알파-시누클레인 (alpha-Synuclein) 응집체와 싸우는 항체

파킨슨병의 진단과 치료 현황

파킨슨병의 원인 중 하나는 알파-시누클레인 (alpha-Synuclein, αSyn) 이라는 단백질이 응집하여 세포안에서 혹은 세포밖에서 독성을 나타내는 것으로 알려져 있습니다. 

파킨슨병 (Parkinson’s disease)은 대뇌의 도파민 세포가 서서히 파괴되어 발생하는 퇴행성 뇌질환입니다. 이 질환은 도파민 신경세포의 손상으로 움직임 둔화, 안정 시 떨림, 근육 경직, 자세 불균형과 같은 증상으로 나타납니다. 증상이 나타나기 전에 이미 약 30-50%의 도파민 세포가 손실되어 있는 것으로 추정하고 있습니다. 치료 골든타임을 놓치지 않으려면 유효한 조기진단이 중요한 것으로 보입니다.

 

현재 파킨슨병 환자를 위한 의료 치료는 크게 두 가지로 나뉩니다. 첫번째는 약물 치료로, 도파민 결핍을 보완하는 약물을 복용하는 방법입니다. 두번째는 수술 치료로, 뇌의 특정 부위에 전극을 삽입하고 전기 자극을 주는 방법입니다. 이러한 방법은 파킨슨병의 증상을 효과적으로 줄여주고 있습니다. 그러나 아직 파킨슨병을 예방하거나 완치하는 방법은 없는 상황입니다. 효과적이고 안전한 치료법에 대한 연구, 개발이 필요합니다.

알파-시누클레인 항체 치료제의 개발

항체 치료제 개발의 어려움

알파-시누클레인 응집체를 인식하고 제거할 수 있는 항체를 개발하는 것은 파킨슨병의 진단과 치료에 도움이 될 것입니다.

항체는 항원의 특정 구조를 인식하여 특이적으로 결합하는 특성을 갖고 있습니다. 알파-시누클레인 응집체의 경우 크기와 구조가 다양하기 때문에 단량체, 올리고머, 섬유화된 형태로 존재합니다. 각 형태마다 구조와 독성이 다릅니다. 항체는 이러한 다양한 형태의 알파-시누클레인 (alpha-Syuclein) 구조 중 특정 구조를 갖고 있는 αSyn에만 효과적으로 결합하기 때문에, 모든 형태의 알파-시누클레인을 인식하고 중화할 수 있는 항체를 찾는 것은 어렵습니다. 알파-시누클레인은 뇌에서 주로 세포내에 존재하는 단백질로, 세포 외부에서는 매우 낮은 농도로 존재합니다. 이러한 이유로 효고적으로 알파-시누클레인을 감지하고 중화하는 결합력 (binding affinity, KD) 강한 항체를 개발하기 어려운 상황입니다.

새로운 파킨슨병 항체 치료제 포맷 - 다가항체 (Multivalent Format Antibody)

최근 항체가 알파-시누클레인 응집체에 강하게 결합할 수 있도록 항체의 구조를 개선하는 연구가 시도되고 있습니다. 스웨덴 우페알라 대학교의 연구진은 알파-시누클레인 응집체에 특이적으로 결합하는 항체인 SynO2를 기반으로, 원래 항체의 N-말단에 항체의 결합 부위를 scFv 형태로 추가하여 다가항체 (multivalent antibody) 를 제작을 시도하였습니다. 이러한 방법으로 avidity를 증가시킨 새로운 항체 TetraSynO2와 HexaSynO2를 만들었습니다. 연구진은 ELISA와 LigandTracer®를 이용한 실험에서, 새로운 항체들이 SynO2보다 알파-시누클레인 응집체에 대한 결합 강도가 20배 이상 증가하였고, 반면 알파-시누클레인 단량체나 다른 단백질 응집체에 대한 결합은 낮게 유지되었다고 보고하였습니다.

다가항체의 Binding Kinetics분석

상세한 binding kinetics 특성을 분석하기 위해, αSyn (alpha Synuclein) 응집체를 페트리디쉬 표면에 고정한 후 분자간 결합과 해리를 실시간으로 모니터링하는 LigandTracer로 실험을 진행하였습니다.

αSyn HNE 응집체에 대한 항체의 결합력 (binding affinity)과 결합속도 (binding kinetics)를 상세히 살펴보면2종류로 세분화할 수 있는데, 약한 결합 (weak binding) 성분과, 강한 결합 (strong binding) 성분으로 이루어져 있다. 항체 엔지니어링으로 만들어진 항체의 강한 결합성분 비율을 분석해 보면, 원래의 모 항체 SynO2는 80 ± 4%의 강한 결합성분이 전체 결합력에 영향을 주었고, TetraSynO2는 95 ± 2%, HexaSynO2는 약 100%로 증가하였다고 보고하고 있습니다. 이러한 영향으로 TetraSynO2와 HexaSynO2에 추가된 scFvSynO2는 αSyn HNE 응집체에 대해 비례적으로 더 많은 항체가 이중 또는 다중으로 바인딩하는 것으로 보입니다.

이러한 결과는 알파-시누클레인 응집체와의 상호작용을 안정화시키고, 더 다양한 알파-시누클레인 응집체 형태를 인식할 수 새로운 항체 디자인이 가능하다는 것을 보여줍니다. 이는 파킨슨병 진단과 치료에 유용할 수 있을 것입니다.

추가적인 연구

하지만 새로운 항체 설계에도 한계가 있습니다. 예를 들어, 항체의 구조가 복잡해지면 항체의 안정성이 떨어질 수 있고, 항체의 생산 비용이 증가할 수 있습니다. 또한, 새로운 항체들이 실제 파킨슨병 환자의 알파-시누클레인 응집체와 얼마나 잘 결합하는지, 그리고 항체가 알파-시누클레인 응집체의 독성과 전파를 얼마나 억제하는지에 대한 연구가 필요합니다. 따라서, 다가항체 항체 엔지니어링을 이용한 파킨슨병 치료는 매우 유망한 전략이지만, 아직 많은 연구가 필요합니다.

어떤 방법으로 측정했을까?

알파-시누클레인 응집체에 대한 항체 결합력 (binding affinity), 결합속도 (binding kinetics), 결합 세부 성분을 어떻게 측정하고 분석했는지 궁금하신가요? 

문의클릭

참고자료

  1. Petersen et al. MABS. 2023;15(1):2256668
  2. LigandTracer Application. https://www.ligandtracer.com/applications/
  3. Ligand binding affinity package. https://ycluebio.com/ligand-binding-affinity-package/