[특별기획(Ⅲ)] 항체의약품 바이오베터 기술

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항체의 구조와 기능

항체는 일반적으로 Y형태로 약 150 kDa의 4중체 (tetramer)로 항원과 특이적으로 결합하는 부위인 가 변영역 (variable region or V)과 결합된 항원을 제거 하는 역할을 하는 불변영역 (constant region or C)으 로 구분된다. 가변영역은 항원에 대한 특이성을 갖고 있으며 항체마나 서로 다르며, 불변영역은 동일한 기 능을 하며 항체마다 동일하다.

항체의 가변영역에는 6개의 CDR (heavy chain variable region에 3개, light chain variable region에 3개) 이 있으며 이들은 각각의 loop를 구성하고 있으며, 이들 6개의 loop들이 항원과의 특이적인 결합을 한다. 항체의 Fc 부위에는 FcgR을 통해서 면역세포와 결합할 수 있 기 때문에 항체의 Fc는 면역세포의 타겟이 될 수 있고, 따라서 항체가 결합한 세포를 죽일수 있게 된다.

항체의 반감기는 항체의 Fc와 FcRn과의 결합에 의해서 조절이 된다. IgG 분자는 세포표면의 FcRn과 결합한뒤 endosome내의 낮은 pH (6.0~6.5)에서 안 정화된후 다시 세포표면으로 나와서 분비되는 기작으

로 긴 반감기를 갖게된다 (Nature Rev. Immunol. 7, 715(2007)).

항체에 의해서 유도된는 ADCC 및 CDC는 질환에 따라서 항체의 효능을 증가시키거나 또는 항체의 부 작용을 증가시킬수 있기 때문에 이들 부위의 변경은 치료 전략이나 임상 목적의 타겟이 될수 있다 (J. Biol.

Chem. 276, 6591(2001); Proc. Natl Acad. Sci.

USA103, 4005(2006)). 항체에서의 각 기능을 나타내 는 부위를 [그림 1]에 요약하였다.

항체 바이오시밀러

항체의 바이오시밀러는 오리지날 항체의약품의 특 허 만료후에 오리지날 의약품에 대한 시장 잠식력이 매우 약하다. [그림 2]는 Datamonitor 사 (Monoclonal antibodies: 2010)의 분석결과로 특허만료 5년 후에 도 오리지날 항체가 80%의 시장 장악력을 보여주고 있으며, 이는 일반적 제네릭과는 큰 차이가 있다.

항체의 경우 5개의 블록버스터(Avastin, Herceptin, Retuxan, Humira, Remicade)가 대부분의 시장을 장 특·별·기·획(Ⅲ)

항체의약품 바이오베터 기술

박 영 우

한국생명공학연구원, [email protected]

그림 1. 항체의 구조 및 기능.

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하고 있다. 따라서 항체의 바이오시밀러 또는 신규 타 겟에 대한 항체의 개발보다는 기존의 블록버스터를 만든 타겟에 대한 항체의 바이오베터를 개발하는 것 이 보다 현실적인 전략적인 방법일 것이다.

항체 바이오베터

일반적으로 바이오베터는 재조합단백질에 적용이 된다. 재조합단백질은 대개의 경우 인체내에 존재하 는 생리활성 인자 (factor)나 호르몬들로, 반감기가 짧기 때문에 자주 주사를 맞아야 한다는 큰 단점이 있 다. 이러한 단점을 극복하기위해서 재조합 단백질의 바이오베터는 오리지날 약물의 반감기를 증가시키는 데 개발의 초점이 맞추어져 왔으며, 이러한 목적의 기 술로 주로 pegylation, hyperglycosylation을 통한 단 백질의 안정화 전략과 반감기가 긴 단백질에 융합을 하는 융합단백질 (Fc 항체 융합 및 알부민 단백질 융 합)전략이 대표적인 방법이다.

항체의 경우는 적어도 2가지 측면에서 기존의 재조 합단백질과 다른점이 있다. 첫째는 항체는 그자체로 반감기가 긴 안정화된 물질이기 때문에 기존의 재조 합단백질의 바이오베터를 제조하는 기술과는 다른 기 술적 접근이 필요하며, 둘째로 항체의 경우는 다수로 존재할 수 있다. 이러한 두 가지의 차이점을 염두에 두고 항체의 바이오베터 기술을 고려한다면 다음과 같은 기술들이 있다.

1) 면역원성이 적은 항체의 제조

동물 유래의 항체들은 인체 내에서 이물질로 간주 되어 면역작용을 일으키는 부작용을 초래하였기 때문 에 대부분 실패하였다. 이러한 한계를 극복하기 위해 1980년대 중반부터 지속적으로 항체의 면역원성을 줄 이기 위한 개량기술들이 개발되어 왔다. 마우스항체 의 단점을 보안하기 위한 노력은 분자생물학의 재조 합 기술들의 발달로 결실을 보기 시작하였다. 1984년 과 1986년에 각각 키메라 항체 (chimeric antibody) 와 인간화 항체 (humanized antibody) 제조 기술들 이 개발되어 왔으며, 궁극적으로 완전인간항체 제조 기술이 개발되었다. 이들 항체들의 모식도를 [그림 3]

에 요약하였다.

키메라 항체는 마우스 항체 성분중 면역원성을 가 장 많이 유발하는 불변영역을 인간의 불변영역으로 치환한 항체로 일반적을 키메라 항체의 인간화율은 약 65%에 이른다. 항체를 좀더 인간항체와 유사하게 만들기 위한 기술이 항체 인간화 기술이다. 항원과 결 합하는 가변영역중 초가변영역 (hypervariable region or CDR)의 존재가 밝혀졌으며, 이들이 항원과의 결 합에 중요한 역할을 하며 실제로 마우스 항체의 CDR 부위를 인간항체 틀에 이식하였을 경우에도 항체-항

특·별·기·획(Ⅲ)

그림 2. Volume analysis of typical mAb after patent expiry.

그림 3. 기술별 항체의 모식도. 붉은색은 마우스 항체의

아미노산 서열을 나타내며, 파란색은 인간 항체의

아미노산 서열을 나타낸다. 키메릭 항체와 인간화

항체는 마우스항체에서 유래되며, 인간항체는 인

간항체를 만드는 transgenic mouse나 파아지 디스

플레이를 이용한 인간항체 라이브러리에서 제조

된다.

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원의 결합력이 보존되는 사실이 증명되었다. 이러한 기술에 의해 제조된 항체를 인간화 항체라 한다.

이러한 항체개량 기술들에 의해 개발된 항체들은 10여 년후 FDA에 허가를 받으면서 항체의 상업화를 가속화시키고 있다.

80년대와 90년대의 DNA 재조합을 위시한 분자생 물학의 발전으로 첨단 바이오텍 기술과 인간 지놈 프 로젝트 등으로 인간 유전체의 전모와 함께 항체 유전 자들을 조작할 수 있는 기술들이 개발되었다. 인간항 체 제조기술은 크게 2가지로 대별될 수 있다 (Curr.

Opin. Immunol. 20, 450(2008)). 첫째는 인간항체 유 전자 집단 전체를 마우스의 염색체에 치환하여 만든 transgenic mouse 기술이다. 둘째는 항체 유전자들을 파아지 (phage)의 표면에 발현시킬 수 있는 파아지 표면 발현 (phage display)기술로, 이들 기술들이 접 목이 되어 이론적으로 모든 항원과 결합할 수 있는 항 체 라이브러리 제조가 가능하게 되었다. 현재 기술로 10 종류의 항체종류를 갖는 라이브러리의 제조가 가 능하다. 특히 라이브러리 기술은 비교적 간단하게 실 험실에서 항원 특이적 인간항체를 검색해 내는 것이 가능하게 되었다.

항체 제조 기술의 동향을 알기위해 현재 임상 개발 단계에 있는 항체들을 제조 기술별로 분석하였다.

1990~1999년과 2000~2008년간 2단계에 걸쳐 기술 별 임상진입한 항체들의 통계를 보면 인간화 항체와

인간항체가 주종을 이루고 있으며, 향후에는 인간항체 의 비중이 더 커질 것으로 예측이 된다. 아직까지 확실 한 임상적인 통계는 없으나 인간항체가 다른 종류의 항체에 비해 면역원성에 의한 부작용면에서 우수함을 예상하게 한다 (Nature Reviews Drug Discovery 9, 767(2011)). [그림 4]는 2000년대 들어와서 인간항체 의 개발 프로그램이 증가하는 것을 보여주고 있다.

지금까지 허가 받은 인간항체는 모두 7개이며 [표 1], 3개가 FDA의 최종 승인을 기다리고 있다.

2) 항체 Fc engineering 기술

Fc engineering은 면역세포의 Fc receptor 및 보체의 C1q subunit와 결합하는 항체의 Fc 부위에 돌연변이를 특·별·기·획(Ⅲ)

그림 4. 항체 기술별 임상 개발의 분석.

표 1. 미국에서 허가된 인간항체

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CDC을 증가시켜 항체의 치료 효능을 증진시키는 기술이 다 (Nature Med. 6, 443(2000)). 새로운 CD20 특이적 항 체인 Ocrelizumab(Genentech)이나 AME-133(Applied Molecular Evolution사)의 경우 돌연변이된 Fc 도메인 을 만들어 ADCC의 기능을 증가시킨 대표적인 예이다.

ADCC 기능의 강화는 일반적으로 항암 항체를 개발할 때는 매우 유용한 기술이나 단순히 리간드를 중화할 목 적의 항체에서는 부작용으로 나타날 수 있다. 이러한 경 우는 FcgR에 대한 친화력을 감소시킴으로서 ADCC 기 능을 약화 또는 제거할 수 있을 것이다.

3) 항체 절편 기술

항체는 150 kDa의 거대한 분자로 커다란 종양이나 침투가 어려운 조직에서는 효과적인 분자가 될 수가 없다. 따라서 한편에서는 항체의 크기를 줄여서 조직 의 침투능을 향상시키려는 기술이 개발 중이다. 이러 한 기술중에서 항체의 절편 (scFv, Fab 등)을 이용하 는 기술이 있다. 문제는 항체의 반감기를 증가시키는 데 주요역할을 하는 Fc부분이 결여되어 있고 또한 적 은 크기의 단백질은 신장에서 유실되는 경우가 많아 서 전반적으로 반감기가 감소하게 된다.

따라서 항체 절편은 한 PEGylation과 같은 기술이 접목이 되어야 한다. 항체의 절편은 주로 항원 결합부 위만을 포함하기 때문에 Fc에 의한 비특이적인 결합 을 줄일 수 있어서 항체의 특이적 결합을 증가시킬수 있다. 대표적인 예로 Cimzia (Certoluzumab pegol)와 Lucentis가 있으며 이들 항체 절편은 생산 비용이 큰 동물세포대신 대장균 등에서의 생산이 가능하며 또한 ADCC에 의한 부작용을 줄일 수 있는 장점이 있다.

하지만 정상적인 항체의 2개의 항원결합부위에 비해 1개의 항원결합부위이기 때문에 보다 높은 항원에 대 한 친화력이 요구된다.

4) 항체 접합기술 (Antibody Conjugated)

항체는 화학적으로 다른 분자와 접합을 시킬수 있 다. 접합의 대상물질로 저분자화합물이나 바이오 물질 이 될 수 있으며, 항체는 이들의 전달체로서 사용이 될 수 있다. 일반적인 형태의 항체 접합기술로 isotope과 immunotoxin의 예가 있다. Cytotoxic chemical을 항 체와 접합하는 Antibody-Drug Conjugate 기술 (대 표적인 예로 Tratuzumab-DM1)은 매우 활발히 연구 되고 있는 분야이다. 이들 ADC 기술은 항체의 효능을 획기적으로 증가시킬수 있는 방법으로 평가되고 있다.

바이오 의약의 발전 추세

1982년 Genentech이 재조합 인술린을 미국 FDA 에서 허가받은 이후 전세계적으로 200여 종의 바이오 의약과 백신이 상업화되었으며, 400종 이상의 바이오 의약이 현재 개발 중에 있다. 특허가 만료되었거나 특

허 만료가 다가오는 1세대 바이오 의약 시장은 이제 바이오시밀러 (Biosimilar)제품의 출시로 인해 경쟁이 심화되고 있는 한편, 효능이나 성질이 개선된 바이오 베터 (Biobetter) 의약의 도전을 받고 있다. 바이오베 터는, 특허가 만료되는 1세대 제품을 대상으로 새로운

특·별·기·획(Ⅳ)

지속성 바이오베터의 연구 개발 동향

정 혜 신

한남대학교 생명공학과, [email protected]