Moffitt, 식이 분석·공간 바이오마커·공학 통해 암 연구 진전

Moffitt Cancer Center 연구진이 암 위험 요인과 치료 반응 예측에 대한 이해를 넓히는 여러 연구를 발표하는 한편, 암 연구에서 공학 혁신을 다루는 전국 규모 정상회의를 개최했다.

British Journal of Cancer에 게재된 새로운 연구는 식물성 식단을 따르는 사람이 정기적으로 고기를 섭취하는 사람에 비해 암 발생의 전체 위험이 약간 낮을 수 있음을 시사한다. 연구진은 육식, 채식, 비건을 포함한 서로 다른 식이 패턴을 보고한 사람들에서 암 진단을 추적한 여러 대규모 전향적 코호트 연구의 데이터를 통합했다. 전체적으로 이 연구는 채식 식단이 고기를 포함한 식단에 비해 전체 암 위험의 뚜렷한 감소와 연관돼 있음을 발견했다.

이 연구는 또한 특정 암 유형에서 일부 예상치 못한 연관성을 확인했다. 채식주의자는 식도 편평세포암(esophageal squamous cell carcinoma) 위험이 더 높게 보고됐고, 비건은 대장암(colorectal cancer) 위험이 더 높게 나타났다. 연구진은 이러한 결과가 추가 검증이 필요하며 신중하게 해석돼야 한다고 강조한다.

영양과 암 위험을 연구하는 Moffitt Cancer Center의 한 연구자는 식물성 식단에 전체적인 암 보호 경향을 설명할 수 있는 여러 특징이 있다고 말한다. 식물성 식단은 염증을 줄이고, 장 기능을 건강하게 유지하며, DNA 손상으로부터 세포를 보호하는 데 도움을 주는 섬유질, 항산화물질, 비타민, 무기질, 파이토케미컬(phytochemicals)이 풍부한 경향이 있다. 또한 포화지방이 더 낮고 영양 밀도가 더 높아 더 건강한 체중을 유지하는 데 도움이 될 수 있는데, 이는 암 예방에서 중요한 요인이다.

이번 연구는 관찰 연구로, 연관성은 확인할 수 있으나 인과관계를 입증할 수는 없다. 매우 큰 표본과 긴 추적 관찰 기간이 있더라도 채식 또는 비건 식단을 선택한 사람들은 흡연, 음주, 신체활동, 검진 습관 등 다른 건강 관련 행동에서 육식가와 차이가 있을 수 있다. 이번 결과는 식물성 식단이 암 위험을 낮출 수 있다는 생각을 지지하지만, 식단을 바꾸는 것만으로 위험이 직접 낮아진다고 증명하지는 않는다.

식도암 결과에 대한 한 가지 가설은 일부 채식주의자가 식도 점막의 완전성 유지에 관여하는 아연(zinc)이나 셀레늄(selenium) 같은 특정 미량영양소를 더 낮은 수준으로 섭취할 수 있다는 점이다. 또 다른 가능성은 데이터에 충분히 포착되지 않은 생활양식 또는 문화적 요인이 특정 지역에서 채식주의자와 비채식주의자 사이에 다를 수 있다는 것이다. 비건에서 보고된 더 높은 대장암 위험 역시 영양 섭취 차이나 다른 생활양식 요인을 반영할 수 있다. 비건 식단은 집단 간·집단 내에서 매우 다양하며, 일부는 대장암 보호와 연관된 영양소인 칼슘, 비타민 D, B12가 낮을 수 있다.

별도로 Cancer Research에 게재된 연구에서 Moffitt 연구진은 진행성 비소세포폐암(non–small cell lung cancer) 환자가 면역치료(immunotherapy)로부터 이득을 볼지 여부를 예측하는 뚜렷한 공간적 종양–면역 생태계(spatial tumor–immune ecosystems)를 확인했다. 이 결과는 종양 미세환경(tumor microenvironment) 내에서 종양 세포와 면역 세포가 어떻게 조직되고 상호작용하는지를 분석하는 것이 PD-L1 상태만을 사용하는 것보다 질병 진행을 더 정확하게 예측할 수 있음을 보여준다. 해당 논문은 표지로 소개됐으며, Data Science 특별 시리즈의 일부이기도 하다.

연구진은 다중표지 영상(multiplex imaging), 공간 통계(spatial statistics), 머신러닝(machine learning)을 사용해 HDAC 억제제 vorinostat와 PD-1 억제제 pembrolizumab을 병용하는 임상시험(clinical trial)에 등록된 환자의 치료 전 및 치료 중 생검을 쌍으로 분석했다. 단일 마커에 집중하는 대신, 팀은 면역 세포와 종양 세포가 서로 어떤 위치 관계를 이루는지 살펴 공간적 “이웃(neighborhoods)”과 더 넓은 종양–면역 생태계를 정의했다.

질병이 진행한 환자의 종양은 치료 시작 전부터 면역억제성 구조가 특징적이었는데, 여기에는 종양 세포 주변에서 FoxP3-양성 조절 T 세포(regulatory T cells)와 PD-1을 발현하는 면역 세포의 공간적 군집화 증가가 포함됐다. 반대로 질병이 안정적이었던 환자의 종양은 종양 세포와 상호작용하는 CD3- 및 CD8-양성 효과기 T 세포(effector T cells)의 더 강한 공위치(colocalization)를 보였다. 이러한 결과는 면역치료 반응이 종양 미세환경 내의 기존 공간적 조직화에 의해 영향을 받을 수 있음을 시사한다.

연구진이 이러한 공간 생태계 특징을 활용해 예측 모델을 학습했을 때, 질병 진행을 예측하는 정확도는 최대 87.5%에 달했다. 반면 PD-L1 발현만을 사용하면 예측 정확도는 약 63%였다. 이 결과는 단일 마커 검사에 머무르지 않고, 보다 정밀한 면역치료 의사결정을 돕는 공간 바이오마커(spatial biomarkers)로 폐암 진단을 확장할 필요가 있음을 뒷받침한다.

주된 목표는 비소세포폐암에서 서로 다른 종양–면역 생태계를 정의하고 정량화하며, 이러한 공간 패턴이 질병 진행과 면역치료 반응을 예측할 수 있는지 확인하는 것이었다. 치료 반응은 특정 마커의 존재 여부뿐 아니라 세포가 공간적으로 어떻게 조직돼 있고 기능적으로 어떻게 상호작용하는지에 달려 있다. 반응자는 치료 전 종양이 더 면역 허용적(immune-permissive)이었다. 비반응자는 효과적인 면역 공격을 제한하는 억제적 공간 구조를 가진 종양을 보였다. 이러한 생태계 패턴은 대체로 치료 시작 전부터 존재했다.

이번 결과는 단일 마커 검사에서 벗어나 생태계 기반 환자 층화(stratification)로 나아가야 함을 뒷받침한다. 면역 허용적 생태계를 가진 환자는 체크포인트 억제제(checkpoint inhibitors) 단독 치료로 이득을 볼 수 있는 반면, 억제적 생태계를 가진 환자는 더 이른 시점에 병용요법이나 임상시험으로 유도될 수 있다. 아직 일상 진료에서 표준은 아니지만, 다중 면역조직화학(multiplex immunohistochemistry)과 디지털 병리(digital pathology) 플랫폼은 점차 보편화되고 있다. 추가 검증과 간소화된 계산 도구가 갖춰지면, 공간 면역 프로파일링(spatial immune profiling)은 향후 몇 년 내 폐암 진단의 일부가 될 수 있다.

이 연구는 National Cancer Institute(U01CA232382, U54CA274507), Moffitt Center of Excellence for Evolutionary Therapy, 그리고 Moffitt Lung Cancer Center of Excellence의 지원을 받았다.

연구자, 엔지니어, 임상의, 정책 리더들이 탬파에 모여 제4회 Cancer Engineering Summit에 참석했으며, 이는 공학 주도 혁신이 암 연구의 미래를 어떻게 재편하고 있는지에 초점을 둔 3일 행사였다. 올해 회의의 핵심 프로그램은 New Approach Methodologies (NAMs) Symposium으로, 발견에서 환자 치료로 이어지는 경로를 가속하는 동시에 동물실험 의존도를 낮추도록 설계된 신흥 기술을 조명했다.

수십 년 동안 동물 모델은 암 연구의 핵심 축이었다. 그러나 동물에서 유망해 보이는 많은 치료가 사람에게서는 같은 결과를 내지 못한다. 암 치료가 더 표적화되고 생물학적으로 복잡해짐에 따라, 연구자들은 종양 생물학과 환자 특이적 반응을 더 잘 재현하는 인간 관련 시스템(human-relevant systems)으로 점점 더 눈을 돌리고 있다.

NAMs Symposium은 정상회의의 선도 행사로, 정부·학계·산업계 리더들을 한자리에 모아 첨단 실험실 플랫폼, 바이오소재(biomaterials), 계산 모델링(computational modeling), 인공지능이 전임상(preclinical) 연구를 어떻게 현대화하고 있는지 탐색했다. 이러한 접근은 예측 정확도를 높이고, 개발 비용을 낮추며, 임상시험까지의 시간을 단축하고, 동물 사용을 크게 줄이는 것을 목표로 한다.

Moffitt Cancer Center의 Bioengineering Department 학과장은 실험실에서 인간 암의 핵심 특징을 재현하는 3차원 공학적 종양 시스템(three-dimensional engineered tumor systems)을 개발한다. 전통적인 2차원 세포 배양 또는 일부 동물 모델과 달리, 이러한 3D 플랫폼은 암세포가 주변 조직 및 면역 세포와 어떻게 상호작용하는지 연구할 수 있게 한다. 연구팀은 또한 인간 조직의 물리적·기계적 특성을 모사하는 바이오소재 기반 플랫폼을 설계해 암 치료제의 보다 현실적인 시험을 가능하게 한다. 이러한 공학적 시스템에서 약물 반응과 내성을 평가함으로써 연구자들은 유망한 치료를 더 이른 단계에서 식별하고, 비용이 큰 후기 단계 임상 실패를 잠재적으로 줄일 수 있다.

NAMs Symposium은 Moffitt의 Innovation and Entrepreneurship Office에서 포트폴리오 전략 담당 부사장이 공동 주최했으며, 그는 행사의 더 넓은 전략적 중요성을 강조했다. Moffitt는 종양학 관점에서 이 분야를 선도할 것으로 기대하고 있으며, 암에 대한 더 많고 더 나은 치료법 개발을 위해 일하는 모두의 의제를 설정할 분야를 형성하는 질문을 도출하도록 사람들을 모으는 데 힘쓰고 있다.

향후를 내다보며 연사들은 현실적인 NAMs 플랫폼을 제작·확대·제조하는 데 공학 협력이 필수적이라고 강조했다. NIH 산하 National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering의 소장은 이러한 기술을 개념증명(proof-of-concept) 시스템에서 확장 가능한 연구 도구로 옮기기 위해서는 학제 간 전문성이 중요하다고 강조했다. 미래의 발전은 유체 및 공정 공학과 첨단 센서·영상 기술을 통합해 종양 행동을 실시간으로 모니터링할 수 있는 피드백 제어 시스템을 구현하는 방향을 포함할 수 있다.