1. 연구의 배경 및 필요성

1) 암 치료용 항체 개발 동향
국내의 암 통계 자료를 보면 2004년 전체 사망자의 26.3%가 암에 의해 사망한 것으로 나타났다. 전 세계적으로도 암은 감염성 질환 및 심혈관계 질환에 이어 3위의 사망 원인을 차지하고 있으며, 그 중 선진국에서는 심혈관계 질환 다음인 2위의 사망원인을 차지하고 있다. 이와 같이 사회적으로 큰 문제인 암을 극복하기 위해 많은 치료제 및 외과적 수술 방법이 개발되어 왔으나 아직까지 암을 완치시킬 수 있는 항암제는 개발되지 못하였다.

그림1. American cancer society, 2002 암 발생 통계자료

현재 암을 치료하기 위해서는 일반적으로 수술을 시행하며, 그와 동시에 항암제 투여와 같은 화학치료와 방사선 치료를 수반하게 된다. 그러나 이러한 치료 방법은 정상 조직까지 파괴시키는 등 부작용이 심각하고, 환자에 따라 그 치료 효과가 다르며 약제에 대한 내성이 생긴다는 문제점이 있다.
따라서 암세포와 정상세포를 효과적으로 구별할 수 있는 높은 항암제의 개발이 “targeted cancer therapy"란 개념으로 진행되고 있다. targeted therapy란 암세포에서 발현되는 특정적인 단백질을 표적으로 하여 그 단백질의 항체 또는 ligand를 약으로 개발하는 방법으로서, 이런 약제는 정상 조직에는 결합하거나 침투할 수 없고 암세포에 특이적으로 작용하므로 이전 항암제의 부작용을 없앨 수 있는 획기적인 약제로 여겨지고 있다.
상기의 targeted therapy의 한 종류가 바로 치료용 항체를 매개로한 면역치료법인데, 이는 암세포 특이적인 항체를 주입하고, 이 항체가 단백질에 붙으면 항체로 인해 일어나는 자연적인 면역반응을 통해 암세포를 사멸시키는 방법이다.
이러한 치료용 항체는 질병에 특이적인 타겟만 있다면 다양한 질환에 적용 가능하다는 점, 타겟의 생물학적 역할이 파악된다면 그 항원을 투입하였을 때 부작용을 쉽게 예측할 수 있다는 점과 체내 반감기가 길어 장시간 약효를 유지할 수 있다는 장점을 가지고 있어 생명공학 의약품으로 급격히 개발되고 있다.


2) 국제적 동향

1975년 Kohler 와 Milstein 에 의해 마우스 단일클론항체 제조 기술이 개발된 이래 항체는 진단용 시약으로 유용하게 사용되어 왔으며, 항체를 다양한 질환의 치료제로 사용하려는 시도가 미국 등을 비롯한 선진국의 대형 제약사는 물론 많은 바이오 벤처회사들에서 계속되고 있다. 1980년대까지는 mouse 항체 자체를 치료용 항체로 개발하고자 하였으나 큰 효과를 거두지 못하였고, 1990년대 후반에 개발된 재조합 항체 제조 기술(humanized antibody)이 개발된 후부터 다양한 난치성 질환의 치료제 및 생물학적 신약 개발의 중요한 소재로 부각되기 시작하였다. 2005년 현재 미국 FDA로부터 18종의 치료용 항체가 승인을 받았으며, 임상 3상 15종, 임상 2상 74종, 임상 1상 63종의 항체를 포함하여 전 세계 100여개의 작고 큰 회사에서 350 여개의 치료용 후보 항체가 개발되고 있는 것으로 보고되고 있다.

그림 . 개발 중인 치료용 항체의 적용 분야 분포 (2005년)

치료용 항체의 전체 시장 규모는 2004년 100억 달러 규모에서 2010년에는 300억 달러로 연평균 20%의 성장률을 보일 것으로 추정하고 있으며(Datamonitor 2005 자료), 특히 암 치료 분야에서 치료용 항체의 개발이 두드러진다. 가장 초기에 개발된 lymphoma 치료제 Rituxan (anti-CD20)은 2005년 18억 달러가 판매된 것 이외에도, 고형 암 치료용 항체 Avastin(anti-VEGF)와 herceptin(anti-erb-2), Erbitux(anti-EGFR)는 각각 11억 달러, 7억달러 등의 판매를 올리는 등 성공적으로 개발되어 시판되고 있다. 또한 현재 진행 중인 연구 프로그램도 암 치료제 분야에 집중되어 있어, 향후 암을 target으로 하는 치료용 항체 개발이 더욱 치열해 지고 시장규모도 더욱 확대될 것으로 전망되고 있다.

그림 . 세계 치료용 항체 시장 규모 (2005, data monitor)

3) 국내 현황
국내의 암 관련 연구는 대학 연구실과 벤처에서 개별적으로 타겟에 대한 연구가 상당한 수준에 있으며, 특히 많은 암 타겟에 대한 기능 연구 등을 중심으로 하여 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 국내 많은 제약회사들이 암 관련 치료용 항체 기술에 대해 많은 관심을 보이고 있으며, 치료용 항체 개발을 위해 적극적인 개발을 시도하고 있다. 또한 기존에 항체를 이용한 진단 시약 개발 및 표지자 개발을 실시하던 벤처와 대학 연구실에서도 치료용 항체 개발을 시도하고 있다.

4) 문제점 및 전망
국내에서는 질환 타겟 및 이들에 대한 항체 등에 대한 정보 및 재산권은 향후 BT 산업에 매우 중요함에도 불구하고 이들에 대한 확보 노력이 미흡하다. 또한 국내의 제약회사들은 외국의 거대 제약회사에 비해 개발 비용에 대한 부담이 크기 때문에 신약 개발에 대한 투자가 미흡하였으며, 그동안 화학합성물 약품의 개발에 집중하였을 뿐 바이오 의약에 대한 기술 관심과 개발 노력이 미흡하여 항체 관련 기반 기술이 취약하다는 단점을 가지고 있다. 그러나 항체 치료제의 경우 항체 관련 기반 기술들은 국내에서 상대적으로 경쟁력 있는 분야인 분자생물학적 기술이 토대가 되어야 하기 때문에 조기에 선진국 수준의 경쟁력 확보가 가능하다. 또한 다른 소분자 신약이 개발기간이 평균 10~12년이 걸리며 많은 투자 금액이 소요되나 항체 치료제의 경우 개발기간을 5~6년으로 단축할 수 있고, 전임상 비용도 2백만 달러로 기존의 신약에 비해 1/10 셈이다. 더군다나 항체치료제는 미국식품의약품안전청 신약 승인률이 대단히 높고, 시장에서 가격이 높으며 제네릭의 도전이 아직 높지 않다는 큰 장점이 있어 국내 현실에 매우 적합하다.

그림 . 기존 신약과 비교한 치료용 항체의 장점.

5) 국내 연구 개발의 필요성
국립암센터 발표 자료에 다르면, 국내에서 신규로 암 발생 건수는 1992년에 약 62000건이었으나 2002년에는 122000건으로 약 2배가 증가하였으며, 2004년의 사망률을 보면 전체 사망자의 26.3%가 암에 의한 사망인 것으로 나타났다.
국내 항암제 시장은 현재 연간 약 1000억 원 정도이며, 향후 높은 성장세를 보일 것으로 전망되고 있다 세계적으로는 1997년에 항암 치료제의 매출액이 80억 달러를 초과하였으며, 2007년까지 총 150억 달러의 시장을 형성하는 등 급신장세가 전방된다.
현재, 재약업계에서 치료용 항체의 시장은 가장 가파르게 성장하고 있으며 그 중에서도 항암제로써의 치료용 항체의 개발은 다른 치료분야보다 그 약진이 두드러진다. 실례로 악성 림프종 치료제인 Rituxan은 1998년 시판 첫해 약 1억 6천만 달러의 매출을 기록한 이래 매년 그 매출이 급속히 증가하여 2003년에는 약 4억 9천만 달러의 매출을 기록하였고, 2006년에는 약 22억 달러에 이르는 매출이 기대되고 있다.
항체 치료제 개발에 가장 중요하게 고려되어야 할 점은, 항체치료제 시장은 현재가 초기라는 점이다. 항체치료제는 미국 FDA 승인을 기다리고 있는 바이오 의약 중 가장 많은 비중을 차지하고 있는 의약품이다. 대부분 인간화 또는 인간항체인 약 270개 이상이 임상시험 중에 있으며, 향후 2008년까지는 약 60~70여개 이상의 항체가 시판되며 연간 약 29% 이상의 폭발적인 성장률을 보이며 성장하여 140억불 이상의 시장을 형성할 것으로 추정된다. 특히 인간 유전체 프로젝트의 상승효과를 통해 치료용 항체의 개발은 더욱 더 용이해질 것으로 판단된다. 또한 최소한 향후 20여 년간은 고성장을 유지할 것으로 전망된다. 이처럼 앞으로의 시장성을 더불어, 항체 치료제 개발의 경우 개발 시, 개발 기간의 단축 및 이에 따른 비용 감소를 생각해 볼 때 국내의 현실에 적합하다.

6) 기술 공조의 필요성
<적합한 타겟의 선정>
항체 제작 기술이 약의 제제 부분에서 가장 핵심적인 부분을 차지하고 있다면, 적절한 항체 타겟의 선정은 치료용 항체 개발의 출발지라 할 수 있다.
표적(target)은 질환과 연관된 분자를 의미하며, 신약 개발을 위해서는 우선적으로 표적 탐색과 표적 검증의 단계가 선행되어야 한다. 이 단계는 최근 인간 유전체학을 비롯한 각종 -omics 연구 분야의 발전에 힘입어, 신약을 만드는데 가장 전략적인 단계로 인식되고 있다.
표적 검증 단계 전에 수행할 수 있는 표적의 기초 검증 단계는 표적의 유용성을 질환과의 연관성을 중심으로 단기간에 수행하는 연구를 의미한다. 이는 주로 immunohistochemistry를 통한 clinicopathological study에 의해 이루어지게 된다. 항암의 항체 표적은, 철저한 표적 검증 후에 lead generation을 수행하는 small molecule 신약과는 달리, 표적의 초기 검증만으로도 library 탐색에 대한 근거를 확보할 수 있어 매우 중요한 단계로 인식된다.
그림 . TMA 와 survival rate의 한 예 Tissue microarray (TMA)는 여러 환자의 조직을 하나의 블록에 담아 동시에 면역조직화학을 할 수 있는 방법으로 HTS를 가능하게 한다. TMA를 통해 얻은 결과를 바탕으로 특정 단백질의 발현과 환자의 생존률과의 상관관계를 분석하여 항암에 적합한 타겟을 선발할 수 있다.

그림 . TMA 와 survival rate의 한 예

<항체 기술관련>
항체 제작관 관련된 기술적 측면에서 치료용 항체 개발 동향을 분석해 보면 Humanization antibody technology, Fully human antibody technology, Antibody Fragment technology, Conjugated antibody technology로 크게 4가지 기술로 구분해 볼 수 있다. 현재 시장을 주도하고 있는 항체 치료제는 Rituxan, erbitux등 chimeric 항체와 Herceptin, Avastin등의 humanization 항체지만 chimeric 항체는 임상을 진행하고 있는 pipeline 제품이 매우 적어 점차 시장 점유율이 감소할 것으로 보인다. full human 항체는 현재 humira한 제품만이 판매되고 있으나 임상 단계에 있는 후보 항체 치료제 중에서는, 후기 임상에 진입한 치료용 항체 중 인간 항체가 27%, 초기 임상 단계에서는 인간 항체 기술이 압도적으로 사용되고 있어 향후 치료용 항체 시장을 주도할 것이라 예상된다.
문제는 인간 항체를 만들 수 있는 방법이 매우 제한되어 있다는 점인데, 인간 항체를 개발하기 위해서는 transgenic mice 및 phage-display 원천 기술이 필요하다. 두 방법은 각각 장단점이 있으나 transgenic mice 기술의 사용은 접근이 용이하지 않아 phage-display library 기술이 국내 현실과 기술 수준을 감안하면 최선의 선택이라 생각된다. 국내에서는 생명공학연구원을 비롯하여 몇 개 대학에서 phage display를 이용한 연구가 90년대 후반부터 이루어지고 있다. 인제대와 강원대 팀의 경우 비록 소규모이나 항체 library를 제작하여 CMV에 대한 항체를 골라내는데 성공하였다.

그림 . phage-display 개념도

<항체의 항암 효과 입증>
치료용 항체가 암세포에 cytotoxic effect를 나타내기 위해서는 몇 가지 작용기전이 복합적으로 이용되는데, 대부분은 ADCC(antibody-dependent cellular cytotoxicity) 또는 CDC(complement-dependent cytotoxicity)를 통한 면역 체계를 통해 효과를 나타낸다. 이런 항체의 효과를 in vitro 상에서 확인할 수 있는 방법이 ADCC Assay와 CDC Assay 방법이다.
ADCC는 MK cell, 백혈구, 대식 세포 등 Fc 수용체를 가지고 있는 세포에 의해 무작위로 일어나는 세포 독성이다. in vitro 상의 ADCC 분석을 위해서는 건강한 제공자의 혈액에서 PBMC를 분리하여 사용하게 되며, 형광으로 표지된 세포가 항체에 의해 죽어나가면서 media에 방출되는 형광의 양으로 독성을 측정하게 된다. 반면 CDC는 혈청 속에 들어있는 complement의 기능 때문에 일어나는 현상으로 표적 세포의 용해를 일으킨다. in vitro상의 CDC 분석을 위해서는 일반적으로 heat inactivation을 주지 않은 혈청을 사용하며, 역시 media에 방출된 형광의 양으로 독성을 측정하게 된다.

그림 . 치료용 항체의 작용 기작 개념도

<치료용 항체 개발을 위한 전임상 및 임상 개발>
최근 국내 대다수의 제약회사들에서 치료용 항체 개발에 대한 관심이 고조되고 있으며, 바이오 의약 개발에 필수적인 분야로 인식되고 있다. 이수앱지스(심근경색방지, 대장암), 녹십자(B형 간염), 유한(B형 간염 관절염)이 활발하게 치료용 항체 개발 프로그램을 수행하고 있으며, 에이프로젠(인간화 항체 제조기술), LG 생명과학(인간 항체 라이브러리 구축), 프론티어랩(산화 특이적 항체 개발), 다이노나(신규 급성백혈병 치료항체 개발)등의 회사에서 핵심 기술을 구축하여 치료용 항체 개발에 참여하고 있다. 그러나 현재까지는 기반 기술 등의 취약으로 과감한 투자를 망설이고 있는 실정이다. 기업의 기반 기술 취약을 보완하기 위해서는 외국과 같이 대학이나 연구소와의 pipeline 구축이 필수적이다. 국외의 항체 치료제 개발 동향을 시장 측면에서 보면 Genentech, Abbott, Abbott, Johnson&Johnson, BMS 사와 같은 거대 제약사에서 전체 치료용 항체 시장의 76%를 치지하며 개발을 주도하고 있다. 그러나 이들 거대 제약사들은 초기 연구 단계에서부터 항체 개발을 시도하는 것 보다는 원천 기술을 확보하고 있는 생명공학 벤처사와 공동연구 및 기술 도입을 통해 pipeline 제품군을 구축하고 임상 단계부터 항체를 개발하고 있다.
국내의 제약회사에서는 현재까지 매우 초기 단계의 개발을 진행하고 있지만, 최근 대웅제약 및 광동제약 등에서 치료용 항체 개발을 위해 적극적인 외부 기술을 도입하고 있고, 기존에 항체를 이용한 진단 시약 개발 및 표지자 개발을 실시하던 벤처와 대학 연구실에서도 치료용 항체 개발을 시도하고 있어 향후에는 국내에서도 매우 치열한 경쟁이 예상된다.
치료용 항체를 개발하기 위해 질환 표적을 발견하고 그것을 검증하는 일은 아직 biopharmaceutical에 대한 노하우가 부족한 국내 제약업체로에 커다란 걸림돌이 되고 있다. 한 제약회사에서 항체 타겟의 발굴 및 in vitro에서의 실험을 통해 후보 물질을 도출하는데는 통상 4년 이상의 시간이 소요되는데, 이러한 연구 기간을 단축해야만 치열한 경쟁 속에서 성공적인 치료용 항체를 개발할 수 있다. 따라서 이와 같은 대내외적인 환경에 적극 대처하고, 향후 효율적인 바이오 제품 개발을 위해 신규 항체 및 타겟 풀의 구축이 절실히 요구된다. 이는 외국의 경향과 같이 국내의 대학 실험실이나 생명공학 연구실들과의 pipeline 형성을 통해, 지속적인 후속 항체 아이템을 제공받아 해결할 수 있다.


2. 연구의 목표 및 범위
1) 최종 연구의 목표
치료용 항체를 개발하기 위해, 적절한 target의 선정과 검증, 치료용 항체의 선별, 전임상 및 임상 시험으로 연결되는 파이프 라인을 구축. 구축된 치료용 항체 개발 기술을 통해 항암을 목적으로한 치료용 항체를 개발한다.

2) 역할 분담 및 추진 체계
• SNU : TMA와 clinicopathological study를 통해 치료용 항체에 적합한 타겟 선발 phage-display에 의해 선택된 항체에 대한 항암 효능 검증
• KRIBB : 선발된 타겟에 대해 phage-display를 수행하여 적합한 항체를 선발
• 유한양행 : 선발된 치료용 항체에 대해 전임상 및 임상 시험 수행