항암 바이러스의 힘을 발휘: 최대 효능을 위한 설계 전략

종양 용해성 바이러스는 암 치료에 유망한 접근법을 제공합니다. 이는 바이러스의 본래 특성을 활용하여 종양 세포를 특정적으로 감염시키고 용해하며 면역 체계를 활성화시키는 방식입니다. 정상 세포와 암 세포 모두에 세포 독성을 일으킬 수 있는 화학요법과는 달리, 정상 세포를 보호하면서 종양 미세 환경(TME) 내에서 번성하도록 유전자 조작을 통해 더 타겟팅 된 접근 방식을 달성합니다. 항암 바이러스 연구에서는 vaccinia virus (VACV), herpes simplex virus (HSV), adenovirus 및 vesicular stomatitis virus (VSV) 등 여러 바이러스가 사용되었습니다. 이 기사에서는 가장 유망한 항암 바이러스 중 두 가지인 VACV와 HSV의 주요 특성에 초점을 맞추고 치료 효능을 향상시키기 위해 사용된 다양한 설계 전략을 자세히 살펴보겠습니다.

바이러스가 효과적인 항암 제제가 되는 이유는 무엇일까요?

종양 용해 바이러스는 효과적인 항암 제제로서 몇 가지 중요한 고려 사항을 필요로 합니다. 이러한 고려 사항에는 감염성, 용해 잠재력 및 바이러스의 안전 프로파일이 포함됩니다. 다양한 항암 바이러스에 대한 많은 연구에도 불구하고, 임상 사용이 승인된 항암 바이러스는 소수에 불과하며, 이 중 두 가지는 HSV-1입니다. HSV는 암 치료를 위해 가장 흔히 사용되는 항암 바이러스로 만들기 위한 몇 가지 주요 특성을 가지고 있습니다. HSV는 뉴런을 포함한 다양한 세포 유형을 감염시킬 수 있으며, 종양 세포에 과발현 된 HSV 수용체(nectin-1과 herpes entry mediator) 덕분에 일부 암세포에 대한 자연 감염성을 나타냅니다. 감염 후, HSV는 짧은 생명 주기 덕분에 종양 세포 전체에 빠르게 퍼질 수 있으며, 이는 세포 용해와 추가 감염을 촉진합니다. 야생형 HSV는 인간에게 병원성이 있지만, 유전자를 수정하여 정상 세포에서 효율적인 바이러스 복제를 억제할 수 있고, 효과적인 항바이러스 치료가 이를 더욱 안전하게 만들 수 있습니다.

HSV-1이 임상에서 성공을 거두었음에도 불구하고, VACV는 현재 임상적으로 승인된 치료제가 없지만 종양 용해제로서 HSV보다 몇 가지 명확한 이점을 제공합니다 ((Table 1). HSV와 유사하게, VACV도 바이러스 복제를 촉진하는 단백질, 특히 표피 성장 인자 수용체(EGFR)의 과발현으로 인해 암세포에 대한 자연적 친화성을 나타냅니다. 그러나 VACV는 HSV-1보다 더 넓은 감염성을 나타내며, 이는 바이러스 지질 막이 숙주 세포 막과 융합하여 직접 세포에 침투함으로써 수용체가 전혀 필요하지 않기 때문입니다. 더욱이, HSV와 마찬가지로 VACV는 종양 전체에 빠르게 퍼져 세포 용해를 유도합니다. VACV는 천연두 백신으로서 임상 사용을 위해 광범위한 연구와 데이터로 확인된 우수한 안전성 프로파일을 가지고 있습니다. 현대 VACV 균주는 용해 잠재력을 향상시키기 위해 진화하였으며(예: 높은 종양 용해 활성을 나타내는 Western Reserve 균주), HSV와 마찬가지로 정상 세포에서의 복제를 제한하도록 바이러스의 게놈을 변형할 수 있습니다.

HSV-1에 비해 VACV의 주요 장점 중 하나는 숙주 항체 반응에 의해 제거될 가능성이 낮다는 것입니다. 이는 VACV가 정맥 주사로 투여되고 높은 효능을 유지할 수 있기 때문에 임상에서 특히 유리합니다. 반면, HSV는 숙주 면역 반응에 의해 제거될 가능성이 높습니다. 대신, TVEC와 같은 HSV 기반 약물은 종양에 직접 주사되는 복잡하고 침습적인 절차가 필요하며 감염 위험이 증가합니다. 이는 현재 HSV 기반 약물을 특정 암 유형(예: 육종 및 흑색종)으로 제한하는 반면, VACV는 접근하기 어려운 부위(예: 췌장 및 간암)와 전이된 암을 표적으로 더 적합합니다. 항암 HSV의 정맥 주사와 관련된 문제에도 불구하고, 최근 임상 1상 시험은 HSV 기반 약물의 정맥 주사에 대한 미래 가능성을 크게 보여주었습니다.

Table 1. 항암 바이러스 치료를 위한 VACV 대 HSV. 각 범주에서 어느 바이러스가 더 잘 수행되는지 보여주기 위해 상자가 녹색으로 강조 표시되어 있습니다.

강력한 항암 바이러스 설계

항암 바이러스를 설계할 때 재조합 바이러스 엔지니어링을 위해 VACV 또는 HSV를 선택하는 것이 좋은 시작점입니다. 두 재조합 바이러스 모두 종양 용해제로서의 효능 및/또는 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 유전자 변형에 매우 적합합니다. VACV와 HSV의 한 가지 장점은 각각 190 kb 및 150 kb의 큰 게놈 크기를 가지고 있어 큰 유전자 삽입을 수용할 수 있다는 것입니다. 이 길이의 게놈을 다룰 때 발생하는 주요 어려움은 클로닝 및 유전자 공학입니다. 기존의 플라스미드는 사용할 수 없으며, 대신 박테리아 인공 염색체(BAC) 및 효모 인공 염색체(YAC)와 같은 다른 클로닝 시스템이 사용됩니다. 두 시스템의 주요 요소를 결합한 시스템 (BACYAC)을 사용하여 E. coli 또는 효모에서 벡터의 성장 및 변형을 가능하게 할 수 있습니다. 이러한 큰 공간의 전략적 설계는 암세포를 표적으로 삼는 특이성을 크게 향상시키고, 종양 파괴 능력을 강화하며, 안전성을 높여 전반적으로 암 치료제로서의 효과를 크게 증가시킬 수 있습니다.

향상된 타겟팅

연구자들은 항암 바이러스에서 종양 세포 특이성을 높이고 표적 외 부작용을 줄이는 세포 타겟팅 인서트나 특정 돌연변이를 흔히 사용하여 임상 응용에서 더 효과적으로 만듭니다 (Figure 1). 이러한 변화는 바이러스 게놈의 변경으로, 치료적 이식유전자의 발현과 결합되어 암세포 특이적 감염 및 용해가 가능해집니다.

향상된 종양 특이성은 암 수용체에 대한 바이러스 결합을 강화하거나 정상 세포에 대한 결합을 감소시키는 인서트 또는 돌연변이를 통합함으로써 달성될 수 있습니다. 종양 용해성 HSV의 경우, glycoprotein D의 내인성 수용체 결합 도메인 대신 항-HER2 항체를 발현하면 HER2를 과발현하는 암세포(예: 유방암, 난소암 및 교모세포종 암)에 대한 바이러스의 결합이 촉진됩니다.

종양 세포에서 특이적으로 과발현되고 효율적인 바이러스 복제에 필수적인 단백질을 코딩하는 바이러스 유전자를 삭제하면 바이러스가 암세포에서만 효율적으로 복제될 수 있도록 하여 특이성을 강화할 수 있습니다. 예를 들어, DNA 대사에 필수적인 효소, 즉 thymidine kinase (TK)를 코딩하는 바이러스 유전자의 결실은 VACV 기반 약물 JX-594에서 성공적인 것으로 입증되었습니다. 숙주 TK는 바이러스 TK의 손실을 보상할 수 있지만, 이 단백질이 과발현되는 암세포에서만 가능합니다. HSV 기반 약물을 설계할 때 TK 유전자를 유지하여 바이러스가 항바이러스 뉴클레오시드 유사 약물인 ganciclovir 및 acyclovir에 취약하도록 하는 것이 현명합니다. 대신, 바이러스 게놈 합성에 필수적인 효소인 ICP6을 코딩하는 바이러스 유전자를 돌연변이시켜 정상 세포에서의 복제를 약화시킬 수 있습니다. 숙주 세포에 의한 바이러스 ICP6의 손실에 대한 보상은 암세포와 같은 분열하는 세포에서만 발생하는 것으로 나타났습니다.

항암 바이러스 복제의 타겟팅을 향상시키기 위한 또 다른 접근법은 숙주 면역 반응을 회피하지 못하게 하는 것으로, 이는 숙주 면역과 번역 종료가 억제된 종양 미세 환경(TME) 내에서만 효율적인 복제를 보장합니다. 항암 HSV 기반 약물에 흔히 사용되는 돌연변이는 γ34.5 유전자의 돌연변이로, 이 유전자가 암호화하는 단백질은 번역 개시를 억제하고 숙주 IFN 반응에 대한 바이러스 저항성에 중요한 역할을 합니다. 따라서, γ34.5 돌연변이는 바이러스 면역 회피와 숙주 번역 억제에 대한 바이러스 저항성을 모두 방해하여 TME 외부의 정상 세포에서 바이러스 복제를 약화시킵니다.

Figure 1. 암세포에 대한 향상된 친화성을 나타내는 종양 용해성 바이러스의 다이어그램.

종양 파괴 강화: 항혈관신생 효과

항암 바이러스를 설계할 때 또 다른 중요한 고려 사항은 바이러스에 의한 종양 파괴의 효능을 어떻게 향상시킬 것인가입니다. 암세포 사멸은 세포 용해를 유도하는 종양용해성 바이러스 복제의 직접적인 결과로 발생할 수 있습니다. 그러나 바이러스 감염의 다른 많은 간접적 효과도 종양 파괴를 촉진하는 데 중요한 역할을 하며, 이를 활용하여 치료 성공률을 높일 수 있습니다. 이는 혈관신생 및/또는 면역 활동을 목표로 하는 BACYAC 백본의 이식유전자를 인코딩함으로써 달성될 수 있습니다.

혈관 생성은 종양의 생존과 성장에 중요하며, 이 과정을 억제하면 종양에 필요한 영양소를 사실상 차단하게 됩니다. VACV 기반 약물인 JX-594는 종양 관련 혈관 내피 세포를 감염시켜, 내피 세포에 직접적인 손상을 입히고 혈전 형성 및 호중구의 모집을 통해 혈관 붕괴를 초래합니다 (Figure 2). 항암 바이러스를 설계할 때, 항혈관 생성 효과를 더욱 향상시키는 유전자의 통합을 종양 파괴를 향상시키는 전략으로 고려해야 합니다. 한 가지 접근법은 상피 성장 인자 수용체(EGFR) 및 혈관 내피 성장 인자(VEGF)와 같은 친혈관 생성 숙주 인자를 표적으로 삼는 것입니다. 이는 재조합 바이러스 게놈에 EGFR 및 VEGF에 대한 항체를 코딩하는 유전자의 발현을 통해 달성할 수 있습니다. 이 전략은 종양 용해성 VACV에 성공적인 것으로 입증되었으며, 리간드-수용체 결합을 방해하여 마우스의 치료 효능을 향상시켰습니다.

항암 바이러스의 항혈관 생성 효과를 향상시키는 것이 성공적인 전략으로 입증되었지만, 종양 파괴와 바이러스 확산 촉진 사이에는 미세한 균형이 존재합니다. 혈액 공급을 방해하면 다른 종양 부위로의 바이러스 확산이 방해될 수 있으며, 화학 요법과 같은 다른 항암제의 투여에도 영향을 미칠 수 있습니다. 이것은 항암 바이러스 설계의 초기 단계에서 치료제로서의 효능을 보장하기 위해 반드시 고려해야 할 중요한 요소입니다.

Figure 2. 종양에 대한 종양 용해성 바이러스 유발 항혈관 신생 효과의 메커니즘.

종양 파괴 강화: 항종양 면역

종양 파괴를 향상시키기 위해 항암 바이러스를 설계할 때, 항암 바이러스가 TME의 면역억제 특성을 극복하고 효과적인 항암 면역 반응을 유도할 수 있는 단백질의 과발현은 귀중한 접근법이 됩니다. 이는 장기적인 항암 효과를 위해 중요하며 임상 환경에서 매우 유리할 수 있습니다. 종양 부위에서 면역 세포, 염증성 사이토카인, 케모카인의 수를 증가시켜, 성공적인 면역 치료(예: 면역 관문 억제제 또는 CAR-T와 같은 입양세포이식치료제)를 위한 종양의 준비를 돕습니다.

하나의 접근법은 염증을 유발하는 사이토카인을 코딩하는 유전자를 바이러스 게놈에 삽입하여 정상적으로 면역이 억제된 종양 미세 환경(TME)에서 면역 세포를 모집하는 것입니다. HSV 기반 TVEC와 VACV 기반 JX-594는 항원 제시 세포의 효능을 향상시키고 결과적으로 종양 부위로 T 세포와 NK 세포를 모집하는 염증 유발 사이토카인 GM-CSF를 암화화하도록 변형되었습니다. 항암 HSV에 의해 암호화된 다른 염증 유발 사이토카인, 예를 들어 IL-12는 세포독성 T 세포 반응을 강화하고 IFN-γ 생성을 자극하는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. IL-12(M032)를 발현하는 항암 HSV는 재발성 교모세포종 치료에 대한 가능성을 보여주었으며 1상 임상 시험에 들어갔습니다.

다른 접근법은 T 세포가 인식하는 단백질을 암 세포에 과발현하도록 항암 바이러스를 변형하는 것입니다. CAR-T 세포 치료는 환자의 T 세포를 변형하여 종양 세포 표면에 과발현된 리간드(CD19)를 인식하는 CAR를 발현하는 것에 의존합니다. CAR-T 치료를 강화하고 환자의 면역 체계를 준비시켜 보다 효과적인 항종양 면역 반응을 일으키기 위해 VACV를 사용하여 암 세포 표면에 신호를 전달하지 않는 절단된 버전의 CD19를 과발현시킬 수 있습니다. 마찬가지로, VACV를 변형하여 T 세포 표면 항원(CD3)을 인식하는 항체와 종양 세포 표면 항원(EphA2)을 타겟으로 하는 항체로 구성된 분비형 이중 특이성 T-cell engager(BiTE)를 발현시킬 수 있습니다. 두 경우 모두 T 세포가 종양으로 이동하여 항종양 면역력이 전반적으로 향상됩니다.(Figure 3).

이 설계 전략의 잠재적인 함정을 고려하는 것이 중요합니다. 효과적인 항종양 면역 반응을 자극하면서도 바이러스 확산을 방해하지 않는 미세한 균형이 존재합니다. 이는 특히 신체 전체의 전이성 암을 표적으로 할 수 있는 VACV와 같은 바이러스를 활용할 때, 항암 바이러스 요법의 맥락에서 특히 중요합니다.

Figure 3. 종양 용해성 바이러스 감염에 의해 유발되는 항종양 면역의 다이어그램.

결론

전반적으로, VACV와 HSV는 암과의 싸움에서 매우 효과적인 항암제입니다. 이러한 재조합 바이러스를 활용하고 그들의 대용량 수송 능력을 이용함으로써, 우리는 이 바이러스들의 자연적인 항암 능력에 의존할 뿐만 아니라, 표적화, 혈관 형성, 면역 반응의 변형을 통해 그들의 효능을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 잘 설계된 항암 바이러스를 만드는 것은 BACYAC 백본에 대형 삽입물을 클로닝하는 것과 같은 어려움을 포함하여 많은 어려움이 있을 수 있습니다. 그러나 VectorBuilder는 도전적인 클로닝 프로젝트에서 광범위한 경험을 가지고 있으며, 귀하의 바이러스가 높은 정확도와 효율성으로 제작될 수 있도록 보장할 수 있습니다. 점점 더 발전된 유전적 도구에 대한 접근과 결합하여 계속 증가하는 지식은 보다 표적화되고 효과적인 종양 용해성 바이러스 치료법의 미래 개발을 위한 흥미로운 기회를 제공합니다. 

References

Lin, D., Shen, Y. & Liang, T. Oncolytic virotherapy: basic principles, recent advances and future directions. Sig Transduct Target Ther 8, 156 (2023).

Zhu X, Fan C, Xiong Z, Chen M, Li Z, Tao T, Liu X. Development and application of oncolytic viruses as the nemesis of tumor cells. Front Microbiol. 2023 Jun 12;14:1188526. doi: 10.3389/fmicb.2023.1188526. PMID: 37440883; PMCID: PMC10335770.

Tang G, Wang D, Zhao X, Feng Z, Chen Q, Shen Y. The Dilemma of HSV-1 Oncolytic Virus Delivery: The Method Choice and Hurdles. Int J Mol Sci. 2023 Feb 12;24(4):3681. doi: 10.3390/ijms24043681. PMID: 36835091; PMCID: PMC9962028.

Kaufman, H., Kohlhapp, F. & Zloza, A. Oncolytic viruses: a new class of immunotherapy drugs. Nat Rev Drug Discov 14, 642–662 (2015). https://doi.org/10.1038/nrd4663

Peters C, Rabkin SD. Designing Herpes Viruses as Oncolytics. Mol Ther Oncolytics. 2015;2:15010–. doi: 10.1038/mto.2015.10. Epub 2015 Jul 22. PMID: 26462293; PMCID: PMC4599707.

Xu L, Sun H, Lemoine NR, Xuan Y, Wang P. Oncolytic vaccinia virus and cancer immunotherapy. Front Immunol. 2024 Jan 12;14:1324744. doi: 10.3389/fimmu.2023.1324744. PMID: 38283361; PMCID: PMC10811104.

Liu X, Zhao J, Li X, Lao F, Fang M. Design Strategies and Precautions for Using Vaccinia Virus in Tumor Virotherapy. Vaccines (Basel). 2022 Sep 17;10(9):1552. doi: 10.3390/vaccines10091552. PMID: 36146629; PMCID: PMC9504998.