[Cover Story - part.1] NK세포치료제와 CAR-T 치료제의 원리와 기전

글 황유경 GC녹십자랩셀 세포치료연구소장

노바티스의 ‘킴리아’가 2017년 미국 식품의약국(FDA)에서 품목 허가를 받으며 CAR-T는 더 이상 ‘꿈의 항암제’가 아닌 진짜 항암제가 됐다. BMS의 ‘리소-셀(liso-cel)’이 올 초 품목 허가를 받는다면 FDA 승인을 받은 CAR-T 치료제는 총 4개로 늘어난다. CAR-T 치료제 시장이 커지는 사이 NK세포치료제 기술의 성장 속도에도 불이 붙었다. 지난해 12월 미국혈액학회(ASH)에서 나스닥 상장사들이 긍정적인 임상 결과를 발표하면서다. NK세포치료제와 CAR-T, 그리고 CAR 기술에 대해 들여다본다.

NK세포란?

NK세포는 우리 몸 면역계의 제1선에서 감염된 세포나 변형된 세포를 제거하는 역할을 하는 면역세포의 일종이다.

NK세포는 빠르게 이상세포를 제거하기 위해 추가 인식 과정 없이 이상 여부를 구별한다. 항원에 대한 추가 인식 과정이 필요한 T 세포와의 차별점이다. 감염되거나 변형된 이상세포는 T세포의 공격을 피하기 위해 주조직 적합체(MHC·Major Histocompatibility Complex)라고 불리는 항원 인식 부위를 없애는데, 이렇게 MHC가 사라진 세포를 NK세포는 비정상으로 인식해 살해하는 것이다.

따라서 상대적으로 복잡한 자기와 비자기(self & non-self)를 구별하기보다는 정상과 비정상(normal & abnormal)을 구별하는 방식으로 빠르게 비정상 세포를 제거하는 게 NK세포다.
NK세포의 존재는 1973년 백혈구 중 대과립 림프구라 불리며 알려져 왔다. T세포와 유사하게 표적세포를 살해하는 능력이 있다고 이해돼 왔지만, 본격적으로 NK세포의 특성에 대한 연구가 시작된 것은 비교적 최근 일이다.

NK세포는 소위 골수이식으로 불리는 조혈모 세포이식 치료를 시행하면서 T세포와 달리 이식편(graft)이 숙주(host)를 공격해서 생기는 이식편대숙주병(GvHD·Graft versus Host Disease)을 일으키지 않으면서 항암 효 능을 보이는 세포로 확인돼 동종 사용이 가능한 항암치료제의 가능성을 보여줬다.

그러나 림프구 세포의 배양 중 T세포는 잘 배양이 되지만 NK세포는 충분히 배양되지 않아 특성에 대한 연구가 더뎠다. 최근 10년 동안 NK세포의 배양과 특성, 작용 기전에 대한 연구가 활발하게 진행되었고 급기야 세포치료제로 사용할 수 있을 정도에 이르게 됐다.

NK세포치료제 어떻게 만드나

NK세포는 혈액 내 림프구 중 약 20% 전후를 차지하고 있어서 혈액에서부터 배양을 시작한다. 혈액의 원료로는 말초 혈액 또는 제대혈을 이용할 수 있다. 최근에는 역분화된 줄기세포(iPSC·induced Pluripotent Stem Cell)에서 분화해 사용하기도 한다.

NK세포를 치료제로 쓰기 위해서는 무엇보다 충분한 양의 세포를 생산해야 한다. 이 과정에서 다른 세포를 지지세포(feeder cell)로 사용하는 방법이 널리 쓰이고 있지만, 일부에서는 지지세포 없이 NK세포를 배양하기도 한다.

세포치료제는 약으로 사용될 수 있을 만큼 일정한 품질의 충분한 세포를 배양하는 것이 가장 기본적으로 요구되므로 제조 과정을 통해 최대한 일정한 품질의 세포를 생산해야 하고, 품질 검사를 거쳐 환자에게 공급하고 있다. 원료 세포의 종류나 공정에 따라 다르기는 하지만 대개 2~6주의 세포 배양 기간이 필요하며, 배양 후에는 빠르게 회수해 동결보관하고 품질검사를 실시한다.

세포치료제는 살아있는 세포를 의약품으로 사용해야 하므로 원료 공급자(donor)에 따른 개체 차이를 피할 수는 없다. 또한 일반 화학의약품이나 바이오의약품에 비해 제조 공정이 섬세하고 보관과 운송에 어려운 점이 많다.

서로 다른 방식으로 암세포를 인지하는 NK세포와 T세포

NK세포와 세포독성 T세포는 항원을 인식하는 과정이 서로 다르다. 이 차이점 때문에 NK세포는 암세포를 인지할 수 있지만 T세포는 인지하지 못하는 사태가 벌어진다.

먼저 T세포부터 살펴보자. T세포가 항원을 인식하기 위해선 항원제시세포(APC·수지상세포)의 역할이 선행돼야 한다. 항원제시세포는 항원을 잘게 부순 뒤 세포 표면에 있는 항원인식 부위(MHC)에 8~15개 아미노산으로 된 작은 펩타이드 형태로 노출(항원제시)한다. 그러면 T세포 표면에 있는 T세포 수용체(TCR)가 노출된 항원을 기준으로 자기(self)인지, 비자기(non-self)인 지를 판단한다. 비자기라 판단되면 세포의 자살을 유도하게 된다. 하지만 암세포가 회피기전을 통해 MHC 자체를 없앨 경우 T세포는 이 암세포를 인지하지 못한다.

반면, NK세포는 종양의 회피기전으로 MHC가 없을 경우 ‘비정상’으로 판단해 세포를 사멸시킨다. 또 NKG2D(Natural Killer Group 2 member D)라고 하는 렉틴 계열의 다른 수용체를 통해 종양 항원을 인식한다.

NK세포가 표적 세포를 살해하는 방법

NK세포의 표적 세포 살해 방식은 T세포와 유사하다. NK세포가 살해 대상 세포를 수용체에서 인식하면 액틴 세포골격이 재구성되며 접촉부위를 중심으로 림프구기능관련항원1(LFA-1)과 CD2 같은 세포접착분자들이 몰려들게 된다. 종양세포와 접촉한 면은 미세소관 조성센터 (MTOC)가 되고 세포 내 신호전달 과정에 따라 세포가 활성화되면서 분비성 리소좀이 면역시냅스로 모여서 퍼포린을 분비해 표적세포의 막에 구멍을 낸다.

이 구멍으로 그랜자임B 등 세포 살해 물질을 집어넣어 표적 세포의 사멸을 유발하는 방법으로 종양을 살해한다.

CAR란 무엇인가? CAR의 등장 배경

1980년대 중반에 이미 환자의 혈액에서 추출·배양된 T세포가 악성흑색종 치료를 위해 환자에게 쓰인 적이 있다. 효과적인 항암 능력을 갖는 T세포를 체외에서 배양하는 방법은 종양 항원에 노출시켜 항원 특이적으로 만드는 것이다. 하지만 과정이 매우 복잡하고 시간도 오래 걸려 효율이 그다지 좋지 않았다. 과학자들이 예측해서 사용한 종양 항원이 환자의 종양을 치료하는데 정확하게 맞지 않기도 하고, 항원을 인식시키는 방법도 어려웠다.

따라서 좀 더 쉽게 항원을 인식하게 하는 방법을 고안했다. 수지상세포를 통해 가공된 항원을 T세포가 T세포 수용체(TCR·T Cell Receptor)를 통해 인식하고 활성화되는 복잡한 방식 대신 표면 항원을 잘 인식한다고 알려진 항체를 사용하는 방법이다. T세포는 종양을 인식하는 데 항체를 사용하지 않기 때문에 강제로 항체 유전자를 T세포에 넣어 주었고, T세포가 활성화되는 후속 과정에 필요한 세포 내 분자들도 항체와 연결해 TCR을 대체하는 인위적인 항원 인식 수용체를 만들었다. 이를 ‘결합된(chimeric) 항원(antigen) 수용체(receptor)’라고 부르며 줄여서 CAR라고 한다.

결국 CAR는 T세포의 쓰임을 좀 더 효율적으로 하기 위해 항원 인식 및 활성을 강제로 촉진시킨 유전자 조작 수용체이며, 기존 T세포 치료를 한 단계 향상시킨 기술이다.

CAR-T란 무엇인가? CAR-T의 제작과정과 치료기전

CAR-T는 CAR 유전자를 T세포에 발현시켜 종양 인식과 살해 능력을 극대화한 세포다. 기본적으로 T세포는 환자 자신의 세포를 이용해야 하므로, 환자의 혈액을 채취해 시험관 배양을 한다. 이 과정에서 CAR 유전자를 탑재한 바이러스를 이용해 T세포 안으로 넣어준 다음 세포를 회수한 뒤 환자에게 다시 투여하게 된다. 투여된 CAR-T 세포는 체내의 암세포를 찾아가 공격하기 시작하면서 수많은 CAR-T 세포를 복제해낸다.

이 과정이 빠르고 폭발적으로 일어나면서 사이토카인 폭풍과 같은 부작용을 나타내기도 하지만 막강한 치료 효과를 보이기도 한다. 실제로 B 세포가 암세포가 된 소아 백혈병과 림프종에서 뛰어난 항암 효능을 보여서 2017년 미국 FDA는 CAR-T 치료제인 노바티스의 ‘킴리아’와 길리어드의 ‘예스카르타’를 품목 승인하게 된다.

T세포와 CAR-T의 구조적 차이점

T세포는 MHC1에 제시되는 종양 항원을 인식해 암세포를 공격한다. 하지만 종양의 회피기전으로 MHC1을 제거할 경우 T세포는 종양세포를 인식할 수 없다. 반면 CAR-T는 MHC1 없이도 종양세포 표면에 발현하는 항원을 직접 인식할 수 있어 종양세포를 공격할 수 있다.

CAR-NK는 NK세포치료제와 무엇이 다른가

유전자 조작 없는 NK세포치료제는 앞서 설명한 배양된 다양한 T세포치료제(배양 방법에 따라 CTL, TIL, CIK 등이 있다)와 유사하다. 즉 체내에서 비활성화 상태로 있는 NK세포를 체외에서 다양한 자극을 통해 활성화시키고 증폭시켜서 환자에게 사용하며, T세포와 달리 타인에게도 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 유전자 조작 없이 배양된 T세포보다 CAR 유전자가 도입된 CAR-T가 강력한 효력을 보이는 것처럼, CAR-NK도 더 강력한 표적기능과 활성을 가질 수 있다.

획기적인 세포치료제로 CAR-T가 등장했지만, 환자 자신의 세포를 이용해야만 한다는 점은 막대한 제작 비용과 더불어 제조에 필요한 시간이 있어서 즉각 사용할 수 없다는 불편함이 있다. 또한 T세포는 그 효능을 극대화하는 과정에서 사이토카인 폭풍과 같은 부작용이 보고되어 보다 안전한 장치가 추가로 필요한 상황이다.

이에 비해 NK세포는 타인의 혈액을 원료로 제작할 수 있어서 미리 만들어 많은 환자에게 쓸 수 있다는 점에서 편의성이 크고, T세포와 달리 심각한 부작용을 보이지 않는다는 특징이 있어서 CAR-T의 대안으로 부상하고 있다.

T세포 대신 NK세포에 CAR 유전자를 넣어서 CAR-NK를 만들 수 있다. 그러나 CAR-T와 달리 CAR-NK세포는 제작이 좀 더 까다롭다. CAR 유전자를 세포에 넣어주는 과정은 대개 바이러스 벡터를 사용하는데, 상용되는 바이러스 벡터는 T세포에는 매우 효율적으로 유전자를 전달하지만 NK세포에는 효율이 매우 낮다. 이 밖에도 극복해야 하는 기술 장벽이 CAR-T보다는 많아서 CAR-T보다 더디게 발전하고 있지만, 많은 장점이 있어 차세대 기술로 주목받고 있다.

NK세포치료제의 해결 과제

앞서 살펴본 바와 같이, NK세포치료제는 T 세포 기반 치료제에 비해 몇 가지 장점이 있다. 특히 최근 MD앤더슨센터에서 발표한 CD19 CAR-NK 임상 자료에서 CD19를 인식하는 항체인식부위(scFv)를 바탕으로 제작된 제대혈 유래 CAR-NK가 좋은 성적을 내는 것으로 보고가 되어 CAR-T의 대안으로 사용될 수 있음을 임상적으로 증명한 바 있다.

또한 경제성 측면에서도 CAR-NK의 개발은 NK세포의 특성상 환자가 아닌 건강한 타인의 세포를 사용할 수 있기 때문에 환자 자신의 세포만을 사용해야 하는 CAR-T 치료제와 비교했을 때 제작기간 및 비용을 혁신적으로 단축할 수 있다(NK세포의 경우, 세포뱅킹 구축 가능). 이를 통해 T세포보다 환자의 부담을 획기적으로 감축할 수 있는 가능성이 있다.

그간 NK세포의 배양 기술은 꾸준히 발달돼 상당한 수준에 이르기는 했으나 여전히 바이오리액터를 이용하는 대량 배양, 동결, 유전자의 도입 및 제거 기술 등 기반 기술이 아직도 취약하다. 대표적인 예로 NK세포는 T세포와 달리 CAR 유전자 조작이 매우 어렵고 효율이 낮으며 효율이 좋은 바이러스 벡터는 아직 임상적으로 사용되지 않아 적용하기 쉽지 않다.

T세포는 자가 사용을 목적으로 하기 때문에 소량 생산에 최적화된 다양한 장비가 개발되어 있지만, 기본적으로 동종 사용이 가능해 대량 배양을 하는 NK세포는 세포 회수 장치, 동결 장치, 완제 포장 장치 등 부속 장비의 발달 또한 더딘 편이다. 임상에서도 메모리 기능이 상대적으로 부족한 NK세포의 치료 효과를 극대화하기 위한 다양한 전략 개발 또한 시급히 연구되어야 하는 분야이다.

결론적으로 T세포치료제와 함께 NK세포치료제는 차세대 항암면역 치료제로 급부상하고 있으며, 특히 상업적으로 유리한 장점들을 가지고 있다. 첨단기술을 필요로 하는 다양한 전후방 기술 또한 동반 성장하고 있으므로, CAR-NK 치료제가 성공적인 임상을 거쳐 신약 개발이 완료될 경우, 항암 치료에 새로운 패러다임을 제시하는 혁명을 가져올 수 있을 것으로 예상된다.

NK세포치료제와 CAR-T 치료제의 장단점은?

면역세포치료제의 양대산맥인 CAR-T와 NK 세포치료제의 최종 승자는 누가 될까. 상용화에서 앞선 것은 CAR-T다. 노바티스의 ‘킴리아’ 가 2017년 미국 식품의약국(FDA)의 품목허가를 받으면서 CAR-T 치료제 시대를 열었다. 최근 들어 NK세포치료제 진영의 개발 속도에도 탄력이 붙었다. 수년 내 FDA 허가를 받는 NK세포치료제가 나올 수 있다는 전망도 나온다. 지금까지의 임상 결과를 종합해보면 CAR-T와 NK세포치료제는 각기 다른 장단점을 나눠가진 모양새다.

CAR-T 치료제 | 우수한 치료 효능, 높은 비용

먼저 CAR-T의 장점은 높은 반응률과 우수한 치료 효능이다. 킴리아는 급성 림프구성 백혈병(ALL) 환자 63명을 대상으로 한 임상 2상에서 객관적반응률(ORR) 83%, 완전관해(CR) 63%, 부분관해(PR) 19%를 보였다. 얀센이 개발 중인 BCMA 표적 혈액암 CAR-T 치료제 ‘JNJ4528’은 ORR 100%를 기록했다. 혈액암에 있어 CAR-T의 치료 효과는 의심할 여지가 없다는 것이 업계의 분위기다.

하지만 단점도 있다. 환자 개개인의 T세포를 추출해 맞춤 생산을 해야 하기 때문에 치료비용이 많이 든다. 국가나 치료제 종류에 따라 다소 차이는 있지만 환자 한 명당 치료비(1회 기준)는 약 4억~5억 원에 이른다. CAR-T가 분비한 사이토카인의 양이 너무 많아 생기는 부작용인 ‘사이토카인 방출 증후군(CRS)’의 발생빈도가 높은 것도 단점으로 꼽힌다.

NK세포치료제 | 경제성 확보, 치료 효과는 입증 필요

NK세포치료제의 장점은 CAR-T와 달리 동종 치료가 비교적 수월하다는 점이다. 이 때문에 NK세포를 대량으로 배양해 사용할 수 있어 비용적인 면에서 CAR-T보다 앞설 수 있다는 평가가 나온다.


하지만 그보다 먼저 NK세포치료제는 정말 CAR-T만큼 종양을 잘 공격할 수 있는지 입증해야 한다. 이전까지 NK세포치료제가 주목받지 못했던 것도 치료 효과가 CAR-T에 미치지 못했기 때문이다.

T세포에 종양 항원을 찾는 항체를 붙인 CAR-T처럼 NK세포의 유전자를 조작한 CAR-NK 치료제가 개발되면서 이 문제가 조금씩 해결되기 시작했다. NK세포치료제가 지난해 새삼 주목받기 시작한 것도 페이트 테라퓨틱스가 CAR-T에 버금가는 수준의 임상 결과를 발표하면서다. iPSC로 만든 CAR-NK를 표적항암제 리툭시맙과 병용투여하자 환자 4명 중 2명에게서 완전관해, 1명에게서 부분관해가 확인됐다. 이는 킴리아 임상 2상 결과와 유사한 수준이다. 하지만 환자 수가 4명에 불과해 임상적 유의미성이 떨어진다.

실제 치료 효과는 좀 더 시간이 지나야 확인할 수 있을 듯하다. 투여 후 체내에 장기간 남는 T 세포와 달리 NK세포는 수일 내에 사멸하는 것은 단점이자 장점이기도 하다. CAR-T에 비해 CRS 우려가 적기 때문이다.

두 치료제의 승부처는?

NK세포치료제 진영이 병용투여 등의 방법으로 효능을 입증하고 있다면 CAR-T 진영은 동종 치료제 개발이 한창이다. 알로젠 등 일부 나스닥 상장사들이 조금씩 성과를 보이고 있긴 하나 자가 CAR-T에 비하면 아직 효능이 모자란 수준이어서 좀 더 시간이 필요해 보인다.

승부처는 고형암 분야에서 갈릴 것이란 시각도 있다. CAR-T가 혈액암 분야에서 좋은 성과를 내고 있지만 전체 암 중 혈액암이 차지하는 비중은 5% 수준이다. 세계적으로 고형암을 적응 증으로 하는 임상시험이 CAR-T와 CAR-NK 업계 양쪽에서 진행되고 있다.

황유경
이화여대 생물학과를 졸업한 뒤 아주대 의학과에서 면역학으로 박사학위를 받았다. 한국과학기술단체 총연합회 이사, 보건의료기술정책심의위원회 위원 등을 지냈다. 2014년부터 녹십자랩셀 세포치료연구소장을 역임 중이다.





*이 글은 <한경바이오인사이트> 매거진 2021년 2월호에 실렸습니다.