바이오스펙테이터

남궁석 충북대 교수

지난번의 연재에서 어떻게 HER2 유전자가 약물개발의 타깃으로 대두되었는지를 알아보았다. 이번 연재에서는 이제 어떻게 이러한 연구결과가 실제 약물로써 변모하는 과정을 다루도록 하자. 앞의 연재에서 설명하였듯 이것이 실현되기 위해서는 기술적인 장벽과, 그리고 항암 항체신약이라는 ‘가보지 않은 길’을 주저하는 제넨테크 내의 회의주의자의 불신이라는 인적 장벽이 극복되어야 했다.

인간화 항체

사실 본 장의 제일 처음 연재물(항체 신약을 찾아서①)에서 언급되었듯 특정한 단백질을 결합하는 단일 항원 항체를 하이브리도마 기술을 통하여 만드는 방법은 이미 1970년대에 개발되어 있었다. 그러나 왜 이 기술은 개발되서 ‘마법의 탄환’을 만들 수 있는 기술로 주목받았음에도 불구하고 신약으로 개발되지 못하였을까?

근본적인 이유는 하이브리도마를 이용한 단일항원항체는 어디까지나 생쥐 유래의 세포에서 만들어진 ‘생쥐’의 항체이며, 생쥐의 항체 역시 인간의 면역계에서는 외래 산물로 인식되어 이를 인식하는 항체가 생성되어 무력화되기 때문이었다[1]. 이를 극복하기 위해서는 생쥐가 아닌 인간 유래의 단일항원항체를 만들어야 하나, 하이브리도마 기술을 이용하여 인간 단일항원 항체를 만드는 것은 현실적으로 불가능했다. 생쥐라면 원하는 항원으로 면역화하여 이를 생산하는 B세포를 분리할 수 있겠지만 인간을 대상으로 이러한 일을 할 수는 없기 때문이다. 결국 생쥐 유래의 단일항원 항체의 정보를 인간의 항체에 ‘이식’하는 것이 대안일 것이다.

이전의 연재 ‘항체 신약을 찾아서①’의 내용을 기억한다면 항체가 인식하는 항원에 따라서 달라지는 변화영역(Variable region)과 항체의 종류와 관계없이 존재하는 공통영역(Constant region)으로 나뉜다는 것을 기억할 것이다. 결국 포유동물인 사람과 쥐의 항체의 기본적인 구조는 유사하기 때문에, 특정한 항원을 인식하는 쥐 유래의 단일 항원 항체의 유전자에서 ‘변화영역’만을 떼어, 이를 인간의 항체의 ‘변화영역’에 대치하는 소위 ‘키메라 항체(Chimeric antibody)'를 만든다면 어떨까? 단일항원 항체기술이 개발된 후 발달한 재조합 DNA 기술에 의해서 단일항원 항체 및 인간 유래의 항체의 유전자와 그 염기서열이 결정되었고, 항원을 인식하는 쥐 유래의 변화영역과 인간 유래의 공통영역을 가지는 생쥐와 인간의 키메라 항체가 제조 가능하다는 논문이 1984년 발표되었다[3]. 이러한 키메라 항체 제조기술은 후에 CD20의 키메라 항체인 리툭산(Rituxinmab)의 개발로 이어졌다.

그러나 키메라 항체의 경우 쥐 유래의 항체의 상당부분을 가지고 있는 관계로 여전히 인간에서 외래물질로 인지되어 면역반응을 유발할 수 있다는 가능성이 제시되었다. 그렇다면 최대한 쥐 유래의 요소를 제거하고 항원을 결합하는 영역만을 인간 항체에 이식하는 기술이 필요했다.

▲그림 1 마우스 유래의 단일항원 항체와 키메라 항체, 인간화 항체 및 인간 항체의 차이점. 키메라 항체는 마우스 유래의 항원과 결합하는 변화영역과 인간 유래의 공통 영역으로 구성되어 있다. 반면 인간화 항체는 실제로 항원을 인지하는 CDR 영역만을 마우스 유래의 특정 항원을 인지하는 영역으로 대치되었다는 차이가 있다. [Carter P, Nature Review of Cancer, 2001]

1986년 최초로 단일항원항체 기술의 산실이던 영국 MRC-LMB의 그렉 윈터(Greg Winter) 그룹에서는 항체의 3차원 구조 분석을 통하여 인간 유래 항체의 변화 영역내에 존재하는 CDR 영역(Complementarity-determinining region)만을 생쥐의 단일항원항체의 CDR 영역으로 대치함으로써, 인간 유래의 항체에 생쥐 항체의 결합특이성을 부여할 수 있음을 보였다[4]. (그림 2) 후속 연구에서 이들은 인간 임파구를 인식하는 항체의 CDR 영역을 인간 항체에 도입함으로써, 이 항체가 인간 임파구를 용해시킬 수 있다는 것을 보여줌으로써, 인간화된 항체가 실제로 치료용도로 사용될 수 있다는 가능성을 제시했다[5].

▲그림 2 항체 인간화 기술을 처음 개발한 영국 MRC-LMB의 그렉 윈터 (Greg Winter). 그렉 윈터 그룹은 1984년 네이처에 출판된 논문[4]에서 인간 항체의 항원 결합 부위 (Complementarity determining regions)을 마우스 유래의 단일항원 항체의 것으로 이식함으로써 항체의 특이성을 다른 항체로 이식할 수 있다는 것을 보였다. 좌측 하단의 항체의 변화 영역에서 항원을 인지하는 CDR 영역 (점으로 표시) 에 해당하는 인간의 항체 유전자 영역을 마우스의 단일 항원 항체 유래의 CDR로 교체 (우측 하단의 서열에서 박스로 표시) 하였다.

제넨테크

한편 제넨테크의 이야기로 되돌아가서, 제넨테크에서 HER2 연구를 이끌던 악셀 율리히가 퇴사한 이후에도 데니스 슬라몬은 HER2 프로젝트의 불씨를 살리기 위하여 노력했다. 그러나 문제는 제넨테크의 경영진에서는 이 프로젝트를 지속적으로 추진해 나갈 것인지에 대한 확신을 가지지 못했다는 것이다. 그도 그럴것이, 제넨테크는 그때까지 단 하나의 항암제 프로젝트도 성공적으로 추진해 본 경험이 없었으며, 단일 항원 항체를 이용하여 특정한 타깃 단백질을 억제하겠다는 것은 1980년대 후반까지만 하더라도 단지 상상속의 이야기일 뿐이었다. 그러나 데니스 슬라몬은 제넨테크 내부의 몇몇 과학자들의 지지를 끌어낼 수 있었으며, 이렇게 하여 제넨테크에서 항암제의 연구의 불씨를 유지한 사람들은 나중에 제넨테크의 CEO가 되는 아트 레빈슨(Arthur D Levinson, 그는 원래 마이클 비숍의 연구실에서 바이러스 유래의 암 유전자인 Src이 인산화효소라는 것을 발견한 연구자였다), 데이빗 봇스테인(David Botsein) 등이었다. 회사 내에서의 ‘소수파’ 의 지지를 얻어서 이들은 HER2 프로젝트를 계속 진행해 나갔다.

이들은 쥐에서 얻은 단일 항원 항체는 종양이 주입된 쥐에서 암의 성장을 억제한다는 것을 이미 알고 있었다. 그러나 이 결과를 어떻게 인간에게 사용될 수 있는 약물로 만들 수 있을 것인가? 이를 극복하기 위해서는 쥐에서 얻어진 항체를 인간화해야만 했다. 이들이 얻은 HER2를 인식하는 마우스 유래 단일항원 항체인 4D5를 인간화하는 작업은 영국 MRC의 그렉 윈터의 지도하에 박사학위를 하다가 제넨테크에 포스트닥으로 들어온 젊은 과학자인 폴 카터(Paul Carter)가 핵심이 되어 진행되었다. 이들은 마우스 유래 Anti-HER2 항체 4D5의 CDR 영역을 인간 항체에 도입하였다. 특기할 점은 단순히 CDR 영역을 마우스 항체의 것으로 바꾼 항체는 비록 Kd=25nM의 높은 친화력으로 HER2 를 결합하지만, 실제로 유방암 세포를 억제하는 능력은 보이지 않았다는 것이다. CDR 영역 이외에도 이를 연결하는 프레임워크 영역(Framework)에 위치한 5개의 아미노산을 마우스 유래의 항체로 바꾸는 개선에 의해서 항체의 친화력은 약 250배 이상 개선되었으며, 마우스 항체와 비슷한 수준으로 암세포의 성장을 억제할 수 있었다[6]. 이렇게 인간화된 항체가 trastuzumab, 몇년 후에 ‘허셉틴’(Herceptin) 이라는 이름으로 판매될 항체가 된다. 그러나 trastuzumab이 ‘약’ 이 되기 위해서는 넘어야 할 가장 중요한 고비가 존재했다.

▲그림 3 제넨테크에서 HER2 항체의 인간화에서 주된 역할을 한 폴 카터 (Paul Carter). CDR 영역 이외에 CDR 영역 사이의 프레임워크 영역의 5개의 아미노산을 추가적으로 마우스 항체로 변형함으로써 항체의 친화력을 높일 수 있었으며, 이 차이가 항체의 암세포 성장을 억제하느냐 아니냐의 차이가 되었다.

▲그림 4 허셉틴과 HER2 단백질간의 결합 구조[7]. 청색의 HER2와 허셉틴의 헤비 체인 (녹색), 라이트 체인 (하늘색) 이 결합한 모습이다. 항체 인간화를 통해서 대치된 아미노산 잔기는 적색으로 표시하하였다.

HER2에 결합하는 인간화된 항체가 준비된 것은 1990년 여름이었다. 이제 과연 HER2를 결합하는 항체가 HER2 유전자가 증폭된 유방암 환자들에게 유효한 치료수단이 될 수 있을 것인가를 확인할 차례였다. HER2 개발진들에게 행운이었던 것이라면 중역 중의 한 사람이었던 빌 영(Bill Young)이 HER2프로젝트의 지지자가 되었던 것이다. 그는 그의 어머니가 유방암 진단을 받았고, 환자 가족의 입장에서 유방암에 대한 치료제의 시급함을 이해하게 된 것이 이 프로젝트를 끌고 나가게 되는데 큰 보탬이 되었다[8].

Phase I Study

데니스 슬라몬은 1992년 15명의 환자를 대상으로 Phase1 임상시험을 시작하였다. 이들은 모두 HER2 단백질을 과발현하고 있는 말기의 유방암 환자들이었다. 이 중에는 바바라 브래드필드(Babara Bradfeld)라는 50세의 여성이 있었다. 그는 1990년 유방암을 진단받고 유방절제수술과 7개월에 걸친 화학요법을 받은 상태였다. 그러나 그의 유방암은 다시 재개되었고 전이된 상태였고 죽음이 눈앞에 왔다는 것을 알게 되었다. 브래드필드는 1991년 슬라몬의 전화를 받았다. 브래드필드의 유방암 샘플을 검사해 본 슬라몬은 브래드필드의 샘플에서 아주 높은 수준의 Her2가 발현되고 있음을 발견하였고, 브래드필드는 슬라몬이 지금 임상시험을 계획중인 인간화된 anti-Her2 항체(나중에 ‘허셉틴’이 되는)의 이상적인 시험 대상이었다. 슬라몬은 브래드필드에게 임상시험에 참여하기를 권했지만 브래드필드는 거절했다. 그러나 다음날 브래드필드는 슬라몬의 전화를 다시 받았다. 슬라몬은 임상시험에 참여하기를 다시 간청했고, 마지못해 브래드필드는 임상시험에 참여했다.

1992년 최초의 임상시험이 개시되었다. 9주 동안 허셉틴과 화학요법제인 시스플라틴(Cisplatin)이 같이 투여되었다. 가장 좋은 예후를 보인 것은 브래드필드였다. 그의 목에 전이돼서 생긴 종양은 점점 줄어들기 시작했다. 반면 다른 환자들은 그렇게 행운이 따르지 않았다. 임상시험 환자 중 한명은 치료를 시작한 첫 주에 신장파열로 사망하였고, 다른 아홉 명의 환자들은 부작용과 정신적인 이유로 도중에 임상시험에서 하차하였고, 오직 다섯 명의 환자들만 계획된 6주의 투여를 마칠 수 있었다. 바바라 브래드필드는 1993년 18개월의 치료를 끝냈고, 지금 현재도 15명의 환자 중 유일한 생존자로 생존해 있다[9].

환자 권익단체와의 갈등과 협력

제넨테크는 1993년 다음 단계의 소규모 임상시험을 준비하기 시작하였다. 그러나 슬라몬의 ‘기적의 약’에 대한 소문은 삽시간에 유방암 환자들에게 퍼졌다. 지난 연재에 언급한 것처럼 HER2 단백질이 과발현된 유방암 환자는 가장 예후가 좋지 않은 환자군에 속한다. 유방암 환자 단체를 포함한 활동가들은 제넨테크에게 ‘동정적 사용’(Compassionate use), 즉 생명을 위협하는 중대한 질환을 가진 환자를 치료하기 위해서 아직 시판허가가 되지 않은 의약품을 사용할 수 있도록 허용하는 제도의 적용을 요구했다. 그러나 제넨테크는 아직 그들의 항체가 실제로 효과가 있는지 입증되지 않은 상황에서 그들은 소규모의 환자를 대상으로 한 잘 통제된 임상시험이 필요한 실정이었다. 1993년 임상 2상에서는 100명 이내의 환자를 대상으로 UCSF, UCLA, 그리고 뉴욕의 슬로안-캐터링 암센터의 환자들을 대상으로 시작될 예정이었다.

그러나 당장 생명의 기로에 선 말기 유방암 환자의 권익을 대변하는 환자 권익단체에서는 “생명을 연장해줄 수도 있는 약이 있는 상황에서 왜 환자들이 죽어야 하는가?”라는 구호로 ‘동정적 사용’을 허용치 않은 제넨테크를 비난했다. 이 상황은 실제로 유방암 환자이자 환자권익단체의 활동가인 마티 넬슨(Marti Nelson)이 사망하자 좀 더 격화되었다. 산부인과 의사였던 넬슨은 자신의 유방암이 재발된 이후 HER2에 대해서 알게되었고, 임상시험에 참여하기 위하여 HER2 검사를 하려고 하였다. 그러나 보험회사는 아직 임상시험 단계인 약물을 위해 HER2 검사를 하는 것을 허가하지 않았고, HER2 양성이 아닌 환자에 대해서 제넨테크는 임상시험에 참가하는 것을 허용하지 않았다. 환자 권익단체의 네트워크를 통하여 넬슨은 결국 검사를 받았으며 예상대로 HER2가 과발현되고 있음이 확인되었다. 그러나 그 소식은 너무나도 늦게 도착하였고, 넬슨은 결국 사망하였다.

이러한 상황은 급기야 제넨테크 회사에서의 시위로 번졌으며, 결국 제넨테크는 환자 권익단체와 협력할 수 밖에 없는 상황에 처했다[10,11]

임상 3상과 FDA 승인

1995년 제넨테크는 전국 유방암 환자 연대(National Breast Cancer Coalition)와 협력하여 임상 3상 시험에 들어갔다. 임상시험 648에는 총 469명의 환자가 참여하였으며, 이들은 표준적인 화학요법과 병행하여 허셉틴 혹은 플라시보가 투여되었다. 이 결과는 1998년 미국임상종양학회(American Society of Clinical Oncology) 학술대회에서 지대한 관심을 받으면서 발표되었다. 여기서 허셉틴이 투여된 환자군에서 명백한 이점이 있다는 것이 확인되었다. 허셉틴과 택솔(Taxol)의 조합으로 치료받은 환자에서의 반응율(Response rate)은 텍솔만으로 치료받은 환자의 수치인 17%에서 41%로 증가하였다. 생존분석을 통해, 허셉틴으로 치료받은 환자의 경우, 그렇지 않은 대조군에 비해서 평균 20개월에서 25개월로 생존이 연장되었음이 확인되었다[12].

▲그림 5 단독 화학요법과 화학요법 및 trastuzumab (허셉틴) 병행시 무진행 생존율 (Progression-free survival) 의 비교. 화학요법과 허셉틴을 병행한 환자가 유의미하게 유방암의 무진행 생존율이 높음을 확인하였다. 또한 화학요법제제중 탁솔 (paclitaxel)과의 병용이 좀 더 유효함이 확인되었다. [12]

이러한 임상시험의 결과에 따라서 허셉틴은 1998년9월 25일, HER2 단백질을 과발현하며, 최소한 1회 이상의 화학요법 치료를 받은 전이성 유방암 환자를 위한 치료수단으로 FDA로부터 판매를 승인받았다.

4,5개월의 생존 연장은 얼핏 보기에는 큰 의미가 없는 것처럼 보일 수도 있다. 그러나 주목해야 할 것은 허셉틴의 초기 임상시험에 참여한 환자들은 말기의 암환자로써 다른 여러 단계의 화학치료를 받고, 여기에 반응하지 않은 매우 예후가 나쁜 환자들이었다는 것이다. 과연 허셉틴이 아무런 치료를 받지 않은 초기 단계의 유방압 환자에게도 효과가 있을지를 확인하는 것이 허셉틴이 좀 더 많은 환자들을 구할 수 있는 첩경이었다.

다음 회에서는 초기 단계에 유방암 환자를 대상으로 한 허셉틴의 임상시험부터 시작하여 단일항원 항체의 개발로부터 약 30여년이 지나서야 드디어 가시화된 ‘마법의 탄환’으로서의 항체의약품의 발전에 대한 내용을 끝으로 ‘신약연구사’ 의 두번째 챕터를 마치도록 한다.

▲그림 6 1998년 Trastuzumab 의 판매를 승인하는 FDA의 메일. HER2 단백질을 과발현하며, 이미 화학요법을 받은 전이성 유방암 환자에 한정된 허가이고, 초기 단계의 유방암 환자에 대한 허가는 효과가 입증된 후속 임상 연구가 진행된 2006년이 자나서였다.

참고문헌

1. Miller, R. A., Oseroff, A. R., Stratte, P. T., & Levy, R. (1983). Monoclonal antibody therapeutic trials in seven patients with T-cell lymphoma. Blood, 62(5), 988-995.

2. Carter, P. (2001). Improving the efficacy of antibody-based cancer therapies. Nature Reviews Cancer, 1(2), 118.

3. Boulianne, G. L., Hozumi, N., & Shulman, M. J. (1984). Production of functional chimaeric mouse/human antibody. Nature, 312(5995), 643.

4. Jones, P. T., Dear, P. H., Foote, J., Neuberger, M. S., & Winter, G. (1986). Replacing the complementarity-determining regions in a human antibody with those from a mouse. Nature, 321(6069), 522.

5. Riechmann, L., Clark, M., Waldmann, H., & Winter, G. (1988). Reshaping human antibodies for therapy. Nature, 332(6162), 323.

6. Carter, P., Presta, L., Gorman, C. M., Ridgway, J. B., Henner, D., Wong, W. L., ... & Shepard, H. M. (1992). Humanization of an anti-p185HER2 antibody for human cancer therapy. Proceedings of the National Academy of Sciences, 89(10), 4285-4289.

7. Cho, H. S., Mason, K., Ramyar, K. X., Stanley, A. M., Gabelli, S. B., Denney Jr, D. W., & Leahy, D. J. (2003). Structure of the extracellular region of HER2 alone and in complex with the Herceptin Fab. Nature, 421(6924), 756.

8. Biba, E. The HER2 Journey, https://www.gene.com/stories/her2/

9. Mukherjee, S. (2010). The emperor of all maladies: a biography of cancer. New York, NY. P412-419-427

10. Ibid.

11. https://www.gene.com/stories/the-demonstration

12. Slamon, D. J., Leyland-Jones, B., Shak, S., Fuchs, H., Paton, V., Bajamonde, A., ... & Baselga, J. (2001). Use of chemotherapy plus a monoclonal antibody against HER2 for metastatic breast cancer that overexpresses HER2. New England Journal of Medicine, 344(11), 783-792.

13.