치료용 암 백신은 환자의 암세포를 파괴할 뿐만 아니라 암이 재발하여 퍼지는 것을 방지하는 면역요법의 한 형태이다. 다양한 치료용 암 백신이 임상 시험에서 연구되고 있지만, 그 가능성에도 불구하고 아직 임상 종양학자들이 환자를 치료하기 위해 일상적으로 사용하지는 않고 있다.

치료용 암 백신의 핵심 성분은 항원으로, 이는 종양 세포에 의해 우선적으로 생성되거나 새로 생성되는(신생항원) 환자의 면역체계가 암세포를 찾아 파괴할 수 있도록 해준다. 대부분 경우 이러한 항원은 단독으로 작용할 수 없으며 항원 제시 세포(APC)로 알려진 면역 세포에서 일반적인 경보 신호를 유발하는 보조 분자의 도움이 필요하다. APC는 항원과 보조제 분자를 모두 내부화하고 다양한 유형의 T 세포에 항원을 제공한다. 그런 다음 T 세포는 종양에 대해 즉각적인 공격을 시작하거나 향후 방어를 위해 종양에 대한 장기 기억을 보존한다.

암 백신의 효과는 보조제가 APC에서 울릴 수 있는 "경보"의 수준과 지속 기간에 따라 달라진다. 이전에 연구자들은 DNA 종이접기 같은 나노구조를 사용하여 보조제와 항원 분자를 APC에 동시에 전달하면 APC 활성화를 증가시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 그러나 이러한 접근법 중 어느 것도 보조제 분자의 수와 나노 크기 배열이 어떻게 하류 종양에 대한 면역에 영향을 미치는지 체계적으로 조사하지 못했다.

이제 하버드대학교 Wyss연구소, 다나파버암연구소(DFCI), 하버드 의과대학(HMS), 한국과학기술연구원(KIST) 연구팀이 도리백(DoriVac)이라는 DNA 종이접기 플랫폼을 개발했다. 구성 요소는 자체 조립되는 사각형 블록 모양의 나노 구조이다. 정사각형 블록의 한쪽 면에 정의된 수의 보조제 분자가 고도로 조정 가능한 나노정밀 패턴으로 부착될 수 있으며 반대쪽 면은 종양 항원과 결합할 수 있다. 연구에서는 서로 정확히 3.5나노미터 간격으로 떨어져 있는 CpG로 알려진 보조제 분자가 암세포(세포 독성 T 세포)를 죽이는 세포를 포함하여 T 세포의 매우 바람직한 프로필을 유도하는 APC의 가장 유익한 자극을 가져온다는 사실을 발견했다.

유익한 염증을 유발하는 것(Th-1 극성 T 세포)과 종양에 대한 장기 면역 기억을 제공하는 것(기억 T 세포)이 있다. DoriVac 백신을 사용하면 종양이 있는 쥐가 종양의 성장을 더 잘 제어하고 대조군 쥐보다 훨씬 더 오래 생존할 수 있었다. 중요한 것은 DoriVac의 효과가 이미 임상에서 널리 사용되고 있는 매우 성공적인 면역요법인 면역관문억제제의 효과와 시너지 효과를 발휘했다는 것이다. 연구 결과는 Nature Nanotechnology 에 게재됐다.

Wyss Institute 팀을 이끌었던 Wyss 핵심 교수진 윌리엄 시(William Shih) 박사는 "DoriVac의 DNA 종이접기 백신 기술은 우리가 수년에 걸쳐 개발한 다양한 나노기술 역량과 암 억제 면역 과정에 대한 더욱 심화된 지식을 통합합니다.“라고 말했다. 연구진은 미래에 다양한 유형의 종양을 가진 환자에서 확인된 항원을 조립식 보조제 함유 DNA 종이접기에 신속하게 로딩하여 고도로 활성화할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 병용 요법에서 FDA 승인 체크포인트 억제제와 짝을 이룰 수 있는 효과적인 맞춤형 암 백신이 될 수 있다고 말한다.

DNA 종이접기의 이론적 근거
CpG 보조제는 면역 세포에 침입하는 박테리아나 바이러스 병원체의 유전 물질을 모방하는 반복된 CpG 뉴클레오티드 모티프로 구성된 합성 DNA 가닥이다. 자연 대응물과 마찬가지로 CpG 보조제는 면역 세포에서 TLR9라는 "위험 수용체"에 결합하여 항원 유도(적응) 면역 반응과 협력하여 염증(선천) 면역 반응을 유도한다.

"우리는 이전 연구를 통해 강력한 염증 반응을 유발하기 위해 TLR9 수용체가 이량체화 되어 여러 CpG 분자에 결합하는 다량체 복합체로 응집되어야 한다는 것을 알고 있었습니다. 구조 분석으로 밝혀진 효과적인 TLR9 어셈블리의 CpG 결합 도메인 사이의 나노 규모 거리는 우리가 가정한 것의 범위는 정확하게 간격을 둔 CpG 분자를 나타내는 DNA 종이접기 구조를 반영할 수 있다."라고 연구 당시 의학 강사였으며 현재 DFCI 및 하버드 의과대학(HMS)의 수석 과학자인 젱(Zeng)은 설명한다. 젱은 KIST 수석연구원인 류주희(Ju Hee Ryu)박사와 Wyss 창립 핵심 교수진이자 하버드 교수인 David Mooney 박사로부터 프로젝트에 대한 멘토링을 받았다. John A. Paulson 공학 및 응용과학 대학(SEAS)이자 i3 센터의 주요 연구원 중 한 명이다.

젱(Zeng) 연구팀은 정사각형 블록의 한 면에 서로 다른 수의 CpG 가닥이 2.5, 3.5, 5 또는 7 나노미터 간격으로 배치하고 모델 항원이 반대 면에 부착된 DoriVac 백신을 제조했다. 그들은 윌리엄 박사 그룹이 이전에 개발한 화학적 변형 방법을 사용하여 신체에서 구조가 분해되는 것을 방지했다. 종양 지향 T 세포 반응을 조율하는 수지상 세포(DC)를 포함한 다양한 유형의 APC에 의해 내재화되었을 때 DoriVac 백신은 유리 항원 분자로 구성된 대조군에 비해 항원 흡수가 향상되었다. 3.5나노미터의 CpG 간격은 APC에서 가장 강력하고 가장 유익한 반응을 나타냈으며 유리 CpG 분자만 포함하는 대조 백신보다 성능이 훨씬 뛰어났다. 젱 박사는 “DoriVac 백신이 항종양 면역을 지원하는 면역 활성화 상태를 우선 유도한다는 사실을 발견하게 되어 매우 기뻤습니다. 이는 연구자들이 일반적으로 좋은 백신에서 보고 싶어 하는 것입니다.”라고 말했다.

간격 외에도 DoriVac 백신의 CpG 분자 수도 중요했다. 연구팀은 최적의 간격으로 배치된 12~63개의 CpG 분자를 포함하는 백신을 테스트한 결과 18개의 CpG 분자가 최고의 APC 활성화를 제공한다는 사실을 발견했다. 이는 그들의 접근 방식이 CpG 분자의 복용량을 제한하는 데 도움이 될 수 있으며, 따라서 보조제에서 흔히 관찰되는 독성 부작용을 최소화할 수 있음을 의미한다.

중요한 것은 이러한 시험관 내 추세가 생체 내 마우스 종양 모델로 해석되었다는 것이다. 예방적으로 생쥐의 피부 아래에 DoriVac 백신을 주사했을 때 DC를 자극하는 가장 가까운 림프절에 DoriVac 백신이 축적되었다. 흑색종 항원이 포함된 백신은 이후 주입된 공격적인 흑색종 세포의 성장을 예방했다. 모든 대조 동물은 실험 42일째에 암에 걸렸지만, DoriVac으로 보호된 동물은 모두 살아 있었다. DoriVac 백신은 또한 흑색종 종양 형성이 이미 진행 중인 쥐의 종양 성장을 억제했는데, 18 CpG 분자의 3.5 나노미터 간격이 다시 DC 및 T 세포에 최대 효과를 제공하고 종양 성장을 가장 강력하게 감소시켰다.

다음으로 연구팀은 DoriVac 백신이 흑색종 종양에서 나타나는 작은 "신생항원"에 의해 생성되는 면역 반응을 강화할 수 있는지에 대한 여부를 물었다. 신생항원은 종양 세포에 의해서만 만들어지기 때문에 이상적인 표적이다. 그러나 이들은 종종 그 자체로는 면역원성이 크지 않아 매우 효과적인 보조제가 신생항원 백신의 중요한 구성요소가 된다. 네 가지 신생항원으로 맞춤화된 DoriVac 백신을 사용하면 연구자들은 신생항원을 생성한 쥐의 종양 성장을 크게 억제할 수 있었다.

마지막으로 연구자들은 DoriVac이 종양에서 아무 일도 하지 않는 T 세포를 재활성화하는 면역 관문 요법과 시너지 효과를 낼 수 있는지에 대한 여부를 조사했다. 생쥐에서 두 가지 치료법을 결합하면 흑색종 종양이 완전히 퇴화했으며, 4개월 후 같은 종양 세포에 다시 노출되었을 때 흑색종 종양이 다시 자라는 것을 방지했다. 동물들은 종양에 대한 면역 기억을 구축했다. 연구팀은 쥐 림프종 모델에서도 비슷한 백신 접종 효율을 얻었다.

젱 박사는 “보조제 전달의 최적점을 결정하고 결합 항원의 전달 및 효과를 향상하는 DoriVac의 가치가 다양한 암 환자에게 사용할 수 있는 더욱 효과적인 임상 암 백신의 길을 열 수 있다고 생각합니다.”라고 말했다. 연구팀은 현재 DoriVac 플랫폼을 임상 적용으로 전환하고 있으며, 이는 생쥐의 백신 분포 및 백신 지향 항체에 관한 연구 평가와 생체 내 백신에 반응하여 면역 세포에서 생성되는 사이토카인에 의해 결정될 듯하다.

"DoriVac 플랫폼은 우리가 분자 로봇공학이라고 부르는 것(프로그래밍 가능한 모양과 기능을 가진 합성 생체 영감 분자)을 추구하는 것이 어떻게 완전히 새롭고 강력한 치료법으로 이어질 수 있는지 보여주는 첫 번째 예입니다. 이 기술은 다음과 같은 개발을 위한 완전히 새로운 길을 열어줍니다. 특정 임상 과제를 해결하기 위해 맞춤화된 특성을 지닌 디자인 백신입니다. 우리는 그것이 임상으로 신속하게 전환되는 것을 볼 수 있기를 바랍니다"라고 Wyss 연구소 설립 이사이자 HMS 혈관 생물학의 유다 포크만 교수인 Donald Ingber 박사가 말했다.

참조:
Yang C. Zeng, Olivia J. Young, Christopher M. Wintersinger, Frances M. Anastassacos, James I. MacDonald, Giorgia Isinelli, Maxence O. Dellacherie, Miguel Sobral, Haiqing Bai, Amanda R. Graveline, Andyna Vernet, Melinda Sanchez, Kathleen Mulligan, Youngjin Choi, Thomas C. Ferrante, Derin B. Keskin, Geoffrey G. Fell, Donna Neuberg, Catherine J. Wu, David J. Mooney, Ick Chan Kwon, Ju Hee Ryu, William M. Shih. Fine tuning of CpG spatial distribution with DNA origami for improved cancer vaccination. Nature Nanotechnology, 2024; DOI: 10.1038/s41565-024-01615-3