▲ 김보라 Ph.D. (University of Pennsylvania)
최초의 CAR-T 세포 치료제 '킴라이아'는 2012년 8월 암 치료를 위한 CAR-T 치료제 개발을 목표로 Novartis와 University of Pennsylvania가 연구공동체를 설립해 개발한 치료제다.
 
이 치료제가 개발된 University of Pennsylvania의 Center for Cellular Immunotherapies에서 1년 가까이 연구원으로 근무하며 CAR-T분야에 대해 많이 배웠고, 이렇게 배운 내용들을 짧게나마 독자들과 나누고 싶은 마음으로 이 글을 쓰게 됐다.

먼저 입양 세포치료부터 설명하도록 하자.
 
입양 세포치료(adoptive cell therapy)는 이미 종양에 대한 면역기능을 가진 세포를 환자의 몸에 투여하는 치료 방식이다. 입양 세포치료제는 사용되는 면역세포 및 제조 공정에서 세포 내로 도입되는 유전자의 특징에 따라 종양침윤 림프구(tumor infiltrating lymphocytes, TIL), T세포 수용체 (T cell receptor, TCR), 키메릭항원수용체(chimeric antigen receptor, CAR) 세포치료제, 또 항체를 활용한 치료법인 이중특이성 항체(bispecific antibodies)와 체크포인트 억제제(checkpoint inhibitors) 등으로 나뉜다.

이에 지금까지 구현된 CAR-T 기술의 문제점이나 한계, 그리고 이를 극복하기 위한 여러가지 노력과 시도에 대해 소개하려 한다.

CAR-T를 기반으로 한 종양 치료제 개발을 위해서 우선적으로 해결해야 하는 부분이 안정성 또는 독성이다. 우수한 효능으로 치료제가 없는 악성 B세포 림프종 치료 패러다임을 바꾼, CD19 CAR-T세포이지만, 잘 알려진 대로 CAR-T의 두 가지 부작용, 즉 사이토카인 방출 증후군(cytokine release syndrome, CRS)과 신경독성(neurotoxicity)을 갖는다.

우선 사이토카인 방출 증후군(CRS)을 살펴보면, 이식된 CAR-T가 타깃을 만나서 활성화될 때 여러가지 사이토카인 (예로, interleukin-6 또는IL-6, tumor-necrosis factor-alpha 또는 TNF-alpha나 interferon-gamma, IFN-gamma)이 나오게 된다. 과도하게 분비된 사이토카인은 여러가지 증상을 일으키는데, 알려진 CRS의 증상으로는 가볍게는 인플루엔자의 증상같은 피로, 열, 두통, 구역질부터, 심각하면 저혈압, 말초혈관출혈, 심장파열 등 다양하다.
 
물론 ACT 이후에 어느 정도의 T세포 활성화나 면역 증강은 예상되지만, 특별히 CD19, B세포 성숙항원 (B cell maturation antigen, BCMA), 그리고 CD22 관련 심각한 CRS가 부작용으로 나타나는 경우가 많다. 그 이유로 CD19의 경우는 B 세포 표면에 발현되는 항원으로 암세포와 정상세포에서 모두 발현되는 마커이기 때문에 CAR-T가 정상세포에서도 활성화되어 지나친 면역강화로 인한 CRS가 발생하기 때문이다.
 
게다가 CAR-T치료제의 CRS는TIL과 TCR을 사용하였을 때의 나타나는 인플루엔자같은 CRS에 비해 훨씬 더 심각하고, CAR-T관련 CRS는 종양부담과 관련이 있다고 알려져 있다. 가장 심각한 CAR-T관련 CRS는 성인 혈구 탐식성 림프조직구 증식증과 대식세포 활성화 증후군과도 상당히 비슷한 점이 많이 있다.

두 번째 부작용인 신경독성의 흥미로운 부분은, 사이토카인 방출 증후군이 어느정도 예상된 부작용이었고 비교적 원인이 잘 규명돼 대책을 강구할 수 있는 편이라면, CD19과 BCMA관련 CAR-T 세포들을 이용한 다양한 임상시험에서 나타난 신경독성은 예상하지 못한 부작용이라는 점이다. CD19관련 신경독성은 anti-CD19/anti-CD3 이중특이성 항체(bispecific antibody)에서도 비슷하게 나타난다. 정확한 이유는 아직까지도 규명되지 않았지만, 이 독성은 대부분 가역적이고, 다른 중추신경계 암으로의 전이와 무관하다고 알려져 있다.

관련 사고로 잘 알려진 케이스는 Juno Therapeutics에서 진행하던 화학치료 후 재발하거나, 화학치료가 잘 듣지 않는 성인 급성림프구성 백혈병 환자 110명을 대상으로 했던 제 2상 임상시험(ROCKET)이다. 알려진 바 Juno Therapeutics의 JCAR015로 치료받다 사망한 5명의 환자에게서 모두 공통적으로 뇌부종(cerebral edema)이 나타났으며, 두 명의 환자는 혈액-뇌 장벽이 파괴돼 있는 것이 보였다.
 
Juno의 조사에 따르면 CAR-T 세포나 다른 면역 세포가 사망한 환자의 뇌 조직에서 발견된 흔적은 없었으며, 다만 사망한 환자의 CAR-T세포가 다른 경우에 비해서 급격히 증식하여 신경독성과 뇌부종을 유발한 것으로 추정하고 있다. 특히, 사망 사건은 Juno의 CAR-T 임상뿐만 아니라 Kite pharma의 임상에서도 일어났다는 것을 고려하면 CD19를 타깃으로 하는 CAR-T의 안전성에 공통적인 문제가 있다는 것을 보여주는지도 모른다.

CD19 CAR-T 치료제는 위에서 다뤄진 부작용 등 극복되지 못한 위험부담이 분명 존재하지만, 저항성 질환을 가지고 있는 환자군에서 매우 뛰어난 효과가 있기 때문에, 앞으로 사이토카인 방출 증후군과 신경독성 부작용에 대한 추가적인 연구와 이해가 중요하다. 부작용들을 해결하기 위한 노력으로 암특이항원(tumor specific antigen)을 타깃 하는 치료제 개발과 활동화 된 CAR-T세포들을 조절할 수 있는 유전자 스위치(gene switch) 개발이 시도되고 있다.

고형암 쪽은 조금 더 어렵다. 혈액암에서 임상 성공을 보인 CAR-T기술을 고형암에 치료를 위해 사용을 해보기 위한 노력들이 있었다. 고형암 시장은 unmet medical needs가 높은 분야이므로, 매년CAR-T세포를 이용한 고형암 치료제 임상시험들이 급증하고 있다. 지금까지의 진행된 임상 시험들은 암특정 표면단백질을 타깃으로 하는 경우가 다수였다.

고형암치료가 어려운 이유는 많은 이유가 있지만, 대표적인 이유에는 암관련항원(target tumor-associated antigens, TAAs)이 암세포뿐 아니라 정상 세포에도 발견이 되기 때문에 이로 인해서 안전성에 문제가 생기기 때문이다. HER2를 타깃으로 하는 CAR-T세포들의 경우, 치명적인 CRS가 보고된 바, 정상 폐 상피세포에 있는 적은 양의 HER2에 CAR-T세포들이 반응을 한 것이다.
 
또한 고형암 속 종양미세환경(tumor microenvironment, TME)이 상당히 면역억제성(immunosuppressive)이 강하기 때문에, 효과적인 면역반응이 구현되기 힘들다는 것이 주요 문제다. 암에 두꺼운 세포외기질(extracellular matrix), 기능 불능의 상피세포들, 저산소증(hypoxia), 면역 억제 면역 세포(immunosuppressive cells)와 사이토카인 등이 TME안에서 발견된다. 이 때문에 T 세포들이 암세포 내 침투도 어렵고, 침투한 T세포라 할지라도 낮은 산도, 부족한 영양소, 저산소 등으로 인해 활성화되기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 TGF-β, IL-2, IL-10 PD-1 negative receptor를 타깃하는 CAR-T를 개발하거나 IL-12와 같이 면역세포 기능 활성화 역할을 하는 사이토카인 발현 유전자를 삽입하는 등의 방법이 개발되고 있다.

CAR-T는 사실 비싼 치료법이다. 비용을 조금이라도 줄이기 위해 off-the-shelf universal CAR-T 치료제를 개발이 꾸준히 행해지고 있다.

CAR-T의 보급화를 위해서 동종(allogeneic) 치료제, 유전자편집기술, 또는 T세포 외의 세포 독성능을 가진 다른 면역세포(natural killer, gamma delta T, natural killer T 세포) 혹은 대식세포(macrophage)를 사용 하려는 연구 및 개발이 활발히 이뤄지고 있다.
 
킴라이아와 예스카타는 모두 자가 T세포들(autologous T cells)이다. 적응세포치료(ACT)가 본래는 동종골수이식(allogeneic bone marrow transplantation)에서 발전되기는 했지만, 피할 수 없는 주조직적합성 복합체(MHC)분자에 의해 유발되는 이식거부 때문에, 지금까지  많은 ACT 기술들은 자가 T세포에 더 중점을 둬 왔다.
 
MHC 문제만 해결되면, 동종이식 또는 universal T세포치료제 개발은 자가 T세포 치료제와 비교해서 장점을 지니고 있다. 건강한 이식자에게서 채취할 universal CAR-T세포들은 전체 제조공정을 더 간단하며, 따라서 더 빠르고 저렴한 ‘off-the-shelf’ 치료제 개발에 도움이 될 것이다.
 
TALEN(transcription activator-like effector nuclease)을 이용해서 CD19을 타깃한 universal CAR-T세포들로 2명의 환자를 치료한 케이스가 보고됐다. Universal CAR-T 세포들은 많은 발전을 거치고 있으나, 이 기술이 독자적으로 사용되었을 때 충분한 효능을 지니는지, 줄기세포이식과 자가 T세포 치료제의 다리 역할을 할지는 지켜봐야한다. 자연살해세포(natural killer cells)는 선천성(innate) 면역체계로 타깃하는 방식으로 이식거부 반응에 대한 위험성이 상대적으로 낮은 것으로 보고되고 있다. 때문에 양산형 치료제로 개발 가능성이 있지만 T세포에 비해서 효과가 적은 것이 문제로 알려져 있다.

CAR-T 세포치료제인 킴라이아와 예스카타의 미 FDA 승인은 정말 역사적인 일이었다. 최초로 상업화된 유전자치료로, 전 세계의 관심을 한 몸에 받았다. 물론 알려진 사이토카인 방출 증후군과 신경독성 때문에 CAR-T 세포치료제는 치료 후 관찰 추적을 함께 진행하고 있다. CAR-T 치료제의 개발의 성공을 위해서는 이러한 부작용들을 임상시험 전에 미리 예측하고 또 대비할 수 있어야 한다.
 
고무적인 부분은 치료에 사용되는 세포 종료 또한 T세포 이외에 다른 세포들이 사용될 가능성도 열려있어 이 분야 연구의 방향은 실로 다양하게 뻗어나갈 수 있다는 점이다. 또한 세포치료제와 함께 다른 형태의 치료제나 화학약품과의 복합치료가 유의미하게 증가된 효능으로 이어질 수도 있으므로 여러 분야의 종양 치료제 개발 전문가들이 공동으로 연구 및 작업하는 것도 바람직 할 것이다.

* 글쓴이는 현재 미국 소재 연구기관에서 근무하고 있으며, 위의 글의 내용은 글쓴이가 근무하는 연구기관이 아닌 글쓴이의 개인 의견임을 밝힌다.

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chemical
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좋은기사 정말 감사합니다^^ (2019.04.03 14:20) 수정 삭제

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