TIM3 억제제는 PD-1 억제제인 미국 머크(MSD)의 ‘키트루다주’(Keytruda 성분명 펨브롤리주맙 Pembrolizumab), 브리스톨마이어스스큅(BMS)의 ‘옵디보주’(Opdivo, 성분명 니볼루맙 Nivolumab)의 뒤를 이을 면역관문억제제로서  TIGIT, LAG-3 저해제와 함께 3대 유망군으로 꼽히고 있다. TIM3 억제제를 단독, 또는 이를 다른 면역관문억제제와 병용 투여할 때 시너지가 클 것으로 기대되고 있다.  

면역관문억제제 중 세포독성 T림프구 항원4 (cytotoxic T lymphocyte antigen 4, CTLA-4) 및 프로그램된 세포사멸1 표적단백(programmed cell death 1, PD-1)을 차단하는 억제제들은 생존율을 대폭 향상시켰다. 특히 흑색종 및 비소세포폐암을 포함한 여러 악성종양에서 지속적인 반응을 보여싿.

그러나 혁신적인 치료제 등장에도 불구하고 1차 및 후천적 내성이 생기는 게 일반적이며, 가장 큰 이점을 얻을 수 있는 소수의 환자를 식별할, 신뢰할 만한 예측 바이오마커가 부족하다. 

결과적으로 면역관문억제제의 정확한 역할은 암종마다 다르다. 혈액학적 악성 종양(특히 골수성 신생물)은 고형종양에 비해 면역 억제가 증가하고 면역원성(항원성)이 낮기 때문에 현재까지 제한된 임상적 이점만을 보여왔다. 

이에 2016년부터 본격화된 T세포 면역글로불린 및 뮤신 도메인(T-cell immunoglobulin domain and mucin domain 3, TIM-3) 표적에 대한 억제제 개발이 한창 진행 중이다. 

하지만  TIM-3에 대한 신호경로는 아직 상세히 알려지지 않은 게 많다. TIM-3은 면역세포 표면에 존재하며 선천성 및 적응성 면역의 조절자이며 효과기 T세포(effector T cell), 단구세포, 자연살해세포(natural killer cell), 수지상세포(dendritic cell, DC) 등 여러 면역세포에서 발현된다. 백혈병 전구세포에서 비정상적으로 발현되는 반면 건강한 조혈 줄기세포의 표면에는 현저하게 나타나지 않는다.

TIM-3은 면역 내성(tolerance)을 촉진하는 것으로 나타났으며 TIM-3의 과발현은 공격적, 진행성 질병과 불량한 예후와 관련이 있다. 골수이형성증후군 (myelodysplastic syndrome, MDS) 및 골수증식성 신생물에서 TIM-3 발현은 백혈병 형질전환(발병)과 관련 있다. 

면역요법에 대한 저항성(resistance)이 종양이 다른 대체 억제 경로를 이용(회피)하는 과정에서 발생함을 감안할 때, TIM-3과 다른 면역관문을 동시에 표적하면 임상반응이 향상될 수 있다.

TIM-3 관련 면역분자생물학 이해 

TIM 유전자 패밀리는 마우스에서 8개 유전자(TIM-1 ~ TIM-8)와 인간에서 3개 유전자(TIM-1, TIM-3, TIM-4)로 구성돼 있다. 인간 유전자는 해당 마우스 유전자의 원본(ortholog)이다. 

TIM 패밀리 단백질은 시그널 펩타이드, 세포 외 N-말단 가변적 면역글로불린 (IgV) 도메인, 뮤신-유사(mucin-like domain, 뮤신양) 도메인, 단일 통과막 도메인, C-말단 세포내 세포질 꼬리 등으로 구성된 면역세포 표면의 당단백질이다.  

고도로 보존된 IgV 도메인은 다른 도메인의 IgV와 마찬가지로 CC고리(Loop) 및 FG고리를 갖고 있으며 가변 영역에 4개의 시스테인(cysteine) 아미노산이 존재하는 두 개의 반평행 β-시트(antiparallel β-sheets)로 구성돼 있다. 

통상적으로 CC고리와 FG고리는 IgV 도메인의 반대쪽 끝에서 마주 보지만  TIM-1, -3, -4 단백질에서 CC고리(수용체-리간드 간 상호작용을 결정)는 FG고리에 더 가깝게 배향되어 독특한 리간드 결합 포켓을 생성한다.

세포질 꼬리는 티로신 잔기의 인산화를 통한 TIM-3 신호전달에 중요하지만 T 세포의 하류 신호전달 메커니즘은 잘 규명돼 있지 않다. 가용성 형태의 TIM-3도 존재하는데, 통과막 및 점액 도메인이 결여돼 T세포 매개 면역반응을 부정적(억제적)으로 조절할 수 있다.

TIM-3 신호 전달 경로에 대한 자세한 내용은 아직 밝혀지지 않았다. 현재, 세포질 꼬리에 위치한 티로신 잔기 256(Tyr256) 및 263(Tyr263)은 HLA-B 관련 전사체3 (HLA-B–associated transcript 3 BAT3) 및 티로신 키나제 FYN과 상호작용을 하는 것으로 이해된다.

TIM-3이 리간드와 결합하다가 해체되면 BAT3는 TIM-3의 세포질 꼬리에 부착되고 LCK를 동원하여 FYN을 차단하고 T세포 활성화를 유지한다. 리간드 갈렉틴-9 (GAL-9) 또는 암배아 항원관련 세포접착분자 1 (carcinoembryonic antigen–related cell adhesion molecule 1, CEACAM1)과 TIM-3의 결합은 인터루킨 (IL) 유도성 T 세포 키나제를 통해 Tyr256 및 Tyr263을 인산화하는 것으로 나타났다. 이는 TIM-3에서 BAT3를 방출하여 FYN 신호 억제 및 후속 면역반응의 억제를 초래한다.

전체적으로 요약하면 GAL-9과 CEACAM1은 TIM-3 도메인과 결합해 항암 면역반응을 떨어뜨리고, 즉 면역반응을 고갈시키고 세포자살을 증가시키며, T세포 수용체(TCR) 신호전달을 낮춘다. 

TIM-3 도메인에 대적하는 리간드에는 GAL-9, CEACAM1, 포스파티딜세린 (PtdSer), 고 이동성 그룹 상자 1(high-mobility group box 1, HMGB1) 등이 포함된다. 이들 리간드는 각각 세포외 IgV 도메인의 상이한 영역에서 결합한다. 

GAL-9 리간드는 종양세포, 항원제시세포(antigen-presenting cell, APC), Q백혈병 줄기세포(leukemic stem cells, LSC)에 의해 발현되거나 분비된다.  GAL-9 분비는 LSC 자가 재생을 위한 자가 분비 신호일 수 있다. GAL-9는 TIM-3의 IgV 도메인에 있는 탄수화물 모티프에 결합하지만 정확한 위치는 명확하지 않다. TIM-3-GAL-9 결합 경로는 암세포의 면역회피와 관련 있다. 실제로 이들 결합은 T-helper 1 effector(T조력세포1 효과기) 세포뿐만 아니라 TIM-3 양성, CD8 양성의 종양 침유 림프구에서 세포자살을 유도하는 것으로 보고돼 있다. 

가장 최근에 발견된 리간드인 CEACAM1은 T 세포, 수지상세포, 단구세포(단핵구), 대식세포의 세포 표면에서 발현되며 일부 종양세포에서도 높은 발현이 관찰된다. 

CEACAM1은 FG 및 CC 고리로부터 생성된 포켓에서 TIM-3과 결합하는 것으로 생각된다. TIM-3-CEACAM1 상호작용은 TIM-3 매개 항종양 면역반응 및 자가면역반응 조절에 중요한 역할을 한다. CEACAM1과 TIM-3을 모두 발현하는 CD8 양성 T세포는 인터페론 γ의 제한된 생산과 함께 심하게 역기능을 수행한다. 면역관문 억제제로 개발되는 항 TIM-3 항체는 TIM-3이 PtdSer 및 CEACAM1에 결합하는 것을 주로 방해한다. .

세포자살(Apoptotic) 세포에서 발현되는 ‘eat me’(나를 잡아먹어주세요) 신호를 내는 PtdSer는 GAL-9와 마찬가지로 IgV 도메인 내에서 TIM-3와 결합하지만 GAL-9 결합이 예측되는 부위의 반대편에 있는 FG 및 CC 루프에서 생성된 포켓에서 TIM-3와 결합한다. 

TIM-3과 PtdSer의 결합은 세포자살 하려는 세포의 TIM-3 매개 식균작용에 기여할 수 있다. 암 제거 M1 대식세포에서 TIM-3의 발현은 낮다. 그러나 면역관용(면역내성) M2 표현형을 가진 대식세포는 TIM-3 발현이 증가하고 사이토카인을 방출하지 않는다. 높은 수준의 TIM-3을 발현하는 대식세포는 사이토 카인을 방출하지 않으므로 면역내성을 촉진한다. 따라서 항 TIM-3 항체는 대 식세포의 활성화로 이어질 수 있으며 Fc 수용체를 활성화 할 수 있다면 항체 의존성 세포 식균작용을 통해 백혈병 줄기세포 제거를 늘릴 수 있다. 

분자손상 관련 패턴 분자인 HMGB1은 스트레스 후 세포에서 분비되며 이후 유리 RNA 및 DNA와 결합한다. HMGB1은 손상된 세포에 대한 면역반응과 관련이 있으며 데이터에 따르면 TIM-3의 FG고리 근처에서 TIM-3와 결합한다.  HMGB1과 TIM-3의 결합은 엔도좀(endosomes) 안으로 핵산이 유입, 동원되는 것을 방해함으로써 타고난 시스템의 DNA 감지를 방해한다. 이는 종양미세 환경에서 DC 활성화를 막는다. 

면역항암제 표적으로서 TIM-3

TIM-3의 조절장애는 자가면역질환과 암과 관련돼 있다. 증가된 TIM-3 발현은 다양한 고형종양 및 혈액 악성종양에서 진행성 질병 및 불량한 예후와 연관된다. 

중요한 것은 TIM-3 발현이 주로 종양 내에서 관찰되며, 말초 T세포 및 조절 T세포(Treg)에서 최소한의 발현이 관찰된다. TIM-3 발현은 골수성 악성종양에서 줄기세포이식 후에도 암이 재발할 경우 T세포에서도 관찰된다. TIM-3 신호전달 경로의 활성화는 암 및 바이러스 감염 모두에서 T 세포 고갈 및 사망에 중요한 역할을 한다. 무엇보다도 T세포 증식 및 염증성(암세포 살상) 사이토카인 생성을 제한해 면역반응을 떨어뜨려 면역계를 방해한다. 

따라서 TIM-3를 항암 신약후보물질로 차단하면 종양항원 특이적 T세포 증식 및 활성을 향상시킬 수 있다. 더욱이 TIM-3은 종종 T세포에서 PD-1과 공동 발현되며, 이는 심각한 T세포 고갈을 초래한다. 특히 고형종양에서 PD-1 양성, TIM-3 양성 종양침윤 림프구는 종양침윤 T세포의 가장 큰 하위 집단을 차지한다. 

나아가 이 때 PD-1을 차단하면 TIM-3 발현이 상향 조절된다. 또 TIM-3 신호전달은 PD-1 표적치료제에 대한 내성을 촉진할 수 있다. 이럴 경우 PD-1과 TIM-3를 동시에 차단하면 합리적 치료 접근법이 될 수 있을 것으로 여겨지고 있다. 

CD4 양성 및 CD8 양성 T세포 외에도 TIM-3은 Treg에서 발현된다. TIM-3 양성 Treg는 종양조직에 존재하는 대부분의 Treg를 차지한다. TIM-3 음성 Treg와 비교하면 향상된 면역반응 억제 기능을 나타낸다. 

게다가 TIM-3 양성 Treg 이펙터 분자들, 예컨대 IL-10, 그랜자임(granzymes) 및 퍼포린(perforin) 등이 발현돼 면역억제에 기여한다. TIM-3 양성 Tregs는 종양조직에서 주로 발견되고 말초조직에서는 거의 관찰되지 않는 가장 억제적인 Treg 하위 유형을 나타내는 마커인 포크헤드박스 P3 (forkhead box P3, FOXP3)를 발현한다. 

TIM-3 차단은 FOXP3 양성 Treg의 수를 감소시키고 항종양 면역반응을 향상 시킨다. TIM-3 양성 Treg는 PD-1을 공동 발현한다. 이 때 항 PD-1 요법과 항 TIM-3 요법을 병행하면 Treg 효과기 분자의 추가적인 하향 조절이 일어나 암세포에 대한 면역반응이 활성화돼 암을 억제할 수 있는 것으로 나타났다. 

참고로 TIM-3의 동의어로는 T-cell immunoglobulin mucin receptor 3, T-cell membrane protein 3, TIMD3, T-cell immunoglobulin and mucin domain-containing protein 3, HAVcr-2, TIM-3, CD366, HAVCR2, Hepatitis A Virus Cellular Receptor 2, T-Cell Immunoglobulin Mucin Family Member 3, TIMD-3, TIM3, T Cell Immunoglobulin Mucin 3, Kidney Injury Molecule-3, KIM-3, FLJ14428, CD366 Antigen 등 매우 많다.