면역요법은 인체의 면역기능을 촉진시켜 환자의 면역력을 증가시킴으로써 암의 진행을 억제하거나 또는 인체의 면역기능이 암세포를 인지하여 암세포를 죽이는 방법으로 대표될 수 있다. 후자의 경우가 BCG 면역요법이 해당되며 IFN-, IL-2, keyhole limpet hemocyanin 등의 면역제재가 이용되고 있다.^15-17 방광 내 BCG는 fibronectin과 결합하여 integrin을 매개로 상피세포로 내재화된다. 내재화된 BCG는 방광상피세포막 표면의 항원을 표지함으로써 면역인식을 유발하게되고 면역반응과 관련 있는 대식세포, natual killer (NK) 세포, T 림프구 CD4+T 및 CD8+T 세포를 자극하여 T 세포에서 분비되는 각종 싸이토카인의 분비를 촉진한다. 정상인과 비교하여 암 환자들의 면역력은 살상 T 림프구 활성이 억제로 이에 관여하는 싸이토카인류의 분비가 감소되었거나, 또는 기능의 변화로 암세포를 공격할 능력이 약하다. 면역세포 T 림프구를 활성화시키기 위해서는 활성화된 CD4+T 보조세포가 CD8+T세포를 자극하여야 하는데, 여기에 T 세포에서 분비되는 각종 싸이토카인이 작용하게 된다. 방광암 환자에게 BCG 주입 후 뇨에서 tumor necrotic factor (TNF), TNF-related apoptosis-inducing ligand, IL-2, IL-8, IL-18, IL-12, IFN- 등의 싸이토카인이 뇨에서 검출되어 이들 면역물질들이 BCG 항암 면역반응의 중요 조절물질로 작용하는 것으로 보여진다.¹⁸ T 림프구의 활성으로 IL-2 및 IFN-가 소량 분비되나, BCG를 주기적으로 지속적 주입하게 되면 다량 분비된다. TNF-와 IFN-는 방광암 세포 표면에 각각 class I, II 항원의 표현을 증가시킴으로써 CD4+ 혹은 CD8+ T cell이 BCG에 감염된 종양세포를 인식하도록 해준다. 그럼으로써 종양세포가 파괴되는데, 활성화된 대식세포나 비특이적인 세포가 이 과정에 부가적으로 작용하는 것으로 보인다. BCG로 유도된 대식세포와 호중구(neutrophils)의 증가는 NK, CD4+, CD8+ T 세포 또는 수지상세포를 활성화시키는데 BCG 주입 후 5배 증가된 T 세포가 2-3주 지속되고, 4-5주까지 8배까지 지속됨으로써 1회의 주입만으로도 6개월 이상 지속될 수 있다고 한다.¹⁹ BCG의 항암 면역 효능에 의한 종양억제 효과 외에 암세포의 세포 내 신호전달 체계를 통한 방광암 세포 사멸 등의 작용도 in vitro 결과로 보고되고 있으며 이에 대한 더 많은 기전적 연구가 진행되고 있다.^20-22

비근침윤성방광암에서 내시경적 절제술(transurethral resection of bladder tumor) 종양학적 결과는 상당히 좋으나, 5년 이내에 30%-80%의 환자에서 방광 내에 재발이 보고되고, 이 중 1%-45%의 환자에서 근침윤성방광암으로 진행이 야기된다.²³ 따라서 내시경적 방광종양절제술 이후에 재발이나 진행을 막기위하여 보조치료를 진행하게 되는데 방광 안으로 주입하는 약물에는 마이토마이신-C (Mitomycin-C) 등의 항암제 또는 BCG 면역요법을 시도한다. 약물의 선택은 기존에 내시경적으로 절제된 방광암의 병기와 정도에 따라 가장 효과적인 약물을 결정하게 된다. BCG 면역요법은 지금까지의 연구를 종합해 볼 때 내시경적 방광종양 절제술 단독 치료나 방광 내 항암화학제 등의 약물 주입과 비교하여 우수한 효능을 보인 것은 사실이지만 모든 환자에게 효과적인 것은 아니며 특히 항암요법 보다 더 많은 부작용이 발생하기도 하고 장기간 투여에 따른 문제점의 해결이 우선되어야 한다.^24,25 방광 내 BCG 투여는 6-12주간 매주 1회 투여하는 치료가 표준 치료이나, 재발률과 진행률을 낮추기 위해서는 최소 1년 이상에서 3년까지 장기간 유지하는 것이 필요한 것으로 보고되고 있다.^26,27 BCG 면역요법을 통한 방광암의 완치에 대한 실패 요인들로는 완전한 종양의 제거가 이루어지지 않아 방광암이 근절되지 못하여 재발하거나, 발견되지 않은 근침윤성 또는 전이성방광암의 존재, natural resistance-associated macrophage protein (NRAMPI) 유전자의 동질이상(polymorphism), 또는 BCG에 반응하지 않는 방광암의 경우로 보고되고 있다.^28-30 BCG 면역요법을 실행했을 때 숙주세포의 선천면역반응으로 BCG의 세포 내로 내재화가 매우 어렵다는 또다른 문제점이 야기된다. BCG의 내재화를 증가시키기 위한 기전연구로서, BCG와 Toll-like receptor (TLR) 2 수용체와 결합 후 세포 내 MAPK 경로가 활성화로 항균펩타이드 발현을 증가시키고 이들 항균펩타이드는 세포 내 BCG의 내재화를 차단하는 요인으로써 상위경로인 MAPK 경로를 차단했을 때 BCG의 세포 내 내재화가 증가되었음을 제시하였다.³¹

BCG 백신은 감염에 의한 숙주 방어기전으로 강력한 선천면역반응(innate immune response)을 유발하게 되는데 2단계로 분류될 수 있다. 먼저, 백신으로 인해 T 림프구 및 B 림프구상의 항원-특이 수용체를 자극하는 항원을 전달하게 되고 대식세포의 활성으로 항원제시세포(antigen presenting cells, APCs)에 의한 세포독성 단백질 및 싸이토카인 분비를 촉진하여 MHC class II 분자를 다량 발현함으로써 활성화된 T 림프구에 의한 바이러스 감염 세포, 암세포, 세포 내 병원균을 제거한다.^32,33 생균 약독화 병원체를 접종하는 생백신 BCG의 경우에는 대식세포를 통한 이러한 신호가 매우 효과적으로 활성화될 수 있지만, 불활성화 백신, 특히 정제된 아단위 백신이나 펩티드 항원인 경우에는 이러한 반응 유도가 저해되어 면역원성이 크게 저하된다. 이를 보완하기 위한 방법으로 선천면역반응을 활성화시키는 adjuvant를 첨가하거나 백신매개체 등을 이용하여 백신항원의 효과를 향상시켜 면역반응을 더욱 강화시킬 수 있다. Adjuvant는 세포의 항원 결합부위에 수지상세포(dendritic cells), 대식세포를 통해 APCs를 자극하여 국소염증반응을 유발하고 T 세포의 활성화를 통해 항원의 면역원성을 증강시킨다.³⁴ Adjuvant에 의한 T 세포의 활성으로 costimulator와 IL-12 등의 싸이토카인을 분비시키고, APCs의 표면에서 MHC class II 발현을 증가시키는 항원을 adjuvant와 병합하면 세포매개면역과 T 세포 의존 항체생산을 촉진시켜 효과적인 면역반응을 유도할 수 있다. BCG와 같은 결핵균의 면역반응을 일으키면서 생백신의 문제점을 보완한 BCG-CWS는 mycobacteria의 면역반응을 높이기 위한 첨가 물질 즉 aduvant로써 항체 생산과 세포성 면역의 강화를 위해 항원과 함께 사용된다. BCG의 항암면역 활성을 위한 BCG-derived adjuvant가 일본에서 개발되어 왔으며 Yamamura와 Azuma 그룹의 시도로 살아있는 박테리아와 달리 감염의 위험이 없는 BCG- CWS adjuvant 치료의 초기 연구에 성공하여 component adjuvant의 선구자로 주목되었다.¹³ 대부분의 강력한 adjuvant 는 세균 자체이거나 세균의 부산물이며 이 중에서도 mycobacteria의 세포벽 성분이 대표적이며 세포벽은 건조중량의 60%가 복합지질성분으로 BCG의 세포벽 CWS는 mycolic acid, arabinogalactan, peptidoglycan 등이 공유결합으로 구성되어 주요 면역반응을 담당한다. 이외에 lipoarabinomanan, 표면지질, 미코시드가 약 20 nm의 두께로 적층 구조를 이루고 있다. BCG의 세포벽 성분 중에서 세포벽골격(CWS), muramyl dipeptide, trehalose dimyclolate, methanol extractable reside 등은 선천면역을 자극시키는 강력한 adjuvant로 알려져 있다. 이들 성분 중 CWS의 mycolic acid, arabinogalactan, peptidoglycan 복합체는 강력한 면역활성 미립자(immunoactive microparticle)로 면역반응을 촉진시키거나, CTL의 증식과 NK 세포의 활성화를 촉진하여 항암 면역 효능을 가진다고 보고되었다.³⁵ BCG-CWS의 면역활성 기전으로는 TLR2와 TLR4의 발현을 증가시켜 수지상세포 활성화에 의한 강한 선천면역을 일으킨다.^13,36-39 최근에는 BCG-CWS에 의해 활성화된 TLR2를 매개로 nuclear factor-kB 프로모터를 활성화시켜 암세포의 사멸을 유도하였고, adjuvant로 사용하였을 때 효율적으로 항체 생산을 유도시켜 세포독성 T 림프구의 증식을 향상, 면역항암 효과를 나타내었다.^12,40

Mycobacteria의 세포벽은 항원제시 및 염증성 cytokines을 증가시켜 면역반응을 높은 수준으로 유도함에 따라 여러 암종의 치료에 시도되어왔다. 특히 폐암과 위암 초기 환자의 수술 직후 BCG-CWS 보조면역요법을 수행한 후에 종양의 감소를 2년간 예후를 관측하였을 때, 면역요법치료를하지 않은 환자군과 비교하여 전체 생존율이 통계적으로 유의하게 높은 것으로 나타났다.^41,42 폐암 병기 stage III에 해당하는 환자의 BCG 항암면역 치료 시 5년 생존율이 통상적 항암화학요법치료를 받은 환자와 비교하여 5% 이상 증가된다고 보고되었다.⁴¹ 일본의 Osaka Medical Center의 Toyoshima, Hayashi, Kodama 등의 BCG-CWS 단독으로 피하주사로 주입 치료한 현대 임상 적용 방법에 대한 프로토콜을 1994년에 발표하였다. 이들은 전이성폐암 환자의 40%가 수술 후 BCG-CWS 단독으로 항암면역치료로 5년 생존율이 증가되었고, 이들 치료군 환자는 통상적 항암화학요법 환자와 비교해서 15%-20% 생존율이 증가된 것으로 보고하였다.⁴³ 이러한 결과는 부작용이 BCG 생백신보다 적은 BCG- CWS의 효과가 항암화학요법, 방사선치료와 비교해서도 매우 고무적인 결과라 할 수 있다. 그러나 BCG-CWS의 항암면역백신의 보조 면역제로서 또는 단독 처리의 면역항암 효능을 보인 것은 이들 그룹의 폐암 환자에서 유의적 결과를 보였으나 방광암에 BCG-CWS를 도입하기 어려워 현재까지 방광암 환자의 임상례가 없는 실정이다. 방광암 환자에서 BCG의 방광 내 점적 주입법(intravesical instillation)을 시술할 때 Foley 도관(catheter)으로 BCG를 점적하게 되는데 BCG-CWS는 불용성이 매우 높고 지용성의 구성물질이 뭉쳐(aggregation) 시술하게되면 도관이 막히게 되는 문제로 이를 용해시킬 용매제와 방광 내 세포로의 운반의 문제를 해결해야 한다.

BCG-CWS는 분자량이 매우 크고 수용성 및 지용성 용매 모두에 녹지 않기 때문에 미네랄오일과 Tween 80 계면활성제로 BCG-CWS를 혼합한 후 유화제(oil-in-water O/W emulsion)를 이용하여 용해도를 증가시켜 약물로 투여한 연구가 시도되었다.^12,43,44 그러나 이들 BCG-CWS 용해물은 동물과 인체에 투여했을 때 염증반응에 의한 심각한 국소 독성의 부작용이 발생되어 투여 방법 또한 피내주사(intracutaneous injection)로 제한된다.⁴⁰ 결국, O/W 유화제에 녹인 BCG-CWS 를 정맥주사(intravenous injection)와 같은 전신 투여(systemic administration) 요법은 불가능하다 할 수 있다. BCG와 BCG-CWS의 항암면역원성의 우수성을 고려한다면 BCG-CWS 의 용해도를 해결하고, 전신감염의 위험을 제거하는 시도는 새로운 항암제를 개발하는 것 이상의 가치가 있다 할 수 있다. 이러한 시도로 Nakamura 그룹은 BCG-CWS 나노입자제형(water-dispersible nanoparticule formulation)을 제조하여 정맥 투여 가능성을 제안하고 있으며⁴⁵ 방광암 환자의 임상적 성공을 위해서는 생백신인 BCG의 안정성을 보완한 무독화 BCG-CWS의 분자량을 줄이는 nanoparticle (나노입자) 단위의 분쇄와 정맥 투여보다 안전한 방광 내 주입의 방안이 앞으로 더 연구되어야 할 것이다(Fig. 1).