1. T 세포와 항원표지세표 (antigen presenting cell, APC) 사이의 communication mistery 연구
면역학자들에게 있어서 T 세포는 가장 많이 연구되고 있는 세포이기도 하지만 여전히 매우 미스터리한 존재이다. 그 이유중 하나는 T 세포의 표면에서 항원을 인식하는데 사용되는 T cell antigen receptor (TCR) 실제 항원에 대한 affinity (주: 하나의 분자가 다른 분자와 결합할 수 있는 친화력)는 약 1 – 50 μM로 상당히 약하지만 (참고로 항체의 affinity는 평균 10 pM - 10 nM), 어떻게 이렇게 약한 affinity를 가진 TCR이 그 수많은 항원들에 대하여 정확히 인식하고 이에 대하여 반응할 수 있도록 설계되어져 있는가 하는 것이다.
일단 T 세포가 항원을 인식하기 위해서는 반드시 항원을 가지고 있는 항원표지세포 (APC)를 만나야한다. 이러한 만남이 있은 이후에 T 세포는 항원에 대한 반응을 하게되고, 그 이후 소위 말하는 적응성 면역반응 (adoptive immunity)을 일으키게 된다.
과거 면역학자들 사이에는 T세포가 항원표지세포를 만나게 될 때 특정한 구조를 가질 것이라고 막연히 생각을 했으나 1995년 Keystone symposium에서 미국의 Abraham Kupfer 교수에 의해서 처음으로 그 3차원적 구조가 발표되었다 (참고논문: Monks et al., Nature 1998, 395). 이때 Kupfer 교수는 이러한 구조를 SupraMolecular Activation Cluster (SMAC)이라 명명하였고, 지금까지 이 구조는 크게 cental-SMAC, peripheral-SMAC, distal-SMAC으로 나누어지고 있다.
이후 1999년 미국의 Michael Dustin 그룹에 의해 면역시냅스 (immunological synapse 또는 immune synapse; IS)로 처음 명명 (참고문헌: Grakoui A et al., Science 1999, 285, 221) 되면서 지금은 T 세포와 APC 사이에 형성되는 구조를 면역시냅스라고 일반적으로 부르고 있다.
[면역시냅스는 모든 면역반응의 시작이 된다.]
면역시냅스에는 T 세포의 활성 및 비활성에 필요한 거의 대부분의 중요분자가 모여있다. TCR에 의해 항원을 인식한 후 이러한 분자들의 오케스트레이션에 의해 T 세포는 적절한 신호를 만들게 되고 활성되게 된다. 실제로 최근 급격히 관심이 집중되고 있는 항암 면역치료분야에 관여하고 있는 분자들인 PD-1, CTLA4, 41BB 등 대부분은 면역시냅스에 위치하고 있다. 따라서 면역시냅스의 적절한 이해는 항암면역치료, 또는 항암면역세포치료에 있어서 매우 중요한 학술적 근원이 되어 질 수 있다.
그러나 최근 본 연구실에서는 기존의 면역시냅스 패러다임과 맞지 않는 여러 가지 연구결과를 얻었다. 특히 T 세포의 표면에 있는 microvilli는 지금까지의 예상과는 다르게 항원을 인식하는 sensor의 역할뿐 아니라 message를 보낼 수 있는 sender의 역할을 할 수 있음을 처음으로 보고하게 되었다. 이러한 결과는 지금까지의 연구결과들이 일부 편견에 의하여 만들어졌을 가능성을 제기하면서도 면역시냅스 분야 또는 T 세포와 면역계 세포의 상호 소통에 있어서 microvilli의 분야를 새롭게 여는 계기가 될 것이다. 아직도 풀려야할 많은 미스터리가 T 세포와 항원표지세포, 또는 target 세포에 있다. 베일에 쌓여있는 이들의 상관관계를 어떻게 풀어야 할 것인가가 본 연구실의 중요한 테마이다.
[microvilli가 APC의 표면으로 향해있는 모습]
2. 암면역세포치료 (Anti-cancer Immuno Cell Therapy)
암 퇴행과 감염의 관계는 18세기로 거슬러 올라갈 수 있다. 1866년 W. Busch는 Streptococcus pyogenes의 소낭과 종양의 퇴화 사이의 관계를 처음으로 인식하였고, 1882 년 F. Fehleisen은 이러한 결과를 확인하면서부터 이 분야의 연구가 주목받기 시작하였다.
Coley는 후속 임상 연구에서 박테리아 [Serratia marcescens 및 연쇄상 구균 (Coley 's Toxin)]이 전신성 염증을 유도하는 암 환자에게서 놀랍게도 종양 퇴행을 일으킨다는 것을 발견하였으며 이들 중 많은 환자가 육종 및 흑색 종 (과거에는 흑색 종으로도 알려짐)을 보유하고있다는 것을 알게되었다. 하지만 이 관찰 이후에도 기초적인 생물학적 및 면역학적 과정에 대한 이해 부족으로 면역과 암의 연계성에 대한 연구는 수십 년 동안 답보상태였다.
1960년대와 1970년대에 암면역요법에 대한 관심이 새롭게 일어난 것은 Bacillus Calmette-Guerin (BCG)과 Corynebacterium parvum (C.parvum)과 같은 박테리아 제품 또는 추출물이 비특이적으로 면역기능을 강화할 때 종양이 퇴행된다는 것을 발견하면서다. 그러나 여전히 고유 또는 공유 종양 항원의 개념, 항원 제시 및 T 세포 인식의 특성, 수지상 세포 (dendritic cell)에 의한 면역매개 등에 대한 지식이 부족하였으며, 만성염증은 1차 게놈 불안정성 (소아 종양, 신경 교종, 육종) 및 2차 게놈 불안정성 (대부분의 성인 종양)을 가진 암세포에서는 큰 변화를 일으키지 않았기 때문에 이 분야의 연구는 여전히 큰 주목을 받지 못하였다.
1970년대와 1980년대에는 환자에게 투여했을 때 T 세포와 NK 세포의 활성화와 증식을 유도할 수 있는 interferon (IFN)과 interleukin-2 (IL-2)와 같은 사이토 카인이 탐구되었으며 이와 병행하여 림프구의 아형들에 대한 연구가 진행되었다. 또한, 재조합 DNA 기술의 출현으로 사이토카인들을 암환자에게 충분히 공급할 수 있는 양으로 생산 될 수 있었다. 재조합 IL-2를 다량으로 투여 한 연구는 전이성 흑색종 또는 신세포 암종 (RCC) 환자의 일부 집단에서 내구성있는 반응을 나타냈다. 재조합 IFN-α의 투여는 고위험 흑색 종 환자의 하위 집단에서 종양의 재발을 예방할 수 있어서 이들 약제가 FDA (Food and Drug Administration) 승인을 받을 수 있었다.
그러나 이러한 비특이적 면역 활성제는 심각한 side-effect와 관련이 있으며 많은 환자에서 억제되어야할 면역 활성화가 유도되어 치료에 있어서 적용 가능성을 크게 제한하고있다. IL-1, IL-3, IL-4, IL-10, IL-12, IL-18, IL-25 등의 연구는 대체적으로 성공적이지 못하였다. 그럼에도 불구하고 사이토 카인에 대한 초기 연구는 면역 체계가 적절히 활성화되면 특정 종양 유형을 가진 특정 개체에서 내구성있는 암 조절 또는 "치료"를 일으킬 수 있는 면역체계를 활성화시킬 수 있다는 것을 아는데 크게 기여하였다.
종양항원의 동정과 수지상 세포의 항원 제시 기전에 관한 지식은 다양하고 새로운 암 백신을 개발하는데 기여하였으며 이를 이용한 다양한 임상시험이 진행되었다. 그러나 안타깝게도 진행성 질환을 가진 환자 대부분의 임상시험에서 이러한 암백신은 반응이 낮았으며, 보조제로서의 임상시험에서도 의미있는 결과를 얻지 못하였다.
그러나 종양 미세환경으로부터 분리되어 종양 특이적 항원을 인식할 수 있음을 확인한 tumor infiltrating lymphocytes (TIL)은 종양 특이 항원을인지 할 수 있었다. 이후의 후속 연구들은 종양내 미세환경을 이해하거나, T세포의 활성이후 전환점이 되는 check point를 조절하는 연구쪽으로 가닥을 잡고 있다. 예컨대, PD-1이나 PD-L1 그리고 CTLA-4 등에 대한 표적치료는 상당한 효과를 거두고 있는 것이 사실이다. 그림 3은 지금까지의 항암면역치료의 전략을 나타내었고, 그림 4는 본 연구실에서의 항암면역치료 패러다임을 나타낸 것이다.
[본 연구실이 지향하는 항암 면역치료 패러다임]
KEY POINTS
⦁1세대 암 면역 요법은 종양 성장을 거의 억제하지는 않지만 그 기전이 정확히 알려지지 않은 면역 메커니즘을 가진 비 특이 면역 자극제를 사용했다.
⦁2세대 면역 요법은 IL-2 및 IFN-α를 포함하여 잘 특성화 된 재조합 사이토 카인을 이용하였다. 이 약제는 유효 용량으로 사용할 때 상당한 독성과 관련이 있었으나 (1990 년대 이전에는) 환자의 10% 미만에서 심층 반응을 보였다. IFN-γ, IL-4, IL-7, IL-10, IL-12, IL-15, IL-18, IL-25 등을 포함한 기타 사이토 카인은 반응이 관찰되었지만 실질적인 이점을 제공하지 못했다. 그러나 최초의 효과적인 면역요법이라 할 수 있다.
⦁3세대 면역 요법은 종양세포 (인간 표피 성장 인자 수용체 2 [HER2]/Neu, 표피 성장 인자 수용체 [EGFR] 등)에 존재하는 세포표면 수용체 단백질에 인간화 및 인간 단일 클론 항체 (mAbs)를 이용하고 통합 암 치료 (2000 년대 이전)를 수행하였다.
⦁ 항원 펩타이드, 종양 추출물, 재조합 단백질, 수지상 세포 (dendritic cell, DC) 등과 보조제를 사용하는 백신 접종 전략과 IL-2를 포함한 heteroclitic glycoprotein [gp] 100 백신, ti-idiotype 백신, Papillomavirus [HPV] E6, E7) (2000 년대 이전) 등이 있다.
⦁ 현대에는 폐암, 흑색 종, 신장 암, 방광암 및 두 경부암 (2005년 - 현재) 환자에 대하여 immune check point 단클론 항체의 효능 및 독성 연구가 진행되고 있다.
⦁ 가장 최근에는 키메라 항원 수용체 (CAR) T 세포 및 종양 침윤 림프구 (TIL)를 비롯한 세포 치료법이 개발되고 있다.
⦁ 암 환자의 현대 치료는 기존의 외과 수술, 화학 요법 및 방사선 종양학 전략 (미래)과 면역 요법을 통합하여 시행될 것으로 기대한다.
3. Lymphocyte 발달 및 분화와 이와 연관된 질환연구
본 연구실은 적응성 면역계의 큰 축을 담당하는 lymphocytes를 연구하는 실험실이며 특히 T/B 세포의 발달, 분화, 기능 및 면역조절에 관심을 갖고 일을 하고 있다. 따라서 이들 세포가 제 기능을 나타내기 위해서는 흉선/골수에서 적절한 유전자조절 (gene expression regulation), 세포주기조절 (cell cycle regulation), 세포고사조절 (cell death regulation), 신호전달 (cell signaling) 등에 의하여 성숙된 T/B 세포가 만들어져야할 것이다. 아래의 그림은 흉선에서 T 세포의 발달과정과 bone marrow에서 B 세포의 발달과정을 도식화 한 것이다. 이러한 발달과정에는 다양한 인자들이 작용하며, 매우 정교한 시스템이 있기 때문에 이를 통하여 성숙된 T/B 세포 들이 만들어 지는 것이다.
[T세포와 B세포의 분화과정의 모식]
본 연구실에서는 2011년 생명체의 발달에 중요한 기능을 하는 새로은 유전자를 발견하였고 이를 Nuclear Speckle splicing Regulatory Protein 1 (NSRP1)으로 처음으로 명명하였으며 이 유전자의 단백질을 NSRP70 (70 KDa)으로 명명하였다 (참고문헌, Kim et al., Nucleic Acids Research, 2011, 39(10), 4300). 흥미롭게도 이 유전자는 타 세포에 비해 lymphocytes에 많이 발현하는 단백질이며 이 유전자를 knockout 시켰을 경우 T/B 세포의 발달이 거의 이루어지지 않는다는 사실을 밝힐 수 있었다 (unpublished data). 현재 이러한 연구를 통하여 T 세포가 어떤 과정을 통하여 성숙된 처녀 T/B 세포 (naive T/B cell)가 되어 제 2차, 3차 면역기관으로 옮겨가는지에 대한 연구를 수행하고 있다. 아래의 그림 6는 본 연구실에 이루어지는 연구결과의 일부를 나타낸 것이다.
