드에 의한 종양 유래 엑소좀의 제어가 aPD-1 면역관문억제제 치료에 상승적인 효과를 이끌어낸다는 것을 의미함.
3. 기대효과
○ AH-D-펩타이드를 기반으로 하는 병용치료제 개발은 기존 병용투여 전략과는 달리 종양 유래 엑소좀 억제를 통해 면역관문억제제가 직면한 한계점 자체를 극복하는 전략이라는 점에서 다른 연구와는 차별된 독창성을 가지며, 우수한 치료 효과 및 안전성을 동시에 보유함. 또한 기존 종양 유래 엑소좀 억제 전략과도 입자의 크기에 따른 막곡률에 의존하여 엑소좀을 파괴하는 막 붕괴 공법 메커니즘으로 차별성을 가지며 이러한 특성이 종양 조직에서 극대화된다는 점에서 독보적인 경쟁력을 가짐. 이를 바탕으로 완제품 생산에 초점을 맞추고 있어, 신약개발 성공률이 낮고 항암제 수입의존도가 높은 국내 의약품 산업에 경제적/사회적 파급효과가 클 것으로 기대 됨.
[그림 1] 종양 유래 엑소좀 붕괴 펩타이드(AH-D-펩타이드)와 aPD-1 항체의 치료 기작 개념도
<그림설명: 항체치료제aPD-1 단독투여의 경우 암세포에서 분비된 exosomal PD-L1에 의해 T 세포의 활성이 감소하여 치료효과가 저해되는 반면, AH-D-펩타이드에 의해 암세포 유래 엑소좀의 기능 억제 시 aPD-1이 T 세포를 효과적으로 활성화시킴에 따라 항종양 면역반응이 극대화됨>
[그림 2] AH-D-펩타이드의 엑소좀 기능 억제 및 종양 성장 억제 효능
<그림설명>
A. 엑소좀 붕괴 효능 평가: AH-D-펩타이드와 동처리시 종양 유래 엑소좀의 70% 이상이 10분 이내로 붕괴되는 것을 확인하였음
B. 종양 유래 엑소좀 기능 억제에 의한 T 세포 활성화 검증: 종양 유래 엑소좀에 의하여 저하되었던 T 세포의 증식 및 활성 마커의 발현이 AH-D-펩타이드에 의해 정상 수준 90% 이상으로 회복됨
C. 동물모델을 이용한 항종양 치료효능 평가: AH-D-펩타이드와 항체치료제 aPD-1 병용 투여 시 면역관문억제제 단독 투여 대비 47% 수준으로 종양의 성장을 지연시킴
D. 종양 유래 엑소에 의해, 폐와 간에 대한 2차 장기에 전이암이 유도되는 것이 확인되었으며, AH-D-펩타이드 투여 시 2차 장기에 대한 전이를 억제함
※ 그림설명 및 그림 제공: 성균관대 박재형 교수
출처: 한국보건산업진흥원
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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