번역 Lab Med Online Vol. 5, No. 1: 44-54, January 2015 임상화학 동반생물학적표지자 : 개인맞춤암치료를향한경로제공 Companion Biomarkers: Paving the Pathway to Personalized Treatment for Cancer Michael J. Duffy 1,2, John Crown 3 UCD School of Medicine and Medical Science 1, Conway Institute, University College of Dublin, Ireland; Clinical Research Centre 2 and Department of Medical Oncology 3, St Vincent s University Hospital, Dublin, Ireland Background: Companion biomarkers are biomarkers that are used in combination with specific therapies and that prospectively help predict likely response or severe toxicity. In this article we review the role of companion biomarkers in guiding treatment in patients with cancer. Content: In addition to the established companion biomarkers such as estrogen receptors and HER 2 (human epidermal growth factor receptor 2) in breast cancer, several new companion biomarkers have become available in recent years. These include v-ki-ras2 Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog (KRAS) mutations for the selection of patients with advanced colorectal cancer who are unlikely to benefit from anti-epidermal growth factor receptor antibodies (cetuximab or panitumumab), epidermal growth factor receptor (EGFR) mutations for selecting patients with advanced non-small cell lung cancer (NSCLC) for treatment with tyrosine kinase inhibitors (gefitinib or erlotinib), v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1 (BRAF) mutations for selecting patients with advanced melanoma for treatment with anti-braf agents (vemurafenib and dabrafenib), and anaplastic lymphoma receptor tyrosine kinase (ALK) translocations for identifying patients with NSCLC likely to benefit from crizotinib. Summary: The availability of companion biomarkers should improve drug efficacy, decrease toxicity, and lead to a more individualized approach to cancer treatment. 근래에는대부분의암환자들이항암치료, 호르몬치료, 생물학 적치료또는이들의병합요법과같은전신치료를받는다. 현재까지 가장적합한치료법의선택에있어고려해야할사항들로는종양 의해부학적기원, 병기, 조직학적단계, 환자의나이및전신상태 (performance status) 가알려져있다. 이러한기준들은물론계속 이용되겠지만동반생물학적표지자 (companion biomarkers) 로알 려진생물학적표지자들이등장함에따라더욱보강되고있다. 동 반생물학적표지자는또한심한독성의발현에대한예측및치료 용량의결정에도도움을줄수있다. 번역 : 이수연 Department of Laboratory Medicine and Genetics, Samsung Medical Center, 81 lrwon-ro, Gangnam-gu, Seoul 135-710, Korea Tel: +82-2-3410-1834, Fax: +82-2-3410-2719 E-mail: suddenbz@skku.edu Received: December 2, 2013 Revision received: February 25, 2014 Accepted: November 10, 2014 This article is available from http://www.labmedonline.org 2015, Laboratory Medicine Online This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 동반생물학적표지자는다양한질환들의치료에있어방향을제 시할수있지만특히암에서중요한데그이유는다음과같다 [1]. 1. 암환자에서 ( 특히진행된상태일경우 ) 기대수명이짧다. 2. 많은암치료, 특히새로운생물학적치료요법은소수의환자 군에서만효과가있다. 3. 항암치료로인한독성위험도가높다. 4. 어떤항암치료들은 ( 특히새로운표적치료제일부 ) 매우비용 이많이든다. 최근수년간동반생물학적표지자가매우많이등장하여서로 다른암종에서다양한치료에대한반응성예측에사용할수있게 되었다. 이논문의목적은이러한동반생물학적표지자들을살펴 보고자하는것이며, 새로운동반생물학적표지자의검증방법에 대해서도논의하고자한다. 항암제로인한심각한독성을예측하 기위한지표들에대해서는논의하지않는다. * 본원고는양잡지의발행인사이의협약에의하여 Clinical Chemistry 에실린영문논문을번역하여게재하는것으로, 본논문을인용하고자할때는다음과같이원논문을인용하여야함. 원논문의저자사사표기및기타원고의내용과관련이없는부분은번역과정에서생략하였음. 참고문헌표기방식은원문방식을그대로사용하였음. 원문인용 : Duffy MJ, Crown J. Companion biomarkers: paving the pathway to personalized treatment for cancer. Clin Chem 2013;59(10):1447-56. 44 www.labmedonline.org eissn 2093-6338
유방암에서호르몬치료에대한동반생물학적표지자로서의에스트로젠수용체 (Estrogen Receptor as a Companion Biomarker for Hormone Treatment in Breast Cancer) 에스트로젠수용체 (estrogen receptor, ER) 는종양분야최초의 동반생물학적표지자이다. 1960-70 년대수행된연구상 ER 양성인 진행성유방암환자에서난소및부신제거수술후객관적인종양 반응 (tumor response) 을보였다는결과가나왔다 [2, 3]. 반대로, ER 음성인여성암환자에서는이러한수술적제거후종양퇴화가거의 일어나지않았다. 이어서, 호르몬적제거술은항에스트로젠약제 인 tamoxifen 과같은약제로대치되었다. ER 양성인초기유방암환 자에서 5 년간보조적인 tamoxifen 투여를시행한결과재발률을 거의 50% 까지감소시켰다 [4, 5]. 또한, ER 양성유방암에서치료후 15 년간치명률이약 1/3 감소되었다 [4, 5]. Tamoxifen 이성공적이었음에도불구하고폐경기유방암환자에 서적어도 1 차호르몬치료제로서의사용은, 아로마타제길항제 (aromatase inhibitors) 로알려진약제군에의해대체되어왔다. Anastrozole, letrozole, exemestane 과같은아로마타제길항제는 그전구물질들로부터에스트로젠이형성되는것을막는작용기전 을갖고있다 [6]. 따라서, 아로마타제길항제치료의최종결과는에 스트로젠의 ER 수용체결합및유방암세포의성장촉진을방해하 는 tamoxifen 과비슷하다. 즉, 이들약제모두에스트로젠의생물 학적인효과매개를억제하는것이다. 몇몇임상시험결과에따르면, 초기유방암인폐경기환자에서, 적어도무진행생존율 (progression-free survival) 에있어서는아로 마타제길항제가 tamoxifen 보다우수하였다 [6]. 하지만, 아로마타제 길항제가전체생존율 (overall survival) 연장에있어서 tamoxifen 보다우수한지에대해서는아직밝혀지지않았다. 전체생존율에서 의유의한차이가있는지는환자추적관찰을통해앞으로밝혀질 수있을것이다. Tamoxifen 과달리아로마타제길항제는폐경전여 성에서는사용할수없다. 상기의결과들을기반으로, 현재대부분 의전문가패널은아로마타제길항제를적어도보조치료의일부로 서 ER 양성유방암을가진폐경기환자에서사용할것을권고하고 있다 [7-10]. 현재 ER 에대한표준검사법은검증된항체를이용한면역화학 분석법 (immunohistochemistry) 이다. 오래된생화학적기법들에 비해면역화학분석법의장점은, 포르말린고정파라핀블록조직 (formalin-fixed paraffin-embedded tissue) 에적용할수있고, 간편 하고저렴하며, 미세바늘흡입물 (fine needle aspirate) 이나중심부 바늘생검 (core needle biopsy) 같은소량의조직에서도가능하다 는것이다. 이외주변조직에있는정상유방표피세포들이내부양 성대조가되는점도장점이다. 반면, 생화학적기법들과는달리정 량적인정보라든지 ER 결합능력등과같은수용체의기능에대한 정보를주지는못한다. 더욱이면역화학분석법의해석은주관적이 며표준화가어렵다 [11]. American Society for Clinical Oncology (ASCO)/College of American Pathologists (CAP) [12] 와 National Academy of Clinical Biochemistry (NACB) [11] 에서 ER 에대한면역화학분석법수행의 구체적인지침을발간하였다. ASCO/CAP 지침에서중요한사항들 은다음과같다 [12]: 1. 모든침습성유방암환자에서 ER 검사를해야한다. 2. 검사는검증된방법으로수행하여야한다. 3. 종양획득으로부터고정까지걸리는시간은가능한최소화한다. 4. 검체는 6-72 시간동안 10% 중성완충포르말린에서고정시킨다. 5. 수용체양성은 1% 이상의종양세포에서염색양성인경우로 정의한다. 6. 염색양성인종양세포의백분율또는비율이기록및보고되 어야한다. 7. 염색의강도는약 (weak), 중간 (moderate), 강 (strong) 으로기 록및보고되어야한다. 8. 검사결과는수용체양성 (receptor positive), 수용체음성 (receptor negative) 또는수용체예측불가 (receptor uninterpretable) 로보고되어야한다. 9. 적어도연 2 회이상외부정도관리프로그램에참가해야한다. 유방암에서항 -HER2 치료에대한동반생물학적표지자로서의 HER2 (HER2 as a Companion Biomarker for Anti-HER2 Therapy in Breast Cancer) 유방암에서통상적으로검사하는다른동반생물학적표지자로 human epidermal growth factor receptor 2 (HER 2) 가있는데, 이는 항 -HER 2 치료대상환자의선택에있어필수적이다. HER 2 유전자 [v-erb-b2 erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 2, neuro/glioblastoma derived oncogene homolog (avian) (ERBB2; also known as HER 2)] 는 1 차성침습성종양의 15-20% 에서증폭및 과발현된다 [13]. 이렇게증폭및과발현된암에서는 ERBB2 원발 암유전자 (protooncogene) 가암세표증식의주도자가된다. 결과 적으로, 앞서논의된에스트로젠의존성유방암과같이, HER 2 억 제를통해 HER 2 의존성암의성장을억제하게된다. 유방암에서의 HER2 유전자 (ERBB2) 증폭및과발현결과, HER2 유전자개수가정상적으로는세포당 2 개인반면유방암세포에서 www.labmedonline.org 45
50개이상이될수있다. 그결과세포당 HER 2 단백분자의수는 2-5만개에서약 2백만개까지도증가될수있다 [14]. 이렇게 HER 2 단백질농도의큰차이가있기때문에전신의정상세포들및정상유방세포에대면하여 HER 증폭유방암을선택적으로표적하는것이가능하다. 최초의항-HER 2 치료제로임상적용승인을받은것은인간단일클론항체인 trastuzumab (Herceptin) 이다. Trastuzumab은 HER 2 (domain IV) 의세포외부위 (extracellular domain) 에결합하여 HER 2 과발현유방암의성장을복합적인기전을통해억제하는것으로보인다. 이를테면, 리간드비의존성 HER 2 HER3 상호작용의방해, HER 2 하위신호전달방해, HER 2 세포외부위의분해억제, DNA 복구증진, 항체의존성세포독성 (antibody-dependent cell cytotoxicity) 유도등의기전을말한다 [15]. 진행된 HER 2 양성유방암환자에서 trastuzumab효과를평가한주요임상시험에서, Slamon 등 [16] 은항암치료에 trastuzumab 추가시, 질환의진행까지걸리는시간이연장되었으며 ( 중앙값, 7.4 vs. 4.6 개월 ; P <0.001), 높은치료반응률 (50% vs. 32%, P <0.001), 반응기간연장 ( 중앙값, 9.1 vs. 6.1 개월 ; P <0.001) 과생존율의향상 ( 생존율중앙값, 25.1 vs. 20.3 months; P = 0.01) 을확인하였다. 이첫번째임상시험이 HER 2 과발현에근거하여환자를사전선택하지않고수행되었더라면 trastuzumab의긍정적효과를놓칠수있었다는점을언급하는것이중요하다 [17, 18]. 예로, 상기임상시험에서, trastuzumab 치료환자에서의반응률은 50%, 1년째사망률은 22% 였고, trastuzumab 치료를받지않은대조군에서는각각 32% 및 33% 였다. HER 2 확인에근거한 trastuzumab의선택이없었다면, 반응률은 37%, 1년사망률은 30% 였을것이다. 이런상황에서 trastuzumab 치료를받은환자군과대조군간통계학적으로유의한치료효과의차이를발견할수는없었을것이다 [17]. 실제로, 모든환자를대상으로한 3상임상시험에서통계학적으로유의한 trastuzumab 치료효과의차이를얻기위해서는 2만명의환자가필요할것으로계산되는데, 이런임상시험을수행하는것은엄청난비용및오랜연구기간을고려시현실적으로매우어렵다. 따라서, trastuzumab의치료효과는 HER 2 사전확인이없었다면관찰될수없었을것으로보인다 [17]. 상기결과들의발표이후로, HER 2 양성인진행성유방암환자에서병합 HER 2 표적치료제와표준치료를비교하는 8건이상의무작위임상시험이수행되었다. 이들에대한메타분석결과로 Harris 등 [19] 은 HER 2 표적치료제와표준치료병합요법이, 표준치료만할경우에비해전체생존율 [hazard ratio (HR), 0.78; 95% CI, 0.67-0.91], 총진행시간 (total time to progression, HR, 0.56; 95% CI 0.48-0.64), PFS (HR, 0.63; 95% CI 0.53-0.74), 총반응률 (overall response rate, HR, 1.67; 95% CI, 1.46-1.9) 을향상시킴을보고하였다 [19]. 진행성유방암에서와같이, trastuzumab는 HER 2 양성초기유방암에서도효과가있다. 적어도 6개이상의임상시험에서항암화학요법에 trastuzumab를추가할경우, 항암화학요법만하는것에비해질환재발및사망위험도를감소시킴을보여주었다 [20]. 이들임상시험에대한메타분석결과, Yin 등 [20] 은항암화학요법에 trastuzumab를추가할경우, 항암화학요법만하는것에비해유의하게생존율및재발률을향상시킨다고보고하였다 ( 모든종말점에대해 P <0.001). 그러나, 항암화학요법에 trastuzumab를추가할경우에중추신경계재발은더많았는데, 그이유는아마도 trastuzumab치료로생존율이높아진때문이거나, 아니면 HER 2 양성종양은뇌로의전이성향이있는것일수도있다. 동시보조 trastuzumab 및항암화학요법이, 순차적인항암화학요법과 trastuzumab 투여보다이점이있음을시사하는자료도있다 [21]. Trastuzumab가유방암환자대상의최초의항HER 2 치료제로승인이되었으나, 최근 HER 2를표적으로하는다른제제들도나오고있다 [22-30]. 새로운항HER 2 치료제의목록은 Table 1과같은데이중에서단지 lapatinib, pertuzumab, trastuzumab-dm1만이임상적이용에대한승인을받은상태이다. 가용한자료에따르면, trastuzumab처럼, 이약제들이효과를보이기위해서는 HER 2 유전자증폭 / 과발현이있어야한다. 유방암에서 HER 2 확인검사법으로는크게 2가지유형, 즉, 면역화학염색법과형광동소교잡반응검사 (fluorescent in situ hybridization, FISH) 가있다 [11, 31]. 면역화학염색법의장점은낮은비용, 단순성과접근용이성이며, 단점은주관적평가, 표준화의어려움, 경계수준의 (level 2+) 염색정도를보일때추가검사가요구되는점이다 [11]. ER과마찬가지로 HER 2 검사수행에대한구체적인지침이 ASCO/CAP에의해발표된바있으며 [31], 그주요사항은다음과같다 : 1. 면역화학염색법상 HER 2 양성은침윤성종양세포 >30% 에서획일적인강한막염색상을보이거나, FISH 증폭된 [ratio of HER 2 to CEP17 (chromosome 17 centromere) of >2.2] 또는 Table 1. Anti-HER2 drugs in clinical use or undergoing clinical trials Drug Type of molecule Phase of development Trastuzumab Monoclonal antibody In clinical use Lapatinib EGFR/HER2 TKI In clinical use Pertuzumab Monoclonal antibody In clinical use T-DM1 a Antibody drug conjugate In clinical use Neratinib Pan HER inhibitor In clinical trials Afatinib Pan HER inhibitor In clinical trials Dacominitib Pan HER inhibitor In clinical trials a T-DM1, trastuzumab-dm1/trastuzumab emtansine 46 www.labmedonline.org
내부대조표식이없는검사시스템에서 HER 2 유전자 copy 수 >6 signals/nucleus 인경우 2. 결과해석은적어도 20 개이상의세포를기준으로해야한다. 3. 염색이침윤성종양부위에존재함을병리의사가확인검증해 야한다. 4. 조직획득으로부터고정까지걸리는시간을가능한최소화해 햐한다. 5. 검사를위한검체는 6-48 시간동안중성완충포르말린에서 고정시킨다. 6. 절편의절단이만약 6 주이전에이루어졌다면이상적으로는 HER 2 검사에사용하지않아야한다. 7. 임상적용도로서 HER 2 검사를하는검사실은외부정도관리 프로그램에적어도연 2 회이상참여해야한다. 대장암에서항 EGFR 치료를위한동반생물학적표지자로서의 KRAS 돌연변이 (KRAS Mutational Status as a Companion Biomarker for Anti-Epidermal Growth Factor Receptor Therapy in Colorectal Cancer) Cetuximab 와 panitumumab 은진행성직장결장암 (colorectal cancer) 이있는선택된환자들을대상으로사용이승인된단일클 론성항체이다. 이두가지가모두 epidermal growth factor receptor (EGFR) 의세포외부위에결합하기때문에, 원래는이수용체의 농도로치료효과를예측할수있을것으로생각하였다. 그러나, 몇 몇연구들에서면역화학분석법에의해결정된 EGFR 의농도와 항 -EGFR 항체에대한반응성간유의한상관성을찾는데실패하 였다 [32]. 사실은조사했던대부분의직장결장암에서면역반응성 EGFR 이존재함에도불구하고, 단지비선택적인진행성암환자들 중 10-20% 에서만 cetuximab 나 panitumumab 치료효과를보였다 [32]. 게다가어떤환자들은면역반응성 EGFR 이없는데도치료에 반응을보였다 [33]. EGFR 은 epidermal growth factor receptor (EGFR) 유전자에의 해코딩되는데, v-ki-ras2 Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog (KRAS) 단백의신호전달을통해, 성장증식과세포사멸억 제, 침윤증강을매개한다 [32]. EGFR 농도는항 -EGFR 치료효과와 상관성이없지만 [33], 몇몇임상시험을후향적분석한결과, KRAS 단백을코딩하는유전자의특정돌연변이 ( 특히 12 번코돈에서 ) 를 가진환자들에서 cetuximab 나 panitumumab 에거의반응하지않 는것으로나타났다 [32]. 반면, KRAS 정상유전형을가진환자들의 30-40% 에서는이들항체를단독혹은항암화학요법과병합하여 치료하였을때종양퇴화를경험하였다. 이소견들은진행성직장결장암환자들에서항 EGFR 항체치료 반응성과 KRAS 유전자의돌연변이상태간의연관성에대한보고 된연구들을체계적검토및메타분석을통해검증되었다. 고수준 경험적연구에서 Adelstein 등 [34] 은항 EGFR 항체를표준치료에 추가하였을때 KRAS 정상유전형을가진환자들일부에서진행위 험도 (HR, 0.8; 95% CI, 0.64-0.99) 가 20% 감소함을발견하였다. 반 면, 항체와화학요법병합시에, KRAS 의특정활성돌연변이를가 진환자들에서는이득이없었다. KRAS 돌연변이를가진환자들에 서는항 EGFR 항체와화학요법 ( 예로 oxaliplatin/5-fluorouracil 기 반 ) 병합시에, 표준치료만적용한경우에비해오히려해로운것 으로나타났다 [34]. 특정 KRAS 돌연변이와항 EGFR 항체치료효과부재와의상관 성에대한다양한소견들때문에, 몇몇전문가패널에서는진행성 직장결장암환자에서 cetuximab 나 panitumumab 사용전에 KRAS 돌연변이상태를확인할것을권고한다 [35-37]. 특정돌연변 이가없는환자에서만 ( 특히 12 번코돈에서 ) 이들항체를투약하는 대상으로고려해야한다. 그러므로, 진행성직장결장암환자에서 KRAS 돌연변이는항 EGFR 항체치료를결정하는확립된동반생 물학적표지자라고할수있다. 12 번코돈이가장흔히 KRAS 돌연변이가발견되는부위이기는 하지만, 13 번과 61 번코돈에서도돌연변이가발견될수있다. 어떤 보고에서는 12 번코돈돌연변이와는달리, 13 번돌연변이는항 EGFR 항체치료저항성과관련이없다고도하였다 [38]. 그러나, 이 러한소견들은검증이필요하다. 현단계에서는 61 번코돈과치료 반응연관성에대한연구는거의없는상태이다. 직장결장암에서 KRAS 돌연변이를검사하기위한방법으로는 Sanger 염기서열분석, pyrosequencing, 대립형질특이 (allele-specific) PCR, 고해상도용융분석 (high-resolution melting analysis), array/strip 기법등여러가지가있는데 [39], 이방법들의주요장점 및단점은 Shackelford 등 [39] 의논문을참고하기바란다. 그러나, 현재로서는 KRAS 돌연변이검사에있어가장좋은또는권고되는 특정기법이있는것은아니다. KRAS 보고서에는검사에포함된 대상돌연변이목록과사용된특정기법이포함되어야한다. 비소세포성폐암에서 EGFR 타이로신활성효소억제제를위한동반생물학적표지자로서의 EGFR 돌연변이 (Mutational Status as a Companion Biomarker for EGFR Tyrosine Kinase Inhibitors in Non-Small Cell Lung Cancer) 직장결장암에서와마찬가지로진행성비소세포성폐암 (nonsmall cell lung cancer) 환자들을대상으로한항 -EGFR 치료도가 www.labmedonline.org 47
능하다 [40]. 그러나, 항 -EGFR 항체를사용하는직장결장암에서와 는달리, 비소세포성폐암환자에서가장잘검증된치료법은 gefitinib 및 erlotinib 과같은타이로신활성효소억제제 (tyrosine kinase inhibitors, TKIs) 의투여이다. 하지만사전선택된환자군이 아니면 EGFR TKIs 에반응하는경우는드물어서대개 10% 이하 이다. 사전선택된환자군이아니면항 EGFR TKIs 에반응하는경우가 드물지만, 몇몇 3 상임상시험을보면 EGFR 유전자의활성돌연변이 ( 특히 18-21 번엑손에서 ) 를가진환자의약 70% 에서 gefitinib 또는 erlotinib 치료에반응한다고하였다 [40]. 나아가, 활성 EGFR 돌연 변이를가진환자군에서화학요법을했을때에비해이들억제제 를사용했을때무진행생존율이 3-5 개월연장되었다 [40]. 대조적 으로, 활성돌연변이가없는환자군에서는항 EGFR TKIs 치료에거 의반응하지않았다. 이런소견에근거하여, ASCO Provisional Clinical Opinion 에서는 EGFR TKI 를 1 차치료로고려하고있는 비소세포성폐암환자들은 ( 이전에화학요법이나 EGFR TKI 치료를 받은적이없는환자들 ), 해당종양에대한 EGFR 돌연변이검사를 시행해서 EGFR TKI 또는화학요법이 1 차치료법으로적절한지평 가해야한다 고하였다 [41]. EGFR 특정활성돌연변이가 gefitinib 또는 erlotinib 반응성과연 관이있으나, T790M (threonine-to-methionine) 돌연변이는저항 성과관련이있다. 이돌연변이는 gefitinib 또는 erlotinib 에대한저 항성을보이는비소세포성폐암환자들의약 50% 에서발견된다 [42]. T790M 돌연변이는 gefitinib 및 erlotinib 의결합을방해하는 EGFR 단백형태를초래한다. 비가역적 TKI 로알려진차세대 TKIs 가현재 T790M 돌연변이를가진비소세포성폐암환자들대상으 로임상시험진행중이다 [42]. 비소세포성폐암에서의 EGFR 활성돌연변이검사법은크게 2 가 지로나눌수있다. 즉, 모든돌연변이를검색하는방법과, 특정알 려진돌연변이만을대상으로표적분석을하는방법이다 [43]. 직접 염기서열을통한검색방법이널리이용되며잠재적인모든돌연변 이를확인할수있다. 그러나이런방법은시간과노력이많이들고 분석민감도가낮으며, 육안또는미세해부 (macro or microdissection) 을통해종양세포를충분히모을필요가있다. 반면, 표적분석 은빠르고분석민감도가높으나드문변이는놓칠수있다 [43]. 흑색종에서항 BRAF 치료를위한동동반생물학적표지자로서의 BRAF 돌연변이 (BRAF Mutational Status as a Companion Biomarker for Anti-BRAF Therapies in Melanoma) Serine/threonine-protein kinase B-Raf (BRAF) 단백은 RAF kinase 군에속하는것으로 family EGFR-RAS로부터의하위신호전달과정에포함된다. v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1 (BRAF) 유전자에있는돌연변이는피부흑색종의약 50-60% 에서발견된다. BRAF 600번째아미노산부위의 valine이 glutamic acid로치환되는 V600E 돌연변이가약 80% 를차지하고 [44], 좀더빈도가낮은돌연변이로는 V600K (valine to lysine) 과 V600D (valine to aspartate) [44] 가있다. BRAF 돌연변이단백에선택적으로결합하는몇가지억제제가나와있는데, 가장많이임상시험대상이되어온제제는 vemurafenib과 dabrafenib의 2가지이다. 1상확장임상시험에서 V600E 를가진진행성흑색종환자에서 vemurafenib 투여시치료반응률이 26/32 (81%) 이었다고하였다 [45]. 이임상시험에서는 V600E 를가진진행성흑색종환자 675명을 vemurafenib 또는세포독성약제인 dicarbazine 치료군으로무작위배정하였다 [46]. 추적관찰분석결과 6개월 OS가 vemurafenib 치료군에서 84% 였고 dicarbazine 치료군에서 64% 였고, 무진행생존율은각각 5.3개월및 1.6개월이었다. 상기결과에근거하여미국식약청에서 V600E 돌연변이를가진진행성흑색종환자에서 vemurafenib 치료를승인하였다. 동시에미국식약청은 vemurafenib 치료대상이되는진행성흑색종환자를선택하기위한동반생물학적표지자검사인 Cobas 4800 BRAF V600 Mutation Test 를승인하였다. BRAF 돌연변이확인을위한 FDA 승인검사는 1개점돌연변이 (V600E) 만을포함한다. 그러나, 항BRAF 제제에대한민감도와관련있는다른돌연변이도이유전자에서일어날수있다. Menzies 등 [47] 이지적한바와같이, BRAF 돌연변이에대한임상검사는 V600변이를모두확인할수있는성능을가져야한다. V600K 돌연변이가발견되지못할경우 10-15% 의흑색종환자들이항BRAF 치료를받지못하게될것이다 [47]. 향후에는 V600E이외의돌연변이에대한검사도흑색종환자에서항BRAF 제제를평가하는임상시험에포함되어야할것이다. 2차항BRAF 제제인 vemurafenib의승인이후, dabrafenib가 1 상임상시험에서 BRAF 돌연변이양성인진행성흑색종환자 ( 일부뇌전이있는환자포함 ) 에서효과가있다고나타났다 [48]. 이연구에서는 V600E 돌연변이뿐아니라 V600K 돌연변이가있는일부환자에서도 dabrafenib 유발성종양퇴화가나타났다고하였다. 더욱이, BRAF 돌연변이양성인비흑색종환자 ( 유두갑상선암, 위장관기질암, 비소세포성폐암등 ) 들에서도 dabrafenib에대한반응을보였다고하였다 [48]. 48 www.labmedonline.org
비소세포성폐암에서 Crizotinib 를위한동반생물학적표지자인 EML4-ALK 전위 (EML4-ALK Translocationas a Companion marker for Crizotinib in non-small cell lung cancer) Anaplastic lymphoma receptor tyrosine kinase (ALK) 와 echinoderm microtubule associated protein like 4 (EML4) 유전자의 융합은비소세포성폐암환자의 3-7% 에서발견되며, 염색체 2 번에 서의전환 (inversion) 결과이다 [49]. 이융합으로인해 ALK 활성도 가지속적으로활성화되며, 세포증식의증강및세포생존율의감 소를가져오게된다. ALK 전좌가비소세포성폐암증례의 5% 에서 발견되지만, 이양성률은선암병리소견, EGFR 음성종양, 비흡연 자인환자들을선택할경우상승할수있다 [50]. 원래 MET 억제를위해개발된 TKI 인 crizotinib 은 ALK 전위를 가진진행성비소세포성폐암환자에서종양퇴화를유도하고생존 율을향상시키는것으로밝혀졌다 [51, 52]. 이결과들을근거로미 국식약청에서는 EML4-ALK 전위양성인국소진행성또는전이성 비소세포성폐암환자들의치료에있어서 crizotinib 승인을가속화 하였다. 미국식약청에서 crizotinib 반응성이있을것으로보이는 환자들을발굴하기위한예측성표지자검사 (Vysis ALK Break- Apart FISH probe kit) 가동시에승인되었다. 현재 National Comprehensive Cancer Network 지침에따르면 EML4-ALK 전위양성 인비소세포성폐암을위한 crizotinib 치료가권고된다 [42]. ALK 전 위는전체비소세포성폐암사례의 5% 에서만발견되지만, 이생물 학적표지자의측정은 crizotinib 의임상적이용승인과성공적인개 발을위해필수적이라고할수있다. 하지만, 최초의 1 상임상시험 에서 82 명의선택된환자들을발굴하기위해 EML4-ALK 전위에 대한검사를 1,500 명이상의비소세포성폐암환자들에서시행해 야했다 [51]. BRAF 돌연변이양성인흑색종을위한 vemurafenib 평가와함께 ALK 양성비소세포성폐암에서 crizotinib 에대한상기의검증적 접근법은치료제개발과그동반생물학적표지자에대한동시개 발의좋은예시를제공한다. 두가지상황모두에서, 해당생물학 적표지자는 1 단계에서임상시험에포함이되었다. 명백히, 동시개 발을통해전통적인접근법대로약제와생물학적표지자를따로 평가했을때보다더빠른검사와승인이가능하였다. 그러나, 이러 한접근법은, 새로운약제에대한임상검사뿐아니라잘조화된개 발및검증이필요하므로단기적으로비용이많이들수있다. 또 한생물학적표지자측정에대한기술플랫폼의제한을줄수있고, 예측잠재력이성능에못미치는검사가될수도있다. 그리하여, 이전에기술한바와같이, 특히흑색종에서의 V600E 돌연변이측 정은항BRAF 치료에반응할수있는다른돌연변이를가진환자들을놓치게할수도있다. ALK 재배열은비소세포성폐암의약 5% 에서만발견되지만, 다른암종에서도관련유전자재배열들이발견된바있다 [53]. 즉, nucleophosmin (nucleolarphosphoprotein B23, numatrin) (NPM1) 과의 ALK 융합은역형성대세포림프종 (anaplastic large cell lymphomas) 에서, vinculin (VCL) 과의융합은신장수질암 (renal medullary cancer) 에서, tropomyosin 3 (TPM3) 또는 tropomyosin 4 (TPM4) 과의융합은염증성근섬유종양 (inflammatory myofibroblastic tumors) 에서발견되었다 [53]. 또한, 신경아세포종 (neuroblastoma) 과역형성갑상선암 (anaplastic thyroid cancers) 에서는 ALK가과오돌연변이 (missense mutation) 에의해활성화될수있다 [53]. 이러한소견들은 crizotinib와같은 ALK 억제제가몇가지다른암종에서효과적일수있음을시사한다. 비록이들암종에서 crizotinib의효과가아직증명되지는않았지만, ALK 유전자활성상태를통해이러한종양들에서항 ALK 치료효과를예측할수있을지도모른다. 다른생물학적표지자들 (Other Companion Biomarkers) 암치료제에대한다른생물학적표지자또는새로이등장하는생물학적표지자들은 Table 2에정리되어있다. 생물학적표지자의검증 (Validation of Companion Biomarkers) 생물학적표지자후보들이임상적으로사용되기위해서는철저한분석및임상검증을거쳐임상적유용성이확인되어야한다 [59, 60]. 초기검사는세포주나동물모델과같은전임상시스템에서수행된다. 이러한시스템들은인간의암종에대한이상적인모델은아니지만 [61], 시험약의작용기전에대한생물학적식견과, 후보생물학적표지자가치료예측가능성을가지는지의여부를시사하는초기자료를제공한다. 이러한초기단계에서는특히검사간재현성을포함하여후보생물학적표지자검사의분석적예비검증을수행하는것도중요한사항이다 [59, 60, 62]. 임상적검증및임상적유용성증명전임상원리증명 (proof-of-principle) 연구이후, 후보생물학적표지자들은임상시험을통해검증을거치게되어있다. 여기서임상검증이란그지표가해당약제에대한치료예측능력을갖는가하는것이다. 최근에는예측성생물학적표지자후보들을초기임상시험단계에포함시켜해당약제와동시에평가가이루어지도록하는것이널리권장되고있다 [18, 63-66]. 이상적으로는, 2상임상시험완료때까지는예측성생물학적표지자후보들이예비검증 www.labmedonline.org 49
Table 2. Predictive biomarkers currently available for selecting treatment in patients with different cancers Therapy Cancer Biomarker Abnormality Reference Hormone Breast ER, PR a Protein level Jensen et al. (2); McGuire et al. (3); EBCTCG et al. (4) Anti-HER2 (trastuzumab, lapatinib, pertuzumab) Breast ERBB2 Gene amplification or overexpression Harris et al. (19); Yin et al. (20); Untch et al. (26); Baselga et al. (27); Ahn and Vogel (28); Baselga et al. (29); Verma et al. (30); Wolff et al. (31) Anti-EGFR (cetuximab, panitumumab) Colorectal KRAS Mutation Bardelli and Siena (32); Chung et al. (33); Adelstein et al. (34) Anti-EGFR (gefitinib, erlotinib) NSCLC EGFR Mutation Soria et al. (40); Keedy et al. (41) Anti-BRAF (vemurafenib, dabrafenib) Melanoma BRAF Mutation Cantwell-Dorris et al. (44); Flaherty et al. (45); Chapman et al. (46) Anti-ALK (crizitonib) NSCLC EML4-ALK Translocation Kwak et al. (51); Shaw et al. (52) Anti-HER2 (trastuzumab) Gastric ERBB2 Gene amplification or overexpression Bang et al. (54) Imatinib GIST KIT b Mutation Blay et al. (55); Reichardt et al. (56) PARP inhibitors c (olaparib) Breast/ovarian BRC A1/ 2 Mutation Fong et al. (57); Tutt et al. (58) a PR, progesterone receptor; GIST, gastrointestinal stromal tumor; PARP, poly (ADP-ribose) polymerase; b Human genes: KIT, v-kit Hardy-Zuckerman 4 feline sarcoma viral oncogene homolog; BRC A1, breast cancer 1, early onset; BRCA2, breast cancer 2, early onset; c Not currently in clinical use. 을거쳐 3상시험에서는확증적검증에진입할수있다 [59, 63]. 실험적치료약제들과동반생물학적표지자후보들을동시에검증하기위해다양한임상시험디자인이제안되어왔다 [1, 63-67]. 이러한디자인은주로 2가지유형, 즉, 희망자전원 (all-comers) 및강화 (enrichment) 디자인으로나눌수있다 [63, 67]. 희망자전원디자인에서는, 동반생물학적표지자후보가고농도나저농도인환자모두가 2가지중 1가지의치료군에무작위배정되는데, 이는 2가지군에서다른치료효과를확인하기위한목적이다. 이런디자인이고수준의증거를제공하기는하지만, 많은수의환자와재발 / 사망을포함한질환사건을요구한다. 진행성비소세포성폐암환자들이종양에대해 EGFR 돌연변이검사를시행하고나서 erlotinib 또는화학요법으로무작위배정된 EURTAC (European Tarcevavs Chemotherapy) 임상시험은이런디자인의예가되겠다 [68]. 생물학적표지자가임상시험의주요목적이고, 적절한검증력을가진전향적무작위임상시험이예측성생물학적표지자검증에있어서최선의표준방법이지만 [63, 67], 이런임상시험은시간과비용이많이든다. 검증에걸리는시간과비용을절약하기위해서는이전에완료된희망자전원전략을통해수행된무작위약제임상시험에대한후향적인분석을하는방법이대안으로제시되기도하였다 [69]. 하지만, 이접근방식을이용한검증은상세하고전향적인방식으로계획되어야만한다 [69]. 기술적으로검증된특정한생물학적표지자검사법이사용되고, 분석은표준작업지침에따라수행되어야한다. 나아가, 생물학적표지자의저농도및고농도환자군구분을위해사전결정된결정수치 (cutoff point) 가확립되어있어야한다. 또한, 적절한전향적임상시험을통해충분한수의환자로부터얻은적합한질수준의보관된가용한조직이있어야한다. 이는통계학적검증력을얻기위해서, 그리고연구에포함된환자들이임상시험에포함되었던환자들에대한대표성을갖기위해필요한사항이다. 마지막으로, 보관검체들로부터얻은결과는다 른유사임상시험으로부터얻은검체들에서도검증이되어야한다 [69]. 전향적-후향적검증의예로는진행성대장암환자에서항 EGFR 항체의저항성예측을위한동반생물학적표지자B로서 KRAS 돌연변이를확인하였던연구가있었다. 희망자전원접근법과는달리, 강화디자인의임상시험에서는생물학적표지자양성인질환환자만을포함하게된다. 강화디자인임상시험은, 후보표지자의생물학적측면이잘알려져있고, 분석적으로검증이완료된검사법이있으며, 예측가능성을시사하는전임상및초기임상자료가있을경우에적합하다 [63]. 이런형태의디자인은희망자전원접근법보다더빨리약제및그동반생물학적표지자를동시개발할수있는잠재력을갖고있다. 강화디자인전략을이용한임상시험으로는 HER 2 양성유방암환자들을대상으로한 trastuzumab, BRAF 양성흑색종환자들을대상으로한항 BRAF 제제, ALK 양성비소세포성폐암환자들을대상으로한 crizotinib 평가등이있었다. 강화디자인은임상적이득을볼가능성이있는환자들, 즉, 해당생물학적표지자에양성인환자들을발굴하는데도움을주지만, 생물학적표지자음성집단에대한예측성정보를제공하지는못한다. 따라서, 이런형태의임상시험에서는잠재적인약물반응군을놓칠수도있지않은가하는의문이남게된다 [65]. 예를들면, 전임상연구에서는 ERBB2 유전자증폭 / 과발현이 trastuzumab 반응에필요한것으로나왔지만, 임상시험들에대한계획되지않은후향적분석을수행해보니일부 ERBB2음성환자들에서이단일클론항체사용의효과가있었을지도모른다는사실을시사하는결과가나왔다 [70, 71]. 이러한예비결과로볼때, trastuzumab를 HER 2 음성환자들치료에권고하려면그전에반드시전향적검증이필요할것이다. 50 www.labmedonline.org
생물학적표지자검사법의분석적검증 (Analytical Validation of Biomarker Assays) 임상적사용전에임상적검증과더불어, 동반생물학적표지자검사에대한검사내및검사간재현성, 정확도, 분석특이도및민감도를포함한분석적검증이필요하다 [72]. 분석적검증은임상시험수행전에완료되어야하며, 그검사법이임상시험수행기간중이용되기에충분히안정적인지확인되어야만한다 [59]. 임상적으로사용될생물학적표지자에대한또다른중요한요구사항은표준화된검사법과그측정법에대한상세한지침이다. 이러한지침에는분석전 ( 검체취급및보관 ), 분석중 ( 양성및음성대조물질, 정도관리검체 ), 그리고분석후 ( 검사결과의보고및해석 ) 기준에대한권고사항이포함되어야한다. 유방암에서의현재 ER이나 HER 2 에대해서는지침이이미나와있지만 [12, 31], 대장암에서의 KRAS 및비소세포성폐암에서의 EGFR 돌연변이등다른동반생물학적표지자에대해서는앞으로마련되어야한다. 이런검사들을임상적목적으로수행하고자하는검사실에서는정기적인내부정도관리의수행, 검사허용및거부기준의확립, 외부정도관리프로그램참여, 적절한기관 ( 미국의경우 CLIA) 으로부터의인증획득이필수적이다. 외부정도관리프로그램은검사실간의변이평가뿐만아니라결과의임상적해석까지도포함하여야한다. 끝으로, 기술및임상에대한감사를수행하여검사가기대되는수준으로잘수행되고있는지확인하는것이바람직하겠다 [73]. 결론최근수년간종양분야에서예측성동반생물학적표지자개발에대한눈부신발전이있었다. 그러나대부분의동반생물학적표지자가특정돌연변이를가진유전자나특정단백질과같은단일성분들이다. 향후에는이러한단일성분검사들이유전자발현프로파일이나돌연변이유전자들의패널, 엑솜이나전장유전체염기서열분석등과같은다중성분검사들로대치될것이다. 이러한기술들을임상적으로적용하려면주요한논리적인난관들이있을것이다. 이를테면고난이기술을요하는검사들을시기적절하게일상적으로수행해야하는것이라든가, 내부및외부정도관리프로그램의수립, 초기수립단계에서의상대적으로높은비용, 임상적검증, 규범, 상환, 자료의보고및보관문제등이다 [74]. 이러한난관들을극복한다면궁극적으로많은암환자들에대한맞춤치료의접근성을높일수있을것이다. 요약배경 : 동반생물학적표지자 (Companion biomarker) 는특정치료 제와의조합으로이용되어반응성또는심한독성가능성을미리예측할수있도록도와주는것이다. 이논문에서는암환자에서치료의방향을제시하는데있어서의동반생물학적표지자의역할이검토될것이다. 내용 : 유방암에서의에스트로젠수용체나 HER 2 (human epidermal growth factor receptor 2) 와같은이미확립된동반생물학적표지자들뿐아니라, 최근수년간새로운몇몇동반생물학적표지자들이등장하였다. 이들은항-상피세포성장인자수용체항체 (antiepidermal growth factor receptor antibodies; cetuximab 또는 panitumumab) 치료효과를보일것으로예상되는진행성대장암환자들을선택하기위한 v-ki-ras2 Kirsten rat sarcoma viral oncogene homolog (KRAS) 돌연변이, 진행성비소세포성폐암 (non small cell lung cancer, 비소세포성폐암 ) 환자들중타이로신활성효소억제제 (tyrosine kinase inhibitors; gefitinib 또는 erlotinib) 치료적용대상을선택하기위한 epidermal growth factor receptor (EGFR) 돌연변이, 항BRAF 제제 (vemurafenib and dabrafenib) 치료대상이될수있는진행성흑색종환자의선별을위한 v-raf murine sarcoma viral oncogene homolog B1 (BRAF) 돌연변이, 그리고 crizotinib에치료효과가있을것으로보이는비소세포성폐암환자들을찾아내기위한 anaplastic lymphoma receptor tyrosine kinase (ALK) 전위등이다. 요약 : 동반생물학적표지자의활용은약제의효과향상, 독성감소를가져올것이며, 암치료에대한보다개인별최적화된접근을가능하게할것이다. REFERENCES 1. Khleif SN, Doroshow JH, Hait WN. AACR-FDA-NCI Cancer Biomarkers Collaborative consensus report: advancing the use of biomarkers in cancer drug development. Clin Cancer Res 2010;16:3299-318. 2. Jensen EV, Block GE, Smith S, Kyser K, DeSombre ER. Estrogen receptors and breast cancer response to adrenalectomy. Natl Cancer Inst Monogr 1971;34:55-70. 3. McGuire WL, Carbone PP, Sears ME, Escher GC. Estrogen receptors in human breast cancer: an overview. In: McGuire WL, Carbone PP, et al., eds. Estrogen receptors in human breast cancer. New York: Raven Press, 1975:1-8. 4. Early Breast Cancer Trialists Collaborative Group (EBCTCG), Davies C, Godwin J, Gray R, Clarke M, Cutter D, Darby S, et al., Relevance of breast cancer hormone receptors and other factors to the efficacy of adjuvant tamoxifen: patient-level meta-analysis of randomised trials. Lancet. 2011;378(9793):771-84. www.labmedonline.org 51
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