종양의 '방패'를 종양 자체에 대한 무기로 바꾸기

피터 인시오 왕에 따르면, 종양 세포는 "교활하다"고 합니다. 종양 세포는 이러한 암 침입자에 맞서 싸우는 인체 면역 반응을 교활하게 회피하는 방법을 가지고 있습니다. 종양 세포는 프로그램된 사멸 리간드 1(PD-L1) 분자를 발현하는데, 이는 면역 세포를 억제하는 보호막 역할을 하여 표적 항암 면역 치료 에 장애물이 됩니다.

알프레드 E. 만 생체공학 교수이자 드와이트 C. 및 힐다가드 E. 바움 생체공학 교수인 왕은 인간의 면역 체계를 활용해 암과의 싸움에서 미래 무기고를 만드는 면역 치료법을 개척하는 연구에 전념하는 연구실을 이끌고 있습니다.

왕 연구실의 연구자들은 종양 세포의 교활한 방어 기제를 자기 자신에게 대항하는 새로운 접근법을 개발하여, 이러한 "방패" 분자를 왕 연구실에서 설계한 키메라 항원 수용체(CAR) T 세포의 표적으로 삼아 암을 공격하도록 프로그램했습니다.

왕의 연구실 박사후 연구원인 링샨 주(Lingshan Zhu)와 왕, 연구 과학자인 롱웨이 류(Longwei Liu) 및 공동 저자들이 수행한 이 연구는 저널 ACS Nano 에 게재되었습니다.

CAR-T 세포 치료는 환자의 백혈구의 일종인 T 세포를 분리하여 독특한 키메라 항원 수용체(CAR)를 주입하는 혁신적인 암 치료법입니다. CAR은 암세포와 관련된 항원에 결합하여 T 세포가 암세포를 사멸하도록 유도합니다.

왕 연구실의 최신 연구는 CAR T 세포용으로 설계된 모노바디인데, 연구팀은 이를 PDbody라고 부르는데, 이 모노바디는 암세포의 PD-L1 단백질에 결합하여 CAR이 종양 세포를 인식하고 방어를 차단할 수 있도록 합니다.

"CAR을 실제 자동차라고 생각해 보세요. 엔진과 연료가 있죠. 하지만 브레이크도 있습니다. 기본적으로 엔진과 연료는 CAR T를 밀어 종양을 파괴합니다. 하지만 PD-L1은 이를 멈추게 하는 브레이크 역할을 합니다."라고 왕 박사는 말했습니다.

이 연구에서 주, 류, 왕과 그의 연구팀은 T 세포를 조작하여 이러한 억제적 "브레이크" 메커니즘을 차단하고 PD-L1 분자를 파괴 표적으로 삼았습니다.

"이 키메라 PDbody-CAR 분자는 CAR T 세포가 종양을 공격하고 인식하여 사멸하도록 만들 수 있습니다. 동시에 종양 세포가 CAR T 세포의 공격을 막는 것을 차단하고 방지합니다. 이러한 방식으로 CAR T 세포는 더욱 강력해질 것입니다."라고 왕 박사는 말했습니다.

CAR T 세포 치료는 백혈병 과 같은 "습성" 암에 가장 효과적입니다. 연구자들의 과제는 암세포와 건강한 세포를 구별할 수 있는 진보된 CAR T 세포를 개발하는 것이었습니다.

왕의 연구실에서는 건강한 조직에 영향을 주지 않고 종양 부위에서 CAR T 세포가 활성화되도록 기술을 종양에 표적으로 삼는 방법을 연구하고 있습니다.

이 연구에서 연구팀은 PD-L1 단백질을 발현하는 고도로 침습적인 유방암 에 초점을 맞췄습니다. 하지만 PD-L1은 다른 유형의 세포에서도 발현됩니다. 따라서 연구진은 종양 바로 주변의 세포와 기질, 즉 종양의 고유한 미세환경을 분석하여 설계된 PD-L1이 암세포에 더욱 특이적으로 결합하는지 확인했습니다.

"종양 미세환경의 pH는 비교적 낮고 약간 산성이라는 것을 알고 있습니다."라고 Zhu는 말했습니다. "그래서 PDbody가 산성 미세환경에서 더 나은 결합력을 갖도록 하여 PDbody가 종양 세포와 주변 세포를 구별하는 데 도움을 주고자 했습니다."

치료의 정확도를 높이기 위해 연구팀은 SynNotch라는 유전적 "게이트" 시스템을 사용했습니다. 이 시스템은 PDbody가 포함된 CAR T 세포가 CD19라는 다른 단백질을 발현하는 암세포만 공격하도록 하여 건강한 세포를 손상시킬 위험을 줄입니다.

"간단히 말해, T 세포는 SynNotch 게이트 시스템 덕분에 종양 부위에서만 활성화됩니다."라고 Zhu는 말했습니다. "pH가 더 산성일 뿐만 아니라 종양 세포 표면이 T 세포의 활성화 여부를 결정하기 때문에 두 가지 수준의 제어가 가능합니다."

주 박사는 연구팀이 마우스 모델을 사용했으며, SynNotch 게이팅 시스템이 PDbody를 함유한 CAR T 세포를 종양 부위에서만 활성화시켜 종양 세포를 죽이는 동시에 동물의 다른 부위에는 안전하게 작용한다는 결과가 나왔다고 밝혔습니다.

PDbody를 만드는 진화에서 영감을 받은 프로세스

연구팀은 계산적 방법을 사용하고 진화 과정에서 영감을 얻어 특화된 PDbodies를 개발했습니다. 유도 진화는 실험실 환경에서 자연선택 과정을 모방하기 위해 생체의학 공학에서 사용되는 과정입니다.

연구진은 자신들이 설계한 단백질의 거대한 반복 라이브러리를 갖춘 지향성 진화 플랫폼을 만들어 어떤 버전이 가장 효과적인지 알아냈습니다.

왕 박사는 "우리는 종양 표면의 PD-L1을 인식할 수 있는 물질을 만들어야 했습니다."라고 말했습니다.

"지시적 진화를 통해, 우리는 PD-L1에 결합할 돌연변이를 선택하기 위해 다양한 단일체 돌연변이를 다수 선별했습니다. 선별된 돌연변이는 종양 PD-L1을 인식할 뿐만 아니라, PD-L1의 브레이크 메커니즘을 차단하여 CAR T 세포를 종양 표면으로 유도하여 종양 세포를 공격하고 사멸시키는 특징을 가지고 있습니다."

"바다에서 아주 특정한 물고기를 찾고 싶다고 상상해 보세요. 정말 어려울 겁니다." 류 박사는 말했다. "하지만 이제 우리가 개발한 지향성 진화 플랫폼을 통해 적절한 기능을 가진 특정 단백질을 찾아낼 수 있는 방법을 갖게 되었습니다."

연구팀은 현재 임상 적용에 앞서 더욱 정밀하고 효과적인 CAR T 세포를 생성하기 위해 단백질을 최적화하는 방법을 연구하고 있습니다. 여기에는 왕 교수 연구실의 혁신적인 집속 초음파 애플리케이션과 단백질을 통합하여 CAR T 세포를 원격으로 제어하여 종양 부위에서만 활성화되도록 하는 연구도 포함됩니다.

"이제 우리는 면역 세포를 조작하고, 제어하고, 프로그래밍하여 엄청난 힘과 기능을 발휘할 수 있는 유전적 도구를 모두 갖추게 되었습니다."라고 왕은 말했습니다. "특히 까다로운 고형 종양 치료를 위해 면역 세포의 기능을 제어할 수 있는 새로운 방법을 개발하고자 합니다."