DARPin(Designed Ankyrin Repeat Protein)

Byaibio

DARPin: 항체의 한계를 넘는 ‘레고 블록’ 항암 신약

DARPin(Designed Ankyrin Repeat Protein) 기반 항암 신약은 기존 항체 의약품의 한계를 극복하기 위해 개발된 차세대 단백질 치료제이다. 인공적으로 디자인된 작은 단백질 조각(DARPin)을 마치 ‘레고 블록’처럼 조립하여, 암세포를 공격하는 새롭고 강력한 방식의 약물을 만드는 기술이다.

DARPin이란?

DARPin은 인체에 자연적으로 존재하는 ‘앵커린 반복 단백질(Ankyrin Repeat Protein)’을 기반으로 만든 인공 단백질로, 분자의 크기는 기존 항체의 10분의 1 수준으로 매우 작고, 구조적으로 매우 안정적이며, 특정 목표물에 강력하게 결합하는 특징을 가진다. 가장 큰 장점은 **모듈식 구조(Modular structure)**로, 원하는 기능을 가진 DARPin 블록들을 쉽게 연결하고 조합하여 ‘맞춤형 신약’을 만들 수 있다는 점이다.

By Jawahar Swaminathan and MSD staff at the European Bioinformatics Institute – https://www.ebi.ac.uk/pdbe/static/entry/2qyj_deposited_chain_front_image-800×800.png, displayed on https://www.ebi.ac.uk/pdbe/entry/pdb/2qyj, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7001746

항암 신약에서의 활용 방식

DARPin은 ‘레고 블록’ 같은 특성을 이용해 주로 다중표적(Multi-specific) 항암제 개발에 사용된다.

1. 다중표적 T세포 연결체 (Multi-specific T-cell Engager)

  • 한쪽 표적은 암세포 표면의 특정 표식(항원) 1~2개와 결합하도록 디자인한다.
  • 다른 표적은 우리 몸의 면역세포인 T세포를 붙잡습니다.

결과적으로 DARPin 약물이 암세포와 면역세포를 강제로 이어주는 ‘연결다리’ 역할을 하여, 면역세포가 암세포를 매우 효과적으로 찾아내 파괴하도록 유도한다. 이는 특정 암세포만 정밀 타격하고, 여러 항원을 동시에 표적하여 암의 저항성 발생 가능성을 낮춘다.

2. 약물 전달체 (Drug Conjugate)

DARPin을 ‘유도 미사일’처럼 사용하여 강력한 항암 독소(payload)를 암세포에만 정확히 배달함으로써, 정상 세포의 손상을 최소화하고 치료 효과를 극대화한다.

3. CAR-T/NK 세포치료제 연계

암세포를 인지하는 CAR(키메라 항원 수용체)의 ‘눈’ 역할을 DARPin으로 대체하여, 더 정교하고 강력한 차세대 CAR-T 또는 CAR-NK 세포치료제를 개발하는 데 활용될 수 있다.

기존 항체 의약품 대비 장점

  • 뛰어난 종양 침투력: 크기가 작아 빽빽한 종양 조직 깊숙이 쉽게 침투할 수 있다.
  • 손쉬운 다중표적화: 레고처럼 조립하기 쉬워 2~3개 이상의 표적을 동시에 공격하는 약물 개발이 용이하다.
  • 높은 안정성과 생산성: 구조가 안정적이어서 대량 생산이 쉽고 생산 비용이 비교적 저렴하다.

이러한 장점 덕분에 DARPin 기술은 스위스의 ‘몰레큘러 파트너스(Molecular Partners)’ 같은 선도 기업을 중심으로 기존 항암 치료에 반응하지 않는 환자들을 위한 혁신적인 치료 대안으로 주목받고 있다.

DARPin의 면역원성 문제

면역원성이란, 우리 몸의 면역계가 외부에서 들어온 단백질(의약품 등)을 ‘이물질’로 인식하여 면역 반응을 일으키는 성질을 말한다. 이로 인해 항체의약품 항체(Anti-Drug Antibodies, ADAs)가 생성될 수 있으며, 다음과 같은 심각한 문제를 야기합니다.

  1. 약효 저하: 생성된 ADA가 DARPin 약물에 결합하여 약물의 기능을 무력화하거나, 혈액에서 너무 빨리 제거되도록 만들어 치료 효과를 급감시킨다.
  2. 안전성 문제: 드물지만 과민 반응이나 자가면역 질환과 유사한 심각한 부작용을 유발할 수 있다.

DARPin은 인간 단백질(앵커린 반복 단백질)에서 유래한 공통 서열을 기반으로 설계되었지만 ‘인공 단백질’일 수 밖에 없다. 따라서 면역계가 이를 외부 침입자로 인식할 잠재적 가능성이 항상 존재하며, 이는 DARPin 신약 개발 시 반드시 해결해야 할 핵심 과제이다.

면역원성 회피 및 저감 전략

DARPin 개발사들은 면역원성 문제를 해결하기 위해 예측, 공학, 생산 등 다방면에 걸쳐 정교한 전략을 사용하고있다.

1. 디이뮤니제이션 (Deimmunization): 핵심적인 회피 전략 🧬

디이뮤니제이션은 면역 반응을 유발할 가능성이 있는 부분을 단백질 서열에서 제거하는 가장 핵심적인 기술이다.

  • T세포 에피토프(T-cell Epitope) 예측: 컴퓨터 알고리즘(in silico 분석)을 사용해 DARPin의 아미노산 서열 중 인간 면역계의 T세포를 자극할 가능성이 높은 특정 부분(에피토프)을 예측한다.
  • 서열 변형: 예측된 에피토프를 구성하는 아미노산을 면역 반응을 일으키지 않는 다른 아미노산으로 치환합니다. 이때 DARPin 고유의 안정성이나 표적 결합 능력은 손상되지 않도록 정교한 단백질 공학 기술이 적용된다. 이 과정을 통해 DARPin을 면역계가 거의 인식하지 못하는 ‘스텔스’ 단백질로 만든다.

2. 페길레이션 (PEGylation): 면역 반응 차폐 🛡️

페길레이션은 단백질 약물 표면에 폴리에틸렌글라이콜(PEG)이라는 고분자 물질을 붙여 일종의 ‘보호막’을 씌우는 기술이다.

  • 물리적 차폐: PEG 보호막이 DARPin을 물리적으로 감싸 면역세포의 접근을 막아 면역원성을 낮춘다.
  • 반감기 증가: 신장에서 배설되는 것을 막아 약물이 혈액 내에 더 오래 머물게 하므로(반감기 증가), 투여 횟수를 줄여 면역계에 노출되는 빈도를 낮추는 부가적인 이점도 있다.

3. 생산 공정 최적화 및 제형 개발

의약품 생산 과정에서 단백질들이 서로 뭉치는 응집체(Aggregate)가 생성될 수 있는데, 면역원성을 높이는 주요 원인 이다. 따라서 고순도의 DARPin을 안정적으로 생산하고, 응집이 발생하지 않는 최적의 제형(Formulation)을 개발하여 면역 반응 위험을 최소화하여야 한다.

4. 전임상 및 임상에서의 면밀한 평가

아무리 정교하게 설계해도 실제 인체 내 반응은 다를 수 있습니다. 따라서 개발 과정에서 다음과 같은 검증이 필요하다.

  • In vitro 분석: 인간의 혈액 세포를 이용해 개발 중인 DARPin 후보물질이 면역 반응 여부를 미리 시험한다.
  • 임상 모니터링: 임상시험 참가자들의 혈액을 주기적으로 채취하여 ADA 생성 여부와 그 양을 측정하며 면역원성 발생을 면밀히 추적하고 관리한다.

결론적으로, DARPin의 면역원성은 중요한 고려사항이지만, 디이뮤니제이션과 같은 최신 단백질 공학 기술과 철저한 생산 및 품질 관리를 통해 충분히 통제 가능하다.

Scientific Journal Publications

  • Publication: “Recent Advances on Affibody- and DARPin-Conjugated Nanomaterials in Cancer Therapy”
    • Source: International Journal of Molecular Sciences
    • Date: May 2023
    • Summary: A review article highlighting the use of DARPins conjugated to nanomaterials for targeted cancer therapy, demonstrating their suitability for use in nanomedicine for both in vitro and in vivo applications.
  • Publication: “The CD33xCD123xCD70 Multispecific CD3-Engaging DARPin MP0533 Induces Selective T Cell-Mediated Killing of AML Leukemic Stem Cells”
    • Source: Cancer Immunology Research
    • Date: 2024
    • Summary: This study provides preclinical data on MP0533, a tetra-specific DARPin molecule designed to be a T-cell engager for the treatment of acute myeloid leukemia (AML). The paper validates its mechanism of action and its ability to selectively kill leukemic stem cells.
  • Publication: “The DARPin antiviral ensovibep for non-hospitalized patients with COVID-19: Results from EMPATHY, a randomized, placebo-controlled Phase 2 study”
    • Source: Open Forum Infectious Diseases
    • Date: 2024
    • Summary: A key publication demonstrating the clinical application of DARPins outside of oncology, showing that the antiviral DARPin, ensovibep, was effective in treating non-hospitalized COVID-19 patients.

Conference Presentations (Preclinical and Clinical Data)

  • AACR 2025 (American Association for Cancer Research)
    • MP0712 (Radio-DARPin): Preclinical data were presented for this candidate, which targets DLL3 for the treatment of small cell lung cancer. The data showed high tumor uptake and a favorable toxicity profile.
    • Switch-DARPin Platform: Preclinical proof-of-concept was shown for a next-generation platform designed to activate T-cells in solid tumors only when they are in the presence of specific cancer cells, aiming to increase safety and reduce off-target effects.
  • EHA 2025 (European Hematology Association)
    • MP0533 (T-cell engager): Updated clinical data from the ongoing Phase 1/2a trial were presented. The data indicated an improved response rate and depth in a relapsed/refractory AML patient cohort, with a refined dosing strategy being explored to further optimize results.
  • SNMMI 2025 (Society of Nuclear Medicine and Molecular Imaging)
    • MP0726 (Radio-DARPin): Preclinical data were presented for this new candidate targeting mesothelin (MSLN) for the potential treatment of ovarian cancer. The data demonstrated promising tumor accumulation and selective binding.