키메라 항원 수용체(CARs)는 특정 표적 항원을 표현하는 세포를 인식하고 제거하기 위해 일반적으로 T 세포인 림프구를 리디렉션하는 공학적 합성 수용체이다. 세포 표면 표적 항원에 대한 CAR 결합은 MHC 수용체와 무관하며 활발한 T세포 활성화와 강력한 항종양 반응을 일으킨다. 현재 CAR-T 세포는 다발성 골수종뿐만 아니라 B 세포 백혈병 또는 림프종의 특정형을 치료하는 데 중요한 임상 반응을 보였다. 그러나 심각한 독성 부작용, 항원 유출, 제한된 종양 침투, 종양 미세 환경에 의한 억제와 같이 효과를 방해하는 많은 한계도 있다.
CAR-T 세포 치료의 현재 연구 진행 상황을 더 잘 알아보기 위해 다음의 세 가지 기본 측면에 대해 논의해 보려고 한다:
★ CAR 구조 및 설계 원칙
★ CAR-T 세포 치료의 한계 및 잠재적 위험요인
★ 난관을 극복하고 치료효과를 높이기 위한 혁신적 전략
본 기사에서는 CAR 구조와 설계의 기본 원칙을 검토하는 것으로 시작한다. CAR는 세포외 표적 항원 결합 도메인과 경첩부위, 막관통 도메인, 하나 이상의 세포내 신호전달 도메인의 네 가지 주요 부분으로 구성된 모듈식 합성 수용체이다.
항원 결합 도메인은 표적 항원에 대한 특이성을 부여하는 CAR의 일부이며 일반적으로 항체의 가변 중쇄(VH)와 가변 경쇄(VL)에서 파생되여 단일 사슬 가변 조각(scFv)을 형성하기 위해 유연한 링커로 연결된다. 이 부분은 종양 세포 표면의 항원을 직접 인식하여 MHC-독립 T 세포 활성화로 이어질 수 있다.
scFv는 표적 에피토프를 인식하고 결합하는 것 외에도 CAR 기능에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 중요한 특징을 가지고 있다. 예를 들어 VH와 VL 사슬 간의 상호작용 모드와 보완 결정 영역의 상대적 위치는 표적 에피토프에 대한 CAR의 친화도 및 특이성에 영향을 줄 수 있다. CARs의 항원 결합 친화도는 종양 세포의 항원을 인식하고, CAR 신호 전달을 유도하고, T 세포를 활성화할 수 있을 만큼 충분히 높아야 하지만 활성화로 인한 세포 사멸과 CAR 발현 세포에서 독성을 유발할 정도로 너무 높아서는 안된다. 표적 항원에 대한 CAR의 결합을 최적화하려면 에피토프의 위치, 표적 항원의 밀도, 리간드 독립 강력 신호의 회피를 포함한 다른 요소들이 고려되어야 한다.
경첩 또는 스페이서 영역은 막관통 도메인에서 결합 단위(scFv)까지 확장되는 세포외 구조 영역으로 정의된다. 경첩은 입체 장애를 극복할 수 있는 유연성을 제공하여 항원 결합 도메인이 표적 에피토프에 접근할 수 있도록 한다. 경첩의 길이와 구성의 차이는 결합 유연성과 CAR 발현, 신호 전달, 에피토프 인식, 활성화 출력 강도, 에피토프 인식을 포함하여 여러 가지 방법으로 CAR-T 세포의 기능에 영향을 미칠 수 있다. 또한 일부 연구에서는 스페이서의 길이가 면역학적 시냅스 형성을 촉진할 수 있도록 세포 간 거리를 충분히 제공하는 데 결정적 작용을 한다는 것을 보여주었다.
가장 일반적으로 사용되는 경첩부위는 CD8 또는 CD28, IgG1, IgG4의 아미노산 서열에서 파생된다. 이 중 IgG 파생 스페이서는 Fcγ 수용체와 상호작용할 수 있기 때문에 생체 내 지속성을 감소시키는 CAR-T 세포 고갈을 초래할 수 있다. 현재 일부 연구에서는 IgG Fc 수용체 결합 부위를 돌연변이시켜 이 문제를 해결하려고 하고 있다.
막관통 도메인의 주요 기능은 CAR를 T 세포막에 고정시키는 것이다. 그러나 다른 증거에 따르면 CAR-T 세포의 기능과도 관련이 있을 수 있다. CAR 막관통 도메인은 신호 전달이나 시냅스 형성에서 중요한 역할을 하는 CAR의 발현과 안정성뿐만 아니라 내인성 신호 분자의 이합체화에 영향을 미칠 수 있다.
대부분의 막관통 도메인은CD3ζ 또는 CD4, CD8α, CD28을 비롯한 천연 단백질에서 파생된다. CD3ζ 막관통 도메인은 CAR 이합체화 및 내인성 TCR의 통합을 매개하기 때문에, CD3ζ 막관통 도메인은 T 세포 활성화를 촉진하는 동시에 CAR 안정성을 저하시킬 수 있다. 또한, 막관통과 경첩부위는 시토카인 생산 및 활성화 유도 세포 사멸(AICD)에 영향을 미칠 수 있기 때문에 CD8α 막관통과 경첩 도메인을 가진 CAR-T 세포는 CD28을 가진 세포보다 TNF와 IFN-γ를 덜 방출하고 AICD에 대한 민감도를 감소시킨다.
요약하자면, 근위 세포 내 도메인을 해당 막관통 도메인에 연결하는 것은 적절한 CAR-T 세포 신호 전달을 용이하게 할 수 있다. CD8α 또는 CD28 막관통 도메인을 사용하면 CAR 발현과 안정성을 향상시킬 수 있다.
가장 잘 연구된 CAR 분자 구조의 구성 요소는 공동 자극 도메인이다.
1990년대 후반에 설계된 1세대 CARs는 CD3ζ 또는 FcRγ 신호 도메인을 포함했지만 생체 내 내구성과 지속성이 이상적이지 않았고 임상 시험에서 제한적이거나 치료 효과가 전혀 나타나지 않았다.
공동 자극 도메인이 지속적인 치료에서 중요한 역할을 한다는 이해를 바탕으로 CD3ζ 세포 내 신호전달 도메인과 연결된 단일 공동 자극 도메인을 가진 2세대 CARs가 개발되었다. 현재 FDA가 승인한 CAR-T 치료제의 일반적인 두 가지 공동 자극 도메인은 높은 환자 반응률과 관련된 CD28과 4-1BB(CD137)이다. 임상적으로 2세대 CAR-T 세포는 만성 림프구성 백혈병과 B 세포 급성 림프구성 백혈병, 미만성 거대 B 세포 림프종, 다발성 골수종과 같은 다양한 혈액 악성 종양에서 강력한 치료 반응을 보였다. 고형 종양의 경우 교모세포종, 발전적 육종, 간 전이, 난소암 등에 주로 적용되어 왔다. 또한 여러 가지 대체 공동 자극 도메인이 사용될 수 있다.
아마도 불완전한 활성화는 단 하나의 도메인을 통한 공동 자극 때문일 수 있다. 따라서 CD3ζ와 연결된 두 개의 공동 자극 도메인을 포함하는 3세대 CARs가 개발되었다. 그러나 3세대 CARs에 대한 전임상 연구가 상이하고 심지어 모순되는 결과를 보여 그들의 번역 응용 프로그램을 제약했다.
CAR 분자는 CAR-T 세포 치료 효과에 매우 중요하기 때문에 CAR 분자의 구성과 구조를 이해하고 적절한 CAR 설계를 함께 선택하는 것은 전임상 연구에서 중요한 역할을 한다. 친화도를 최적화하거나 적절한 공동 자극 도메인을 선택함으로써 CAR-T 세포는 체내에서 지속되고 살상 기능을 유지할 수 있으므로 이 치료의 효과와 안전성을 더욱 보장할 수 있다.
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