항체가 표적을 "재구축"하는 방식: 일부 항-CD20 항체가 보체를 요청하는 반면 다른 항체는 직접 파괴하는 이유

과학자들은 치료용 항체(리툭시맙, 오비누타주맙 등)가 B 세포의 CD20 수용체에 결합할 때 정확히 어떤 일이 일어나는지 시각화했습니다. RESI 초고해상도 현미경의 새로운 버전을 사용하여 살아있는 세포 전체에서 개별 단백질 수준에서 이를 관찰하고 나노클러스터 패턴을 다양한 약물 작용 기전과 연결했습니다. 그 결과, "1형" 항체(예: 리툭시맙, 오파투무맙)는 CD20을 긴 사슬과 초구조로 조립하여 보체를 더 잘 "심습니다". "2형" 항체(예: 오비누타주맙)는 작은 올리고머(최대 4중합체)로 제한되며, 더 강력한 직접 세포독성과 효과기 세포를 통한 살상을 제공합니다. 이 연구는 Nature Communications 에 게재되었습니다.

연구 배경

• 왜 CD20일까요? 항-CD20 항체는 B세포 림프종/백혈병 및 일부 자가면역 질환 치료에 중요한 역할을 합니다. 시중에는 여러 약물이 있지만, 세포 내에서 작용하는 방식이 다르고 임상 양상도 서로 다릅니다.
• 두 가지 기전적 측면이 있습니다. 일반적으로 I형 항체(리툭시맙, 오파투무맙)와 II형 항체(오비누타주맙 등)가 있습니다. 전자는 보체(CDC)를 포함할 가능성이 더 높고, 후자는 효과기 세포를 통한 직접적인 세포 사멸 및 살상(ADCC/ADCP)을 더 자주 수행합니다. 이는 생화학 및 기능 검사를 통해 오랫동안 알려져 왔지만, 나노미터 수준에서 정확히 왜 그런지는 불분명했습니다.
• 이전 방법에서는 무엇이 빠졌는가.
  • 고전적인 면역형광법과 심지어 초고해상도 접근법조차도 표적이 밀집되어 역동적으로 움직이는 경우 살아있는 세포막에서 "단일 분자"를 볼 수 없습니다.
  • Cryo-EM은 놀라운 세부 정보를 제공하지만, 일반적으로 살아있는 세포 전체의 맥락을 벗어나는 경우가 많습니다.
    결과적으로 항체 아래 CD20의 "기하학적 구조"(클러스터, 사슬, 크기)는 간접적인 데이터로부터 추측해야 했습니다.
• 기하학적 구조가 중요한 이유. C1q가 정확하게 위치한 Fc 도메인을 동시에 포획할 때 보체가 "활성화"됩니다. 이는 말 그대로 거리와 각도의 문제입니다. 마찬가지로, ADCC/ADCP의 효율은 항체가 Fc를 효과 세포 수용체에 어떻게 노출시키는지에 따라 달라집니다. 따라서 CD20+항체의 나노 구조가 기능의 핵심입니다.
• 저자들의 목표는 무엇이었을까요? 살아있는 세포 전체(in situ)에서 서로 다른 항-CD20 항체들이 CD20에 정확히 어떤 작용을 하는지, 즉 어떤 올리고머와 초구조가 형성되는지, 이것이 보체 결합 및 사멸과 어떻게 연관되는지, 그리고 항체 설계(결합 각도, 힌지, 원자가, 이중특이성)를 통해 이러한 메커니즘을 제어할 수 있는지를 밝히는 것이었습니다.
• 이것이 실제로 왜 필요한가요?
  • 차세대 설계: 특정 임상 과제나 종양 상황에 맞춰 원하는 작용 기전을 얻기 위해 구조의 "손잡이를 조정하는 방법"을 학습합니다.
  • 의미 있는 조합: "보완적" 약물이 더 적절한 곳과 "직접적 살해자"가 더 적절한 곳을 파악합니다.
  • 품질 관리/바이오시밀러: 동등성의 바이오마커로서 정확한 클러스터링의 물리적 "지문"을 보유합니다.

간단히 말해서, 치료용 항체는 "메커니즘의 레시피"에 따라 작용할 뿐만 아니라, 표적이 세포막에 형성하는 기하학적 구조에 따라서도 작용합니다. 이 연구 이전에는 살아있는 세포에서 이러한 기하학적 구조를 개별 분자 수준의 정확도로 관찰할 수 있는 도구가 없었습니다. 바로 이 부분이 저자들이 메우고 있는 빈틈입니다.

왜 이것이 필요했나요?

항-CD20 항체는 B세포 림프종과 백혈병 치료의 기반이 되며, 일부 자가면역 질환에서 B세포를 "차단"하는 수단입니다. "제1형"과 "제2형"이 서로 다르게 작용한다는 것(보체 작용 vs. 직접 사멸)은 알고 있었지만, 세포막의 나노미터 수준에서 이러한 차이가 어떻게 나타나는지는 불분명했습니다. 살아있는 세포에서 전통적인 방법(Cryo-EM, STORM, PALM)은 고밀도의 동적 복합체에서 "단일 단백질"을 정확하게 분리하지 못했습니다. RESI는 이를 가능하게 합니다.

그들은 무엇을 했나요?

• 다중 표적 3D-RESI(순차적 이미징을 통한 해상도 향상) 및 DNA-PAINT 표지법을 사용하여 전체 세포막에서 CD20과 관련 항체를 동시에 강조했습니다. 해상도는 현장(in situ) 환경에서 개별 분자의 수준입니다.
• 우리는 I형(리툭시맙, 오파투무맙 등)과 II형(오비누타주맙; 클론 H299 포함)을 비교하고 이들이 어떤 CD20 올리고머(이중체, 삼중체, 사중체 및 그 이상)를 형성하는지 정량적으로 분석했습니다.
• "패턴"과 기능 간의 관계를 검증했습니다. 보체 결합, 직접 세포독성, 그리고 효과기 세포를 통한 세포 사멸을 측정했습니다. 또한 항체의 기하학적 구조(예: CD20×CD3 T 세포 결합체에서 Fab 암을 뒤집는 것)를 조정하여 힌지의 유연성/방향이 I형과 II형 간의 기능을 어떻게 변화시키는지 파악했습니다.

간단한 단어로 표현한 주요 결과

• I형은 CD20의 사슬과 "플랫폼"을 형성합니다. 최소 6량체 이상이며, 이는 C1q에 유리한 구조이므로 보체가 더 잘 포집됩니다. 예: 리툭시맙, 오파투무맙.
• II형은 작은 집합체(보통 사량체까지)로 제한되지만, 직접적인 세포독성이 더 강하고 효과기 세포를 통한 살상력이 더 강력합니다. 예: 오비누타주맙.
• 기하 구조가 중요합니다. CD20xCD3 이중특이성 항체의 Fab 암의 유연성/방향을 변경하면 "II형"에서 "I형"으로 행동이 변화합니다. CD20 클러스터링은 증가, 직접적인 세포독성은 감소 - 명확한 구조-기능 관계입니다.

이것이 치료에 왜 중요한가요?

• 차세대 디자인: 원하는 CD20 나노 구조를 달성하기 위해 결합 각도, 힌지, 결합가를 조정하여 원하는 메커니즘(더 많은 보체 또는 더 직접적인 살해)에 맞게 항체를 특별히 설계하는 것이 이제 가능해졌습니다.
• 개인화 및 조합. 특정 종양에서 "보체" 경로가 더 효과적이라면 "1형" (또는 긴 CD20 사슬을 형성하는 항체/이중 특이성)을 선택하는 것이 좋습니다. 직접적인 세포 사멸이 더 중요하다면 "2형"을 선택하고 효과기 경로를 통해 강화합니다.
• 품질 관리 및 바이오시밀러. RESI는 기하 구조 검정을 효과적으로 제공합니다. 즉, 모델을 학습시켜 올바른 CD20 올리고머의 "특징"을 인식하도록 하고, 바이오시밀러 개발의 생물물리학적 대조군으로 활용할 수 있습니다.

(관심 있는 분들을 위한) 약간의 기계 장치

• Cryo-EM과 새로운 이미지에 따르면, I형(예: 리툭시맙)은 CD20에 얕은 각도로 결합하여 CD20 이합체를 연결하여 C1q를 위한 플랫폼을 가진 사슬을 형성합니다. 오파투무맙은 유사한 작용을 하지만 사슬의 단계가 더 작고 보체를 더욱 안정적으로 "삽입"합니다. II형(오비누타주맙)은 더 가파른 각도와 다른 화학양론(1 Fab 대 2 CD20)을 가지므로 삼합체-사합체 영역에 머물러 있습니다.

제한 사항 및 향후 계획

• 이들은 엄격하게 제어된 조건을 가진 세포 모델입니다. 다음 단계는 원발성 종양 샘플에서 주요 CD20 클러스터 패턴을 확인하고 이를 임상적 반응과 연관시키는 것입니다.
• RESI는 복잡한 기술이지만 연구팀은 그 다재다능함을 강조합니다. EGFR/HER2부터 PD-L1까지 모든 막 표적과 항체를 매핑할 수 있고 나노 구조를 기능에 연결할 수도 있습니다.

결론

항체는 "기전의 레시피"에 따라 작용할 뿐만 아니라, 막 내 수용체에 부여하는 기하학적 구조에 따라서도 작용합니다. 이러한 기하학적 구조를 관찰하는 것이 가능해졌으며, 이는 나노미터 수준에서 원하는 임상 효과를 구현하는 더욱 정밀한 면역 제제 설계의 길을 열어줍니다.

연구 출처: Pachmayr I. 외. RESI를 이용한 암 면역치료에서 치료용 항체 기능의 구조적 기반 규명. Nature Communications, 2025년 7월 23일. doi.org/10.1038/s41467-025-61893-w