생명공학적으로 만들어진 박테리아(bioengineered bacteria)를 CAR T cell이 암을 공격할 수 있도록 종양에 침투시킨다.

1890년 의사였던 William Coley는 어떤 암환자가 비슷한 시기에 박테리아에 감염된 뒤 자연 치유되었다는 사실을 알고 암 환자에게 박테리아를 주사하는시술을 했다. 그는 면역 활성화와 항암 작용을 처음 연관 지은 과학자였고 이로 인해 그에게 “면역치료의 아버지”라는 칭호가 주어진다. 임상에서의 몇 차례 성공이 있었으나 안전문제와 방사선치료의 발전으로 Coley’s toxin이라고 불리던 이 박테리아 묘약은 자취를 감추게 된다.

지난 수 십 년간 면역학, 미생물학, 그리고 합성생물학(synthetic biology)의 발전으로 암 치료에 생명공학적으로 변형된 박테리아(bioengineeredbacteria)의 사용에 대한 관심 다시금 커지고 있다. 최근 Science지에 발표된 논문에 따르면 이 bioengineered bacteria는 종양에서 군집을 형성하여, 유전자조작이 된 T 세포를 종양으로 유도하도록 설계되었다. 이 참신한 치료법은 단순히 bioengineered bacteria가 치료가 어려운 고형 종양(solid tumor)에 접근을 용이하게 하여 기존의 면역 치료를 도왔을 뿐 아니라, 살아있는 약재의 다양한 가능성을 보여주었다.

종양의 미세 환경은 쉽지 않은 생태계라고 할 수 있다. 하지만 “박테리아들은 이런 것에 신경 쓰지 않고 오직 신체의 면역시스템을 피해 살아갈 수 있는 환경이 절실하죠.” Columbia University의 합성 생물학자인 Tal Danino의 말이다.

고형 종양의 내부는 저산소 지역으로 가장 면역 감시가 적게 이루어지는 곳으로 박테리아에겐 좋은 집이 될 수 있다. 하지만 박테리아들은 아직 건강한 기관에서도 자리를 잡기 때문에 박테리아의 유전자를 조작하여 병 독성 또는 독성을 낮추는 방법을 모색해야 한다. 이렇게 약화된 박테리아는 생쥐나 사람에서 더 안전하다는 것이 입증되었으나 종양내 군집형성 능력이나 종양치료에 효과가 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이에 종양 표적화와 선택성을 개선하기 위한 합성생물학적 해결책을 찾게 되었다.

Jeff Hasty와 Omar Din과 함께 Postdoc으로 일하던 Danino는 박테리아가 일정한 밀도 이상으로 자라면 쿼럼(quorum)현상(2023-06-17, 박테리아의 군체밀도 감지 참고)에 의해 동시에 용해(lysis)되도록 만드는 작은 유전자 고리를 개발하고 있었다. 이렇게 용해가 일어나면 세포내 유전자 산물들이 모두 쏟아져 나오게 된다. 몇몇 박테리아가 용해되지 않지만 다음 번 번식기에는 용해가 일어난다. “일종의 불완전한 시스템인데 도리어 이게 이 시스템의 아름다운 점이라고 할 수 있습니다.” Danino 연구팀의 대학원생이며 논문의 공동저자인 Rosa Vincent의 말이다. “이는 주기적인 전달 방법이라고 할 수 있죠.”

Danino는 이 진동성 유전자고리를 이용하여 의생물학적 문제를 해결하는데 흥미를 느껴 박테리아를 이용한 암 치료에 집중하게 된다. 박테리아는 이미종양에 들어가려는 성향이 있기에 그는 박테리아가 진단 또는 치료물질을 만들도록 생명공학적인 조작만 하면 되었다. 이는 마치 트로이 목마와 같은 것이다.

“박테리아를 이용해 특정 부위를 표지 한다는 것은 항원 이질성(antigen heterogeneity)에 따른 문제를 해결하는데 굉장히 좋은 해결책이 될 수 있어요.”Stanford University의 생명공학자인 Rogelio Hernández-López의 말이다. 고형 종양을 chimeric antigen receptor(CAR) T 세포와 같은 항원-표적치료로치료하기 어려운 이유 중 하나가 종양의 표면에 노출된 암 특이적 항원이 아주 적다는 것이다. 더구나 종양-관련 항원은 환자나 암의 종류에 따라 다르며,마치 의사들이 움직이는 과녁을 쏴야 하는 것처럼 돌연변이를 통해 표적치료를 피할 수도 있다.

“만약 적절한 항원이 없다면 우리가 어떻게 좋은 CAR를 만들 수 있겠어요.” CAR T cell의 논리-지향적 접근법에 참여했던 Vincent가 말을 이었다. 이런 문제는 그녀가 Danino의 박테리아에 대한 생명공학적 변형 작업에 참여하도록 만들었다.

트로이 목마를 만들기 위해, 연구자들은 Danino의 쿼럼 감지 용해회로를 갖는 대장균 Nissle 1917 품종(strain)에 생명공학적 변형을 시도했다. 일단 일정수준의 쿼럼에 도달하면 이들은 합성 항원을 분비하기 시작한다. 특수하게 초록형광단백질(green fluorescence protein, GFP)을 placental growth factor의헤파린 결합영역(Heparin binding domain, HBD)과 결합시킨 것이다. 잘 결합하는 HBD가 종양의 독특한 콜라겐과 다당류에 부착하고 GFP 깃발이 종양에 심어지는 것이다. 비록 이 분자가 건강한 조직에서도 발견되지만 이들은 종양에 훨씬 많다. “이 종양에 선택적인 박테리아에 전적으로 의존하는 겁니다.” Vincent의 말이다.

대부분의 FDA 승인을 받은 CART cell 치료법은 cluster of differentiation19(CD19)이라는 종양 항원을 표적으로 삼는다. 하지만 Vincent는 GFP 항원을 표적으로 하는 CAR을 디자인한 것이다. “우리는 종양을 푸른 색으로 칠하고 T 세포로 하여금 푸른색을 감지하도록 만든 겁니다.” 라고 말했다. “CAR의 아름다운 점은 모듈로 되어 있다는 점입니다. 그래서 항원결합분위를 다른 것으로 완전히 대체할 수 있다는 거죠.” 라고 Vincent는 말했다.

이들이 이 미생물 기반 CAR 시스템(probiotic CAR system)을 실험실에서 인간 암세포에 처리하면, GFP가 없는 시스템에 비해 특이성이나 세포독성이높게 나타난 것을 보았다. 이어진 실험실 연구에서 이들의 시스템은 이제 배양기 밖에서 시행에 옮길 준비가 되었음을 보여준다.

Probiotic CAR 프랫폼을 시험하는 첫 생체 실험으로, 사람의 종양조직을 피부아래 심은 면역결핍 생쥐를 이용했다. Engineered Bacteria를 직접 종양에주사한 후 quorum-related release가 일어나 GFP가 engineered CAR T cell을 주사하기 전에 발현되도록 48시간을 기다린다. 이렇게 시행된 engineeredprobiotic CAR system은 종양의 발달을 막았고 flow cytometry를 이용한 분석에서 T 세포의 활성이 증가한 것을 알 수 있었다.

연구자들은 부분적인 시스템은 부분적인 반응을 일으킨다는 것을 알아냈다. 즉, 빈(GFP가 없는) 박테리아를 주사해도, engineered CAR이 일부 작동하여일부 T 세포가 종양부위에서 활성화된 것이다. “제가 이 시스템에서 좋아하는 점은 T 세포가 정말 강하게 박테리아에 반응한다는 것입니다.” Vincent의 말이다. “이런 사실이 이들 박테리아 사용을 선호하게 만드는 겁니다. 이들이 탑재물을 내놓을 수도 있지만 이들은 선천적으로 (면역을) 자극할 능력이 있어차갑던 종양을 뜨겁게 만들 수 있죠.”

CAR T 세포의 증식과 지속성을 증가시키기 위해 환자는 혈액내 T 세포를 죽이는 림프구 제거(lymphodepletion)를 거쳐야 한다. 하지만 면역치료의 장기적인 목적은 온전한 면역체계에 적용하는 것이다. “아마도 우리는 전체 종양을 제거하기 위해 어느 한 항원에 대한 면역력 보다는 전체 면역 시스템의 도움이 필요할 것입니다.” 라고 Vincent는 말했다.

이들의 시스템을 온전한 면역 체계 안에서 실험해 보기 위해, Vincent와 그녀의 동료들은 쥐의 뒤쪽 양측면에 생쥐-유래 종양세포를 주사하였고 그중 하나에 engineered bacteria를 주사하였다. 이후 몇일 뒤에 다시 두 차례 CAR T 세포를 처리하였다(이는 T 세포가 소모되는 것을 방지하기 위해 잉여의CAR T 세포를 넣어주는 것이다). 이 연구자들이 바란 것은 이들의 시스템이 다른 반대편의 종양도 인식할 수 있을 정도로 충분한 염증반응을 유발하기를기대한 것이다. 그리고 그 결과로 처리한 종양과 함께 처리하지 않은 종양도 감소하는 것을 발견했을 때 흥분하지 않을 수 없었다.

피하주사 실험은 다음 실험을 준비하게 된다: 정맥주사를 통해 probiotic CAR system을 넣는 것이다. 이를 위해 사람의 암세포를 면역을 약화시킨 생쥐의젖선 지방질에 이식하고 이어 probiotic CAR 치료를 조금 변형하여 주입한 것이다. CAR T세포가 종양에 더 잘 가도록 만들기 위해 engineered bacteria가면역세포를 유도하는(주화성, chemotaxis) 사람 chemokine ligand 16(CXCL16)을 같이 분비하도록 만든 것이다. 이렇게 CAR T 세포가 종양을 향해 이동하도록 농도 기울기를 형성시킨다. 이 주화성 chemokine의 첨가는 종양의 성장을 억제한다는 면에서 일반적인 probiotic CAR system의 효과를 훨씬 능가하도록 시스템을 보강하였다. 이에 더해 다른 기관들을 분석한 결과 박테리아와 GFP의 발현은 종양부위에 국한되어 나타났다.

이런 실험을 사람에게 시도하기 전에 연구자들은 우선적으로 engineered bacteria가 계속 자라지 못하게 유전적으로 종결시켜야 한다. 이 실험에서는 야생형 대장균을 사용했지만 사람의 경우는 생쥐에 비해 gram negative 균의 독성에 더 민감하다. “이제 실험실의 주 관심은 어떻게 적합한 박테리아 품종을만드느냐에 있습니다.” 라고 Vincent가 말했다.

“이는 두 가지 별개의 생명공학적 시스템들이 상호 보완하여 시너지효과를 보여준 예라고 할 수 있습니다.” Hernández-López의 말이다. “(Danino는) 오랜기간 동안 박테리아 용해 회로를 발전 시켜왔고 이것이 다른 접근법과 합해지는 걸 본다는 건 기쁜 일입니다.”

Danino는 박테리아를 보면, 종양에 치료약을 전달하는 다양한 플랫폼과 그 밖에 다른 가능성까지 보게 된다. CAR T 효율을 높이기 위한 종양 미세환경재구성을 넘어서, 이 engineered bacteria가 PET나 MRI, 초음파, 그리고 약물전달을 위한 나노입자에 대해서도 도움을 줄 수 있을 것이라고 본다. “우리는다른 연구자들이 그들이 개발한 특정물질이나 다른 암 관련 물질들을 전달해 줄 수 있는 플랫폼을 만든다는 게 정말 흥미롭습니다.” Danino의 말이다.

“미생물에 대한 생명공학 기술들이 천천히 T 세포 분야의 기술들과 만나는 과정이고, 다음에 어떤 일들이 일어날지 기대되기도 합니다.” 라고 Hernández-López가 말했다.

<이 글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>

Danielle Gerhard, PhD, Bugs as drugs to boost cancer therapy. The Scientist Jan. 18, 2024

<원 논문>

Vincent RL, et al. Probiotic-guided CAR-T cells for solid tumor targeting. Science. 2023;382(6667):211-218.

Cell Biology

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