항체에 대한 개요와 항체치료제 개발 현황

항체에 대한 개요와 항체치료제 개발 현황

정보제공 :Biozine
정보출처 : 다카라코리아

Ⅰ. 서론

1895년 Hericourt와 Richet는 동물에 암세포를 투여한 뒤 동물에서 생성된 혈청을 환자에게 투여하는 일종 의 실험을 언급했다. 몇몇 환자에게서 개별적으로 처리한 ‘tailor-made antiserum’에서 전부는 아니지만 긍정적인 결과를 얻어 호전되는 환자가 있었다. 그러나 1900년대 초기에 들어오며 동일한 치료를 위한 많 은 시도가 있어 왔으나 부작용이 너무 많아 급기야 1929년 "nothing may be hoped for at present in respect to a successful therapy from this direction"이라는 공개적인 언급을 하게 된다. 이는 항체 생산 에 대한 이해의 부족으로 인한 것이었다. 추출한 혈청에는 항체 뿐 아니라 많은 Origin 동물의 조직과 protein등이 한데 어우러져 있는데, 이들이 간혹 뱀의 독처럼 환자에게 작용되어 치명적인 결과를 가져오 곤 하였던 것이다. 항체를 이용한 유용한 치료제의 개발의 역사는 이렇듯 100여년전의 모험적인 시도로부 터 시작되어 현재에 이르게 되었다.

그림 1. 초기 면역학자들의 항체생산 개념도

Ⅱ. 항체에 대한 기본 개념

1. 항체

항체 (antibody, Ab)란 항원과 결합하는 단백질을 말하며, 혈액과 체액에 녹아있는 면역글로불린 (immunoglobulin, Ig)을 일컫는 말이다. 항체는 B 림프구의 세포표면에도 존재하는데, 이를 표면, 면역글로 불린 (surface, immunoglobulin)이라고 부르며, B 림프구에서 항원수용체 (antigen receptor)로 작용한다. B 림프구는 세포표면의 항체단백질 즉 면역글로불린을 이용하여 항원과 반응하게 되며, 특정한 항원과 반응 한 B 림프구 클론은 플라즈마세포 (plasma cell)로 분화되어 자신이 세포표면에 가지고 있던 것과 동일한 항체를 세포 밖으로 분비하게 되는 것이다. 이렇게 B 림프구 밖으로 분비된 항체는 혈액이나 체액에 있는 항원과 결합하여 항원의 작용을 방해하거나 (neutralize), 항원이 제거되도록 만든다. 추후 언급을 하겠지 만, 면역세포에서 생산되는 항체는 크게 IgM, IgG, IgA, IgE 등 4종류가 있다. B 세포 clone에서 생산되 는 이들 4종의 항체 중 3종, 즉, IgG, IgA 및 IgE(IgM은 T세포의 도움 없이 생산된다)는 활성 T세포에서 분 비된 사이토카인의 종류에 따라 결정된다.

그림 2. 항체의 기본적인 형태 (3차원 도식 그림)

2. 단일클론 항체와 다클론 항체의 구분

항원을 주사하면, 혈액 중에는 항체가 생성된다. 혈액을 응고시키면 혈구와 섬유소 (fibrin) 가 합쳐져 응 고된 덩어리가 생기며, 그 위에 맑은 액체부분이 생기게 된다. 이 액체부분을 혈청 (serum)이라고 부르 며, 이 액체 속에 다른 단백질과 더불어 항체단백질도 존재한다. 일반적으로, 항원에 의하여 면역된 혈액에 서 얻은 혈청을 항혈청 (antiserum)이라고 부르는데, 이 항혈청을 항원과 반응시키면 항원-항체 반응을 얻 을 수 있는 것이다. 비록 항혈청 속에는 여러가지 종류의 단백질이 존재하고 심지어는 여러 항체까지 있긴 하지만 항혈청 전체의 항원에 대한 반응성은 넣어준 항원에 대하여 특이적이며, 아직도 세균을 세분하거나 감염을 진단하는데 유용하게 사용되고 있다. 그러나 , 항원을 투여하여 혈청에 생성된 항체는 비록 그 항원 과 특이적으로 반응하긴 하지만, 실제로는 그 항원과 반응하는 여러 종류의 항체들이 모여있는 것이다. 하 나의 항원에 대하여 이렇게 여러가지의 항체가 만들어지는 이유는 항원이 순수하지 않아서가 아니라, 항체 가 항원의 일부 지역과 반응하기 때문이다. 항체가 결합하는 항원의 일부지역을 항원결정부위 (Epitope)라 고 부르며, 하나의 항원에는 이러한 부위가 여러 개 존재하며, 각각의 항원결정부위들에 대하여 서로 다른 항체들이 만들어지기 때문이다. 비록, 항원의 크기가 작아서 항원분자에 하나의 항원결정부위밖에 없다 하 더라도, 여러가지의 항체가 생산될 수 있다. 왜냐하면, 하나의 항원결정부위에 대하여도 친화력이 서로 다 른 여러 가지의 항체들이 결합할 수 있기 때문이다.

하나의 항원에 대하여 여러가지 항체가 만들어지는 이유는 클론선택이론으로 설명할 수 있다. 들어온 항원 은 자신과 반응하는 항원 수용체 (항체)를 가지고 있는 B 림프구 클론들과 반응하여, 그들을 활성화시킨 다. 일반적으로 하나의 항원은 여러 개외 B 림프구 클론들과 반응할 수 있으며, 결과적으로 이들 여러 클론 들이 활성화되게 되며, 각각의 클론들이 항체를 만들게 된다. 이와 같이 하나의 항원에 대하여 여러 개의 클론이 동시에 활성화되어 만들어진 항체를 다클론 항체 (polyclonal antibody)라고 부르며, 항혈청 내의 여러 항체의 모임이 바로 다클론 항체이다. 비록 항혈청이 여러 항체가 모여서 이루어진 다클론 항체이긴 하지만, 항혈청은 여전히 그 반응 특이성이 항원 특이적이기 때문에 항원 항체 반응을 조사하는 데는 아무 문제가 없다. 그러나, 개개 항체의 아미노산 배열을 연구한다든지, 또는 항체에 독소를 결합시켜 암세포를 파괴하는 면역독소 (immunotoxin)을 만든다든지 할 때와 같이 단지 한 가지 항원 특이성만이 요구되는 경우 에는 항혈청을 사용할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 하나의 B 림프구 클론으 로부터 얻어지는 한 가지 항원 특이성을 가진 항체, 즉 단클론 항체 (monoclonal antibody)를 인위적으로 만들게 되었다. 일반적으로, 정상 세포인 B 림프구는 시험관에서 배양하면 곧 죽어버리기 때문에, 하나의 B 림프구만을 시험관에서 분리 배양하여 원하는 단클론 항체를 얻는 것은 어렵다. 이러한 문제점을 해결하 기 위하여 Kohler와 Milstein은 1975년에 hybridoma 방법을 개발하여 단클론 항체를 만드는데 성공하였으 며, 이후 이 방법을 이용하여 수많은 단클론 항체들이 개발되어 현재까지도 유용하게 사용되고 있다. Hybridoma란 항체를 생산하는 B 림프구와 myeloma cell을 융합하여 얻은 세포를 말하는데, myeloma 세포는 형질전환된 세포(transformed cell line)여서 배양접시에서 오랜 기간 배양할 수 있다. 그 결과, hybridoma 세포도 형질 전환된 세포처럼 잘 자랄 수 있게 되고, 결과적으로 한가지의 항체만을 만들어내는 hybridoma 세포를 분리해내면 손쉽게 단클론 항체를 얻을 수 있는 것이다.

그림 3. Monoclonal 항체의 생산 과정

3. 항체의 구조 (Structure of Immunoglobulins)

항체의 구조를 연구하기 위해서는 원칙적으로 단일클론항체와 같은 순수한 한 가지 종류의 항체 단백질을 분리하여야 한다. 특히, 항체 단백질의 아미노산 배열이나 입체 구조를 연구하는 데 있어서는 더욱 그러하 다. 항혈청에 들어 있는 항체들은 비록 항원 특이성은 비슷하지만 여러 가지 항체 단백질이 모여 있는 것이 어서, 구조 연구에 불리하다.

그러나, 항혈청의 항체는 그 전체적인 구조가 서로 매우 비슷하여 생화학적 방법으로 그 구조를 연구하는 데 큰 문제가 없었다. 항체는 전하 (charge), 크기 (size), 용해도 (solubility) 등과 같은 물리화학적 성 질이 매우 유사하기 때문에 항혈청을 전기영동하여 보면, 항체는 가장 음극 쪽, 즉 albumin, -globulin, β-globulin 보다 더 음극 쪽에 모여서 나타난다. 그 결과, 항체를 다른 말로-globulin 이라고 부르게 된 것이며, 다른 말로 면역반응에 관여하는 글로불린이라 하여 immunoglobulin (Ig) 이라고도 부르는 것이다. 항혈청을 보다 정밀하게 전기영동을 해보면 항체는 적어도 다섯 가지 집단으로 구성되어 있음을 알 수 있으 며, 이를 서로 다른 항체의 급 (class) 또는 아이소타입 (isotype) 이라고 부른다. 사람이나 생쥐의 경우에 는 IgG, IgM, IgA, IgD, IgE 등의 다섯 가지 급의 항체가 확인되었다.

그림 4. 항체의 종류

이들 중에서 IgG와 IgA 급에 속하는 항체들은 보다 더 작은 단위의 집단으로 나뉘어져 있는 것이 확인되었 으며, 이들을 아급 (subclass) 또는 아형 (subtype)라고 부른다. 사람의 경우 IgG급의 항체에는 IgG1, IgG2, IgG3, IgG4 등의 아형이 있으며, IgA 급의 항체에는 IgA1, IgA2 등의 아형이 존재한다. 전기영동법으 로 항체를 다섯 가지 정도로 나눌 수 있기는 하지만, 각각의 항체 단백질이 결합할 수 있는 항원 특이성의 종류는 상당히 다양하기 때문에 비록 같은 급의 항체라 하더라도 서로 다 같은 것은 아니다. 항체의 항원 특이성은 약 10-10 정도가 되는 것으로 추정되는데, 항체의 집단은 5~10가지 정도밖에 안되므로, 항체들은 서로 공통적인 구조와 독특한 구조를 동시에 가지고 있음을 추정해 볼 수 있을 것이다. 항체는 항원결합부 위 지역의 아미노산 배열이 서로 다르나 (V region), 그 외의 지역의 아미노산 배열은 같은 급의 항체에서 는 서로 완전히 같기 때문에 (C region), 비록 수많은 항체가 존재하더라도 생화학적으로 이렇게 소수의 집 단으로 구분되는 것이다.

항체 중에서 IgG의 항체는 혈액 중에 가장 많이 존재하는 항체이며, 가장 단순한 구조로 많은 구조 연구가 이루어져 있다. 항체는 기본적으로 Cys-Cys의 연결고리를 많이 가지게 되는데, 2-mercaptoethanol과 같은 환원제로 처리하면, 항체에 존재하는 cystein 아미노산 간의 disulfide bond가 환원되어 그 연결이 끊어지 게 되며, 이를 전기영동 등으로 분리해 확인한다. IgG 항체는 heavy chain과 light chain으로 존재하는 데, 분자량이 각각 50,000 Da과 25,000 Da으로 나타났으며, 전체 IgG 한 분자의 분자량은 약 150,000 Da 정 도이므로, IgG 항체 한 분자는 두 개의 heavy chain과 두 개의 light chain으로 구성되어 있는 것이다. 또한 항체의 구조는 항체를 단백질 분해효소로 절단한 연구 결과에서도 유추할 수 있다. IgG 항체를 단백 질 분해효소인 pepsin으로 잘라보면, 또 다시 두 가지 조각으로 나누어지는 것을 확인할 수 있다. 이들 중 한 조각은 항원과 결합하며, 다른 조각은 항원과 결합하지 않는 것으로 확인되었다. 항원과 결합할 수 있 는 조각을 Fab (antibody binding fragment)라고 부르며, 항원과 결합하지 못하는 조각을 Fc (crystalizable fragment)라고 부른다. 특히, Fc 지역은 단백질을 모아놓으면 결정을 형성할 수 있는데, 이 는 비록 IgG급 항체의 항원특이성이 다르다 하더라도 이 지역을 구성하는 단백질의 아미노산 배열이 서로 같다는 것을 뜻한다. 한 분자의 항체를 절단하였을 때, 두 분자의 Fab가 얻어지며, 각각의 Fab는 모두 독립 적으로 항원과 결합할 수 있으며, 그 결합성이 서로 같은 것으로 확인되었다.

그림 5. IgG의 구조 및 각 Chain의 구성도

이러한 실험들은 IgG급의 항체가 두 개의 단백질 사슬로 구성되어 있으며, 두 분자의 항원과 결합할 수 있 고, 항원결합과 상관없는 부위는 그 아미노산 배열이 매우 유사할 것이라는 것을 보여주는 것이다. 항체를 구성하는 두 분자의 단백질은 각각 heavy chain과 light chain이 서로 쌍을 이루고 있으며, 두 개의 항원 결합부위가 존재하는 전체적으로 Y자 모양을 한 단백질임을 알 수 있다. 자연 상태의 항체에서 하나의 항체 가 가지고 있는 두 분자의 heavy chain은 서로 완전히 같으며, 두 분자의 light chain도 서로 같은 것으로 확인되었다. 항체의 heavy chain 과 light chain은 서로 사슬간 disulfide bond와 같은 공유결합 외에도 소 수성 상호작용 (hydrophobic interaction)등과 같은 비 공유 결합으로 인하여 안정된 구조를 형성하고 있 다.

4. 항원과 항체의 결합

항원 특이성이 다른 항체들은 light chain과 heavy chain의 V 지역의 아미노산 배열이 서로 다르지만, 항 원 특이성이 다르더라도 항체의 종류가 같으면 C 지역의 아미노산 배열은 같다. 항체의 V 지역에는 heavy chain과 light chain에 각각 세 개의 CDR ( 지역이 있으며, 나머지 부분은 frame work region으로 구성되 어 있다. 또한, 이들 CDR 지역은 마치 손가락처럼 frame work 지역 위에 연장되어 나온 고리모양 (extended loop)을 하고 있으며, 이들 loop 모양의 돌출된 지역은 X-선 회절 결정구조 확인법 (X-ray crystallography)을 이용하여 보면, 항원과 상보적인 구조를 이루게 된다. 이 항원과 항체 결합부위의 구 조는 비록 입체적으로는 서로 상보적이지만, 화학적으로 서로 특이적으로 결합하기 위하여, 수소결합, 이온 결합, 소수성결합 등의 다양한 종류의 화학 반응력들이 상호작용 하는 것으로 이해된다.

5. 항원

5-1) 항원 (Antigen)의 규정

항원은 보통 비경구적으로 동물에 주입했을 때, 그 동물에 의해 항체 형성을 유발할 수 있는 어떤 분자구조 로서 정의할 수 있다. Immunogen이란 단어로도 사용되며, 이에 의해 유도된 항체는 항체 형성을 유도하였 던 항원과 특이적으로 결합할 수 있다. 항원에 반응하여 생성되는 항체는 면역글로불린 종류, 항원에 대한 친화성과 특이성이 각기 다르며 다음의 조건과 특성을 가진다.

5-2) 항원의 조건과 특성

분자량이 5,000이하인 항원성 물질들은 항체를 거의 생성하지 못하며 이런 물질들을 haptens이라고 한다. 그러나, haptens도 큰 분자와 결합되면 항원 특이성을 나타낼 수 있다. 분자량이 500,000이상인 복합 단백 이나 폴리펩타이드-탄수화물 구조가 대표적인 hapten과의 결합물이다. 즉, 이러한 거대분자는 단독으로는 면역글로불린이나 lymphokine을 유도하는 기능이 없으나, 대신에 각 분자내에는 spitopes로 알려진 제한된 크기의 특이 구역이 있으며 이 부위가 항원 결정부위로 작용한다. 항원 분자당 항원 결정부위의 수는 항원 의 결합가 (Valence)로 표현된다. 그러므로 항원의 결합가는 분자량이 클수록 항원 결정부위의 수가 크고 따라서 형성되는 항체도 다양해지며 양도 많아진다. 또한 외부 항원은 크기 이외에도 항원성을 나타내기 위 해서는 숙주와는 다른 화학구조를 가져야 한다. 즉, 항원의 화학구조가 다양할수록 항원성이 높아지게 된 다. 이외에도 항원의 투여방법 (면역방법)에 의해서도 항체 형성 정도가 달라진다. 일반적으로 정맥내와 복강내 투여가 항체 형성에 가장 효과적인 경로이다. 피내 주사 (Intradermal) 경로는 피하주사 (Subcutaneous)나 근육내 경로보다 더 강한 자극을 준다.

Ⅲ. 항체의 응용성과 항체공학의 미래 전망

1. 항체의 응용성

항체는 실로 광범위한 응용 범위를 가지고 있는 유용물질이다. 많은 다양한 연구자들이 항체를 이용한 수많 은 실험을 수행중이며 간단한 확인에서부터 치료제로의 개발 가능성을 두고 항체를 이용하고 있다. 항체를 이용한 기초 연구 중 가장 주요한 목적은 1) 특정한 항원의 감염여부를 알아보는 진단의 목적, 2) 특정 유 전자의 발현산물의 정량과 정성, 3) ELISA나 Western 등을 이용하여 시각적으로 발현 산물을 확인하거나 형 광물질을 표지하여 특정 세포 등을 염색하는 등 연구의 결과를 확인 하는 보조적 수단, 4) 정제한 항체를 Affinity column에 부착시킨 뒤 원하는 관련 항원을 획득하는 수단으로도 사용한다. 아울러 면역관련 반응 을 증가시키거나 억제시키는 모든 방면으로도 사용이 가능하다.

그림 6. 항체를 이용한 immunostaining의 한 예

특히, 요즘 들어 각광을 받고 있는 GMO의 분석을 위한 Kit의 개발이라든지, 사스의 진단, 가정에서도 쉽게 자가진단 할 수 있는 임신진단 Kit 등 기본적인 항원 항체 반응을 이용한 제품의 개발은 매우 폭넓게 진행 이 되고 있다. 이 이외에도 기능을 가진 식품에도 접목되고 있어 면역글로불린이 포함된 계란과 음료 그리 고 사료 첨가제 및 항원에 대한 저항성을 강화시키는 면역 증강 효과 제품들이 출시되고 있다.

2. 치료제로서의 항체의 가능성

치료제로서의 항체의사용에 대한 가능성은 1988년부터 마우스 단일클론항체를 인간 항체와 유사하게 만든 인간화항체 제조기술이 개발되어 제품화가 시작되어 1990년부터 새로운 인간 단일클론항체의 제조기술들이 개발되어 몇 항체들이 임상시험 단계에 진입해 있으며, 지금까지 2 개의 카이메릭 항체와 CDR grafting 방 법으로 제조된 4 개의 인간화 항체가 암 치료제, 면역억제제, 항혈전제, 바이러스감염 예방제로서 FDA 승인 을 받아 그 제품시장이 급성장하고 있다. 또한 약 60개 이상의 인간화 항체가 임상시험 중에 있고 적어도 15개 이상의 항체가 임상시험 II나 III 단계에 있어, 약 290개의 모든 생명공학 치료제에서 최대의 단일분 야(약 27%)를 이루고 있다. 향후 3-5년 내에 암, 조직이식, 감염성 질환, 자가면역질환, 염증의 치료항체들 이 FDA 승인을 계속 받을 수 있을 것으로 전망 된다.

현재까지 가장 많이 사용하고 있는 암의 약물 치료요법으로는 항암제의 투여와 방사선 조사 등으로 이는 투 여한 약물이 정상세포에도 같은 영향을 주어 부작용을 격게 된다. 그러나 항체를 이용한 요법은 항체가 인 지하는 항원에만 반응하게 되어 항원이 표지된 병변세포만을 골라서 죽일 수 있는 약물로서 흔히 미사일 요 법 등과 같이 표현된 신기능 의약품이 이로 인해 환자에겐 치료과정의 고통이 없고 효과가 높다. 특정 암세 포 (유방암, 혈액암, 간암등)에는 선택적으로 정상세포에 없는 단백질이 존재하며 (항원 표지부), 그 단백 질에 반응하는 항체는 그 단백질 항체 항암제가 될 수 있는 것이다. 마찬가지로 간염이나 에이즈 바이러스 에 반응하는 항체 또한 간염ㆍ에이즈 치료제로 개발될 수가 있다. 선진국들은 서구에 많은 유방암, 난소 암, 대장암, 전립선암 등의 치료제 개발에 이러한 항체 기술을 적용하고 있다. 혈액암 중 하나인 비호지킨 성림프종 치료제 (맙테라)는 이미 시판되고 있다. 또한 면역의 과민반응으로 알려져 있는 만성질환인 관절 염은 면역세포 중 하나인 T-세포가 특정 단백질에 의해 활성이 지나치게 활성되어 나타나게 되는데, 이 경 우 해당 단백질에 대한 항체를 이용해 무력화 시키거나 활성을 줄여주는 방향으로 연구가 진행되고 있어 이 또한 치료제로서의 개발 가능성이 매우 높다. 그림 7은 면역 반응을 증강 또는 억제하는 기전에서의 약 물 창출 가능성을 시사해 주고 있는 그림으로 핵 물질로서의 항체-항원 공학의 필요성을 시사한다.

그림 7. New way to swing the immune Pendulum

그러나, 항체의 치료제화로 가는 연구가 그리 쉽지는 않다. 치료제의 개발에는 반드시 넘어야할 두 가지 의 큰 산이 있는데, 그 중 하나는 병변인자로부터의 명확한 항원표지부위에 대한 단일 클론 항체의 개발이 선행되어야 한다. 외국의 경우 유방암 치료나 혈액암 치료가 원활하게 이루어 질 수 있었던 것은 집중적이 고 효율적인 단일클론 항체에의 개발에 대한 기초연구에 투자가 가능했기 때문이다. 두 번째는 생산되는 항 체 치료제의 Origin에 대한 문제이다. 그동안 진단용 또는 기초 연구에서의 단일클론 항체는 일반적으로 마 우스를 숙주로 한 단일클론 항체를 이용하는 것이 대부분이었다. 마우스의 단일클론 항체는 매우 값싸고 쉽 게 만들 수 있으며 또 항원 반응 역시 매우 유용하나 이를 사람에게 치료용으로 장기 투여 시 매우 심각하 게 마우스에 대한 사람의 이종 항체에 대한 면역 반응이 유리되어 약효가 전혀 없어지거나 아니면 매우 급 격한 항체 생산으로 부작용이 예상되어 치료제의 개발 시 인간화 단일항체 개발이 필수이다.

인간화 항체기술에서 카이메릭 항체의 제조 시 항원 부착 부위는 마우스를 이용해서 제조하고 나머지 구조 적인 부분은 사람의 것을 이용해서 조립하는 이른바 CDR grafting 방법을 이용하는 방식으로 이 경우 항원 과 결합하는 부위를 제외하고는 사람의 항체인 관계로 인체내의 부반응이 어느 정도 제거가 된다. 하지만, 어느 정도의 마우스 유래 항체의 부분으로 인한 위험부담은 상존하는 것으로 이를 극복하기 위한 Phage display 이용 인간 단일클론항체 제조 분야가 동시에 활발히 연구 중이다. 이는 항체의 single-chain Fv나 Fab을 bacteriophage의 geneIII protein에 표면에서 발현시킨 뒤 이를 이미 면역화 된 사람을 숙주로 하여 인간 단일클론항체 등을 분리하는 것이다. 이 방식은 완전한 인간 단일클론항체로서 인간화 항체 보다는 안전하나, 가장 큰 문제로서 Phage-display 방법에 의하여 비 면역화 된 사람으로부터 분리한 인간 단일 클론항체의 친화도가 매우 낮다는 것으로 이에 대한 친화력의 증강 연구가 계속 되고 있다.

하지만, 이런 어려운 점에도 불구하고 인간단일클론항체를 이용한 항체공학제품은 현재 선진국에서 가장 중요한 생명공학기술제품 분야로 이미 부상되고 있어 많은 제약사와 생명공학 연구자들은 항체 치료제 개 발에 여념이 없다. 항체 치료제 시장은 전체 생명공학 치료제 중 단일품목으론 최대 (약 30%)이며, 2002년 시장규모는 40억달러 (약 5조원)선이다. 암은 물론, 간염이나 관절염 같은 만성질환 치료제로 가장 주목받 는 분야이며 앞으로 매우 지대한 관심을 가져야 할 산업으로 인식되어 진다.  

그림 8. 항체의 제품수와 판매액 추산