ADC 열풍, 단일 클론 항체와 화학 항암제의 화학적 결합

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항암제의 분류, Generation 1-4

✔️ 전형적인 항암제의 분류는 1-4세대로 나누어지며 각 세대에 대한 간단한 설명은 아래 표와 같습니다. ADC에 대해 이해하기 위해 전형적 항암제 분류에 대한 선행 학습이 필요합니다.

→ 1세대 화학 항암제(Chemotherapy)는 가장 먼저 개발되었고 현재도 보편적으로 사용되는 항암제입니다. 다양한 종류의 화학 항암제들이 개발되어 각각의 특이적 암종에 사용되고 있습니다. 그러나 화학 항암제는 암세포 특이성의 부재로 인해 광범위한 부작용을 나타내는 단점이 있습니다.

→ 2세대 항암제인 표적 항암제(Targeted therapy)는 특정 암세포에 존재하는 특이적 유전자 혹은 수용체, 성장인자 등을 타겟으로 하여 암세포만을 공격하도록 설계된 항암제로 1세대 항암제에서 주로 발생하는 광범위한 부작용을 감소시킬 수 있습니다. 최초의 2세대 항암제는 노바티스의 '글리벡'으로 9번과 22번 염색체의 전좌가 일어나 만들어지는 '필라델피아 염색체'가 만들어지고, 해당 염색체에 존재하는 Abr-bcl1 유전자가 '티로신 키나제(Tyrosine kinase)'라는 효소의 활성을 크게 증가시키는데 이는 세포의 무분별한 증식을 촉진하여 만성 골수성 백혈병(CML)을 발생시키는 원인이 됩니다.

'글리벡'의 주성분 이마티닙은 이러한 티로신 키나제의 과활성을 억제하는 Tyrosine kinase inhibitor(TKI) 타겟 약물에 해당합니다. 2세대 항암제는 이처럼 암세포가 특정 돌연변이 유전자를 가진 경우에만 제한적으로 적용될 수 있다는 한계가 있으며, 또한 암세포가 항암제에 대한 저항성을 만들어낼 수 있다는 한계가 존재합니다.

→ 3세대 항암제인 면역 항암제(Immunotherapy)는 인체의 면역 반응을 강화시켜, 면역세포들이 암세포를 더 효과적으로 사멸시키도록 합니다. 면역항암제는 면역 반응을 조절하는 면역 관문(Immune checkpoint)을 억제하는 면역관문억제제, CAR-T cell 치료제, 암 백신으로 분류됩니다.

이러한 면역 치료의 방식은 인체의 자연적 면역 기능을 활용한다는 점에서 1~2세대 항암제에 비해 더 적은 부작용과 독성을 나타내지만, 일반적으로는 암세포 반응성이 높지 않아 다른 암세포와 병용이 필요한 경우가 많으며 면역시스템의 교란으로 인해 자가면역질환 등의 부작용이 발생할 수 있는 위험이 있습니다.

3세대 항암제의 대표 제품은, 글로벌 의약품 매출 1위(2025년 1위, 2026년에도 1위 전망)를 차지하고 있는 머크의 '키트루다'(성분명 펨브롤리주맙)입니다.

펨브롤리주맙은, T세포 존재하는 PD-1을 억제하는데, PD-1 면역관문(면역을 조절하는 역할)으로서, 주로 암세포 표면에 존재하는 PD-L1(암세포의 면역 회피 기전으로 암세포 표면에 과발현 되어있음)과 결합하게 되면 T세포의 면역반응을 억제하게 됩니다. 펨브롤리주맙에 의해 PD-1과 PD-L1의 결합이 억제되면, 면역 반응 조절이 억제되어 (억제를 억제하는), T세포가 더욱 활성화됨으로써 암세포를 효율적으로 공격하게 됩니다.

키트루다는 폐암 치료의 패러다임을 전환한 게임체인저 약물로 평가받으며 현재 더 많은 암종으로 그 적용 대상이 확대되고 있습니다.

다만, 인체 면역 시스템을 교란시킨다는 점에서 부작용을 발생시킬 수 있는데, 특히 PD-L1은 암세포 뿐만 아니라 정상 세포막에도 존재하여 면역 반응을 조절하는 기능을 한다는 점에서 과다한 면역 활성으로 인한 자가면역질환 등의 부작용의 위험성이 존재합니다.

→ 4세대 항암제는 국내에서는 주로 '대사 항암제'로 불리지만 세계적으로는 더 포괄적 개념인 정밀 종양학(Precision oncology)의 명칭으로 불리기도 하며, 아직 정확한 정의나 명칭에 대한 기준이 정해지지 않은 항암제 계열입니다.

대사 항암제는 모든 종류의 암세포들에서 일반 세포와는 달리 공통적으로 관찰되는 대사 과정을 찾아내고 이를 타겟으로 암세포의 대사를 억제해 굶겨 죽인다는 아이디어에 기반하고 있습니다. 이는 대상 암종이 제한되지 않는다는 장점이 있지만, 이러한 방식이 현실적으로 잘 작동할지에 대한 더 많은 연구가 필요합니다.

현재 대사 항암제로 유일하게 승인을 받은 제품은 세엘진의 '아이드하이파'이며 주성분 enasidenib은 암세포에서 발견되는 IDH2(isocitrate dehydrogenase 2)의 돌연변이형(mutant)을 타겟으로 합니다. 생명과학2에서 배우는 포도당 대사 과정 중 시트르산 회로(TCA회로)에서 정상 IDH2 효소는 아이소시트르산(isocitrate)을 a-케토글루타르산(a-KG)로 전환시키는 작용을 하는데, 돌연변이형 IDH2(mutant IDH2)는 a-케토글루타르산을 비정상적 대사 산물인 2-하이드록시글루타르산(2-HG)로 전환시키고, 이는 종양의 성장을 촉진시키는 것으로 알려져 있습니다. 아이드파이파의 주성분 enasidenib은 IDH2 돌연변이형을 억제함으로써 암세포의 성장을 저해하는 기전을 가지고 있습니다.

⭐️ 이번 탐구에서는, 위의 전형적 분류의 항암제 외에, 최근 가장 큰 주목을 받는 '항암제의 대세' ADCs 기술에 대해 살펴보도록 하겠습니다. ADCs는 1세대와 2세대의 결합으로 설명할 수 있으며 각 세대의 장점만을 더한 혁신 항암제 기술에 해당합니다.

✔️ 지난 탐구들을 통해 암의 유전적 원인과 진단 그리고 여러 치료법에 대해 살펴보았고, 항암제는 그 항암 효능도 중요하겠지만 항암 치료에서 발생할 수 있는 다양한 부작용과 독성을 감소시키는, 즉 항암치료의 안전성(safety)이 담보되는 방식으로 연구, 개발되어야 함을 느낄 수 있었다. 통합과학과 생명과학, 화학 등의 과학 교과목을 공부해가며 고등 교과에서 배우는 과학 개념들이 그러한 항암 효능과 안전성을 보장하는 혁신 항암제 연구 개발에 어떻게 적용될 수 있을지를 계속해 고민해 왔고, 그러한 호기심을 계기로 하여 전형적 항암제 세대를 분류를 정리하고 가장 최신의 혁신 항암제 기술들에 대해 탐구해보고자 하는 생각을 가지게 되었다. 특히 미국암연구학회(AACR)에서 가장 큰 주목을 받았으며, 항암제의 대세로 꼽히는 ADC(Antibody-drug conjugate, 항체-약물 접합체)에 대해 조사하며 그러한 기술에 적용된 고등 과학 교과 개념을 정리하고 항암제 기술의 미래에 대해 탐구해보고자 한다.

※ 혹은 고등 과학에서 배우는 '항체'의 특이성(specificity)을 항암제에 적용하여, 암세포 특이적 항암제를 개발하여 일반세포에 대한 항암제 부작용을 감소시킬 수 있지 않을까? 하는 궁금증이 탐구 동기가 될 수 있습니다.

항암제의 부작용과 독성

✔️ 1세대의 화학 항암제(Chemotherapy)는 빠르게 증식하는 암세포를 억제하는 기전을 나타내며, 따라서 일반 세포들에 작용할 시 마찬가지로 세포분열을 억제하게 됩니다. 그러한 이유로 인체 세포들 중에서도 빠르게 분열하는 세포들(모낭세포, 소화계 점막세포, 면역세포 등)이 특히 큰 영향을 받게됩니다.

뿐만아니라 항생제 계열에 따라 심장, 간, 신장 등 특정 중요 장기의 기능에 부정적 영향을 줄 수 있으며 구역질, 구토, 피로감 등의 일반적인 부작용도 빈번히 발생합니다.

❗️ 위 그림과 같이 화학 항암제의 적용시 일반적으로 인체에서 발생하는 부작용으로는 통증, 호흡곤란, 면역 약화, 멍과 출혈, 발진, 탈모, 구강 궤양, 구역질과 구토, 변비나 설사, 신경병증 등이 있으며, 또한 특정 항암제 계열에 따라 특이적 장기 독성을 나타낼 수 있습니다.

예를 들어 시스플라틴(Cisplatin)은 주로 신장(콩팥) 독성을 일으키는 항암제이며, 독소루비신(Doxorubicin)은 심근 손상, 심부전 등의 심장 독성을 나타내는 항암제로 알려져 있습니다. (이러한 장기 특이적 독성 역시 항암제의 기전이 암세포가 아닌 일반 세포들에서 작용하기 때문에 발생합니다.)

Pharmacology, Potency(효력)와 Efficacy(효능)

✔️ 약물의 효과를 나타내는 약리학(Pharmacology)의 두 개념으로 Potency(효력)와 Efficacy(효능)이라는 개념이 있습니다. 이 두가지 개념은 y축을 약물 반응, x축을 약물의 농도로 하는 약물반응곡선(Concentration-response curve)에 의해 설명될 수 있습니다.

① Efficacy

Efficacy란, 어떤 약물이 일으킬 수 있는 최대 반응(혹은 최대 효과)을 의미하는 개념입니다. 이는 농도와는 관계가 없는 개념으로서, 위 그래프에서 약물 A가 약물 B보다 더 큰 efficacy를 가지는 약물이라 할 수 있습니다.

② Potency

Potency란, "The dose required to produce a pharmacological effect of given intensity."라 정의되는데, 일반적으로는 최대 반응의 절반(50%) 만큼의 반응이 일어나기 위해 필요한 약물의 농도에 해당하는 개념입니다.

이를 항암제에 적용하여 보다 직관적으로 설명하자면, 얼마나 적은 양의 항암제로 충분한 항암효과를 나타낼 수 있는지를 의미하는 개념입니다. Potency는 보다 구체적으로 아래와 같은 값들로서 표현될 수 있습니다.

⇢ EC50는 최대 반응(Maximal Effect)의 절반 만큼의 반응이 일어나기 위한 약물의 농도를 의미하는 개념입니다. 이는 모든 계열의 약물들에 적용될 수 있는 개념이며, 주로 약물 수용체와 약물(기질, Ligand) 사이의 결합 특성을 연구하는데 사용되는 개념입니다.

⇢ IC50는 EC50 중에서도 약물의 반응이 '억제'에 해당하는 약물 계열에서 주로 사용되는 개념입니다. 항암제는 암세포를 억제하는 반응을, 항생제는 병원균을 억제하는 반응을 나타내는 약물들로, 이러한 약물들에 대한 연구에서는 EC50보다는 IC50의 개념이 주로 사용됩니다.

※ EC50 혹은 IC50은 하나의 세포 혹은 세포군을 대상으로 한 연구에서 주로 사용되는 개념입니다. 예를 들어 100개의 암세포가 존재할때, 이 중에서 50개의 암세포를 죽이는 A 항암제의 농도가 바로 A 항암제의 IC50값으로 정의됩니다.

→ ED50는 세포 수준이 아닌 주로 개체 수준에서 활용되는 개념으로서, 예를 들어 10명의 사람 중 5명의 사람들이 효과를 보는 약물의 농도를 의미합니다. ED50는 세포 수준의 연구가 아닌, 주로 임상시험과 같은 사람이나 동물 등의 개체를 대상으로 한 연구에서 사용되는 개념입니다.

⭐️ 이때 EC50, IC50 혹은 ED50의 값이 작은, 즉 Potency 값이 작은 약물들이 Potency가 우수한 약물에 해당합니다. 영어로는 highly potent drug라 표현하며 이러한 약물들은 매우 적은 양으로도 충분한 양의 효과가 발현되는 특징을 나타냅니다.

위 그래프에서 약물 A와 약물 B 중, Potency값이 더 작은 약물은 B에 해당하며, 약물 B가 더 Potent하다 라고 표현할 수 있습니다. (※ 즉 Potency 값이 낮은 것이, 더 Potent한 것을 의미합니다)

❗️이때, 서로 다른 계열의 항암제의 경우 메커니즘에 차이가 존재하고 따라서 구체적 Response의 종류가 다르기 때문에(예를들어, 5-FU는 암세포 DNA를 억제하며, Paclitaxel은 세포분열시 미세소관을 억제) 서로 다른 약물에서 Potency로서 두 약물의 안전성(부작용, 독성)을 평가하는데는 어려움이 있습니다.

즉 Potency 값이 작다고 해서 더 안전한 약물이거나 혹은 더 위험한 약물이라고 판단할 수는 없습니다. 약물의 안전성을 평가하기 위해서는 지난번 탐구에서 살펴보았던 것처럼 약물의 MEC(Minimal Effective Dose), MTC(Minimum Toxic Concentration) 그리고 Therapeutic window(안전역)에 대한 연구가 필요합니다.

그런데, 동일한 약물에서 Potency 값이 작아지는 것은, 같은 약물임에도 적은 양으로 충분한 항암 효과를 낼 수 있다는 것을 의미하며, 사용량이 적어지는 만큼 일반 세포들에 항암제의 노출이 적어져 부작용과 독성의 가능성이 감소하는, 즉 안전성의 증대를 의미할 수 있습니다.

예를 들어 항암제 5-FU를 10만큼 쓸 것을 5만큼만 써도 동일한 효과를 낼 수 있다면 그만큼 부작용도 감소할 것입니다. 동일한 약물에서 이렇게 Potency 값을 작게 하는 것은 우리가 이전에 탐구하였던 약물전달기술에 의해서 혹은 이번 탐구의 ADC 기술에 의해 이루어질 수 있습니다. (※ ADC도 일종의 타겟화 약물 전달 기술로 볼 수 있습니다)

병원체와 항원, 그리고 에피토프(항원 결정기)

✔️ 생명과학1에서 생쥐의 방어 작용 실험을 통해 실험적으로 생쥐에서 항체를 형성시키는 방법에 대해 배운 적이 있습니다. 우리는 생명과학1 교과목에서 병원체 전체가 항원으로 작용하는 것이 아닌, 병원체의 특정 구조(단백질 등의 분자)가 항원으로 역할을 하며 이러한 구조에 항체가 결합하여 체액성 면역반응이 일어난다는 것을 배웠습니다.

→ 예를 들어, 위 그림에서 항원 ㄷ에 대한 항체가 형성된다면 이는 병원체 B와 C에 대해 체액성 면역반응을 일으키게 될 것입니다. 즉, 생명과학1에서는 면역계가 인식하고 항체를 생성하는 항원이란 병원체에 존재하는 특이 구조라는 것을 배웠습니다. (예를 들어, COVID-19에 존재하는 스파이크 단백질)

❗️그런데 더 자세히 설명하자면, 항체가 인식하는 것은 정확히는 항원에서의 더 미세한 소구조 부위인 '에피토프(epitope, 항원결정기)'입니다. 또한 하나의 항원에서도 항체가 형성되는 소구조 '에피토프'는 여러가지가 존재할 수 있으며 따라서 실제로는 하나의 항원에 대해 여러 종류의 항체들이 형성될 수 있습니다.

→ 예를 들어, 코로나바이러스의 항원으로 잘 알려진 스파이크 단백질(바이러스의 숙주 세포 부착에 활용되는 단백질)에도 서로 다른 에피토프들이 존재하며 각각에 대한 항체가 형성될 수 있습니다.

다중 클론 항체(pAbs)와 단일 클론 항체(mAb)

✔️ 다음으로 생명과학1에서 소개되는 일반적인 체내 항체(혼합물)인 다중클론항체(pAbs)와 생명과학2의 생명공학기술 단원에서 배우는 단일클론항체(mAb)의 차이에 대해 정리해보도록 하겠습니다.

❗️B세포(B림프구)는 각각의 특이한 에피토프와 결합하여 활성화되며 항체를 생산하는 형질세포로 분화됩니다. 이때 하나의 항원에 대해서도 여러개의 에피토프가 존재하므로, 하나의 항원에 대해 여러 종류에 에피토프에 대응하는 항체를 분비하는 다양한 B세포가 분화되어 만들어지고 다양한 항체가 분비됩니다.

이처럼 하나의 항원에 존재하는 여러 에피토프들에 대한 항체들의 혼합물을 다중클론항체라 하며, 다중 클론 항체는 하나의 항체를 지칭하는 것이 아닌 혼합물의 개념이므로 s를 붙인 복수의 개념으로 pAbs(polyclonal antibodies)로 지칭합니다.

❗️반면, 이러한 혼합물 중, 하나의 에피토프들에 대해 반응을 하는 항체들의 집합을 단일 클론 항체(monoclonal antibody)라 하며, 이 또한 여러 항체들의 집단의 개념이지만, 동일한 항체들이라는 점에서 주로 단수형으로 mAb(monoclonal antibody)라 표현합니다(물론 복수형으로 mAbs로 표현하기도 합니다.)

생명과학2에서 소개되는 것 처럼 인간이나 마우스 등의 생체 내에서 특정 항원에 대하여 자연적으로 생성되는 다중 클론 항체로부터 생명공학 기술을 통해 하나의 에피토프에 대해서만 특이적으로 반응하는 단일클론항체를 획득할 수 있습니다.

# 단일 클론 항체(mAb) 생산

① 가장 먼저 마우스에 항원을 주입해 여러 에피토프들에 대한 다양한 B 림프구들을 활성화시키고, 이러한 B세포를 포함하는 비장(=지라) 세포(Spleen)세포를 분리해 냅니다. 비장(지라)는 면역 체계에서 중요한 역할을 하는 기관으로 T세포, B세포 등 다양한 면역세포들이 풍부하게 존재합니다.