암과 싸우기 위해 환자 자신의 면역 체계를 동원하는 면역 요법은 최근 치료의 트랜드가 되었다. CAR T-세포 요법을 포함한 이러한 치료법은 백혈병 및 림프종과 같은 암에서 좋은 성과를 거두었지만, 고형 종양에서는 그 결과가 그다지 밝지 않았다.

펜실베이니아 주립 의과대학의 연구원들이 이끄는 연구팀은 면역 세포를 재설계하여 실험실에서 자란 고형 종양에 침투하여 사멸할 수 있도록 했다. 그들은 세포 구조 및 모양 관련한 단백질 기능을 제어하는 광 활성화 스위치를 만들어 감염 및 종양과 싸우는 면역 세포의 일종인 자연 살해 세포에 통합했다. 이러한 세포가 청색광에 노출되면 변형되어 종양 스페로이드(쥐 또는 인간 세포주에서 실험실에서 자란 3D 종양)로 이동하여 종양 세포를 죽일 수 있다. 이 새로운 접근법은 세포 기반 면역 요법을 개선할 수 있다고 연구진은 밝혔다.

이번 연구 결과는 10월 25일 미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표된다. 연구진은 또한 논문에 기술된 기술에 대한 특허를 받기 위한 임시 신청서를 제출했다.

"이 기술은 완전히 독창적입니다. 이는 CAR T-세포 치료와 유사하지만, 여기서 기본 원칙은 세포가 종양에 침투할 수 있는 능력입니다. 나는 이것에 가까운 다른 접근법을 찾기 못햇습니다."라고 펜실베이니아 주립 의과대학의 G. 토마스 파사난티 교수이자 생화학 및 분자생물학 교수인 니콜라이 도콜리안(Nikolay Dokholyan)은 말했다.

CAR T세포 치료제는 2017년 미국식품의약국(FDA)에 의해 처음 승인되었으며, 그 이후로 일부 암, 특히 혈액암에서 고무적인 결과를 입증했다. 면역 체계의 백혈구인 T세포는 환자에게서 제거되고 암세포의 특정 표적 단백질에 결합하는 단백질을 표면에 생성하도록 다시 설계한다. 그렇게 만들어진 CAR T세포가 환자에게 다시 주입되면, 그 표적 단백질로 암세포를 죽입니다.

그러나 CAR T-세포 치료는 성인 인간 암의 약 90%와 소아암의 40%를 차지하는 고형 종양 치료에는 덜 성공적이었다. 면역 세포는 종양을 둘러싼 단백질 및 기타 세포의 조밀한 네트워크에 침투할 수 없으며, 적대적인 환경은 면역 세포의 종양 퇴치 능력을 억제한다. 또한, 고형 종양 간의 엄청난 다양성은 공격할 특정 표적 단백질을 찾는 것을 어렵게 만들었다. 고형 종양에 대한 세포 기반 면역 요법을 개선하기 위해서는 면역 세포가 고형 종양의 방어를 우회할 수 있어야 한다.

연구팀은 컴퓨터 모형화를 사용하여 세포의 세포골격(세포의 형태와 조직을 유지하는 구조)을 유지하는 데 필수적인 내부 단백질인 셉틴-7(septin-7)의 광 제어 버전을 설계하고 테스트했다. 그들은 빛에 민감한 도메인을 셉틴-7에 삽입하여 "알로스테릭 조절자"라고 부르는 것을 만들었다. 단백질의 빛에 민감한 부분은 단백질의 활성 부위에서 멀리 떨어져 있으며 단백질이 촉발될 때까지 단백질의 구조와 기능을 방해하지 않는다. 도메인은 단백질 기능을 켜고 끄는 청색광에 의해 활성화된다.

그런 다음 연구진은 빛에 민감한 septin-7 단백질로 인간 자연 살해 면역 세포를 재설계했다. 연구진은 청색광이 존재할 때 셉틴-7의 정상적인 기능이 방해받는 것을 관찰했다. 세포는 또한 더 길쭉하고 방추형 모양과 바깥쪽으로 뻗어 있는 더 큰 돌출부를 나타내어 세포가 환경과 상호 작용하고 한 위치에서 다른 위치로 이동하는 데 도움이 된다.

"자연살해세포는 약 10마이크로미터로 작지만, 이 단백질이 청색광으로 활성화되면 면역 세포의 모양이 변하여 약 3마이크로미터 크기의 작은 구멍으로 비집고 들어갈 수 있다. 그것은 종양 스페로이드에 침투하여 내부에서 고형화된 종양세포를 죽이기에 충분합니다."라고 도콜리안 박사는 말했다.

연구진은 인간 유방암 세포를 사용하여 만든 것과 인간 자궁경부암 세포를 사용하여 만든 두 가지 유형의 고형 종양 스페로이드로 재설계된 자연 살해 면역 세포를 테스트했다. 7일 이내에 그들은 종양 세포를 죽였다. 반면, 재설계되지 않은 자연살해세포는 외부에서 종양 스페로이드를 공격했지만, 종양을 뚫지는 못했다. 결국, 종양은 계속 자라났다. 그들은 또한 생쥐의 면역 세포를 재설계하고 생쥐 흑색종 세포로 만든 종양 스페로이드로 테스트했다.

결과는 매우 높았지만, 도콜리안 박사는 이 연구가 아직 예비 단계에 있으며 이 기술을 잠재적인 치료적 용도로 평가하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다고 강조했다. 그는 또한 단백질 기능과 세포질 행동을 조절할 수 있는 다른 활성화 단서를 탐구하기를 희망한다고 말했다.

이 논문의 다른 펜실베이니아 주립 저자로는 펜실베이니아 주립 의과 대학의 미생물학 및 면역학 교수 인 Todd Schell이 있다. Brianna Hnath, 생물 의학 공학 박사 과정 학생; Congzhou Mike Sha, MD/PhD 의학 과학자 교육 프로그램 공동 학위 학생; Lynne Beidler, 연구 기술자. 제1저자인 자싱 첸(Jiaxing Chen)은 연구가 수행될 당시 박사 과정 학생이었으며 현재 펜실베니아 대학교에서 박사 후 연구원으로 재직 중이다.

미국 국립보건원(National Institutes of Health)과 파산재단(Passan Foundation)의 자금 지원으로 이 작업을 지원했다.

참조:
Jiaxing Chen, Brianna Hnath, Congzhou M. Sha, Lynne Beidler, Todd D. Schell, Nikolay V. Dokholyan. Optogenetically engineered Septin-7 enhances immune cell infiltration of tumor spheroids. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (44) DOI: 10.1073/pnas.2405717121