국내 연구진이 암세포를 원재료로 하는 획기적인 암 치료 백신 개발의 가능성을 열었다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 진준오 교수(울산대학교) 연구팀이 암세포에서 획득한 표면 단백질을 항원으로 이용한 암 치료 백신 기반 기술을 개발했다고 밝혔다. 
 

<울산대학교 진준오 교수, 김소정 박사과정 학생>

암 치료는 수술 후 남아 있는 암세포를 완벽하게 제거하기 위하여 화학적 항암치료나 방사선 치료를 병행하는 것이 일반적이다. 기존의 암 치료 기법으로 암세포에 대한 면역 치료가 유도될 수 있다고 보고되고 있지만, 면역 활성 능력의 부족으로 효과는 미흡했다.
이로 인해 암의 전이 또는 재발을 원천 차단하는 것에는 어려운 실정이며, 치료에 대한 부작용으로 많은 환자가 고통받고 있다. 보다 안정적이고 부작용이 적으며, 수술 후 전이 및 재발을 차단할 수 있는 새로운 형태의 암 치료 백신의 개발이 시급한 이유다. 

이에 연구팀은 효과적인 면역 활성을 유도하기 위하여 종양 세포의 막 단백질과 면역원성 세포 사멸*시 발생하는 단백질을 이용해 지질 나노입자를 개발하였으며, 이를 환자 개인 맞춤형 암 치료 백신으로 사용하기 위한 전략을 수립하였다. 
   * 면역원성 세포 사멸 : 면역 반응을 유발하는 세포 사멸의 유형으로, 세포 사멸시 손상 연관 분자를 분비

먼저, 면역원성 세포 사멸의 지표인 HMGB1*과 Calr* 단백질을 암세포의 표면 단백질을 함유한 지질 나노입자 표면에 장식하여 약 200나노미터 크기의 나노입자 AiLNP(Artificial immunogenic cell death lipid nanoparticle)를 설계했다.
    * Hmgb1(High-mobility group box 1) : 손상 연관 분자로 톨 유사 수용체 4에 결합. 항원 제시 세포를 자극
   ** Calr(Calreticulin) : 손상 연관 분자로 대식세포를 자극

AiLNP를 쥐 체내에 투여한 결과 비장 수지상 세포*가 활성화했고, 이로 인해 활성화된 암세포의 특이적 세포인 독성 T 림프구**가 암세포를 직접 사멸시킨다는 것을 확인할 수 있었다.
    * 수지상 세포(Dendritic cell) : 체내의 가장 강력한 항원 제시 세포로, 항원을 포식하고 표지하여 T 세포의 활성을 유도할 수 있는 세포
    ** T 림프구 : 항원 제시 세포로부터 활성이 유도되어 인식된 항원을 가진 병원균을 선택적으로 사멸시키는 면역 세포

진준오 교수는“이번 연구에서 개발한 암 치료 백신 기반 기술은 암 항원에 대한 특이적 면역 활성을 유도하여 그 암세포를 선택적으로 사멸시킬 수 있다”며 “조직검사 또는 수술적 암 치료로 획득한 환자의 암세포를 이용하여 제작이 가능해 향후 재발 및 전이 차단용 백신 개발의 가능성을 열었다”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials)’에 4월 29일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 울산대학교 의과대학 진준오 교수>

논문명
Artificial Immunogenic Cell Death Lipid Nanoparticle Functions as a Therapeutic Vaccine for Cancer
저널명 
Advanced Functional Materials
키워드 
immunogenic cell deaths(면역원성 세포사멸), lipid nanoparticles(지질 나노입자), antigen-specific immune responses(항원 특이적 면역 반응), anticancer(항암), cytotoxic T lymphocytes(세포 독성 T 림프구)
DOI
https://doi.org/10.1002/adfm.202302825
저  자
진준오 교수(교신저자/울산대학교 의과대학), 김소정 (제1저자/울산대학교), 박해빈 (울산대학교), 안은경 (울산대학교), 엄희윤 (울산대학교), 장웨이 박사 (Wei Zhang, 푸단대학교), 김지회 교수 (영남대학교), 최인호 교수 (영남대학교), 곽민석 교수 (부경대학교), 이창환 교수 (울산대학교)

1. 연구의 필요성
 ○ 면역 암 치료 기법은 암 환자 본인의 면역 세포를 이용하여 암을 치료하고 암 세포를 기억할 수 있다는 점에서 전이 및 재발을 차단할 수 있을 것이라는 기대를 모으고 있다. 기억세포의 활성을 유도하기 위해서는 항원에 대한 특이적 면역 활성을 유도해야 하지만 암 항원을 선별하는 것 자체의 어려움으로 기억세포 활성이 가능한 면역 암 치료 기법의 개발에는 어려움을 겪고 있다.
 ○ 또한, 최근 항암 약물을 매개로 한 면역원성 세포사멸(Immunogenic cell death; ICD)의 기작을 이용한 치료 요법에 대한 연구가 활발하다. 이는 암세포의 사멸 유도시 암세포 내부의 면역 활성 물질과 암세포의 항원 단백질이 면역 활성을 유도하여 전이나 재발을 막을 수 있을 것이라는 이론이다. 하지만 ICD 유발에 사용되는 항암제는 과거부터 사용하던 일반적인 항암제로 기대했던 것과 같은 전이 및 재발의 차단 효과는 확인되고 있지 못하는 실정이다. 
 ○ 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 암세포의 ICD 유발 시에 발현되는 면역 활성 물질과 암세포의 표면 단백질을 함유하는 인공 면역원성 세포사멸 지질구조체 (Artificial immunogenic cell death lipid nanoparticle; AiLNP)를 제작하였고 이를 암 치료 백신으로 그 효능을 검증하였다. (그림1)

 2. 연구내용 
 ○ 본 연구에서 개발한 AiLNP는 암세포에서 추출된 세포막 단백질을 함유하는 LNP를 합성하였고, 표면에는 면역원성 세포사멸의 지표인 High mobility group box 1 (Hmgb1)과 Calreticulin (Calr) 단백질로 장식되었다. 이 지질 나노입자는 초음파처리기 및 압출기를 통해 합성되었으며, 약 200 나노미터의 크기를 가진다.
 ○ 나노입자에 의한 면역 활성 능력을 검증하기 위해 C57BL/6 마우스에 지질 나노입자를 정맥 투여하여 비장 내 항원 제시 세포*인 수지상세포의 활성을 검증하였다. 지질 나노입자를 투여하였을 때 수지상세포의 표면 마커인 CD40, CD80, CD86과 항원 발현 분자인 MHC I, MHC II 모두 증가하는 것을 확인하였다. 
 *　항원 제시 세포(Antigen presenting cell) : 병원체의 특징(단백질 등 생체분자)을 면역계의 다른 세포들이 인식하도록 표면에 표시하는 면역 세포(수지상세포, 대식세포)
 ○ 다음으로 활성화된 수지상세포로부터 항원을 전달받은 T 림프구*가 항원 특이적으로 암세포를 사멸할 수 있는지 검증하였다. 이를 위해 C57BL/6 마우스에 암세포를 투여하고 일정 간격으로 지질 나노입자를 복강 주사하였다. 그 결과, 지질 나노입자를 처리한 집단에서 암 크기가 확연히 줄어들거나 암이 없어지는 것을 확인하였다.(그림 2)
 *　T 림프구 : 항원 제시 세포로부터 활성이 유도되어 인식된 항원을 가진 병원균을 선택적으로 사멸시키는 면역 세포.
 ○ 또한, 치료된 쥐의 종양 배수 림프절(tdLN)을 적출하여 면역 세포를 분리한 뒤 암세포의 lysate를 처리하였을 때, 지질 나노입자 처리 그룹에서 CD8 및 CD4 T 세포 모두 TNF-α, IFN-γ와 같은 세포 독성 사이토카인이 급격히 증가 되었다. 더 나아가 CD8 T 세포를 분리하여 암세포와 함께 배양시킨 결과, 세포 독성 T 세포가 직접 암세포를 사멸시키는 것이 확인되었다. 이로써 본연구에서 개발된 지질 나노입자가 암세포 표면 단백질을 통해 항원 특이적 면역 활성을 일으킬 수 있다는 것을 검증하였다. 

3. 연구성과/기대효과
 ○ AiLNP는 쥐 체내에서 함유하고 있는 암표면 단백질에 특이적인 면역 활성을 유도하였고 그 결과로 해당 암의 성장을 억제하는 것으로 나타났다. 이는 쥐 대장 상피 세포암 그리고 폐암에서도 항원 특이적 면역 활성을 유도하여 이들 암의 성장을 억제하였다. 
 ○ 나아가, 사람 유방암 세포의 막 단백질을 포함한 AiLNP는 사람 말초 혈액 수지상 세포의 활성을 유도하였으며 이는 항원 특이적 세포 독성 T 림프구를 활성시켜 유방암세포를 사멸시키는 것으로 나타났다. 
 ○ 본 연구에서 개발한 AiLNP는 암세포의 막 단백질에 대한 항원 특이적 면역 활성을 유도하여 그 암세포를 선택적으로 사멸시킬 수 있어 조직검사 또는 수술적 암치료로 획득한 환자의 암세포를 이용하여 암 치료제 제작이 가능할 것으로 생각되며, 이는 재발 및 전이 차단제로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 

(그림1) 인공 면역원성 세포 사멸 지질 나노입자(AiLNP)를 이용한 암 면역 치료의 모식도
암 세포 막 단백질을 함유하고 표면에 HMGB1 및 Carl 단백질로 장식된 치료용 백신 AiLNP를 제조함. AiLNP는 인간 및 마우스에서 수지상세포의 활성화 및 성숙을 유도함. 수지상세포의 활성은 도움 및 세포 독성 T 세포 활성화를 촉진하여 결장암 및 폐암에 대한 종양 항원 특이적 면역을 촉진함.
그림설명 및 그림제공 : 울산대학교 진준오 교수 

(그림 2) AiLNP처리에 의한 루이스 폐 암(LLC1) 성장 억제
AiLNP를 C57BL/6 마우스에 꼬리 정맥으로 1 × 106 형광이 부착된 LLC1 세포를 투여하였고, 마우스는 3일마다 PBS, DAMP, MPL(100㎍/kg 막 단백질) 및 AiLNP-1을 투여받음. 15일차 AiLNP를 투여받은 마우스의 폐를 형광 이미징 장비를 통해 확인한 결과 폐암이 치료되는 것을 확인함.
그림설명 및 그림제공 : 울산대학교 진준오 교수 
 

연구 이야기

  <작성 : 울산대학교 의과대학 진준오 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

- 암을 치료하기 위한 방법으로 수술이 일반적이나, 전이 또는 재발을 차단하는 것에는 어려움이 있음. 수술 후 잔존하는 암세포를 제거하기 위한 방법으로 항암 치료나 방사선 치료가 실행되고 있으나 부작용으로 많은 환자가 고통받고 있는 실정임. 암세포만을 선택적으로 사멸시킬 수 있는 암 백신은 오랜 시간 개발이 시도되고 있으나 아직은 이렇다 할 결과를 나타내고 있지 못하고 있음. 따라서, 보다 안정적이고 부작용이 적으며 수술 후 전이 및 재발을 차단할 수 있는 새로운 형태의 암 치료 백신 개발이 필요하다 판단함. 
- 본 연구에서는 암세포에서 추출한 세포막 단백질을 이용하여 암 항원 특이적 면역 활성을 유도할 수 있는 지질 구조체를 합성하였고, 이를 이용하여 전이 및 재발을 차단할 수 있는 치료용 암 백신을 개발하고자 하였음.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

- 선행 연구에서 면역 증강제와 암 항원을 이용한 항원 특이적 면역 활성 유도로 면역 암 치료
연구를 수행하였으나 암 항원 발굴에 한계를 느껴 이를 극복할 수 있는 방안을 모색하게 되었음. 
- 비록 특정 단백질에 대한 특이적 면역 반응은 아니라 할지라도 암세포에서 과발현 된 표면
단백질들을 이용하면 면역 암치료의 효과를 충분히 유발 할 수 있을 것이라 생각하여 암 세포 표면 단백질 전체를 항원으로 사용하는 연구를 기획함. 
- 또한, 최적의 항원 특이적 면역 활성 조건을 확립하기 위하여 지질 구조체에 항원과 면역
증강제를 함유하는 방법을 적용하였음. 
- 이에 암세포의 표면 단백질과 면역 원성 세포 사멸시 발현되는 면역 활성 물질을 함유한
AiLNP를 개발하였고 이로 암 치료 연구를 수행하게 되었음. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

- 본 연구 성과는 암세포에서 과발현되는 단백질만을 대상으로 항원 특이적 면역 활성을 유도하는 기존의 암 치료 백신과는 다르게, 종양 세포에서 얻은 세포 막 단백질을 이용하여 면역 활성이 가능하도록 설계된 지질 나노입자임.
- 본 연구에서 개발된 입자는 쥐 체내에서 함유하고 있는 암표면 단백질에 특이적인 면역 활성을 유도하였고 그 결과로 해당 암의 성장을 억제하는 것으로 나타났음. 이는 쥐 대장 상피 세포암 그리고 폐암에서도 항원 특이적 면역 활성을 유도하여 이들 암의 성장을 억제하였음. 나아가, 사람 유방암 세포의 막 단백질을 포함한 AiLNP는 사람 말초 혈액 수지상 세포의 활성을 유도하였으며 이는 항원 특이적 세포독성 T 림프구를 활성 시켜 유방암세포를 사멸시키는 것으로 나타남. AiLNP의 암 치료백신으로써 그 효능을 검증한 것이 이번 연구의 성과임.  

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

- 본 연구에서 개발한 AiLNP는 암세포의 막단백질에 대한 항원 특이적 면역활성을 유도하여 그 암세포를 선택적으로 사멸시킬 수 있음.
- 조직검사 또는 수술적 암치료로 획득한 환자의 암세포를 이용하여 암 치료백신 제작이 가능할 것으로 생각되며, 이는 환자 개개인을 위한 맞춤형 전이 및 재발 방지용 치료백신이 될 것으로 기대됨. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

- 본 연구에서는 쥐 암을 대상으로만 실험이 진행되었음. 환자에서 수술로 추출한 암을 이용하여 AiLNP를 제작하고 이로 말초 혈액 내의 수지상 세포와 세포 독성 T 림프구 활성 유도 연구를 진행하고 자 하며 나아가 환자 유래 암세포의 사멸 유도 가능성까지 연구해 보고자 함.