Apigenin is a direct small-molecule inhibitor of LAG-3 that synergizes with PD-L1 blockade for cancer immunotherapy

인간의 면역 체계는 바이러스나 암세포와 같은 침입자를 식별하고 파괴하기 위해 끊임없이 몸을 순찰하는 정교한 방어 부대입니다. 이 강력한 군대가 건강한 조직을 실수로 공격하는 것을 방지하기 위해, 신체는 '체크포인트'라고 알려진 일련의 '브레이크'를 사용합니다. 이것들은 면역 세포 표면에 있는 특수한 단백질로, 세포가 특정 신호를 만났을 때 속도를 줄이거나 멈추도록 지시하는 정지 표지판 역할을 합니다. 암세포는 영리합니다. 이들은 종종 스스로 이 브레이크를 누르는 법을 배워, 면역 체계가 자신들을 무시하도록 효과적으로 속입니다. 최근 몇 년 동안 의사들은 주로 항체의 형태를 띤 강력한 약물들을 개발하여 이 브레이크를 해제해 왔습니다. 면역 세포에 멈추라는 신호를 차단함으로써, 이 약물들은 신체의 자연적인 방어 기제가 종양을 공격할 수 있도록 허용합니다. 이러한 접근 방식은 많은 암 치료를 변화시켰지만, 모든 사람에게 효과가 있는 것은 아니며, 약물은 비싸고 투여하기 어려울 수 있습니다. 과학자들은 이제 이 브레이크를 해제할 새로운 방법을 찾고 있으며, 기존 치료법과 병행하여 더 많은 환자를 도울 수 있는 더 단순하고 접근하기 쉬운 도구를 찾기를 희망하고 있습니다.

한 연구팀은 이 임무를 위한 유망한 새로운 후보 물질을 식별했습니다: 바로 파슬리, 셀러리, 오렌지와 같은 흔한 과일과 채소에 들어 있는 천연 화합물인 아피제닌(apigenin)입니다. 아피제닌은 오랫동안 잠재적인 건강 이점으로 알려져 왔지만, 이번 연구는 그것이 작동하는 구체적이고 직접적인 메커니즘을 밝혀냈습니다. 연구진은 아피제닌이 면역 체계의 가장 중요한 브레이크 중 하나인 LAG-3라는 단백질에 물리적으로 결합하는 작은 분자로 작용한다는 것을 발견했습니다. 이 단백질에 직접 부착됨으로써, 아피제닌은 단백질이 '정지' 신호를 받는 것을 방지하여 브레이크를 해제하고 면역 세포가 활성 상태를 유지할 수 있도록 합니다. 이 발견은 지금까지 LAG-3를 차단하는 것이 크고 복잡한 항체 약물로만 가능했기 때문에 매우 중요합니다. 작고 자연적으로 발생하는 분자가 동일한 일을 할 수 있다는 발견은 암 치료의 새로운 문을 열어주며, 경구용 약물이 기존 항체 치료와 결합하여 종양에 대한 더 강력한 방어를 구축할 수 있음을 시사합니다.

이 발견으로 가는 여정은 아피제닌을 포함한 플라보노이드(flavonoids)라는 식물 화합물 계열의 36가지 다른 라이브러리를 체계적으로 탐색하는 것으로 시작되었습니다. 연구진은 각 화합물이 LAG-3 단백질과 그 파트너인 MHCII 분자 사이의 연결을 방해할 수 있는지 테스트했습니다. 이 연결은 면역 브레이크가 작동하게 하는 구체적인 '악수'와 같습니다. 민감한 실험실 테스트를 통해, 연구진은 9개의 화합물이 이 상호작용을 방해할 수 있다는 것을 발견했지만, 아피제닌은 특히 효과적인 방해꾼으로 두드러졌습니다. 연구팀은 아피제닌이 LAG-3 단백질에 어떻게 들어맞는지 그 정밀한 모양을 지도화했습니다. 그들은 아피제닌이 단백질 표면의 특정 포켓(pocket)에 자리 잡는다는 것을 발견했는데, 이 지점은 알려진 다른 약물들이 결합하는 곳과는 구별되는 곳입니다. 이러한 특정한 결합 방식은 아피제닌이 이미 많은 성공적인 암 치료제의 표적인 PD-L1 단백질과 관련된 경로와 같은 다른 면역 경로를 방해하지 않고 LAG-3만을 표적하는 이유를 설명해 줍니다.

아피제닌이 단순히 세포에 일반적인 스트레스를 주는 것이 아니라 실제로 단백질에 결합하는지 확인하기 위해, 연구진은 광친화성 표지(photoaffinity labeling)라고 불리는 기술을 사용했습니다. 그들은 빛에 노출되었을 때 닿는 무엇이든에 영구적으로 달라붙을 수 있는 변형된 아피제젠 분자를 만들었습니다. 연구진이 이 변형된 분자를 면역 세포에 도입하고 빛을 비추었을 때, 그들은 붙잡힌 단백질들을 추출해 낼 수 있었습니다. 결과는 LAG-3가 주요 표적임을 보여주었으며, 이는 아피제닌이 살아있는 세포 내부에서 면역 브레이크와 직접 결합함을 확인시켜 주었습니다. 그러나 연구진은 실질적인 문제에 직면하기도 했습니다: 아피제닌은 물에 잘 녹지 않아, 고농도에서 화합물이 뭉쳐 세포에 해를 끼침으로써 실험 결과가 왜곡될 수 있었습니다. 이를 해결하기 위해, 그들은 아피제닌을 용해시키고 안정적으로 유지하는 특수한 제형을 개발했습니다. 이 제형을 통해 연구진은 세포에 안전한 농도에서 화합물을 테스트할 수 있었고, 독성을 일으키지 않으면서 면역 체계를 활성화하는 진정한 능력을 밝혀냈습니다.

이 새로운 접근 방식의 위력은 형성된 아피제닌을 PD-L1 경로를 차단하는 기존 항체 약물인 더발루맙(durvalumab)과 결합하여 테스트함으로써 입증되었습니다. 인간 면역 세포를 이용한 실험실 테스트에서, 이 두 치료제의 조합은 각각 단독으로 사용했을 때보다 더 나은 효과를 보였습니다. 연구진은 면역 세포가 더 활성화되어 싸울 준비가 되었음을 나타내는 높은 수준의 마커를 보인다는 것을 관찰했습니다. 이 실험을 인간과 유사한 종양을 가진 살아있는 생쥐로 옮겼을 때, 결과는 더욱 놀라웠습니다. 아피제닌과 더발루맙 병용 투여를 받은 쥐들은 단일 약물이나 위약(placebo)을 투여받은 그룹에 비해 종양 성장이 현저히 느렸습니다. 병용 그룹의 종양은 더 작았으며, 암을 죽이는 데 책임이 있는 CD8+ T 세포와 같은 활성 면역 세포를 훨씬 더 많이 포함하고 있었습니다. 이 세포들은 또한 종양 세포를 파괴하는 데 사용하는 무기인 그랜자임 B(granzyme B)와 퍼포린(perforin)을 더 많이 생성하고 있었습니다.

연구 전반에 걸쳐 연구진은 자신이 증명할 수 있는 것과 계속 탐구해야 할 것을 구분하기 위해 주의를 기울였습니다. 그들은 아피제닌이 LAG-3에 직접 결합하고 그 기능을 방해한다는 것을 화학적 결합 테스트, 컴퓨터 시뮬레이션, 세포 내 직접 관찰을 포함한 여러 독립적인 방법을 통해 입증했습니다. 또한 이 효과가 LAG-3에 특이적이며 PD-1 또는 PD-L1과 같은 다른 면역 체크포인트에는 미치지 않는다는 것을 보여주었습니다. 연구진은 또한 개선된 제형 덕분에 화합물이 세포에 독성을 일으킨 것이 아니라 세포가 건강한 상태에서 약물이 작동했다는 점을 밝혀냄으로써, 관찰된 효과가 단순히 화합물의 세포 독성 때문일 가능성을 배제했습니다. 이 연구는 아피제닌이 LAG-3의 직접적인 억제제이며 기존 항체 요법과 함께 잘 작동한다는 것을 확인하지만, 저자들은 결합의 구조적 세부 사항을 완전히 이해하고 인간 사용을 위해 분자를 최적화하기 위해 추가적인 작업이 필요하다고 언급했습니다. 이 연구는 아피제닌이 암의 치료제라고 주장하는 것이 아니라, 이전에는 거대한 생물학적 약물로만 접근 가능하다고 생각되었던 면역 체크포인트를 겨냥하는 새로운 실행 가능한 전략을 나타낸다고 말합니다.

이 연구는 과학자들이 암 면역 요법을 개발하는 방식이 어떻게 변화할 수 있는지를 시사합니다. 수년 동안 초점은 효과적이지만 제조와 투여가 복잡한 대형 항체 약물에 거의 전적으로 맞춰져 왔습니다. LAG-3의 소분자 억제제로서 아피제닌의 성공은 이러한 중요한 면역 표적들이 훨씬 더 작고 단순한 화학 화합물에 의해 조절될 수 있음을 보여줍니다. 이는 환자들이 집에서 복용할 수 있는 경구용 약물의 개발 가능성을 열어주며, 잠재적으로 이러한 강력한 치료를 더 접근하기 쉽고 저렴하게 만들 수 있습니다. 연구진은 LAG-3를 표적으로 하는 소분자와 PD-L1을 표적으로 하는 항체를 결합함으로써, 일부 종양이 단일 치료에 대해 보이는 저항성을 극복할 수 있는 이중 요법의 길을 제시했습니다. 이 연구 결과는 천연 화합물이 적절히 이해되고 제형화될 때, 면역 체계를 재활성화하여 암에 맞서 싸우게 하는 정밀한 도구로 쓰일 수 있다는 구체적인 개념 증명을 제공하며, 차세대 병용 요법에 대한 희망을 보여줍니다.