체세포 운명 전환하여, 항암치료의 새로운 대안 제시한다-세포운명전환 기술을 활용하여 체세포를 ‘인간 유도 자연살해세포’로 제조하는 기술 개발

체세포 운명 전환하여, 항암치료의 새로운 대안 제시한다-세포운명전환 기술을 활용하여 체세포를 ‘인간 유도 자연살해세포’로 제조하는 기술 개발

구분 : 연구성과작성자 : 관리자작성일 : 2021-08-11

 

 

체세포 운명 전환하여, 항암치료의 새로운 대안 제시한다

- 세포운명전환 기술을 활용하여 체세포를 ‘인간 유도 자연살해세포’로 제조하는 기술 개발 

- 향후 난치성 고형암, 감염 질환 등 다양한 면역세포치료제 분야 활용 기대

 

 

□ 국내 연구진이 ‘세포운명전환 기술’을 기반으로 차세대 면역세포치료제의 새로운 플랫폼을 제공할 수 있는 ‘인간 유도 자연살해세포(directly reprogrammed Natural killer cell, drNK)’ 생산기술을 세계 최초로 개발하여 연관 질환 치료의 새로운 가능성을 제시하였다.

※ 세포운명전환 기술 : 자연적으로 확보하기 어려운 치료 목적의 고부가가치 인간세포를 체세포 운명전환 리프로그래밍 기술을 이용하여 생산함으로서, 기존 치료법의 한계를 극복하고 새로운 치료 수단을 제공하는 첨단 줄기세포·재생의료 기술로 인정되고 있음 

 

 ㅇ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 면역치료제연구센터 조이숙 박사팀(교신저자: 조이숙, 제1저자: 김한섭)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부 바이오의료기술사업(줄기세포/조직재생), 중견연구사업, 국가과학기술연구회의 실용화융합연구사업, 생명연 기관고유사업의 지원으로 수행되었고, 생물학 분야의 세계적 저널인 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering, IF 25.671) 8월 2일자(한국시각 8월3일) 온라인 판에 게재되었다. 

     (논문명 : Directly reprogrammed natural killer cells for cancer immunotherapy)

□ drNK 세포운명전환 기술은 손쉽게 확보할 수 있는 인간 체세포로부터 임상적, 산업적 가치가 우수한 인간 자연살해세포 및 암특이적 키메릭 항원 수용체(Chimeric Antigen Receptor, CAR)가 탑재된 자연살해세포를 직접 전환 유도하여 생산하는 기술로, 자가 및 동종 자연살해세포 생산에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

 

□ 본 기술을 통해 생산된 “유도 자연살해세포(drNK)”는 혈액암 및 고형암을 포함하는 다양한 암세포에 대해 유의성 있는 높은 항암효과를 나타내어 차세대 항암면역세포치료제로서의 잠재력이 기대되고 있다. 

 ㅇ 본 연구 성과는 기존 화합물 항암치료제의 획기적인 대안으로 주목받고 있는 NK 면역세포치료제의 새로운 치료용 NK세포 자원을 제시하였다는 데 그 의의가 있다.

 ㅇ 또한 본 성과는 향후 항암제뿐만이 아니라 감염질환을 포함한 연관 질환의 치료제 개발의 기술 혁신을 주도하고 신기술을 개발하는데 기여할 것으로 기대하고 있다. 

 

□ 생명연 면역치료제연구센터 조이숙 박사는 “이번 성과는 세포운명전환 기술을 이용하여 안전하고 치료 효능이 우수한 NK 면역세포치료제 개발에 대한 새로운 대안을 제시하였으며, 향후 NK를 활용한 다양한 난치성 질환의 치료법 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

 

 

 

연   구   결   과   개   요

 

□ 연구배경

○ NK세포는 세포 매개 세포독성에 의해 직간접적으로 세포독성 과립과 면역조절 사이토카인을 방출함으로써 암세포를 빠르고 효과적으로 사멸할 수 있다. 특히 더 중요한 것은 NK세포가 암 내성, 재발, 전이와 관련된 암줄기세포(CSCs)를 선택적으로 죽일 수 있기 때문에 종양 전이 및 재발 방지를 위한 효과적이고 지속적인 암 치료 전략이 될 수 있다는 점이다.

○ NK 항암 면역요법의 치료 효과는 세포 공급원, NK세포 수용체의 표현형, 유도 방법 및 배양 조건을 비롯한 여러 요인에 따라 좌우된다. 현재 NK의 주요 공급원으로써 말초혈액, 제대혈, 골수, 조혈 줄기/전구 세포, 다능성 줄기 세포로부터 분화된 NK, 불멸화 NK 세포라인 등이 사용되고 있다. 자가 및 동종 NK의 치료 효과와 안전성은 다양한 혈액암 및 고형암에서 입증되었다. 그러나 이러한 치료법은 특히 고형암에서 여전히 한계를 나타내고 있다. 

○ 키메라 항원 수용체(CAR) 기술을 적용하여 암 표적 특이성과 항암 활성을 향상시켜 동종 NK의 치료 효능을 향상시키는 강력한 수단을 제공한다. 현재까지, CAR-NK 생산은 정제, 세포증폭, 활성화 및/또는 분화의 조합을 포함하는 다단계 공정으로 구성되어 매우 복잡하고 노동 시간이 많이 걸리는 공정을 포함하고 있다.

 

□ 연구내용

○ 연구팀은 최초로 체세포로부터 직접 세포전환 리프로그래밍 배양 기술을 기반으로 고기능, 고순도의 NK세포를 비교적 간단한 공정으로 생성할 수 있음을 확인하였다.

○ NK 리프로그래밍 전사인자와 소분자 신호 조절인자 복합 화합물 칵테일 등을 이용하여 추가 정제 또는 분화 과정 등의 추가 공정 과정이 없이 NK세포를 생산할 수 있음을 확인하였다. 

○ drNK는 세포 살상능 및 사이토카인 분비능이 우수하며 생체외/생체내 실험조건에서 혈액암 및 뇌, 유방, 대장, 간, 폐, 난소, 췌장, 전립선암 등 광범위한 고형암에 대해 항암활성이 우수하여 암 면역요법에 좋은 세포원이 될 수 있음을 확인하였다.

○ 세포전환 배양과정에 암특이적 CAR 유전자를 도입함으로써 복잡한 공정과정 없이 기존 기술과는 차별화된 방법으로 기능이 향상된 CAR-NK를 제작할 수있음을 확인함으로써 CAR-NK 면역세포치료제 개발의 새로운 플랫폼 기술을 제공하였다. 

 

□ 연구성과의 의미

▶ 세계 최초로 직접 세포전환 리프로그래밍 기술을 기반으로 NK 및 CAR-NK 생산 기술 개발: 면역세포치료를 위한 새로운 전략 확보

 

○ 효과적인 NK세포 면역요법에 대한 증가하는 임상적 수요를 충족시키기 위해서는 기능성, 접근성, 확장성, 안전성 측면에서 치료적으로 최적의 NK 세포 수준을 달성하는 것이 매우 중요하다.

○ 세포운명의 초기 전환을 효과적으로 촉발할 수 있는 핵심 세트인 "OSKM" 다중 효력 TF를 사용하여 기능적으로 우수한 drNK와 암특이 CAR-drNK를 간편하고 효율적으로 임상용량으로 생산할 수 있는 기술을 개발하였다.

○ 자가 및 동종 drNK 제작이 용이하여 면역세포치료제 개발 뿐만이 아니라 다양한 질환 유래 NK 생산이 용이하여 질환 모델링 및 신약 개발 등에 암, 감염질환 등 광범위하게 활용될 수 있는 강력한 근거를 제공한다. 

 

연 구 결 과  문 답

 

 

이번 성과 뭐가 다른가

 

1. 최초로 체세포로부터 직접 세포전환 리프로그램밍을 통해 NK세포를 이용하는 방법을 개발

2. 기존의 NK세포의 생산방식인 체외 세포 증식 또는 분화를 통한 대량생산에 대한 한계성 극복 

 

 

 

어디에 쓸 수 있나

 

 drNK는 광범위한 암에 대한 강력한 항암활성을 가지고 있고, 리프로그래밍 기반 CAR-drNK 제작은 CAR 기반 치료를 위한 새로운 플랫폼을 제공하여 유력한 항암 면역 치료의 길을 제공할 수 있을 것으로 기대함

 

 

 

실용화까지 필요한 시간은

 

본 연구결과는 거의 전임상 단계의 연구수준으로써, 임상 단계의 시도와 속도에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것

 

 

 

실용화를 위한 과제는

 

GMP시설을 갖춘 임상용 대량 생산시설 확보 및 임상 적용 기준에 적합한 drNK의 대량 생산공정을 새롭게 확립하는 단계가  필요함.

 

 

 

연구를 시작한 계기는

 

NK를 항암제로 이용하기 위해서는 대량생산 방법의 개발이 필수적이지만 여러 가지 기술적 한계 및 복잡한 protocol 때문에, 효과적인 자연살해 세포 증식 방법을 확립하는 것이 절실하였다. 본 연구팀에서 축적된 기술인 체세포 리프로그래밍을 기존의 NK 증식방법의 한계를 극복할 수단으로써 판단하고 연구 수행을 시작하였음. 

 

 

 

꼭 이루고 싶은 목표는

 

기술적, 임상적, 경제적으로 간단하고, 효율적이며, 안전한 NK 전환 리프로그래밍 인자를 발굴하고 이를 기반으로 성능이 우수한 NK 면역치료제를 개발하여 난치성 질환을 극복할 수 있는 새로운 치료법을 개발. 

 

 

 

신진연구자를 위한 한마디

 

본 연구팀에서는 오랜 기간 줄기세포 및 세포 리프로그래밍 기술을 개발하는 연구를 핵심적으로 진행해오고 있으며, 사회적 현안으로 인지되고 있는 난치성 질환 극복에 이를 활용하고자 관심을 집중하고 예의 노력한 결과 좋은 성과를 도출할 수 있었다고 생각함. 

 

 

용 어 설 명

 

 

 1. drNK (direct reprogrammed natural killer cells)

 ◦ 직접 세포전환 리프로그래밍 배양과정을 통해 생산된 자연살해세포 

 

 2. CAR (Chimeric antigen receptor)

 ◦ 항체인식 부위(scFv)와 T세포의 세포내 활성화 영역을 결합한 키메릭항원수용체(CAR)을 의미한다. 종양 제거 능력을 가진 NK세포에 CAR를발현시키면 암세포를 보다 정확하게 인식할 수 있을 뿐만 아니라 세포사멸 능력도 크게 향상될 수 있다

 

 3. OSKM (Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc)

◦ Oct-4, Sox2, Klf4, 및 c-Myc (OSKM)은 유도 다능성 줄기세포(iPSC)를 만드는 데 사용되는 전사 인자 이며, 배아 줄기세포 유사 상태를 유도하는 능력을 보여준다. 이들 전사 인자들을 "야마나카 리프로그래밍 팩터"라고도 한다.

 

 

 

 

 

 

그 림 설 명

 

 

 

 

그림 1. a. drNK 생산 모식도. b. 리프로그래밍 배양을 통해 생산된  CD56+CD3-drNK의 대표적인 유세포 분석 결과

 

 

 

 

 

 

그림 2. a, CAR-drNKs 생산 모식도. b, CAR-drNKs의 체내 항암 활성도 분석한 모식도. c, COLO 205-Luc 접종 후 표시된 날짜에 측정한 쥐의 대표적인 생체발광 이미지. d, (c)에서 표가 35일째 측정한 이미지 결과의 정량적 그래프.

 

 

 

   

 

 

 

그림 3. drNK의 생산, 특성, 및 활용 모식도  

 

 

 

조이숙 박사 이력사항 

 

 

 

 

 

1. 인적사항

 

  o 소 속 : 한국생명공학연구원

           면역치료제연구센터

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 

  o 2004 – 현재 : 한국생명공학연구원 책임연구원

  o 2005 – 현재 : UST 과학기술연합대학원대학교 전임교수

 

3. 전문 분야 정보

 

  o 생화학, 분자생물학, 줄기세포학

 

김한섭 박사 이력사항

 

 

 

 

 

1. 인적사항

 

  o 소 속 : 한국생명공학연구원

           면역치료제연구센터

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 

  o 2002 - 2005   삼성전자 연구원

  o 2005 - 2009   삼성생명과학연구소 연구원

  o 2011 - 2018   한국생명공학연구원 박사후연구원

  o 2018 - 현재 한국생명공학연구원 연구기사

 

 

3. 전문 분야 정보

 

  o 분자세포생물학