1. 들어가며
10여년 전 필자는 석사 학위를 마치고 모 제약사 연구소의 단백질 공학팀에서 첫 사회생활을 시작하였 다. 적응이 끝나갈 무렵 필자에게 정식으로 부여된 일 거리는 혈액응고인자 팩터7 단백질(FVIIa)과 면역글로 불린 Fc 도메인 단백질(Fc domain)을 수용성 고분자인 PEG를 사용해 서로 접합시키는 연구였다 (그림 1). 팩 터7은 혈우병 환자가 통제 불능의 출혈 상황에 노출되
는 것을 막기 위해 사용되는 단백질 약물이다. 그러나 정맥 투여 후 체내 지속력이 수 시간에 불과하여 환자 편의성과 약가 측면에서 개선이 필요한 상황이었다.
흔히 이러한 약물을 미충족의료수요(unmet medical needs)가 높다고 한다. 팩터7의 체내 지속력을 향상시 킬 수 있다면 제약 연구자는 미충족의료수요를 해결 하게 된다. 이쯤이면 독자들도 팩터7의 접합 파트너인 Fc 도메인의 기능을 알아차렸을 것이다. 흔히 항체로 불리는 면역글로불린은 혈중 반감기가 3주나 되어 모
단백질 접합 기술:
신약 개발 세상의 커플 매니저
임성인
부경대학교 화학공학과 [email protected]
1999~2006 서울대학교 화학생물공학부, 학사 2006~2008 POSTECH 화학공학과, 석사 2008~2011 한미약품㈜ 단백질 공학팀, 연구원 2011~2015 University of Virginia 화학공학과, 박사 2015~2016 Georgia Institute of Technology, 박사후연구원 2016~2019 CJ헬스케어 생물의약센터, 책임연구원 현재 부경대학교 화학공학과 조교수
그림 1. 필자의 첫 단백질 접합 연구에 사용된 단백질(팩터7과 Fc 도메인)과 화학 링커(PEG)
든 체내 단백질을 통틀어 가장 수명이 길다. 면역글로 불린의 구성 도메인 중 하나인 Fc 도메인은 면역글로 불린의 긴 혈중 반감기를 담당하는 기능을 갖고 있다.
그렇다면 Fc 도메인과 팩터7을 물리적으로 서로 연결 시키면 어떻게 될까? 결과는 혈액응고능과 우수한 체 내 지속력을 모두 지닌 팩터7-Fc 도메인 접합 단백질 (conjugate protein)의 탄생이다.
2. 무엇을 접합할 것인가
단백질 접합은 기술적으로 까다로운 일이다. 접합 의 대가만큼 또는 그 이상의 효용이 있어야 한다. 즉 접합 단백질은 단백질 약물들의 단순 혼합물이 갖지 않는 독특한 약리적 특성을 보여주어야 한다. 접합 단백질이 활약하고 있는 네 가지 주요 약물 개발 분 야를 알아보자.
첫째, 면역원성(immunogenicity)이 높은 백신의 개 발이다. 예를 들어 코로나 바이러스가 특이적으로 갖 고 있는 단백질(viral spike)을 항원으로 활용하여 백 신을 개발하고자 하나 임상시험에서 기대만큼 면역 원성이 높지 않다고 하자. 한편 인간의 면역 시스템 이 매우 민감하게 반응하는 박테리아 유래 다당류 (bacterial capsular polysaccharides, CPS)가 다수 알려 져 있다. 만약 CPS를 코로나 단백질에 접합하여 백 신으로 사용하면 어떤 효과를 기대할 수 있을까(그림 2A)? 코로나 단백질-CPS 접합체를 체내에 주입하면 면역 시스템은 코로나 단백질을 CPS와 한통속으로 인지하고 기억하여, 실제로 코로나 바이러스가 침투 하였을 때 즉각적으로 대응할 수 있는 준비를 갖추게 된다[1]. 이를 접합 백신(conjugate vaccine) 기술이라고 한다.
둘째, 면역세포에 정밀 타격 능력을 부여하는 항 암제의 개발이다. 면역 세포의 대표격인 T 세포는 평 시에 잠행 모드로 순찰을 하다가 암세포가 내뿜는 비 정상적 항원이 T 세포 표면의 T-수용체에 의해 감지 되면 공격 모드로 전환하게 된다. 반면에 암세포는 위장 단백질을 세포막 표면에 발현하여 자신을 T 세
포로부터 보호한다. 약물 개발자들은 한술 더 떠 이 를 역이용한다. 위장 단백질에 결합하는 리간드와 T 세포 수용체를 자극하는 리간드를 접합한 항암제를 암환자에게 투여하면 어떻게 될까(그림 2B)? 접합 단 백질은 T 세포를 암세포 근접 거리로 유도하는 역할 을 하게 된다[2]. 즉 위장막에 가려져 있던 암세포의 실체를 T 세포에게 정밀 제보함으로써 항암 면역능 력을 일깨우는 것이다.
셋째, 체내 반감기가 우수한 약물의 개발이다. 단 백질 약물은 체내 질환 타겟에 대한 높은 특이성을 갖고 있어 합성 약물에 비해 독성이 덜하면서 약효 가 뚜렷한 장점을 지닌다. 그러나 단백질 약물은 경 구 투여가 아닌 액상 정맥 주사로 주입되기 때문에 투여량에 제한이 있고 혈중 순환 중 빠르게 신장 소 실(renal clearance)되므로 주사를 자주 맞아야 하는 불 편함이 있다. 또한 합성 약물에 비해 높은 약가는 환 자의 약물 접근성을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다.
이 때문에 단백질 약물의 혈중 반감기를 획기적으로 개선할 수 있다면 주사 빈도가 줄고 약가 부담도 완 화되어 치료 효율이 크게 증가하게 된다. Fc 도메인 과 알부민은 단백질 약물의 반감기를 획기적으로 개 선시킬 수 있는 대표적인 접합 파트너이다(그림 2C).
알부민도 면역글로불린처럼 3주 내외의 우수한 혈 중 반감기를 자랑한다. 체내 반감기가 짧은 단백질 약물은 접합을 통해 Fc 도메인 또는 알부민에 승차 (piggybacking)함으로써 약효 지속성(durability)과 혈 중 안정성(stability)이 개선되는 일석이조의 효과를 누 리게 된다[3,4]. 필자는 Fc 도메인 접합을 통해 팩터7 과 인슐린, 알부민 접합을 통해 통풍 치료에 사용되 는 요산분해효소의 체내 반감기를 개선한 연구 경력 이 있다[5-7].
넷째, 뇌조직으로의 전달력이 우수한 약물의 개 발이다. 퇴행성 뇌신경질환 및 뇌종양의 난치성은 질 환 타겟 발굴의 어려움에 기인하기도 하지만 약물 전 달을 제한하는 뇌조직의 폐쇄성이 주된 원인으로 작 용한다. 뇌조직의 혈관은 중추신경계를 보호하기 위 해 전신 순환 혈류로부터 특정 용질만 선택적으로 받
아들인다. 이를 혈액과 뇌 사이의 장벽(blood-brain barrier, BBB)이라고 한다[8]. 하물며 각종 대사물질 (metabolite) 대비 초거대분자인 단백질 약물이 단순 확산(diffusion)을 통해 BBB를 통과하기는 더더욱 어 렵다. 그러나 BBB 관문을 지나가는 통행권을 단백질 약물에 접합해준다면 얘기는 달라진다. BBB의 순환 혈류 접촉막(luminal membrane)에 발현되어 있는 트 랜스페린 수용체(transferrin receptor, TfR)는 철이온을 함유한 트랜스페린과 결합하여 철이온을 뇌조직 접 촉막(abluminal membrane)으로 이동(transcytosis)시킨 다. 이제 독자들께서도 응용 전략을 떠올릴 수 있을 것이다. 트랜스페린 수용체와 결합하는 리간드 또는 트랜스페린을 단백질 약물에 접합하면 단백질 약물 도 BBB 통과 자격을 얻게 되어 뇌조직에 숨어있는 질 환 인자를 타격할 수 있게 된다(그림 2D).
이처럼 단백질 접합 기술은 단일 약물로는 해결이 어려웠던 미충족의학수요를 점차 줄여나가고 있다.
또한 새로운 약물 또는 기능성 물질이 접합 후보 라 이브러리에 추가될수록 조합 경우의 수는 급격히 늘 어나기 때문에 단백질 약물 접합연구의 범위는 무궁 무진하다.
3. 어떻게 접합할 것인가
시너지를 보이는 접합 파트너를 찾는 연구 못지 않게 중요한 일이 바로 두 분자를 접합하는 방법론에 관한 것이다. 단백질과 단백질을 접붙이는 가장 일 반적인 방법은 유전자 융합(genetic fusion)이다. 단백 질 A의 DNA 유전자와 단백질 B의 DNA 유전자를 이 어 붙여 통째로 발현시킨다. 별도의 화학 반응이나 정제가 필요 없어 기술적으로 간편하고 용이하다(그 림 3A). 그러나 융합 단백질의 구조가 복잡하거나 단 백질 편집(posttranslational modification)이 까다로울 경우 올바른 3차 구조를 형성(folding)하지 못하여 제 기능을 잃어버리거나 발현율이 매우 떨어지게 된다.
다른 방법으로 자가 결합법(self-assembly)이 있다.
생체는 수없이 많은 다양한 단백질들의 상호작용 (protein-protein interaction)에 의해 유지되고 있다.
복합한 네트워크 속에서 단백질이 자신의 결합 파 트너를 정확히 찾아내는 것은 자가 결합 도메인 의 활약 덕분이다. 자가 결합 도메인은 주인 단백질 (host protein)의 일부분으로 존재하면서 또 다른 단 백질의 자가 결합 도메인과 동종 결합(homotypic) 또
그림 2. 접합 단백질이 구현하는 독특한 약리적 메커니즘. (A) 면역원성 우수한 접합 백신. (B) 면역세포 유도 항암제. (C) 체내 지속성 우수한 약물 복합체. (D) BBB 통과 가능한 약물 전달체.
는 이종 결합(heterotypic)을 할 수 있다. 다양한 크 기와 구조를 지닌 자가 결합 도메인 중 대표적 것 이 알파나선 코일-코일쌍(α-helical coiled coil pair)으 로 나선 모양의 코일 도메인 두 개가 서로 똬리를 틀 어 자가결합한다[9]. 알파나선 코일-코일쌍은 구조 가 단순하고 크기도 작아 약물 단백질의 기능을 해 치지 않으면서 구조의 일부로 쉽게 융화될 수 있기 에 유전자 융합으로 접합이 어려운 단백질 간의 결 합체 형성에 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어 코 일 도메인을 단백질 A에 유전자 융합하고 짝을 이 루는 다른 코일 도메인을 단백질 B에 유전자 융합하 면 두 단백질 A와 B는 코일-코일쌍 자가 결합에 의 해 접합 단백질을 형성할 수 있게 된다(그림 3B). 필 요에 따라 다양한 자가 결합 도메인을 도입하여 세 개 이상 복수의 단백질로 이루어진 거대 단백질 복 합체의 제조도 가능하다. 필자는 육합체(hexamer) 를 형성하는 자가 결합 알파나선 코일을 이용하 여 항체를 세포 내로 전달하는 단백질 나노운반체 (protein nanocarrier)를 개발한 연구 경력이 있다[10].
지금까지 설명한 유전자 융합법과 자가결합법은 단 백질과 단백질 간의 접합체를 만드는 데 특히 유용 하다. 그러나 단백질 약물에 결합시킬 파트너가 단 백질이 아니라면 화학적 접합을 사용해야 한다. 앞
서 언급한 접합 백신을 다시 예로 들어보자. 펩타이 드 중합체(polypeptide)인 코로나 단백질에 당 중합체 (polysaccharide)인 CPS를 접합하기 위해 펩타이드와 당을 교차결합(cross-link)해주는 화학 링커(chemical linker)가 필요하다. 단백질의 아민(amine) 그룹, 당의 글리코실(glycosyl) 그룹에 대해 각각 독립적인 반응 성을 지닌 두 기능기(functional group)를 포함하는 화 학 링커(heterobifunctional linker)를 합성하여 코로나 단백질-CPS 접합체 제조에 이용할 수 있다. 화학 링 커는 접합되는 물질이 갖고 있는 물리화학적 특성에 맞춰 기능기의 종류, 두 기능기 간의 거리(spacer), 유 연성(bond flexibility) 등의 파라미터로 최적화될 수 있 다. 적절한 화학 링커 제작을 통해 당 외에도 유기/무 기 합성물, 지질 등 다양한 천연 또는 인공 비폴리펩 타이드성 물질(non-peptidyl compound)을 단백질 약 물과 결합시킬 수 있기 때문에 화학적 접합은 단백 질 약물의 기능 확장성을 극대화하는 기술이다(그림 3C). 백혈구 생산 촉진 인자인 G-CSF 단백질에 비독 성 수용성 고분자인 PEG를 접합시켜 체내 반감기 및 항암 효과를 증강시킨 Neulasta, 암세포와 특이적으로 결합하는 항체에 세포 독성을 띠는 합성 약물을 접합 하여 항암 효력을 증강시킨 Kadcyla는 화학적 접합으 로 단백질 약물의 효과를 개선하여 상업적으로 성공
그림 3. 세 가지 주요 단백질 접합법. (A) 유전자 융합법. (B) 자가 결합법. (C) 화학적 접합법.
을 거둔 대표적인 사례이다[11,12]. 단백질과 단백질 의 접합 시에도 화학적 접합은 사용될 수 있다. 두 거 대분자 간의 결합이기 때문에 접합 반응 선정, 반응 수율, 반응물 정제 등 다방면에서 가장 까다로운 분 야인 만큼 유전자 융합법이나 자가결합법이 여의치 않을 경우 최후의 수단으로 고려해야 한다.
4. 위치 특이적 접합을 향하여
다시 처음의 이야기로 되돌아 가보자. 필자가 맡 았던 팩터7-Fc 도메인 접합 프로젝트는 어떻게 되었 을까? 동물실험에서 접합체의 체내 반감기는 획기적 으로 증가하였으나 정작 혈액응고능력은 형편 없었 다. 원인은 Fc 도메인이 팩터7의 혈액응고활성에 중 대한 역할을 하는 잔기(residue)에 접합되었기 때문이 었다. 즉 체내 반감기 개선을 위한 접합 파트너로서 Fc 도메인을 선정한 점은 훌륭했지만 접합법에 대한 세심한 고려가 부족했던 것이다. 이처럼 화학적 접합 을 통해 단백질 약물의 기능을 확장하는 경우 때때로 위치 특이적(site-specific)인 접근이 필요하다. 단백질 약물 본연의 기능과 구조를 해치지 않는 위치에서만 선택적으로 접합 반응이 일어나도록 할 수 있다면 어 떻게 될까? 비천연 아미노산은 자연계에 존재하지 않 는 반응기를 지닌 아미노산 유사체로서 진보된 분자 생물학적 수단을 통해 재조합 단백질의 특정 위치에 삽입될 수 있다. 예를 들어 아자이드(azide) 반응기를 지닌 페닐알라닌(phenylalanine) 유사체를 단백질 약 물의 비중요(non-critical) 위치에 삽입한 후 아자이드 와 특이적으로 반응하는 알카인(alkyne) 반응기로 꾸 며진(derivatized) 접합 파트너를 반응시키면(그림 3C) 약효는 보존되면서 접합 파트너가 부여하는 새로운 기능이 고스란히 덧입혀지게 된다[13]. 비천연 아미 노산을 이용한 위치 특이적 접합 기술은 학계에서 약 20여년 전에 등장하였지만, 성숙기에 이르러 단백질 약물 개발에 본격적으로 응용되기 시작한지는 10여 년이 채 되지 않았다[14]. 긴 시간이 소요되는 신약 연 구개발의 특성을 고려할 때 위치 특이적 접합 기술
의 상업적 성공은 인내심을 갖고 지켜봐야 할 일이다 [15]. 필자는 위치 특이적 접합 기술을 이용하여 단백 질 약물, 효소, 약물 캐리어 등 다양한 단백질의 기능 을 확장하는 연구를 수행하고 있다[16-18].
5. 마치며
지금까지 필자는 단백질 접합 기술이 네 가지 약 물개발분야에서 미충족의료수요를 해결해 나가는 응 용 사례를 먼저 설명한 후 단백질 접합체 제조를 위 한 세 가지 방법론을 소개하였다. 이어서 구조기능적 으로 정교하고 약리적 활성이 우수한 단백질 약물 접 합체 제조를 가능케하는 위치 특이적 접합 기술도 간 략히 언급하였다.
그렇다면 단백질 약물 접합 기술의 전망은 어떠 할까? 바이오 의약품은 지난 20년간 유아기와 도약 기를 거치며 현재 글로벌 제약 시장 매출 중 30% 이 상을 자치할 정도로 위상이 급등하였다. 특히 단백 질 약물은 바이오 의약품과 등가로 취급해도 좋을 정 도로 바이오 의약품의 주요 구성영역이다[19]. 단백 질 약물 접합 기술은 기존 단백질 약물의 약리적 활 성을 개선하는 바이오 베터(bio-better) 연구뿐만 아 니라 전혀 새로운 작용 메커니즘을 지닌 단백질 신약 개발에 사용될 수 있다는 점에서 큰 잠재성을 지니고 있다. 앞서 소개한 네 가지 응용 분야 중에서 접합 백 신과 체내 반감기 개선 약물이 전자에 속한다면 BBB 통과 약물과 면역세포 유도 항암제는 후자에 속한다 고 할 수 있다. 더욱이 필자는 단백질 접합 기술이 제 약 시장의 양대 산맥인 단백질 약물(biologics)과 합성 약물(small molecules)의 약리적 랑데뷰를 매개하여 상 호보완적인 시너지를 창출하는 핵심기술로 자리잡 을 것으로 전망한다. 이미 ADC라고 불리는 항체-약 물 접합체를 필두로 이중표적 약물 접합체(bispecific protein), 자가결합 단백질 나노입자 (self-assembled protein nanoparticle) 등 단백질 접합 기술로 제조된 신 진 후보 약물들이 여러 다국적 제약사와 바이오벤처 에 의해 그 가능성을 시험 받고 있다.
참고문헌
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10. Lim SI, Lukianov CI, Champion JA. (2017) J Control Release 249, 1
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19. Gautam A, Pan X. (2016) Drug Discov Today 21, 379
