Tumor Mutation Burden의 계산과 영향을 미치는 인자들

이전에 언급했던 면역항암제 (Immunotherapy) 의 성공과 더불어, 최근에는 어떠한 암 환자에서 면역 항암제가 효과적으로 쓰일 수 있을지를 예측하는 동반 진단 (Companion Diagnostics) 마커 발굴에 많은 관심이 쏠리고 있습니다. 지금까지 알려진 바로는 다양한 요인들이 면역항암제의 반응성에 영향을 미친다고 보고되고 있는데, 대표적인 인자로 알려진 것들에는 현미부수체 불안정성 종양 (MSI-H; Micro-satellite instability high tumor), PD-L1 발현 종양, 종양 돌연변이 부하 (Tumor Mutation Burden; TMB)가 높은 종양, 환자의 면역 인자 (특정 HLA-allele 등)이 반응성과 잘 연관되어 있다고 알려져 있습니다.

특히, Tumor Mutation Burden의 경우, TMB이 높을수록, 단백질의 변이에 의한 신항원(Neo-antigen)의 발현 확률도 높아지고, 이질적인 항원 발현에 의한 면역 반응으로 종양 세포가 제거될 확률도 높아지게 될 것이기 때문에, 이미 이전부터 당연하게 예측되는 결과 이기도 했습니다. 이러한 면역 항암제의 반응성과의 연관성 때문에, 최근에는 많은 연구에서 계산된 TMB을 함께 요구하고, 임상적으로도 환자 치료시 활용하려고 시도하고 있습니다. 이에 Tumor Mutation Burden의 의미와 영향을 미치는 인자들, 그리고 계산 방법에 대해서 정리해보겠습니다.

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면역 항암제, Immune checkpoint inhibitor의 원리 및 종류

동반 진단, Companion diagnostics란 무엇인가?

TMB은 종양 내에 얼마나 많은 돌연변이가 발생했는가?를 수치화한 것으로 얼핏 생각하면 매우 단순한 개념처럼 보이기도 합니다. 그러나 매우 이질적이도 다양한 종양처럼, TMB을 정의하는 것도 그렇게 단순하지가 않습니다.

 

I. Tumor Mutation Burden의 정의

TMB은 원래 처음 전장 엑솜 시퀀싱 (Exome sequencing)에 의해서, 1Mb당 검출된 모든 종양 돌연변이의 개수를 수치화한 값으로 정의하였습니다. 즉, (분자 = 돌연변이의 총 갯수)/(분모 = 엑손 영역의 총 길이)가 됩니다. 여기서 문제가 발생하는데, 아직까지 표준화된 정의가 없습니다.

  1.  분자항의 변이의 영역을 어디까지 포함할 것인가? : 논문에 따라서 변이를 counting할 때, Non-synonymous variant만 포함하는 논문도 있고, Non-sense, frame-shift를 전부 포함하는 논문도 존재합니다. (그렇다면 small insertion과 deletion은요??)
  2. 분모항의 엑손 영역은 어떻게 정의할 것인가? : 엑솜 영역은 전체 유전체의 약 2% 정도로 단백질을 코딩하는 부위로 정의를 하는데, 이전에 언급한대로 엑솜 시퀀싱은 타겟시퀀싱과 동일하게 enrichment kit를 사용하여, 해당 엑손 부위만 증폭 시킵니다. 그러나 문제는 시중에 나와있는 다양한 회사의 키트들에서 엑손 영역이라고 말하는 부위가 서로 100% 일치하지 않습니다. 즉, 어떤 회사의 엑손 키트를 사용하였는가에 따라서도, 분모의 값이 달라지게 됩니다. (사실 아직까지도 100% 유전자라고 하는 부위의 정의도 확립되어 있지 않습니다.) 일반적으로 엑솜 영역의 크기는 5~60 Mb 정도 됩니다.

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NGS 검사: Whole Genome & Exome, Targeted Sequencing 비교

[유전학 중요개념 정리] Germline vs. Somatic mutation

 

II. Tumor Mutation Burden에 영향을 미치는 인자들

다음으로, TMB의 개념은 시퀀싱에 기반한 방법이기 때문에, 검사의 민감도가 결과에 절대적으로 영향을 미칩니다. 종양은 종양 이질성 (Tumor heterogeneity)으로 인해, 다양한 변이를 가진 미세 군집이 존재하게 됩니다. 따라서, 검체의 어떤 부분을 시퀀싱하는가?, 얼마나 더 민감하게 검사를 하는가?에 따라서, 해당 변이가 검출될수도, 되지 않을수도 있습니다. 따라서 종양 세포의 비율과 순도 (purity), DNA 추출 과정, 그리고 시퀀싱의 측면에서 Coverage 또는 Depth가 매우 중요하게 작용합니다. 즉, 일반적으로 Depth가 높아지면, 더 민감하게 검출이 되므로 TMB 값은 커지기 마련입니다. 다음으로, 검사 자체의 측면 이외에도 시퀀싱 데이터를 처리하면서 Bioinformatics pipeline에서 분석을 할 때, VAF (Variant allele frequency) cut-off를 얼마로 설정할 것인가에 따라서도 값이 매우 달라지게 됩니다. 즉, 시퀀싱 에러와 미세 군집 사이를 적절하게 구분짓는 최적의 cut-off 설정 또한 검사자에게 요구 됩니다. 더불어, matched normal sample의 유무에 따라, 적절하게 Germline variant를 filtering 하는 것도 매우 중요하다고 할 수 있겠습니다.

 

III. Target panel을 이용한 Tumor Mutation Burden 계산

최근에는 엑솜 시퀀싱이 아닌, 일부 유전자를 타겟으로 하는 타겟 패널에서 TMB을 계산하기도 합니다. 전체 유전자는 대략 2만여개 정도로 알려져 있는데, 수백개의 유전자로 이루어진 패널에서 이를 같은 방식으로 계산하는 것이기 때문에, 일부가 전체를 대표하게 됩니다. 따라서, 패널의 크기가 크면 클수록 엑솜 시퀀싱과 비슷한 결과를 보이게 됩니다. 여기서 최소 몇개의 유전자로 이루어진 얼마나 큰 패널로 검사를 시행해야 거의 동일하고 비슷한 값을 얻을 수 있는가?에 대한 문제가 발생하게 됩니다. 아래는 다양한 타겟 패널과 분석 플랫폼을 비교한 표입니다. 여기서 가장 중요한 것은 어떤 플랫폼으로 검사하는가에 따라서 검사 결과가 매우 다르다는 점입니다. 아래 그림은 서로 다른 영역을 타겟으로 하는 다양한 패널에서 계산되는 TMB의 차이를 나타내주고 있습니다.

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따라서, 마지막으로 임상의사 선생님들께 남기고 싶은 얘기는 TMB의 절대값은 의미가 없다 라는 점입니다. 즉, 어떠한 플랫폼에서 어떠한 검사 기준을 적용하여, 어떻게 검체를 처리했는가에 따라서 TMB의 값은 매우 크게 달라질 수 있기 때문에, 같은 플랫폼 내에서 서로를 비교하는 상대값으로써 더 의미가 크다고 할 수 있겠습니다. 또한, TMB을 임상적으로 활용하기 위해서는 검사실에서 SOP를 수립하고, 표준화된 정의와 기준을 수립하는 것도 앞으로 매우 중요하겠습니다.

 


[Reference]

Chan, Timothy A., et al. “Development of tumor mutation burden as an immunotherapy biomarker: utility for the oncology clinic.” Annals of Oncology 30.1 (2018): 44-56.

Meléndez, Bárbara, et al. “Methods of measurement for tumor mutational burden in tumor tissue.” Translational lung cancer research 7.6 (2018): 661.

Braun, David A., Kelly P. Burke, and Eliezer M. Van Allen. “Genomic approaches to understanding response and resistance to immunotherapy.” Clinical Cancer Research 22.23 (2016): 5642-5650.

동반 진단, Companion diagnostics란 무엇인가?

오늘은 정밀 의료 (Precision Medicine)약물 유전학 (Pharamacogenetics) 분야에서 공통적으로 중요한 개념인 ‘동반 진단’ (Companion Diagnostics)에 대해 정리하는 포스팅을 남길까 합니다.  저는 개인적으로 우리 나라의 ‘동반 진단’이라는 어휘를 별로 좋아하지 않습니다. 어휘는 들었을 때 이해하기 쉽고 개념이 바로 연상되어야 하는데, 동반 진단이라는 단어는 이해가 어렵기 때문이죠 (영어식 표기를 단순히 우리말로 번역한 결과).

그러면 ‘Companion diagnostics’ (이하 CD)를 좀 더 쉽게 이해하기 위해서, 어떤 의미의 단어인지 부터 살펴보겠습니다.

‘Companion’: 흔히 동행, 동반자, 친구 등으로 번역되는데 쉽게 말해서 ‘졸졸 따라 다니는’ 의 의미 입니다. / + ‘Diagnostics’ : ‘진단 방법’을 의미 합니다.

즉, Companion diagnostics 는 어떤 약물 치료 또는 처치를 하기 위해, 수반되어 시행해야 하는 (권장되는) 진단 방법 또는 검사를 일컫게 됩니다. 더 쉽게 말하면, ‘너 이 약이나 치료 쓰려면, 이 검사하고 나서 써.’ 입니다. (무슨 이런 쉬운 말을 이렇게 어렵게 이름 붙인답니까..) 더 자세한 정의 및 의미는 아래에서 살펴 보겠습니다.

약물 유전학 관련 포스팅 보기 -> 약물 유전학은 왜 정밀의료에서 중요한가?

 

Companion Diagnostics가 나타나게 된 배경

사실 CD의 개념은 오래 전부터 있었습니다. 대부분의 CD는 종약학 (Oncology) 분야의 항암제 치료와 밀접한 관련이 있습니다. 1970년 대 진행성 유방암 환자에서 ER (Estrogen Receptor) status에 따라 항암제인 Tamoxifen 의 치료 성적이 달라진다는 사실을 알게 되었고, 1980년 대에는 HER2 유전자의 변이 여부에 따라 유방암의 예후가 달라진다는 사실을 알게되면서, HER2에 변이를 가진 환자에서만 특이적으로 치료 효과를 갖는 HER2 antagonist인 Trastuzumab (일명 Herceptin)이 개발되었습니다. 이렇듯 어떠한 약물 (항암제)의 치료 효과 또는 반응이 떠한 유전자의 변이 여부에 따라 다르게 나타나게되면서, 치료 대상자의 선정도 변이 여부에 따라 선택적으로 이루어 지게 된 것입니다. 이러한 개념이 점차 확대되면서, 약물의 개발 과정에서 부터 CD가 깊게 관여하게 되었고, 최근 개발된 많은 항암제에는 이러한 CD marker가 추가되었습니다. 대표적으로, 최근 유명한 면역 항암제인 PD-1 inhibitor인 Pembrolizumab, Nivolumab 등이 여기에 해당합니다.

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[종양학 분야의 항암제 개발과 Companion Diagnostic 마커] 최근 많은 항암제가 유전자의 돌연변이를 타겟으로 하면서, 항암제 사용을 위한 동반진단 마커가 함께 개발되고 있습니다.

 

Companion Diagnostics의 정의

실제 의료 현장에서 위에서 언급한 신약들을 정착시킴에 있어 미국 FDA의 승인이 필요하게 되었습니다. 따라서 동시에 CD에 해당하는 진단 검사 방법에 대한 의료 기기 및 검사에 대한 승인을 받기 위해서 CD가 정확히 무엇이다 라는 정의가 필요하게 되었습니다. 이에 따라 현재 널리 쓰이는 CD의 정의는 이 때 FDA에서 정의한 내용을 쓰고 있습니다. FDA에 따르면, Companion Diagnostics란 다음의 내용을 포함하는 체외 진단 검사를 일컫습니다.

  1. To identify patients who are most likely to benefit from the therapeutic product;
  2. To identify patients likely to be at increased risk of serious adverse reactions as a
    result of treatment with the therapeutic product;
  3. To monitor response to treatment with the therapeutic product for the purpose of adjusting treatment
  4. To identify patients in the population for whom the therapeutic product has been
    adequately studied, and found safe and effective

정리하면, 약물을 안전하고 효과적으로 사용할 수 있는 대상자를 선정하고, 치료를 모니터링할 수 있도록 도움을 주는 체외 진단 검사 방법Companion Diagnostics 인 셈입니다.

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[Companion Diagnostics의 적응 약물, 관련 질환 및  해당 바이오마커]

 

Companion Diagnostics의 임상 활용 및 전망

마지막으로 CD의 임상 활용 및 전망에 대해 살펴 보고 포스팅을 마치고자 합니다. 현재 CD의 개념은 대부분 항암제에 국한된 것이 사실입니다. 많은 연구를 통해 암의 발생 메커니즘 (carcinogenesis)를 이해하면서 이에 근거하여 치료제를 개발하다보니 항암제-유전자 변이 마커 쌍이 성공적으로 정립되고 있기 때문입니다. 그러나 이것은 좁은 의미의 CD이며, 더 넓게는 다양한 의료 현장에서 치료의 선택에 활용이 가능합니다. 또한 앞으로 개발되는 많은 신약들에는 이러한 CD의 개념이 더 폭넓게 적용 및 요구될 가능성이 높습니다. (Drug-diagnostic co-development)

신약 개발 과정 관련 포스팅 보기 ->  신약 개발과 임상 시험, 그리고 시판 후 조사

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[Drug-diagnostic co-development] 최근 Companion Diagnostics는 신약 개발 과정에서부터 함께 고려되어야 하는 중요한 부분이 되었습니다.
더불어, 우리나라에서도 2015년에 식약처에서 체외동반진단기기에 대한 가이드라인을 정립하였습니다. (우리 나라의 현황 및 실무와 관련된 내용은 다음 포스팅에서 다루도록 하겠습니다.) 유전자 검사법이 점점 발전하게 되면서, 앞으로는 더 다양한 치료 효과를 예측하고 모니터할 수 있는 많은 마커들이 발견될 것이며, 이를 통해 조금 더 정밀 의료의 실현에 가까워 질 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.  많은 CD 마커들이 발굴되고, 실제로 환자들이 도움을 받을 수 있기를 희망합니다.

 

[참고 문헌]

Jørgensen, Jan Trøst, and Maria Hersom. “Companion diagnostics—a tool to improve pharmacotherapy.” Annals of translational medicine 4.24 (2016).