연구원들은 소아 망막암 치료용으로 포장을 한 CAR T 세포 덩어리를 연구하다

희귀한 눈의 암인 망막아종을 앓고 있는 일부 어린이들에게 쥐 모델 연구 결과는 CAR T세포 치료법으로 알려진 일종의 면역요법이 효과적인 치료법이 될 수 있음을 보여준다.

연구에 사용된 CAR T-세포 치료법은 여전히 실험 중이며 현재까지 암 치료용으로 승인된 다른 치료법과 다르다. 대부분 치료의 핵심에 있는 가공된 면역체계 세포가 하이드로겔이라는 생분해(자연분해)성 물질로 포장된 뒤 종양에 직접 주입됐기 때문이다.

쥐 표본 실험에서, 그 치료법은 진행된 종양을 파괴했을 뿐만 아니라, 쥐들이 시력을 잃는 것을 막아주는 것처럼 보였다. 시력상실은 망막아종 진단을 받은 사람들에게 중요한 문제이며, 그 연구 결과는 10월 12일 ‘Nature Cancer’지에 발표되었다.

현재까지 식품의약품안전청의 승인을 받은 CAR T세포 치료법은 모두 전신 치료법이다. 즉, 정맥 주입으로 환자에게 제공된다. 그러나 눈 속에 생기는 망막아종과 같은 암의 경우 하이드로겔에 포장된 가공 면역세포를 종양에 직접 주입하는 것이 더 효과적인 대안이 될 수 있다고 노스캐롤라이나 대학교 라인버거 종합 암센터의 바바라 사볼도 박사가 말했다.

사볼도 박사는 "이것은 우리가 이러한 [두 가지] 기술을 시너지 효과를 낼 수 있는지 여부를 알아 볼 좋은 기회였다"고 말했다. 정맥주사를 사용하는 대신 종양에 직접 CAR T 세포를 주입하는 접근법은 "다른 종양을 치료할 수 있는 가능성을 열어줄 수도 있다"고 그녀는 덧붙였다.

망막아종의 치료 : 효과적이고 진화 중인 치료

이름에서 알 수 있듯이 망막아종은 눈의 뒤쪽에 있는 망막에서 발병한다. 미국에서는, 대부분 2살 미만의 어린이들, 수백 명의 아이들만이 매년 이 암 진단을 받는 희귀한 암이다. 이러한 암의 약 40%는 RB1이라고 불리는 유전자의 유전적 돌연변이에 기인한다. 대부분의 유전형 망막아종 환자에서 암은 양쪽 눈에 모두 영향을 미친다.

연구에 참여하지 않은 보스턴 소아병원 안과종양내과의 과장인 에프렌 곤잘레스 박사는 "치료는 다양한 요인에 따라 선택할 수 있으며 화학요법과 방사선요법이 포함될 수 있다"고 설명했다.

곤잘레스 박사는 적출이라고 알려진 환자들의 눈을 하나 혹은 둘을 제거하는 수술은 흔한 일이었다고 말했다. 그러나 지난 20년간 치료법의 진전으로 수술의 필요성이 줄어들었다.

(핵의 제거 혹은 적출 : 의학에서는 장기나 종양을 열매의 껍데기에서 핵과(씨앗)을 깨끗하고 통째로 빼내듯이 제거하는 것이다)

이러한 진보는 10여 년 전 슬로안 케터링 기념 암센터(MSKCC)에서 개발된 치료법 중 하나로 안과동맥 화학수술이라고 불린다. 이 접근법은 화학요법이 안과동맥을 통해 눈으로 직접 전달될 수 있도록 하고 있으며, MSKCC의 보고서는 이것이 안구적출을 겪어야 하는 아이들의 수를 극적으로 줄일 수 있다는 것을 보여준다.

그렇더라도, 현재의 치료법은 일부 어린이들에게 심각한 부작용을 일으킬 수 있는데, 여기에는 말년에 다른 (또는 두 번째) 암이 발병하는 것도 포함된다.

또한 망막아종은 초기 치료 성공 후 재발할 수 있으며, 효과적인 치료 방법, 특히 아이의 시력을 보전할 수 있는 방법 등은 그 시점에서 제한된다. 사볼도 박사는 적어도 초기에는 CAR T-세포 치료와 같은 면역 기반 치료법이 기존 치료법보다 더 나은 선택지를 제공할 수 있을 것이라고 말했다.

몇 가지 향상된 기능을 갖춘 CAR T-Cell 치료

이 특별한 CAR T-세포 치료법을 망막아종에 대하여 실험하게 된 영감은 같은 노스캐롤라이나 대학의 연구원들이 신경아종에 대해 연구한 결과인데, 이것은 망막아종과 같은 분자적 특징을 일부 공유하는 또 다른 소아암이다. 쥐 모델의 신경아종의 성공에 기초한 망막아종 연구에 사용된 것과 유사한 실험용 CAR T세포 요법은 현재 신경아종의 소아 환자를 대상으로 임상시험에서 시험 중이다.

신경아종 및 망막아종 연구에서 사용되는 CAR T세포 요법은 GD2라는 이런 아종의 표면에 분자를 만드는 암세포로 유도된다.

아난다니 넬란 박사와 콜로라도 소아병원의 테리 프라이 박사는 ‘Nature Cancer’ 지에 함께 실린 논평을 통해 GD2는 정상 세포에서만 제한적 소량으로 생산되며 정상 망막 세포에서는 전혀 생산되지 않는다고 설명했다. 그리고 GD2는 이미 면역 기반 치료의 좋은 표적으로 판명되었다, 넬란과 프라이 두 박사가 덧붙여 이것이 망막아종 면역치료의 "매력적인 후보"가 되었다.

노스캐롤라이나 대학 팀은 GD2를 표적으로 삼는 CAR T세포가 실험실에서 배양된 망막아종 세포를 선택적으로 죽일 수 있다는 것을 보여준 후, 이 치료법을 망막아종의 쥐 모델에서 시험했다.

사볼도 박사는 "CAR T세포 치료법은 일반적으로 혈액의 순환을 통해 전달되는 "원샷 치료법"이기 때문에 T세포가 발견되는 종양에 의해 "자극을 받거나 활성화되는 것"도 어려울 수 있다고 설명했다. 망막아종이 딱 맞는 예다.

넬란과 프라이 두 박사가 설명했듯이, 눈은 "면역학적으로 특권을 부여 받은" 기관이다, 즉 눈의 안쪽과 주변의 면역 체계 반응은 그것이 야기할 수 있는 부수적인 손상(예: 염증) 때문에 자연히 약화된다.

그래서 쥐에게 T세포 요법을 혈관에 주입하기보다는 눈 종양에 직접 주입했다. 비록 그 치료법이 종양을 축소시켰지만, 그것은 부분적으로만 축소되었고, 그것들은 빠르게 재발했다.

다른 연구들은 면역 자극 단백질의 일종인 IL-15로 알려진 사이토카인이 CAR T 세포가 더 오랫동안 생존하는 데 도움을 줄 수 있다는 것을 발견했다고 사볼도 박사는 설명했다. 그래서 그들이 이미 신경아종에 대한 GD2 CAR T세포 치료법을 사용했던 것과 유사하게, 연구팀은 IL-15를 생산하기 위해 그들의 CAR T세포들을 재설계했다.

증식연구는 효과가 있었다. 그 치료법은 종양을 파괴했고 치료받은 쥐의 절반 이상에서 장기간에 걸쳐 종양이 재발하는 것을 막았다.

마지막으로, 치료의 효과를 더욱 높이기 위한 노력의 일환으로, 연구팀은 물과 다른 생분해성(자연분해성) 화합물로 구성된 하이드로겔 즉 젤라틴의 구조로 눈을 돌렸다.

이 연구의 또 다른 수석 연구원인 한 종차오 박사는 당뇨망막병증과 노화에 따른 황반변성을 포함한 다른 눈 관련 질환에 대한 치료의 전달 수단으로 하이드로겔을 시험해왔다. 다른 연구자들은 또한 망막아종을 하이드로겔에 적재된 화학요법 약물로 치료하는 것에 대해 연구했다.

연구진은 CAR T세포가 하이드로겔에 포장되면 눈에서 내용물이 점진적으로 방출돼 치료 효과가 있는 시간이 길어질 수 있다고 봤다. 또한 종양을 넘어 IL-15의 분포를 제한하는 데 도움을 줄 수 있어 다른 인체 연구에서 IL-15와 연계된 부작용의 위험을 줄일 수 있다.

암의 망막아종 세포와 생쥐 모델에 대한 실험은 그러한 기대를 입증하는 것 같았다.

예를 들어 연구진이 쥐의 종양에 하이드로겔 캡슐화 GD2/IL-15 CAR T 세포를 주입했을 때 모든 생쥐에서 종양이 완전히 제거돼어 연구 기간 동안 재발하지 않았다. 추가 실험 결과 종양 부위 주변에 CAR T세포가 남아 있어 종양이 재발하는 것을 막는 데 중요한 역할을 했다.

게다가, 이 치료법은 쥐의 "망막의 구조적 회복도 개선했다"고 그들은 보고했다. 추가 분석 결과 치료되지 않은 생쥐는 망막 기능이 현저히 손상된 반면 하이드로겔 포장 치료를 받은 생쥐는 망막 기능이 양호한 것으로 나타났다.

다음은 무엇일까?

넬란과 프라이 두 박사는 특히 망막의 손상이 제한적이고 "이 치료로 인해 [망막] 기능이 개선된다는 것을 발견했기 때문에, 생쥐 연구의 결과를 "유망하다"고 불렀다.

곤잘레스 박사는 하이드로겔로 포장된 CAR T 세포가 유망하며 계속 개발되어야 한다는 데 동의했다. 그는 이번 연구에서 사용된 쥐의 모델은 아이들이 이 암을 진단받을 때까지 종종 발생하는 망막 손상을 복제하지 않기 때문에 이 치료법이 망막에 미치는 영향은 더 많은 정밀 조사가 필요할 것이라고 덧붙였다. "그 시점에서, 그 아이들은 이미 망막의 일부 기능 장애를 가지고 있는 경우가 많다"고 그는 말했다.

CAR T 세포만이 연구되고 있는 망막아종 치료의 새로운 접근법이 아니다. 예를 들어 스페인의 연구자들은 망막아종의 동물 모델에서 종양을 위축시키는 암을 표적으로 삼는 표적형 또는 종양파괴 바이러스를 개발했고, 이 병에 걸린 소수의 아이들에게서 검사를 받았다.

곤잘레스 박사는 새로운 치료 접근법에 대한 남은 과제는 망막아종이 드물기 때문에 임상 연구가 어렵다는 사실일 것이라고 말했다. 덧붙인다면, 그런 단점에도 불구하고 현재의 치료법은 효과적이고 비교적 안전하다.

이러한 새로운 치료법을 표준 치료법과 결합하여 시험하는 것은 임상 실험에 방해가 될 수 있다. 그는 "그러나 최소한 초기에는 기존 치료법에 어떻게 접목될 수 있을지 흥미로울 것 같다"고 말했다.

노스캐롤라이나 대학 팀은 CAR T-세포 치료 연구에 관련된 다른 센터들과 협력하는 것을 포함하여 가능한 임상 실험에 대해 논의하고 있다고 사볼도 박사는 설명했다. "우리는 확실히 시험을 진행하기 위한 최선의 방법을 생각하고 있습니다,"라고 그녀는 말했다.

2020년 11월 10일 국립암연구소 제공

For Childhood Eye Cancer, Researchers Investigating “Packaged” CAR T Cells

November 10, 2020, by NCI Staff

For some children with the rare eye cancer retinoblastoma, results from a study in mice suggest that a type of immunotherapy known as CAR T-cell therapy could be an effective treatment.

The CAR T-cell therapy used in the study is still experimental and differs from others currently approved to treat cancer. In large part, that’s because the engineered immune system cells at the core of the treatment were packaged in a biodegradable material called a hydrogel and then injected directly into tumors.

In the mouse experiments, the treatment not only destroyed advanced tumors, but also appeared to spare the mice from losing their visionExit Disclaimer—a significant concern for those diagnosed with retinoblastoma. The results of the study were published October 12 in Nature Cancer.

To date, the CAR T-cell therapies that have been approved by the Food and Drug Administration all are body-wide, or systemic, treatments—that is, they are given to patients as intravenous infusions. But, for a cancer like retinoblastoma that forms in the eye, injecting the engineered immune cells packaged in hydrogels directly into tumors could be a more effective alternative, said one of the study’s lead investigators, Barbara Savoldo, M.D., Ph.D., of the University of North Carolina Lineberger Comprehensive Cancer Center.

“This was a great opportunity…to see if we could synergize these [two] technologies,” Dr. Savoldo said. The approach of directly injecting CAR T cells into tumors rather than using intravenous infusion “may also open up possibilities for treating other tumors,” she added.

Retinoblastoma Treatment: Effective and Evolving

As its name implies, retinoblastoma develops in the retina, in the back of the eye. In the United States, only a few hundred children, mostly kids younger than 2 years old, are diagnosed with this cancer every year. About 40% of these cancers are due to an inherited genetic mutation in a gene called RB1. In most patients with the inherited form of retinoblastoma, the cancer affects both eyes.

Treatment is selected based on a variety of factors and can include therapies that kill tumors with extreme heat or cold, as well as chemotherapy and radiation, explained Efren Gonzalez, M.D., director of ocular oncology at Boston Children’s Hospital, who was not involved in the study.

Surgery to remove the affected eye or eyes, known as enucleation, used to be common, Dr. Gonzalez said. But treatment advances over the past 20 years have diminished the need for surgery.

One such advance is a treatment pioneered at Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSKCC) more than a decade ago, called ophthalmic artery chemosurgery. The approach allows chemotherapy to be delivered directly to the eyes via the ophthalmic artery, and a report from MSKCC shows that it can dramatically reduce the number of children who have to undergo enucleation.

Even so, the current treatments can have serious side effects in some children, including the development of a different (or second) cancer later in life.

In addition, retinoblastoma can return after initially successful treatment, and effective treatment options—particularly those that can spare the child’s vision—are limited at that point. For these children, initially at least, an immune-based treatment like CAR T-cell therapy could provide a better option than existing treatments, Dr. Savoldo said.

A CAR T-Cell Therapy with a Few Enhancements

The inspiration for testing this particular CAR T-cell therapy against retinoblastoma came from some of the same UNC researchers’ studies of it in neuroblastoma, another childhood cancer that shares some of the same molecular features with retinoblastoma. Based on success in mouse models of neuroblastomaExit Disclaimer, an experimental CAR T-cell therapy similar to the one used in the retinoblastoma study is currently being tested in a clinical trial for children with neuroblastoma.

The CAR T-cell therapy used in the neuroblastoma and retinoblastoma studies is directed to cancer cells that produce a molecule on their surface called GD2.

GD2 is only produced in a limited fashion in normal cells and not at all on normal retina cells, explained Anandani Nellan, M.D., and Terry Fry, M.D., of Children’s Hospital Colorado, in an accompanying commentary in Nature Cancer. And GD2 has already been shown to be a good target for immune-based treatments, Drs. Nellan and Fry added, making it “an attractive candidate” for immunotherapy for retinoblastoma.

After showing that GD2-targeted CAR T cells could selectively kill retinoblastoma cells grown in the laboratory, the UNC team tested the therapy in mouse models of retinoblastoma.

Because CAR T-cell therapies typically are “one-shot treatments” delivered via the circulation, Dr. Savoldo explained, it can be difficult for the T cells to reach some tumors as well to be “turned on,” or activated, by those tumors they do find. Retinoblastoma is a case in point.

As Drs. Nellan and Fry explained, the eyes are “immunologically privileged” organs—that is, the immune system response in and around the eyes is naturally dampened because of the collateral damage it can cause (e.g., inflammation).

So rather than infusing the T-cell therapy into the mice, they injected it directly into the eye tumors. Although the treatment shrank tumors, it did so only partially, and they quickly regrew.

Other studies have found that a type of immune-stimulating protein, a cytokine known as IL-15, could help CAR T cells stay alive for longer periods, Dr. Savoldo explained. So, similar to what they’d already done with their GD2 CAR T-cell therapy for neuroblastoma, the research team re-engineered their CAR T cells to also produce IL-15.

The enhancement worked. The therapy destroyed the tumors and prevented them from returning for an extended period in more than half of the treated mice.

Finally, in an effort to further ramp up the treatment’s effectiveness, the team turned to hydrogels, gelatinous structures composed of water and other biodegradable compounds.

The study’s other lead investigator, Zongchao Han, M.D., Ph.D., has been testing hydrogels as delivery vehicles for therapies for other eye-related disorders, including diabetic retinopathy and age-related macular degeneration. Other researchers have also investigated treating retinoblastoma with chemotherapy drugs loaded in hydrogels.

Packaging the CAR T cells in hydrogels, the research team believed, could allow for a gradual release of their contents in the eye, extending the time the treatment is able to work. It could also help limit the distribution of IL-15 beyond the tumor, reducing the risk of side effects that have been linked to IL-15 in other human studies.

Experiments in retinoblastoma cells and mouse models of the cancer seemed to validate those expectations.

For example, when the researchers injected hydrogel-encapsulated GD2/IL-15 CAR T cells into tumors in the mice, they were completely eliminated in all of the mice and did not return for the duration of the study. Additional experiments found that the CAR T cells remained around the tumor site, which is important to help prevent the tumor from recurring.

In addition, the therapy “also improved structural recovery of the retina” in the mice, they reported. Additional analyses showed that untreated mice had significantly impaired retinal function, whereas mice that received the hydrogel-packaged treatment appeared to have good retinal function.

What’s Next?

Drs. Nellan and Fry called the results from the mouse studies “promising,” particularly because of the limited damage to the retina and the finding “that this treatment results in improved [retinal] function.”

Dr. Gonzalez agreed that hydrogel-packaged CAR T cells are promising and should continue to be developed. The treatment’s impact on the retina will need further scrutiny, he added, because the mouse model used in the study doesn’t replicate the retinal damage that is often present in children by the time they are diagnosed with this cancer. “At that point, they often already have some dysfunction of the retina,” he said.

CAR T cells are not the only new approach to retinoblastoma treatment being studied. Researchers in Spain, for example, have developed a cancer-targeting, or oncolytic, virus that shrank tumors in animal models of retinoblastoma and has been tested in a handful of children with the disease.

A challenge for any new treatment approach, Dr. Gonzalez noted, will be the fact that retinoblastoma is rare, so clinical studies are difficult to conduct. In addition, despite their shortcomings, the current treatments are effective and relatively safe.

Testing these new therapies in combination with standard treatments may be one inroad into clinical trials. “I think it will be interesting to see how they can be incorporated into existing treatments, at least in the beginning,” he said.

The UNC team is in discussions about possible clinical trials, including collaborating with other centers involved in CAR T-cell therapy research, Dr. Savoldo explained. “We’re definitely thinking of the best way to move ahead with trials,” she said.