암 면역 치료에서 현재 절실히 필요한 것은 인간 종양의 연구에서 면역 반응을 조사할 수 있는 전임상 모델을 개발하는 것이다. 스페인 나바라 대학 (Universidad de Navarra)의 이그나시오 멜레로(Ignacio Melero) 교수 연구팀은 면역 자극 단일 항체 (monoclonal antibodies, mAb)의 항 종양 특성과 약물 동력학을 분석할 수 있는 인간화된 생쥐 모델의 개발에 관해 발표했다.
면역 결핍 생쥐로 전달된 인간 림프구들은 활성화되고 생쥐의 기관들로 확산되어 세포 표면에서 hCD137 와 hPD-1 의 발현을 나타냈다. 전신에 걸친 림프구 침투는 치명적인 CD4+ T 세포가 매개하는 질환들 (이종 이식대 숙주 질환, xenograft-versus host disease)을 매개하는데 임상용 항-hCD137 (urelumab) 과 항-hPD-1 (nivolumab)을 생쥐에 주사하면 이러한 질환은 악화되었다. 인간 대장암인 HT-29 상피종과 동종 인간 PMBCs 나 환자에서 유래된 위암 상피종과 동일한 환자의 PBMC를 이식한 생쥐에서 연구팀은 urelumab과 nivolumab을 동시에 주사하여 종양의 성장이 현저히 감소되는 현상을 관찰했다. 이러한 결과와 일치하게 이종 이식된 종양에서 IFN-g를 생산하는 활성화된 T 림프구들은 그 숫자가 증가했고 조절 T 세포(Treg)가 감소된 결과는 항체의 치료 효능을 설명하고 있다. 이번 결과는 개념의 증명으로 면역 체크포인트 약물과 혼합적인 치료의 효능을 테스트하는데 인간화된 생쥐 모델의 사용을 제안하고 있다.
암 면역 치료는 면역 조절 단일 항체들의 출현으로 임상에서 주목을 받고 있다. 이렇게 지속적인 발전의 근간이 되는 개념은 면역 시스템에서 세포 기능이 세포 표면에 발현된 수용체에 부착하는 항체에 의해 조절될 수 있다는 것에 근거하고 있다. 90년대 말 생쥐 모델들에서 CTLA-4 (CD152)에 대한 길항적인 항체와 CD137 (1BB, TNFRSF9)에 대한 자극 항체들이 이식된 종양들을 완전히 제거할 수 있음을 보여주었다. 생쥐에서 이러한 효능을 나타내는 항체들은 PD-1, PD-L1/B7-H1, TIM-3, LAG-3 을 포함하는 길항제들과 OX-40, GITR, CD40 과 CD27 를 포함하는 자극제들의 개발로 확대되었다.
길항제인 mAbs anti-CTLA-4 는 임상에서 개발되어 왔다. 이러한 항체들 중 이피리뮤맵(ipilimumab)은 기관에 특정한 자가 면역 반응과 같은 부작용을 발생시키지만 전이성 흑색종 환자들에서 임상적 이득이 있음을 보여주는 증거들이 제시되었다. 최근에는 PD-1과 PDL1/B7-H1의 상호작용을 차단하는 단일 항체들이 흑색종, 신장암, 방광암, 호치킨스 림프종(Hodgkin`s lymphoma)과 비소세포 암 환자들에서 효능이 있음이 보고되었다. 중요한 것은 임상 I 상에서 상당 수의 환자들이 지속적인 객관적 임상 반응을 보여준 것이다. 새로운 임상 시도 결과는 종양 세포들이 세포 표면에 PD-L1/B7-H1을 발현하는 경우 임상적인 이득이 향상되지만 PD-L1 발현이 음성인 경우에서도 반응이 관찰되었다. Ipilimumab과 nivolumab(anti-hPD-1 mAb)의 혼합 치료는 최대 관용적 투여량을 받고 53% 반응률을 보이는 전이성 흑색종 환자들에서 종양의 크기를 12주 내에 80%로 줄이는 매우 효과적인 치료율을 보였다. 이러한 결과로 인해 혼합 치료는 임상 III 상으로 발전되었다(NCT01844505).
항- CD137 mAb (urelumab)는 전임상 모델에서 항종양 CD8T 세포 반응뿐 아니라 ADCC(antibody-dependent cellular cytotoxicity)를 유도하는 rituximab, trastuzumab 및 cetuximab과 함께 전임상 모델에서 시너지 효과를 보이고 있다. Nivolumab 과 urelumab 의 혼합 치료가 최근에 임상 I 상에 들어갔고(NCT02253992) 항-PD-1 mAb (pembrolizumab)과 또 다른 항-CD137 mAb 인 PF-05082566 와의 혼합 치료도 임상 시도 중이다(NCT02179918).
면역 치료의 효능을 연구하기 위해 적절하고 예상 가능한 동물 모델들이 절실히 필요한 실정이다. 또한 이러한 모델은 서로 다른 면역 자극적인 mAb들과 결합하여 그 효능을 향상시키고 부작용을 조사하는데 유용하다. 암 환자의 PBMC(peripheral blood lymphocytes)를 포함하는 인간 T 림프구들은 면역 결핍 생쥐에 이식될 수 있다. 이러한 동물 모델은 NOD (non-obese diabetic)-scid (severe combined immunodeficient)와 Rag1-/- 과 Rag2-/- (recombinant activating 1 이나 2 gene deficient) 두 가지 모델이 있다. 이 두 생쥐는 NK 세포 작용이 완전히 제거된 IL2r-/- (interleukin-2 receptor common gamma chain)와 교배하여 인간 세포의 이식을 향상시킬 수 있다. 이식된 인간 T 림프구들은 MHC(major histocompatibility) class I과 II를 통해 생쥐에서 유래된 항원을 인지하여 이종 면역 반응을 유도한다. 결과적으로 T 림프구들은 이식된 지 몇 주 후 서로 다른 기관으로 침투하여 염증을 발생시켜 생쥐를 죽음에 이르게 하는데 이를 이종 대 숙주 질환(xenograft-versus-host disease, xGVHD)으로 명명하고 있다. 전달된 인간 T 림프구들은 치료 약물들이나 조절 T 세포 (regulatory T cells, Tregs)와 같은 면역 세포들의 입양전달을 위해 사용될 수 있다. 이러한 점에서 xGVHD는 면역 억제와 면역 조절 치료의 분자 기작들을 연구하는데 조사되어 왔다.
연구팀은 면역 결핍된 Rag2-/-IL2Rg-/- 생쥐에 인간 종양을 이종 이식한 후 인간 PBMC 의 활성화를 확인했다. 결과적으로 전달된 인간 T 림프구들은 세포 표면 항원인 hPD-1과 hCD137의 발현을 유도했다. 이러한 결과는 xGVHD 와 동시에 이종 이식된 인간 종양에 대한 면역 반응에서 면역 치료 항체들인 mAbs urelumab (anti-hCD137) 과 nivolumab (anti-hPD-1)의 생체 내 작용을 조사하는데 유용하게 사용될 수 있음을 보여주고 있다.
(그림 설명) 동종 인간 PBMC의 전달을 통해 매개되고 이종이식 된 인간 대장암에 대한 항 종양 작용을 보이는 anti-hCD137 (urelumab) 와 anti-hPD-1 (nivolumab) 의 단일 치료나 혼합 치료를 보여주는 치료 전략 (A)과 그 효능 (B, 종양의 크기)을 보여주고 있음
