보체-관련 질환의 치료에 유용한 압타머 치료제 document_id A220623053560

압타머는 전형적인 왓슨-크릭 염기 페어링(Watson-Crick base pairing)을 제외한 상호작용을 통해 분자에 대한 특정한 결합 친화성을 갖는 핵산 분자이다. 압타머는, 파지 디스플레이(phage display) 또는 단일 클론 항체(monoclonal antibodies, "MAbs")에 의해 생성되는 펩티드와 같은 것으로서, 선택된 표적에 특이적으로 결합할 수 있으며, 그리고 표적의 활성을 조절할 수 있으며, 예컨대, 결합을 통해 압타머가 기능에 대한 표적의 능력을 차단할 수 있다. 불규칙 서열 올리고뉴클레오티드의 풀(pool)로부터 시험관내 선택 프로세스에 의해 생성된 것으로서, 압타머는 성장 인자, 전사 인자, 효소, 면역글로불린, 및 수용체를 포함하는 100 이상의 단백질에 걸쳐 생성된 것이다. 전형적인 압타머는 크기가 10-15 kDa(30-45개의 뉴클레오티드)이며, 나노몰 이하(sub-nanomolar)의 친화성으로 그 표적에 결합하며, 그리고 밀접하게 관련된 표적들로부터 구분된다(예컨대, 압타머는 동일한 유전자 패밀리로부터의 다른 단백질과는 전형적으로 결합하지 않는다). 일련의 구조 연구에서는 압타머가 친화성을 유도하는 동일한 유형의 결합 상호작용(예컨대, 수소 결합, 정전기적 상보성, 소수성 접촉, 입체적 배제(steric exclusion))과 항체-항원 복합체에서의 특이성을 사용할 수 있다는 것을 보여주었다. 압타머는 고 특이성 및 친화성, 생물학적 효능, 및 뛰어난 약물동력학적 성질을 비롯하여 치료제 및 진단제로서 사용하기에 바람직한 다수의 특성을 가진다. 추가로, 압타머는 항체 및 기타 단백질 생물학에 비하여 특이적인 경쟁적 장점을 제공한다. 예를 들면, 다음과 같다. 1) 속도와 조절(Speed and control). 압타머는 시험관내 프로세스에 의해, 치료용 리드(leads)를 포함하는 초기 리드의 신속한 생성을 허용하면서 전적으로 생성된다. 시험관내 선택은 압타머의 특이성 및 친화성을 엄격하게 조절하는 것을 허용하며, 독성 표적과 비-면역원성 표적 둘 다에 대한 리드를 포함하여 리드의 생성을 허용한다. 2) 독성과 면역원성. 클래스로서의 압타머는 독성 또는 면역원성을 거의 나타내지 않거나 또는 나타내지 않는다. 압타머 고 수치(매일 10 mg/kg씩 90 일)를 래트와 맘모트(woodchuck)에게 장기간 투여한 경우, 임상학적 측정, 세포적 측정, 또는 생화학적 측정 어느것에서도 독성이 관찰되지 않았다. 많은 단일 클론 항체들의 효능이 항체 자체의 면역 반응에 의해 심각하게 제한되는 반면, 확실하게 압타머는 MHC를 경유하는 T-세포에 의해 생성될 수 없기 때문에, 그리고 그 면역 반응은 일반적으로 핵산 단편을 인식하지 않도록 훈련된 것이기 때문에, 압타머에 대한 항체를 유발시키는 것은 극적으로 어렵다. 3) 투여(administration). 대부분의 현재 허가된 항체 치료제는 정맥내 인퓨전(infusion)으로 투여하고(통상적으로 2-4 시간에 걸쳐), 반면 압타머는 피하 주사에 의해 투여할 수 있다(멍키 연구에서 피하 투여를 통한 압타머 생체이용률은 ＞80%이다(Tucker et al, J. Chromatography B. 732: 203-212, 1999)). 이 차이는 원래 상대적으로 낮은 용해도와 그로 인해 대부분의 치료용 MAb에 대해 대량 부피가 필요하기 때문에 의한 것이다. 우수한 용해도(＞150 mg/mL)와 상대적으로 낮은 분자량(압타머: 10-50 kDa; 항체: 150 kDa)으로, 0.5 mL 이하의 부피로 주사에 의해 주간 투여로 압타머를 운반시킬 수 있다. 게다가, 작은 크기의 압타머는 그들로 하여금 형태배열(conformational) 제한이 되는 영역 내로의 침투를 허용하지만 항체 또는 항체 단편은 침투할 수 없으며, 이런 것이 여전히 압타머에 기초한 치료 또는 예방의 다른 장점을 제공하게 되는 것이다. 4) 양산성(Scalability)과 비용. 치료용 압타머는 화학적으로 합성하며 따라서 그리고 생산 요구량을 맞추는데 필요한 만큼 용이하게 스케일링(scaling)할 수 있다. 스케일링 생산에서의 어려움이 현재는 일부 생물학의 유용성을 제한하며 양산-규모 단백질 생산 플랜트(plant)의 자본 비용이 엄청난 반면, 단일 대량-규모 올리고뉴클레오티드 합성기(synthesizer)는 100 kg/year를 상향해서 생산해낼 수 있으며 그리고 상대적으로 높지 않은 초기 투자를 요구한다. 킬로그램 규모에서의 압타머 합성에 대한 자원의 현재 비용은 $500/g으로 추정되며, 이는 상당히 최적화된 항체에 대한 것과 비교할 만하다. 프로세스 개발에서의 지속적인 향상으로 자원의 비용을 5년 내에 ＜ $100/g으로 하향시킬 것으로 기대된다. 5) 안정성(Stability). 치료용 압타머는 화학적으로 탄탄하다. 그들은 열이나 변성제와 같은 인자에 노출된 이후 활성을 회복하는데 본질적으로 적응되어 있으며 그리고 실온에서 동결건조 분말로서 연장된 기간(＞1 yr) 동안 보관시킬 수 있다. 보체 시스템(Complement System) 보체 시스템은 병원체(예컨대, 박테리아)의 세포밖 형태를 공격하는 조절된 캐스케이드(cascade) 시스템 중에서 함께 활동하는 적어도 20개의 혈장 및 멤브레인 단백질의 세트를 포함한다. 보체 시스템은, 전형적인 경로와 대안적인 경로(도 1)의 2개의 구분되는 효소 활성화 캐스케이드, 및 멤브레인 공격 경로로서 알려진 비-효소 경로를 포함한다. 제1 효소 활성화 캐스케이드는, 전통 경로로서 알려진 것으로서, 몇개의 성분, C1, C4, C2, C3 및 C5를 포함한다(경로 중에서의 순서에 의해 나열함). 보체 시스템의 전통적 경로의 개시는 면역 활성화 인자와 비-면역 활성화 인자 둘 다에 의해 제1 보체 성분(C1)의 결합과 활성화에 이어 발생한다. C1은 성분 C1q, C1r 및 C1s의 칼슘-의존성 복합체를 포함하며, 그리고 C1q 성분의 결합을 통해 활성화된다. C1q는 6개의 동일한 서브유닛(subunit)을 포함하며 각각의 서브유닛은 3개의 체인을 포함한다(A, B 및 C 체인). 각각의 체인은 콜라겐-유사 테일(tail)에 연결된 것인 구형 헤드(head) 영역을 가진다. 항원-항체 복합체에 의한 C1q의 결합과 활성화는 C1q 헤드 그룹 영역을 통해 이루어진다. 다수의 비- 항체 C1q 활성화 인자는, 단백질, 지질 및 핵산을 포함하며, 콜라겐-유사 줄기(stalk) 영역 상에서 명백한 위치를 통해 C1q와 결합하고 C1q를 활성화시킨다. C1qrs 복합체가 이후 보체 성분 C4와 C2의 활성화를 촉매하고, C3 컨버타제(convertase)로서 기능하는 C4bC2a 복합체를 생성시키게 된다. 제2 효소 활성화 캐스케이드는, 대안적인 경로로서 알려진 것으로서, 신속하며, 보체 시스템 활성화와 증폭에 대해 항체-의존성 경로이다. 대안적인 경로는 몇가지 성분들, C3, 팩터(factor) B, 및 팩터 D(경로 중에서의 순서에 따라 나열함)를 포함한다. C3의 단백분해성 절단형이 박테리아와 같은 표면 시약을 활성화시키는 경우, 대체 경로의 활성화가 일어나게 된다. 이후 팩터 B가 C3b에 결합하며, 그리고 팩터 D에 의해 절단되어 활성 효소 Ba를 생성시키게 된다. 이후 효소 Ba는 추가의 C3를 절단하여 추가의 C3b를 생성시키며, 활성화시킨 표면 상에서의 C3b-Ba 복합체의 광범위한 침착(deposition)을 생성시키게 된다. 따라서, 전형적인 보체 경로와 대안적인 보체 경로는 둘 다 C3를 C3a와 C3b로 분할시키는 C3 컨버타제를 생성한다. 이 점에서, 두 C3 컨버타제는 추가로 C5 컨버타제로 합해진다(C4b2a3b 및 C3b3bBb). 이들 복합체는 뒤이어 보체 성분 C5를 2개의 성분: C5a 폴리펩티드(9 KDa) 및 C5b 폴리펩티드(170 kDa)로 절단한다. C5a 폴리펩티드는 7개의 트랜스멤브레인(transmembrane) G-단백질 커플링된 수용체에 결합하며, 이는 원래 백혈구(leukocyte)와 관련된 것이었으며 그리고 지금은 간세포(hepatocyte)와 뉴런(neuron)을 포함하는 다양한 조직 상에서 발현되는 것으로 알려져 있다. C5a 분자는 인간의 보체 시스템 중 1차적인 화학주성(chemotactic) 성분이며 그리고 백혈구 화학주성(chemotaxis), 평활근 수축, 세포내 신호 전달 경로의 활성화, 호중구(neutrophil)-내피(endothelial) 부착, 사이토카인(cytokine) 및 지질 매개인자 방출과 옥시던트(oxidant) 생성을 포함하는 다양한 생물학적 반응을 촉발시킬 수 있다. 더 큰 C5b 단편은 보체 캐스케이드의 후발 성분들, C6, C7, C8 및 C9와 순차적으로 결합하여 C5b-9 멤브레인 공격 복합체(membrane attack complex, "MAC")를 생성하게 된다. C5b-9 MAC은 직접적으로 적혈구를 용혈(lyse)시킬 수 있으며, 그리고 더 많은 양으로, 백혈구에 대해서도 용혈을 일으키며 그리고 근육, 상피 세포 및 내피 세포와 같은 조직에 손상을 일으킨다. 용혈을 일으키지 않는 양으로, MAC은 부착 분자의 상향조절(upregulation), 세포내 칼슘 증가 및 사이토카인 방출을 자극할 수 있다. 추가로, C5b-9 MAC은 세포 용혈을 일으키지 않으면서 내피 세포와 혈소판과 같은 세포를 자극할 수 있다. C5a와 C5b-9 MAC의 비-용혈성 효과는 때때로 상당히 유사하다. 비록 보체 시스템이 건강을 유지하는데 중요한 역할을 가지지만, 그것은 잠정적으로 질병을 일으키거나 질병에 기여하는 것이다. 예컨대, 보체 시스템은 관상 동맥 우회 이식편(coronary artery bypass graft, "CABG") 수술, 다수의 신장 질환, 류마티즘성 질환, 신경성 질환, 피부상 질환, 혈액성 질환, 혈관/폐 질환, 알러지 질환, 감염성 질환, 및 생체적합성(biocompatibility)/쇼크(shock) 질환 및/또는 질병, 그리고 당뇨성 망막병증(retinopathy)과 관련된 부작용과 관련되어 있다. 보체 시스템은 반드시 질병 상태의 유일한 원인은 아니지만, 그것은 병인(pathogenesis)에 기여하는 여러가지 인자 중 하나일 수 있다. 문헌[Fitch et al, Circ. 100:2499-506(1999)]에서는 심폐 우회술(cardio-pulmonary bypass, "CPB")로 관상 동맥 우회 이식편 수술을 하는 환자에 대해, 항-C5 단일-체인 항체 단편 펙셀리주마브(Pexelizumab)의 효과를 테스트하였다. 개별 환자들에게는, 단회-볼러스 투여량(single-bolus dose)으로 CPB에 10 분 앞서 0.5 mg/kg, 1.0 mg/kg 및 2.0 mg/kg으로 투여하였다. 혈액 시료를 제거하고, 투여 이전, 투여 5 분 이후, 28 ℃에서 5 분 이후, 재가온(rewarming)의 개시 이후, 37 ℃에서 5 분 이후, 그리고 CPB 이후 7일 이내에서 보체 활성을 측정하였다. 약물역학 분석에서는, 2 mg/kg 투여량에서 14 시간까지 보체의 용혈 활성이 현저하게 투여량-의존적으로 억제되었으며, 그리고 프로염증성(proinflammatory) 보체 부산물(sC5b-9)의 생성이 투여량-의존적으로 효과적으로 억제된다는 것을 보여주었다. 그렇지만, 앞서 언급한 바와 같이, 항체 요법은 어느 정도 제한이 있다. 따라서, 보체-관련 질환의 처치시 치료와 진단으로서 사용하기 위한 보체 시스템의 신규한 억제제를 가지는 것이 바람직하다.