[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

암세포는 면역 감시 회피, 면역 억제 촉진, 면역 체크포인트 경로 방해 등의 메커니즘으로 우리 몸의 면역 시스템의 공격을 회피한다. 이러한 회피 기전을 극복하고 암에 효과적으로 대응하기 위해, 암 면역 요법은 우리 몸의 면역 시스템을 다시 활성화시키는 다양한 전략이 연구되고 있다. 특히, 자연살해세포(NK 세포) 기반의 면역 요법은 NK세포의 암세포 사멸 능력강화 및 다른 면역 세포들을 종양 부위로 유도하여 암 세포에 대한 면역 반응을 강화시키는 데 중점을 두고 있다. 이러한 NK 세포 기반의 암 면역 요법은 수년 동안 연구되어 왔으며, 일부 성공적인 결과를 얻었지만, NK 세포의 종양 부위로의 제한적 침투와 생존 및 수명에 따른 한계점이 있다. 따라서 본 연구팀은 단백질 나노 입자를 활용하여, NK 세포를 모집하고, 활성화시켜 특정한 종양 세포로 전달하는 새로운 기술인 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)을 개발하였으며, 이를 세포 및 마우스 종양 모델에서 입증하였다.

2. 연구내용

세포 특이적으로 NK 세포의 면역반응 강화와 암세포 사멸을 유도하기 위해 본 연구팀은 NK 세포의 모집 및 활성에 관여하는 NK 세포의 표면 단백질인 CD16과 암세포에 과발현된 HER2 및 EGFR (Epidermal growth factor receptor –표피 성장 인자 수용체)를 동시에 표적하는 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)을 개발하였다. NK 세포의 활성이 가능하면서 암세포 특이적 리간드에 결합하는 NKeND은NK 세포를 종양 조직에 효과적으로 전달할 뿐만 아니라, 다른 면역 세포들을 종양부위로 유도하여 암세포를 사멸 시킬 것으로 예상하였다.

NKeND은 SpyTag/SpyCatcher시스템을 활용하여 개발되었다. 단백질 나노 입자(AaLS)에는 SpyTag을 융합하였고, 암세포 및 NK 세포를 인식하는 표적 리간드에는 SpyCatcher를 융합하였다. 이후, 간단한 단백질 결합 시스템을 사용하여 AaLS 단백질 표면에 암세포 (AaLS/HER2Afb 또는 AaLS/EGFRAfb) 및 NK 세포 (aCD16Nb-SC)를 인지하는 리간드를 동시에 표시함으로써 표적 암세포에 NK 세포를 선택적으로 전달할 수 있는 나노드론인 HER2@NKeND 및 EGFR@NKeND를 생성하였다.

HER2@NKeND 및 EGFR@NKeND는 인간 NK 세포에 효과적으로 결합할 뿐만 아니라, HER2를 과발현하는 난소암 세포주 (SK-OV-3) 와 EGFR을 과발현하는 유방암 세포주 (MDA-MB-468)에서 선택적으로 결합하였으며, 인간 NK세포와 각 암세포주의 결합은 NK 세포의 활성화로 이어졌으며, 암세포를 더욱 효과적으로 사멸시켰다. 뿐만 아니라, SK-OV-3 종양을 가진 마우스 모델에서, HER2@NKeND를 인간 PBMC (Peripheral Blood Mononuclear Cells)와 함께 투여함으로써, 활성화된 인간 NK 세포가 종양부위로 침투하여 SK-OV-3종양의 성장을 억제함을 확인하였다.

3. 기대효과

본 연구진은 암 표적 리간드(HER2Afb 또는 EGFRAfb)와 NK 세포 모집 리간드(aCD16Nb)를 동시에 단백질 나노 입자(AaLS) 표면에 SpyCatcher/SpyTag 단백질 연결 시스템을 통해 표지하여 표적 암에 특이적으로 NK 세포를 전달할 수 있는 나노드론 (NKeNDs)을 개발하였고, 이 플랫폼은 특정 종양을 선택적으로 치료하기 위한 유효한 단백질 기반의 암 면역 치료제로의 잠재력을 가지고 있으며, 향후, 우리의 연구 결과는 재조합 NK 세포 전달 나노드론을 발전시키기 위한 새로운 가능성을 열고, 암 특이적 및 면역 세포 유도 리간드를 교체함으로써 다양한 종류의 암을 선택적으로 치료하기 위한 새로운 기회를 제공할 것이라 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. NK 세포 (Natural Killer Cell; 자연살해세포)

NK 세포는 선천적인 면역을 담당하는 혈액 속 백혈구일종으로, 인체에 존재하는 가장 강력한 면역세포로 불린다. 정상 세포를 구별해낸 뒤 암세포만을 찾아 공격하는 등 암세포 발생 증식과 전이를 막는 데 효과가 뛰어나다.

2. CD16

CD16, 또는 FcγRIII로도 알려진 이 분자는 자연살해세포(NK 세포), 뉴트로필, 단핵구, 대식세포 및 특정 T 세포의 표면에서 발견되는 차별화 분자이다. CD16은 Fc 수용체(Fc receptor)로도 알려져 있으며, 주로 FcγRIIIa (CD16a) 및 FcγRIIIb (CD16b)로 나누어진다. NK 세포는 CD16을 통해 항체가 결합한 세포를 탐지하고, 이에 반응하여 해당 세포를 파괴하는데 사용되며, 이러한 프로세스는 면역 체계가 감염된 세포나 비정상적인 세포를 제거하는 데 기여하며, CD16은 이와 관련된 신호 전달에 중요한 역할을 한다.

3. HER2

HER2는 인간 표피 성장 인자 수용체 2(Human Epidermal Growth Factor Receptor 2)로, 세포 표면에 존재하는 단백질로서, 외부에서 오는 신호를 받아들이고 세포의 성장과 분열을 조절하는 역할을 하는 수용체이다. HER2은 정상적인 세포에서도 발견되지만, 특히 HER2 양성 암의 경우 이 수용체가 과도하게 증폭되거나 과발현될 수 있으며, 이는 암세포의 불규칙한 성장 및 분열을 촉진할 수 있다.

4. EGFR (Epidermal growth factor receptor –표피 성장 인자 수용체)

수용체 티로신 키나아제 패밀리의 구성원인 표피 성장 인자 수용체 EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor)은 세포 표면에 존재하는 단백질 수용체로서, 외부에서 오는 성장 인자들과 상호 작용하여 세포 내에서 다양한 신호 전달 경로를 활성화시켜, 세포 성장, 분열 및 생존에 관여한다. 여러 종류의 암에서 EGFR이 과발현되거나 돌연변이를 가진 경우가 많이 나타나며, 암세포에서 EGFR의 과도한 활성화는 종양의 과도한 성장과 생존을 유도하기에, 이는 종양의 성장과 전이에 기여할 수 있다고 알려져 있다.

5. 단백질 나노 입자 (Protein nanoparticle)

나노크기(100nm 이하)의 입자형태 물질로 특히 균일한 크기와 구성, 생분해성 및 유전적 변형에 대한 높은 순응성을 가진다는 장점이 있다. 본 연구에서 사용된 단백질 나노 입자는 lumazine synthase(AaLS) 나노입자로 60개의 서브유닛으로 이루어져 있다.

6. SpyTag/SpyCatcher

13개의 아미노산으로 이루어진 SpyTag 펩타이드와 15kDa SpyCatcher 단백질은 용액 상에서 단순히 섞어주었을 때 공유 결합을 자발적으로 형성하도록 개발된 분할 단백질이다. Genetic-fusion을 통해 원하는 단백질에 기능적 변화를 주지 않고 결합 할 수 있다. 본 연구에서는 NK 세포를 인지하는 CD16Nanobody (SC-CD16Nb)와 암세포를 인지하는 HER2 Affibody 혹은 EGFR Affibody를 각각 SC에 연결하고(SC-HER2Afb & SC-EGFRAfb), 단백질 나노입자에 ST(AaLS-ST)을 연결하여 CD16과 HER2 혹은 EGFR Affibody를 동시에 표지하는 NK 세포 전달 나노드론 (HER2@NKeND 혹은 EGFR@NKeND) 을 만들었다.

[붙임] 그림설명

그림1. 암세포 특이적 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)

SpyTag/SpyCatcher 시스템을 이용하여, 면역세포 NK 세포의 수용체 (CD16)를 인지하는 리간드와 암세포에 과발현 되어 있는 수용체에 특이적으로 결합하는 리간드 (HER2 혹은 EGFR)를 동시에 표지한 HER2@NKeND 혹은 EGFR@NKeND인 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)을 개발함. 이러한 플랫폼은 HER2 혹은 EGFR 암세포 특이적으로 NK 세포의 종양 부위로 이동을 효과적으로 유도 및 활성화를 통해 탁월한 항암 효능을 나타내게 됨.

그림2. 암세포주 특이적으로 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)에 의한 NK 세포 활성화 확인

a) HER2@NKeND 는 HER2가 과발현되는 SK-OV-3 암세포를 표적으로하는 NK 세포의 활성을 유도함.

b) EGFR@NKeND 는 EGFR이 과발현되는 MDA-MB-468 암세포를 표적으로하는 NK 세포의 활성을 유도함.

그림3. 마우스 종양 모델에서 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)의 NK 세포 매개 항종양 효과 확인

a) 마우스의 종양 크기 그래프를 통해 대조군과 비교하여 인간 PBMC와 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)을 함께 투여한 그룹에서 가장 큰 종양 억제 효과를 나타냄.

b) 인간 PBMC와 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)이 투여된 그룹에서 마우스 종양 부위로 NK 세포가 가장 높게 모집됨을 확인함.

c) 마우스의 종양 크기 그래프를 통해 대조군과 비교하여 NK 세포와 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)을 함께 투여한 그룹에서 효과적인 종양 억제를 나타냄.

d) 실험 군들 간의 실제 종양 크기 비교 사진.

e) NK 세포와 NK 세포 전달 나노드론 (NKeNDs)이 투여된 그룹에서, 종양 부위로 많은 수의 NK 세포가 모집됨을 확인함.