AAV gene therapies의 최신 동향 및 문제점

The clinical landscape for AAV gene therapies (nature.com)

해당 글은 Nature reviews drug discovery에서 따온 글을 번역하고 이에 따라 제 의견을 정리한 글입니다. 

 

The clinical landscape for AAV gene therapies

adeno-associated virus (AAV)를 벡터로 사용하는 유전자 치료가 최근 monogenic disorders의 새로운 치료 방법으로 급 부상 중이다. monogenic disorder는 한가지 유전자의 변형에 의해 특정 유전 질병으로 이어지는 것을 말한다. 최근, US FDA에서 2개의 adeno-associated virus (AAV) 관련 치료제가 승인받음에 따라, 관련 치료제 개발 상황 및 트랜드에 대해 정리해보도록 하겠다. 현재 임상에 들어가 있는 AAV gene therapy trial들은 하기 파일을 참고하면 된다.

The clinical landscape for AAV gene therapies.pdf

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Analysis of AAV gene therapy trials

149개의 각각의 임상 실험들을 분석해본 결과, 94개의 임상실험들은 종료되었고, 51개의 임상실험들만이 efficacy endpoint를 만족하였다. 임상 시험을 시작한 년도를 기준으로, 임상 시험의 수가 2010년에는 5개에서, 2017년 26개로 증가하였다. primary completion에 도달한 대부분의 연구들은 안전성과 유효성을 입증한 phase I/II studies들이며, 80%는 industrial sponser에 의해 back up 되고 있다.     

 

 

Capsids and cassettes

originally engineered AAV2 serotype은 간세포, 근육세포, 뉴런세포, 혈관 평활근에 대해 natural tropism(굴성, 특정 조직에 잘 감염됨을 의미)  

 heparan sulfate proteoglycan (HSPG)는 primary receptor로써, AAV가 세포 내로 침입하는 Receptor mediated endocytosis 과정을 가능하게 하는 receptor이다. 이외에 aVβ5 integrin and fibroblast growth factor receptor 1 (FGFR-1)이 해당 과정에 co-receptor로 작용한다. 만약, ECM에 HSPG가 많게 되면, AAV particle을 HSPG가 모두 scavenge하게 되면서 infection efficiency를 감소시키게된다. 

 

출처: The clinical landscape for AAV gene therapies (nature.com)

149개의 임상 실험 중, 144개가 AAV capsid를 사용하였고, 149개의 임상 실험 중, 104개는 AAV promoter를 사용하였다. 그리고 이 중 뛰어난 safety와 efficacy evidence를 만족한 40개 이상이 임상 실험이 이미 완료되었다. 2015년 이후부터 CNS 질병 치료를 위해, CNS로 전달이 가능한 AAV8 and AAV9 capsids를 이용한 임상 실험의 수가 증가하였다. 신규 capsid인 AAV-LK03, SPK-100 and AAV-HSC15을 이용한 임상 실험 역시 진행되었으나 안전성과 유효성 문제로 인해 7개에 그치게 되었다.

 

비슷하게, 유전자 치료에 사용된 promoter들은 CBA, CAG and CMV과 같이 효과가 이전부터 입증되어 왔었던, ubiquitous promoter이다. 2015년부터 2019년 사이에, promoter를 이용한 임상 실험의 45%가 이 3가지 promoter를 이용한 것들로 구성되어 있다. 최근에는 이러한 ubiquitous promoter를 사용하는 흐름에서 벗어나서, 특정 조직에서만 발현할 수 있는 albumin이나 synapsin과 같은 강력한 promoter를 사용하는 임상 실험이 25건으로 폭발적으로 증가하고 있다.

또한, cassette design의 개량과 더 많은 양의 AAV를 생산할 수 있는 능력( 2 x 10^14 vg per kg, no SAE)이 가능해지고 있다. 그러나 최근, AAV9 바이러스 벡터의 수의 증가는 동물모델에서 심각한 독성을 나타내고 있다.(Hum. Gene Ther. 29, 285–298; 2018) 많은 양의 vector에서 여전히 native promoter를 사용하는 것이 지속 가능한지에 대한 물음에 대해 아직 까지 명확한 답변을 내릴 수 없는 상태이다.  Biogen은 최근 독성문제로 인해 BIIB089의 개발을 중단했다.(announced the termination of development of BIIB089, an investigational SMA1 gene therapy)

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특정 타겟을 유전적으로 혹은 기능적으로 디자인한 synthetic promoter가 몇몇 동물 모델에서 성공하였으나 이러한 promoter가 실제 임상 실험에서 예상 시험 종료일 내에 primary completion을 만족시킨 임상 실험은 존재하지 않다.

 

 

Safety

safety data가 있는 101개의 임상 실험의 안전성 결과를 투여 방식에 따라, 투여 후 28일 이내에 부작용이 발생하였는지에 따라, transgene 그 자체에 의해서 or capsid or 환자의 면역체계가 capsid or transgene에 반응하여서 Treatment Emergent Severe Adverse Events (TESAE, 약물 투여 이전에 발생하지 않던 심각한 부작용이 발생하는 것)가 발생하는지에 따라 임상실험을 분류했다.

   

해당 임상 실험에 참여한 3328명의 환자들 중, TESAE로 여겨지는 grade 4/5의 SAE가 일어난 환자는 9명이며, transgene or capsid에 의해 죽은 환자는 없는 것으로 밝혀졌다. 모든 임상 실험은 해당 실험의 실험 종료일(cut off date) 이내에 safety end points를 만족했다.(n=51)

그러나 X-linked myotubular myopathy의 치료제로 개발 중인 AT132의 임상 실험에서 고용량을 투여받았던 환자들의 경우, cut off date 이후에 progressive hepatobiliary disease와 함께 sepsis, 위장관 출혈 등을 동반하며 결국 17명 중 3명이 사망하였다. 또한, capsid에 대한 면역반응의 potential role에 대한 연구 역시 현재 진행중이기 때문에, 완전히 안전하다고 할 수는 없다.

 

모든 임상 실험 중에 평균적으로 21%에서 grade 1–5 administration-related SAEs가 나타났다. 왼쪽 a 그림을 참조하면, Intravenous and intrathecal(척수) 투여 방식이 가장 안전하다. Intracranial administration의 부작용 빈도는 다른 투여 방식에서 나타나는 부작용 빈도와 거의 유사하다. 그러나, 나타나는 부작용의 정도가 심각하다는 특징이 있다. 부작용으로는 구토, 주사부위 통증, 두통 등이 흔하게 발견된다.

평균적으로 모든 임상 실험의 SAE 중 35% 정도가 TESAE로 여겨지며, 투여방식과는 직접적으로 연관되어 있지 않는 것으로 보인다. 주목할만한 점은, intramuscular gene therapies가 TESAE 발병 횟수가 가장 낮았다는 것이다.(좌측 상단의 그림 b 참고) 투여 방식에 의해서 생긴 SAE에서, capsid type별로 유의미한 TESAE 건 수의 차이를 보이지 않았다. AAV1이 TESAE에서 AAV2보다 약간 더 안전해 보이긴한다. 

 

출처: The clinical landscape for AAV gene therapies (nature.com)

 

Efficacy

실험이 종료된 94개의 임상실험들은 보통 눈, 간, 근육, CNS 4개의 장기에 집중되어 있는 모습을 보인다. 간을 표적으로하는 Intravenous gene therapies의 경우, 대사질환 및 혈액질환을 모두 적응증으로 다루는 것으로 보여집니다. 파킨슨 병, haemophilia A and B 와 같은 경우는 3가지 적응증을 대상으로 하기도 합니다. 

어쩔 수 없이, 전체 임상 실험 중에서 매우 적은 수의 물질들만이 개발에 성공하였습니다. NDA를 제출한 11개의 pipeline들 중에서, investigational new drug (IND) application에서 NDA로 진행될 확률은 36%입니다. IND에서 NDA까지 가는데 걸린 평균적인 시간은 86달입니다. gene therapies의 성공 확률은 평균보다 높습니다.   

TABLE 1 | TRANSITION PROBABILITIES FOR GENE THERAPIES BY PHASE

Therapeutic area	Phase I	Phase I/II or phase II	Phase II/III or phase III	IND to NDA	IND to NDA for all drugsa
Ophthalmology	83% (5/6)	62% (8/13)	60% (3/5)	31%	24%
Neurology	73% (8/11)	56% (5/9)	67% (2/3)	30%	19%
Metabolic	NA	43% (3/7)	100% (2/2)	43%b	16%
Haematology	75% (3/4)	75% (6/8)	100% (1/1)	56%	47%
Musculoskeletal	38% (3/8)	60% (3/5)	NA	23% b	29%

aHistorical success rates for any drug in this therapeutic area (source: Global Data). bNo therapy completed the investigational new drug (IND) to new drug application (NDA) path successfully as of the cut-off date. See Supplementary Information for details. NA, not available.

 

 Haematological gene therapies가 가장 성공률이 높습니다. 그러나, 진행된 임상 실험의 총 수(=모집단 수)가 적어서, 유전자 치료제의 임상 성공률이 높다고 보장할 수 없습니다. 또한, 최근에는 가장 시판화에 근접했었던 pipeline인 valoctocogene와 roxaparvovec이 미국 FDA에서 장기간 유효성 입증 자료 불충분으로 시판 허가가 거절됐습니다.

 

Outlook

challenges

1. 유전자 치료 이후, 일평생동안 환자가 어떻게 되는지에 대한, follow up이 아직 부족하다.

- steroid의 병용 시, 면역 반응의 역할 등과 같은 부분이 의미하는 바가 무엇인지 아직 알지 못한다. 

 - 더 많은 follow up data가 필요한 longer pivotal studies가 필요하다. haemophilia and genetic diseases of the retina와 같이 생리학적인 조건이 빠르게 변해서 생기는 질병 이외에도 다양한 질병들에 대한 안전성 평가에 대한 증빙자료가 필요하다.

 

2. 생산 기술의 발달에 따라 AAV의 생산량이 증가하였다. 이에 따라, 더 많은 양을 투입함으로써 AAV 벡터는 간에서만 존재하고 사라지는 것이 아니라 몸에 필요한 부위에 transduced cell이 생기도록 해주었다. 그러나 아직 까지도 대부분의 벡터는 간에서 사라지며, 더 많은 양을 투입할수록 오히려 간에 독성을 유발하는 문제를 일으키고 있다. cassette engineering 기술의 발달이 이루어져, 더 적은 viral load에 많은 gene을 넣어 동일한 therapeutic effect를 나타낼 수 있도록 기술이 진보되어야 한다.

 

 

3. 간, 눈, 근육, CNS 이외의 장기를 대상으로한 pipeline의 비율이 매우 적다. (11/94) 이것은 심장, 신장, 폐와 같은 주요 장기들에 AAV가 접근할 수 없음을 의미한다. 현재, 간과 면역 반응을 피해서 특정 세포/조직에만 작용할 수 있는 engineered capsids and synthetic promoters가 개발 중인데, 이러한 기술에 대한 안전성과 유효성이 확보되는 등, 기술의 진보가 이루어져야 AAV gene therapy 플랫폼 기술의 범용성이 넓어 질 것으로 보인다.