B세포에서 발현되는 CD19를 표적으로 하는 두 가지 CAR-T 치료제(axicabtagene ciloleucel 및 tisagenlecleucel)가 2017년 미국 식품의약국(Food and Drug Administration, FDA)에서 허가받았다. CAR-T 치료는 1989년 이스라엘 Eshahar 박사가 최초로 고안하여 제안하였으며 당시 T-body로 명명하였다[6]. 다만 당시에는 현재와 같이 단일사슬구조가 아닌 면역글로불린 중쇄(V_H) 및 경쇄(V_L)의 항원결합 부위를 각각 T세포 수용체의 alpha 사슬(C_α) 및 beta 사슬(C_β)의 불변 부위(constant domain)와 결합한 형태로 고안하였으며 따라서 네 가지 벡터(2 × 2)를 제작하여 V_HC_α 및 V_LC_β 또는 V_HC_β 및 V_LC_α 조합으로 두 개의 벡터를 동시에 형질전환하여 발현시켰다. 이후 V_H와 V_L을 링커로 연결하여 현재와 같은 단일사슬 키메릭수용체가 개발되어 구조가 단순화되고 효율을 증대할 수 있게 되었다[7]. 또한 T세포를 자극하는데 있어 T세포 수용체를 통한 1차 자극뿐만이 아니라 2차 신호(co-stimulation) 역시 중요함이 밝혀졌다. CD28 또는 4-1BB와 같은 2차 신호 부위를 CAR-T에 도입하려는 시도가 성공하면서 현재 사용되는 CAR-T의 형태를 갖추게 되었다[8-10]. 2차 신호 부위가 포함되지 않은 CAR-T를 1세대, 하나의 2차 신호 부위가 포함된 CAR-T를 2세대, 두 가지 2차 신호 부위를 포함하는 CAR-T를 3세대로 분류하고 있다(Fig. 1). CAIX, folate receptor 또는 Her2/neu를 표적으로 하는 CAR-T 치료제에 대한 임상연구가 신장암, 난소암, 대장암 등을 대상으로 먼저 시행되었으나 효과가 미미하거나 on-target 자가 독성이 문제가 되었다[11]. 반면 CD19는 B세포에 특이적으로 표현되며 다양한 B세포 악성 질환에 발현되어 CAR-T 치료제가 적극적으로 개발되었다. 2010년도에 미국 National Cancer Institute (NCI)의 Dr. Kochenderfer 그룹에서 axicabtagene ciloleucel의 모체가 되는 CD28을 2차 신호전달 부위로 하는 CD19 CAR-T를 소포림프종 환자에게 투여하여 관해를 성공적으로 유도한 사례를 최초로 보고하였다[12]. 이후 2011년 펜실베니아대학 그룹에서 tisagenlecleucel의 모체가 되는 4-1BB를 2차 신호 전달 부위로 갖는 CD19 CAR-T를 개발하여 치료 불응성 만성 림프구성 백혈병 환자를 성공적으로 치료한 사례를 보고하였다[13]. 이후 CD19 양성인 급성 림프구백혈병, 만성 림프구 백혈병, 또는 B세포 비호지킨 림프종을 대상 질환으로 한 다수의 연구자 주도 임상연구가 성공적으로 시행되었다[14-16].

우선 환자의 말초혈액단핵구(peripheral blood mononuclear cells, PBMC)를 백혈구성분채집술을 시행하여 분리한다. PBMC는 냉장 또는 냉동되어 의약품제조관리기준(Good Manufacturing Practice [GMP])을 만족하는 CAR-T 생산시설로 이송된다. PBMC로부터 T세포를 분리하고, 형질도입 효율을 증대시키기 위하여 먼저 T세포를 활성화한 뒤 키메릭항원수용체(CAR) 벡터를 형질도입한다. 이를 위하여 일반적으로 레트로바이러스 또는 렌티바이러스 벡터가 사용되지만 전위유전단위(transposon)를 이용하는 방법도 개발 중이다. 레트로바이러스 또는 렌티바이러스를 이용할 경우 형질 전환된 T세포 내 유전체에 CAR 유전자가 삽입되어 CAR 단백질을 발현하게 된다. 이후 CAR-T를 배양하고 정도관리 과정을 거쳐 냉동하여 치료기관으로 배송된다. 생산 기간은 약 10-21일 정도가 소요된다. 대개의 경우 환자는 CAR-T 기능 및 사이토카인 분비를 억제하는 조절 T세포(regulatory T-cells) 등을 제거하기 위한 목적으로 fludarabine 및 cyclophosphamide 근간의 항암전처치(lymphodepleting chemotherapy)를 먼저 시행받는다. CAR-T 투여는 종류에 따라 입원 또는 외래에서 이루어진다.

현재 tisagenlecleucel (CTL019)은 최소 두 가지 이상의 이전 치료에 실패한 소아 급성 림프구백혈병 및 재발성 또는 불응성 광범위큰B세포림프종에 대하여, axicabtagene ciloleucel (KTE-C19)은 재발성 또는 불응성 광범위큰B세포림프종에 대하여 FDA에서 허가되었다. Lisocabtagene maraleucel은 현재 승인을 위한 연구가 진행 중이다. 각 치료제에 대한 허가 임상연구는 단일군 연구로 진행되었으며 그 결과를 아래에 요약하고자 한다. 다만 각 연구별 치료군 특성에 차이가 있어 연구 결과를 비교 분석하는 데에는 주의가 필요하다(Table 1, Fig. 1B).

그러나 CAR-T 치료는 유전자조작을 통하여 T세포 활성을 유도하는 치료로 고유한 독성을 동반할 수 있다. 이 중 사이토카인분비증후군(cytokine release syndrome, CRS)과 신경독성이 임상적으로 매우 중요하다. CRS는 CAR-T의 활성화 및 증식과 함께 염증성 사이토카인의 분비가 증가하면서 발열, 피로감, 쇼크 및 모세혈관 유출증후군(capillary leak syndrome), 호흡곤란, 말초기관손상 등이 초래되는 것으로 적절하게 조치되지 않을 경우 치명적일 수 있는 중대한 부작용이다. ZUMA-1 연구에서는 전체 환자 중 93%에서 CRS를 경험하였는데, 13%는 3도 이상으로 보고되었고, 2명의 환자는 각각 CRS 관련 적혈구포식성 림프조직구증식증(hemophagocytic lymphohistiocytosis) 및 심정지로 사망하였다[17,18]. 그러나 대부분의 경우 IL-6 수용체 억제제인 tocilizumab과 스테로이드를 이용하여 적절한 치료가 이루어졌다. Axicabtagene ciloleucel의 경우 투여 약 2일 후에 CRS가 발생하여 8일 정도 지속되었다. 반면 tisagenlecleucel 및 lisocabtagene maraleucel의 경우 약 3일, 5일째에 발생하였다. Tisagenlecleucel의 경우 22-23%에서 3도 이상의 CRS가 발생하였는데, 부작용 평가에 있어 펜실베니아대학 자체 기준을 사용하였기 때문에 단순비교에는 한계가 있다. 그러나 tocilizumab의 사용은 15%로 ZUMA-1의 43% 사용에 비하여 적었다. Lisocabtagene maraleucel의 경우 3도 이상의 CRS 발생이 3% 정도밖에 되지 않았고 tocilizumab 사용예도 7%에 그쳐 상대적으로 CRS의 발생률이 낮은 것으로 보인다. 등록 환자군에 차이가 있는 연구간의 비교는 해석에 주의를 요하나, CD28 2차 신호 부위를 포함한 CAR-T의 경우 초기 증식이 더욱 활발하여 CRS의 발생률이 더 높은 것으로 보인다.

신경독성의 경우 병태생리가 아직 정확히 알려져 있지 않다. 다만 혈액뇌장벽을 통과한 T세포, 단핵구 등에 의하여 분비된 염증성 사이토카인이 관여하는 것으로 추정되고 있다. 환자는 혼돈, 떨림 등 가벼운 증상부터 실어증, 간질 발작, 의식소실 및 혼수 등 다양한 증상을 보일 수 있고 CRS와 달리 tocilizumab의 효과는 제한적이며 스테로이드가 주된 치료 요법이다. CRS는 비교적 치료 초기에 발생하는 반면, 신경독성은 CAR-T 치료 후 상당 기간이 지난 후에도 발생이 가능한 것으로 알려져 있다. ZUMA-1 연구에서는 3도 이상의 신경독성이 28%에서 발생하였고 약 5일 후에 발생하여 17일간 지속되었다. JULIET 연구에서는 3도 이상의 신경독성이 12%, TRANSCEND-NHL-001 연구 대상자 중 광범위큰B세포림프종 및 전환된 소포림프종만을 대상으로 한 핵심코호트에서 15%에서 발생하였다.

이외에도 정상 B세포에도 CD19 발현이 있어 CAR-T에 의하여 제거되므로 B세포 무형성 기간이 발생한다. 따라서 임상적으로 필요시 면역글로불린의 보충이 필요할 수 있다. 아울러 저호중구증 및 혈소판감소증도 수개월까지 지속될 수 있어 치료 후 면밀한 추적 관찰이 필요하다.

ZUMA-1 연구의 경우 111명의 등록 환자 중 9%인 10명의 환자가 CAR-T 치료를 받지 못하였다. 이 중 1%는 CAR-T 생산 실패, 6%는 유해사례(adverse events) 때문이었다. JULIET 연구의 경우 등록된 환자 중 31%의 환자가 CAR-T 치료를 받지 못하였고 7%는 생산 실패, 24%는 투여 전 사망 16명을 포함한 환자 상태와 연관된 문제였다. TRASCNED-NHL-001 연구의 경우에도 15%가 투여받지 못하였는데 1%의 생산 실패, 10%의 유해사례 등의 사유였다. Axicabtagene ciloleucel은 ZUMA-1 연구에서 백혈구성분채집술에서 생산까지 약 17일이 소요되었으며 tisagenlecleucel은 JULIET 연구에서 생산 기간이 명시되지는 않았으나 연구 등록일로부터 주입까지 약 54일(30-92일)이 소요되었다. 이런 측면을 고려하여 JULIET 연구 및 TRANSCEND-NHL-001 연구에서는 CAR-T 투여 전 가교 치료를 허용하였고 JULIET 연구의 경우 92%에서 다양한 가교 치료가 시행되었다[19]. Axicabtagene ciloleucel의 임상연구 외 실사용예를 분석한 후향 연구에서도 7%의 환자가 백혈구성분채집술후 투여 전 질병 진행 또는 감염증 등으로 사망하였다[22]. 즉, 생산 및 전처치 기간 중 적지 않은 환자가 사망하여 CAR-T 치료에 적절한 환자군 선정 및 생산 기간 중 환자 상태 유지가 중요한 과제가 될 것으로 보인다.

또한 앞서 언급한 바와 같이 CRS 및 신경독성에 대한 적절한 대처가 매우 중요하다. 상당수의 환자에서 승압제 및 인공호흡기의 사용이 필요하므로 혈액종양 의사뿐 아니라 중환자실과의 협력, 신경독성의 평가 및 조치를 위하여 신경과 전문의와의 긴밀한 협력이 필요하다. 즉, CAR-T 치료를 시행하는 경우 기민하고 적절한 대처를 위하여 다학제팀의 구성이 필요할 것으로 보인다.

치료에 대한 접근성을 제고하기 위한 치료의 경제성 평가도 필요하다. 현재 미국의 사례를 보면 각 치료제 자체의 고비용에 더불어 약물 투여 및 부작용 발생시 후속 조치에 필요한 의료비를 포함하면 천문학적 비용이 소요되어 의료기관과 의료보험사 모두에게 이슈가 되고 있다.

앞의 연구들에서 약 30-40% 정도의 환자가 장기적 치료 효과를 보이는 것은 매우 고무적인 성과이기는 하나, 여전히 60-70%의 환자들은 반응이 없거나 재발을 경험하게 된다. 이에 대한 원인으로 CD19 항원 손실, PD-L1/PD-1 축 등 면역미세환경 요인, CAR-T의 림프종 침투(trafficking) 부재 등이 거론되고 있다[23]. 이를 극복하기 위하여 PD-1 억제제 또는 ibrutinib 등과 병용하는 시도 및 CD19 이외의 표적 즉, CD20, CD22, CD79B에 대한 CAR-T 개발 등이 이루어지고 있다[24-26].