Strategies for cancer treatment have evolved from chemotherapy to targeted therapy. Recently, immunotherapy that activates patients’ own immune systems to fight against tumour cells is considered as the third generation of cancer therapy. One of the most promising targets for cancer immunotherapy is an immune checkpoint receptor, programmed cell death protein 1 (PD-1), and its ligand, programmed cell death 1 ligand 1 (PD-L1). Immune checkpoint inhibitors have drawn a consider attention as an effective cancer immunotherapy, and several monoclonal antibodies targeting PD-1 are clinically used for treatment of various cancers. PD-L1 is used as a biomarker to predict efficacy of immune checkpoint inhibitors. In this regard, we developed new protein binders for checkpoint blockade cancer immunotherapy and predictive biomarker detection.
In chapter 1, we have focused on the development of a small-sized protein binder (MW: ~30 kDa) specific for human PD-1 which effectively inhibits the interaction between hPD-1 and its ligand, hPD-L1. The protein binder composed of leucine-rich repeat (LRR) modules was selected against hPD-1 by phage display, and its binding affinity was matured through modular evolution approach. The protein binder was shown to restore the T-cell activity and significantly suppress the tumour growth in tumour mouse model by inhibiting the interaction between PD-1 and PD-L1.
In chapter 2, we developed a protein binder for detection of PD-L1 that is a predictive biomarker for checkpoint inhibitor immunotherapy. Through phage display and biopanning techniques, we selected a repebody exhibited high specificity and binding affinity for PD-L1. Through cell-based imaging assay, we confirmed that fluorescence dye-conjugated repebody could specifically detect PD-L1-expressing cells.
In this study, by developing non-antibody scaffold proteins that bind to an immune checkpoint receptor and ligand, we have demonstrated the potential candidates for use in cancer immunotherapy and predictive biomarker diagnosis.
암을 치료하기 위하여 화학항암제부터 표적항암제까지 다양한 치료제들이 개발되어 왔다. 최근에는 환자의 면역 시스템을 활성화시켜 스스로 암세포를 사멸하도록 돕는 면역 항암제가 제3세대 항암제로 일컬어지고 있다. 면역 항암제의 대표적인 표적으로는 면역 체크포인트 수용체인 프로그램 된 세포사멸 단백질 1 (PD-1)과 그 리간드인 프로그램 된 세포사멸 리간드 1 (PD-L1)이 있다. 면역 체크포인트 억제제가 효과적인 암 면역 치료제로 각광을 받으면서, PD-1을 표적으로 하는 단일 클론 항체가 다양한 암 치료에 임상적으로 사용되고 있다. 또한 PD-L1은 면역 체크포인트 억제제의 효과를 예측하는 바이오마커로 사용되고 있다. 이에, 본 연구에서는 면역 체크포인트를 저해하는 면역 항암제 개발 및 예측 바이오마커 검출을 위한 인공 항체 개발에 관한 연구를 수행하였다.
제1장에서는 면역 체크포인트 수용체인 PD-1에 특이적으로 결합하여 PD-L1과의 상호작용을 효과적으로 억제하는 분자량 30 kDa인 작은 사이즈의 결합 단백질을 개발하였다. 류신 반복 서열로 이루어진 결합 단백질인 리피바디를 기반으로 파지 디스플레이를 통해 PD-1 특이적인 리피바디를 선별하고, 모듈 식 진화 접근법을 통해 결합 친화력을 증대시켰다. 해당 리피바디가 T-세포의 활성을 회복시키고, 종양 마우스 모델에서 PD-1과 PD-L1 사이의 상호작용을 차단함으로써 종양의 성장을 유의하게 억제함을 확인하였다.
제2장에서는 면역 항암제에 대한 예측 바이오마커인 PD-L1검출을 위한 결합 단백질을 개발하였다. 파지 디스플레이 및 바이오패닝 기술을 통해 PD-L1에 강한 결합력을 가진 리피바디를 개발하고 높은 특이성으로 표적에 결합함을 확인하였다. 또한 세포 기반 이미징 분석법을 통해 선별된 리피바디에 형광 염료를 표지하여 PD-L1을 발현하는 세포를 특이적으로 검출할 수 있음을 보였다.
이상의 연구들을 통해, 면역 체크포인트 수용체에 결합하는 결합 단백질들을 개발함으로써 다양한 종류의 암 면역치료 및 면역 항암제의 효과 예측을 위한 진단에 활용 가능한 새로운 후보 물질로서의 가능성을 검증하였다.
