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1 암백신의개발전략 손은화 손은수

2 머리말 21세기는지식과정보가그국가의경쟁력을좌우하는지식기반산업사회로나아가고있으며, 최고가아니면살아남을수없는무한경쟁시대가되어가고있습니다. 이러한변화속에서각국가에서는미래유망기술 (Emerging Technology) 을선정하여국가역량을집중함으로써차세대국가경쟁력을확보하려는여러가지노력을기울이고있습니다. 최근우리나라에서도미래유망기술에대한관심이어느때보다도증대되고있는가운데, 한국과학기술정보연구원에서는과학계량학적인방법으로미래국가유망기술을예측하기위한일련의연구를수행하고있습니다. 본보고서는과학기술정보데이터베이스 (SCIE) 에서최근 6 년간분야별피인용도가높은핵심논문들을가지고정보계량학적인분석을행하여선정된핵심유망연구영역에대해관련국내전문가들의자문을토대로작성된 R&D 동향보고서입니다. 본보고서가관련과학기술정보를국내에확산시키고, 미래국가유망기술의전략적육성을위한연구개발활동에작으나마도움이되었으면합니다. 마지막으로본보고서를집필한저자들의노고에감사드리며, 본고의내용은한국과학기술정보연구원의공식의견이아님을밝혀둡니다 년 12 월 한국과학기술정보연구원 원장

3 ⅰ 목차 제 1 장서론 1 1. 연구의배경 1 2. 연구의방법 2 제2장기술의개요 3 1. 암세포를제거하는면역감시기능 3 2. 암세포의생존 4 3. 암백신정의및종류 5 제3장연구개발동향 7 1. 암백신개발의주요인자 8 가. CTL의활성화 8 나. T 세포에서인식되는암관련항원 암백신개발형태 15 가. 전세포백신 (whole cancer cell vaccine) 17 나. 수지상세포백신 (dendritic cell vaccine) 20 다. 항원백신 (antigen vaccine) 23 라. Heat shock protein 이용백신 27 마. DNA 백신 (DNA vaccine) 28 바. Anti-idiotype vaccine 31 제 4 장결론및제언 33 참고문헌 37

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5 ⅲ 표목차 < 표 2-1> 암백신의개발현황 6 < 표 3-1> 암관련항원 (Tumor-associated antigens) 11 < 표 3-2> 암백신의종류및제조방법 16 < 표 3-3> 수지상세포를이용한암백신개발현황 22 그림목차 < 그림 2-1> 면역감시기능 (Immune surveillance) 의모식도 3 < 그림 3-1> 종양세포에대한면역반응 9 < 그림 3-2> 암백신의개발형태 17 < 그림 3-3> 재조합바이러스암백신의생성과정 26 < 그림 3-4> 림프종치료를위한 anti-idiotype vaccine 개발전략 31 < 그림 4-1> 암백신개발전략 34

6 1 제 1 장 서 론 1. 연구의배경 21세기지식기반사회에서과학기술경쟁력은국가경쟁력의원천이며, 이에세계각국들은미래의경쟁에살아남기위해핵심기술과제를선정하여연구개발에박차를가하고있음. 우리나라과학기술부도 2005년 6월 미래국가유망기술위원회 를구성하여 과학기술예측조사 ( ) 결과 (2005년 5월, 국가과학기술위원회보고 ) 에서도출된기술후보군을바탕으로 미래국가유망기술 21 을선정하여발표한바있음. 또한한국과학기술정보연구원 (KISTI) 에서는 2005 년 SCIE 논문데이터베이스를이용한정보계량학적분석을통해 미래유망연구영역선정연구 를시도하였으며, 본보고서는그결과에기초하여최근 2~3년간논문의인용도가급속히높아지고있는유망연구영역을중심으로기술논평형식으로풀이한심층적 Expert Review 임.

7 2 암백신개발전략 2. 연구의방법 한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에등록된논문 (1999~2005 년상반기까지발표된논문 ) 중에서, 각연도및각분야별 ( 저널분류 22분야 ) 로피인용수가상위 1% 인고인용논문 (HCP; Highly cited papers) 을추출하고공인용분석 (Co-citation analysis) 및동시단어분석 (Co-word analysis) 등의과학계량학적방법들과전문가평가 (Expert evaluation) 를통해 미래유망연구영역 을도출하였음. 상기도출된미래유망연구영역중에서통계학적방법으로최근논문의인용도가급격히상승하는연구영역을과학기술분야별로추출하여본테크이슈보고서의주제로삼았음. 본보고서는암백신분야에있어서최근많이발표되고있는논문들을종합하여관련분야연구에대한기초지식과함께세계적인연구동향을개괄적으로살펴보고, 미래핵심기술로자리잡기위한연구개발전략을제시하였음.

8 3 제 2 장 기술의개요 1. 암세포를제거하는면역감시기능 인체는암세포들을탐색하여파괴하는면역능력을나타내는면역감시기능 (immune surveillance) 을가지고있음 1). 면역감시기능은생체내에서자발적으로생성되는암세포의성장을모니터링하여암세포를파괴하는인체의중요한면역반응으로 APC( 항원제시세포 ; antigen presenting cell) 와 CTL( 세포독성 T세포 ; cytotoxic T lymphocytes) 의상호작용에의해이루어지고있음 (< 그림 2-1>). < 그림 2-1> 면역감시기능 (Immune surveillance) 의모식도 Tumor antigen APC Cytokines (IL-2, IL-4, IL-12 etc) Growth factors Tumor CTL

9 4 암백신개발전략 2. 암세포의생존 암세포는다양한방법을통하여인체의면역감시기능을회피함. - 암에대하여효과적인면역반응을유도할수없는이유는항원소실변이체 (antigen-loss tumor variants) 의생성, MHC(major histocompatibility antigen) 발현의소실, 항원처리과정 (antigen processing) 의억제, 암괴사요소 (tumor necrosis factor) 와 Fas-ligand 등의특정부위억제물질들 (inhibitory molecules) 의발현등으로보고되고있음. - 암세포는인체내면역반응을억제하는물질을스스로분비하거나암세포에대한항체생성에필수적인항원을제시하지않기때문에적절한항원-항체면역반응을일으키지못하며, 인체는암세포에대한 CTL( 세포독성 T 세포 ) 을활성화하지못하여효과적으로암세포를제거하지못함 2). - 자연적으로발생하는암세포들의경우에는복합적인유전자돌연변이들에의해서새로운암항원들을생성함으로써인체의면역감시기능을회피함. 최근에는암을치료하기위한면역요법으로암세포를특이적으로파괴하는 T 세포의활성을인위적으로조절하거나, 암세포의특이적항원발현을조절할수있는치료용암백신 (cancer vaccine) 의개발이시도되고있음 3,4).

10 제 2 장기술의개요 5 3. 암백신정의및종류 암백신은암세포가지니는암특이항원 (tumor-specific antigen; TSA) 을암환자에게투여하여면역시스템을활성화시킴으로써생체내면역기능을강화하여암세포를제거하는능동적면역치료법임. - 감염성질환에대한대부분의백신과는달리암백신은암세포의항원에노출되었을때면역계를활성화시키는치료백신을의미함. 효과적인암백신을개발하기위한접근방법이 3가지제시되고있음. 즉, 암세포등을이용한다가백신 (polyvalent vaccine) 5), 특이적인암항원을이용한항원백신 (antigendefined vaccine) 6), 그리고수지상세포 (dendritic cell) 등을이용한세포백신 (cell-based vaccine) 임 (< 표 2-1>) 7).

11 6 암백신개발전략 < 표 2-1> 암백신의개발현황 백신종류 백신조성 내용 Polyvalent Whole tumor cell Auogous or allogeneic tumor cells that can vaccines be genetically engineered to secrete cytokines No need to know the molecular identity of TAA Lysate tumor cell Mechanical, enzymatic, or viral tumor lysates No need to know the molecular identity of TAA shared antigens TAA or TAA-derived peptides released in vitro by allogeneic tumor cell lines No need to know the molecular identity of TAA Heat shock proteins Prepared from auogous tumor cells No need to know the molecular identity of TAA Antigendefined vaccines Dendritic cell-based vaccines TAA proteins(eg., CEA, p53), idiotypes(lymphoma, multiple myeloma), glycoproteins(eg., MUC-1), glycolipids(eg., gangliosides) Peptides HLA class I or class II restricted Recombirart DNA Genetically engineered to express TAA±cytokines Recombinart vins Genetically engineered to express TAA±cytokines Anti-idiotypic antibody Mimicking the natural TAA Tumor-DC hybrids No need to know the molecular identity of TAA Peptide loaded DC HLA class I or class II restricted Whole tumor cell loaded DC Tumor mrna loaded DC Genetically engineered DC 주 ) TAA, tumor associated antigens; DC, dendritic cell Auogous or allogeneic tumor cells No need to know the molecular identity of TAA No need to know the molecular identity of TAA Engineered to secrete cytokines or express TAA

12 7 제 3 장 연구개발동향 지금까지암백신의개발은대부분해당암세포들을직접사용하는방법을이용하였는데, 세포에기초한암백신개발초기단계에는면역보조제와혼합된불활성화시킨암세포전체또는암세포용해물질들이이용되었음. - 암백신개발에는대부분수술시떼어낸개개환자의종양이암항원으로이용되었음. 환자로부터얻어진종양을이용한백신은면역원성을높이기위하여방사선조사된암세포들자체나암추출물들을 BCG 혹은 Corynebacterium parvum과같은세균성보강제들과혼합해서이용되었음. 이후개량된암백신들이기존의백신을대체하게되었는데 HSP(heat shock protein) 을이용하거나사이토카인 (cytokine) 과공동자극분자 (costimulatory molecules) 를암호화하는유전자들을응용하는것이었음 8). - 이외에도항원또는항원결정기 (epitope) 를이용한항원백신 9), in vitro에서수지상세포와암항원을배양하여암세포의항원을제시하게하는암백신요법등이시도되고있음 10).

13 8 암백신개발전략 최근효과적인암백신을개발하기위한전략으로는암세포를제거할수있는 CTL을활성화시키는방법과, APC 세포가 CTL을활성화시키기위한적절한암관련항원 (tumor associated antigen; TAA) 을찾는방법이제시되고있음. 1. 암백신개발의주요인자 가. CTL 의활성화 암백신개발에가장중요한초점은항원인식을위한항원특이 T세포반응 (antigen specific T-cell response) 을유도하는데있음 11). - 암세포를제거하는면역반응에서는 T 세포의반응이결정적으로중요함. CTL이활성화되면항원인식분자인 MHC class I형을통하여암세포를파괴할수있기때문임 (< 그림 3-1>). 암세포의성장은항원특이 T 세포의내성을유도하는특성을지니고있음 12). - 암세포들은 T세포의내성을유도하여인체내면역반응을충분하게활성화시키지않음. 결국효과적인암백신이되기위해서는이러한내성을극복할수있거나, 암세포에서발현된항원들과의낮은친화성에의한내성을탈출할은폐된 T 세포집단들을활성화시

14 제 3 장연구개발동향 9 킴으로써암세포에대한면역계의활성을증가시켜야함 (< 그림 3-1>). T 세포의내성을극복하기위한방법으로 APC의공동자극인자신호의발현을증가시켜암세포에대한 CTL의항원인식및활성화를증가시킴. - T 세포에의한항원인식 (antigen recognition) 의면역반응은공동자극신호들에의존함. - 항원제시세포들은 T 세포활성을촉진하는 B7과같은공동자극분자들 (costimulatory molecules) 을발현함. 그러나적절한공동자극물질들의부재시에는 T 세포수용체의항원결합은항원특이 T 세포의무력화 (ignorance 또는 anergy) 또는세포사멸 (apoptosis) 을초래하게됨 13). < 그림 3-1> 종양세포에대한면역반응 Tumor-infiltrating macrophage IL-10 Mature DC HLA I & II B7.1 B7.2 Naive HTL CD28 CTLA-4 Naïve CTL Effector HTL Th1 TCR CD4 CD40-L IL-13 TGFβ IL-10 TCR CD4 CD25 NKT cell Tr cell ROS CD40 CD11b Gr-1 Myeloid suppressor cell NK cell TAA HSP dsdna Perforin Granzyme FAS-L FAS Perforin Granzyme FAS-L TCR CD8 Effector CTL B7-H1 Tolerogenic DC PGE2 TGFβ FAS-L NO Class I HLA & TAA-derived peptide Tumor cells 주 ) 실선은자극효과, 점선은억제효과를나타냄.

15 10 암백신개발전략 T 세포에서인식되는암항원에대한대부분의연구는암세포를직접죽일수있는 CTL 세포연구에집중되어왔으나, 최근에는보조 T세포 (helper T cell; Th) 의반응도항원비특이적면역반응의초회감작 (priming) 단계에역할을나타내기때문에중요시되고있음 14). 나. T 세포에서인식되는암관련항원 T 세포가활성화되기위해서는암관련항원을인식하는과정이필수적임 15). 현재까지발견되는암항원중어떠한항원도완전하게암세포에대하여특이적인항원으로작용하지않고있음. 효과적인암백신을개발하기위해서는 CTL의활성화및면역계를활성화시킬암관련항원들이개발이필요함. - 암항원들이비록암세포들에서주로발현되긴하나, 정상세포에서도발현되기때문에암관련항원을인식하기위해면역계를자극하게되면정상세포도공격받게되는결과를초래하므로결과적으로는자가면역반응 (autoimmune reaction) 으로인한질환이발생할수있음. T 세포에의해인식되는암항원의확인은암환자로부터얻어진암특이 T 세포주또는클론 (clone) 이 in vitro 상태로배양되어지기시작하면서용이하게됨 (< 표 3-1>). 지금까지생쥐와사람의암에서확인된항원은크게다음과같이분류됨 16).

16 제 3 장연구개발동향 11 < 표 3-1> 암관련항원 (Tumor-associated antigens) scope 암항원 암종류 * Cancer testis MAGE-1 Melanoma antigens MAGE-2 Breast, Head/neck MAGE-3 bladder, gastric, lung MAGE-12 BAGE GAGE NY-ESO-1 Differentiation Tyrosinase Melanoma antigens TRP-1 TRP-2 gp100 MART-1 MCIR Tumour-specific Ig Idiotype B-ceII NHL, MM antigens CDK4 Melanoma Caspase-B Head/neck β-catenin Melanoma CLA Bladder BCR/ABL CML Mutated p21/ras Pancreatic, colon, lung Mutated p53 Colorectal, lung, bladder, head/neck Overexpressed Proteinase 3 CML self antigens WT1 CML, ALL, AML MUC-1 Breast adenocarcinoma nonmal p53 Breast, colon, other cancers Her2/neu Breast, ovary, hung PAP Prostate PSA Prostate PSMA Prostate G250 Renal cell carcinoma Viral antigens HPV E6/E7 Cervical and penile cancer EBV LMP2a EBV+Hodgkin's discase HCV Liver cancer HHV-8 Kaposi sarcoma 뒤쪽에서계속

17 12 암백신개발전략 앞쪽에서계속 scope 암항원 암종류 * Onco foetal CEA Colon, breast, pancreatic cancer antigens α-fetoprotein Liver Cancer 5T4 Many Carcinomas (including colon, Onco-trophoblast glycoprotein gastric, breast, cervix, ovary, lung, renal cell) 주 ) NHL=non-Hodgkin lymphoma; MM=multiple myeloma; CML=chronic myeloid leukaemia; ALL=acute lymphoblastic leukaemia; AML=acute myeloid leukaemia; CEA=carcinoembryonic antigen; HPV=human papilloma virus; EBV=Epstein-Barr virus; HCV=hepatitis C virus; HHv= human herpes virus. * 항원양성암종비율은매우다양함. - 첫째, 식별된암에서주로발현된특이적 (specific) 또는특이한 (unique) 암항원 - 둘째, 정상의성인조직에비해암에서만높게발현되는공유암특이적항원 (shared tumor specific antigen) - 셋째, 암이발생하는개체의정상적인조직에서발현되는조직특이분화항원 - 넷째, 암인자, 암억제인자, 바이러스관련암들의바이러스항원 (1) Specific 또는 unique 암항원 Specific 또는 unique 항원들은돌연변이나유전재배열에의해발생된암들에서특이하게발현되는암항원임. 최근에돌연변이에의해유도된다수의 MHC class I에제한되는특이적인항원인흑색종관련항원들이확인되었음. - 예를들어, 흑색종환자에서발견된특이적암관련항

18 제 3 장연구개발동향 13 원은 p16ink4a 와의결합을방해하는 CDK4 17) 와세포사멸 (apoptosis) 과정의중요한조절자인 Caspase-8 임 18). - 만약거의모든암제거 (tumor rejection) 반응이이와같은특이적항원에의한것이라면암백신개발에있어서해당환자로부터의추출된암세포의사용은필수적이될것임. (2) 공유암특이항원 (Shared tumor specific antigens) 생쥐와사람암에서분리된대부분의공유암항원은보통정상조직에서는발현되지않고특정암에서만전사적으로활성화됨. 인간에서가장잘연구된예로는흑색종환자들에게서흔히볼수있는 mage 유전자계를들수있으며, 이는암에서공유적또는선택적발현양상때문에이항원들은항원특이암백신을위한적절한후보중하나로평가되고있음 19). - mage 유전자는흑색종에게서는흔히발현되지만다른형태의암에서는흔하지않음. - mage 는많은암항원의원형으로서발현이암과고환 (testis) 부분에만국한되어있음. - MAGE-1 과 MAGE-3 의공여펩타이드는암관련항원에특이적인 CTL에의해서인식되어짐 20,21). (3) 조직특이분화항원 흑색종환자들에서가장흔히인식되는 MHC class I에제한된조직특이분화항원은색소 (pigment) 생합성에관련된 melanosomes 의단백질로부터유도된것들로확

19 14 암백신개발전략 인됨 22). - Melanosoma 항원들로부터 HLA-A2에제한된펩타이드 mart-1/melan-a 와 gp100 은많은흑색종환자들의 T 세포에의해인식되어지고있으며 23), 특히 CTL에서우성반응 (dominant reactivity) 을나타냄 24). (4) 암인자와암억제인자 암인자와암억제인자는특정암과밀접하게연관되어있으며, 항암면역성을위한효과적인표적들임. 암에서형질변화가가장잘연구된 p53은대표적인암항원인자임 25). - p53단백질은거의대부분의정상조직에서발현되기때문에암특이적항원으로분류되어지지않으나, 암에서단백질의발현정도가정상조직보다현저히높기때문에암백신의표적으로이용될수있음. - Wild-type p53 펩타이드에특이적으로반응하는 CTL 이 p53을다량발현하는암에적용될수있음 26). 암항원후보로서 ras가있음. 돌연변이체 ras에대한항체생성과 T세포면역반응이위장관암환자에서확인됨 27,28). 암인자로서 her-2/neu 가있음. 세포막 tyrosine kinase 수용체로유방, 난소와다른상피세포에서는낮은수준으로발현되나, 유방암및난소암에서는높은수준으로발현이증가됨 29). - her-2/neu 는세포막부위 (membrane localization) 작

20 제 3 장연구개발동향 15 용이있어항체에기초를둔면역증강요법에서암관련항원으로의역할을나타냄 30). (5) 바이러스와관련된암항원 바이러스항원은암발생과직접적으로연관되어있으며, 간암과자궁경부암이대표적임. - 간암의경우 B형간염바이러스가병원성인자 (etiologic agent) 로서알려져있으며, 자궁경부암의 80~90% 는 'high risk' human papillomavirus(hpv) 의 type-16, -18, -31 그리고 -45의 E6과 E7 항원발현과직접관련되어있음 31). - 바이러스감염과관련된암발생기전에있어서가장중요한부분은초기바이러스감염단계에서바이러스가면역반응으로부터의회피하는과정과암에서연속적으로발현되는바이러스항원들의면역내성에대한기전에관한문제로인식되고있으며, 이러한바이러스관련암항원들은치료용암백신과예방용암백신을위한중요한표적으로연구되고있음. 2. 암백신개발형태 암백신의개발을형태 (type) 별로분류하면전세포백신, 수지상세포백신 32), 항원백신인펩타이드백신 33), 바이러스벡터백신, 사이토카인및공동자극분자백신, HSP(heat shock protein) 이용백신, DNA백신 34) 등으

21 16 암백신개발전략 로분류할수있음 (< 표 3-2>). < 표 3-2> 암백신의종류및제조방법 백신종류전세포 (whole cell) 백신자가유래백신동종이계백신수지상세포백신항펩타이드원백신백바이러스신벡터백신사이토카인, 공동자극분자백신 HSP 이용백신 DNA백신 제조방법 방사선조사한암세포또는세포용해물 환자의자기암세포를이용한백신 다른사람에게분리한암세포를이용한백신 암항원을가한수지상세포암항원을발현하는유전자를도입시킨수지상세포 emulsion 중의 CTL epitope liposome 중의 CTL epitope lipopeptide 중의 CTL epitope 암항원또는암항원 +cytokine 을발현하는 adenovirus 및 vaccinia virus cytokine 또는 B7 gene을도입시킨암세포암항원을가하고 cytokine gene을도입시킨항원제시세포종양세포로부터분리된 heat shock protein을이용항원을발현하는 plasmid 이용 - 그중에서도항원을도입시켜개발하는세포백신과 DNA 백신이대표적임. 특히 DNA 백신은가장유력한차세대암백신으로기대되고있어지금까지암백신개발연구를진행해온연구자들대부분이 DNA 백신기술을응용하는데주력하고있음.

22 제 3 장연구개발동향 17 < 그림 3-2> 암백신의개발형태 가. 전세포백신 (whole cancer cell vaccine) 암세포백신은외과적수술로제거한암세포자체를이용하는것으로더이상암세포를형성하지않도록방사선을조사하여암세포를사멸시킨후환자에게주사함 년대부터흑색종등에대한방법이시도됨 35). - 방사선을조사하더라도암세포표면에는암항원 (tumor antigen) 이존재하기때문에특이적인면역반응을자극시킬수있음. 이에암항원을갖고있는암세포는체내에주사시체내면역계에의해인식되고, 공격을당하게됨.

23 18 암백신개발전략 - 화학물질의처리나유전자조작을통한암세포의변형이나또는면역증강작용이있는다른물질즉, 면역보조제 (adjuvant) 등을혼합하여면역작용을보다증강시켜사용하기도함 36). 세포에기초한암백신개발의적합여부는암세포에서널리발현되는자가항원들에대한것보다도암특이 (tumor-specific) 또는암선택항원 (tumor-selective) 들에대해서강한면역성을생성하게되는능력에달려있음. - 암세포자체를백신으로개발하려는시도가이루어지는것은아직까지모든암항원이알려져있지않기때문이며, 암세포전체를이용함으로써아직밝혀지지않은암항원을포함한많은중요암항원을체내면역계에노출시킴으로써보다효과적인면역반응을유도하기위함임. - 최근연구는수지상세포를암세포에융합시켜면역작용을증강시키는시도가이루어지고있음 37,38). (1) 자가유래암세포백신 (autogous vaccine) 자가유래암세포백신은환자자신에게서분리한암세포자체를이용하는, 즉자기세포 (self) 를이용한백신으로분리된암세포를처리후즉시주사하거나, 일정기간 in vitro 배양후또는동결처리후주사함. - 자신의세포를이용하기때문에 MHC 서열이일치하고, 최상의면역반응을유도할수있다는장점이있음. - 자가유래암세포백신은다음과같은단점을가지고있음 39).

24 제 3 장연구개발동향 19 첫째, 환자개개인에게적합한백신의제조가어렵고비용이많이소요된다는점 둘째, 암세포는돌연변이가쉽게일어나기때문에백신의효력이제한됨 셋째, 여러종류의암세포를갖고있거나, 여러부위에암세포를갖고있는환자의경우에는암세포마다조금씩또는매우다른암항원을가지고있어서백신의효력이제한됨 넷째, 분리된암세포에서백신을제조할수있는유용한세포가충분하지않아많은양의백신의제조가어려움 다섯째, 자기 (self) 로인식되어백신투여후강력한면역반응을유도하기어렵거나, 오히려면역반응을억제시키는물질을분비하여역효과를초래할수있음 - 단점을극복하기위하여반복적인백신투여, 암세포표면의화학처리에의한변형, 유전자조작, 면역계를효과적으로활성화시키는사이토카인의투여등의방법이모색되고있음 40). (2) 동종이계암세포백신 (allogenic vaccine) 동종이계암세포백신은자가유래암세포백신의여러단점을극복하기위해다른사람에게서분리한암세포를이용하는방법으로, 실험실의대량배양을통해많은양을확보할수있고, 여러환자로부터분리한여러종류의암세포즉, 여러종류의암항원을동시에투여할수있다는장점이있음. - 보통사멸시킨동종이계암세포와 1종이상의면역보

25 20 암백신개발전략 조제를함께투여하여면역반응을극대화하고있음. - 자가유래백신보다실용적이긴하나이러한백신이라도모든환자에게면역반응을유도하지않기때문에선택할암세포를주의깊게선정해야함 41). 나. 수지상세포백신 (dendritic cell vaccine) 수지상세포는암세포를체내면역계가인식할수있도록보조하는 APC의한종류로, 암세포표면의항원을분해하여항원결정기를 T 세포에제시함으로써 CTL 반응을유도하게하는역할을함. - 수지상세포는대식세포 (macrophage) 보다약 50배높은수준의 MHC molecule 들을발현함으로서 T 세포수용체와의결합을위한더많은펩타이드 /MHC 리간드를제공함. - 또한 T 세포할성화에매우중요한세포부착물질 (adhesion molecule) 과공동자극분자 (costimulatory molecule) 를매우높은수준으로발현함 42). T 세포특이케모카인 (chemokine) 을코드화하는유전자들과같이수지상세포특이유전자들은 T 세포반응을유도하는데수지상세포에강한활성을유도함. - 직접분리한수지상세포또는 GM-CSF 로유도된수지상세포를종양면역을위한항원운반체로이용함 43). 환자로부터분리된수지상세포는실험실에서대량배양후계속적으로항원을가하거나, 자기항원을생성할수

26 제 3 장연구개발동향 21 있도록유전자조작등의방법으로암세포인식능력을증강시킨후주사함으로써면역반응을일으키게함. - 흑색종환자에게이용된 autogous 수지상세포는, GM-CSF 와 IL-4가있는 PBMC(peripheral blood mononuclear cells) 의배양에서생성되어, tumor lysate 또는 MHC class I에제한된흑색종항원으로 pulse 된것으로서, 지연형과민성 (delayed type hypersensitivity) 의유도와함께임상적효과를보였음. - 궁극적으로전신적항암면역성을유도하기위해서는수지상세포의다양한 loading 방법들이개발되어야함. 최근에는수지상세포와암세포를융합시켜수지상세포가암세포를스스로발견, 제시할수있도록하는방법이시도되었으며이렇게 in vitro에서훈련또는교육시킨수지상세포에서암세포에대한높은면역반응을나타내었음 44). - 수지상세포백신은자가유래암세포백신과같이개개환자에대하여특이적이며, 환자개개인으로부터분리하여배양후투여되기때문에제조하기가어렵고비용이많이든다는단점이있으나, 현재그효능이우수하여흑색종환자외에도전립선암 45), 폐암 46) 등에대한임상시험이시도되고있음 (< 표 3-3>).

27 22 암백신개발전략 < 표 3-3> 수지상세포를이용한암백신개발현황 종류회사특징 다발성골수종백신 APC8020 전립선단백질 APC8015 Provenge Mylovenge APC8024 ex vivo 텔로메라제 암백신 수지상세포 / 암항원백신 수지상세포 암세포융합유방암백신 다발성골수종대상의수지상세포백신 ' DC-I 세포치료키트 Dendreon 사 ( 미국 ), 기린비루 ( 일본 ) Dendreon 사 ( 미국 ) Geron 사 ( 미국 ) Genzyme Molecular Oncology 사 ( 미국 ), Massachusetts 종합병원 ( 미국 ) Genzyme Molecular Oncology 사 ( 미국 ), Beth Israel Deaconess 의료센터 ( 미국 ), Dana-Farber 암연구소 ( 미국 ) Aastrom Biosciences사 ( 미국 ), Stanford 대학 ( 미국 ), 미국국립위생연구소 Aastrom Biosciences사 ( 미국 ), 동사의유럽자회사인 Zellera 사 환자의혈액에서수지상세포를분리하여특이단백질인이디오타입으로활성화하여환자체내로재투여함. 임상1상 ( 02) 전립선암항원과수지상세포를이용한암백신. 공동개발, 임상시험중 ( 02) 전립선암을대상으로한수지상세포요법. 임상3상 ( 02) 다발성골수종을대상으로한수지상세포요법. 임상2상 ( 02) 유방암, 난소암, 대장암을대상으로한수지상세포요법. 임상1상 ( 02) 수지상세포등항원제시세포를환자로부터분리하고체외에서텔로메라제단백질단편이나텔로메라제항원을세포내에서생산하기위한핵산으로처리하여환자에게다시주입하는방식의암면역요법. 환자의수지상세포에 Melan-A/Mart-1과 gp100라는두개항원을제시하여백신으로서재주입하는 ex vivo 백신을악성흑색종환자에투여. 임상1/2상 ( 02) 환자의종양세포와수지상세포를화학적으로융합하여백신으로서이용한말기유방암대상의임상 1/2 상시험 다발성골수종에대한신형수지상세포백신의임상계획 사람수지상세포의 ex vivo 제조를위한 DC-I 세포치료키트의유럽내시판허가 뒤쪽으로계속

28 제 3 장연구개발동향 23 종류회사특징 DCVax-Prostate DCVax-Brain IL13 과수지상세포를이용한암백신 (IDD3) 수지상세포치료제 CpG 올리고뉴클레오티드 Northwest Biotherapeutics 사 ( 미국 ) Sanofi-Synthelabo 사 ( 프랑스 ), Immuno-Designed Molecules 사 ( 프랑스 ) 동경대학의과학연구소 ( 일본 ) Coley Pharmaceutical 사 ( 미국 ) 앞쪽에서계속 전립선암을대상으로한수지상세포백신. 임상1/2상종료글리오블라스토마를대상으로한수지상세포백신. 임상2상. 멜라노마를대상으로한암백신. 임상2상종료 ( 02) 암면역요법의개발판매를목적으로제휴. Sanofi사는 IDM사의세포치료제로부터최대 20품목선택키로함. 세포를분리하는유닛을이용하여분리한미숙한수지상세포를유전자를도입하지않고암환자에게투여하는실험개시 CpG 올리고뉴클레오티드를이용하여수지상세포활성화. 특허등록 다. 항원백신 (antigen vaccine) 항원백신은수천개의항원을함유하고있는암세포자체를이용하는것이아니라, 개별적으로분리, 정제된개개의암항원을이용하여보다효율적으로면역반응을유도하는백신임. - 자가유래암세포백신의경우처럼환자마다특이적인백신을만들지않아도되는장점이있음. - 신기술의도입으로특이성이높은암항원이대량생산되어환자에게투여할수있게되었음. 최근에는많은암항원에대한유전적구조가규명되어대량생산이가능하게되었고, 보다효율적으로면역반응을유도하도록암항원의구조적변형도가능하게되었음 47).

29 24 암백신개발전략 - 또한동시에여러암항원을혼합하여투여할수있기때문에앞으로의개발이기대됨. (1) 펩타이드백신 (peptide vaccine) 가장먼저임상시험된특이항원암백신은공통 HLA alleles 에의해공여된특정펩타이드임 48). 거의모든펩타이드에기초한백신은 MHC class I에제한된항원성펩타이드가이용되어왔음. 펩타이드백신의효과는 in vivo에서비워져있는 MHC 분자들의 APC loading 과정에좌우됨. 그러므로활성화 APC로의표적화에대한고려없이펩타이드를단순히이용하는것은 MHC class I의내성을초래하게됨. - 그예로서 incomplete Freund's adjuvant 와펩타이드백신을함께투여하여혈장으로도입되었을때 APC 에결합함으로써 costimulatory signals의발현없이내성을유도한경우가있었음 49). - 또한, 흑색종환자에게시험된 HLA-A2 에제한된 MAGE-3 펩타이드 /Freund's incomplete adjuvant 의경우에도 MAGE-3 에특이적으로반응하는 CTL의유도를관찰할수없었음 50). (2) 재조합바이러스백신 (recombinant viral vaccine) 면역성을높이기위해서다양한재조합바이러스백신이시험되고있으며 (< 그림 3-3>), recombinant vaccinia, adenovirus 와 poxvirus 가암의면역치료에많이이용되고있음 51-53).

30 제 3 장연구개발동향 25 재조합바이러스를이용한암백신의특징은다음과같음. - 첫째, 바이러스감염으로야기된세포손상의 danger signal 이골수를활성화시켜 APC를유도함으로써항원에대한공동자극인자의활성을유도함. - 둘째, 어떤재조합바이러스백신은골수에서유도된 APC의직접감염과관련되어있어서바이러스백신의수정 (modification) 을유도함으로써, 항원들의 processing 과항원공여그리고공동자극인자를발현하는유전자들의참여를증가시킴 54). 재조합바이러스백신개발의가장큰장애는이미존재하고있는중화항체에의한백신의억제효과임. 중화항체는교차반응하는바이러스 (adenovirus) 에사전노출또는사전면역화에의해서생성된결과이므로이런중화항체의제거와지금까지노출된적이없는바이러스의벡터개발이필요함.

31 26 암백신개발전략 < 그림 3-3> 재조합바이러스암백신의생성과정 Vaccinia Promoter TK gene Restriction-enzyme cleavage site TK gene DNA encoding Ag from tumor cell Plasmid Vaccinia Promoter TK gene Cleavage and ligation Gene from tumor cell TK gene Recombinant plasmid Transfection Vaccine virus Infection Tissue-culture cells Homologous recombination BUdr selection Recombinant vaccinia Vactor vaccine

32 제 3 장연구개발동향 27 (3) 재조합박테리아백신 (recombinant bacterial vaccine) Salmonella, BCG 그리고 Listeria monocytogenes와같은박테리아를이용한암백신의특징은다음과같음 55). - 첫째, 위장관을통한감염경로를가지고있기때문에백신의경구투여가능성을제공하고, - 둘째, monocytes 와 macrophages 에감염됨으로써항원들을 professional APC로표적화시킬수있음. 재조합 Listeria monocytogenes 백신의경우, 대식세포에감염되자마자 phagolysosomes 을점령해서, phagososomal 막을불안정화시켜박테리아의세포질로전이를가능하게하는 listeriolysin O를분비하게함. - L. monocytogenes의세포질에서의생활주기는분비된항원들의 phagolysosomal phase중의 MHC class II 과정에서뿐만아니라 MHC class I 과정에서도효과적인 processing 을하게함 56). 항원특이 T 세포면역반응이외에도, 재조합 L. monocytogenes 에의한비특이적면역반응에관련된구성성분의활성화등으로효과적인암백신개발접근이이루어지고있음. 라. Heat shock protein 이용백신 암백신개발에새로운방법으로암세포로부터분리된 HSP(heat shock protein) 들을사용하는것임. - HSP는세포내펩타이드를원하는모양으로만들기위

33 28 암백신개발전략 해접힘 (folding) 작용을도와주는샤프론 (charperone) 역할을지닌세포내단백질로 gp96, HSP70, calreticulin, HSP110이이에속함. APC세포는 HSP에대한수용체가있어 HSP는동반되는펩타이드들과함께항원처리과정을거치고 MHC class I분자에의해세포표면에제시됨. 암백신개발을위한 HSP는자궁경부암을일으키는 HPV(Human papilloma virus) 에의한 E7 단백질이나 MAGE 항원과같은제한된암관련항원의수송을위해제작됨. 수지상세포는 HSPs 에의해성숙 (maturation) 되어진다고보고됨 57). 그러나암세포로부터분리된 HSP들이너무나많은펩티드들을갖고있어서암관련항원은 HSP에결합된펩티드들가운데극히일부분에지나지않는단점을가짐. 마. DNA 백신 (DNA vaccine) 원하는면역반응을지속적으로유도시킬수있도록항원을안정적으로공급하는방법으로암특이항원을코드하는 DNA를백신이개발되고있음 58). - 항원등을백신으로투여하면최초에는원하는면역반응이유도되지만시간이지남에따라서백신의효력이감소함. 이것은투여된백신에대한항체가점차친화

34 제 3 장연구개발동향 29 성을갖게되고결국면역반응이유도되어투여한백신이파괴되기때문인데, 이러한단점을극복하였음. Naked DNA를이용하는백신이현재가장유력한차세대백신후보로서연구되고있음. - 최초의연구에서는 influenza 핵단백질을코드화하는 naked DNA로 vaccination 했을때 influenza 바이러스의감염으로부터동물을보호하였음 59). - 감염성질환외에도, 암항원을코드화하는 naked DNA vaccine 은전신적항암효과를나타낸다고보고되고있음 60). DNA 백신은다음과같은단점이있음. - Naked DNA 백신의효력은재조합바이러스백신보다도작음. 이것은 naked DNA가재조합바이러스나박테리아백신에서와같은복제 증폭능력이없으므로, 면역계로제시될수있는항원의양적인제한때문임. - Naked DNA백신은생바이러스감염때보다많은염증또는위험한반응을초래함. DNA 백신은다음과같은장점이있음. - DNA 백신은 subunit 이나펩타이드백신과는달리숙주세포안에서항원이생산됨으로써 CTL 반응을유도한다는점과, 강한 Th1 면역반응을동시에유도한다는장점이있음 61). - 박테리아 DNA 경우 IFN-α/β 와 IFN-γ의유도및 NK

35 30 암백신개발전략 세포활성증가와밀접히관련되어면역증진에효과가있음이알려졌음 62). 박테리아 DNA를여러종류의 oligodeoxynucleotide (ODN) 로합성하여 B세포증식과 IgM 분비능력을조사하여 CpG-ODN 의면역활성개념을정립하였고 ODN이 methylation 되었을때면역증진활성이사라진다고보고하였음 63). CpG-ODN 은대식세포, 수지상세포, NK세포들을활성화시켜 IL-6, IL-12, IL-18, TNF-α 와같은사이토카인들의분비를촉진시키고, 공동자극분자나 MHC class I과 class II의발현을증가시켜 Th1 면역반응을특이적으로유도할수있음 64). - 또한 CpG-ODN motifs는 DNA 백신의 plasmid backbone 에삽입되어 DNA 백신의면역조절능력을향상시킬수있으며. 이러한경우에도장기간특이 Th1 면역반응이항진되는것으로밝혀짐 65). 특히재조합 DNA 기술의진보로암항원뿐만아니라면역반응을조절하는사이토카인 66), 공동자극분자 67) 등을백신으로이용할수있게되면서 68), 이러한기술의진보는비정상적인성장을억제할수있는암세포 gene 을변형시키거나, 항암제에대한감수성을증강시키는새로운 gene의삽입등에이르러유전자치료 (gene therapy) 로발전하고있음.

36 제 3 장연구개발동향 31 바. Anti-idiotype vaccine 어떠한항체들은스스로항원으로작용하여면역반응을자극함. 이러한항체에대한항체가면역반응의조절에중요한역할을하며, 이러한항체를 anti-idiotype 항체라하는데, 이 anti-idiotype 항체가항원으로작용하기때문에암환자에게주사하면면역계는이에대한면역반응을유발함. - 특히모든 lymphoma 세포가정상적인림프구또는다른정상세포에존재하지않는유일한항원수용체 (antigen receptor) 를갖고있기때문에, 많은연구자들은 lymphoma 에대한 anti-idiotype 백신이가장좋은치료수단으로주장함 (< 그림 3-4>) 69,70). - 그동안 anti-idiotype 항체의대량생산에대하여많은진전이있어왔으며, 환자에게존재하는암세포로부터유래된항원으로간주되기때문에특이적인암백신으로사용될수있을가능성이있음. < 그림 3-4> 림프종치료를위한 anti-idiotype vaccine 개발전략 Monitor Immune & Clincal response Immuunogenicity by ELISPOT, ELISA & Proliferation Lymphoma Cellulant Lymph node biopsy DNA Ig Idiotype Vaccine Protein Ig Idiotype Vaccine Vaccinte patients Infection defective adeonvirus with CD40L/ IL-2 Activate on CD40L fibroblast (in vitro expansion of lymphpma cells) Irradiate& preserve Clone idiotype cdna from lymphoma cells Assemble as a scfγ Express in plasmid vector with T helper epitope Make hybridoma with B lymphoma Produce idiotypic immunoglobulin Formulate with adjuvant and helper protein (KLH) Limited Cell Vaccine Unlimited DNA vaccine Unlimited Protein vaccine

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38 33 제 4 장 결론및제언 지난수십년간의암과관련된종양면역학의발전에도불구하고, 암과면역반응과의관계에대한규명은부족함. 특히암의백신요법은아직도제한적이며, 임상시험의단계를벗어나지못하고있음. - 최근백신의임상시험대부분은 1상과 2상에서안전성에초점을맞추고, 백신의유효성에대하여는최소한으로만관찰하여왔음. - 최근에보고된모든임상시험의약 50% 이상은흑색종에제한되어있었으며, 위암, 결장암, 췌장암, 전립선암등에있어서다양한암백신이시도되고있음. 그동안의전임상및임상시험으로부터얻은결과는체내면역계가여러면역요법들에의해암세포또는종양조직에대하여능동적으로변화될수있다는사실임. 이것은어떠한환경적자극에의해인체가스스로암세포에대항하여효과적으로반응하고, 면역세포의활성화는내부적인무기로활용될수있다는것을의미함. 효율적인암백신의개발을위해서는인체의면역감시기능과이를회피하기위한암세포의 immunological

39 34 암백신개발전략 tolerance( 면역관용 ) 에대한기전의이해가필요함. - 이는구체적으로암을제거하기위해서는 CTL, 활성화된 T helper 세포 (HTL), B 세포등이동시에유기적으로협력하여야함은물론이고, 자연면역 (innate immunity) 과적응면역 (adaptive immunity) 과의상호관계에대한중요성을인식하게함. - 이러한사실들의폭넓은이해는면역요법의개발에대한보다많은방법을제시하여줄것임. 또한수지상세포에사이토카인유전자 (cytokine gene) 의삽입, 백신과다른면역보조제의동시투여등면역요법의병용요법이능동적특이면역요법 (active specific immunotheraphy) 의여러단점을극복할수있는방법으로제시되고있음. < 그림 4-1> 암백신개발전략 Xenoantigen(Xenogeneic of TAA) Super-peptide with T affinity for HLA class I and II Bivalent peptides with affinity to HLA class I and II Fusion protein TAA (specific tumor subtypes) Telomerase, survivin (common to most tumors) Polyvalent vaccines(eg, HSP, tumor mrna, tumor-dc hybris Immunological adjuvants (eg, CpG, HSP, cytokines) Cytokines (eg, IL-12, IL-15, IL-18, IL-21) Genetically engineered vaccines screening cytokines (eg, tumor cells, DNA plasmids, viral vectors) TUMOR ASSOCIATED ANTIGENS (immunogenicity, tumor specificity, tumor expression) INNATE IMMUNITY (optimal activation of adaptive immunity) PERIPHERAL TOLERANCE (towards TAA) IMMUNE RESISTANCE (within tumor microenvironment) CTLA-4 inhibition STAT-3 inhibition ( TGF-β production) TGF-β neutralization IDO inhibition ( tolerogenic DC) B7-H1 inhibition ( tolerogenic DC) immunosuppressive factors (eg. PGE2, NO) production by tumor (eg. COX inhibitors, NOS inhibitors) tumor resistance to apoptosis (eg. COX inhibitors, NOS inhibition) lymphocyte recruitment (eg. IL-10) ROS production (eg. Histamine, IL-10) TAA uptake by APC (eg. IL-10) 암백신개발에있어서기존의 parameter만으로는백신의효능에대하여완전하게평가할수없기때문에, 백신의

40 제 4 장결론및제언 35 임상적효능을정확히평가하기위한임상 parameter 들에체액성및세포성반응의 parameter들을추가하여분석하여야함. 여기에는유도된 T 세포들의정량적인면은물론이고, 분비된사이토카인등기능적인문제를함께고려해야함. 현재의암백신연구과제는면역반응을보다향상시키고이미체내존재하는암세포를줄이는것임. 따라서면역보조요법의지속적인개발과새로이각광받고있는수지상세포등에대한보다많은이해가이러한암백신의개발에기여할것임.

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52 저자소개 손은화 약학박사 현, 국립삼척대학교교수 손은수 약사 현, 한국과학기술정보연구원선임연구원 저서 : 바이오의약품의개발및특허동향등 BB076 암백신개발전략 2005 년 12 월 19 일인쇄 2005 년 12 월 23 일발행 발행처 손은화 손은수 서울특별시동대문구청량리동 ꂕ 전화 : 등록 : 1991 년 2 월 12 일제 호 발행인조영화 인쇄처영신기획