발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 전장 항체: 두 개의 중쇄와 두 개의 경쇄로 구성된 복잡한 구조로 인해 포유동물 세포 내에서 재조합 방식으로 효율적인 생산이 어렵습니다. 또한, 큰 크기로 인해 세포 내로의 전달이 제한적입니다.

• 항체 유사체(scFv, Nanobody 등): 크기가 작아 세포 내 도입이 용이하지만, 세포 내에서 발현되는 순간부터 표적 항원과 계속 상호작용합니다. 이로 인해 특정 시점에서의 단백질 기능이나 분포를 정밀하게 연구하기 어렵다는 단점이 있습니다.

기술의 필요성

• 기존 항체 기술의 한계를 극복하고, 원하는 시간과 위치에서만 항체의 기능을 활성화할 수 있는 가역적 활성화 기술이 필요합니다.

• 이를 통해 세포 내 단백질의 동적인 움직임과 기능을 보다 정밀하게 분석하고, 부작용을 최소화하는 표적 치료제 개발의 필요성이 대두되었습니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 항체 유사체를 두 개의 비활성 단편으로 분리하고, 각각에 특정 자극(빛 또는 리간드)에 의해 서로 결합하는 '자극-유도 이합체 형성 단백질'을 연결하는 원리입니다. 평소에는 비활성 상태로 존재하다가 특정 자극을 가하면 두 단편이 재결합하여 본래의 항원 결합 능력을 회복하게 됩니다.

구체적인 구현 방법

1. 항체 유사체 분할: 항체 유사체(VHH, scFv 등)의 기능에 영향을 주지 않는 링커(linker) 또는 비-CDR 루프 부분을 절단하여 두 개의 비활성 단편으로 분리합니다.

2. 융합단백질 제작: 분리된 각 단편에 빛이나 특정 화합물에 반응하여 이합체를 형성하는 단백질(예: nMag/pMag, FKBP/FRB)을 각각 연결하여 두 종류의 융합단백질을 만듭니다.

3. 세포 내 도입 및 발현: 제작된 두 융합단백질을 암호화하는 유전자를 세포에 도입하여 발현시킵니다. 이때 융합단백질들은 비활성 상태로 세포 전체에 흩어져 존재합니다.

4. 자극에 의한 활성화: 세포에 특정 파장의 빛(예: 488nm)을 조사하거나 특정 화합물(예: 라파마이신)을 처리하면, 이합체 형성 단백질들이 서로 결합합니다.

5. 기능 회복: 이합체 형성에 따라 분리되었던 두 항체 단편이 가까워지면서 원래의 3차 구조를 회복하고, 표적 항원에 결합할 수 있는 활성 상태가 됩니다.

기술의 장점

• 시공간적 정밀 제어: 빛이나 리간드를 이용해 원하는 시간, 원하는 위치에서만 항체의 기능을 켜고 끌 수 있어 정밀한 세포 기능 연구 및 치료가 가능합니다.

• 가역적 조절: 자극을 중단하면 항체는 다시 비활성 상태로 돌아가므로, 기능 조절이 가역적입니다. 실험 결과, 광조사 후 수 분 내에 활성화되는 것을 확인했습니다.

• 넓은 적용 범위: Nanobody(VHH), scFv, Fab 등 다양한 종류의 항체 유사체에 포괄적으로 적용될 수 있습니다.

• 높은 안전성: 항시 활성화로 인한 불필요한 부작용을 최소화하고 표적에 대한 특이성을 높여 치료제 개발 시 안전성을 향상시킬 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 목적은 분할된 항체 유사체 단편들이 빛 또는 리간드라는 외부 자극에 의해 재결합하여, 살아있는 세포 내에서 표적 항원에 특이적으로 결합하는 기능적 활성을 회복할 수 있음을 실험적으로 증명하는 것입니다.

실험 방법 및 과정

1. 유전자 컨스트럭트 제작: 항-GFP 나노바디(VHHGFP)를 N-말단과 C-말단으로 분할하고, 각각에 광유도 이합체 단백질인 nMagH와 pMagH를 연결한 'N-term VHHGFP-nMagH-mCherry'와 'iRFP-pMagH-C-term VHHGFP' 컨스트럭트를 제작했습니다.

2. 세포 형질 감염: 제작된 두 컨스트럭트를 표적 항원(GFP-H2B)과 함께 HeLa 세포에 도입했습니다.

3. 광유도 활성화: 세포에 488nm 파장의 빛을 조사하여 nMagH와 pMagH의 결합을 유도했습니다.

4. 결과 분석: 형광현미경을 통해 mCherry 형광(분할 항체)의 위치 변화를 관찰하여, 항체가 표적 항원이 있는 핵으로 이동하여 결합하는지를 확인했습니다.

실험 결과

실험 결과, 빛을 조사하기 전에는 mCherry 형광이 세포질 전체에 흩어져 있었지만, 488nm 빛을 조사하자 mCherry 형광이 GFP-H2B 항원이 위치한 핵으로 빠르게 이동 및 집결하는 것이 관찰되었습니다. 아래 그래프와 같이, 시간이 지남에 따라 핵 내부의 형광 강도 비율이 유의미하게 증가하여, 분할된 항체 유사체가 빛에 의해 성공적으로 활성화되고 표적에 결합했음을 입증했습니다. 유사한 결과가 scFv 항체 단편 및 리간드(라파마이신) 유도 시스템에서도 확인되었습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 기초 생명과학 연구: 세포 내 특정 단백질의 동역학, 상호작용, 기능을 실시간으로 정밀하게 분석하는 연구 도구로 활용될 수 있습니다.

• 차세대 단백질 치료제: 질병 관련 단백질을 특정 조직이나 특정 시간에만 표적하여 불활성화시키는 '스마트 약물' 개발에 적용 가능합니다.

• 정밀 유전자 치료: 유전자 치료 시 도입된 치료용 단백질의 활성을 외부 자극으로 제어하여 안전성과 치료 효율을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

• 신약 개발 플랫폼: 약물 후보 물질의 효과를 세포 내 특정 조건에서 정밀하게 스크리닝하는 플랫폼으로 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 기술 혁신: 기존 항체 기술의 한계를 뛰어넘어, 세포 내 생명 현상에 대한 이해를 심화시키고 새로운 연구 패러다임을 제시합니다.

• 의료 분야 발전: 부작용은 최소화하고 치료 효과는 극대화하는 정밀 의료 시대를 여는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

• 산업적 파급효과: 고부가가치의 연구용 시약, 진단 키트, 혁신 신약 개발로 이어져 바이오 산업의 성장에 기여할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

세계 의약품 시장에서 바이오의약품의 비중은 지속적으로 증가하고 있습니다. 2018년 전체의 28%를 차지했던 바이오의약품은 연평균 8.5% 성장하여 2024년에는 32%에 이를 것으로 전망됩니다. 특히 항체 기술은 바이오의약품 시장의 성장을 주도하고 있습니다.

• 항체-약물 접합체(ADC) 시장: 2025년 75억 달러, 2030년에는 150억 달러 이상으로 고속 성장이 예상됩니다.

• RSV 백신 및 항체 시장: 2024년 25.6억 달러에서 2028년 95.3억 달러 규모로 연평균 38.9%의 폭발적인 성장이 전망됩니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

항체 의약품 시장, 특히 항체-약물 접합체(ADC) 분야에서는 Roche, Seagen, AstraZeneca, Gilead 등 글로벌 빅파마들이 혁신적인 기술을 바탕으로 시장을 주도하고 있습니다. 이들은 HER2, Trop-2 등 다양한 타겟에 대한 신약을 출시하며 치열하게 경쟁하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 신규 기술 발전: 새로운 항체, 약물, 링커 기술의 발전이 ADC와 같은 차세대 항체 의약품의 효능과 안전성을 개선하며 시장 성장을 견인하고 있습니다.

2. 병용 요법 연구 활성화: 면역관문억제제 등 다른 치료법과의 병용 요법 연구가 활발히 진행되면서 치료 효과를 극대화하고 새로운 시장 기회를 창출하고 있습니다.

3. 적응증 확대: 항암 분야를 넘어 자가면역질환, 만성 염증성 질환 등으로 항체 의약품의 적용 범위가 확대되면서 지속적인 성장이 기대됩니다.

출처: Glyclick-journal, VitalKorea