과학자들, 알츠하이머병 아밀로이드 겨냥한 CAR-T 세포 개발

세인트루이스 워싱턴 대학교의 조나단 키프니스(Jonathan Kipnis)가 이끄는 연구팀은 T 세포를 엔지니어링하여 응집된 아밀로이드 베타(Aβ)를 인식하는 키메라 항원 수용체(CAR)를 발현시킬 수 있다고 보고했다. 생쥐 모델에서 이러한 CAR를 안정적으로 발현하는 T 세포는 경막의 아밀로이드를 감소시켰으며, 수용체를 일시적으로 발현하는 버전은 뇌 내 플라크를 제거했다. 이번 연구 결과는 2월 9일자 PNAS에 게재되었다.

연구진은 lecanemab 변이 영역의 중쇄 및 경쇄 코딩 서열을 단일 사슬 아밀로이드 결합 파편(single-chain amyloid-binding fragment)으로 융합한 후, 이를 CD28 공동 자극 도메인 및 CD3ζ 신호 전달 도메인과 연결하여 CAR를 제작했다. 연구진은 이 구조체를 바이러스 벡터에 담았다.

제1저자인 파블레 보스코비치(Pavle Boskovic)와 동료들은 야생형 비장에서 CD4+ 헬퍼 T 세포를 분리하고 이를 형질 전환하여 구조체를 안정적으로 발현하도록 했다. 암 치료에서 표적 세포를 직접 파괴하는 세포 독성 CD8+ 세포와 달리, CD4+ 세포는 활성화되면 미세아교세포(microglia)를 포함한 다른 면역 세포들을 소집한다. 과학자들은 6개월령의 5xFAD 생쥐 눈 뒤 정맥에 CAR CD4+ T 세포를 3주 간격으로 2회 주입했다. 이 생쥐들은 여러 알츠하이머병 유관 변이를 가진 인간 APP 및 PSEN1 트랜스진(transgene)을 발현하며, 이 연령대가 되면 풍부한 아밀로이드 병증이 나타난다.

6주 후, 가교 정맥 근처 경막의 약 2%에서 아밀로이드가 발견되었는데, 이는 생리식염수를 주입한 대조군의 7%와 비교되는 수치다. 2024년에 키프니스 그룹은 분자들이 이러한 가교 정맥을 둘러싼 "커프(cuffs)"를 통해 뇌 실질로 드나든다고 보고한 바 있다. 이 접근 방식으로는 뇌 자체 내부의 아밀로이드 병증에는 변화가 없었다.

저자들은 안정적인 CAR 발현을 위한 바이러스 유전자 전달이 과도한 면역 활성화를 초래할 위험이 있으며, 드문 경우 신경 퇴행으로 이어질 수 있다고 생각한다. 이에 연구진은 CD4+ T 세포에 lecanemab CAR mRNA를 트랜스펙션하여 세포가 수용체를 일시적으로만 발현하도록 하는 대안 전략을 시도했다. 연구진은 이러한 일시적 CAR-T 세포를 5xFAD 생쥐의 눈 정맥에 10일 간격으로 3회 주입했다. 3주 간격으로 2회 투여한 안정적 형질 전환 CAR-T와 달리, 이 더 빈번한 투여 일정은 뇌 자체 내의 아밀로이드 플라크를 감소시켰다.

키프니스는 짧은 기간 동안 더 많은 용량을 투여한 것이 뇌 플라크 감소에 역할을 했을 것으로 보고 있다. 반복 투여는 바이러스로 형질 전환된 세포를 사용하는 것보다 더 안전할 수도 있다. 저자들은 이러한 lecanemab CAR-T 세포가 경막이나 실질에서 아밀로이드를 어떻게 감소시키는지 그 기전을 아직 정확히 알지 못한다. 키프니스는 이 세포들이 미세아교세포와 같은 숙주 면역 세포를 소집하여 임무를 수행하게 만드는 인자들을 분비할 것으로 추측하며, 향후 연구를 통해 이 메커니즘을 밝힐 것이라고 말했다.

CAR는 T 세포를 특정 표적으로 유도하도록 실험실에서 만들어진 세포막 수용체다. 1980년대 후반 이스라엘 레호보트 소재 와이즈만 과학 연구소의 젤리그 에샤르(Zelig Eshhar)와 동료들은 단일 사슬 항체 파편을 T 세포를 활성화하는 세포 내부 신호 전달 도메인과 융합하여 첫 번째 버전을 만들었다. 이는 개념적인 돌파구였으나, 초기 CAR는 T 세포 활성화를 약하게 유발했다. 1990년대 후반과 2000년대 초반에 과학자들은 이차 활성화 신호를 모방하기 위해 CAR에 공동 자극 도메인을 추가하기 시작했다. 이는 암 동물 모델에서, 그리고 나중에는 사람에게서 세포의 활성화와 생존을 획기적으로 개선했다.

CAR-T 요법은 혈액암에서 가장 효과적이며, B세포 성숙 항원(BCMA)이나 CD19와 같은 표면 단백질을 표적하여 T 세포를 악성 B세포로 유도한다.

CAR-T의 안전성 문제를 다루는 병행 연구에서, 로잔 연방 공과대학교(EPFL) 연구진과 협력한 멜리타 어빙(Melita Irving) 및 그레타 마리아 파올라 지오다노 아티아네세(Greta Maria Paola Giordano Attianese)가 이끄는 루드비히 로잔 소속의 과학자팀은 원격으로 가역적 '오프 스위치' 작동이 가능한 혁신적인 CAR-T 세포 플랫폼을 엔지니어링했다. Nature Chemical Biology에 게재된 이번 연구 결과는 건강한 세포의 부수적 손상 위험 및 생명을 위협할 수 있는 면역 과잉 활성화와 같은 난제들을 해결한다.

이 새로운 기술은 세포 표면에서 수용체의 무결성을 조절하는 '약물 조절 오프 스위치 단백질-단백질 상호작용 CAR'(DROP-CAR)를 통해 CAR-T 세포에 대한 제어력을 높인다. 이 시스템은 이전의 오프 스위치 설계와 달리 CAR 구성 요소를 분해하거나 CAR-T 세포 사멸을 유도하는 방식에 의존하지 않는다. 대신, 전적으로 인간 유래 요소로 구성되어 면역원성을 최소화하도록 정교하게 설계된 단백질 인터페이스를 활용한다. 세포 외 도메인에는 BCL-2와 매우 높은 친화력으로 결합하는dmLD3라는 전산 설계된 인간 단백질이 포함되어 있다. CAR의 항원 결합 부위에는 보완적인 BCL-2 파편이 추가되어 있다.

BCL-2에 높은 친화력으로 결합하는 것으로 알려진 FDA 승인 암 치료제 venetoclax가 이 시스템에서 분자 원격 제어 장치 역할을 한다. venetoclax를 투여하면 dmLD3-BCL-2 상호작용을 경쟁적으로 차단하여 세포 외 CAR 구조를 분리시키고 수용체를 해체함으로써 CAR-T 세포의 종양 표적 기능을 효과적으로 중단시킨다. 중요한 점은 venetoclax 투여를 중단하면 CAR 수용체가 신속하게 재조립되어 세포 독성 활성이 회복된다는 것이다. 이러한 가역적 메커니즘은 세포 사멸이나 세포 제거를 유발하지 않고 CAR-T 세포 기능의 정밀한 시간적 조절을 가능하게 하므로, 치료 주기 내내 치료용 세포군을 보존할 수 있다.

DROP-CAR 설계는 면역 억제적인 종양 미세환경에서 지속적인 자극으로 인해 T 세포가 기능 저하 상태에 빠지는 '항원 유도 소진(exhaustion)' 현상에 대한 잠재적 해결책을 제공한다. 이 설계는 CAR-T 세포를 일시적으로 '일시 중지' 상태로 두어 재활성화 전에 휴식과 기능 회복의 시간을 갖게 하는 치료 프로토콜을 구현할 수 있게 한다. 이러한 시간적 제어는 억제적인 환경이 강한 고형암에 대한 CAR-T 요법의 지속성과 효능을 확장할 수 있다.