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[남궁석의 신약연구史]빅히트 '면역항암' 연구의 기원

입력 2018-03-26 13:51 수정 2018-03-26 15:43

남궁석 충북대 교수

면역항암요법의 역사①면역계와 암에 대한 연구, 콜리의 독, 그리고 '종양 면역감시 가설'..수많은 도전과 좌절, 고난했던 개발과정

지금까지의 연재를 통해서 현대 항암치료의 근간이 되는 저분자 화합물에 의한 항암표적치료제와 항체 기반의 항암치료제에 대해서 알아보았다. 이번 연재를 포함하여 앞으로 약 5회에 걸쳐서는 최근 많은 사람들의 관심을 끌고있는 면역항암요법(Cancer Immunotherapy)에 기반한 항암치료제의 개발과정에 대해서 알아보고자 한다.

사실 인체의 면역계를 이용하여 항암치료를 하는 면역항암요법은 근래에 큰 관심을 끌게 되었고, 이는 ‘키트루다’(Keytruda)나 ‘옵디보’(Opdivo)와 같은 면역 체크포인트(Immune checkpoint)를 저해하는 항체의약품의 성공 및 CAR-T(Chimeric Antigen Receptor T-cell)와 같은 유전자 변형 T세포 치료 등의 최근의 전개에 힘입었다고 할 수 있다. 그러나 '인체의 면역시스템을 이용하여 암을 치료할 수 있지 않을까'하는 기대는 오래전부터 있었고, 그 연구의 기원을 찾아보면 19세기 중엽으로 거슬러 올라가야 한다.

본 연재에서는 이전의 ‘글리벡’으로 대표되는 저분자 화합물에 의한 표적항암제 개발과 ‘허셉틴’으로 대표되는 항체기반의 항암치료제의 개발과 마찬가지로 세상에는 존재하지 않았던 새로운 개념의 신약이 등장하기 위해서는 이전에 어떠한 연구가 진행되어왔고, 이렇게 축적된 지식이 여러가지 시행착오를 거쳐서 마침내 임상적으로 사용되고 막대한 경제적인 가치를 창출하는 신약이 되는 과정을 ‘처음부터’ 다루고자 하며, 이것은 면역항암요법의 경우에도 마찬가지가 될 것이다. 즉 거대한 아름드리 나무에 열린 과실의 가치를 생각하는 것은 물론 중요하지만, 이러한 열매가 열리기 위해서는 어떤 과정을 통해서 나무가 씨앗에서 거대한 나무로 성장해 왔는지의 과정을 아는 것이 필요하기 때문이다.

그러면 현재의 면역항암요법의 근원이 되는 지식이 어떻게 창출되었는지 알아보기 위해서 19세기 중반의 유럽으로 이동해 보도록 하자.

면역계와 암과의 관계

인류가 외부 병원체로부터 면역을 획득하는 기전을 비교적 상세히 알게 된 것은 최근의 일이지만, 병원체로부터 면역을 획득하는 인간의 능력에 대해서는 비교적 오래 전부터 인지되어왔다. 기원전 430년 그리스의 역사학자 투키디데스는 아테네에서 역병이 휩쓸고 간 이후, 그 역병에 생존한 사람들은 다시는 해당 역병에 걸리지 않는다는 기록을 한 바 있다[1].

그러나 근대적인 의미에서의 면역에 대한 이해는 1798년 영국의 의사 에드워드 제너(Edward Jenner 1749-1823)가 소의 천연두인 우두에 감염된 적이 있는 사람은 사람의 천연두에 감염되지 않는다는 관찰을 통해서 우두를 접종함으로써 천연두를 예방할 수 있다는 관찰이후부터 시작되었다. 그 이후 루이 파스퇴르의 연구에 의해 특정한 질병이 병원균에 의해서 일어난다는 ‘병원균설’(Germ Theory)의 발전과 더불어, 병원균을 약독화한(attenauated) 물질에 의해서 병원균의 감염을 예방할 수 있다는 개념이 제시되었고, 파스퇴르는 제너의 백시나 바이러스(Vaccina virus)에 대한 연구를 기리는 의미에서 이를 백신(Vaccine)이라고 이름붙였다.

한편 아직 암의 원인이 정확히 무엇인지 모르던 19세기 말(본 연재의 ‘암의 원인을 찾는 여정’을 읽은 독자라면 암의 근본적인 원인이 규명되는 것은 1970년대 이후였다는 것을 기억할 것이다), 암과 병원균의 감염과의 상관관계가 보고되기 시작하였다. 독일의 의사인 빌헬름 부쉬(Wilhelm Busch)는 그의 환자 중 일부가 연쇄상구균(Streptococcus)의 감염에 의해서 생기는 감염증상인 단독(丹毒, erysipelas)에 걸린 이후에 암의 진행이 억제되었음을 보고하였다. 1868년 부쉬는, 인위적으로 암 환자에 단독을 유발시켜, 종양이 위축됨을 확인하였으며, 독일의 의사 프리드리히 페라이센(Friedrich Fehleisen)은 부쉬의 발견을 재현하였고, 단독을 유발하는 미생물이 Streptococcus pyogenes라는 미생물임을 확인하였다[2](흥미롭게도 현재 지놈 에디팅 관련하여 각광을 받고 있는 CRISPR-Cas9 시스템에서 가장 널리 사용되고 있는 Cas9이 바로 Streptococcus pyogenes 유래의 단백질이다). 그러나 이러한 보고는 단편적인 보고에 그쳤으며 미생물의 감염이 암에 미치는 영향을 본격적으로 연구한 것은 미국의 의사 윌리엄 콜리(William Coley, 1862-1936)였다.

콜리의 독소(Coley’s Toxin)

콜리는 19세기 말 뉴욕의 뉴욕 암 병원(New York Cancer Hospital – 현재 뉴욕의 슬로언 캐터링 암센터의 전신이 된)에서 근무하며, 암 치료법에 관심을 가지게 되었다. 그는 부쉬와 페라이센이 이전에 보고한 것처럼 단독의 감염 이후에 수술불가능한 암이 자연치유된 사례들에 관심을 갖게 되었다. 그는 수술 불가능한 거대한 종양을 가진 환자가 심한 감염을 겪고, 그 이후에 암이 치유된 사례를 보고, 1891년, 말기 암환자에 연쇄상구균을 감염시킴으로써 암을 치료할 수 있는지의 여부를 알아보고자 하였다. 그의 첫번째 실험대상은 Zola라는 이름의 말기 골육종 환자로 몇 주 내에 사망할 것으로 생각되었으나, 놀랍게도 박테리아 감염후에 그의 종양은 암은 눈에 띄게 줄어들었으며, 그 이후에 8년을 생존하였다[3]. 최초의 시도 이후 그는 살아있는 박테리아를 직접 10명의 환자에게 주사하였다. 그러나 그 방법은 예측불가능하였으며, 어떤 경우에는 전혀 감염이 이루어지지 않기도 하였고, 매우 강한 감염과 열병이 일어나서 2명의 환자는 사망하기도 하였다. 그는 방법을 바꾸어 2종류의 죽은 세균(S.pyrogenes와 Serratia marcescens)를 섞어서 주사함으로써 열병을 좀 더 균일하게 일으키고 감염에 의한 위험을 줄일 수 있게 되었다. 콜리는 이 ‘박테리아 유래 추출물’을 ‘콜리의 독소’(Coley’s toxin)이라고 명명하고, 그 이후 40여년간 1000여명의 암환자를 대상으로 치료(?)를 시도하였다. 어떤 경우 암이 눈에 띄게 줄어들기도 했지만, 상당수의 환자들의 경우 심한 감염과 열병을 유발하였고 사망하기도 하였다.

콜리는 이 덕에 유명해졌지만, 동시에 의학계의 비판대상이 되었다. 일단 검증되지 않은 세균 유래 추출물을 환자에 감염시켜 열병을 유발하는 것 자체가 의료윤리의 문제로 대두되었으며, 무엇보다도 ‘콜리의 독소’가 실제로 암을 치유하는지, 치유했다면 어떤 기전으로 암을 없애는지 그 당시의 지식으로는 알 길이 없었다. 또한 이러한 치료 자체가 현대의 엄밀한 임상시험과는 달리 일관성이 부족한 매우 조악한 방법이었으므로(‘콜리의 독소’라고 불려진 것들에는 11종류에 달하는 서로 다른 조성과 제조방법을 가진 것들이었다) 콜리는 당시의 의학계에서도 큰 비판을 받았다. 콜리의 비판자 중의 한명은 저명한 암병리학자인 제임스 유잉(James Ewing)이었고, 공교롭게도 그는 콜리가 근무하던 뉴욕 암 병원에서 콜리의 상사였다. 유잉은 ‘콜리의 독소’를 콜리가 근무하던 병원에서 사용하는 것을 금지하였다[4].

▲그림 1 : (왼쪽부터) 면역항암치료의 시조라고 일컬어지는 윌리엄 콜리 (William Coley, 1862-1936). ‘콜리의 독소’ 는 당시에 대중적으로 큰 화제를 불러일으켰다. 뉴욕타임즈 1908년 7월 29일자. 콜리의 첫 환자인 Zola라는 이름의 환자. 목 주변의 종양은 ‘콜리의 독소’ 를 주사한 이후 급속히 줄어들었다. 콜리의 독소의 주입에 의해 눈에 띄게 종양이 줄어든 사례도 있었으나, 대부분은 심한 감염과 부작용을 수반하였다.

이에도 불구하고 현재는 화이자에 흡수된 파크-데이비스사(Parke-Davis and Company)는 1899년부터 ‘콜리의 독소’를 생산하기 시작하여 1952년까지 생산을 계속하였다. 그러나 콜리가 1936년 사망한 이후 ‘콜리의 독소’는 점점 현대의학에서 인정받지 못하는 ‘대체의학’의 영역으로 간주되었고, 급기야 1960년대 초 유럽에서 탈리도마이드(Thalidomide)의 사용에 의한 부작용으로 기형아 출산이 급증되어 약물의 인허가 절차가 매우 까다로워졌고, 1962년 FDA에서는 ‘콜리의 독소’ 를 암 치료에 사용하는 것을 금지하였다. 따라서 ‘콜리의 독소’는 현대의학에서 퇴출되었고, 화학요법이나 방사능 치료와 같은 다른 치료수단으로 초점이 맞추어지게 되었다.

그러나 면역계와 암과의 관계는 다른 분야에서의 연구에 의해서 점차 주목받게 되었고 미생물 혹은 미생물 추출물에 의한 암 치료에의 응용은 완전히 사라지지 않았다. 1959년 슬로언-캐터링 암연구소의 연구자들은 결핵 예방에 흔히 사용되는 약독화 백신인 BCG의 주입이 마우스에서의 암 이식에 저항성을 준다는 것을 발견하였다[5]. 그 이후 BCG에 감염된 생쥐의 혈청에 종양괴사의 활성을 가지는 단백질 인자(이들은 이 인자를 Tumor Necrosis Factor, 즉 TNF라는 이름을 붙였으며 이것이 TNF가 처음 발견된 동기가 된다)가 존재한다는 것이 발견되었으며[6], 1976년 방광암에 BCG를 주사함으로써 이를 치료할 수 있다는 보고가 나온 이후[7] 비특이적인 면역요법제로 현재까지 널리 사용되게 되었다.

‘종양 면역감시’(Tumor immunosurveillance)

‘항체신약을 찾아서’의 첫번째 글에 소개되었던 독일의 면역학자 폴 에리히(1854-1915)는 1909년에 인체의 면역시스템에 의해서 암의 발생이 억제된다는 가설을 내놓았다. 그러나 그 당시의 실험 테크닉으로 이러한 가설을 입증하기는 어려웠다.

1950년대에 이르러 동물실험을 통하여 이러한 가설에 부합되는 실험결과가 나오기 시작하였다. 특히 근교계(inbred line) 마우스가 등장하여 유전적으로 동질성을 가진 마우스가 등장한 이후에, 화학 돌연변이원 혹은 바이러스에 의해서 생성된 암세포에서 면역반응을 보인다는 연구결과들이 출현하였고, 이는 암세포 특이적인 항원이 체내의 면역반응에 의해서 인식되어 제거된다는 증거를 암시했다[8].

이러한 실험적 증거를 바탕으로 오스트레일리아의 면역학자 프랭크 맥팔레인 버넷(Frank Macfarlane Burnet)과 루이스 토마스(Lewis Thomas)는 ‘면역감시’(immune surveillance)라는 가설을 재창하였다. “오랜 세월동안 생존하는 대형 동물은 체세포에 유전적 변이가 누적되게 되고 필연적으로 이러한 변화는 종양화를 촉진한다. 진화적으로 위험한 돌연변이 세포를 제거하거나 무력화하는 기전이 이 생물에 존재해야만 생물이 오랜 수명동안 생존할 수 있을 것으며, 이러한 기전은 면역학적인 성격을 가질 것으로 예상된다”[9] 이들은 혈액 중의 임파구(Lymphocyte)가 계속적으로 생성되는 암세포로 변화되는 세포를 감시할 것으로 예상하였다.

▲그림 2 : 면역감시 가설을 제창한 프랭크 맥팔레인 버넷(Sir Frank Macfarlane Burnet) 그는 면역학의 핵심 이론인 클로널 셀렉션(Clonal Selection) 을 제안했을뿐만 아니라 면역감시 (immune surveillance) 가설을 통하여 면역항암치료의 이론적인 기반을 제안하였다.

만약 이러한 면역감시 이론이 맞다면, 면역 시스템이 인위적으로 망가진 생물에서는 그렇지 않은 생물에 비해서 좀 더 높은 빈도로 암이 발생할 것이다. 그렇다면 어떻게 이를 검증할 것인가? 1960년대 말의 일련의 연구에서는 갓 태어난 쥐에서 흉선(Thymus)을 제거한다거나, 면역억제를 유도하는 화합물을 처리한 후 암의 발생빈도를 보는 연구들이 진행되었다. 그러나 이러한 연구들의 경우 조건에 따라서 서로 상이한 결과를 나타내었기에 정확히 면역계가 암의 발생을 억제한다는 증거를 찾기 어려웠다. 가령 1965년의 한 연구에서는 흉선을 제거한 마우스와 대조군 마우스에 20-methylcholanthrene이라는 돌연변이 유도원을 처리한 후 암 발생의 빈도를 보니, 대조군과 처리군 간에 그다지 차이가 없는 결과가 나온 반면[10] 같은 해에 발표된 다른 종류의 마우스를 사용하고 다른 암종의 발생 빈도를 본 연구에서는 흉선을 절제한 마우스에서 유의적으로 높은 빈도로 암이 발생하는 현상이 나왔다는 것이다[11]. 면역억제를 유도하는 화합물을 처리하는 경우에서도 서로 잘 부합되지 않는 결과들이 나와서 실제로 면역감시 이론이 작동하는지를 확인하기는 어려웠다.

흥미로는 것은 바이러스에 의해서 유도되는 암의 경우 면역이 결핍된 마우스 쪽에서 확실히 높은 빈도로 발생하는 결과들이 나왔다. 그러나 이러한 결과가 암이 면역감시 기전에 의해서 제거되지 못하여 나온 것인지, 아니면 면역결핍된 동물에서 바이러스의 활동이 활발하여 암의 발생빈도가 더 높아진 것인지를 구분하기는 어려웠다.

암의 면역감시 가설이 대두된 이래 실험동물 외에도 인간에서 과연 면역감시 기전이 존재하는지에 대한 궁금증도 인간을 대상으로 실험을 수행하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 면역결핍질환을 가지거나 장기이식을 받아 면역억제제를 장기간 투여받은 환자들에 대한 역학조사를 통하여 이루어졌다[12,13]. 그 결과 이러한 환자들은 정상인에 비해서 유의적인 수준으로 암 발생이 높다는 것이 발견되었다. 그러나 상당수의 경우 이렇게 높아진 암 발생의 원인은 엡스타인-바 바이러스(Epstein-Barr Virus)나 인간 파필로마 바이러스(Human papilloma virus) 등과 같은 바이러스에 의해 유도되는 암이라는 점은 과연 면역계가 저해된 사람들에게서 나타나는 암 발생 빈도의 증가가 면역감시기전의 실패에 의한 것인지, 아니면 면역결핍에 의해서 바이러스 등의 병원체에의 감염이 높아져서 일어나는지 판단을 내리기 불분명하다는 문제가 있었다.

그러나 바이러스와 명백한 연관성이 없는 암의 경우에도 면역억제시에 발생 확률이 높아진다는 것은 인간에서 면역감시 기전이 존재할 수 있음을 암시해준다. 가령 장기이식을 받은 환자에게서 악성흑색종(Malignant melanoma)의 발생 빈도를 확인해 본 결과, 그렇지 않은 대조군에 비해서 4배 이상이 높았으며[14], 어린이 장기 이식 환자에서의 흑색종 발생 빈도는 일반인에 비해서 10배 이상 높다는 결과[15] 등은 실험동물 이외에 인간에서도 면역감시 기전이 실존할 것이라는 암시를 하게 되었다.

그러나 면역감시 가설은 1970년대에 들어서 큰 도전을 받게 된다.

도전받는 면역감시 가설

흉선의 수술적 제거 혹은 화학물질 처리에 의한 면역기능 억제에 의해서 시도된 1960년대의 연구들이 이렇게 면역감시 이론을 입증하기에 불충분한 결과를 내놓던 와중에, 새로운 연구 도구가 등장하였다. 1966년에 털이 없는 돌연변이 마우스인 ‘누드’ 마우스가 발견되었고, 이 마우스가 흉선이 결여되어 있다는 것이 발견됨으로써[16] 굳이 흉선 절제 수술이나 화학처리와 같은 아티팩트의 위험성이 있는 방법을 피하고 유전적으로 면역결핍된 마우스에서 암의 발생 여부를 확인하여 직접적으로 면역감시 가설을 검증해 볼 기회를 가지게 되었다.

1974년 뉴욕의 메모리얼 슬로언캐터링 암센터(Memorial Sloan Kettering Cancer Center, New York) 의 오시아스 스터트만(Osias Stutman)이라는 학자는 누드 마우스와 정상 마우에서 돌연변이원인 3-methylcholanthrene(MCA)의 처리에 의한 암 발생이 차이가 없다는 논문을 발표하였으며[17], 또한 돌연변이원을 처리하지 않은 누드 마우스에서의 암 발생율도 별 차이가 없다는 결과가 등장하였다[18].이러한 결과들은 기존의 면역감시에 의한 암 억제와 상반되는 결과로써, 이러한 연구결과들이 나온 1970년대 이후에는 면역감시가설의 입지는 크게 흔들리고 면역감시 가설은 ‘죽은’ 가설로 치부되게 되었다.

그러나 이 연구결과들은 연구가 수행된 1970년대에는 잘 인식되지 못했던 한계를 가지고 있었다 [8]. 첫번째로 누드 마우스 자체가 완전히 면역계가 결핍되어 있지 않다는 것이다. 분명히 누드마우스는 야생형에 비해서 T세포가 감소되긴 하였지만, 1980년대의 연구결과에 따르면 분명히 누드 마우스에도 T세포가 존재한다는 것이 밝혀졌다[19]. 또한 흉선에 의존적이지 않은 내추럴 킬러세포(NK Cell)나 γδ T 세포 등이 존재한다는 것도 이 연구가 수행될 때는 알려지지 않았다[20]. 또한 누드 마우스 돌연변이주의 원래 스트레인인 CBA/H 스트레인은 스터트만이 암을 유발하는데 사용한 화합물인 MCA에 특히 민감하게 작용한다는 것도 알려지지 않았다. 따라서 아직 면역계에 대한 중분한 지식을 가지고 있지 않은 상황에서도 성급하게 면역감시 가설은 완전히 논박된 것으로 간주되어버렸다.

그러나 면역학의 기전에 대해서 좀 더 심도깊은 이해를 하기 시작한 1980년대에 이르러 면역감시 가설은 다시금 르네상스를 맞이하게 되는데, 이 과정에 대해서는 다음의 연재에서 살펴보도록 하자.

▲그림 3 : 누드 마우스(Nude Mouse). 누드 마우스는 1962년 발견된 돌연변이 마우스로써 흉선(Thymus)가 존재하지 않아 흉선 유래의 T 세포에 의존하는 많은 면역반응을 일으키지 못한다. 그러나 누드 마우스는 모든 면역반응이 완전히 마비된 것은 아니며, 따라서 요즘의 면역관련 연구에서는 이뮤노글로블린의 V-D-J 재조합을 유도하는 유전자인 RAG1/2 가 결실된 마우스가 더 널리 사용된다.

참고문헌

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2. Piana, R. A Snapshot of Early Immunotherapy, The ASCO POST, http://www.ascopost.com/issues/october-25-2015/a-snapshot-of-early-immunotherapy/

3. Germ of an Idea : William Coley’s Cancer-Killing Toxin, Discover, http

http://discovermagazine.com/2016/april/11-germ-of-an-idea

4. McCarthy, E. F. (2006). The toxins of William B. Coley and the treatment of bone and soft-tissue sarcomas. The Iowa orthopaedic journal, 26, 154.

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6. Carswell, E. A., Old, L. J., Kassel, R., Green, S., Fiore, N., & Williamson, B. (1975). An endotoxin-induced serum factor that causes necrosis of tumors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 72(9), 3666-3670.

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9. Burnet, F. M. (1970). The concept of immunological surveillance. In Immunological Aspects of Neoplasia (Vol. 13, pp. 1-27). Karger Publishers.

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11. Nishizuka, Y., Nakakuki, K., & Usui, M. (1965). Enhancing effect of thymectomy on hepatotumorigenesis in Swiss mice following neonatal injection of 20-methylcholanthrene. Nature, 205(4977), 1236.

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18.Outzen, H. C., Custer, R. P., Eaton, G. J., & Prehn, R. T. (1975). Spontaneous and induced tumor incidence in germfree" nude: mice.

19. Ikehara, S., Pahwa, R. N., Fernandes, G., Hansen, C. T., & Good, R. A. (1984). Functional T cells in athymic nude mice. Proceedings of the National Academy of Sciences, 81(3), 886-888.

20. Hayday, A. C. (2000). γδ cells: a right time and a right place for a conserved third way of protection. Annual review of immunology, 18(1), 975-1026.

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