무릎골관절염세계최초 Gene Therapeutics 인보사 - 케이 저자최병철 약학정보원학술자문위원 머리말 코오롱생명과학의인보사-케이주 (Invossa-K R injection, 성분명 : 토노젠콘셀, tonogenconcel) 는항염작용을나타내는형질전환성장인자-베타1(transforming growth factor-beta1, TGF-β1) 유전자가도입된동종연골유래연골세포 (allogenic human chondrocytes) 를주성분으로하는세계최초의무릎골관절염 (knee osteoarthritis) 에대한유전자치료제 (gene therapeutics) 이다. 인보사 - 케이주 (Invossa-K R injection, 성분명 : 토노젠콘셀, tonogenconcel) 이약제는 2017년 7월 29번째국내신약으로 3개월이상의보존적요법 ( 약물치료, 물리치료등 ) 에도불구하고증상 ( 통증등 ) 이지속되는중등도무릎골관절염 (Kellgren & Lawrence grade 3 ; Kellgren & Lawrence grade는방사선학적으로골관절염의정도를평가하는기준으로총 4단계의심, 경증, 중등도, 중증으로구분 ) 의치료 에승인되었다. 현재무릎골관절염에사용하는세포치료법 (cell therapy) 에는연골재생을촉진하는자가연골세포 (autologus chondrocyte) 치료제와동종제대혈유래중간엽줄기세포 (allogenic umblilical cord blood derived mesenchymal stem cell) 치료제가있다.
무릎골관절염세계최초 Gene Therapeutics, 인보사 - 케이 유전자치료제는유전자전달체 (gene delivery vehicle) 를이용해치료유전자 (therapeutic gene) 를인체에 주입하여질병을치료하는약제이다. 인보사는정상연골세포와형질전환연골세포를 3 대 1 비율로혼합하여 수술적방법없이 1 회무릎의관절강내주사 (intraarticular) 하는약제이다. 인보사의임상적유효성의경우, 주사하고 1년후환자가느끼는무릎통증개선정도와운동이나일상생활등에서의기능개선정도를대조군과비교하여우수성이입증되었다. 또한안전성의경우, 주사부위국소반응 ( 통증, 부종등 ) 과전신반응 ( 열감, 두드러기등 ) 을평가하여안전하였으며, 이약제투여한환자를 3-10년간별도로추적한입상연구에서지연반응 ( 종양, TGF-β1 농도상승등 ) 등이안전한것으로평가되었다. 따라서인보사는세포치료제의단점을보완한유전자치료제로평가되고있으며, 이에따라무릎골관절염환자 에서통증을줄이고삶의질을높이는데커다란도움이될것이다. 골관절염 (Osteoarthritis, OA) 은어떤질환인가? 골관절염 (OA) 은퇴행성관절염 (degenerative joint disease, DJD) 이라고도하며, 60세이상노인의약 1/3에서발생하는흔한질환으로남성에서 20.2%, 여성에서 50.1% 로여성이남성에비해약 3배높은유병률을보인다. OA은관절을구성하는여러성분중에서관절연골과그주위의뼈에퇴행성변화가나타나며, 체중을많이받는관절인무릎관절 ( 슬관절 ), 엉덩이관절 ( 고관절 ) 등에주로발생한다. 뼈의끝은원래매끄럽고얇은연골로덮여있는데, 이는관절에가해진충격을흡수 완화시키는작용을하며관절운동을유연하게만든다. 뼈의끝과연골은활막으로덮여있으며이활막은활액을생산하여관절연골에영양을공급하고관절의윤활작용을한다. 활막의바깥층은관절낭과인대들로구성되어있어관절의탈구를예방하고관절을보강한다. OA에서연골은가늘고거칠어지는반면, 연골바로밑의뼈는더욱두꺼워지고관절면으로자라나와관절이제대로움직이지못하게만든다. 활막에도염증이생기면액체가과다하게생산되어관절은붓게되고관절낭과인대들은두꺼워져관절이뻣뻣해진다. OA이있다고모두증상을나타내지는않으며심한경우에만아프거나관절이제대로움직이지못한다. 오랜연구에도불구하고아직확실한원인은밝혀져있지않으며아마여러인자가관여할것으로생각되고있다. OA은침범된관절에통증, 강직, 부종, 기능저하를호소한다. OA의가장큰특징은연골의파괴이며골극 (bone spur) 형성, 연골하골경화 (osteosclerosis) 및미세골절 (microfracture), 경증의활막염증등과같은병리학적소견을보인다. 연골의항상성을유지하는데중요한역할을하는연골세포 (chondrocyte) 의변화와사멸로인해제2형콜라겐 (type II collagen), proteoglycan, aggrecan 등세포외기질 (extracellular
당뇨망막병증치료에 Best in Class, Anti-VEGF Intravitreal Injection, 루센티스 4/14 matrix, ECM) 의생성이감소하고, ECM 분해효소에의해 ECM의분해가촉진되면서연골의기본구조가파괴되어관절부하를견디지못하게된다. ECM 분해효소중기질금속함유분해효소 (matrix metalloproteinase, MMP)-13와 a disintegrin and metalloproteinase with athrombospondin motif(adamts)-5가 OA 발생에특히중요한역할을한다. 이러한연골파괴과정에 interleukin(il)-1β, tumor necrosis factor(tnf)-α, hypoxia-inducible factor(hif)-2α, transforming growth factor(tgf)-β 등과같은 cytokines도중요한역할을한다. ECM이파괴되면서생성되는 C-terminal cross-linked telopeptides(ctx) 또는 cartilage oligomeric matrix protein(comp) 는혈청또는소변에서측정하여질병의중등도를평가하는생체지표 (biomarker) 로이용할수있다. 무릎골관절염 (Knee Osteoarthritis, OA) 는어떤질환인가? 무릎관절은인체에서가장긴대퇴골 (femur) 과경골사이에위치하며, 가장길고강한지렛대의사이에위치하여양끝에가해지는외력이항상가중되어전달되는관절이다. 무릎의관절연골은대퇴골과경골의표면을각각 3-4mm 정도의두께로감싸고있다. 무릎관절은하중을받으며움직이는곳으로특히무릎과같은다리의관절은서기, 걷기, 계단오르기등의일상적인동작에의해체중의몇배나되는힘이가해지는곳이다. 보통의속도로평지를걷고있을때무릎에는순간적으로체중의 5-7배나되는힘이가해진다고한다. 따라서무릎은신체의여러관절중에서도가장강한힘을받는관절이다. 슬개골 (Patella) 은무릎을보호하는뼈 (knee cap) 로대퇴사두근 (quadriceps femor) 의건 (tendon) 안에무릎관절이교차하는곳에있다. 역삼각형모양의슬개골은볼록한전면과오목한후면을가지고있는데, 후면은다리를쭉뻗었을때대퇴골과 (femoral condyles) 위에얹혀있다. 이슬개골은전방에위치하고표재성이므로외부충격에의해골절이되기쉽다. 슬개골은대퇴골과경골위에무릎에위치하고있으며다리가움직일때무릎을보호하고근육의지레역할을한다. 따라서무릎골관절염환자들은, 운동성소실, 통증, 하지근육의약화, 관절의강직, 관절의변형, 제한된움직임, 고유수용성감각기능의저하가되어있다. 또한보행, 앉은자세에서일어날때, 계단을오르내릴때요구되는활동에제한을받고있기때문에기능적으로많은제약이뒤따르게된다. 근육의약화나비대칭적근육활동은불안정한관절을유발할수있고, 근육을더욱사용하지않게되어근약화를가중시키며, 특히대퇴사두근의약화를가진다.
무릎연골은어떻게손상되고재생되는가? 일반적으로연골은뼈와는달리성분에칼슘이들어있지않으므로뼈보다는탄력성이있고 고무처럼부드러 움이있다. 연골에는 proteoglycan 이라는성분이포함되어있는데, 이는끈적끈적한점성이있는물질로단 백질의일종이다. 뼈는혈액순환이매우활발한조직이지만연골에는혈액이흐르지않는다. 관절연골은연골세포 (chondrocyte) 의밀도가낮아상대적으로세포외기질이차지하는부분이많고, 연골은혈관, 신경, 림프관이없기때문에손상을받은후세포를보충할수있는길이매우제한적이다. 연골결손부위로공급될수있는세포에는인근연골로부터이주 (migration) 하는연골세포, 골수와활막및지방조직에존재하는줄기세포등이있다. 이중주위연골로부터이주한연골세포는이동속도와거리가매우제한적이기때문에연골재생에충분하지않다. 이러한특징때문에물리적손상을받은연골은다시정상적인기능과구조를가진연골조직으로재생되는데있어많은한계점을지니고있다. 또한일단손상된연골의경계부위는기계적압력에취약하여쉽게부서지고마모되어결손부위는더커지게된다. 아울러연골의부스러기 (debris) 는염증을일으키는원인을제공함으로써더욱연골을손상시키고, 그결과골관절염이빠르게진행될수있다. 따라서손상된연골을조기에재생시켜주는것이매우중요하다. 현재연골결손의재생을위한방법이다양하게제시되고있으나, 아직정상적초자연골 (hyaline cartilage) 의재생에는미치지못하고있다. 1994년자가연골세포이식술이식술 (autologous chondrocyte implantation, ACI) 이소개된이래세포를이용한연골의재생치료법이급속히발전하고있다. 세포이식에의한연골의재생치료방법은크게나누어결손된부위에세포를공급하거나인공적으로배양된관절연골을이식하는방법이있다. 무릎골관절염에어떤치료법이사용되는가? 무릎골관절염은관절연골이소실되거나퇴행성변화로국소적인염증과통증이나타나는질환이다. 따라서치료는통증과강직의경감, 관절운동능력유지및개선, 장애의최소화를일차적목표로한다. 더나아가추가적인관절손상을억제하고삶의질을개선시키기위해노력한다. 무릎골관절염에의한관절통과관절기능저하는관절에염증, 근력저하, 관절불안정등에의해서유발되므 로이러한부분에대한치료를고려해야한다. 치료방법은비약물적치료, 약물치료, 수술적치료의세가지 가있다.
6/14 OARSI Guidelines for the Non-surgical Management of Knee OA( 출처 : www.oarsi.org) 무릎관절염의약물치료에는경구용약제, 관절강내주사제및세포치료제등이있다. 경구용약제에는 acetaminophen, 비스테로이드항염제 (NSAIDs), 마약성진통제등이있다. 관절강내주사제로는스테로이드제 (intraarticular corticosteroids), 히알루론산 (hyaluronic acid) 제제등이있다. 또한연골이많이소실된중 말기환자는심한통증과보행장애를겪는경우연골재생을촉진하는자가연골세포 (autologus chondrocyte) 치료제, 줄기세포 (stem cell) 치료제등을주입하거나, 수술요법으로관절경수술 (arthroscopic surgery), 인공관절치환술 (arthroplasty) 등을시행하기도한다. 경구용약제 Acetaminophen은무릎골관절염의일차적인치료제로비스테로이드항염제 (NSAIDs) 보다우선적으로사용하고있다. Tramadol은중추신경에작용하는진통제로항염작용은없다. 임상연구에서 tramadol은위약에비해통증억제효과가현저히있으면서의존성이높지않은것으로보고되었다. 그러나구토, 오심, 변비, 두통등의부작용이나타날수있고의존성의위험이항존하고있기때문에통증조절에일차약제로채택될가능성은낮고 acetaminophen이나 NSAIDs로충분한진통효과를못보는환자에서보조적으로시도해볼수있을것이다. Opioid 계열의마약성진통제는통상의 NSAIDs나약한진통제로효과를보지못하는환자에서사용한다.
관절강내주사제 관절강내스테로이드제 (Intraarticular corticosteroids) 스테로이드국소주사는 1940년대관절강내주사요법으로처음소개된이후스테로이드제가국소주사요법의대표적약제로사용되고있다. 이국소주사는항염증제, 물리치료등과같은포괄적인치료의한부분이며, 전신부작용을최소화할수있고손상부위에정확히투여할수있는장점이있다. 스테로이드제의작용기전으로는먼저 phospholipase A2의작용을차단하여염증반응을감소시키며, 직접적으로 C형통각신경섬유에작용하여통각신호의전달을차단하는역할을한다. 스테로이드제는반감기, 용해도, 강도, 농도가다양한약제가있데, 이약제들의조직흡수도는 corticosteroid crystal의용해도에달려있는것으로보이며, 반감기가긴약제일수록그치료적작용기간도긴것으로알려져있다. 주로사용되는약제로는 methylprednisolone acetate, triamcinolone acetonide, triamcinolone hexacetonide, betamethasone sodium phosphate and acetate 등이있다. 이중관절강내주사시에는작용시간이비교적긴 triamcinolone acetonide를사용하고, 건초와같은연부조직에는 methylprednisolone acetate를사용한다. 스테로이드국소주사는강력한소염작용외에도조직내교원질합성을억제하여조직의치유를방해할수도 있으며, 주사후에증세가빨리좋아져서조직의과사용으로인한퇴행성변화가일어날수있다. 퇴행성변 화는주사된용량에비례하므로반복적인국소주사는피하도록해야한다. 관절강내히알루론산 (Hyaluronic acid, HA) 제제히알루론산 (HA) 제제는골관절염질병조정약제 (disease modifying osteoarthritis drug, DMOAD) 에해당하는데, 이는단순한진통효과만있는기존의약제와달리관절의재생을돕거나구조적인변형이진행하는것을지연시켜관절구조와기능을유지하는작용을가지는약제로정의한다. HA 은정상적으로관절활액뿐아니라피부, 연골등여러조직의기질을형성한다. HA 의구성성분은 N -acetylglucosamine 과 glucuronic acid 로이루어져있으며, 관절액 ( 활액 ) 과연골의주성분으로관절액의점 성과탄성을높이고연골표면을보호한다. 골관절염에서는염증반응의결과로생기는분해효소들의작용으로 HA의분해가촉진되고활액의점성이떨어지면서결과적으로관절표면의원활한운동이제한을받게된다. 이것이악순환고리를형성하여골관절염의연골손상을가중시킬것으로생각되면서외부에서부족한 HA를보충해주려는시도가있어왔다. 골관절염의동물실험모델들에서 HA를외부에서주입하는경우내인성 HA의생성을촉진시키고연골 proteoglycan의합성을억제하며 arachidonic acid 분비를억제하면서 prostaglandin E2의생성을억제시키는것으로보고되고있다.
HA제제는비약물요법과단순진통제치료에실패한경우이며비선택적 NSAIDs나, COX-2 선택적억제제가금기사항이되거나, 효과가없거나, 부작용이있는경우에특히유용하다. HA는미 FDA에서도경구진통제로효과를보지못하는무릎골관절염 ( 슬관절염 ) 또는어깨골관절염 ( 견관절염 ) 환자의통증억제제로인정된바있다. HA 제제의부작용으로는주사부위에일시적인통증이나타나거나일시적으로관절통이나종창이악화되기도 한다. 또한 HA 제제는통증감소지속기간이스테로이드제국소주사보다길지못해 1 주마다 1 회수회주사 해야하는불편함이있다. 기존의 HA 의약물반감기를늘린 BDDE 가교히알루론산나트륨 (BDDE cross-linked sodium hyaluronate) 은무릎골관절염에 6 개월이상간격을두고 1 회투여하는약제이다. 세포치료법 (Cell Therapy) 세포치료법은세포와조직의기능을복원하기위하여살아있는자가 (autologous), 동종 (allogenic), 혹은이종 (xenogenic) 의세포를체외에서증식, 선별하거나여러가지방법으로세포의생물학적특성을변화시키는일련의행위를통하여치료, 진단, 예방의목적으로사용하는방법이다. 세포치료법에서세포자체를약제로활용하는세포치료제는환자로부터분리한세포를원하는특정성질을 갖도록조작및배양하여그환자에게다시주입하는경우가많아불특정다수를대상으로대량생산되는일 반의약품과대비하여 맞춤형의약품 이라고불린다. 세포치료제는사용하는세포의종류및분화정도에따라체세포치료제 (somatic cell) 와줄기세포치료제 (stem cell) 로나눌수있다. 체세포 (Somatic cell) 치료제체세포치료제는체세포를이용한치료로암치료를위한수지상세포 (dendritic cell) 가대표적인체세포를이용한세포치료제이다. 그밖에자가연골재생을위한자가연골세포, 피부재생을위한표피세포, 당뇨병치료에이용되는 islet 세포, 파킨슨병의 fetal neuronal 세포, 암및면역질환의자연살해세포 (natural killer cell, NK cell), 세포독성 T 세포, 각막이식용세포등이체세포치료제로이용된다. 연골재생을위한세포치료법으로는자가연골세포이식술 (Autologous chondrocytes implantation, ACI) 이 있다. ACI 은체외에서배양된자가연골세포의이식함으로써연골조직의재생을유도하는치료법으로가장먼 저임상적으로적용된세포치료법이다. 이이식술은연골이비교적크게결손된부위에적용이가능하며아주
적은양의연골조직을채취하기때문에공여부의손상이매우적다. 하지만환자자신의연골을채취하기위 한 1 차관절경수술과이식을하는 2 번의수술이필요하고, 세포이식시수술난이도가높고적응부위등에 한계가있다. 현재자가연골세포 (Autologus chondrocyte) 치료제에는콘드론 (Chondron R ) 이있다. 이약제는 2001년 1월국내생명공학의약품 1호로 무릎관절의부분적연골손상의환자 ( 결손손상부위 : 단독병변의경우 15cm2, 다발성병변의경우 20cm2) 치료 에승인되었다. 이약제는배양한연골세포와생체적합성천연접착물질인피브린 (fibrin) 글루 (glue) 를혼합한젤형태로환자자신의세포를이용하는자가세포치료제로대량생산이어렵고수술을두번받아야하는단점이있다. 줄기세포 (Stem cell) 치료제줄기세포는기원한다는뜻의 stem 에서유래하며, 원기세포또는뿌리에서나오는줄기라하여간세포 ( 幹細胞 ) 라고도한다. 줄기세포는한개의세포가여러종류의다른세포를생산할수있는특이한능력 ( 다중분화능, multi-potentiality) 을가진세포로손상받은신체부위의세포들을재생할수있다. 따라서줄기세포는특정한세포로분화가진행되지않은채유지되다가필요할경우신경, 혈액, 연골등인ㅊ체를구성하는모든종류의세포로분화할가능성을갖고있다. 줄기세포치료제는줄기세포가얻어지는장소에따라크게성체줄기세포 (adult stem cell) 치료제, 배아줄기세포 (embryonic stem cell) 치료제및분화줄기세포 ( 유도만능줄기세포, induced pluripotent stem cell) 치료제로분류할수있다. 성체줄기세포와배아줄기세포가모두장기및조직의재생에응용될수있다는점에서같지만세포학적특성에있어서는매우상반된특징을가지고있다. 즉성체줄기세포는세포의분화쪽으로의기능인반면, 배아줄기세포는세포의증식쪽으로의기능이라할수있다. 역분화줄기세포는일종의유사배아줄기세포로체세포생체시계를역으로돌려만든인위적인줄기세포이다. 성체줄기세포 (Adult stem cell) 치료제성체줄기세포는신생아와성인의발달된장기와기관에서발견되는세포로상처나사고로조직과세포가손상되었을때근육, 뼈, 지방, 신경등의세포로분화돼손상된부위를복구시킬수있는세포이다. 성체줄기세포는배아줄기세포에비해증식이어렵다는단점이있으나이식시종양생성문제, 면역거부반응등의문제는상대적으로적은이점을가지고있다. 제대혈줄기세포도넓은의미에서성체줄기세포에속한다. 성체줄기세포는전세계줄기세포치료제시장의 99% 를차지하고있을정도로산업화가상당히진척되어있는분야이다. 성체줄기세포치료제를이용한연골재생의경우, 세포를채취하는데그양이매우제한적이며체외배양시세 포의탈분화로인해세포표현형의변화가발생되는한계점을가지고있다. 또한동종세포를이용할경우에는
면역거부반응에의한실패를예상할수있다. 하지만중간엽줄기세포 (mesenchymal stem cell) 는성인의 다양한중간엽조직에서채취가능하며여러번의계대배양 (cell subculture) 후에도분화능을유지하면서증 식이가능하므로손상된연골을치료하기위한중요한세포원이라할수있다. 아울러손상이깊어연골하골까지재생이되어야하는경우, 연골뿐아니라뼈로도동시에분화되어재생되는장점을갖고있기도하다. 줄기세포는면역반응이없거나혹은기존의면역거부반응을현저하게저하시키는기능이있는것으로알려져있다. 하지만줄기세포는이식후세포비후와관련된유전자 (hypertrophy-related genes) 가발현되어세포자멸사 (apoptosis) 과함께혈관침투를유발하여결국연골세포의석회화를초래하는단점이있다. 연골재생을위한줄기세포치료법으로는제대혈줄기세포, 골수유래줄기세포, 지방조직유래줄기세포기타활막 줄기세포, 근육줄기세포등을이용한방법이있다. 1. 제대혈줄기세포 (Umblilical cord blood derived stem cell) 제대혈줄기세포는기본적으로골수이식수술을필요로하는모든질병에사용할수있다는장점이있다. 다른조직에비해채취가용이하고윤리적인문제를피할수있기때문에치료목적의좋은세포공급원이될수있다. 골수유래줄기세포는환자의연령에따라분화능력에서많은차이를보이나제대혈줄기세포는연령에크게제한받지않으며, 환자가필요로하면언제든지맞춤식세포치료가가능하다. 또한다른조직의줄기세포에비해면역거부반응의가능성이매우낮아다양한많은환자들을대상으로치료를할수있다는점에서상업적인이용가치가매우높다. 현재동종제대혈유래중간엽줄기세포 (allogenic umblilical cord blood derived mesenchymal stem cell, UCB-MSC) 치료제에는카티스템, Cartistem R ) 이있다. 이약제는줄기세포 (mesenchymal stem cell, MSC) 의일종인동종제대혈유래중간엽줄기세포 (UCB-MSC) 와히알루론산나트륨 (sodium hyalunate) 복합체로동종세포를활용하므로대량생산이가능하다. 이약제는 UCB-MSC를이용하여 2012년세계최초로관절염무릎연골손상치료제로 최행성또는반복적외상으로인한골다공증환자 (ICRS grade IV) 무릎연골결손의치료 에승인되었다. 하지만이약제는단순히 MSC를배양한제품으로공여자또는미세환경의변화에따라세포의분화능이다르게나타나고있기때문에이상적인줄기세포치료제를개발하기위해서는아직도많은연구가필요하다. 2. 골수유래줄기세포세포 (Bone marrow stem cell, BMSC) 골수유래줄기세포는골수에존재하는 MSC 로가장먼저알려졌고, 오랫동안연구되어오면서줄기세포성질 의기준세포 (standard) 로간주되고있다. 주로장골능 (iliac crest) 에서채취를하며특정배양조건에서비
교적쉽고재현성이높게뼈, 연골, 지방과섬유세포로의분화시킬수있어연골재생을위한세포치료제의 세포공급원으로써가장널리이용되고있다. 3. 지방조직유래줄기세포 (Adipose-derived stem cell, ADSC) 지방조직유래줄기세포는인체의어느조직에서든지쉽게얻을수있다는장점이있다. 최근들어지방조직이골수에비해더많은양의줄기세포를포함하고있다고보고되고있다. 지방조직은골수로부터의수집에비해비교적간단한지방흡입등으로많은양의줄기세포를얻을수있어세포증식에많은시간이소요되지않으며, 공여부의이환을적게남기고, 반복적으로채취가가능한장점들을가지고있어세포치료제의재료로써적합하다고할수있다. 배아줄기세포 (Embryonic stem cell) 치료제배아줄기세포는일반적으로수정란의발생초기단계 ( 착상전 ) 인배반포 (blastocyst) 의내세포괴 (inner cell mass) 를분리하여미분화상태에서배양후수립된세포주 (cell line) 이다즉배아줄기세포는분열은활발하지만아직분화하지않은세포라할수있다. 이는불임부부가임신목적으로체외수정한후남은잔여배아를이용하게된다. 이러한수정란배아줄기세포이외에도확립방법에따라체세포복제배아줄기세포, 단성생식배아줄기세포, 단일할구배아줄기세포등이있다. 배아줄기세포는실험실에서무한증식이가능하고신체의모든세포로분화할수있으나, 이식시종양이발생할수있다는위험을안고있다. 배아줄기세포는체외에서계대배양이가능하며, 부유배양하면세포들이서로응집하여 embryoid bodies(ebs) 라는구상의세포덩어리를형성한다. EBs는배아 (embryo) 의발생과유사한분화양상을나타내며여러형태로의세포로분화가가능하다. 이러한세포분화체계는지방세포연골세포, 신경세포등여러형태의세포분화연구에이용되고있다 역분화줄기세포 ( 유도만능줄기세포, induced pluripotent stem cell, ips) 치료제 역분화줄기세포는배아줄기세포와유사한세포로체세포복제줄기세포가갖는생명윤리적문제 ( 난자를사용 하고배아를파괴하는문제 ) 와기술적어려움등을해결하며환자로부터직접줄기세포를만들수있다. 줄기세포종류 ( 출처 : 2010 년바이오경제연구센터 Report III)
유전자치료법 (Gene Therapy) 는무엇인가? 유전자치료법은유전자 (gene) 를환자에게투여함으로써난치및불치질환을치료하는새로운치료방법이며, 1990년최초로치료목적으로시도되었다. 유전자치료법은기존의화학치료법에서화학물질이의약품으로사용되고단백질치료법에서단백질이의약품으로사용되는것처럼유전자치료법에서는유전자 ( 핵산폴리머치료적전달체, therapeutic delivery vehicle of nucleic acid polymer) 가의약품으로사용되는것이다. 따라서유전자치료제 (gene therapeutics, gene medicine) 는유전물질발현에영향을주기위하여투여하는유전물질또는유전물질이변형되거나도입된세포를함유하고있다. 아울러결핍및결함이있는유전자를교정또는교체하여질병을분자수준에서근본적으로치료하는치료유전자 (therapeutic gene) 와유전자전달체 (gene delivery vehicle) 로구성된 3세대바이오의약품이라할수있다. 이치료법에서특정유전자전달체인벡터 (vector) 는세포나조직에치료유전자를전달하기위해서반드시 필요하다. 전달방식에는대상세포나조직에치료유전자를직접주입하는 in vivo 방식과체외에서세포를 치료유전자로형질전환시켜증식시킨후대상조직에삽입하는 ex vivo 방식이있다. Gene Therapy( 출처 : www.wikipedia.org) 또한치료대상에따라체세포유전자치료법 (somatic gene therapy) 과생식세포유전자치료법 (germline gene therapy) 으로나눈다. 체세포유전자치료법은치료하고자하는유전자를체세포에삽입하는방법으로삽입한대상자의유전자만치료가가능하며다음세대로전달되지않는다. 하지만생식세포유전자치료법은치료유전자또는유전자의변형이이루어짐에따라다음세대로전달될위험성이존재한다. 1990 년최초의임상시험이시작후 2012 년유럽 EMA 에서 지질분해효소결핍증 (lipoprotein lipas e deficiency) 에유전자치료제 알리포젠티파보벡 (alipogene tiparvovec, 제품명 : 글리베라, Glyvera R )' 를승인
하였고, 2015 년미 FDA 에서흑색종 (melanoma) 에사용하는종양용해성바이러스 (oncolytic virus) 치료제 탈 리모젠라허파렙벡 (talimogene laherpaeparevec, 제품명 : 임리직 (Imlygic R ) 을승인한바있다. 유전자 (Gene) 유전자는단백질혹은 rrna/trna와같은기능적 RNA(functional RNA) 를세포내에서제조하는데필요한정보를담고있는 DNA(deoxyribonuleic acid) 이다. 유전자는세포외에서는 DNA라는화학물질에불과하지만세포내에서는세포내에내재적으로존재하는전사기구 (transcription machinery) 에의해 RNA로전사되고이어해독기구 (translation machinery) 에의해단백질로해독되어유전자가암호화하고있던최종산물인단백질혹은 RNA를만들수있다. 유전자에담겨있던정보에의해단백질혹은 RNA가만들어지는과정을유전자발현 (gene expression) 이라고한다. 따라서유전자가의약품으로사용되기위해서는유전자가환자의세포속으로잘전달된후유전자발현과정이효과적으로이루어져유전자의최종산물이효과적으로생산되어야한다. 하지만유전자자체만으로는환자세포로의전달및유전자발현과정이제대로이루어지지않기때문에이과정을효과적으로매개할수있는유전자전달체벡터 (gene delivery vehicle 또는 gene delivery vector) 가필요하다. 유전자치료법의투여경로 유전자치료법은투여경로에따라체내 (in vivo) 또는체외 (ex vivo) 유전자치료법으로나눈다. 체내 (in vivo) 또는체외 (ex vivo) 유전자치료방법 ( 출처 : 헬스조선, 2016)
체내 (in vivo) 유전자치료법체내유전자치료법은환자의치료에필요한타깃유전자 (target gene) 가포함되어있는전달체를직접주입하는방식이다. 이치료법은환자의세포를채취한후치료타깃치료유전자를투입하지않아도되므로특이성이낮으며경제적비용이절약되는이점이있다. 하지만오프타깃효과 ( 타깃외의조직및장기에서치료 유전자가발현되는현상, off-target effect) 의발생가능성이높으며유전자전달체가타깃세포에도달하기 전면역반응이일어남으로써치료효과가저해될수있는단점이있다. 체내유전자치료법의대표적인전달체 로는아데노바이러스 (adenovirus) vector 혹은아데노부속바이러스 (adeno-associated virus, AAV) vector 등이있다. 체외유전자치료법은환자의세포를채취한후치료타깃유전자를도입세포내에서증식시킨유전자도입세포 (gene-modified cell) 를다시환자의체내에투입하는방법이다. 대표적인유전자도입세포로는 T 세포, 줄기세포, 연골세포, 수지상세포, 종양세포등이있다. 이치료방법은치료타깃표적세포를선별할수있다는이점이있다. 이는체내유전자치료방법의단점인오프-타깃효과및바이러스전달체로인해유발될수있는면역반응을최대한줄일수있다. 또한체외에서타깃유전자전달한후환자에게주입전형질전환된세포의기능평가 ( 세포의선별, 증식및품질등 ) 수행이가능함으로최상의안정성및세포의효능을확보할수있다. 체외유전자치료법의대표적인운반체로는레트로바이러스 (retrovirus) vector 혹은렌티바이러스 (lentivirus) vector 등이있다. 위와같은체외혹은체내유전자치료후치료타깃유전자가세포내로전달된후핵내로이동및전사하여 mrna 가다시세포질로이동하여단백질을발현하는과정이원활하게일어나면치료가성공적이라할수있 다. 유전자치료전달체 (Gene therapeutics vehicle) 바이러스는자신이가지고있는유전자를다른숙주로운반하여복제및증식이가능한특성을가지고있다. 이러한바이러스특성을이용하여병원성을제거하고유전자치료에전달체 ( 벡터, vector) 로써이용하는것이다. 따라서질병치료를위해유전자를생체내로전달하는물질인전달체를정확한위치로운반하고자바이러스를대표적으로다양한형태의전달체들이이용되고있다. 전달체의바이러스이용여부에따라바이러스성 vecctor 혹은비바이러스성 vector 로나눌수있다. 다양한 질환에서유전자치료연구에서절반이상이바이러스성 vector 를사용하고있으며비바이러스성 vector 등도 사용되고있다. 바이러스성 vector 는바이러스고유의증식기전을이용한유전자전달체로 adenovirus, retrovirus, adeno-associated virus(aav) 등이대표적이다. 바이러스성 vecor 는효과적인유전자도입율, 바이러스별로
당뇨망막병증치료에 Best in Class, Anti-VEGF Intravitreal Injection, 루센티스 7/14 안정적혹은일시적발현유도선택가능하다는장점이있지만, 병원성이있는바이러스이므로안전성의문 제및 vector 내삽입가능한유전자크기에도제한적이다. 이중 retrovirus 는최초로유전자치료바이러스 vector 로사용되었다. 이외에종양살상바이러스벡터 (oncolytic virus vector) 및헤르페스심플렉스바이러스 벡터 (herpes simplex virus vector) 등도있다. 비바이러스성 vector 는 plasmid 와 liposome 등이대표적이다. 비바이러스성 vector 는자가복제및면역반 응유발을하지않고바이러스 vector 에비해제조가용이하다는장점이있다. 또한바이러스 vector 에비해 그구조가단순함으로안전하다는평가를받고있다. 하지만일시적유전자발현및낮은전달의효율성은 임상적도입을위해해결해야할문제이다. 이중가장많이활용되고있는방법은 plasmid 혹은 naked DNA 를바로투여하는것이다. Naked DNA 는비바이러스성유전자전달체의가장단순한형태로다른물질 과의결합없이 plasmid DNA 자체가유전자치료제로활용되는것으로서가장안전하며대량생산이용이하다. Transforming growth factor-β1( 형질전환성장인자 - 베타 1, TGF-β1) 는무엇인가? Transforming growth factor-β(tgf-β) 는중간엽줄기세포 (MSC) 의연골분화요소로 type I 과 type II 의특정 한 serine/threonine kinase 수용체를통해신호전달이활성화가된다. TGF-β superfamily 는 TGF-β family, BMPs(bone morphogenetic proteins), GDFs(growth and differentiation factors), activin 등여 러성장인자들을포함하고있다. TGF-β1 신호전달과정은우선 TGF-β가 TGF-βR(transforming growth factor-β receptor)ii에결합한후 TGF-βRI와이합체를만들면서시작한다. 이후 Smad signal을활성화하게되고, 이러한과정에서 Smad 2/3 단백질은 TGF-βRI에의해인산화되어연골화를유도하며, 반면 Smad1/5/8 단백질은 TGF-βRI에의해인산화되어골화를유도하게된다. 이때 Smad2/3과 Smad1/5/8은각각 Smad4와결합한 heteromers복합체형태로핵으로이동하여서로다른전사인자와표적유전자를활성화한다. Transforming Gowth Factor-β1( 출처 : www.ar.iiarjournals.org)
MSC 분화 (differention) 중이러한 TGF-β 수용체의중요성은형질전환마우스에서연골형성연구를통해입증되었다. TGF-βRII가제거된형질전환마우스는 TGF-β1 signal을인지하지못함으로써연골손상과연골세포비대화가연골발달의초기단계에서관찰되었고, 관절의퇴행으로골관절염이유도되었다. 이러한연구결과들은 TGF-β 수용체조절이 MSC의연골분화 signaling cascades 조절에있어중요한역할을한다는것을보여준다. 레트로바이러스전달체 (Retrovirus Vector) 는무엇인가? Retrovirus는 1990년미국국립보건원 (NIH) 에서최초의유전자치료임상시험에사용된 vector이다. Retrovirus의생활사는바이러스입자 (particle) 가세포막을통과해세포내로들어간후역전사 (reverse transcription) 에의해바이러스의 genomic RNA가 DNA로전환된다. 전환된 genomic DNA는인터그레이즈 (integrase) 에의해숙주세포의 genome( 유전체 ) 에삽입되고, 이후숙주세포의유전자처럼전사 해독되는과정을거쳐바이러스의 genomic RNA와바이러스단백질을생산한다. 만들어진바이러스 genomic RNA는바이러스단백질과세포막으로구성된바이러스구조물에 packaging( 충진 ) 되어최종적인바이러스입자가만들어져세포밖으로방출된다. Retrovirus Vector( 출처 : www.nature.com) 그런데바이러스 genomic RNA의 packaging되는과정에서 genomic RNA에존재하는특정염기서열부위가 packaging signal 역할을수행한다. 이는바이러스 genome의다른부분이모두존재하더라도 packaging signal 부분이결손되어있으면그 RNA는 packaging될수없고반대로바이러스 genome의다른부분은모두없더라도 packaging signal을가지고있는 RNA는바이러스입자에 packaging될수있다는점이다.
이러한특성을활용하여 retrovirus의 genome에서바이러스단백질을암호화하는부위를제거한후이부분에치료유전자를삽입하면재조합된 RNA는 retrovirus 입자에 packaging되어치료유전자를가진재조합바이러스가만들어진다. 이재조합바이러스를표적세포에접촉시키면바이러스는세포내로들어간후역전사과정에의해바이러스의 genomic RNA( 치료유전자가포함되어있음 ) 가 DNA로전환되고이후숙주세포의염색체에삽입되어치료유전자가발현되게된다. 재조합 retrovirus의 genome는바이러스의단백질을암호화하고있는유전자가결손되어있으므로바이러스단백질을생산할수없어더이상바이러스를만들수없다. 이와같은방법을통해치료유전자를포함하는재조합 retrovirus를만들수있고, 이를통해치료유전자를표적세포에전달할수있다. 아울러 retrovirus는분열하는세포에만감염할수있기때문에표적세포를체외배양하면서유전자를전달하는 ex vivo 방법을통한유전자전달에주로활용되고있으며, 주요표적세포는혈액줄기세포를포함한다양한줄기세포들, 면역세포, 섬유아세포등이다. 특히 retrovirus의 genome은표적세포의염색체에삽입되기때문에표적세포가분열하는만큼복제되어딸세포의염색체에유지되며이론적으로는영구히유전자를발현할수있다. 하지만염색체로의삽입과정에서유전자삽입에따른돌연변이 (insertional mutagenesis) 가일어날수있다는이론적인위험을지니고있다. 현재 retrovius vector는유전질환, 암질환등은물론류마티스관절염등에대한유전자치료임상에도활용되고있다. 인보사 - 케이는언제어떻게승인되었는가? 코오롱생명과학의인보사 - 케이주 (Invossa-K R injection, 성분명 : 토노젠콘셀, tonogenconcel) 는항염작용을 나타내는형질전환성장인자 - 베타 1(transforming growth factor-beta1, TGF-β1) 유전자가도입된동종연골 유래연골세포 (allogenic human chondrocytes) 를주성분으로하는세계최초의무릎골관절염 (knee osteoarthritis) 에대한유전자치료제 (gene therapeutics) 이다. 이약제는 2017년 7월 29번째국내신약으로 3개월이상의보존적요법 ( 약물치료, 물리치료등 ) 에도불구하고증상 ( 통증등 ) 이지속되는중등도무릎골관절염 (Kellgren & Lawrence grade 3 ; Kellgren & Lawrence grade는방사선학적으로골관절염의정도를평가하는기준으로총 4단계의심, 경증, 중등도, 중증으로구분 ) 의치료 에승인되었다. 이약제는정상연골세포와형질전환연골세포를 3 대 1 비율로혼합하여수술적방법없이 1 회무릎의관절강 내주사 (intraarticular) 하는약제이다.
당뇨망막병증치료에 Best in Class, Anti-VEGF Intravitreal Injection, 루센티스 9/14 이약제의승인에는무릎골관절염의통증과관절의기능개선 ( 무릎관절부위의뻤뻤함, 부종등증상정도, 뛰 기, 테니스등운동가능성, 계단오르기, 장보기등일상생활에서의활동가능정도등을종합하여평가 ) 정 도, 연골구조개선효과, 이상반응등이참고되었다. 인보사는어떤약제인가? 인보사는세계첫무릎골관절염동종세포유전자치료제로관절통증의완하와관절의기능을개선하고관절구조퇴행을지연시킨다. 즉연골체세포와연골세포의성장을촉진하는유전자 TGF-β1를결합하여제조한다. 이약제는 retrovirus vector를활용해 TGF-β1 유전자를연골세포유전자에도입한형질전환연골세포를방사선처리한세포 (hchonjb#7) 와정상연골세포 (hchonj) 두가지가 1대 3으로혼합되었다. 유전자도입동종유래연골세포는제조단계에서방사선을조사하여증식불가능한세포임이확인되었다. Invossa( 출처 : www.kolonls.co.kr) 인보사는어떻게사용하는가? 인보사는키트중제 1 액 1 바이알 (2mL) 은동종연골유래연골세포를함유하고있고, 제 2 액 1 바이알 (1mL) 에는 TGF-β1 유전자도입동종연골유래연골세포를함유하고있다. 성인의대상무릎관절강내에제 1 액과제 2 액을혼합한 1 키트 (1.8x10 7 cells/3ml) 를투여한다. 이약은무 릎강내에투여되는주사제이므로, 철저한소독을통해감염에주의하여조제하고투여한다. 자세한투여방 법은다음과같다.
1) 제 1액과제 2액바이알각각을 35 ~ 37 ( 항온수조, 항온블록, 항온배양기등이용가능 ) 에서 3 ~ 5분간두어해동시킨다. 2) 바이알상부캡을제거하고고무전부위를베타딘또는유사소독제를이용하여소독한다. 3) 5mL 주사기한개와새로운주사침 (18~21G) 2개를별도로준비한다. 4) 제 1액을 5mL 주사기에전량충진한다. 5) 장착된주사침을제거한후새로운주사침 (18~21G) 을제 1액이충진된주사기에장착한다. 6) 제 1액이충진된 5mL 주사기로제 2액을전량충진한다. 7) 주사기를손으로조심스럽게탭핑하여세포가고르게부유될수있도록하며, 가급적거품이나지않게조심한다. 8) 장착된주사침을제거한후새로운주사침 (18~21G) 을장착한다. 9) 전체충진량중에서 3mL만남기고나머지는버린다. 10) 이렇게준비된인보사 -케이주(INVOSSA -K inj.)3ml를무릎관절강내에천천히주사한다. 11) 하루입원을하면서경과를지켜보는것을권장하며, 입원여건이안되는경우, 최소한 2시간은휴식을취하면서신중히관찰해야한다. 이약제는무릎연골부위에주사하고나서 30 분 ~1 시간고정한후일상생활로복귀가가능해기존세포치료 제와달리수술과정이필요없어투여가간편한다. 다른약물치료에실패하거나수술하기어려운초 중기환 자를위해효과적일것이다. 인보사치료방법 ( 출처 : 국민일보, 2016)
인보사는어떤약리기전을가지는가? 선천면역세포 (Innate immune cell) 인대식세포 (macrophage) 는활성화표현형에따라전염증 (pro-inflammatory) 을특성을가지는활성화된 M1 대식세포 와면역억제 (immunosuppressive) 특성을가지는활성화된 M2 대식세포 로분류된다. IFN-γ는 M1 대식세포의활성화와연관된핵심 cytokine으로병원체인식에의해유도된 TLR(toll like receptor) signal이 M1 대식세포의분화에기여한다. M1 대식세포는 TNF-α, IL-12 및 IL-23 의발현을높이고 Il-10 의발현을낮추어조직손상을초래하는 Th1 및 Th17 면역반응을유발하는것으로알려져있다. 이와대조적으로 M2 대식세포는 IL-10 의발현을높이고 Il-12 의발현을낮춤으로써염증을감소시켜조작재생을촉진시킨다. 인보사 [TGF-β1를발현하는사람연골세포 (hchonjb#7) 와정상연골세포 (hchonj)] 의형질전환연골세포는 TGF-β1을분비해백혈구의한종류인단핵구를염증반응을억제하는 M2 대식세포로활성화하고연골재생을돕는다. 정상연골세포는연골조직에부착된어연골내면역균형을유지해염증을유발하는 M1 대식세포가 TNF-α 등을분비를조절한다. 따라서연골항상성균형을유지하고무릎골관절염 ( 퇴행성관절염 ) 의진행 ( 악순환 ) 을차단함으로써관절강내 구조를개선시키고증상을완화시킨다. Invossa 작용양식 ( 출처 : www.kolonls.co.kr) 인보사의허가임상은어떻게진행되었는가? 인보사의 3 상임상은국내무릎관절염환자 163 명을대상으로이약제 1 회주사하고 1 년후환자가느끼는 무릎통증개선정도와운동이나일상생활등에서의기능개선정도를대조군 ( 생리식염수투여군 ) 과비교하였다.
당뇨망막병증치료에 Best in Class, Anti-VEGF Intravitreal Injection, 루센티스 임상결과, 1차평가변수인무릎통증, 기능성및활동성지수 (International Knee Documentation Committee, IKDC; 점수가높을수록증상개선 ) 의향상폭이 15.1점 ( 투여전 40.3점에서치료 12개월후 55.4점으로증가 ) 으로위약군 5점 (39.6점에서 44.6점으로증가 ) 대비약 3배증가하였다. 인보사투여군의통증시각척도 (visual analog scale, VAS; 0~100점, 점수가높을수록통증이심함 ) 가감소한정도는 24.5점으로위약군 0.3점에비해개선되었다. 2차평가변수중하나인골관절염증상지수 (Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index, WOMAC) 는투여전대비 13.9점줄어위약군의 6.2점보다 2배가량호전되었다. 인보사의흔한이상반응은관절강내주입과관련돼있었다. 심각한부작용은 2건으로한환자에서관절통 (arthralgia) 과관절종창 (joint swelling) 이나타났는데 10일이내에소실되었다. 따라서임상적유효성의경우, 주사하고 1년후환자가느끼는무릎통증개선정도와운동이나일상생활등에서의기능개선정도를대조군과비교하여우수성이입증되었다. 또한안전성의경우, 주사부위국소반응 ( 통증, 부종등 ) 과전신반응 ( 열감, 두드러기등 ) 을평가하여안전하였으며, 이약제투여한환자를 3-10년간별도로추적한입상연구에서지연반응 ( 종양, TGF-β1 농도상승등 ) 등이안전한것으로평가되었다. 다만손상된연골재생등구조개선효과는 MRI 등을통해확인시대조군과차이가보이지않았다. 결론 유전자치료법은 21세기의새로운치료법으로써현재의치료법들이지닌한계점들을극복할하나의대안으로기대되고있다. 유전자치료제는현재치료방법이없는희귀 유전질환이나기존치료법에대한 unmet needs가높은퇴행성 난치성질환을근본적으로치료할수있도록하며, 질병의원인이되는유전자발굴증가, 분자진단기술의발달, 유전자전달체에대한이해도증가로인해보다다양한질병에대한유전자치료제개발이가속화되리라예상된다. 현재무릎골관절염에사용하는세포치료법 (cell therapy) 에는연골재생을촉진하는자가연골세포 (autologus chondrocyte) 치료제와동종제대혈유래중간엽줄기세포 (allogenic umblilical cord blood derived mesenchymal stem cell) 치료제가있다. 하지만대량생산이어렵고수술을해야하는단점이있다. 유전자치료제는 2012 년 지질분해효소결핍증 (lipoprotein lipas e deficiency) 유전자치료제 알리포젠티파보
벡 (alipogene tiparvovec, 제품명 : 글리베라, Glyvera R )' 와 2015년흑색종에사용하는종양용해성바이러스 (oncolytic virus) 치료제 탈리모젠라허파렙벡 (talimogene laherpaeparevec, 제품명 : 임리직 (Imlygic R ) 이대표적이다. 현재글리베라의가격은 1회주사에약 11억 1천만원이고임리직은 1회주사에약 7500만원이라고한다. 국내 29번째신약이며최초의무릎골관절염유전자치료제인인보사-케이 (Invossa-K R, 성분명 : 토노젠콘셀, tonogenconcel) 는무릎관절강내 1회주사하여무릎골관절염환자의통증과관절의기능개선, 연골구조개선효과, 이상반응등에서효과적이라는점이입증되었다. 특히이약제는무릎연골부위에주사하고나서 30 분 ~1시간고정한후일상생활로복귀가가능하므로기존의세포치료제와달리수술과정이필요없다. 인보사는국내승인을넘어미 FDA, 유럽 EMA 등의승인을받기위해서는무릎골관절염증상을지속적으 로억제하고관절의구조변화를멈추거나늦춰질병을근원적으로치료하는질병완화골관절염약제 (disease-modifying osteoarthritis drug, DMOAD) 로서의치료적의치를확보하는것이필요하다. 그러기위해서는 X-ray와 MRI, 체액내의바이오마커분석을통해인보사가단순히통증경감효과를가진항염증제가아니라관절구조의퇴행을억제하고질환의호전이가능하다는점이입증되어야한다. 특히 MRI 지표뿐만아니라연골, 뼈가손상되면서나오는부산물인 CTx-I, CTX-II를각각혈청과소변에서검출해서 1 년이상의기간에서감소되는수치가확인되야할것이다. 앞으로인보사를포함하여현재국내에서진행되고있는많은줄기세포치료제및유전자치료제임상들이계 속해서좋은결과들이많이발표될것으로기대한다. 참고자료 국내허가사항 BRIC View 2016-T22 BIOSAFETY Vol.8 No.3 Osteoarthritis and Cartilage 22 (2014) 363e388 대한내과학회지 : 제 82 권제 2 호 2012 J Korean Med Assoc 2009; 52(11): 1077-1089 각종인터넷자료