지현배 박사의 샌디에이고 통신 (2)

치료용 암 백신 개발 경향과 향후 전망 (요약)

2010년 미국 식품의약국(FDA)이 처음으로 거세-저항성 전립선암 (Castration-resistant prostate cancer) 환자를 위한 치료용 암 백신인 PROVENGE(sipuleucel-T)를 승인한 이후 다양한 암 백신이 임상 시도를 통해 개발되어 왔다. 신항원(neoantigens)을 포함하는 다양한 종양 연관 항원들에 대한 면역 반응을 분석하고 항원을 효과적으로 전달하는 방법은 암 백신 개발에서 새로운 분야로 떠오르고 있다. 치료용 암 백신은 종양을 감소시키고 잔여 종양을 제거함으로 항종양 기억 면역 시스템을 확립하여 암의 재발을 막고 부작용을 최소화하는 것이다. 이 기고문에서는 암 백신의 종류와 플랫폼 및 저항성 기작을 기반으로 한 최근 병용 치료법들을 분석하고자 한다. 특별히 과거의 백신 개발에서 실패의 원인으로 알려진 종양에 의해 유도되는 다양한 저항성 기작들을 살펴봄으로써 향후 항암 백신 개발의 전략과 방향을 제시하고자 한다.

 

치료용 암 백신의 종류

면역 치료법은 암을 치료하는 기존의 수술, 약물 치료, 방사선 치료와 병용으로 사용될 수 있는 효과적인 항암 치료법으로 자리를 잡았다. 면역 치료에서 가장 발전하고 있는 한 분야로서 개인 맞춤용 암 백신 개발을 포함한 치료용 암 백신은 상당한 의학적 성과를 거두고 있다. B형 바이러스 간염과 인간 유두종 바이러스(human papilloma virus, HPV) 백신 같은 건강한 사람을 보호하는 예방 백신과는 달리 치료 암 백신은 종양 항원을 이용하여 암 환자들의 면역을 자극함으로 종양을 제거하는 백신이다.

면역 치료제들 중 치료용 암 백신은 종양 항원에 특정한 면역 반응을 자극하는 특징을 갖고 있다. 따라서 타깃 항원을 선택하는 것은 백신을 디자인할 때 가장 중요한 요소가 된다. 그중 종양 연관 항원(Tumor-associated antigens, TAA)은 종양에서 비정상적으로 높게 과다 발현되는 자가 항원이다. 자가 항원은 중앙과 주변 관용 (central and peripheral tolerance) 기작을 통해 이를 인지하는 T세포들이 제거되기 때문에 강력한 면역 반응을 자극하기에 충분하지 않다. 따라서 TAA를 이용한 백신은 이러한 면역 관용 기작을 파괴할 만큼 강력해야 그 효능을 기대할 수 있다. 반대로 종양에 특정한 항원(tumor-specific antigens, TSA)은 단백질의 아미노산을 변화시키는 돌연변이(nonsynonymous mutations)와 유전적 변형(genetic alterations)으로 인한 신항원(neoantigens)과 바이러스의 암 발생 유전자들(oncoviral antigens) 이다.

신항원은 공유된 신항원(shared neoantigens)과 개인마다 다른 신항원(private neoantigens)으로 분리된다. 따라서 TSAs는 T세포에 의해 높은 친화성으로 인지되고 종양에 매우 특이적이기 때문에 TAA와는 달리 ‘central tolerance’나 자가 면역 반응이 유도되지 않는다. TAAs와 TSAs의 종류와 종양 특이성 및 central tolerance과 발현 패턴상의 차이는 <그림1> 에서 정리했다.

 

그림1) 치료용 암 백신의 타깃 타입 (=필자제공)
그림1) 치료용 암 백신의 타깃 타입 (=필자제공)

 

백신 전달 플랫폼들

암 백신의 주요한 도전은 항원들을 적절한 장소, 즉 종양에 가까운 2차 림프 기관이나 종양 미세 환경(Tumor microenvironment, TME)으로 전달하는 것이다. 특별히 최적화된 전달 플랫폼을 결정하기 전에 종양의 해부학적인 위치, 치료 전 TME 면역 세포의 프로파일, 백신의 작용 기작과 백신의 생화학적인 특성들을 포함하는 다양한 요소들을 고려해야 한다. 백신 플랫폼은 항원을 직접 주사하는 방식과 수지상 세포 (Dendritic cells, DC)를 통해 전달하는 방식으로 구분할 수 있다.

◇ 직접 주사하는 플랫폼

직접 주사하는 방법은 다양한 접종 경로를 통해 항원을 림프절에 있는 DCs로 전달하는 방식이다. 암 백신의 성공을 결정하는 요소들로는 항원의 타입(MHC-I 나 MHC-II에 제시되는 펩타이드), 항원의 주사량, 면역 증강 보조제 (adjuvant)와 주사 경로들로 정리할 수 있다. 지금까지 종양 항원 전달을 통해 고무적인 면역 반응을 보인 백신의 형태는 DNA, mRNA와 synthetic long peptides(SLPs)로 알려져 있다. 각각의 플랫폼은 강력한 T세포 반응을 유도함으로 종양을 공격하여 제거할 수 있어야 한다(그림2). 암 백신은 종양 항원과 적절한 면역 증가 보조제와 함께 정맥내(intravenous), 근육내(intramuscular), 피하(subcutaneous), 피내(intracutaneous) 또는 림프절 내(intranodally) 경로를 통해 환자에게 직접 접종된다.

 

그림2) 백신을 직접 전달하는 프랫폼
그림2) 백신을 직접 전달하는 프랫폼

 

백신과 비교할 때 DNA 백신은 몇 가지 추가적인 단계를 거쳐서 DC에서 항원이 발현되어 제시되는 반면 펩타이드 백신은 가장 짧은 과정을 거쳐 DC에 전달될 수 있다. 그러나 펩타이드의 MHC-I 제시를 통해 CD8 T 세포를 효과적으로 자극하기 위해서는 펩타이드 백신에 비해 DNA와 mRNA 백신이 적절한 것으로 판단된다. 왜냐하면 DC 표면에서 항원의 펩타이드가 MHC-I를 통해 제시되기 위해서는 항원이 DC안에서 발현되어야 하는데 이런 항원 제시 과정이 최적화되기 위해서는 DNA와 mRNA 형태의 백신이 적절하기 때문이다. 또한 DNA 백신은 주사 부위에 전기 천공 (electroporation)으로 직접 전달될 수 있다. 반면에 mRNA 백신은 리포프렉스 (lipoplexes) 같은 나노입자를 통해 림프절에 있는 DC에 전달될 수 있다.

◇ 수지상 세포를 통한 플랫폼

세포를 통한 전달 방식은 DC 백신으로 알려져 있다. 혈액으로부터 분리되거나 세포 배양을 통해 얻어진 DCs를 면역 보조제로 활성화시켜 TAA나 신항원의 펩타이드를 적재하여 백신으로 사용한다. 또한 mRNA 전기 천공(TriMix DCs), lentiviral 를 통한 항원 전달(SMART-DCs)을 통해 DC 백신을 제조하는 방법이 있다. 또 다른 방법은 DC를 종양 세포와 융합시키거나 종양 세포의 용해물과 세포 배양하는 방법도 사용되고 있다. 현재까지 DC 백신은 몇몇 임상에서 시도되어 왔고 피내, 피하 또는 정맥 주사를 통해 사용되고 있다 (그림 3).

 

백신을 DC 를 통해 전달하는 플랫폼.
백신을 DC 를 통해 전달하는 플랫폼.

 

대부분의 임상에서 사용된 DC 백신은 충분한 수의 DC를 환자로부터 직접 얻을 수 없기 때문에 세포 배양을 통해 분화시킨 monocyte-derived DCs(MoDCs)를 사용하고 있다. MoDCs는 조혈모세포(haematopoietic stem cells, HSCs)나 환자의 혈액이나 제대혈로부터 분리된 단핵구(monocytes)를 conventional type 1 DC (cDC1), cDC2, cDC3 아형들과 plasmacytoid DCs (pDCs) 같은 DC 아형들로 분화시키는 방법들이 사용되고 있다. 이렇게 분화된 DC에 항원을 적재한 후 다시 환자에게 주입하게 된다. 그러나 MoDCs는 백신으로 사용하기 위한 보조 자극 분자들과 항원 제시 기작에 필요한 모든 기능을 갖추고 있지는 않다. 또한 다양한 DC 아형들은 독특한 기능을 갖고 있는 동시에 유사한 기능도 공유하고 있다. 예를 들어 cDC1 아형은 CD8+ T 세포를 활성화시키는데 매우 효과적인 반면 cDC2 아형은 CD4+ T 세포를 활성화시키는 기능을 갖고 있다. 그러나 cDC1s, cDC2s, cDC3s 와 plasmacytoid DCs 같은 아형들이 백신으로서 종양을 제거하는데 어떤 영향을 줄지에 대해서는 비교한 결과가 없기 때문에 향후 추가 연구가 필요한 실정이다. 또한 향후 임상 적용을 용이하게 하기 위해서는 제대혈 세포나 조혈 모세포를 통해 타깃 DC 아형을 대량 생산할 수 있는 세포 배양 시스템을 구축할 필요성이 있다.

 

백신의 효능을 낮추는 저항 기작들

치료용 암 백신을 포함하는 면역 치료에 대한 저항성은 치료에 대한 낮은 반응성 (1차 저항성)이나 치료 후 종양에 의해 유도되는 면역 관용 반응 (2 차 저항성)으로 구분된다. 1 차 저항성을 결정하는 요소들은 2 차 저항성을 유도하는데 관여할 수 있다. 이러한 저항성을 유도하는 기작에 대한 근간은 면역 회피와 관련이 되어 있다. 또한 면역 회피 기작은 종양 자체의 특징으로 유도되는 ‘내재적 저항성(Intrinsic resistance)’과 종양 주변의 기질적 요소들에 의해 유도되는 ‘외재적 저항성 (Extrinsic resistance)’ 으로 나뉠 수 있다 (그림 4).

 

그림4) 백신 치료에 대한 저항성 기작들
그림4) 백신 치료에 대한 저항성 기작들

 

◇ 종양 내재적 저항성

반응하는 T 세포가 1 차적으로 활성화(priming)되기 위해서는 배수 림프절 (draining lymph nodes)에 있는 주사된 항원이 백신 접종 부위에서 있는 DC와 같은 항원 제시 세포에 의해 취해진 후 T 세포를 자극해야 한다. 배수 림프절에서 활성화된 T 세포는 혈액으로 빠져나와서 분비되는 케모카인을 인지하여 종양으로 침투하게 된다. 이때 종양의 내재적인 요소들은 T 세포의 종양 내로의 침투 기능, 항원에 대한 인지 기능과 생존 능력을 낮추어 궁극적으로 암을 제거하지 못하게 한다.

PD-1/PD-L1 inhibitor와 같은 면역 체크포인트 차단제들(Immune checkpoint inhibitors, ICIs), CAR-T 세포와 치료용 암 백신과 같이 T 세포를 기반으로 한 치료법들에 대한 종양 내재적 저항성은 종양 항원 발현이 낮아지거나 사라지는 현상, 항원 처리 경로의 변형과 항원을 T세포에 제시하는 HLA 발현의 손실로 인해 발생하고 이들의 공통점은 암에 대한 T세포의 인지가 손실된다는 점이다. 즉 이러한 조건에서는 더 이상 T세포가 암을 효율적으로 제거할 수 없게 된다. 또한 T 세포에서 발현되는 immune checkpoint receptors에 대한 리간들의 지속적인 발현과TNF 와 IFN-g의 신호전달의 변형으로 발생되는 저항성은 종양을 제거하는 T세포의 기능을 손상시키는 것으로 알려져 있다.

◇ 종양 외재적 저항성

종양 외재적인 저항성은 주로 전신과 국소적으로 산재해 있는 면역 억제 세포들에 의한 면역 억제 반응으로 나타난다. 이러한 면역 억제 세포들은 Treg 세포, 골수 유래 억제 세포(Myeloid derived suppressor cells, MDSCs), 종양의 성장을 촉진시키는 종양 연관 대식 세포(tumour-associated macrophages, TAMs), 암 연관 섬유아세포 (cancer-associated fibroblasts, CAF )와 타입 2 중성구(N2 nutrophils) 등이 있다. 종양 세포들은 직간접적으로 이들 면역억제 세포들을 발달시켜 종양 미세환경에서 면역 억제 조건을 형성함으로 T 세포의 이동과 항종양 기능을 손상시키는데 기여한다. 예를 들어 CAF와 농축된 종양 주변의 기질은 케모카인과 사이토카인들의 발현을 선택적으로 조절함으로 림프절에서 활성화된 T 세포들이 종양으로 이동하는 기능을 손상시킨다. 종양 미세환경에서 CAFs는 IL-6 와 TGFβ를 통해 DC의 이동을 방해한다. M2 대식세포, MDSCs, Treg 세포와 N2 neutrophils는 IL-6 와 IL-10을 분비하여 T 세포의 활성화를 매개하는 DC에 손상을 주고 종양을 제거하는 M1 대식세포와 N1 중성구의 발달을 차단하는 면역 억제 기능을 갖고 있다.

이들 면역 억제 세포들은 PD1 이나 CTLA-4에 대한 리간드의 발현, IL-10, TGFβ 와 VEGF 같은 면역 억제 사이토카인과 arginase 1, inducible nitric oxide synthase (iNOS) 와 활성화 산소(reactive oxygen species)를 생산하여 T 세포의 활성화, 증식과 작용 기능을 방해한다. 면역 억제적인 Treg 세포들과 MDSCs는 ICIs의 효능을 낮추고 DC 백신이 유도하는 항종양 T 세포 반응을 억제하는 것으로 알려져 있다. 또한 NY-ESO-1 종양 백신으로 치료한 후 종양에 Treg 세포와 면역 억제 대식 세포가 침투하면 흑색종의 성장이 유도되는 것으로 보고 되었다. 한편 CAF는 종양 주변의 기질을 재형성하여 DC의 증식과 이동을 차단함으로 T세포의 종양 침투를 막고 대신 MDSC 같은 면역 억제 세포의 종양 침투를 촉진시킨다.

백신을 포함한 면역 치료에 대한 종양의 저항성 기작은 매우 복합적이기 때문에 면역 억제적인 종양 미세환경을 극복하기 위해서는 다양한 형태의 약물 개발이 필요한 실정이다. 즉 위에서 기술한 것처럼 특정 그룹의 환자들에서 관찰되는 저항성 기작들을 동정하는 것이 백신의 효능을 향상시킬 수 있는 적절한 병합 치료법을 선택하는데 핵심적인 요소가 되는 것이다.

 

 

치료용 암 백신의 효능을 향상시키는 병합치료법

CTLA-4, PD-1/PD-L1 inhibitors를 이용한 병용 치료는 치료용 암 백신의 효능을 향상시키는 획기적인 계기를 마련했다. 치료용 암 백신은 주로 T 세포를 자극하고 이 과정에서 immune checkpoint receptors의 발현이 T 세포에서 유도된다. 따라서 이들을 차단하는 ICIs와 암 백신의 병용법은 이러한 면역학적인 기반에 근거하고 있기 때문에 임상적인 효능으로 이어지고 있다. 예를 들어 HPV가 양성인 구인두 편평 세포 암종(oropharyngeal squamous cell carcinomas) 환자를 대상으로 한 임상에서 치료용 HPV-16 SLP 백신은 HPV에 대한 T 세포의 반응을 자극하고 PD-1 inhibitor와 함께 사용할 때 임상 반응이 2 배로 향상된다는 결과가 최근에 보고 되었다.

종양 미세환경에서 형성된 면역 억제 환경을 개선시키는 약물들도 암 백신의 효능을 높이는 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 특별히 in situ vaccines (ISVs) 으로 알려진 약물들은 면역 억제적인 종양 미세환경을 개선시키는 동시에 종양의 사멸을 유도하여 더 많은 종양 항원을 퍼뜨려 종양을 공격하는 다양한 T 세포를 자극할 수 있는 기능을 갖고 있다. 이들 약물들은 TLR와 STING 리간드, FLT3L과 CD40 자극 항체들로 DCs의 호출과 활성화를 유도하여 종양 미세 환경을 개선하는 것으로 알려져 있다. ISVs의 작용 기작은 pattern recognition receptors (PRRs)을 자극하여 종양 미세 환경의 선천성 면역을 자극하거나 종양을 직접적으로 사멸 시켜 Immunogenic cells death (ICD)를 유도함으로 T 세포를 자극하고 기억 T 세포의 형성을 유도하는 것이다.

국소적이고 전신에 걸친 면역을 자극하는 Oncolytic viruses도 ISV 약물로 분리되고 있다. 예를 들어 Talimogene laherparepvec (TVec)는 말기 흑색종 환자를 치료하기 위해 FDA로부터 최초로 허가 받은 유일한 oncolytic virus 치료제이다. 이를 발판으로 coxsackie virus, Newcastle disease virus, adenovirus, poliovirus type 1, reovirus, vaccinia, measles virus 와 flu viruses를 이용한 oncolytic virus 치료제들이 활발하게 개발되고 있다. 향후 이러한 oncolytic virus와 치료용 암 백신들과의 병용 치료가 시너지 효과를 갖을 수 있는 지는 임상을 통해 확인될 것으로 판단된다.

그 밖에 GM-CSF, IL-12, IL-15 와 IL-2 같은 면역 활성화 사이토카인들은 항종양 T 세포와 NK 세포를 효과적으로 자극하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이러한 사이토카인들을 전신에 주입하는 경우 심각한 부작용이 유도되기 때문에 종양 내 직접적인 주사법들이나 종양에만 선별적으로 전달되는 다양한 형태의 치료제들이 개발 중에 있다. 따라서 향후 이러한 종양 미세 환경을 활성화시키는 사이토카인 기반 약물들이 치료용 암 백신의 치료 효능을 향상시킬 수 있는 지는 많은 관심을 받을 것으로 기대되고 있다.

종합해보면 종양 미세환경을 선별적으로 자극하는 약물들은 암 백신과 사용할 경우 시너지 효과가 기대되고 있기 때문에 임상 개발이 매우 활발하게 진행되고 있다 (표). 특별히 환자 맞춤형 병용 치료의 선택을 위한 전략은 차세대 종양 백신의 효능을 향상시키는데 중요한 요소로 인식되고 있다.

표) 단일이나 병용으로 임상진행 중인 In situ vaccine 약물들  Source: ClinicalTrials.gov as of June 2020. BCL, B cell lymphoma; CCRCC, clear cell renal cell carcinoma; CDX-1401, the fusion product of DEC205; CRC, colorectal cancer; FLT3L, fms-like tyrosine kinase 3 ligand; H&N, head and neck; HSV-1, herpes simplex virus type 1; IM, intramuscular; IT, intratumoural; IV, intravenous; NA, not applicable; ND, not declared on ClinicalTrials.gov; NHL, non Hodgkin lymphoma; NSCLC, non-small cell lung carcinoma; ODN, oligodeoxynucleotide; poly-ICLC, polyribinosinic-polyribocytidylic acid, polylysine complex; rhFLT3L, recombinant human fms-like tyrosine kinase 3 ligand; R/R, relapsed or refractory; SBRT, stereotactic ablative body radiotherapy; SC, subcutaneous; SRS, stereotactic radiosurgery; STING, stimulator of interferon genes protein; TLR, Toll-like receptor; Tvec, talimogene laherparepvec; VLP, viral-like particle. a The route of administration of the in situ vaccine.
표) 단일이나 병용으로 임상진행 중인 In situ vaccine 약물들  Source: ClinicalTrials.gov as of June 2020. BCL, B cell lymphoma; CCRCC, clear cell renal cell carcinoma; CDX-1401, the fusion product of DEC205; CRC, colorectal cancer; FLT3L, fms-like tyrosine kinase 3 ligand; H&N, head and neck; HSV-1, herpes simplex virus type 1; IM, intramuscular; IT, intratumoural; IV, intravenous; NA, not applicable; ND, not declared on ClinicalTrials.gov; NHL, non Hodgkin lymphoma; NSCLC, non-small cell lung carcinoma; ODN, oligodeoxynucleotide; poly-ICLC, polyribinosinic-polyribocytidylic acid, polylysine complex; rhFLT3L, recombinant human fms-like tyrosine kinase 3 ligand; R/R, relapsed or refractory; SBRT, stereotactic ablative body radiotherapy; SC, subcutaneous; SRS, stereotactic radiosurgery; STING, stimulator of interferon genes protein; TLR, Toll-like receptor; Tvec, talimogene laherparepvec; VLP, viral-like particle. a The route of administration of the in situ vaccine.

 

향후 전망

면역 치료제와 암 백신은 종양의 면역 회피 기작에 대한 포괄적인 이해를 기반으로 개발될 필요성이 있다. 현재 개발되고 있는 기술의 발전으로 인해 다양한 단계의 암종들에 의해 형성된 종양 미세 환경에서 면역 반응을 조절하는 종양의 내적이고 외적인 저항성 기작을 좀더 면밀하게 검토하는 것이 가능해지고 있다.

특별히 서로 다른 암들이 공유하고 있는 항원 (Shared-antigen) 백신, 전체 종양 용해물 백신과 ISVs는 암 백신의 종류를 다양화시키는 새로운 포맷으로 연구되고 있다. 항원은 peptide, mRNA나 DNA 백신으로 직접 환자에게 주사하여 사용되고 있다.

그러나 이러한 서로 다른 형태의 약물들에 의한 항암 효능과 부작용을 비교하고 분석한 결과들이 충분하지 않은 상황이지만 향후 다양한 임상 개발을 통해 최적화된 약물의 형태가 선택될 것으로 전망된다. 또한 DC 를 통해 다양한 백신들이 적재되어 환자에게 전달하는 접근법도 지속적으로 개선될 것으로 예상된다. 특히 다양한 DCs 아형들을 대량으로 생산하는 시스템의 개발은 각각의 아형들이 갖고 있는 항암 백신으로서의 잠재성을 테스트할 수 있는 토대를 마련하게 될 것이다.

다양한 종양 저항성 기작들을 극복하기 위해서 기존의 약물 치료, 방사선 치료와 ICIs 와 같은 면역 약물과의 병용 치료법들이 개발될 필요성이 있다. 특히 면역 억제적인 종양 미세 환경을 극복하는 차세대 면역 치료제들과 병용하는 전략은 백신의 효능을 높이는 핵심적인 분야가 될 것으로 전망된다. 특별히 종양의 돌연변이로 인한 면역 자극성을 갖고 있는 신항원을 예측하고 이를 암 백신으로 활용하는 접근법이 보여주고 있는 최근 임상에서의 고무적인 결과들을 주목할 필요성이 있다. 이러한 신항원을 암 백신으로 사용하는 방법은 차세대 암 백신의 주요한 분야가 될 것으로 예상되고 있고 종양 미세 환경을 타깃으로 한 면역 치료제와 함께 사용할 경우 그 효능이 향상될 것으로 기대되고 있다.

따라서 신항원을 이용한 암 백신 개발은 향후 개인 맞춤용 치료법으로서 미래의 항암 면역 치료 분야를 주도할 것으로 전망되고 있기 때문에 이 분야를 성공적으로 이끌기 위해서는 지속적인 연구와 투자가 선행될 필요성이 있을 것으로 사료된다.

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