• [국내] [보도자료] NGS 기반 RNA 분석법, 모든 폐암의 면역항암제 바이오마커로 활용 가능
  • 2018-10-16

폐암 면역항암제 신규 바이오마커 발굴후속 연구결과 발표

암세포 속 면역 유전자 발현량 확인하는 ‘NGS 기반 RNA 분석법

모든 종류 폐암에 대한 면역항암제 바이오마커 활용 가능성 제시

 

분당서울대학교병원과 마크로젠 공동연구팀이 지난 5월 미국암연구협회(AACR)의 국제학술지 암 면역학 연구(Cancer Immunology Research)에 발표한 폐암 면역항암제 신규 바이오마커 발굴에 대한 후속 연구결과를 네이처 자매지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 온라인판에 10 1일자로 발표했다.

 

이번 연구는 폐편평상피세포암에 한정되었던 연구 범위를 폐선암까지 확대한 것으로, 기존에 제시한 ‘NGS 기반 RNA 분석법의 면역함암제 바이오마커 활용 가능성을 모든 종류의 폐암으로 확대할 수 있음을 밝혀낸 것이 핵심적인 성과다.

 

분당서울대학교병원 정밀의학센터(서정선 석좌교수, 김아름 연구원), 서울대학교병원(흉부외과 김영태 교수), 마크로젠(신종연 수석연구원) 공동연구팀은 이번 연구를 통해 면역 유전자 발현량을 확인하는 ‘NGS 기반 RNA 분석법으로 암세포 주변 종양미세환경의 면역 신호를 읽어낼 수 있음을 재확인했다. 또한, 이를 바탕으로 폐편평상피세포암뿐만 아니라 폐선암에 대해서도 면역항암제에 효과적인 환자군을 선별할 수 있음을 세계 최초로 규명했다.

 

분당서울대학교병원 연구팀은 한국인 폐암 환자의 폐편평상피세포암 조직(101)과 폐선암 조직(87)에서 RNA를 추출하여 NGS기술로 분석한 뒤 면역 유전자 발현량 패턴을 비교 분석했다. 그 결과, 암세포 주변의 종양미세환경(TME)과 폐암의 80~85%를 차지하는 비소세포폐암(폐편평상피세포암, 폐선암) 사이에 밀접한 연관성이 있음을 밝혀냈다.

 

연구 논문에 따르면, 두 폐암 조직의 RNA를 분석하여 유전자 발현량 데이터를 비교하면 환자군의 특성이 크게 두 개의 그룹으로 구분되는 공통점이 나타났다. 하나는 암 환자의 면역 반응과 유사한 패턴을 보이는 면역저하그룹(A그룹)’이었고, 다른 하나는 정상인의 면역 반응과 유사한 패턴을 보이는 면역항진그룹(B그룹)’이었다.

 

연구팀은 면역항진그룹에서 나타나는 과발현 유전자가 어떤 면역과 관련된 것인지를 확인하기 위해 기존에 알려진 데이터와 알고리즘을 통해 면역 세포를 역추적했다. 그 결과, 폐편평상피세포암의 경우 M2 대식세포(M2 Macrophage), 폐선암의 경우 면역조절B 세포(Regulatory B Cells)가 종양미세환경을 형성해 암 증식에 도움을 준 것임을 확인할 수 있었다. 또한, 이를 토대로 폐암의 면역적 특이성을 파악하는 방법 및 폐암 면역항암제에 효과적인 환자군을 간단히 선별하는 진단검사법을 고안해냈으며, 이를 모든 폐암에 대한 면역항암제 바이오마커로 활용할 수 있을 것이라는 가능성을 제시했다.

 

분당서울대학교병원 정밀의학센터 서정선 교수는 이번 연구를 통해 암세포 속 면역 유전자 발현량을 확인하는 ‘NGS 기반 RNA 분석법이 폐암 환자에게 적합한 면역항암제를 선택하는 데 유용하게 활용될 수 있다는 점이 밝혀졌다이번 연구결과가 앞으로 원인이 밝혀지지 않은 악성 종양의 면역 체계와 암 사이의 관련성을 밝혀내는 연구 및 개인 맞춤형 면역항암 치료제와 진단검사법 개발 연구를 활성화하는 데 기여할 수 있기를 기대한다고 말했다.

 

연구팀은 이번에 발굴한 바이오마커에 대해 국제특허를 출원할 계획이다. 또한, 후속 연구를 통해 전암(pan-cancer)에서도 면역항암제 바이오마커로 활용될 수 있는지와 임상적으로 적용할 수 있는지를 연구할 예정이다. 나아가 이들 유전자 면역 정보를 이용해 면역항암제의 효과를 증진시키는 백신을 개발할 수 있을 것으로 보고 관련 연구개발을 추진할 계획이다.

 

한편, 분당서울대학교병원 정밀의학센터와 마크로젠 공동연구팀은 아빠 없는 생쥐(Nature, 2004. 4.), 자이모모나스 미생물 유전체 분석(Nature Biotechnology, 2005. 1.), 한국인 유전체 분석(Nature, 2009. 7.), 초고해상도 아시아인 유전자 복제수 변이지도(Nature Genetics, 2010. 4.), 대규모 RNA 자체 서열 변이 발견(Nature Genetics, 2011. 7.), 프로젝트 그란디오스 만능줄기세포 생성 비밀 규명(Nature a, Nature b, Nature Comm a, Nature Comm b, 2014. 12.), 최고 완성도의 한국인 표준 유전체(Nature, 2016. 10) 등 유전체 연구 분야에서 네이처와 그 자매지에 12편의 논문을 발표하는 등 주목할 만한 연구성과를 꾸준히 발표해왔다. 

 

 

 

※ 참고자료 ※

 

■ 게재 논문 정보

 

1. 저널명: Scientific Reports (IF 4.122)


2. 논문명: Comprehensive analysis of the tumor immune micro-environment in non-small cell lung cancer

   for efficacy of checkpoint inhibitor


3. 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41598-018-32855-8

 

4. 저자 정보:

- 1저자

서정선 교수(분당서울대학교병원 정밀의학센터), 김아름 연구원(분당서울대학교병원 정밀의학센터),

- 2저자

신종연 수석연구원(마크로젠)

- 교신저자

서정선 교수(분당서울대학교병원 정밀의학센터), 김영태 교수(서울대학교병원 흉부외과)

 

■ 논문 주요 내용

 

연구팀은 한국인 101명의 폐편평상피세포암과 87 명의 폐선암 조직에서 RNA를 추출한 뒤 이를 NGS(차세대 염기서열 분석) 기술로 다음과 같이 분석하였다.

 

1) 세포 조직을 정상 세포와 암 세포로 나눠 RNA 시퀀싱(유전자 발현량 확인 가능)을 실시하고, 정상 세포의 분석 결과는 비교기준으로, 암 세포의 분석 결과는 면역 체계와 암의 관계를 분석하는 데이터로 활용함

2) 두 폐암 세포의 RNA 분석 결과를 확인해 유전자 발현량의 분산값(같은 유전자에 대한 환자 별 편차)이 가장 큰 유전자를 1000개씩 선별하고, 비슷한 특성을 가진 환자들끼리 그룹화함

3) 이를 토대로 발현량의 분산값이 큰 유전자들이 어떤 면역 작용과 관련이 있는지 확인하고, 각각의 그룹에 종양미세환경이 미치는 영향이 어떠한지 확인함

 

그 결과, 유전자 발현량 분석 데이터가 크게 두 개의 그룹으로 구분되었다. A그룹은 기존에 알려진 암 환자군와 유사한 패턴을 보이는 면역저하그룹이었고, B그룹은 정상인의 면역 반응과 유사한 패턴을 보이는 면역항진그룹이었다. 연구팀은 정상인과 유사한 특성을 보이는 B그룹의 환자군에 주목했다. 명확히 암 환자의 특성을 보이는 A그룹과 어떤 점이 다른지 확인하기 위해 두 환자군을 비교 분석했다. 그 결과, B그룹은 면역에 관련된 유전자들이 과발현된 상태라는 점을 확인할 수 있었다.

 

폐편평상피세포암의 경우 101명의 환자 중 19(19%), 폐선암의 경우 87 명의 환자 중 39(45%)이 정상인과 유사한 B그룹(면역항진그룹)의 패턴을 보였다. 특히 폐편평상피세포암의 경우 A그룹(면역저하그룹) B그룹(면역항진그룹) 간의 차이가 더 뚜렷하게 구분되는 특징이 나타났으며, 폐선암의 경우 환자의 절반(45%)에 달하는 비율이 B그룹(면역항진그룹)에 해당되는 것으로 나타났다.




 연구팀은 두 가지 폐암의 B그룹이 모든 점이 동일한지, 서로 다른 점이 있는지를 확인하기 위해 두 폐암의 B그룹끼리 다시 한번 비교 분석을 진행했다. 그 결과, 두 폐암 조직의 B그룹(면역항진그룹)은 공통적으로 체액성 면역, B 세포 면역 등과 같은 다양한 면역 관련 유전자들이 과발현된 상태로 확인되었다.

 

하지만, 그 정도에는 차이가 있었다. 폐편평상피세포암의 B 그룹은 뚜렷하게 면역항진 상태(=정상인과 유사)의 유전자 발현 패턴을 보이는데 비해, 폐선암의 B 그룹은 면역저하 상태(=일반적인 암 환자와 유사)와 조금 더 가까운 발현 패턴을 보였다. , 폐선암은 A그룹과 B그룹의 구분이 폐편평상피세포암만큼 명확히 구분되지는 않았다.


 


연구팀은 과발현된 유전자들이 어떤 면역과 관련된 것인지를 확인하기 위해 기존에 알려진 데이터와 알고리즘을 통해 면역 세포를 역추적했다
. 그 결과, B그룹(면역항진그룹) 내의 T 면역 세포에 의한 세포독성 정도가 폐편평상피세포암의 경우 M2 대식세포(M2 Macrophage)에 의해 감소되고, 폐선암의 경우 면역조절B 세포(Regulatory B Cells)에 의해서 감소되는 것을 확인하였다.


 


연구팀은 면역항암제의 효과성을 예측하고자 비소세포폐암 조직에서
PD-L1과 같은 여러 면역 관문 바이오마커들의 RNA 발현량을 확인하였다. 면역에 따라서 그룹화된 A B 사이에 폐편평상피세포암의 경우 통계적으로 모든 면역관문 유전자 발현량에 유의한 차이가 있음을 확인하였으나, 폐선암의 경우 유일하게PD-1PD-L1/PD-L2 면역관문 유전자 발현량에만 유의한 차이가 있음을 확인하였다.


 
또한, 폐암의 종류에 따라서 면역세포 및 면역 조절 인자들의 발현량 패턴에 차이가 있음을 확인 하였으며, 폐편평상피세포암의 경우 면역 조절 인자의 영향을 많이 받는 것으로 확인되었다. 이를 통해 비소세포폐암의 종류에 따라 암 내에서의 종양미세환경이 다르게 영향을 미치고 있는 것을 확인하였으며, 공통적으로 면역 관련 유전자들이 증가된 그룹이 있음을 확인하였다.

 

 

■ 용어 설명

 

폐암(Lung Cancer)

폐암은 암세포의 크기와 형태를 기준으로 비소세포폐암(폐암의 약 85%)과 소세포폐암(나머지 약 15%)으로 구분한다. 이 중 80~85% 이상을 차지하는 대부분의 폐암은 비소세포폐암으로, 이는 다시 편평상피세포암, 선암(샘암), 대세포암 등으로 나뉜다.

 

폐편평상피세포암(Lung Squamous Cell Carcinoma)

폐편평상피세포암은 폐의 기관지 점막 세포인 편평상피세포(평탄한 형태를 지닌 상피)가 변성해서 생긴다. 편평상피세포암은 주로 폐 중심부에서 발견되며, 남자에게 흔하고 흡연과 관련이 많다. 기침, 객혈, 쌕쌕거리는 숨소리 등이 주된 증상이다. 일반적으로 폐편평상피세포암은 수술적 치료와 방사선 치료가 기본적 원칙이고 그 적응증이 선암과 유사하다. 항암화학요법의 경우, 폐편평상피세포암의 경우 도세탁셀(docetaxel)이 주로 사용되며, 폐선암의 경우 타세바(erlotinib), 이레사(gefitinib)가 주로 사용된다.

 

폐선암(Lung Adenocarcinoma)

폐선암은 특정 물질의 분비를 주된 가능으로 하는 폐의 선세포(샘세포)에 생기는 암을 말한다. 폐선암은 폐암 종류 가운데서 발생 빈도가 가장 높으며, 폐 말초 부위에서 잘 생기고, 여성이나 담배를 피우지 않는 사람도 걸리며, 크기가 작아도 전이가 된 경우가 많다. 폐선암의 치료에는 수술, 방사선 치료, 항암제 치료 등이 있다.

 

사이언티픽 리포트(Scientific Reports)

온라인에서 오픈 액세스가 가능한 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)는 세계적 학술지 네이처(Nature)의 자매지로서, 자연과학 전반과 임상과학 분야를 커버하는 Nature Publishing Group이 발간하는 주요 연구 저널이다.

 

미국암연구협회(AACR, American Association for Cancer Research)

미국에서 가장 오래된 암 연구 학회이자 암 연구에 관한 가장 권위 있는 학회로 알려져 있다. 매년 세계 최대 규모의 연례학술대회를 개최하고 있으며, Cancer Research, Clinical Cancer Research, Cancer Immunology Research, Cancer Prevention Research 등 암과 관련된 다양한 국제학술지를 발행하고 있다.

 

차세대 염기서열 분석(NGS, Next Generation Sequencing)

암 및 감염성 질환 등의 유전자 변이를 진단하던 1세대 시퀀싱 기술인 생거시퀀싱(Sanger Sequencing)보다 발전된 유전자 및 유전체 분석 기술이다. 생거시퀀싱은 한 번 검사 시 확인할 수 있는 유전자가 한 가지이지만, NGS는 모든 유전자를 한 번에 분석할 수 있다.

 

RNA(Ribonucleic acid)

리보핵산. DNA와 함께 유전정보의 전달에 관여하는 핵산의 일종이다. RNA 5탄당인 리보오스의 인산에스테르에 피리미딘 또는 푸린염기가 결합한 뉴클레오티드라고 하는 여러 개의 분자가 사슬형태로 결합한 고분자 화합물이다.

 

종양미세환경(TME, tumor microenvironment)

암세포가 면역세포를 속이기 위해 조작한 주위 환경을 일컫는다. 암세포는 면역세포의 공격으로부터 스스로를 지켜내기 위해 다양한 방법으로 암세포 주위의 환경을 조작한다. 종양미세환경은 암세포의 증식과 성장에 도움이 된다.

 

바이오마커(Bio-marker)

단백질이나 DNA, RNA(리보핵산), 대사 물질 등을 이용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표이다. 바이오마커를 활용하면 생명체의 정상 또는 병리적인 상태, 약물에 대한 반응 정도 등을 객관적으로 측정할 수 있다. 암을 비롯해 뇌졸중, 치매 등 각종 난치병을 진단하기 위한 효과적 방식으로 각광받고 있다. 신약개발과정에 반영할 수 있어 안전성확보는 물론 비용절감 효과까지 바라볼 수 있다.

 

M2 대식세포(M2 Macrophage)

일반적인 염증성 대식세포인 M1형과 달리 M2형 대식세포는 암의 성장을 촉진하는 IL-10, TGFβ CCL18과 같은 사이토카인을 생성한다. 또한, M2 TAM(Tumor-Associated Macrophage, 종양 관련 대식세포)의 표면에 존재하는 PD-L1 B7-1/2와 같은 수용체들은 T 세포, NK 세포의 항종양 활성을 억제하는 것으로 보고되고 있다. 따라서, M2 TAM이 다량으로 존재하는 미세환경에서는 종양의 성장, 분화 및 전이가 활발하게 이루어진다.

 

면역조절B세포(Regulatory B Cells, Breg)

면역계를 조절하는 B세포들 중 한 집단으로, 면역 조절 및 면역 세포들의 면역 반응 억제에 관여한다. 주로 항염증성의 사이토카인 IL-10을 분비하는 역할을 하며, 염증반응, 자가면역 질환, 장기 이식 및 항암 면역 반응에 영향을 미친다.

 

PD-L1

PD-L1은 암세포 표면에 있는 단백질이다. 이는 면역세포(T세포) 표면에 있는 단백질 수용체인 PD-1과 결합해 면역세포를 무력화시킴으로써 암세포를 공격할 수 없게 만든다. 현재까지 알려진 최선의 면역항암제 바이오마커는 PD-L1 발현율이다. 환자의 암세포에 PD-L1이 존재하는지(양성인지), 존재한다면 암세포의 50% 이상 또는 10% 이상에서 발견되는지를 기준으로 면역항암제의 투약 여부를 허가하고 있다. 그 미만인 경우에는 고가의 면역항암제를 투약하지 못하도록 규제하고 있다.

 


 

 

 

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