맞춤형 암 치료 가능한 암 백신의 등장 머지 않았다
최근 암 치료 분야에서 암세포를 직접 파괴하는 항암제와는 다르게 면역시스템을 강화해 특정 암세포를 공격하는 암 백신에 관한 관심이 높아지고 있다. 암 백신은 환자의 개별적인 항원을 고려한 맞춤형 치료를 제공할 수 있지만 특정 암종이나 환자의 면역 상태에 따라 치료 효과가 제한적이다. 또한, 부작용을 일으킬 수 있는 면역증강제의 사용을 최소화해 안전성을 확보하는 것이 중요하다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 의약소재연구센터 류주희 박사팀은 미국 보스턴의 다나파버 암 연구소(DFCI) 및 하버드 비스 연구소(Wyss Institute)와 협력해 DNA 오리가미 기술을 활용한 암 백신 ‘DoriVac’을 개발했다고 밝혔다. DoriVac(도리백, DNA origami-based Vaccine)은 기존의 항원과 면역증강제를 동시 전달하는 암 백신 전략을 확장해 면역증강제인 CpG의 공간 배열을 정밀하게 조절한 차세대 암 백신이다.
연구팀은 암 백신 개발을 위해 DNA 오리가미 기술로 면역증강제인 CpG를 DNA 나노구조체 표면에 최적의 공간 배열로 배치했다. DNA 오리가미 기술은 DNA 분자를 마치 종이처럼 접어 다양한 형태를 만들 수 있으며 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 단위에서도 구조를 세밀하게 제어할 수 있다. 이를 활용해 DNA 나노구조체 표면에 CpG 분자들을 2.5~7nm 간격으로 정밀하게 배열했으며, 세포 실험 결과 3.5nm 간격일 때 암 면역 치료 효과가 가장 높았다.
연구팀이 수행한 동물실험에서 DoriVac이 주입된 후 피부암이 유도된 5마리의 쥐 중 1마리를 제외하고 모두 150일까지 생존했지만, 아무것도 주입되지 않은 쥐는 42일째에 모두 사망해 DoriVac이 공격적인 피부암 세포의 성장을 억제하는 예방적 효과가 있음을 확인했다. 또한, 피부암이 형성된 초기 단계의 쥐들에게 3.5nm 간격으로 18개의 CpG 분자가 포함한 DoriVac을 투여했을 때, 가장 효과적인 면역 반응을 유도해 종양 성장을 크게 억제했다. 이는 면역증강제 양을 증가시키지 않고 정밀한 공간 배열 조정만으로도 암 백신의 치료 효과를 높일 수 있다는 사실을 밝혀낸 것이다.
이번 연구는 미국 보스턴에 설립된 KIST-DFCI 현지랩에서 2016년부터 수행된 공동연구의 결과로 KIST가 가지고 있는 항암 치료 전략기술과 DFCI의 DNA 오리가미 기술에 대한 전문성을 기반으로 이뤄졌다. 글로벌 공동 연구팀은 ‘DoriNano Inc’를 보스턴에서 공동 창업해 DoriVac의 상용화를 위한 임상 시험을 추진하고 있으며, 면역관문억제제 등 다른 면역 시스템을 활용하는 암 치료 방법과의 병용을 통해 암 치료 및 재발 방지 효과를 높일 것으로 기대된다.
KIST 류주희 박사는 "DoriVac의 개발은 나노기술과 암 면역 치료 기술이 융합된 중요한 발전이며, 이는 암 치료뿐만 아니라 다양한 질병에 대한 면역 치료법 개발에 기여할 수 있는 플랫폼 기술이 될 것"이라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업과 범부처재생의료기술개발사업(21A0504L1)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Nature Nanotechnology」 (IF 38.3, JCR 분야 상위 1.4%) 최신 호에 온라인 게재됐다.
□ 논문
○ 제목: Fine tuning of CpG spatial distribution with DNA origami for improved cancer vaccination
○ 학술지: Nature Nanotechnology
○ 게재일: 2024.03.15.(온라인)
○ DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01615-3
□ 저자
○ 류주희 책임연구원(공동교신저자/KIST 의약소재연구센터)
○ William M. Shih 교수 (공동교신저자/ Professor, Wyss Institute at Harvard University, Dana-Farber Cancer Institute)
○ Zeng Yang 박사 (단독 1저자/ Senior Scientist, Wyss Institute at Harvard University, Dana-Farber Cancer Institute)
○ 연구배경
● 2013년 7월 3일 KIST와 DFCI는 암 생물학 및 합성 생물학에 대한 긴밀한 협력을 위해 이에 관한 양해각서 (MOU)를 체결하였음. 해당 협력 협정은 KIST가 가지고 있는 항암 치료전략 기술에 대한 전문성과 DFCI의 암 생물학 및 합성 생물학 분야에 대한 전문성을 기반으로 공동협력을 통한 시너지 창출을 목적으로 추진되었습니다
● 이를 기반으로 양 기관은 암 연구 분야 공동연구 및 DFCI 캠퍼스 내 KIST-DFCI 현지랩 설립을 추진하기로 합의하였고, 실제 2016년 01월 KIST-DFCI 현지랩 설립을 하게 되었고, KIST 류주희 박사가 KIST-DFCI 현지랩의 초대 책임자로 보스턴 DFCI에 파견되었습니다
● KIST-DFCI 현지랩에서 DNA 나노구조체 합성의 세계 최고 권위자인 DFCI의 William Shih 교수와 공동연구를 통해, DNA 오리가미 나노구조체의 전달체로의 개발 연구를 2017년부터 수행하였습니다
● 본 연구는 DNA 나노구조체의 암백신 전달체로서의 가능성을 보여주는 논문임.
○ 연구내용
이 논문은 암 치료에 있어서 우리 몸의 면역 시스템을 활성화시키는 새로운 방법에 관한 것입니다. 면역 시스템을 활성화하기 위해, 본 연구자들은 DNA 오리가미라는 특별한 기술을 사용했습니다. 이 기술을 이용해서, 아주 작은 나노 크기의 입자들을 만들고, 이 입자들의 표면에 암을 싸우는 데 도움이 되는 특정한 분자들을 정확한 간격으로 배열하는 것입니다.
간단하게 말해서, DNA 오리가미는 종이접기처럼, DNA를 특정한 모양으로 접어서 만든 작은 입자입니다. 이 입자들의 표면에는 'CpG'라는 분자가 붙어있는데, 이 분자는 우리 몸의 면역 세포를 활성화시키는 역할을 합니다. 연구에서는 이 CpG 분자들이 DNA 오리가미 표면에 어떻게 배열되어 있는지(즉, 서로 얼마나 가깝게 또는 멀리 떨어져 있는지)가 면역 시스템을 어떻게 활성화시키는지에 큰 영향을 미친다는 것을 발견하였습니다.
구체적으로, 본 연구팀은 CpG 분자들을 서로 3.5나노미터 떨어진 간격으로 배열했을 때, 가장 강력한 면역 반응을 일으키고, 암을 싸우는 면역 세포들이 가장 활발하게 활동한다는 것을 발견했습니다. 이렇게 만든 DNA 오리가미 백신(이 연구에서는 'DoriVac'이라고 명명)은 실험실에서의 세포 실험뿐만 아니라, 실제로 마우스를 이용한 암 치료 실험에서도 효과를 보였습니다. 특히, 기존의 암 면역 치료법과 결합했을 때, 치료효과를 더욱 높일 수 있음을 확인하여 다양한 병용치료가 가능할 것으로 생각합니다.
결국 이 논문은, DNA 오리가미 기술을 이용하여 암을 치료하기 위한 새로운 백신을 개발할 수 있음을 보여줍니다. 이 백신은 우리 몸의 면역 시스템을 정확하고 효과적으로 활성화시켜 암과 싸울 수 있게 해줍니다. 이는 암 치료 분야에서 매우 흥미롭고 유망한 발전이라고 할 수 있습니다.
○ 기대효과
● 환자 맞춤형 암 백신: DoriVac 기술로 빠르고 정확하게 환자의 암 유형에 맞는 백신을 만들 수 있습니다. 이는 암 치료에 큰 진전을 의미합니다.
● 암 치료 효과 증가: 연구에 따르면, DoriVac 백신은 암세포를 효과적으로 공격하고 종양 성장을 막아주는 강력한 면역 반응을 유도합니다.
● 암 재발 방지: DoriVac 백신은 면역 체계가 암을 장기간 기억하게 해, 암이 다시 생기는 것을 막아줍니다. 환자들이 더 오래, 더 건강하게 살 수 있게 도와줍니다.
● 부작용 감소: 연구팀은 백신의 안전성을 높이고 부작용을 줄이기 위해 CpG 분자의 사용량을 조절했습니다. 이는 환자들에게 더 편안한 치료 경험을 제공합니다.
연구결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
2016년 KIST-DFCI 현지랩이 설치되었고, 류주희박사는 현지랩의 첫 파견연구자가 되어 보스턴 DFCI에서 근무하게 되었습니다. DFCI에서 William Shih 교수에 의해 다양한 모양으로 만들어지고 있던 DNA 오리가미 나노구조체는, 류주희 박사에게 매우 새로운 약물전달체 후보군으로 인식되었습니다. DNA 오리가미 나노구조체의 표면의 계획된 위치에 다양한 분자를 정밀하게 도입할 수 있다는 장점을 극대화하기 위하여 DNA 오리가미 나노구조체를 암백신의 플랫폼으로 사용하고자 하는 연구를 시작하게 되었습니다
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
DoriVac의 DNA 오리가미 백신 기술은, 나노기술을 활용하여 암을 면역적으로 억제할 수 있는 암 백신 기술을 개발한 것입니다. 이 기술은 DNA 오리가미라는 독특한 나노구조를 활용하여 암 백신 개발에 필요한 새로운 접근법을 제공합니다. DNA 오리가미는 정밀한 나노미터 스케일에서 면역 증강제(CpG)와 암 항원을 정확하게 배열할 수 있게 해, 면역 세포가 암세포를 효과적으로 탐지하고 공격하도록 돕습니다. 이로써, DoriVac는 개인 맞춤형 암 백신 개발을 가능하게 하며, 암 치료에 있어서 더욱 효과적이고 안전한 새로운 방법을 제시합니다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
다양한 종류의 종양을 가진 환자에서 파악된 신생항원(neoantigen)을 사전에 준비된 최적화된 면역증강제를 포함한 암백신 플랫폼에 빠르게 장착할 수 있어서 개인 맞춤형 암백신으로 활용할 수 있습니다. 또한 임상에서 이미 활용되고 있는 면역관문억제제와의 병용투여를 통해 시너지 효과를 얻을 수 있다는 점에서 넓은 범위의 활용을 기대하고 있습니다.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
DoriVac은 적은 양의 면역억제제 사용에도 불구하고 강력한 면역효과를 나타냈습니다. 이는 부작용을 획기적으로 낮추면서, 개인 맞춤형 신생항원을 도입한 암백신으로 개발할 수 있습니다. DoriVac의 빠른 임상 적용(실용화)을 위하여 비임상 연구 (Non-GLP 시설에서의 독성, 효능 평가, PK/PD 평가, GLP시설에서의 독성 평가 등) 를 수행중이거나 수행할 계획입니다.
[그림 1] DNA 오리가미 기반의 백신 작용 원리
3차원 사각 블록 구조체(흰색 구조물)의 한쪽 면에는 CpG 면역증강제(녹색 리본)가 일정한 간격으로 유도되었고, 다른 쪽 면에는 항원(하늘색)이 도입되어 암 백신으로 개발되었습니다. 암 백신의 표면에 일정한 간격으로 유도된 CpG 분자들은 항원제시세포(Antigen-presenting cell)와 효과적으로 결합하여 뛰어난 암 백신 효능을 나타냅니다. [사진=한국과학기술연구원]
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(한국과학기술연구원) 등록일2024.05.03