지현배 박사의 샌디에이고 통신 [3]

신항원 암백신 개발 현황과 전망 (요약)

지난 10여년 동안 면역 치료는 다양한 면역 체크포인트 차단제들과 CAR-T 세포 치료제의 임상허가로 인해 암 치료제 분야에서 놀라운 변화를 주도하고 있다. 암 면역 치료에서 주목할 필요성이 있는 또 다른 분야는 종양의 돌연변이를 인지하는 T 세포를 선별적으로 자극하는 신항원 (neoantigens) 암 백신 개발이다. 이 분야는 개인마다 서로 다른 종양의 돌연변이 정보를 바탕으로 신항원을 선택한다는 면에서 개인 맞춤화 치료제의 개념을 적용할 수 있는 특징을 갖고 있기 때문에 암치료제 개발에서 주목을 받고 있다. 흑색종을 포함하는 일부 암 환자를 대상으로 한 초기 임상 결과들은 신항원이 종양에 특정한 면역 자극성과 항종양 작용을 갖고 있음을 보여주고 있다. 이런 고무적인 임상 결과들은 신속하고 저렴한 비용을 바탕으로 한 종양 유전체의 시퀀싱과 바이오인포매틱스 기술의 발전을 통해 개인 맞춤형 신항원 암 백신 개발의 잠재성을 보여주고 있다. 또한 개인 맞춤형 신항원 암 백신의 효능을 테스트하기 위해 현재 진행되고 있는 임상 시도들의 현황을 살펴보고 차세대 개인 맞춤 치료제로서 신항원 암백신 개발에서 고려해야할 사안을 제안하고자 한다.

 

신항원의 개념

종양 세포에서는 다양한 돌연변이가 발생하고 이들 중 T세포를 자극하는 에피톱을 신항원 (neoantigens)으로 정의할 수 있다. 신속하고 저비용으로 최근 빠르게 발전하고 있는 차세대 시퀀싱 기술은 각각 환자의 종양에만 선별적으로 발견되는 돌연변이의 분석을 가능하게 했다. 또한 신항원이 MHC class I (MHC I)에 붙는 지 여부를 예측하는 알고리즘 개발도 T 세포를 자극하는 신항원을 좀더 정확히 선별할 수 있을 정도로 발전하고 있다. 따라서 이러한 관련 기술들의 발전은 개인 맞춤형 신항원 암백신의 임상 적용을 다양한 암종으로 확대하고 적용하는데 중요한 역할을 하고 있다.

암 백신으로 사용되어왔던 종양 연관 항원(tumor-associated antigens, TAAs)과 비교해 볼 때 신항원은 다음과 같은 장점이 있다. 첫째, 신항원은 종양에서만 선별적으로 발현되기 때문에 종양에 특정한 T 세포의 반응을 유도할 수 있다. TAA 는 종양이외에 정상적인 세포에서도 발현되기 때문에 ‘off-target’ 손상을 유도할 수 있는 반면 신항원은 이를 피할 수 있다. 둘째, 신항원은 돌연변이로 인해 새롭게 형성된 항원이기 때문에 자가 항원이 유도하는 센트럴 관용 (central tolerance)을 극복하여 종양에 대한 선별적인 면역 반응을 유도할 수 있다. 따라서 개인 맞춤형 신항원을 기반으로 한 암백신은 종양을 선별적으로 공격하는 면역 반응을 유도할 수 있는 것이다. 또한 신항원으로 자극된 T 세포들은 우리 몸에서 오랫동안 존재하여 기억 세포들로 분화하기 때문에 재발을 방지할 수 있는 대안이 될 수 있다. 그러나 높은 비용과 개인 맞춤용 백신 제조에 따르는 시간의 지연과 최적화된 신항원 전달 플랫폼의 부족은 아직도 해결해야할 과제로 남아 있다.

 

인실리코 신항원 예측 모델

특정한 체세포 돌연변이를 동정하기 위해서는 종양 생검 표본과 정상 조직 샘플(주로 혈액 단핵 세포)을 환자로부터 분리해 전체 액솜 (whole exome) 시퀀싱을 통해 종양과 생식선 (germline) DNA 시퀀스를 비교해야 한다. 추가적으로 RNA 시퀀싱은 돌연변이 유전자들이 실제로 암 세포에서 발현되고 있음을 확인하기 위해 사용한다. 종양의 타입에 따라 서로 다른 빈도의 종양에 특이적인 돌연변이가 동정된다. 그러나 모든 돌연변이가 T 세포들에 의해 인지되는 신항원이 될 수 있는 것은 아니다. 왜냐하면 돌연변이가 발현되어 형성된 모든 에피톱이 T 세포를 자극하는 HLA 분자에 붙어 복합체(HLA-peptide complex)를 형성하는 것이 아니기 때문이다. 현재 HLA class I 유전자들 (HLA-A, HLA-B 과 HLA-C)은 16,000 개가 넘는 대립유전자 (alleles)로 존재한다. 따라서 면역 자극적인 신항원을 예측하기 위해서는 환자의 HLA 타입을 우선적으로 정확하게 동정해야만 한다.

MHC-I 에 부착되는 에피톱은 컴퓨터 프로그램을 이용하여 예측하고 중간에서 강한 정도의 HLA 친화성 (IC50 < 150 nmol/l) 이 CD8+ T 세포의 반응을 유도할 것으로 알려져 있다. MHC-I 에 의해 제시되는 에피톱을 예측하는 다양한 컴퓨터 프로그램들이 개발되어 왔고 이러한 알고리즘은 펩타이드의 MHC-I에 부착되는 친화성 데이타를 기반으로 훈련된 AI 라 할 수 있다. 따라서 좀더 많은 데이터가 축적되면 그 예측의 정확성은 높아질 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 이렇게 예측된 에피톱이 종양 세포나 항원제시 세포의 표면에서 MHC-I 에 의해 제시되어 CD8+ T 세포의 반응을 효과적으로 유도한다는 것을 의미하지는 않는다. 왜냐하면 MHC-펩타이드 복합체를 인지하는 T cell receptor (TCR) 을 발현하는 T 세포들이 특정 환자에서는 매우 낮거나 존재하지 않을 수도 있기 때문이다.

현재 에피톱을 예측하는 모델은 대부분 CD8+ T 세포를 자극하는 MHC I 에 부착되는 에피톱에 초점을 맞추고 매우 활발하게 개발되고 있다. 반면에CD4+ T 세포를 자극하는 MHC-II 에 부착되는 에피톱을 예측하는 모델은 상대적으로 그 발전이 느린 실정이다. MHC-I 에서 에피톱이 부착되는 부위는 8 개에서 11개의 아미노산이 위치하도록 그 공간이 제한적이다. 반면에 CD4+ T 세포를 자극하는 MHC-II 에서 에피톱이 부착되는 부위의 끝 쪽은 열려져 있어 좀더 길고 다양한 길이의 펩타이드들이 부착된다. 이러한 구조적인 특성으로 인해 MHC-II 에 부착되는 펩타이드의 패턴은 일정하지 않기때문에 이를 동정하고 예측하는 것은 쉬운 작업이 아니다. 그러나 MHC-II 에피톱은 신항원 암 백신을 디자인하고 임상에 적용할 때 함께 사용되어 왔다. 흥미롭게도 MHC I 에 부착되는 것으로 예측된 CD8+ T 세포 펩타이드는 좀더 길게 디자인되는데 그 이유는 실제보다 긴 길이의 펩타이드가 항원제시 세포들에 의해 잘려지면 CD8+ T 세포를 효과적으로 자극할 수 있기 때문이다. 따라서 이런 긴 형태의 펩타이드 디자인은 MHC-II 에 부착되어 CD4+ T 세포를 자극하는 에피톱을 선택할 때도 적용되고 있다. 실제로 한 임상에서 CD4+ T 세포를 자극하는 각각의 펩타이드에 대한 반응은 CD8+ T 세포를 자극하는 펩타이드에 의해 유도되는 면역 반응과 견줄만 했다. 이런 결과는 신항원을 디자인할 때 MHC-II 의 구조로 인해 좀더 다양한 선택의 폭을 넓힐 수 있는 CD4+ T 세포를 자극하는 펩타이드의 사용을 고려할 필요성이 있음을 의미한다.

면역학적으로 MHC-II 에 부착되는 펩타이드에 의해 CD4+ T 세포가 활성화되면 CD8+ T 세포를 도와 종양을 효과적으로 제거할 수 있게 된다. 즉 CD4+ T 세포를 활성화시키는 신항원이 CD8+ T 세포를 자극하는 신항원과 함께 사용되면 종양 제거에서 시너지 효과를 기대할 수 있게 되는 것이다. 백신이 유도하는 항종양 면역 반응에서 CD4+ T 세포는 다양한 기능을 갖고 있다(그림 1). 예를 들어 CD4+ T 세포는 수지상 세포와의 상호작용을 통해 항원 제시 기능을 향상시켜 종양을 제거하는 역할을 하는 CD8+ T 세포의 기능을 강화시킨다. 이 과정에서 CD4+ T 세포는 IFN-g 나 TNF 같은 다양한 사이토카인을 분비하여 항종양 면역 반응을 자극하고 조절한다. 또한 CD4+ T 세포는 대식 세포와 같이 항종양 기능을 갖고 있는 면역 세포를 종양 미세 환경으로 호출하는 기능도 수행한다. 흥미롭게도 신항원으로 활성화된 CD4+ T 세포는 MHC-II 를 높게 발현하는 종양을 직접 제거할 가능성도 있다. 종합해 보면 향후 신항원 암 백신분야에서 CD4+ T 세포를 자극하는 MHC-II 부착 펩타이드를 예측하는 모델은 좀더 활발하게 개발될 것으로 전망된다.

 

(그림 1) 치료용 암 백신 주사에 따르는 신항원에 특정한 CD4+T 세포의 역할
(그림 1) 치료용 암 백신 주사에 따르는 신항원에 특정한 CD4+T 세포의 역할

 

신항원 백신 치료 시 고려해야 할 점들

암 백신 개발에서 중요한 분야는 신속하고 효과적인 제조를 통해 적시에 환자에게 백신을 투여하는 것이다. 펩타이드, RNA, DNA 와 바이러스 벡터와 수지상 세포 (Dendritic cells, DCs)를 포함하는 서로 다른 형태의 백신 포맷이 시도되어 왔지만 환자를 대상으로 그 효능을 비교한 임상 결과들은 매우 부족한 실정이다(그림 2). 각각의 포맷은 장단점을 갖고 있기 때문에 제조에 걸리는 시간과 임상 적용을 위한 용이성 및 효능적인 측면에서의 비교를 통해 적절한 백신 포맷을 선택할 수 있도록 도와주는 추가 연구들이 진행될 필요성이 있다.

백신 요법을 디자인하기 위해서는 다양한 요소들을 고려해야 한다. 샘플 채취 후 개인 맞춤 형 신항원을 제조하는데 걸리는 시간은 암이 전이된 환자들을 치료할 때 매우 핵심적인 요소가 된다. 제조 시간은 백신 플랫폼의 종류에 따라 다를 수 있다 (그림 2). 또한 개인화된 백신이 디자인되고 제조될 동안 환자의 면역 시스템을 활성화시키기 위해 병용 치료제와 전달 방법들을 고려해야 한다. 이런 점에서 immune checkpoint inhibitor (ICI)는 신항원 암 백신 사용 시 중요한 선택으로 고려되고 있다. 생쥐를 이용한 실험에서 PD-1 차단제와 치료용 암 백신을 동시에 사용하면 면역 시스템이 활성화되어 종양의 성장이 조절되었다. 동일한 모델에서 백신을 주사하기 전에 PD-1 차단제를 우선 사용하면 기능이 손상된 T 세포들이 증가하고 이런 현상은 면역 치료의 실패로 이어졌다. 임상에서도 PD-1 차단제에 저항성을 보인 환자들은 치료 효능을 보인 환자들에 비해 이런 기능이 손상된 T 세포들의 높은 빈도가 보고되었다. 따라서 치료 백신과 ICI 를 이용하여 병용 치료를 할 때는 치료제들의 적절한 사용 순서를 동정할 필요성이 있다.

 

그림 2) 치료용 신항원 백신 치료 시 고려해야할 사안들FLT3L, Fms-related tyrosine kinase 3 ligand; GM-CSF, granulocyte–macrophage colony-stimulating factor.
그림 2) 치료용 신항원 백신 치료 시 고려해야할 사안들FLT3L, Fms-related tyrosine kinase 3 ligand; GM-CSF, granulocyte–macrophage colony-stimulating factor.

 

또 다른 고려해야 할 요소는 백신 주사의 루트와 추가적인 백신의 횟수이다. 암이 재발하는 경우 종양 DNA 시퀀싱은 반복될 수 있다. 왜냐하면 백신이 장기간에 걸쳐 효과가 없는 이유를 이해하고 새로운 대체 신항원을 동정하기 위해서이다. 또한 종양 재발의 경우 백신이 유도하는 T 세포 반응을 혈액과 종양 샘플을 통해 면밀히 조사하고 그 정보를 바탕으로 다음 치료제를 선택하는데 활용할 수 있다.

 

임상 개발 중인 신항원 암 백신

맞춤형 신항원 암 백신을 테스트하는 초기 임상 시도들은 모든 종양이 수술적으로 제거되고 더 이상의 추가적인 표준 치료가 없는 암 환자를 대상으로 진행되었다. PD-1 이나 PD-L1 을 타깃하는 ICIs는 다양한 암을 치료하는데 효과를 보이고 항종양 작용이 종양 미세 환경에서 이미 존재하는 T 세포 반응에 의존적이라는 점을 고려할 때 PD-1 이나 PD-L1 차단제와 함께 개인 맞춤형 신항원 백신을 테스트하는 것은 논리적으로 타당성이 있다. 즉 신항원 백신을 통해 T 세포가 활성화 되고 종양 미세환경으로 이동하면 PD-1 이나 PD-L1 차단제는 T 세포의 종양 제거 기능을 향상시킬 것으로 기대되기 때문이다. 신항원 암 백신 치료를 하고 있는 중이나 이후 종양이 진행되는 흑색종 환자들을 PD-1 차단제로 치료했을 때 완전 관해가 관찰된 결과는 ICIs 와 신항원 백신의 시너지 효과를 보여준 것이다. 그러나 PD-1 차단제를 이용한 단일 치료도 전이성 흑색종 환자에서 산발적으로 완전 관해가 관찰된다는 점에서 향후 충분한 수의 환자를 대상으로 한 임상 시도를 통해 병용 치료의 시너지 효과를 확인할 필요성이 있다. 이런 점에서 현재 다양한 종양 환자를 대상으로 진행 중인 개인 맞춤형 신항원 암백신을 기반으로 한 치료는 PD-1, PD-L1 나 CTLA4 차단제들을 함께 이용한 병용 치료법이다 (표).

CRC, colorectal cancer; ctDNA, circulating cell-free tumour DNA; DFCI, Dana-Farber Cancer Institute; HNSCC, head and neck squamous cell carcinoma; HSP70, heat shock protein 70; iNeST, individualized neoantigen specific immunotherapy; MSS, microsatellite stable; NA, not applicable; NSCLC, non-small-cell lung cancer; PDAC, pancreatic ductal adenocarcinoma; poly-ICLC, polyinosinic–polycytidylic acid–poly-l-lysine carboxymethylcellulose; RCC, renal cell carcinoma; SLP, synthetic long peptides; SoC, standard of care; TKI, tyrosine kinase inhibitor; TNBC, triple-negative breast cancer. a For trials with reported data only
CRC, colorectal cancer; ctDNA, circulating cell-free tumour DNA; DFCI, Dana-Farber Cancer Institute; HNSCC, head and neck squamous cell carcinoma; HSP70, heat shock protein 70; iNeST, individualized neoantigen specific immunotherapy; MSS, microsatellite stable; NA, not applicable; NSCLC, non-small-cell lung cancer; PDAC, pancreatic ductal adenocarcinoma; poly-ICLC, polyinosinic–polycytidylic acid–poly-l-lysine carboxymethylcellulose; RCC, renal cell carcinoma; SLP, synthetic long peptides; SoC, standard of care; TKI, tyrosine kinase inhibitor; TNBC, triple-negative breast cancer. a For trials with reported data only

신항원 암 백신의 임상적 효능은 미미하지만 신항원 암 백신의 초기 임상 시도에 대한 분석은 강력한 면역 자극성과 종양을 선별적으로 제거하는 증거는 신뢰할 만한다. 펩타이드와 poly-ICLC 백신인 NEO-PV-01과 RNA–lipoplex vaccine RO7198457를 이용한 임상 Ib 에서 신항원에 특정한 CD4+ T 와 CD8+ T 세포의 반응이 관찰되었다. 또한 이 두 임상에서 신항원에 의해 자극된 T 세포들이 전이성 종양으로 이동한다는 것도 확인되었다. NEO-PV-01 임상에서는 종양의 사멸에 따라 종양에서 파생된 에피톱들이 다른 T 세포를 자극하는 현상 (epitope spreading)과 백신 접종 후 병리학적인 반응은 무진행생존 (progression-free survival, PFS) 과 연관성을 갖고 있었다. 이런 결과에도 불구하고 T 세포 반응은 세포 배양 에세이에서 일관성 있게 관찰되지 않았고 주사 된 대부분의 신항원 에피톱들은 T 세포 반응을 효과적으로 자극하지 못했다. 또한 특정 신항원에 의해 자극된 대부분의 T 세포들은 관찰되었지만 단지 낮은 빈도의 반응들이 유도되었다. 따라서 신항원 암 백신 연구에서 개선할 필요성이 있는 분야는 T 세포 반응들, 특히 CD8+ T 세포의 반응과 증식을 향상시킬 수 있는 방법을 개발하는 것이다. 이러한 목적을 위해 항원 제시 세포의 기능과 림프절에서 T 세포의 반응을 최적화시키는 보완요법이 활발히 연구되고 있다(그림 2). 앞에서 언급한 CTLA-4 와 PD-1 차단항체와 같은 ICIs 뿐 아니라 CD40와 같은 면역 보조 자극 수용체에 대한 작용제, TLR 작용제와 granulocyte–macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) 와 Fms-related tyrosine kinase 3 ligand (FLT3L)와 같이 수지상 세포의 발달과 기능을 향상시키는 성장인자들도 보완요법으로 사용되고 있다.

분야에서 개인 맞춤형 신항원 암백신의 임상 효능을 향상시키려는 시도들이 이어지고 있다 (그림 3). 예를 들어 타깃 신항원들을 동정하는 것은 좀더 발전된 예측 알고리즘의 개발을 통해 향상될 수 있다. 또한 다양한 백신 전달법과 주사량 및 스케줄은 항종양 면역 반응을 최적화시키기 위해 임상 개발 중에 있다. 특히 신항원 암 백신에 의해 유도되는 면역 반응을 분석하는 것은 백신 디자인과 전달 방식을 발전시키고 있다. 예를 들어 ELISpot 은 신항원에 자극에 대한 T 세포 반응의 정도를 측정하고 single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) 분석은 면역 반응을 분자 수준에서 해석하는데 유용한 방법으로 사용되고 있다.

 

그림 3) 알고리즘을 기반으로 한 신항원의 동정과 임상 사용에 따르는 면역 반응 측정을 위한 에세이 방법들 MHC II, MHC class II; MS, mass spectrometry; scTCR, single-cell T cell receptor; SFC, spot-forming cell; SNV, single-nucleotide variant.
그림 3) 알고리즘을 기반으로 한 신항원의 동정과 임상 사용에 따르는 면역 반응 측정을 위한 에세이 방법들 MHC II, MHC class II; MS, mass spectrometry; scTCR, single-cell T cell receptor; SFC, spot-forming cell; SNV, single-nucleotide variant.

 

신속하게 종양에 특이적인 돌연변이를 찾아내고 분석하는 기술의 발달은 신항원 암 백신 개발을 발전시키는 동력을 제공하고 있다. 초기 임상에서 개인 맞춤형 신항원 백신은 제작이 가능하고 암 환자에게 안전하게 전달될 수 있음을 보여주었다. 새롭게 개발된 면역 분석 에세이 방법들은 신항원 암 백신이 T 세포를 자극하고 그 반응을 유도하여 종양으로 이동시킬 수 있음을 보여주었다. 신항원 예측 알고리즘은 대부분 MHC-I 에만 집중되어 있지만 항종양 면역 반응, 특히 종양을 제거하는 CD8+T 세포의 기능을 최적화시키는 CD4+ T 세포도 중요한 만큼 MHC-II 에 부착되는 신항원을 예측하는 알로리즘도 향후 활발하게 개발될 것으로 전망된다. 또한 다양한 백신 전달 플랫폼들과 병합 치료법들이 활발하게 개발 중에 있다. 이러한 활발한 연구와 임상시도는 궁극적으로 좀더 효과적이고 그 효능이 지속가능한 종양 특이적인 면역 반응을 유도하는 신항원 암 백신 개발을 더욱 가속화시킬 것으로 전망된다.

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