인간화 (Humanization) 항체 제작

1.     개요

신약개발지원센터 바이오의약최적화부의 후보물질최적화팀에서는 항체의약품 후보물질 개발 및 최적화를 위하여 비인간유래 (대표적으로 마우스항체) 단일 클론 항체의 인간화 항체 제작 기술을 지원하고 있습니다. 

인간화 항체 제작 기술은 질병 치료를 목적으로 특정 병원균 (항원)에 대한 마우스 항체를 인체에 반복 투여했을 때 생기는 면역반응 (HAMA response, Human anti-mouse antibody response)에 의한 부작용과 치료효과 감소문제를 해결하기 위하여 개발된 기술입니다. 마우스 항체의 유전자를 90% 이상 인간의 유전자 서열로 치환하고, 키메릭 항체 대비 동일한 에피토프 (Epitope)를 인식하며, 항원에 대한 친화력과 물성을 동등 수준 이상으로 유지하는 기술입니다(그림 1). 

 <그림 1. 마우스 유래 단일클론 항체의 인간화>

신약개발지원센터 9월호 뉴스레터에서는 후보물질최적화팀에서 지원하고 있는 인간화 항체 제작 기술의 전략에 대하여 소개하겠습니다.

2. 기술 소개

<그림 2. 마우스 유래 단일클론 항체의 CDR grafting>

1) Germline homology based 항체 인간화 기술

인간화 항체 제작은 마우스 항체의 중쇄와 경쇄의 가변부위에 존재하는 CDR (Complementarity-Determining Region) 부위를 인간의 framework에 이식하는 방법인 CDR grafting 기술을 이용합니다. 이때 인간의 framework 부위는 마우스 항체의 framework 부위와 높은 상동성을 보이는 인간의 germline 유래 framework을 선정하는데, 그 이유는 framework 부위에 존재하는 특정 아미노산 서열이 항체 구조에 영향을 주고 항원과의 결합력을 감소시킬 수 있기 때문입니다. 그래서 필요한 경우에는 murine framework의 특정 아미노산을 그대로 유지하는 back-mutation을 수행하기도 합니다.

인간화 항체 제작의 단계는 1) 단일클론 항체의 서열분석, 2) Human germline homology based framework 선정, 3) CDR grafting, 4) in silico 기반 구조 안정성 분석 5) Back-mutation evaluation, 6) 발현벡터 제작, 7) 인간화 항체 스크리닝, 8) 인간화 항체 특성 분석으로 이루어집니다. 특히 인간화 항체 서열을 디자인할 때는 항체의 구조적 안정성과 결합력에 영향을 미칠 수 있는 PTM site, canonical residue, vernier zone에 해당하는 특정 아미노산을 반드시 확인해야 합니다(그림 3).

<그림 3. 인간화 항체 제작의 Work-flow>

2) Structural homology based 항체 인간화 기술

기존의 인간화 기술은 human germ line 서열 기반으로 개발되어 왔으나, mouse CDR과 human framework의 구조적 불일치로 인해 결합력 감소 또는 항체 assembly 문제 유발 사례 등이 발생할 수 있습니다. 이에 기존의 문제점을 보완하기 위해 최근 structural homology 기반의 인간화 기술이 개발되었습니다. 해당 기술은 2차 구조 서열에 기반한 인간화 방법과는 다르게, 마우스 항체 및 인간 항체의 3차 구조 예측과 3차 구조 접힘 에너지 값을 기반으로 진행함으로써, 마우스 항체와 구조적 유사도가 높은 인간 항체 framework 도입 및 단백질 접힘 에너지 값을 기반으로 합리적인 돌연변이 도입이 가능합니다. 현재, 해당 기술은 구조적 안정성을 갖는 인간화 항체 디자인 또는 디자인된 인간화 항체의 구조적 안정성을 확인하는 것을 목적으로 수행하고 있으며, 이를 통해 항체 VH-VL pairing 및 결합 친화도 변화 예측 기술 등에 적용되어 높은 성공률을 갖는 인간화 항체로 제작되고 있습니다 (그림 4).

<그림 4. In silico 기반 인간화 항체 디자인 Work-flow>

● 3차 구조 마우스 항체 Modeling

마우스 항체의 서열을 기반으로 3차 구조의 상동성 마우스 항체 모델을 프로그램을 통해 생성합니다.

● 데이터 베이스 기반 인간 항체 Framework 선별 및 CDR grafting

구조적으로 규명되어 있는 인간화 항체 데이터 베이스를 이용하여 마우스 항체와 구조적으로 가장 유사도가 높은 인간 항체 framework을 선별하여 프로그램을 통해 predicted CDR grafting 을 진행합니다.    

● 인간화 항체 에너지 최소화

Predicted CDR grafting이 진행된 가상의 인간화 항체를 분석하여, 3차 구조 접힘 에너지 값을 기준으로 구조적으로 불안정성을 유발시킬 수 있는 잔기들을 선별하고, 계산 값에 의한 합리적인 돌연변이를 도입함으로써, 구조적으로 안정한 인간화 항체를 디자인합니다.

3. 기술지원 사례

후보물질최적화지원팀에서는 다양한 타겟 항원에 대한 마우스 항체를 기반으로 인간화 항체 제작을 수행하였으며, 키메릭 항체 대비하여 친화도가 동등 수준 이상이고 물성 개선 및 동등 효능 이상의 인간화 항체를 성공적으로 확보한 많은 사례들을 가지고 있습니다 (그림 5 & 6).

<그림 5. 인간화 항체 제작의 단계별 결과>

<그림 6. 인간화 항체 제작의 성공적인 사례>

4. 참고문헌

●   Michael Steinitz (ed.), Human Monoclonal Antibodies: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology, vol. 1060.

●   Protein Engineering, Design & Selection vol. 23 no. 9 pp. 689–697, 2010.

●   Antibody Structure and Function: The Basis for Engineering Therapeutics. Antibodies. 8, 55. 2019.

●   abYsis: Integrated Antibody Sequence and Structure - Management, Analysis and Prediction, Journal of Molecular Biology. 2016.

●   Improved prediction of antibody VL–VH orientation. Protein Engineering, Design & Selection, 2016.

●   Sagacity in antibody humanization for therapeutics, diagnostics and research purposes: considerations of antibody elements and their roles. Antibody Therapeutics, 2020.

●   Antibody Design and Humanization via In Silico Modeling. Amino acids, 2018

●   In Silico Methods in Antibody Design, Antibodies, 2018

●   In silico proof of principle of machine learning-based antibody design at unconstrained scale, mAbs, 2022

후보물질최적화팀장        최소영 책임연구원 (043-200-9511, soyoung@kbiohealth.kr)

후보물질최적화팀 실무   이세라 주임연구원 (043-200-9519, srlee@kbiohealth.kr)

후보물질최적화팀 실무   김상길 주임연구원 (043-200-9523, ryon2174@kbiohealth.kr)