단일도메인항체를 활용한 신약개발 

1. 개요

• 단일도메인 항체의 유전자원 확보, 개발, 활용 및 장점 등을 A부터 Z까지 소개드립니다. 

• 단일도메인항체 (single-domain antibody, sdAb)는 나노바디(nanobody)라고도 불리는, 단일 단량체 가변 도메인으로 구성된 항체 단편을 말합니다. 

• 현재 미국 FDA에 허가된 단일도메인항체 의약품은 Ablynx에서 개발한 혈전성 혈소판 감소성 자반병 (TTP) 치료제인 Cablivi (Caplacizumab)가 유일하지만, 최근 2021년 3월 일본에서 단일도메인항체로 구성된 항 TNFα 치료제가 허가받는 등 많은 연구 및 개발이 진행되고 있습니다.

• 특히 나노바디에 대한 원천특허가 만료된 2014년을 기점으로 폭발적으로 관련 특허 및 연구개발이 증대되고 있습니다.

•                그림1. 단일도메인항체가 가지는 대표적 성질                          

2. 단일도메인항체의 장단점

단일도메인항체는 항체로서의 고유의 특징을 지닌 상태에서 단일 폴리펩타이드사슬로 구성되고 아주 견고한 특징의 구조를 가짐으로써 갖는 물리화학적 장점이 아주 큽니다.

특히 항체치료제로서 주요한 특성인 물에 잘 녹는 성질과 열에 상대적으로 강한 성질을 가지고 있습니다.

• 또한 그 크기가 기존 항체의 1/10 정도밖에 되지 않아 기존 항체가 접근하기 어려운 항원에 상호작용이 가능합니다. 이러한 작은 크기로 인해 다양한 용도의 항체치료제 개발에 활용할 수 있습니다.

   

  표 1 단일도메인항체의 장점에 대한 정리

• 하지만 단일도메인항체는 짧은 반감기 (작은 크기로 침투력은 우수하지만, 신장에서 빠르게 제거)와 면역원성에 대한 문제 (낙타 및 연골어류의 기원으로 인해 인간에게는 이질적이라는 점이 면역원성에 대한 의구심을 갖게 함) 와 같은 대표적인 단점을 가지고 있기도 합니다.

   

  표 2 단일도메인항체와 기존 항체와의 비교표

• 단일도메인항체의 가장 큰 한계점은 체내에서 오래 지속될 수 있는 반감기에 대한 문제입니다. 일반항체와는 다르게 Fc 도메인을 가지고 있지 않아 Fc 수용체를 통한 리사이클링이 되지 못하여 체내 반감기가 상당히 짧습니다.

• 이러한 한계를 극복하기 위해 기존 항체의 Fc 도메인과의 연결체로서의 활용이 시도되고 있습니다. 또한 기존 항체와 같은 Polyethylene glycol (PEG)과 같은 폴리머를 붙이거나 XTEN과 같은 폴리펩타이드를 붙이는 노력을 진행합니다. 본 인공지능구조설계팀은 상용화된 XTEN과 같은 기술의 독자 개발로 IDT-tag이라고 하는 시스템을 현재 개발하고 있으며 일부 단백질에 적용해 실증 사례로 확보하고자 합니다.

   

  표 3 기존 항체의 한계를 극복하기 위한 단일도메인항체의 적용

• 단일도메인항체는 구조적 특성으로 기존 항체와 다양한 방법으로 융합체를 개발 할 수 있습니다. 즉 장난감 블록을 어떻게 조립하느냐에 따라 다양한 것들을 만들 수 있는 것처럼 그 블록으로 단일도메인항체의 도메인을 활용할 수 있는 것입니다 (그림 2).

• 단일도메인항체의 적용은 기존 IgG 타입에 결합하는 것뿐만 아니라 antibody drug conjugate (ADC)와 같이 합성신약 (소분자 물질) 등과 결합해 활용 가능하며 리포좀과 같은 vesicle과의 결합, 방사성동위원소의 활용 등 다양한 활용이 가능합니다.

• 이러한 다양한 적용을 위해서 친화력이 높은 단일도메인항체의 확보와 안전성의 확보가 해결되어야 합니다.

• 전자의 문제를 해결하기 위해서는 다양한 단일도메인항체를 확보하고 선별할 수 있는 유전자원의 확보가 선결되어야 합니다. 현재 가장 많이 이용되고 있는 단일도메인항체의 확보는 낙타류, 즉 알파카나 단봉, 쌍봉낙타를 통해 확보하는 것입니다.

• 최근에는 연골어류 유래 VNAR 단일도메인항체를 활용하고자 하는 노력이 많아지고 있습니다. 특히 삼면이 바다인 우리나라의 환경을 고려해 볼 때, 다양한 어족자원을 활용하는 차원에서 연골어류를 활용하는 단일도메인항체의 개발에 많은 관심과 지원이 필요합니다.

• 인공지능구조설계팀은 이미 상지대학교 (나노바디 기반 동물생리활성물질자원 거점은행) 및 부경대학교 (수산과학연구소)를 통해 낙타류 유래 VHH 및 연골어류 유래 VNAR 단일도메인항체 개발에 대한 협업을 진행하며 2019년부터 지속적으로 관련 기반기술 확보 및 실용화에 노력하고 있습니다.

   

  

  그림2. 단일도메인항체의 다양한 용도로의 활용 (Antibodies 2019, 8(1), 13; https://doi.org/10.3390/antib8010013)

   

• 신약을 개발함에 있어서, 그 약의 효과를 증명하고 그 약의 안전함을 보여줘야 하는 다양한 연구성과물의 뒷받침이 없다면 불가능합니다. 단일도메인항체에 대한 규제에 관련된 정보는 미국 FDA에 최초로 승인된 단일도메인항체 기반 의약품인 Cablivi의 관련 보고서들을 참고할 수 있습니다.
  

그림3. 미국 FDA 최초 승인된 단일도메인항체 의약품인 Cablivi와 이와 관련된 미국, 유럽, 영국의 규제 관련 보고서

표 4 단일도메인항체에 대한 요약 정리

• 아래는 Cortelis 데이터베이스 분석을 통해 확보한 단일도메인항체의약품의 전체 리스트입니다.

   

  
  

   

3. 활용계획 – 연골어류 유래 단일도메인항체의 가상 항체 라이브러리 구축

• 신약개발지원센터에서 이미 구축된 연골어류 유래 VNAR 단일도메인항체 라이브러리로부터 획득한 CDR 서열 정보를 활용하여 인공지능 기반 3차 구조 예측 및 물성, 특성 계산을 통한 가상 항체 라이브러리를 구축하고 있습니다.

• 단일도메인항체는 중쇄만 가지고 있어 CDR 영역의 서열 조합이 일반적인 항체에 비해 복잡도가 높지 않아 인실리코 기반의 합성 라이브러리 구축이 쉽습니다.

• 최종적으로 가상 항체 라이브러리 구축 기반 기술을 확보하고 나아가 가상 항체 라이브러리 활용 항체의약품 후보물질의 가상 탐색 기반을 확보하고자 합니다.

4. 연구성과

• 단일도메인항체 의약품 연구개발 가이드 정보집 발간
  

• Bioengineering 저널 투고 예정 (2022년 6월)

• 2022년 대한약학회 춘계국제학술대회 포스터 발표

5. 참고문헌

1. Muyldermans S. A guide to: generation and design of nanobodies. FEBS J. (2021)

2. BioINpro 2021년 바이오미래유망기술(상) (주제3) (Red) 나노바디 기술 동향 및 시사점 (2021)

3. Single-Domain Antibody Platforms Market (2020)

6. Acknowledgement

[과기부] 신약개발지원센터 기반기술구축사업 “연골어류 유전체를 활용한 단일 도메인 항체 라이브러리 구축(과제번호 2019M3A9G4067132)”

[식품의약품안전처] “감염병 등의 항체 치료제로서 나노바디의 가능성 탐색 연구 (과제번호 20072생물안724)”