Kookmin WebzineVol.103

만들기 쉬운 항체

- 나노바디(Nanobody) -

(융합바이오공학과 서주현 교수)

나노바디(Nanobody)는 낙타, 라마 등 낙타과 동물의 혈액에서 발견되는 중쇄 항체(Heavy-chain only antibody)의 variable domain(VHH)을 따로 떼어낸 것을 말한다.

▲ 그림 1-2. Full-length 항체와 나노바디의 구조 비교 (출처: Hurley et al., Cancers 2023, 15, 3493)

나노바디는 일반 full-length antibody의 크기(~150 kDa)에 비해 1/10 크기로(대략 12 kDa ~ 15 kDa) 매우 작아 조직 침투력이 뛰어나며, 높은 열 안정성과 용해도를 가진다(출처: Ramon et al., Nature Machine Intelligence 2024, 6, 74-91).

나노바디의 가장 큰 특징은 단일 폴리펩타이드로 인한 단일 도메인이라는 점과 작은 크기에 있다. 나노바디는 크기가 작기 때문에 혈관을 뚫고 종양 중심부나 혈뇌장벽(BBB) 등 기존 항체가 도달하기 어려운 부위까지 깊숙이 침투가 가능하다. 또한, 단일 도메인이라는 구조적 특징에서 오는 장점으로서, 열과 pH 변화에 매우 강하다는 장점이 있다. 이러한 장점은 나노바디의 보관에 있어 매우 큰 장점을 보여주는데, 상온 보관이 용이하다는 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 경구 투여나 흡입형 치료제로의 확장 가능성을 가진다는 장점 또한 가지고 있다.

나노바디는 구조적으로 길고 유연한 CDR3 루프를 가지고 있어서, 기존 대형 항체가 접근할 수 없었던 효소의 활성 부위(Cleft)나 수용체의 깊은 홈(Pocket)과 같은 부분에 결합할 수 있다. 따라서, 기존 약물로 공략이 불가능했던 타겟을 공략할 수 있는 가능성을 가지고 있다.

▲ 그림 2. 나노바디의 3차원 구조. (pdb ID: 1MEL)

기존의 full-length antibody와 비교하여 나노바디가 가지는 가장 큰 장점은 복잡한 당쇄화(Glycosylation) 과정이 필요 없어서 동물 세포가 아닌 대장균이나 효모에서 대량 생산이 가능하다는 점이다(출처: Wu, Discover Nano 2025, 20, 23). 따라서, 미생물에서 생산할 경우 생산 공정이 단순하고 수율이 높아, 최종 약가를 낮출 수 있는 제조 경쟁력을 확보할 수 있다.

(1) 짧은 반감기

나노바디는 분자량이 작아 신장에서 매우 빠르게 여과되어 수십 분 이내에 배출되기 때문에 혈중 농도를 유지하기가 매우 어렵다. 이를 해결하기 위해 알부민 결합 나노바디를 부착하거나 Fc 융합, PEGylation 등을 활용할 수 있다. 혹은 개발된 나노바디를 몇 개를 한 덩어리로 묶어서 multivalent nanobody를 제작할 수도 있다. 그러나, 이러한 수식 전략은 나노바디 고유의 '작은 크기로 인한 조직 침투력'을 저해할 수 있는 트레이드오프를 발생시킬 수도 있다.

▲ 그림 3. Multivalent nanobody의 예

(2) 면역원성 및 인간화

나노바디는 주로 낙타과 동물에서 유래하므로 인체 투여 시 면역 반응을 일으킬 수 있다. 이를 방지하기 위한 인간화 과정이 필수적이지만, 구조를 과도하게 변경할 경우 나노바디 특유의 높은 안정성과 용해도가 급격히 저하되거나 항원 결합력이 약해질 수 있다. 이를 극복하기 위한 방법으로써는 CDR-grafting 등의 예가 있다.

▲ 그림 4. CDR-grafting을 위한 유전자 디자인의 예

(3) 복잡한 항원 결합 예측의 한계

나노바디는 일반 항체와 달리 CDR3 루프가 매우 길고 유연하여 일반 항체와는 다른 결합 구조를 가진다. 하지만 현재의 컴퓨터 시뮬레이션이나 AI 모델은 이러한 유연한 구조적 변화를 완벽하게 예측하는 데 한계가 있어, 최적의 후보물질을 도출하는 데 여전히 많은 시간과 실험적 시행착오가 소요된다.

고효율 나노바디 설계에 있어 중요한 점은 주어진 항원에 결합하는 나노바디가 존재한다면 그 나노바디 중 결합에 참여하는 잔기가 어떤 것이냐를 판단하거나(simulation-based), 결합에 참여하는 잔기를 생성형 AI 등의 방법을 사용하여 디자인(design-based)하는 것이다. 그러나, simulation을 기반으로 하던, 생성형 AI를 기반으로 하던 아직까지는 그 정확성이 높지 않다.

이를 극복하기 위한 한 가지 예는, 주어진 항원과의 결합에 참여하는 잔기를 컴퓨터를 이용하여 선별한 뒤, 각 잔기에 대한 full randomization 및 잔기 별 돌연변이를 조합할 수 있는 deep mutational scanning 법이 있다. 이 방법에서는 simulation을 통해 결합에 참여하는 잔기를 판별하고, 이에 대해 full randomization을 수행한 뒤 효모와 같은 미생물에 각 나노바디 변이체를 발현한다. 이러한 나노바디 라이브러리에 대해서 FACS와 같은 선별법으로 우리가 원하는 나노바디를 선별하는 것이다.

▲ 그림 5. Deep mutational scaaning 법의 예 (출처: 박성수 (2025), 석사학위청구논문, 국민대학교 바이오발효융합학과)

나노바디는 그 구조적 특성으로 인해 다양한 장점을 가진다. 특히, 미생물에서 생산할 수 있다는 장점은 기존의 mouse 유래 항체를 이용한 의약품에 비하면 생산 가격이 매우 낮은 장점을 가지므로, 나노바디 개발이 활성화 된다면 기존의 mouse 유래 항체 기반 제품을 시장에서 순식간에 밀어낼 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 이러한 나노바디 의약품이 빨리 개발되어, 다양한 수요에 대응하고 질병치료에도 기여하기를 희망한다.