항암표적연구개발동향 연세대학교치과대학육종인 들어가는말 지금은화학요법을이용한항암치료를당연한것으로여기지만, 이는불과 70년의역사만을가지고있다. 화학요법 (chemotherapy) 라는용어는 1900년대초반독일화학자 Ehrlich가화학물질을이용하여감염성질환을치료한다는개념에서도입되었지만, 지금은거의전적으로암치료에국한되어사용되고있다. 1 이글에서는항암제의개발역사를간략하게정리하고, 최근항암제동향및연구개발의문제점에대해기술하고자한다. 본론 1. 간략한항암제개발역사세계 2차세계대전중 mustard gas에의한골수가감소된다는보고에착안하여, 임파종에서처음으로화학치료가시도되었다. 1 그이후 DNA 합성에필수적인 folic acid 유도체나대사억제약물이개발되었고 (Methotrexate), 이를이용하여 1951년처음으로고형성종양 (solid tumor) 에대한화학요법이수행되었다. 이어서천연물알칼로이드에서유래한 Vincristine이개발되었는데, 나중에 microtubule polymerization을억제하는약물의기전이밝혀졌다. 1960년대부터항암제에대한활기찬연구가진행됨에따라복합요법 (combination therapy), 수술보조요법 (adjuvant therapy) 등과같은개념이소개되었다. 현재가장많이사용하고있는항암제는대부분 1960-70년대에 NCI 주도로개발된것들이다. 현재는 Vincristine과유사한기전의 Paclitaxel (Taxol), topoisomerase inhibitor 계열, platinum 계열약물, nitrosourea 계열약물, DNA 합성을억제하는약물등이표준적으로사용되고있는데, 이들은공통적으로빠르게증식하는세포에비특이적독성을가진다. 그외에도수많은비특이적세포독성약물이개발되었지만, 기존의화학요법에비해유효성과안전성의우월하지않은것으로판단된다. 2. 암유전자등장과표적치료발전 1971년닉슨대통령의선언에따른대규모연구투자를통해서, 암의유전적특성이밝혀지기시작했다. 그유명한 Rous의 1911년실험은 1970년대까지암연구에엄청난영향을미쳤는데, 암발생은바이러스와같은외부유전자도입에의해발생한다는것이주류가설이었다. 그러나 70-80년초반 Varmus와 Bishop은우리세포안의유전자에의한암발생과정을증명하여암유전자라는개념을확립하였고, 2 그이후바로 p53과같은암억제유전자도발견되었다. 이러한암유전자및암억제유전자에대한지식은세포신호라는 정보전달및교류개념 으로급속하게발전하게된다. 이러한유전적이해의증진은항암제개발에있어전환기를제공하여, 마침내 BCR-ABL kinase 억제제인 Imatinib (Gleevec) 이개발되면서종래의비특이적항암제대신 표적치료제 개념이도입되었다. 3. 표적치료제표적치료제의역사는불과 10여년에불과하지만, 이미전세계항암제개발의주류개념으로자리잡았다. 첫번째표적치료제로서 Imatinib가보여주는가장큰교훈은 표적치료제개발을위해서는암유전학과암신호전달에대한확고한배경지식및연구개발기반이필수적 이라는점이다. 치료제개발을위한암세포의정보전달차단전략은분자수준에서크게두가지로나뉜다. 첫째, Imatinib와같은
인산화효소 (kinase) 활성화조절이다. 둘째, 단백질과단백질의상호작용 (Protein-Protein interactions, PPI) 에의한정보전달차단이다. 최근항체를이용한치료법개발에관심이많지만, 항체는표적의제한성 ( 세포막표면수용체 ) 이라는근본적인문제가있으므로여기서는저분자화합물을이용한표적치료제개발에중점을두고논의하고자한다. 1) 인산화효소저해제 (Kinase innibitor) 신호전달과정에서암세포가단백질을조절하는대표적인방법은 Ser/Thr/Tyr에인산화를통해구조의변화를유도하는것이다. 따라서인산화효소저해제에의한암치료개념은 암세포, 또는특정암환자그룹에서, 특정인산화효소의활성증가및하위 (down stream) 신호활성증가에의한암발생의인과성 (causality) 에근거를둔다. 예를들면 ERBB (HER) falimy와같은 receptor tyrosine kinase 활성화는 Akt/MEK 신호활성화를유도하여암세포증식을한다. 따라서이들 kinase에대한저해제개발을통해암세포의성장을억제하고, 나아가치료효과를얻는다는개념에표적치료제의기반을두고있다. 이미수많은제약회사에서암특이적인 kinase inhibitor를개발하여출시하였고, 전임상및임상실험단계에도많은약물이대기하고있다. 사실 kinase inhibitor는암이외의다양한질환에서치료표적으로오랫동안연구되었다. 예를들면당뇨치료를위한 GSK-3 inhibitor는이미 40여년간연구되어왔다. 3 따라서적절한표적만제공된다면, kinase inhibitor 개발에대한경험및지식을장기간축적한제약회사및국가는단기간에성공적으로약물개발이가능한전략적장점을가진다. 그러나 kinase inhibitor 개발을통한새로운항암제개발은다음과같은제한이있다. 첫째, 우리세포에존재하는 kinase는수백개내외로암치료에적용할수있는효소가매우한정되어있다. 둘째, kinase pocket의유사성으로암특이적 kinase inhibitor를개발하기매우어렵다. 셋째, 암세포에서활성이증가된 kinase를억제하는접근만가능하고, 암세포에서활성이저하되어있는 kinase를대상으로이를증강시키는전략은사용할수없다. 마지막으로, 대부분의 kinase가암신호전달과정에서과잉으로존재하기때문에초기에는비교적약리학적효과가좋지만, 1-2년내에거의재발되는공통점을가지고있다. 최근에개발되어대규모임상시험을실시한 receptor tyrosine kinases (ERBB1/2, MET, PDGF, FGFR, BRAF) inhibitor는선별된환자에서투여초기에거의완벽한효과를보였지만, 거의비슷한양상으로암의재발을보였다. 4 2) 단백질-단백질상호작용저해제 (PPI inhibitor) 암세포의신호전달과정에서단백질간의상호작용이신호전달에서결정적역할을한다. 또한단백질구조정보가점차축적되면서특정단백질-단백질의상호작용 (PPI) 을억제하여암치료효과를얻기위한시도가시작되었다. 사실 PPI inhibitor라는개념은비교적최근에알려졌지만, 기존에기전을잘모르고광범위하게사용하던약물이나중에 PPI inhibitor로알려진경우도있다. 예를들면지난 40여년간널리사용되었던 cyclosporine A의경우 calcineurin의 PPI inhibitor로밝혀졌다. 5 PPI inhibitor로약물을개발하려는시도는 1997년면역및염증억제제로개발된 Ro264550가있고, 이는이후개발된수많은 IL2 PPI inhibitor의 prototype이되었다. 6 암치료에서 PPI inhibitor를개발하려는시도를통해 Bcl-xl/Bax가개발되었고, Abott는여러개의 ABT 시리즈화합물을이용하여수많은임상실험을진행하고있다. 7 비슷한시기에 p53 암억제유전자의활성을증가시키기위한전략으로 p53/mdm2 inhibitor가개발되었고이역시임상시험을진행중이다. 8 PPI inhibitor가 kinase inhibitor에비해개발의역사가훨씬짧지만, 신약개발자입장에서매력적인이유는다음과같다. 첫째, 암신호전달을조절하는신호전달에수많은표적이존재하여 first-in-class 접근성이뛰어나다. 둘째, kinase inhibitor에비해표적의다양성과확장성이매우뛰어나 optimization 과정에서매우다양한후보화합물을동시에개발할수있다. 셋째, 단백질표면에결합하는특성으로인해선택성이낮지만, kinase inhibitor에비하여부작용이훨씬적어서임상실험에서다양한포지션을취할수있다. 넷째, 현재개발된 PPI inhibitor target은대부분 alpha-helix residues와 target protein groove에의한 ridge-groove
hydrophobic interaction에기반을두고있다. 따라서 PPI inhibitor 개발플랫폼을한번구축하면다른표적이나치료제로확산하기쉽다는장점이있다. 그러나 PPI inhibitor를개발하기위해서는, 세포신호전달에대한확고한배경지식및기반연구가뒷받침되어야하고, 단백질구조및분석전문가그룹이있어야하고, 이들과유기적으로연결된합성팀의지원이필수적이다. 사실우리나라에서제약회사나학교가단독으로이러한문제를동시에해결하기는쉽지않다. 그럼에도불구하고 first-in-class' 항암신약개발을위해서는 PPI inhibitor는피할수없는선택이고, 기업-정부-대학의컨소시움형태의 PPI 플랫폼개발을위한장기적인안목과투자가가필요한시점이다. 4. 최근암개념의변화지난 40여년간엄청난양의유전학적지식과정보가축적되면서, 암을이해하는생물학적개념도급격하게변화하고있다. 특히 Genome project 이후축적되는정보의양은개별연구자가거의따라잡기불가능한수준이다. 이글에서는암치료제개발에도움이될만한최근의암개념을암유전자, 암전이, 암세포대사를중심으로간략하게기술하고자한다. 1) 암과유전자돌연변이사람에서발생하는암은유전자이상 (genetic alteration) 에의한대표적인질환이다. 특히암유전자와암억제유전자개념이널리확산되고, 1980년대 p53 및 Wnt 신호에의한인과성이증명된이후, 암은특정유전자의돌연변이에의해발생하고, 치료법개발은이에근거해야한다는개념이확고하게자리를잡았다. 최근유전체학 (genomics) 의급속한발달로대규모환자군에대한모든 mutational profile 및 transcriptome, RNA 염기서열결과가공개되었다. 하지만이결과에따르면일부환자에서 p53 및 Wnt 신호전달의돌연변이가명확하지만, 대부분의환자에서인과성을증명할돌연변이는거의없다고알려졌다. 9-11 심지어환자생명에전혀지장이없는양성종양 (seborrheic keratoses) 에서도지금까지악성종양의유전적특성이라알려진 FGFR3, PIK3CA, KRAS, HRAS, EGFR, AKT1 돌연변이와 PI3K-Akt 활성화가악성종양과거의비슷한빈도로발견되었다. 12 지금까지수많은제약회사가 PI3K-Akt를표적으로새로운항암제를개발하여왔다는점에서이러한결과는향후항암제개발에매우중요한시사점을던진다. 예전의대립유전자를중심으로설명하던암발생기전은 (discrete two-hit model) 최근점진적인유전자변화의개념으로 (quasi-sufficiency) 변화하기시작했고, 13 이러한개념의변화는계속주목해서지켜봐야한다. 2) 암전이와 Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) 암세포의가장중요한생물학적특징은매우빠르게증식한다는점이다. 따라서 1940년부터시작된화학요법제공통점은빠르게증식하는암세포를제거하는것을목적으로하였고, 이미개발초기단계에서세포독성이중요한선별기준이되었다. 하지만진행성암환자의 90% 이상의사망원인은지속적인재발, 전이, 항암치료저항성획득에기인하는것이다. 최근이러한임상적인특징을부여하는세포생물학적기전은 Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT), stemness 등으로설명하고있다. Weinberg는 EMT에의해암세포의 stemness가결정된다고주장하였고, 14 최근 EMT는암세포의항암및방사선치료에서저항성을부여한다는보고가급격히증가하고있다. 전통적으로병리학자들이 EMT 을역분화 (dedifferentiation, undifferentiation) 라는용어로사용하여왔지만, 생물학적으로 EMT라는개념은 1969년 Elizabeth Hay에의해개체발생연구를통해제안되었다. 오랫동안암세포의 EMT를유도하는생물-유전학적기전은전혀알려져있지않았으나, 2000년 Nieto는특정전사억제인자의활성화가 EMT를유도한다는결과를발표하여본격적인 EMT 연구가시작되었다. 따라서암세포의 EMT 에대한연구는불과 10여년밖에되지않는다. 15 그럼에도 EMT를유도하는암유전자및신호전달체계에대한많은연구가이루어져왔고, 최근에는 EMT 조절을통해암세포의침윤및전이가억제될수있다는것을세포및동물수준에서실험적으로증명하였다. 16 EMT 개념은전통적인암세포와는
다른다음과같은 4가지세포-생물학적특징을가지며, 그것은섬유세포같은형태학적-골격의변화, 이동과침윤및생존능력증가, 매우느린증식, 전통항암제및방사선치료에대한저항성획득이다. 전통적으로암전이는암진행후반단계라고생각했지만, 최근 EMT 및전이는암발생초기단계에서발생하고, 17 침윤이전혀없는 1기암환자의일부에서도원격전이가발견된다. 그러므로 EMT는기존의생각보다훨씬빨리발생하는것으로판단된다. 전술한 Hay와 Nieto는모두발생생물학연구자이며, 이러한사실은 EMT를표적으로하는항암제개발에서매우의미있다. 예컨데 EMT 조절기전이개체발생과정에서주로작용하므로, EMT 조절약물은성인에서전통적인항암제에비해독성이매우적을것이라는것이다. 현단계에서 EMT 억제약물을통해암전이를조절하고, 나아가암치료가가능한지에대한개념검증이필요한것은사실이다. 다행히도 2009년 Lander 그룹은 Weinberg와함께 HTS를통해 EMT을억제하는화합물 Salinomycin을발굴하였다. 놀랍게도이약물은 cancer stemness를 100배이상감소시키고, 동물실험에서도 Taxol에비해월등한효과를보여주었다. 18 물론 Salinomycin은사람에게사용하는것이엄격하게금지되어있지만, 이연구결과는 EMT를억제하는약물을통해새로운개념의항암치료제를개발할수있다는것을명확하게보여준다. 암 EMT 개념은계속진화하고있으며, 가장최근에는 EMT가단순히세포학적개념으로부터 exosome 등을통한미세환경의변화를주도하는것으로확장해가고있다. 향후 EMT를표적으로하는항암제개발은암치료의새로운지평을열수있을것으로보인다. 3) 암대사경로 (Cancer metabolism) 산소가충분한정상세포는젖산 (lactic acid) 을거의생산하지않는다. 그러나 1930년 Otto Warburg 는말기암환자의복수에젖산이많은현상을반복적으로관찰하여, 암세포는새로운경로즉 aerobic glycolysis (Warburg effect) 를통해당대사를한다고보고하였다. 19 오랫동안이분야는암연구에서소외되어있었지만, 최근암세포의 glycolysis를조절하는암유전자와암억제유전자경로가밝혀지기시작하면서다시각광을받고있다. 물론이분야의급격한학문의발전으로인해더욱새로운사실들이많이밝혀지겠지만, 항암제개발의관점에서관심을두어야할사항들은다음과같다. 첫째, glycolysis에관여하는수십가지의효소가알려져있지만대부분가역적이고 allosteric하게작용하기때문에, 현재로서는적절한표적을발굴한다할지라도약리학적조절이거의불가능하다. 하지만 glycolysis 단계에서자유에너지 (free energy) 변화를급격하게유도하는비가역 3단계는 hexokinase (HK), phosphofructo-kinase (PFK), pyruvate kinase (PK) 에의해조절된다. Cantley 그룹에의해수행된암유전자 receptory tyrosine kinase에의한 pyruvate kinase (PK) isoforms 조절논문은이분야의대표적인중요연구이다. 20 당연히암세포의당대사를조절하기위한표적치료제개발이현재집중적으로수행되고있다. 그리고당대사에관심이있는연구개발자라면상기 3가지효소의조절에관심을가질필요가있다. 둘째, Warburg가처음암세포의 glycolysis를보고할때에는 mitochodria의기능이저하되어있다고주장하였으나, 그이후의연구에서이는사실이아닌것으로판단되고있다. 오히려암세포 mitochodrial 막전위가매우증가되어있고, 최근 mitochondrial priming에의한암치료효과가극대화될수있다고알려져있어서, 앞으로도 mitochondria와그대사는항암제개발에있어계속흥미로운주제가될것이다. 21 셋째, 기존에당대사와관련한수많은약물이대사및감염성질환에사용되었고, 이들을이용하면 drug repositioning을통한암치료제개발전략을쉽게도출할수있다. 마지막으로, glysolysis는빠르게증식하는암세포의 anabolic process이지만 ( 전제적인관점에서 ), 최근암세포의 catabolic process에점차관심이증가하고있다. 혈액중에존재하는암세포 (circulating tumor cells) 의아주일부 (1/100,000-10,000,000) 만이전이가되므로, 이세포들은특별한 catobolic process를가지고있을것으로판단되지만아직이에대한중요한연구성과는없다. 최근암연구에서각광을받고있는 autophage 연구는 ( 처음에는 yeast에서출발하였지만 ) 암세포의전형적인 catabolic process이다.
결론 암은대학연구자뿐만아니라제약회사, 정부입장에서매우매력적인연구개발주제이다. 표적만적절하게선정하여개발한다면약물비교우위를입증할필요가없고, 다른질환에비해임상진입도훨씬쉽다. 어느나라의허가기관도항암제에대해 5년간심혈관계부작용이없다는것을입증하라 는것을요구하지않는다. 따라서제약회사및투자가들은, 심혈관계안전에대한과도한요구로인한압력을받지않고도항암제를개발할수있다. 또한암질환은다른만성질환과달리전적으로 시장의논리 에의해서만결정되지않는다. 60-70년대미국에서개발된항암제의대부분이 NCI 주도로만들어졌다는점은우리에게매우중요한시사점을던진다. 다시말해, 항암제개발에있어서는자본의논리도중요하지만, 언제든지정부-행정권력및윤리성이개입할수있는분야이다. 다른주요질환과는달리항암제는실제적으로 orphan drug과유사한위치를차지하고있다고할수있다. 그러므로항암제신약개발은, 상대적으로적은자본과예산에도불구하고지식기반만가지고도주도권을쥘수있는유력한연구분야이다. 경쟁국가에비해취약한과학-의학-산업기반을고려해볼때, 우리정부의역할은매우중요하다. 항암제분야에서성공모델을만드는것은, 향후우리나라제약-바이오산업뿐만아니라우리의약학계지속가능성을결정할중요한계기될것이다. 이를위해서지금우리에게가장필요한것은계산기보다는창의성과도전정신이다. Selected References 1. DeVita, V.T., Chu, E., A history of cancer chemotherapy. Cancer Res. 2008, 68(21), 8643-53. 2. Nusse, R., Varmus, H., Three decades of Wnts: a personal perspective on how a scientific field developed. EMBO J. 2012, 31(12), 2670-84. 3. Cohen, P., Frame S., The renaissance of GSK3. Nat Rev Mol Cell Biol. 2001, 2(10), 769-76. 4. Wilson, T.R., et al., Widespread potential for growth-factor-driven resistance to anticancer kinase inhibitors. Nature. 2012, 487(7408), 505-9. 5. Jin, L., Harrison S.C., Crystal structure of human calcineurin complexed with cyclosporin A and human cyclophilin. PNAS. 2002, 99(21), 13522-6. 6. Tilley, J.W., et al., Identification of a small molecule inhibitor of the IL-2/IL-2R alpha receptor interaction which binds to IL-2. Journal of the American Chemical Society. 1997, 119(32), 7589-90. 7. Oltersdorf, T., et al., An inhibitor of Bcl-2 family proteins induces regression of solid tumours. Nature. 2005, 435(7042), 677-81. 8. Vassilev, L.T., et al., In vivo activation of the p53 pathway by small-molecule antagonists of MDM2. Science. 2004, 303(5659), 844-48. 9. Wood, L.D., et al., The genomic landscapes of human breast and colorectal cancers. Science. 2007, 318(5853), 1108-13. 10. Stephens, P.J., et al., The landscape of cancer genes and mutational processes in breast cancer. Nature. 2012, 486(7403), 400-4. 11. Curtis, C., et al., The genomic and transcriptomic architecture of 2,000 breast tumours reveals novel subgroups. Nature. 2012, 486(7403), 346-52. 12. Hafner, C., et al., Multiple oncogenic mutations and clonal relationship in spatially distinct benign human epidermal tumors. PNAS. 2010, 107(48), 20780-85.
13. Berger, A.H., Knudson, A.G., and Pandolfi, P.P. A continuum model for tumour suppression. Nature. 2011, 476(7359), 163-69. 14. Mani, S.A., et al., The epithelial-mesenchymal transition generates cells with properties of stem cells. Cell. 2008, 133(4), 704-15. 15. Cano, A., et al., The transcription factor Snail controls epithelial-mesenchymal transitions by repressing E-cadherin expression. Nature Cell Biology. 2000, 2(2), 76-83. 16. Yook, J.I., et al., A Wnt-Axin2-GSK3 beta cascade regulates Snail1 activity in breast cancer cells. Nature Cell Biology. 2006, 8(12), 1398-1406. 17. Rhim, A.D., et al., EMT and Dissemination Precede Pancreatic Tumor Formation. Cell. 2012, 148(1-2), 349-61. 18. Gupta, P.B., et al., Identification of Selective Inhibitors of Cancer Stem Cells by High-Throughput Screening. Cell. 2009, 138(4), 645-59. 19. Heiden, M.G.V., Cantley, L.C., and Thompson, C.B., Understanding the Warburg Effect: The Metabolic Requirements of Cell Proliferation. Science. 2009, 324(5930), 1029-33. 20. Christofk, H.R., et al., Pyruvate kinase M2 is a phosphotyrosine-binding protein. Nature. 2008, 452(7184), 181-6. 21. Chonghaile, T.N., et al., Pretreatment Mitochondrial Priming Correlates with Clinical Response to Cytotoxic Chemotherapy. Science. 2011, 334(6059), 1129-33.