항체를 찾아내기

📍 현재 위치: 여정의 5번째 구간(총 21개) — 우리는 표적을 알아냈고, 이제 그 표적을 정확히 붙잡는 항체를 찾아내야 합니다.

다중 웰 마이크로플레이트는 수십 개의 작은 배양물을 나란히 담아, 한 번의 스크리닝으로 여러 항체 후보를 동시에 시험할 수 있게 해 줍니다 — 발굴의 핵심인 고속 대량 선별입니다. 다중 웰 마이크로플레이트. 이미지: CSIRO, CC BY 3.0, Wikimedia Commons.

지난 단계에서 우리는 표적(target) 을 골랐습니다. 우리 약이 붙잡았으면 하는, 병든 세포 위나 그 주변의 특정 분자죠. 이제 보물찾기가 시작됩니다. 그 표적에 완벽하게 결합하는 단 하나의 항체(antibody), 즉 면역계가 특정 대상을 알아보고 달라붙는 데 쓰는 Y자 모양 단백질을 찾아내야 합니다. 이 여정의 끝에 놓인 상품은 액체가 담긴 약병이 아닙니다. 그것은 한 조각의 DNA, 즉 그 항체를 만드는 정확한 설명서이며, 그 뒤로 이어질 모든 세포와 배치(batch)와 투여분의 씨앗입니다.

쉽게 말하면

표적을 자물쇠라고 생각해 보세요. 우리는 그 자물쇠에 딱 맞는 단 하나의 열쇠를 찾아야 합니다. 동물의 면역계에게 열쇠를 깎아 달라고 부탁할 수도 있고, 미리 만들어진 수십억 개의 열쇠가 담긴 거대한 통을 뒤져서 하나가 쑥 들어갈 때까지 뒤질 수도 있죠. 어느 쪽이든, 작동하는 열쇠를 찾으면 거친 모서리를 다듬고, 주머니 속에서 몇 년을 버틸 수 있는지 확인한 다음, 완벽한 복제본을 영원히 찍어낼 수 있도록 설계도를 적어 둡니다.

이 장에서 다루는 내용

우리는 후보 항체에 이르는 두 갈래의 평행한 경로를 따라가 봅니다. 동물 기반의 하이브리도마(hybridoma) 법과 시험관 기반의 파지 디스플레이(phage display) 법이죠. 그리고 각 방법 뒤에 숨은 실제 숫자들을 살펴봅니다. 쥐 실험에 얼마나 오래 걸리는지, 파지 라이브러리(library)는 얼마나 큰지, 승자를 농축하는 데 선별을 몇 차례 돌려야 하는지를요. 그다음에는 이 후보들이 세 개의 정련 관문을 통과하는 모습을 지켜봅니다. 친화도 성숙(affinity maturation, 더 단단히 붙잡기), 인간화(humanization, 인체가 견딜 만큼 사람처럼 보이게 하기), 그리고 개발성(developability, 공장과 냉장고를 견뎌내기) 이죠. 현대 산업이 왜 점점 더 쥐를 아예 건너뛰고 완전 인간 라이브러리와 형질전환 마우스로 옮겨가는지도 보게 됩니다. 마지막으로 살아남은 후보들이 결합력, 동역학, 안정성, 효과기 기능을 한꺼번에 저울질하는 리드 선별 깔때기(lead-selection funnel) 로 들어가, 세포에 건네줄 준비가 된 단 하나의 코돈 최적화된 DNA 서열(codon-optimized DNA sequence) 에서 끝나는 과정을 따라갑니다. 그리고 그 서열이 정확히 어디서 왔는지 알고 싶어 할 규제 당국에 대한 언급으로 마무리합니다.

항체 가변 영역의 해부

항체를 찾아 나서기 전에, 우리가 무엇을 찾는지, 그리고 승자가 남은 여정 내내 무엇을 짊어지고 가야 하는지를 아는 것이 도움이 됩니다. 항체의 일하는 부분은 그 가변 영역(variable region) 이며, 두 개의 짧은 단백질 구간에 나뉘어 있습니다. 중쇄 가변 영역(heavy-chain variable region, VH) 과 경쇄 가변 영역(light-chain variable region, VL) 이죠. 이 두 도메인이 함께 접혀 결합 주머니를 이루며, 이 장이 하는 모든 일 — 선택, 성숙, 인간화, 선별 — 은 그 주머니와 그것을 둘러싼 분자를 빚어내기 위한 것입니다.

하지만 리드 후보는 결코 "결합하는 서열" 하나에 그치지 않습니다. 이 단계를 떠날 무렵 그것은 하나의 신분증 입니다. 구조(VH + VL에 더해, 실제로 붙잡는 일을 하는 여섯 개의 짧은 고리 — 인간화 절에서 자세히 다룰 CDR(상보성 결정 영역, complementarity-determining regions) — 가 인간 골격 위에 얹힌 것)와, 일련의 측정된 개발성 속성(developability attributes) — 친화도(Kd, 아래에서 설명할 결합 강도 수치), 결합 동역학(kon/koff), 열안정성(Tm), 응집 상태 — 그리고 Fc 효과기 프로파일(Fc는 항체의 안정적인 "꼬리"로, 그 효과기 기능이 면역계를 동원합니다 — 뒤에서 자세히 다룹니다)과, 그것을 암호화하는 최종 코돈 최적화 DNA(제조 세포가 효율적으로 읽도록 다시 쓴 DNA로, 이 장 끝에서 설명합니다)가 한 묶음으로 엮인 것이죠. 그 숫자들 하나하나는 실제 기기 판독에서 태어나며, 하류에서 거듭거듭 다시 측정됩니다. 그 구조-더하기-속성 묶음이야말로 이후 모든 장이 물려받는 것입니다.

리드 후보는 맨 서열이 아니라 하나의 신분증입니다. 측정된 개발성 속성(Kd, kon/koff, Tm, 응집)을 짊어진 VH + VL 구조가 하류의 모든 장으로 이어집니다. 저자가 AI의 도움을 받아 직접 제작한 그림입니다.

그 신분증의 아래쪽 패널을 보세요. Tm, Kd, 응집 판독값은 실험 노트에 그냥 적혀 있는 것이 아닙니다. 하나하나가 기기로 생성되고, 구조화된 측정값으로 기록되며, 기록 시스템에 저장됩니다. 데이터 관리 에서는 그런 판독값 하나가 어떻게 거버넌스를 거친 데이터 포인트(소유자, 타임스탬프, 감사 추적이 명확한 데이터 포인트)가 되는지를 따라가고, 오픈소스 바이오프로세스 데이터 시스템 에서는 그 같은 포인트가 LIMS/ELN 스키마의 구체적인 행으로 안착하는 모습을 봅니다. 물리적 분자는 닻이고, 데이터 가닥은 여기서 시작됩니다.

후보에 이르는 두 경로

후보 항체를 찾는 고전적인 방법은 두 가지가 있고, 대부분의 현대 프로그램은 둘 다의 변형을 함께 돌립니다.

경로 A — 동물에게 부탁하기 (하이브리도마 법)

우리는 표적, 즉 항원(antigen) 의 아주 적고 무해한 양을 보통 BALB/c 같은 근교계(inbred) 계통의 쥐에 주사합니다. 이때 면역계가 침입자를 진지하게 받아들이도록 알려 주는 보조제(adjuvant), 즉 면역계의 "비상벨"(고전적으로는 프로인트 보조제)을 섞어 줍니다. 약 8–12주 동안 반복 주사를 하면 쥐는 다클론 반응(polyclonal response) 이라 불리는 반응을 일으킵니다. 서로 다른 여러 B세포(B cell)(면역계의 항체를 만드는 백혈구)가 저마다 깨어나 각자 한 종류의 항체를 만들기 시작하는 것이죠. (여기서는 정확히 짚어둘 필요가 있습니다. 사람들은 종종 쥐가 "수백만 개의 항체를 만든다"고 말하지만, 개별 B세포 하나하나는 정확히 하나의 클론형(clonotype), 즉 하나의 항체 서열만을 만듭니다. 쥐 전체로 보면 다양한 혼합물을 만들어 내며, 우리의 일은 그중에서 우리 표적을 가장 잘 붙잡는 항체 하나를 가진 드문 개별 B세포를 낚아 올리는 것입니다.)

문제는 B세포를 그냥 두면 몇 번 분열한 뒤 죽어 버린다는 점입니다. 쾰러(Köhler)와 밀스테인(Milstein)이 고안한 노벨상급 묘책은, 항체를 만드는 B세포를 골수종 세포(myeloma cell), 즉 지치지 않고 분열하는 암성 골수 세포와 융합(fuse) 시키는 것이었습니다. 두 막을 녹여 붙이는 데에는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG) 을 씁니다 [1]. 흔히 쓰는 골수종 융합 파트너는 SP2/0-Ag14 나 P3X63Ag8.653 같은 비분비 세포주인데, 이들은 자기 자신의 항체를 더 이상 만들지 않아 결과를 오염시키지 않기 때문에 선택됩니다. 융합된 세포 하나, 즉 하이브리도마(hybridoma) 는 B세포의 단일 항체 레시피와 골수종의 끈기를 함께 물려받아, 단 하나의 순수한 항체를 쏟아내는 작은 공장으로 자라납니다.

이후 단계에서 중요한 주의 사항 하나. 하이브리도마는 튼튼하지만 "영원히 살고 분열한다"는 의미에서 진정으로 불멸하지는 않습니다. 여러 차례 계대(passage, 배양을 키우고 나누는 과정의 반복)를 거치면 염색체를 잃거나, 분비를 멈추거나, 노화(senesce, 늙어서 분열을 멈춤) 할 수 있습니다. 이런 취약성은 산업이 결정적인 마스터 세포 은행(Master Cell Bank) 을 일찌감치 동결해 두고, 끝없이 열린 실험실 배양이 아니라 통제된 비축물로부터 작업하는 이유 중 하나입니다. 이 주제는 다음 장에서 다시 다룹니다.

경로 B — 라이브러리 뒤지기 (파지 디스플레이)

동물 대신, 우리는 실험실에서 거대한 항체 단편 모음을 만들어 표적 그 자체가 승자를 고르게 할 수 있습니다. 각 단편은 박테리오파지(bacteriophage), 즉 세균만 감염시키는 무해한 바이러스의 표면에 진열되는데, 여기서는 아주 작은 광고판으로 쓰입니다. 매캐퍼티(McCafferty)와 동료들의 선구적인 실험은, 항체의 가변 영역을 사상형 파지(filamentous phage)(흔히 M13 또는 fd 파지)에 이어 붙여, 각 파지가 그 항체를 바깥에 진 채로 안에는 같은 항체를 암호화하는 유전자를 담을 수 있음을 보여 주었습니다 [2]. 진열되는 단편은 보통 컴팩트하게 공학적으로 만든 조각입니다. 두 결합 도메인을 짧은 링커로 묶은 단일사슬 가변 단편(single-chain variable fragment, scFv) 이거나, 그보다 약간 큰 Fab 단편(Fab fragment) 이죠.

라이브러리 하나는 대략 60억–100억 개의 서로 다른 변이체를 담을 수 있고, 결합 강도는 엄청나게 넓은 범위에 흩어져 있습니다. 이 강도는 M(몰 농도, 즉 농도 단위 — 리터당 몰)으로 측정되는 해리 상수(Kd)이므로, 숫자가 작을수록 더 단단한 결합을 뜻합니다 — 처음에는 직관에 어긋나는데, 그 이유는 다음 절에서 풀어 봅니다. 그래서 그 범위는 약 10⁻⁶ M 정도의 약한 결합부터 10⁻¹² M에 가까운 아주 단단한 결합까지 펼쳐집니다 [5]. 좋은 결합체를 농축하기 위해 우리는 바이오패닝(biopanning) 을 돌립니다. 고정된 표적 위에 라이브러리를 부어 결합시키고(결합), 달라붙지 않은 것을 헹궈 내고(세척), 남은 것을 떼어 내고(용출), 세균 안에서 다시 키웁니다(증폭). 매 주기마다 결합체가 농축되며, 3–5회의 회차를 거치면 집단은 거의 무작위에 가깝던 바다에서 진짜 승자들의 작은 집합으로 옮겨갑니다. 파지 디스플레이는 박물관 유물이 아닙니다. 여러 승인된 치료용 항체 뒤에 있는 발견 엔진이며, 그중 가장 유명한 것이 블록버스터 아달리무맙(adalimumab)입니다 [5].

두 경로 모두 시작 단계에서는 의도적으로 낭비가 큽니다. 훌륭한 항체를 찾는 일은 숫자 게임이기 때문이죠. 진짜 결합체는 드물어 — 조사한 수백만~수십억 개의 세포나 클론 중 한 줌에 불과한데 — 바로 그래서 우리는 그토록 거대한 출발 풀로 시작하는 것입니다. (정확한 "적중률"은 단일한 숫자가 아닙니다: 경로에 따라, 그리고 무엇을 세느냐 — 양성 하이브리도마 웰, 농축된 파지 클론, 시퀀싱된 B 세포 — 에 따라 분모가 크게 다릅니다.)

후보 정련하기

거친 적중물 하나는 그대로 사람에게 넣기에 좋은 경우가 거의 없습니다. 세 개의 관문이 유망한 결합체를 약물 등급의 분자로 바꿔 놓습니다.

친화도 성숙 — 더 단단히 붙잡기, 그리고 표적 이탈의 맞교환

친화도(affinity) 는 항체가 표적을 얼마나 단단히 붙잡는지를 말하며, 해리 상수(dissociation constant, Kd) 로 요약됩니다. Kd가 작을수록 더 단단한 결합이죠. 오류 유발 PCR(error-prone PCR)(유전자를 일부러 엉성하게 복제해 돌연변이를 뿌리는 것)이나 효모 디스플레이(yeast display)(파지와 같은 선택·농축 논리를 효모 세포에서 돌리는 것) 같은 실험실 기법은 리드의 친화도를 10–100배 끌어올려, 흔히 한 자릿수 나노몰 또는 서브나노몰(nM; 나노몰은 10⁻⁹ M로, 위에서 소개한 범위의 중간쯤) 범위로 끌어내리는데, 이는 대부분의 치료 기전에 충분합니다 — 다만 다음 단락에서 논하듯 더 강하게 붙는 것이 무조건 더 좋은 것은 아닙니다 [6]. 하지만 "단단할수록 항상 더 좋다"는 것은 깨뜨릴 만한 미신입니다. 나노몰 이하 범위로 밀어붙이면 역효과가 날 수 있습니다. 분자가 표적이 아닌 유사 분자에 달라붙기 시작하거나, 추가된 돌연변이가 안정성을 해칠 수 있죠. 어느 지점을 넘어서면 친화도를 더 높여도 얻는 것은 없고 개발성을 잃을 수 있습니다.

인간화 — CDR 이식과 골격 보존

쥐 항체는 인간 면역계에 낯설게 보여, 인체가 그것을 공격해 약을 무력화할 수 있습니다. 해법은 인간화(humanization) 인데, "붙잡는 작은 부분만 남긴다"는 줄임말이 암시하는 것보다 훨씬 정교합니다. 위 신분증에서 보았듯, 항체의 가변 영역에는 상보성 결정 영역(complementarity-determining regions, CDR) 이라 불리는 여섯 개의 짧은 고리가 있어 실제로 붙잡는 일을 하며, 골격 영역(framework regions) 이라는 받침대 위에 얹혀 있습니다. 존스(Jones)와 동료들이 개척한 고전적인 CDR 이식(CDR grafting) 은 여섯 개의 쥐 CDR 고리 전부를 인간 골격 위에 옮겨 심습니다 [3]. 하지만 알몸으로 이식하면 친화도를 잃는 경우가 많은데, 이웃한 일부 골격 잔기가 고리의 모양을 미묘하게 빚어내기 때문입니다. 그래서 퀸(Queen)과 동료들이 보여 주었듯이, 인간화는 결합 기하 구조를 보존하기 위해 신중하게 고른 몇몇 쥐 골격 잔기(framework residues) 도 함께 남기면서, 서열의 대부분은 인간 생식세포계열(human germline)(몸이 물려받아 자기 것으로 여기는 표준 인간 항체 유전자 주형)로 바꿉니다 [4]. 그 결과 인체가 견딜 만큼 사람처럼 보이면서도 원본처럼 붙잡습니다.

개발성 선별 — Tm, DLS/SEC-HPLC 응집, 점도

어떤 분자는 뛰어난 결합체이면서도, 뭉치거나 굳거나 부서진다면 여전히 약이 될 수 없습니다. 개발성(developability) 은 "우리가 이것을 실제로 만들고 보관할 수 있는가?"를 통틀어 가리키는 말입니다. 팀은 일찌감치 일련의 생물물리학적 선별 검사를 돌립니다. 시차 주사 형광 분석법(differential scanning fluorimetry, DSF), 즉 열 이동 분석법은 단백질이 풀리는 녹는점(melting temperature, Tm) 을 측정하고(Fab의 Tm은 대략 60 °C 이상이 선호됩니다), 동적 광산란법(dynamic light scattering, DLS) 과 크기 배제 HPLC(size-exclusion HPLC, SEC-HPLC) 는 응집과 뭉침을 잡아냅니다. 그리고 피하 주사 약물은 50 mg/mL 를 넘는 농도에서도 주사 가능해야 하므로 점도(viscosity) 도 확인합니다.

개발성은 생물물리학만이 아닙니다: 연구팀은 서열 자체에서도 결함(liability)을 제거합니다. 결함이란 단백질 자체 서열에 있는 화학적으로 취약한 자리로, 분자가 시간이 지나면서 천천히 반응해 스스로의 화학적 성질을 바꿀 수 있는(당이 붙거나, 아미노산이 원자를 잃거나 재배열하거나, 산화되는) 자리이며, 그래서 배치마다 조금씩 달라지게 만듭니다. 흔히 의심되는 것들로는 CDR에 숨은 N-결합 당화 부위(NxS/T 모티프), 탈아미드화 경향(NG/NS) 및 이성질화 경향(DG) 모티프, 산화되기 쉬운 Met/Trp 잔기, 유리 시스테인, N-말단 피로글루타메이트가 있습니다 — 괄호 안의 글자 코드는 전문가가 살피는 잔기 패턴입니다. 이들을 바로 이 단계에서 설계로 제거하는 이유는, 남겨두면 나중에 핵심 품질 속성(CQA) — 공장이 모니터링하고 관리해야 하는 전하 변이체(전기적 전하가 다른, 약간 변형된 복제본)와 단편 — 으로 드러나기 때문입니다. 리드는 또한 다중반응성/비특이적 결합에 대해서도 선별되는데(예: 바큘로바이러스 입자 ELISA나 교차상호작용 크로마토그래피), 다중반응성 항체는 표적에 아무리 단단히 붙어도 빠르게 제거되어 투약 성능이 나쁘기 때문입니다. 임상 단계 항체에 대한 대규모 벤치마크 연구는, 실제로 승인된 분자들이 바로 이 축들에서 "잘 작동하는" 범위 안에 모여 있음을, 그리고 행실이 나쁜 분자를 일찍 가려내면 막대한 하류 고통을 덜 수 있음을 확인해 주었습니다 [7]. 바로 이 생물물리학적 측정들은 분자가 분석법과 제제 에 이르면 출하·특성 규명 분석으로 더 정식으로 다시 등장합니다. 개발성 선별은 그 분석들의 이른, 탐색적 예행연습일 뿐이죠.

점점 더, 이 습식 실험실 선별에는 인실리코(in-silico) 쌍둥이가 생겨나고 있습니다. 서열 기반 모델(sequence-based model) 은 클론을 하나도 만들기 전에, VH/VL 서열만으로 바로 같은 결함을 가려내고 응집·점도·면역원성을 예측할 수 있습니다. 머신러닝과 AI 책은 그런 개발성 예측 모델이 어떻게 구축되고 바로 이 판독값들에 대해 검증되는지를 짚어 갑니다.

친화도 성숙이 역효과를 낼 때

이 실패 모드를 잠시 곱씹어 볼 가치가 있습니다. 그것이 좋은 팀이 앞의 세 관문을 운용하는 방식을 좌우하기 때문이죠. 직관적인 프로그램 — "플랫폼이 허용하는 만큼 친화도를 밀어붙인 다음, 나머지는 나중에 걱정하자" — 이야말로 바로 그 함정입니다. 파지나 효모로 선별한 변이체를 점점 더 단단한 결합으로 몰아붙이면 CDR에 돌연변이가 쌓이고, 그 같은 돌연변이가 접힘을 불안정하게 만들거나(Tm 저하), 특이성을 넓혀 항체가 표적 아닌 유사 분자에 결합하기 시작하게 만들 수 있습니다. 이는 나쁜 약동학으로, 때로는 생체 내 면역원성으로 이어지는 길입니다 [10]. 이 맞교환은 구조적입니다. 결합을 단단하게 하는 잔기 변화는 흔히 골격을 교란하거나 응집의 씨앗이 되는 소수성 패치를 노출시키는 바로 그 변화이기 때문이죠. 그래서 나노몰 이하의 결합체가 54 °C의 녹는점을 가지면, 형태를 유지하는 약간 더 약한 결합체에게 패배합니다. 이것이 아래 의사결정 행렬의 주제입니다. 따라서 현대의 친화도 성숙 캠페인은 나중에 개발성을 구제하기보다, 처음부터 안정성과 특이성을 친화도와 나란히 함께 선별합니다 [10].

리드 선별 의사결정 행렬

정련된 후보 몇 개를 손에 쥐면, 팀은 단 하나의 리드(lead), 즉 수년간의 개발을 흡수할 선두 주자를 골라야 합니다. 이것은 한 번의 미인 대회가 아니라, 각 후보를 여러 축에서 동시에 채점하는 가중치가 부여된 의사결정 행렬(decision matrix) 입니다.

리드는 단일 숫자가 아니라 가중치 행렬로 선택됩니다. 클론 C2는 가장 단단한 Kd를 갖지만 안정성과 응집에서 탈락하므로, 약간 더 약하지만 제조 가능한 균형 잡힌 클론 C4가 이깁니다. 저자가 AI의 도움을 받아 직접 제작한 그림입니다.

이 행렬은 친화도 성숙의 맞교환을 구체적으로 보여줍니다. 클론 C2는 Kd 하나만으로 판정하는 어떤 대회에서도 이기겠지만, 54 °C의 Tm과 82%의 단량체 분율은 그것을 약병 안에서 응집할 가능성이 가장 높은 분자로 표시합니다. 그래서 그것은 결합력을 머리카락 한 올만큼 양보하는 대신 공장과 냉장고를 견디는 구조를 가진 C4에게 패배합니다. 이 행렬의 모든 열 — Kd, kon/koff, Tm, %단량체 — 은 분자가 분석법과 제제 에 도달하면 더 엄밀하게 정식 출하 시험으로 다시 수행됩니다; 여기서의 선별은 그 초기 탐색적 예행연습일 뿐입니다.

친화도 하나만으로는 너무 거칩니다. 항체가 어떻게 결합하는지가 얼마나 단단히 결합하는지만큼 중요하기 때문이죠. 결합에는 두 가지 속도가 있습니다. 결합 속도(on-rate, kon) 는 항체가 표적을 얼마나 빨리 찾아 달라붙는지이고, 해리 속도(off-rate, koff) 는 얼마나 천천히 놓아주는지입니다. 이 값들은 무표지 바이오센서 — 표면 플라스몬 공명(SPR, 예: Biacore) 또는 바이오층 간섭계(BLI, 예: Octet) — 의 결합/해리 곡선에서 직접 읽어내며, 이것이 위 의사결정 행렬에 맞춰 클론의 순위를 매기는 표준 도구입니다. 흔한 목표는 10⁵–10⁶ M⁻¹s⁻¹ 범위의 kon과 10⁻⁴ s⁻¹ 이하의 koff인데 — 이는 고정된 합격/불합격 규격이 아니라 표적과 필요한 잔류 시간에 따라 달라지는 맥락 의존적 목표입니다. 시험관 내 효력(potency) 은 기능 분석으로 측정되며(AlphaScreen 이나 ELISA 같은 판독값을 사용해, 최대 효과의 절반을 내는 농도인 IC50 으로 보고됩니다), 열안정성은 개발성 선별에서 나온 녹는점(Tm) 을 통해 다시 반영됩니다 [6].

결정적으로, 현실 세계의 효과는 결합 주머니만으로 결정되지 않습니다. 혈류 속 항체의 수명, 즉 혈청 반감기(serum half-life) 는 환자가 얼마나 자주 약을 맞아야 하는지를 결정하며, 주로 Fc(항체의 "꼬리")에 의해 조율됩니다. Fc는 또한 효과기 기능(effector functions) 을 통해 면역계를 동원합니다. ADCC(항체 의존 세포 매개 세포독성, 킬러 세포를 불러옴), CDC(보체 의존 세포독성, 보체 연쇄 반응을 촉발), 그리고 ADCP(항체 의존 세포 식균작용, 잡아먹을 표적을 표시)가 그것이죠. 종양 세포를 파괴하려는 항암 항체에게는 강한 효과기 기능이 장점이지만, 신호를 차단하기만 하면 되는 분자에서는 의도적으로 침묵시키기도 합니다. 이는 구조체가 실제로 지니게 될 명명된 Fc 레버로 조절되는데 — 각각이 항체의 꼬리에 가하는 작고 명명된 변경으로, 한 가지 일을 합니다:

Fc 레버	무엇을 바꾸는가	약물에 대한 효과
비푸코실화(코어 푸코스 당 제거)	면역 세포 동원을 강화	ADCC를 높임
LALA 또는 LALA-PG 돌연변이, 또는 IgG4 골격	면역 동원 작용을 꺼버리거나(LALA/LALA-PG) 크게 줄임(IgG4 골격)	효과기 기능을 침묵시키거나 최소화함
YTE 또는 LS 돌연변이	FcRn 결합을 강화(FcRn은 항체를 분해하지 않고 재활용하는 수용체)	혈청 반감기를 늘림

리드는 이 모든 것을 한꺼번에 균형 맞추는 후보입니다. 효력이 있고, 동역학적으로 건전하며, 안정적이고, 제조 가능하며, 자기 임무에 맞는 효과기 프로파일을 지닌 후보 말입니다 [6].

단백질에서 만들 수 있는 유전자로

코돈 최적화와 서열 QC

이 단계 전체의 진짜 산출물은 그 마지막 상자, 즉 하나의 DNA 서열(DNA sequence) 입니다. DNA는 세포의 명령 언어이고, 유전자(gene) 는 그 언어로 적힌 하나의 명령입니다. 결합을 담당하는 가변 영역은 두 구간에 들어 있습니다. 중쇄 가변 영역(heavy-chain variable region, VH) 과 경쇄 가변 영역(light-chain variable region, VL), 즉 이 장 첫머리에서 해부했던 바로 그 두 도메인이죠. 그리고 승리한 단백질을 알아내면, 우리는 거꾸로 그것을 암호화하는 DNA로 거슬러 올라갑니다.

하지만 단백질을 DNA로 그냥 번역해서 바로 보낼 수는 없습니다. 그 서열은 먼저 서열 품질 관리(sequence quality control) 를 거칩니다. 단백질은 아미노산(amino acid) 이라 불리는 구성 단위가 줄지어 이어진 사슬인데, 같은 아미노산이 여러 다른 DNA "코돈(codon)"(세 글자짜리 DNA 단어)으로 적힐 수 있고, 세포마다 선호하는 코돈이 있습니다. 코돈 최적화(codon optimization) 는 결국 항체를 제조할 CHO 세포(CHO cell)(중국 햄스터 세포주)가 가장 효율적으로 읽는 코돈을 쓰도록 유전자를 다시 적어, 발현량을 대략 2–5배 끌어올릴 수 있습니다. 이 점검은 또한 숨은 스플라이싱 부위(cryptic splice sites)(세포가 잘못 잘라낼 수 있는 우연한 서열)를 솎아 내고, 전령 RNA(messenger RNA)(세포가 단백질을 만들기 위해 실제로 읽는 유전자의 작업용 복사본)에서 그 가닥이 스스로 접혀 되돌아가(2차 구조, secondary structure) 그것을 읽는 기계 장치를 막아 단백질 생산을 늦추거나 멈춰 세우는 자리가 없는지 살핍니다. 그렇게 한 뒤에야 유전자가 합성되어 발현 벡터(vector)(유전자를 세포 안으로 전달해 켜주는, 플라스미드라 불리는 운반용 DNA 고리)에 끼워져, 이 DNA를 살아 있는 CHO 세포가 읽게 될 공장 세포 만들기 로 인계됩니다. 그 인계가 다음 장의 시작입니다.

이 인계는 또한 유형이 부여된(typed) 혈통 사슬의 첫 고리이기도 합니다. 세포주는 이 서열에서 유래하고(derived-from), 이후의 모든 배치는 그 세포주에서 유래하며, 측정된 각 속성은 그것이 판독된 후보에 속합니다(belongs-to). 온톨로지 책은 이 "유래(derived-from)"와 "이다(is-a)" 화살표를 명명된 간선(edge)으로 명시해, 규제 당국이 나중에 어떤 약병에서든 바로 이 유전자까지 혈통을 거슬러 걸어갈 수 있게 합니다.

왜 중요한가

하류의 모든 것이 이것을 제대로 하는 데 달려 있습니다. 항체가 엉뚱한 자리를 붙잡으면 약은 듣지 않습니다. 너무 빨리 놓아 버리면, 씻겨 나가기 전에 제 일을 할 수 없습니다. 너무 낯설게 보이면, 환자의 몸이 그것을 거부할 수 있습니다. 잘못된 효과기 프로파일을 지니면, 그저 잠재우려던 세포를 죽이거나, 파괴하려던 세포를 죽이지 못할 수 있습니다. 그리고 실험실에서는 아름답지만 공장 농도에서 뭉치거나 굳는다면, 결코 진짜 제품이 될 수 없습니다. 리드를 고르는 것은 약의 심장을 고르는 일입니다. 여기서 잘못 고르면, 나중에 아무리 세심하게 제조해도 바로잡을 수 없습니다.

실제 현장에서는

수많은 블록버스터 항체 약물이 쥐로 시작해 인간화하는 방식으로 출발했지만, 이 분야는 처음부터 인간으로 시작하는 쪽으로 크게 옮겨 갔습니다. 완전 인간 라이브러리(fully human libraries)(인간 항체 단편의 거대한 모음)와 인간 항체 유전자를 지니도록 공학적으로 만든 형질전환 마우스(transgenic mice) 덕분에, 팀은 이미 인간인 후보를 발견할 수 있게 되었고, 인간화 단계와 그 면역원성 위험을 줄이거나 아예 없앨 수 있게 되었습니다. 파지 디스플레이와 형질전환 마우스 플랫폼은 함께 최근 승인된 항체의 상당한 몫을 차지합니다 [5].

이 단계는 또한 처음부터 규제의 틀 안에서 돌아갑니다. 어떤 항체든 환자에게 도달하기 전에, 생명공학 유래 약물의 전임상 안전성에 대한 국제 지침인 ICH S6(R1) 이 후보를 어떻게 시험할지를 규율하는데, 여기에는 항체가 실제로 자기 표적에 결합하는 약리학적으로 적절한 종(pharmacologically relevant species) 을 고르는 것도 포함됩니다(인간화된 항체가 쥐 버전을 알아보지 못할 수 있어서, 바로 그 이유로 쥐가 종종 쓸모없기 때문이죠) [8]. 그리고 미국 FDA의 "단일클론항체 제품의 제조 및 시험에서 고려할 점(Points to Consider in the Manufacture and Testing of Monoclonal Antibody Products)" 은 세포 기질을 특성 규명하고, 클론성(clonality)(전체 생산 배양이 단 하나의 시조 세포에서 유래해 모든 세포가 같은 항체를 만든다는 것을 증명하는 것)을 확인하며, 외래성(초대받지 않은) 인자를 시험하는 데 대한 기대치를 정해 놓습니다. 이는 IND 가능화(IND-enabling) 연구가 시작되기 전에 결국 규제 서류(궁극적으로 FDA 같은 보건 당국에 제출되는 근거 묶음)에 들어갈 문서입니다(IND, 즉 임상시험계획승인신청(Investigational New Drug application) 은 회사가 약을 사람에게 처음 시험하기 위한 허가를 받으려고 FDA에 제출하는 묶음입니다) [9]. 그 규정들이 요구하는 철저한 시험과 추적성은 cGMP, 즉 현행 우수 의약품 제조 및 품질 관리 기준(current Good Manufacturing Practice), 약을 안전하고 일관되게 만들기 위한 구속력 있는 표준의 일부이며, 실제 제조가 시작되면 본격적으로 만나게 됩니다.

핵심 용어

• 항체(Antibody) — 하나의 특정 표적을 알아보고 달라붙는 Y자 모양 면역 단백질.
• 항원(Antigen) — 항체가 만들어지고 결합하는 대상 분자. 여기서는 우리가 고른 표적.
• 하이브리도마(Hybridoma) — B세포를 지치지 않는 골수종 세포와 융합해 만든, 하나의 순수한 항체를 만드는 세포. 튼튼하지만 진정으로 불멸하지는 않음.
• 골수종 세포(Myeloma cell) — 하이브리도마에 끈기를 주는 끊임없이 분열하는(불멸화된) 융합 파트너(예: SP2/0) — 다만 본문에서 설명하듯 그 결과물인 하이브리도마는 견고하지만 진정으로 불멸은 아니다.
• 파지 디스플레이(Phage display) — 세균을 감염시키는 무해한 바이러스(M13/fd) 위에 수십억 개의 항체 단편을 진열하고, 표적이 결합체를 골라내게 하는 방법.
• scFv / Fab — 라이브러리에 진열되는 컴팩트한 항체 단편(단일사슬 가변 단편; 항원 결합 단편).
• 바이오패닝(Biopanning) — 결합·세척·용출·증폭의 주기를 3–5회 반복해 좋은 결합체를 농축하는 과정.
• 친화도(Affinity) — 항체가 표적을 얼마나 단단히 붙잡는지로, 해리 상수 Kd 로 요약됨(작을수록 단단함).
• 친화도 성숙(Affinity maturation) — 리드의 친화도를 10–100배 끌어올리는 실험실 기법(오류 유발 PCR, 효모 디스플레이).
• 친화도 성숙 역효과(Affinity-maturation backfire) — 친화도를 지나치게 밀어붙이면 접힘이 불안정해지거나(Tm 저하) 특이성이 넓어져 개발성을 해치고 때로 면역원성을 높임. 좋은 캠페인은 처음부터 안정성과 특이성을 함께 선별함.
• 의사결정 행렬(Decision matrix) — 후보 클론을 친화도·동역학·안정성·응집에 걸쳐 한꺼번에 순위 매기는 가중치 채점표. 한 축의 챔피언보다 균형 잡힌 리드가 이기게 함.
• kon / koff — 결합의 결합 속도와 해리 속도. 항체가 얼마나 빨리 붙잡고 얼마나 천천히 놓는지.
• CDR / CDR 이식(CDR grafting) — 결합을 담당하는 여섯 개의 고리(상보성 결정 영역). 인간화는 이것을 핵심 골격 잔기와 함께 인간 받침대에 이식함.
• 인간화(Humanization) — 쥐 항체를 사람처럼 보이게 다시 빚어 환자의 몸이 견디게 하는 것.
• Fc 효과기 기능(Fc effector function) — 항체 꼬리가 동원하는 면역 작용(ADCC, CDC, ADCP). 약의 임무에 따라 강화하거나 침묵시킴.
• 개발성(Developability) — 후보가 대규모에서 안정적이고 가용성이 있으며 제조 가능한지 여부.
• 녹는점(Melting temperature, Tm) — 단백질이 풀리는 온도. 안정성 지표(Fab의 Tm은 약 60 °C 이상이 선호됨).
• 리드(Lead) — 앞으로 나아가도록 선택된 단 하나의 최고 후보. 가중치가 부여된 의사결정 행렬로 고름.
• 코돈 최적화(Codon optimization) — CHO 세포가 효율적으로 읽는 코돈을 쓰도록 유전자를 다시 적어 발현량을 약 2–5배 높이는 것.
• DNA 서열, 유전자(DNA sequence, gene) — 세포가 항체를 만들기 위해 따르는 적힌 설명서(VH와 VL 영역). 이 단계의 핵심 산출물.

다음 이야기

이제 우리는 이 단계가 존재하는 이유인 단 하나의 것, 즉 우리 항체를 위한 신뢰할 수 있고 코돈 최적화된 DNA 서열 하나를 손에 쥐었습니다. 하지만 화면 위의 서열은 약을 만들지 못합니다. 다음 장 공장 세포 만들기 에서 우리는 이 유전자를 살아 있는 CHO 세포 에 건네주어, 운 좋은 세포 하나를 고생산성에 안정적이고 완전히 문서화된 공장으로 바꿉니다. 그런 다음 그 동일한 복제본들로 이루어진 군대를 동결해, 오늘의 약과 다음 십 년의 약이 정확히 같은 출처에서 만들어지도록 합니다.