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CAR T-세포 면역치료제의 개발과 현황

추헌수, chuhunsu@gmail.com

(주) 로펠바이오

Key words

Anti-cancer drug, Chimeric Antigen Receptor, T cell, single chain variable fragment

항암제, 키메라 항원 수용체, T 세포, 단일사슬 항체단편

1. 개요

빠르게는 1800년대 말부터 시작된 암세포 치료는 그 역사만큼이나 많은 방법들이 개발된 후 개량되고, 임상시험을 거쳐 적용되어 왔다. 1900년대 초반의 방사선 요법을 거쳐, 1940년대의 화학요법, 그리고 2000년대의 표적 항암제요법을 거쳐오며 그 개선의 역사를 반복해왔던 항암제 기술은 2010년대에 들어오며, 면역관문억제제와 CAR-T로 대표되는, 인체의 면역체계를 강화시켜 부작용을 억제하고, 그 효과를 장기간 지속시킬 수 있는 기술에까지 이르게 되었다.

최근의 암치료 기술은 앞서 언급한 면역관문억제제와 CAR-T로 대표되는 면역세포요법으로 귀결되는데, 암세포가 우리 몸에서 여러 단백질을 만들어 면역반응이 일어나지 않도록 방해하는 작용을 억제하기 위한 목적으로 만들어진 키트루다, 여보이 등의 면역관문억제제는 이미 광범위하게 항암제 시장을 점령하고 있다. 최근에 많은 연구가 집중되고 있는 면역세포요법은 체내의 면역세포를 꺼내어 이를 강화시켜 유전공학적 기술을 이용해 다시 넣어주는 방법인데, 이를 통해 암세포에 대한 세포성 면역을 강화시킬 수 있으며 여기에 이용되는 대표적인 기술이 바로 키메라 항원 수용체(Chimeric Antigen Receptor, CAR) 기술이다.

2010년 이후 다양한 형태의 CAR-T 세포치료제가 개발되어 전세계적으로 수백 건의 임상시험이 진행 중에 있으며 그 결과들이 속속 발표됨에 따라 이에 대한 관심도 높아지고 있다. 본 보고서에서는 현재 개발되고 있는 CAR-T 세포치료제의 구조나 메커니즘, 그 기능 들에 대해 살표보고 현재의 개발 동향과 시장 등에 대해서도 간단하게 살펴보고자 한다. 관련 연구들에 대한 개괄적인 리뷰는 현재 진행중인 CAR-T의 개발 동향을 이해하는데 많은 도움이 될 수 있을 것이다.

2. 주요 내용

2.1. CAR-T 세포란?

1989년 이스라엘 와이즈만 연구소(Weizmann Institute of Science)의 Zelig Eshhar 박사가 PNAS^[1]지에 처음 발표한 CAR-T 세포는 T세포 수용체의 외부 도메인에 암세포에 특징적으로 반응하는 단일사슬 항체단편(single chain variable fragment, scFv)을 결합시켜 T세포가 암세포를 보다 쉽게 인지하여 공격할 수 있도록 만들어진 면역세포를 말한다. CAR-T세포의 구조는 세포 외 표적도메인(Targeting domain), 연결 도메인(linker and spacer domain), 막 관통 도메인(transmembrane domain), 보조자극 도메인(Co-stimulatory domain), 그리고 세포 내 신호전달 도메인(signaling domain)으로 이루어져 있다^[2]. 기본적으로 이러한 구조는 TCR(T cell receptor)과 유사하지만, TCR이 MHC(major histocompatibility complex)에 기반해 외부 항원을 인식하는데 반해, CAR-T 세포의 scFv는 MHC와 무관하게 다양한 외부 항원의 인식이 가능하다. 암에 의한 면역 기피 메커니즘의 핵심이 암세포에 의한 MHC-항원제시능력의 상실이기 때문에, CAR-T 세포의 scFv는 암세포를 제거하는 효율적인 무기를 갖춘 셈이 된다. 다양한 종류의 암세포가 제시하는 항원에 반응하기 위해 scFv는 그 만큼이나 다양성을 갖출 수 있으며 내 외부 구조의 형태나 종류에 따라 , CAR-T 세포의 구조나 형태 및 제작 방법도 다양하다.

2.2. CAR-T 세포의 구조

(1) 세포 외 표적도메인(Targeting domain)

기본적으로 이 영역은 암세포가 지닌 외부 항원에 반응하기 위한 다양한 단일사슬 항체단편(scFv)으로 구성된다. 암세포에 많이 분포하는 HER2, PSMA, CEA 등의 암관련단백질, Lewis Y 같은 당 사슬, GD2 등의 당지질 등이 표적이 될 수 있으며, 정상세포에도 이러한 단백질들이 있음을 감안해 정상세포와의 결합을 방해할 목적으로 돌연변이 유도를 통한 정상세포에 존재하는 표면단백질과의 결합력을 떨어뜨리는 기술도 도입되고 있다^[3,4].

(2) 연결 도메인(linker and spacer domain)

표적 도메인이 CAR-T 세포막과 어느 정도의 여유를 두고 자연스럽게 표적 항원을 인식하기 위한 용도로 도입된 연결 도메인은 주로 CD8a의 hinge 부위나 lgG1 및 lgG4의 Fc 부위가 사용된다. 이들 부위가 off-target 단백질에 대해 친화력이 있는 경우 CAR-T 세포의 안정성 및 효능에 문제가 발생할 수 있기 때문에 앞서 언급한 Fc 수용체와 상호작용을 하는 CH2 부위에 돌연변이를 도입하거나, 아예 CH2를 제거하고 CH3 부분으로만 이루어진 연결 도메인을 사용하는 경우도 많다^[3,5].

(3) 막 관통 도메인(transmembrane domain)

이 부위는 세포막의 연결 도메인과 내부의 신호전달 도메인을 연결하는 역할을 하며, 20여 개의 짧은 소수성 잔기의 아미노산으로 구성되어 있다. 역시 다른 부위와의 결합력을 최소화하기 위한 여러 돌연변이나 CD8a 및 CD28 서열을 이용하는 경우가 많이 보고되고 있다. 막 관통 도메인은 또한 세포 밖의 리간드 인식 부위와 세포 내의 신호전달 도메인을 이온 결합 등을 통해 상호작용이 일어날 수 있도록 조절하는 중요한 기능을 한다.

(4) 보조자극 도메인(Co-stimulatory domain)

보조자극신호가 전달되는 부위로 CD28, 4-1BB, OX40 등 특정 항원을 인지한 CAR-T 세포가 면역반응을 일으키고 자가증식을 하도록 신호를 전달하는 부위를 의미한다. CD28은 IL-2 분비를 촉진하고 T 세포 활성을 향상시키기 위한 목적으로 사용된다. CD28 매개 공동 자극은 림프구의 생존과 증식 규제에 중요하며, 기억 세포와 주효 세포의 확립에 중요한 역할을 한다. OX40의 경우 IL-2의 생산을 강화하고 증식을 지속시킬 수 있다. 4-1BB는 T세포의 반응 신호를 유지할 수 있으며, 이는 T 세포의 생존과 CD8+ 세포의 기억에 중요한 역할을 한다^[6,7].

(5) 세포 내 신호전달 도메인(signaling domain)

CAR은 다른 수용체와 달리 항원을 인식하는 부위와 신호를 전달하는 부위가 연결되어 하나의 폴리펩타이드 사슬을 이루고 있다. 세포 내에서 신호를 전달하는 도메인으로 TCR의 신호전달 사슬인 CD3-zeta가 많이 이용된다. 초기에는 이들을 그대로 이용하는 경우가 많았지만, 최근에는 CAR의 반응성을 향상시키기 위해 CD3-zeta에 포함되어 있는 Immunoreceptor Tyrosine-based Activation Motif (ITAM) 서열의 개수를 늘린 변형된 CD3-zeta를 쓰는 경우도 있다^[3].

2.3. CAR-T 구조의 발전사

CAR-T 세포의 개발은 그 구조 형태에 따라 크게 4세대로 구분되고 있다. 1세대 CAR는 CD3-zeta 즉, CD3의 신호전달 도메인만을 이용하는 방식이었다. 이 경우 표적 사멸과 T세포의 활성화가 세포외 실험에서 그 효능이 입증된 바 있지만, 그 과정에서 충분한 인터루킨-2(IL-2)를 생산하지 못해 외부에서 이를 투여하는 과정이 필요해 그 항암 효능이 제한적이었다^[6,8].

2세대 CAR는 1세대 CAR에 보조자극 도메인에 해당하는 CD28, OX40 및 4-1BB를 추가해 생체 내에서 CAR-T 세포의 증식, 세포독성, 반응성 및 수명 연장 등을 향상시켰다. 2세대 CAR은 그 임상시험에서 1세대 CAR에 비해 뛰어난 임상 결과를 보여줌으로써 신호 전달 도메인의 효과를 입증한 바 있다^{[6, 9]}. 3세대 CAR는 CD3-zeta에 OX40 또는 4-1BB와 같은 공동 자극 도메인을 결합시킨 형태인데, 이를 통해 강력한 사이토카인 생산과 종양 공격 능력을 지니게 되었고, 이어진 임상에서도 2세대에 비해 훨씬 뛰어난 효능을 보여주었다. 하지만, 3세대 CAR의 경우 2세대에 비해 효과는 뛰어나지만, 정상 조직에 대한 부작용 역시 커져가는 단점을 보여 실제 임상에서는 2세대 CAR-T 세포가 보다 많이 사용된다고 한다^{[6, 10]}.

4세대 CAR는 2세대 CAR에 IL-12를 추가한 것이다. IL-12는 heterodimeric 단백질로, 세포 내 병원균에 반응하여 대식세포와 수지상 세포(dendritic cell)에 의해 분비되며 이는 종양부위로의 NK 세포와 대식 세포의 침투를 유도하기 때문에 항암 효과의 증진으로 연결된다^[6,11].

2.4. 혈액암과 고형암에 대한 CAR-T세포치료

현재까지 개발되어 큰 임상적 성공을 거둔 대부분의 CAR-T 세포치료제는 혈액암을 대상으로 한 것이었다. 관련해서 진행중인 임상연구 비중은 림프종이 50%로 가장 많고 이어 백혈병 41%, 다발골수종이 약 9%로 뒤를 잇고 있다.

이에 반해 고형암으로의 기술개발은 미진하다. 이는 고형암의 경우 그 발생 원인이 매우 복잡하고 환자마다 각각의 고유한 변이가 있어 암에 대한 직접적인 항원이나 암과 관련되어 있을 것으로 예측되는 항원을 발견하기가 매우 어렵기 때문이다. 또한 고형암의 경우 고형암에서 분비되는 여러 사이토카인과 주변 세포의 영향으로 T 세포가 활성을 나타내기 어려운 주변조건이 만들어지고 암세포로의 침투도 힘들어져, 고형암에서의 CAR-T 세포치료제의 개발은 아직 갈 갈이 멀다.

2.5. CAR-T의 한계

오래된 일이기는 하지만, 2010년 면역세포 치료제와 관련한 저명한 연구자인 로젠버그 박사가 Her2를 타겟으로 개발한 CAR-T 세포치료제는 전이성 대장암 환자에게 투여된 지 5일만에 사망했고, 얼마전 비교적 안전한 항원으로 알려진 GD2 항원에 대한 CAR-T 세포치료제 역시 마우스 모델에서 치명적인 부작용을 보인 바 있다^[12]. 이처럼 독성 문제에 있어 CAR-T 치료제가 지니고 있는 한계점이 두드러지고 있다. 결국, CAR-T 치료제가 정상 세포를 인식해 공격하는 것이 문제가 될 수 있는데, 이러한 off target을 공격하는 경우, 생명에 치명적일 수 있다.

Off target 이슈 이외에도 CAR-T에 의한 심각한 사이토카인 방출 증후군(CRS)에 대한 보고가 여러 건 보고된 바 있다. 대표적으로 CRS는 anti-CD19 CAR-T 세포를 이용하여 치료한 환자의 약 80%에서 발생하였다는 보고가 있는데^[13], 대부분이 종양의 크기와 관련해 매우 부정적인 영향을 주었다. 이들로 인해 혈관 내피 세포와 다른 세포들에 의해 방출되는 전-염증성 사이토카인의 대량 방출로 인해, 복합장기부전과 대식세포의 과활성화가 유도되기 때문이다.

또한, 고형암에는 백혈병이나 림프종과는 달리 CAR-T의 활성을 억제하는 면역억제 미세환경(immune-suppressive microenvironment)이 존재하며 신생혈관과 종양을 구성하는 섬유조직 때문에 CAR-T가 종양세포에 접근하기 어려운 경우도 많다. CAR-T가 종양으로 침투하더라도 종양의 미세환경에서 형성된 다양한 면역 억제 메커니즘에 의해 T세포들이 제대로 역할을 하지 못하는 경우가 많다. 현재는 앞서 언급한 이러한 문제들을 해결하기 위한 여러 시도가 ‘차세대 CAR-T’ 라는 이름으로 연구 개발되고 있다.

2.6. 차세대 CAR-T

기존 CAR-T 세포치료제의 문제점을 극복하기 위해 특정한 타겟 항원에 대한 CAR-T 치료제를 개발하고자 하는 경우는 타겟으로 하는 항원의 암세포 특이성을 매우 신중하게 검증하거나, 최근 각광을 받고 있는 면역관문수용체 저해제인 키트루다, 옵디보 등의 항체 또는 항암바이러스와 CAR-T 치료제를 병용투여하여 CAR-T 치료제의 약효를 개선하고자 하는 시도가 진행 중이다. 비록, 이러한 시도가 혈액암 환자를 대상으로 하고 있으며 고형암에 대한 연구는 아직 진행이 많이 더딘 편이기는 하지만 말이다. 또한, CRISPR/CAS9, TALEN 등의 유전자 편집 기술과 특정 단백질의 과발현 또는 발현억제 등을 이용해 CAR-T 세포가 고형암 조직 내로 효과적으로 접근하도록 유도하는 기술 등이 집중 연구되고 있다.

이와 관련해, 4차 산업혁명 시대에 어울리는 자율주행 CAR-T(암세포가 특징적으로 분비하는 물질(eg. CCL2)을 인지하는 수용체(eg. CCR2)를 T세포 표면에 발현시킨다면, CAR-T가 암세포를 더 잘 찾아가서 더 선택적으로 공격할 수 있으리라는 컨셉), 정상세포를 공격하거나 발현을 조절할 수 있는 안전장치를 추가한 Tandem CAR-T(Conditional CAR-T가 서로 다른 2개의 Extracellular Domain이 서로 다른 2개의 Tumor Specific Antigen에 결합하여 양쪽의 Signal을 한 개씩 받도록 설계되었다면, Tandem CAR-T는 서로 다른 2개의 Extracellular Domain이 동시에 활성화되어야 신호전달이 이루어지는 구조(Bispecific)를 가짐), CAR-T의 특징인 고비용을 탈피하기 위해 자가 유래의 T 세포가 아닌 타인 유래의 T 세포를 이용해 그 비용을 낮추려는 Universal CAR-T 등에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.

또한, 저분자화합물을 이용하여 CAR를 자동적으로 turn off 하는 기능이 탑재된 CD33-CAR-T세포 치료제(Ziopham Oncology), 전립선 줄기세포 항원(prostate stem cell antigen)와 저분자화합물이 모두 CAR-T에 결합할 때만 활성화되는 PSCA--CAR-T세포 치료제(Belicum Pharmaceuticals), Rituximab를 사용해 CAR-T의 사멸을 유도하는 BCMA, TACI- CAR-T세포 치료제(Autolus)와 같은 스위처블(switch) CAR-T 세포치료제의 개발도 지속적으로 진행되고 있다.

이 이외에도 Off the shelf CAR-T 개발도 계속해서 진행되고 있다. 현재, CAR-T 세포치료제의 가격이 1회에 5억 가까이 드는 상황에서 이 비용을 내리기 위한 시도가 계속 진행중이다. 비용이 많이 드는 이유는 환자의 혈액에서 T 세포를 추출한 뒤 암세포를 인식할 수 있는 항원을 주입하고, 증식시킨 다음 이를 다시 환자의 몸 속에 넣는 방식을 취해 맞춤형 치료가 이루어지고 있기 때문이다. 따라서 이를 타인의 T세포를 이용해 치료가 가능하게 만들면 관련 치료 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 이를 위해 Allogenic 치료제의 개발이 중요하며 관련해서 유전자 편집기술과 NK 세포를 이용한 여러 임상이 진행 중에 있다.

2.7. CAR-T 치료제의 시장 동향

현재까지 상용화된 CAR-T 세포치료제는 노바티스가 2017년 출시한 킴리아(Kymriah), 길리어드가 2017년과 2020년에 출시한 예스카타(Yescarta)와 테카투스, 그리고 BMS에서 2021년 올해 출시한 브레얀지 등이 있다.

킴리아는 CD-19를 표적으로 하며, 환자의 혈액에서 채취한 T 세포에 렌티바이러스(Lenti-virus)에 의해 CD-19를 표적으로 한 키메라수용체를 도입하는 방법으로 노바티스와 펜실베니아대의 공동 연구로 개발된 바 있다. B 세포 전구체 급성 림프구 백혈병, 확산성 대형 B 세포 림프종(DLBCL) 등을 대상으로 하며 매우 뛰어난 임상 결과로 놀라운 효과를 보여주었지만, 1회 치료비용이 약 5억원 정도로 가격이 너무 높다는 단점이 있다.

예스카타 역시 CD-19를 표적으로 하며, 미만성 거대 B 세포 림프종(Diffuse large B-cell lymphoma, DLBCL) 환자를 타겟으로 한다. 처음 개발은 Kite Pharma에서 이루어졌으나, 이후 이 회사가 Gilead Sciences Inc.사에 매수되어 길리어드사에 의해 출시되었다. 임상에서 킴리아와 마찬가지로 뛰어난 효과를 보이고 출시된 바 있지만, 역시 1회 치료 비용이 너무 많이 든다는 문제가 존재한다. 테카투스 역시 길리어드에 의해 개발되었으며 2020년 7월 FDA 승인을 거쳐 B세포성 비호지킨성 림프종(NHL)환자들을 대상으로 사용되고 있다.

브레얀지는 백혈구의 일종인 T세포를 환자에게서 추출, 림프종 세포 표적화 및 사멸을 촉진하는 새로운 유전자를 포함하도록 변형시킨 다음 환자에게 다시 주입하는 방식으로 이전에 CD19 표적 CAR-T 세포 치료제를 두 가지 이상의 전신요법으로 치료받은 경험이 있는 재발성 또는 불응성 거대B세포림프종 환자를 대상으로 한다. 임상 3상에서 , 브레얀지에 대한 전체반응률(ORR)은 73%, 완전관해(CR) 54%, 무진행생존기간(mPFS)은 6.8개월, 그리고 전체생존율(OS)은 21.1개월이었다^[14].

전반적으로 CAR-T 세포치료제 시장은 2017년 전세계적으로 7,200만 달러 규모의 시장을 형성한 이래 연평균 54%가량 성장을 거듭해, 2028년에는 83억 달러 규모를 형성할 것으로 예측되고 있다^[2]. 세계적으로 앞서 언급한 노바티스, 길리어드, BMS와 같은 글로벌제약사들에 의해 관련 시장이 형성되고 있으며 국내에서는 아직 자체개발한 CAR-T 세포치료제가 허가 받은 사항은 없지만, 관련 연구 개발이 계속해서 이루어지고 있다.

대표적으로 녹십자랩셀이 다른 사람 유래의 NK세포에 의한 CAR-T를 개발해 임상 1.2상을 진행 중에 있으며 큐로셀이 자가 T세포를 이용해 국내 기업 중 최초로 재발성·불응성 거대 B세포 림프종 환자를 대상으로 한 CAR-T 세포치료제의 임상 1상을 승인받았고, 첫 환자 투약을 시작으로 임상 2상 시험까지 진행할 예정이다. 앱클론은 자가 T세포를 이용해 “유니버셜 CAR-T 시스템”을 확보한 후 전임상을 진행 중에 있다.

3. 결론

현재, 면역관문억제제와 더불어 다양한 종류의 면역세포 치료 기술이 개발되어 다양한 암을 대상으로 단독, 혹은 다른 치료제와 병용으로 투여되거나 임상 시험 중에 있다. 암을 치료하기 위해 외부의 약물을 사용하는 대신 인체가 지닌 선천적인 면역기능을 강화시켜 이를 암치료에 이용하겠다는 개념은 어찌보면 암을 치료하는 가장 건강하고 슬기로운 해결책이 될 수 있을 것이다. 물론, 이를 실제 치료제로 개발해 암을 치료하는데 이용하기 위해서는 아직 해결해야할 많은 문제점이 있다. 그 문제점으로는 고형암에서의 CAR-T의 치료 효율을 떨어뜨리는 장애물의 극복, 세포 독성과 관련해 CAR-T가 암세포에만 발현되는 것이 아닌 신체의 중요 기관에서도 발현될 수 있는 표적 항원으로 인해, 심장, 간, 뇌 등 정상적인 조직을 공격할 수 있다는 점, 과도한 치료 비용이 소모된다는 점 등이 있다.

하지만, 이에 반해 그 장점도 매우 뚜렷하다. 실제 혈액암 환자에서 CAR-T 치료제가 보여주었던 뛰어난 치료 효과는 세계적인 관심을 불러일으키기에 충분했다. 또한, 현재 다양한 연구진에 의해 진행되고 있는 CAR-T 기술개발과 임상시험 결과는 면역세포를 이용한 암 치료 분야에 대한 우리의 지식과 경험을 증진시키는데 많은 도움이 되고 있다. 이러한 개발 속도에 비추어 머지않아 CAR-T 기술의 단점을 극복할 수 있는 새로운 기술이 출현하기를 기대해본다.

References

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