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연구센터 / 사업단 소개

세포 내 단백질 제어 항체 융합 연구단

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    관리자
  • 작성일자

    2019-01-01
  • 조회수

    1057
세포 내 단백질 제어 항체 융합 연구단

 


 

김용성 단장
아주대학교 응용화학생명공학과

 

 

I. 설립배경

 

본 연구단은 한국연구재단이 지원하는 ‘미래유망 융합기술 파이오니어사업’에 2014년 9월에 선정된 연구단으로 2020년 2월까지 사업을 수행한다. 미래유망 융합기술 파이오니어사업은 창조적인 아이디어 탐색 및 개발을 통해 미래의 새로운 시장을 창출하고 BT·NT·IT 등 이종 기술 간 융합을 통해 고위험-고수익형(High Risk, High Return) 글로벌 수준의 원천기술 개발을 목표로 한다. 따라서 논문 위주의 연구성과보다는 국제원천 기술 특허 및 이의 기술이전 또는 창업을 통한 실용화가 주요 성과 지표이다.

 

차세대 항체 기술의 가장 큰 니즈는 세포 내부의 질환 유발 타깃을 표적하는 것이다. 종양을 비롯한 다양한 질환은 세포 내부의 세포질에서 일어나는 비정상적인 단백질 상호작용에 의해 발생하는데, 이를 효율적으로 표적할 수 있는 현 의약품 기술이 없다. 기존 치료용 항체 기술은 세포침투능이 없어 세포 내부 타깃을 표적할 수 없고, 소분자 의약품은 세포침투능이 있지만 표면적이 작아서 효과적으로 단백질 상호작용을 저해할 수 없다. 

 

본 ‘세포 내 단백질 제어 항체 융합 연구단’은 세포질 내의 질환 관련 표적을 항체로 표적할 수 있는 원천기술을 개발하는 것을 목표로, 상기 원천기술을 개발하고 실용화하는데 필요한 다양한 요소 기술개발 능력을 갖춘 전문가들이 참여하는 융합연구단이다.



 


그림 1. 본 연구단의 연구개발 목표 원천 기술

 

 


 

Il. 연구 목표 및 내용

다양한 질환 타깃의 70% 이상이 세포 내부에 있음에도 이를 효율적으로 표적할 수 있는 기존 의약품 기술이 없다. 기존의 세포 내 타깃은 소분자화합물이 개발되어 왔고, 소분자화합물은 세포에 침투하여 타깃 단백질 표면에 소수성 포켓에 특이적으로 결합하여 기능 및 활성을 저해하는 것이 주요 원리이다. 하지만 현재 수많은 세포질 내의 Undruggable 타깃의 경우 대부분 세포질 내에서 단백질-단백질 상호작용(Protein-Protein Interaction, PPI)에 관여하는 것들이고, 이들의 상호 작용면은 소수성 포켓이 없는 평평하며 넓은 표면적을 가지고 작용해서 표면적이 작은 케미컬이 효율적으로 저해하기 힘들다. 일부 세포침투 펩타이드가 개발이 시도되고 있으나 이 또한 약물로서의 많은 한계점이 있다. 이렇게 넓은 표면적을 갖는 단백질의 경우, 항원과 넓은 표면적으로 결합하는 항체가 개발되어야 하나, 항체는 매우 크고(150 kDa) 친수성이어서 본질적으로 세포질 내로 침투할 수 없어 한계를 가지고 있다. 따라서 기존 허가된 또는 임상시험 중에 있는 치료용 항체는 모두 세포 표면 막단백질 또는 세포 외 분비단백질만을 표적으로 개발되어 왔다.

 


본 연구단의 최종 연구목표는 기존의 의약품 기술로는 표적이 어려운 세포 내 단백질 PPI을 혁신적으로 표적할 수 있는 IgG 포맷 항체 기술인 iMab(Internalizing & PPI Interfering antibody) 원천기술 개발과 이의 국제적인 원천특허 확보와 실용화이다. 이러한 신개념 iMab 원천기술의 기반기술화·및 상업화를 위해 필요한 난제 핵심기술 개발을 위해 다학제 간(항체공학·생명공학-생명화학·소재-약학·의학 분야) 융합연구를 추구한다. 본 연구단은 아주대학교(총괄 및 제1세부), 충남대학교(제2세부), 인하대학교(제3세부)가 참여기관이다.


 


그림 2. 사업단의 연구 목표 및 내용

 

 


 

1.  세포 내 단백질 상호작용 제어 항체 기술

아주대 김용성 교수 연구실은 기존의 항체와는 다르게 타깃 종양세포 내부에 침투하여 세포질에 분포하고(Cellular Cytosol-Penetrating Antibody = Cytotransmab), 세포 내 타깃 단백질을 고친화도·고특이성으로 인식하여 중화시키는(Interference) iMab(세포질 침투 간섭항체) 원천기술을 개발하는 것을 목표로 한다.

 

세포침투 간섭항체(iMab)의 개념 및 기작은 완전한 IgG 항체 형태로, 타깃 질환 세포 표면에 발현되어 있는 수용체에 결합하여 세포 내로 내재화된 후, 엔도좀 탈출능에 의해 세포질에 위치하여 세포질 내의 타깃 단백질에 특이적으로 결합하여 활성을 저해하는 항체로 정의된다. 세포침투 간섭항체는 전신 투여 후에 1) 타깃 질환 조직·세포 특이 인식, 2) 엔도사이토시스에 의한 세포 내재화 후에 엔도좀 탈출능에 의한 세포질 위치, 3) 세포질 타깃 단백질을 고친화도·고특이성으로 인식하여 기능을 억제하는 기능을 갖는 항체이다. 

 

세포침투 간섭항체’기술은 세포 내 단백질을 제어하는 기술로, 항체기술 분야에서 니즈가 큰 미래기술로, 본 연구팀이 독자적으로 개발한 원천기술이다. 이 기술을 토대로 세포 내 단백질인 종양유발 RAS 돌연변이 단백질을 표적하는 RAS 표적 iMab 항체를 개발하고 있다. 더불어 RAS 돌연변이 타깃 외에도 세포질 내에 질환유발 단백질을 표적하는 항체를 개발하고 있다.

 

뿐만 아니라, 상기 iMab 기술 외에도 타깃 세포 특이적 세포질 침투 항체(Cytotransmab) 기술을 이용해 세포질 내에 다양한 Effector Function을 보이는 핵산, 단백질, 효소 등을 전달하는 연구도 활발히 수행 중이다.

 

 


그림 3. 기존 항체 기술과 본 연구단 개발 세포침투 간섭항체와의 차이점

 

 

 


그림 4. RAS 표적 세포침투 간섭항체의 작용 기전

 

 



 

2. 기능 기반 초고속 선별을 통한 세포 내 단백질 상호작용 제어 항체 기술 개발

충남대학교 김동명 교수님 연구실은 무세포 단백질 합성 시스템을 이용하여 항체를 개량하는 일을 진행하고 있다. 이 시스템은 살아있는 세포를 이용하는 대신 세포로부터 분리된 단백질 합성 기구들과 단백질 합성 기질들의 생화학적인 반응을 통하여 유전자로부터 단백질을 발현하는 무세포 발현 기술은 배양을 통한 단백질 생산공정에 요구되는 대부분의 단계를 생략하고 짧은 시간 내에 유전자 상에 입력된 염기서열 정보를 단백질의 형태로 번역할 수 있다는 장점을 가지고 있어 유전정보와 단백질 정보량 간의 간극을 채울 유망한 기술로 주목받고 있다. 이러한 무세포 단백질 합성 시스템은 항체 발현에 적합하도록 재설계될 수 있다. 일반적인 생화학 반응과 동일하게 열린 계에서 단백질 발현 반응을 수행하게 되므로 이황화결합을 갖는 항체의 구조적 특성을 고려하여 화학적인 폴딩 보조인자의 첨가, 반응액의 산화환원전위의 조절, 그리고 Isomerase 등의 폴딩 샤페론 첨가 등 다양한 수단을 통해 활성형 항체의 발현을 위한 최적 조건을 제공할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

 

활성형 항체의 합성뿐만 아니라 무세포 단백질 합성 시스템은 병렬식 반응이 가능하기 때문에 항체의 엔지니어링에 유용하게 적용될 수 있다. 즉, 유전자 돌연변이 라이브러리를 제작하고 선형 유전자 형태로 준비된 유전정보들은 무세포 단백질 합성 반응을 거쳐 수 시간 내에 돌연변이 항체 라이브러리로 번역이 가능하다. 확보된 돌연변이 항체 라이브러리는 세포를 이용한 세포침투능 분석을 위해 간단한 희석 과정을 거쳐 직접 분석에 사용될 수 있다. 세포침투능 측정을 위해서 항체가 세포질 내로 이동하게 되면 세포질 내에서 GFP complementary 반응이 진행되어 형광 신호로 분석이 가능한 기법을 개발하였다. 무세포 단백질 합성법과 형광 기반 세포침투능 분석 기법을 융합하여 본래 항체 대비 세포침투능이 크게 향상된 항체를 선별하는 연구를 진행하고 있다. 

 

 


그림 5. 무세포 항체 합성 시스템의 모식도 및 iMab 항체 엔지니어링을 위한 기능 기반 항체 선별 시스템의 흐름도

 

 



 

3. iMab의 임상 적용 연구

인하대학교 홍순선 교수 연구실은 Ras 표적 iMab의 췌장암에 대한 임상 적용 연구를 수행하고 있다. 췌장암은 진단 후 사망률이 매우 높아 1년에 74%, 5년 내에 94% 정도가 사망하는 예후가 좋지 않은 암으로 사망률이 모든 암 중에서 1위를 차지한다. 2000년대 이후 타 암종과 달리 유일하게 5년 생존율이 감소하고 있고, 진행성 췌장암은 대부분 수술이 불가하고 방사선치료도 사실상 효과가 없으며, 젬시타빈이 화학요법제로 사용되고 있지만 그 효능이 미비한 상황이다. 

 

췌장암의 약 70-90%, 대장암의 약 40~45%, 비소세포폐암(NSCLC)의 약 15~30%에서 KRAS 돌연변이가 암을 유발하는 유전자로 알려져 있지만, 현재까지 KRAS를 제어할 수 있는 항암제 개발은 주목할 만한 결과를 얻지 못하였다. 

 

인하대 홍순선 교수팀은 1세부 과제인 김용성 교수팀에서 발굴한 세포 내 KRAS를 타깃하는 iMab을 췌장암에 적용하기 위하여 기존에 연구실에서 구축한 3D Cell Culture, Ex vivo, Xenograft, Orthotopic, 전이암 모델에서 그 유효성을 검증하고, 현재 임상에서 사용 중인 젬시타빈, 표적치료제 등을 병용 투여(Polytherapy)하여 임상에 적용할 전략을 수립하는 중개 연구를 수행한다. 

 

 


그림 6. RAS 표적 iMab(RT11-i)Gemcitabine 병용투여에 의한 항암 효과

 

 

 

IIl. 기대효과 및 전망

○ 본 연구단은 본 사업을 통해 세포질 침투항체(Cytotransmab) 및 RAS 표적 세포질 침투 간섭항체(RAS iMab) 각각 원천기술에 대한 국내 특허를 획득했고, 현재 해외 14개국에 특허를 출원 중이어서 과제 취지에 맞게 국제적인 원천기술을 확보할 것으로 기대한다.

 

○ 현재 Unmet 니즈가 가장 큰 RAS 돌연변이를 직접 표적하는 최초 신약(First-in-Class) 항체 개발이 가능해질 것으로 기대한다.


○ 세포침투 간섭항체 기반기술은 신개념 IgG 포맷 항체 기반기술로, RAS 표적 외에도 기존에 소분자 약물로 표적이 어려웠던 세포질 내의 수많은 난공불락 질환 관련 단백질을 효과적으로 표적할 수 있는 항체 치료제를 개발할 수 있는 국내에서 개발된 글로벌 수준의 원천기술로 여겨진다.


○ 또한 상기 Cytotransmab 및 RAS iMab 항체 기술은 2016년 8월 창업된 오름 테라퓨틱㈜ (대표: 이승주 박사)에 기술이전되어, 후속 개발을 통해 사업화가 될 것으로 기대한다.


○ 세포침투 간섭항체는 기존 항체치료제가 갖는 타깃에 대한 고친화도·고특이성을 지니고, 전신 투여가 가능한 완전 IgG 형태여서 기존 항체의약품이 갖는 많은 장점을 지니고 있어 신약 항체 개발에 무한한 가능성을 가지고 있다.

 

 

 

IV. 단체사진


 

홍은미 박사(대구신약개발지원센터), 홍순선 교수(인하대), 김용성 교수(아주대), 김동명 교수(충남대), 유태현 교수(아주대), 정상택 교수(국민대)

 

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