지현배 박사의 샌디에이고 통신 (1)

mRNA 기반 면역항암제 시대의 도래 (요약)

RNA (mRNA)를 기반으로 한 백신은 상대적으로 새로운 개념의 백신이라 할 수 있다. 거의 대부분의 단백질을 발현할 수 있는 mRNA 약물의 잠재성은 뛰어난 안전성 및 유연한 생산 공정과 결합되어 다양하고 활발한 연구들로 이어지고 있다. 지난 10여년 간 mRNA 백신을 이용한 임상 개발은 감염에 대한 예방뿐 아니라 암을 치료하는 영역으로 빠르게 확장하고 있다. mRNA 백신의 주요한 구성요소인 mRNA는 항원을 인코드(encode) 하는 DNA template와 박테리오파지 RNA polymerase를 이용하여 in vitro transcription(IVT)을 통해 합성된다. 주사 된 백신이 세포 내로 유입되면 mRNA는 세포 질에서 단백질 항원으로 발현되어 면역 시스템을 자극하게 된다. 최근 COVID-19 감염을 예방하기 위해 2개의 mRNA 백신이 최초로 허가되었고 기대 이상의 효과를 갖고 있는 것으로 입증되었다. 이런 결과는 mRNA를 기반으로 한 암 백신 개발에서도 재현될 것이라는 기대로 이어지고 있기 때문에 향후 mRNA 를 기반으로 한 암 백신은 차세대 면역항암제로서 임상에서 활발하게 연구될 것으로 전망된다.

 

새로운 약물 형태인 mRNA 치료제의 잠재성

Messenger RNA (mRNA) 백신은 감염 질병들을 예방하는 전통적인 백신이 갖고 있는 한계성을 극복하는 대안이 될 수 있을 뿐 아니라 암을 포함하는 다양한 질환들을 치료하는 새로운 약물의 형태로서 잠재성을 갖고 있다. 우선 mRNA 를 만들기 위해서는 선형의 DNA 템플레이트 (template) 와 T7, T3 이나 Sp6 phage 의 RNA polymerase를 사용하여 IVT 과정을 통해 합성한다. 합성된 mRNA 는 단백질을 코딩하는 open reading frame 과 5' cap과 3' polyA tail 를 포함하는 untranslated regions (UTRs)으로 구성되어 있고 이런 형태는 진핵세포에서 형성되는 mRNA 구조이다. 전사된 mRNA 로부터 발현된 단백질들은 세포의 다양한 기능을 위해 특정 장소로 이동하게 된다.

mRNA 백신 디자인. (필자제공)
mRNA 백신 디자인. (필자제공)

IVT 를 통해 형성된 mRNA 는 반감기를 갖고 있기때문에 궁극적으로 세포안에서 분해과정을 거치게 된다. 세포 안으로 유입된 mRNA가 세포질 (cytoplasm)로 빠져나오면 이곳에서 단백질로 발현되고 이후 분해과정을 거치기 때문에 핵 안에 존재하는 지놈 (genome)과는 상호작용을 할 수가 없다.

mRNA 는 세포밖으로 분비되는 호르몬과 같은 단백질과 세포막에 존재하는 막단백질 뿐 아니라 전사인자와 같은 세포 안이나 핵 안에 존재하는 거의 대부분의 단백질들로 발현될 수 있기 때문에 좀더 폭넓은 범위에서 다양한 질환들을 치료하는데 응용될 수 있다. 반면에 바이오테크놀로지를 통해 생산되는 항체나 호르몬과 같은 단백질들은 대부분 세포밖으로 분비되는 단백질들이다. 이러한 분비 단백질은 세포에 의해 생산되는 총 단백질 중 1/3 정도라는 점을 고려한다면 바이오테크놀로지를 통해 생산되는 치료용 단백질들을 타깃 하는 것은 그만큼 제한적이라 할 수 있다. 반면 mRNA 는 분비단백질 뿐 아니라 세포 내부에 존재하는 나머지 2/3 에 대한 단백질도 타깃 할 수 있기때문에 질병 치료를 위한 타깃은 그만큼 확대될 수 있는 잠재성을 갖고 있다. 따라서 COVID-19 mRNA 백신을 통해 보여준 mRNA 를 기반으로 한 약물은 감염 백신 뿐 아니라 암 치료백신과 좀더 다양한 질환들을 치료하는데 확대될 것으로 전망된다.

 

mRNA 암 백신 개발에서 고려해야할 요소들

내부에 존재하는 타깃 단백질을 발현할 수 있는 mRNA 의 특징은 감염 질병에 대한 백신 뿐 아니라 암 치료 백신 개발에서 매우 혁신적인 방법이 될 수 있다. 특별히 세포 내에서 발현되는 mRNA의 특징은 암 치료 백신이 T세포를 효과적으로 자극하는데 중요한 역할을 한다. T세포는 종양을 제거하는데 가장 핵심적인 역할을 한다. 예를 들어, 생쥐에서 면역 시스템을 자극하여 암을 제거하는 효능이 뛰어난 대부분의 약물들은 T세포가 제거된 생쥐에서는 거의 작용하지 않거나 그 효능이 현저히 낮아진다. 또한 면역을 활성화시켜 암을 제거한 생쥐에서 분리된 T세포만을 암을 갖고 있는 다른 생쥐에 주입하면 종양이 사라지게 된다. 즉 이러한 결과들은 T세포가 암을 제거하는데 핵심적인 역할을 하고 있기 때문에 암 백신은 종양에 특정한 T세포를 활성화시킬 필요성이 있음을 암시하고 있다. 특별히 수지상 세포와 같은 항원제시세포 (Antigen presenting cells, APCs)는 T세포를 자극하는데 가장 핵심적인 역할을 한다. 즉 종양에 특정한 T세포를 효과적으로 활성화시키기 위해서 암 백신은 APCs로 정확히 전달되어 발현되어야 한다. 따라서 mRNA를 기반으로 한 암 백신은 APCs 로 정확하게 전달되어 발현될 때 종양에 특정한 T세포를 효과적으로 활성화시킬 수 있는 것이다.

언급한 바와 같이 mRNA 암 백신을 생체 내로 주사할 때 수지상세포를 타깃으로 하여 mRNA 를 발현시키는 것은 종양에 특정한 T 세포를 활성화시키는데 매우 중요한 단계이다.

mRNA 백신의 생체 내 전달
mRNA 백신의 생체 내 전달

왜냐하면 전달된 mRNA 가 수지상 세포안에서 항원 단백질로 발현된 후 분해되어 major histocompatibility complex (MHC) 분자를 통해 에피톱 (epitope) 이 제시될 때 이를 인지하는 T cell receptor (TCR) 를 발현하는 종양 항원에 특정한 T 세포가 자극되기 때문이다. mRNA 백신을 특정세포로 전달하는 것은 mRNA 를 감싸는 나노입자와 같은 전달 복합체의 물리화학적인 특성과 세포 타입에 의존적인 것으로 알려져 있다. mRNA 백신을 생체 내로 전달하는 방법은 2 가지 전략이 있다. 첫번째 접근법은 세포 배양을 통해 수지상 세포에 mRNA 를 전달하여 생체 내로 주사하는 방법이다. 이러한 방법은 정확히 수지상 세포에만 mRNA 를 발현시켜 항원에 특정한 T 세포를 선별적으로 자극하는 방법이지만 비용이 높고 노동 집약적이라는 단점을 갖고 있다. 두번째 접근법은 mRNA-나노입자 복합체를 직접 주사하여 전달하는 방법으로 상대적으로 빠르고 비용적 측면에서 효과적이지만 수지상 세포와 같은 특정 세포에만 전달하는 정확성과 그 효능이 낮을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 들어 수지상 세포와 같은 항원제시 세포에만 선별적으로 전달하는 나노 입자 기술들이 개발되고 있다.

조건에서 RNA 분자들은 매우 불안정하고 도처에 존재하는 ribonucleases 에 노출되면 매우 빠르게 분해된다. 이러한 특성은 mRNA 백신을 임상에서 사용하기 위해 mRNA 를 세포 내부로 전달하는데 주요한 장애물이 되고 있다. Naked mRNA는 주사가 된 후 빠르게 분해되기 때문에 이를 막기위해 modified RNAs, RNA conjugates, viral vectors, microparticles과 Covid-19 백신에 사용된 lipid nanoparticles (LNP)들을 포함하는 몇 가지 기술들이 개발되고 있다. 특별히 LNP는 이온화 지질 (ionizable lipid), 인지질 (phospholipid), 콜레스테롤 (cholesterol) 과 폴리에틸렌 글리콜 지질(polyethylene glycol, PEG)-lipid) 등을 포함하는 다양한 지질 요소들로 구성되어 있다. 이온화 지질은 mRNA의 핵심 구조 형성을 촉진하는 반면, 인지질과 콜레스테롤은 헬퍼 지질 (helper lipid) 로 불리는데 주로 지질과 mRNA 복합체를 둘러싸서 구조를 유지하고 PEG-지질은 나노 입자 껍질을 보호하는 역할을 한다. 현재 LNP기술 개발 분야는 백신을 포함하는 mRNA 를 기반으로 한 약물개발에서 가장 혁신적이고 핵심적인 분야로 자리를 잡고 있다.

 

mRNA 암 백신을 위한 Lipid Nanoparticle 의 역할과 중요성

mRNA는 기존의 치료제들에 대해 여러 측면에서 장점이 있지만 앞에서 언급한 것처럼 mRNA 의 화학적 불안전성과 도처에 존재하는 RNA nucleases에 의해 쉽게 분해되는 단점이 있다. 그러나 LNP와 같은 나노 입자를 통한 효과적인 전달 기술은 임상에서 mRNA 코로나바이러스 백신을 성공적으로 이끈 결정적인 요소로 인식되고 있다.

mRNA 를 나노입자 전달체에 캡슐화 하는 것은 mRNA의 분해를 막고 세포 내로의 전달과 엔도좀에서 빠져나와 세포 질로 mRNA를 나오게 하여 타깃 단백질을 효과적으로 발현시키는 핵심적인 기술이다. Lipoplexes 와 같은 지질 기반 전달 시스템은 높은 불안정성, 상대적으로 낮은 발현 효능과 구성 물질을 구성하는데 따르는 제한성을 포함하는 단점들을 갖고 있다. 그러나 Lipid nanoparticles(LNP)은 상대적으로 높은 안전성과 구조적 가소성 및 mRNA 전달의 효능 측면에서 Lipoplexes 보다 우수한 것으로 알려져 있다.

LNP 의 요소들
LNP 의 요소들

앞에서 언급한 바와 같이 LNP 는 다음과 같은 4 가지 지질 요소들로 구성되어 있다. 1) mRNA 를 캡슐화하는 헬퍼 지질 (helper lipid), 2)엔도좀 탈출과 전달을 향상시키는 이온화 지질, 3)LNP 의 지질 2중 구조를 안정화시키는 양이온성 지질 (zwitterionic lipid)과 콜레스테롤, 4)면역 시스템의 인지를 낮추고 생체내 분포를 향상시키는 지질 고정용 폴리에틸렌 글리콜 (polyethylene glycol, PEG)이다. 또한 항체나 펩타이드 같은 타깃팅을 위한 요소들은 수지상 세포와 같은 특정 세포에 mRNA 를 전달할 때 사용할 수 있다. 이러한 지질 요소들은 mRNA 와 함께 미세유체 혼합 (microfluidic mixing) 과정을 통해LNP 로 제조된다. 이러한 지질을 기반으로 한 나노 기술 전달 시스템은 mRNA 약물을 치료 백신, 단일 항체와 CAR-T 세포 치료제를 포함하는 다양한 분야에 적용할 수 있는 잠재성을 갖고 있다. 따라서 향후 mRNA 의 전달을 향상시키기 위한 나노 기술은 mRNA 약물 개발에서 핵심적인 분야가 될 것으로 전망된다.

LNP는 낮은 면역 자극성을 갖고 있고 mRNA와 같이 비교적 크기가 큰 분자들을 전달할 수 있으며 대량으로 합성이 가능하는 점과 제조하기에 수월한 장점을 갖고 있다. 이온화성 LNPs 는 양이온 지질과 폴리머 나노 입자가 유도하는 독성을 완화시키는 반면 mRNA 가 엔도좀에서 탈출하여 세포 질로 빠져 나갈 때 매우 효과적이다. LNP 디자인은 다양한 세포 표적 및 질병 응용 분야에서 작용하도록 구성 요소들과 그 몰비, 표적화 모이어티 (moieties) 및 전반적인 지질에 대한 mRNA 비율을 최적화할 수 있기 때문에 모듈 식 또는 다용도로 제작이 가능하다.

그러나 LNP는 혈청 단백질과의 비특이적인 상호 작용, 체내에서 신속히 제거되는 현상, 표적외 특정 기관에 모이는 현상 및 엔도솜에서의 분해를 포함하여 현상들이 mRNA 를 효과적으로 전달하기위해 극복해야할 이슈로 알려져 있다. mRNA 전달은 일시적으로 단백질을 발현하기 때문에 지속적인 발현을 위해서는 반복 투여가 필요하다. 또한 개인에 따라서 항-PEG 항체가 존재할 수 있기 때문에 LNPs에 대한 잠재적인 엘러지 반응들에 대한 우려가 언급되고 있다.

현재 보고된 LNP를 기반으로 한 약물은 화이자와 모더나 사의 mRNA–LNP 코로나바이러스 백신, 트랜스티레틴 아밀로이드증(transthyretin amyloidosis)으로 인한 다발신경병증(polyneuropathy) 치료를 위한 RNA 간섭약물(RNA interference drug)인  온패트로(Onpattro)와 임상I/II 상에서 그 효능이 조사 중인 CFTR을 타깃으로 한 낭포성 섬유증(cystic fibrosis) 치료를 위한 흡입용 LNPs 등이 있다.

 

mRNA 기반 암 백신 개발에서 고려해야 할 요소들

COVID-19에 대한 mRNA 백신의 성공적인 결과는 암 백신 개발을 촉진시키는 계기를 마련하고 있다. 암 백신은 종양을 선별적으로 인지하는 T세포를 자극하도록 디자인되어야 한다. mRNA를 기반으로 한 암 백신의 타깃은 암 세포에서 과다 발현된 항원들(tumor-associated antigens)과 somatic mutations에 의해 형성되어 T세포를 자극할 수 있는 neoantigens이다. mRNA 백신 제조의 단순성은 기존의 백신 생산 방식이 갖고 있는 한계성을 극복하는 요소들 중 하나로 인식되고 있다. 반면에 mRNA 를 주사하는 경로와 전달 방식은 그 효능에 상당한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 이들 접근법들은 직접적인 접종과 수지상 세포를 이용한 2가지 주요한 방식이 있다.

직접적인 주사 접종 방법은 피하, 비강, 근육을 통한 주사 경로나 림프절, 비장, 종양 내와 정맥 주사를 통해 mRNA 약물을 전달하는 것이다. 전신에 걸친 주사는 mRNAs 약물들이 혈청 단백질들과 응집되거나 생체 내에서 빠르게 분해될 가능성이 있다. mRNA 암 백신은 피하내 주사 방법이 주로 사용되는데 피부에는 다양한 항원 제시 세포(antigen-presenting cells)들이 있기 때문에 면역 자극적인 약물을 전달하기에 적절한 것으로 알려져 있다.

또 다른 mRNA 백신의 전달 방법은 수지상 세포(dendritic cells, DCs)를 통해 T세포를 자극하는 것이다. mRNA는 분해되어 숙주의 지놈으로 통합되지 않기 때문에 사용에 따르는 안전성이 확인되었고 세포 질 내에서 일시적이지만 면역을 자극하는 충분한 항원 단백질을 발현시킬 수 있다. Eelectroporation, nucleofection, lipofection과 최근에는 sonoporation 같은 다양한 방법들이 mRNA를 수지상 세포에 전달하는 기술로 개발되고 왔다.

수지상 세포를 기반으로 한 암 백신 개발에서 효능을 향상시키기 위해 보조 자극제(adjuvants) 나 보조 자극 분자를 발현하는 mRNA가 함께 사용되기도 한다. 예를 들어 CD83, tumor necrosis factor receptor superfamily member 4(TNFRSF4; 또는 OX40) 와 4-1BB 리간드가 이에 해당한다. 이러한 mRNAs 를 수지상 세포에서 발현시키면 T 세포를 자극하는 수지상 세포의 기능이 현저하게 향상된다. IL-12 같은 사이토카인을 발현하는 mRNA은 T세포의 종양 제거 능력을 향상시키기도 한다. 흥미롭게도 임상 2상에서 mRNA를 기반으로 한 수지상 세포 백신이 immune checkpoint inhibitors(ICIs)와 병용될 경우 지속적인 항-종양 면역반응이 관찰된다고 보고 되었다. 따라서 이러한 결과들은 mRNA 를 기반으로 한 수지상 세포 백신 접근법들은 현재 다양한 암종들 치료에서 한계성을 갖고 있는 ICIs 의 효능을 향상시킬 수 있는 방법이 될 수 있음을 제시하고 있다.

지난 20여년 간 mRNA 백신 분야에서 주요한 연구 성과는 암을 포함하는 다양한 질병들을 치료하는 안전하고 효과적인 치료제 개발로 이어지고 있다. mRNA 약물이 갖고 있는 생산의 단순성, 높은 효능, 신속한 개발과 낮은 제조 원가 및 안전한 주사 방법들은 mRNA 백신이 기존의 백신들이 갖고 있는 한계성을 극복하는 대안이 될 수 있음을 강력히 시사하고 있다. 특별히 mRNA 백신 개발에서 최근 연구 성과들은 선천성과 적응성 면역원성을 조절하여 감염병 뿐 아니라 다양한 종양 백신의 임상 시도들로 이어지고 있다. mRNA 백신은 약물치료, 방사선 치료와 checkpoint inhibitors를 이용한 면역 치료와 같은 기존의 치료법과 병용이 가능하기 때문에 종양 치료에서 새로운 분야로 부상하고 있다. 그러나 GMP(good manufacturing practice) 규모로 생산량을 확장하고 약물 규제, 안전성과 효능을 향상시키기 위해서는 여전히 극복해야 할 많은 장애물들이 존재하고 있다. 그럼에도 불구하고 현재 mRNA 백신을 이용하여 다양한 암들을 치료하기 위한 임상들은 활발히 진행 중이고 그 결과들이 기대되고 있다.

mRNA 암 백신을 이용한 임상 시도들. (=필자제공)
mRNA 암 백신을 이용한 임상 시도들. (=필자제공)

향후 mRNA 백신 프랫폼을 기반을 한 접근법들이 면역시스템을 효과적으로 자극하는 기작들에 대한 연구와 관련 기술 개발은 매우 활발하게 진행될 것으로 전망되고 있다. 결론적으로 코로나바이러스 팬더믹에서 보여준COVID-19 mRNA 백신의 성공과 그 잠재성은 암 백신을 포함하는 mRNA 를 기반으로 한 새로운 형태의 약물 시대가 도래하고 있음을 강력히 시사하고 있다.

mRNA 암 백신을 이용한 임상 시도들. (=필자제공)

 

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