표적치료제의모든것소분자키나제억제제 (1) 저자최병철 약학정보원학술자문위원 머리말 소분자키나제억제제 (small molecule kinase inhibitor) 는신호전달경로 (signal transduction pathway) 를표적으로하므로넓은의미로는신호전달경로억제제라고한다. 소분자키나제억제제는모두경구제로서, 2001년최초로승인된 BCR-Abl 티로신키나제억제제 (tyrosine kinase inhibitor) 인 imatinib ( 글리벡, Gleevec R ) 이만성골수성백혈병환자에게탁월한임상효과를보이면서시작되었다. 이어 2003년암세포성장에필요한상피성장인자수용체 (epidermal growth factor receptor, EGFR) 의티로신키나제억제제인 gefitinib ( 이레사, Iressa R ) 이비소세포폐암에승인되었다. 그후계속적으로개발되면서현재약 30여종의약제가임상에서주로항암제로사용되고있다. 소분자 (small molecule) 란무엇인가? 소분자는분자량이 900 daltons 이하 ( 임상적으로는 600 daltons 이하 ) 인유기화합물로서세포막을쉽게통과하여세포내작용부위에도달할수있다. 약리적으로소분자는생물학적표적 ( 단백질또는핵산등 ) 과결합하여세포신호전달 (cell signaling) 등표적의활동또는기능을변화시키는 effector ( 작용인자 ) 로서의역할이가능하다. Kinase ( 인산화효소 ) 란무엇인가? Kinase는 ATP와같은고에너지분자의인산화반응 (phosphorylation) 을촉매하는인산전달효소 (phosphotransferase) 로, phosphorylase ( 인산기를추가하는반응을매개하는가인산분해효소 ) 와 phosphatase ( 인산기를제거하는반응을매개하는인산가수분해효소 ) 의역할을한다. 단백질, 지질또는탄수화물은인산화과정에따라활성, 반응성또는다른분자와의결합능력등이달라진다. 따라서 kinase는물질대사, 세포간신호전달, 단백질조절, 세포수송, 분비및그밖에수많은세포반응경로에매우중요한역할을하는데, kinase의대부분은 protein kinase ( 단백질인산화효소 ) 이다.
2/16 Protein kinase ( 단백질인산화효소 ) Protein kinase는단백질의인산화를통하여단백질의다양한기능적변화를일으킨다. 예를들어단백질의활성을증가또는감소시키고, 안정화또는분해시키기도하며, 특정한세포구획에위치시키기도하고, 다른단백질과의상호작용을개시또는교란시킬수도있다. 인간유전자에는 500여종의 protein kinase가있는데, 이는전체유전자의약 2% 에해당한다. 이러한 kinase는전체인간단백질의 30% 이상을변화시키고, 세포내신호전달경로 (intracellular signal transduction pathway) 에핵심적으로관여한다. Protein Kinase ( 출처 : www.wikipedia.org) Tyrosine kinase (TyK, 티로신키나제 ) Protein kinase의한종류인 tyrosine kinase는세포내 ATP로부터한개의인산기를 tyrosine에전달하여세포기능을 on 또는 off 한다. 즉, 한개의인산기가 tyrosine과결합하는것을단백질의인산화라하는데, 이는세포내신호전달과세포활동을조절하여정상세포의성장등에중요한역할을한다. 하지만과도한 tyrosine kinase 활성은암및자가면역질환등을일으킨다. Receptor tyrosine kinase (RTK) 란무엇인가? 인체는외부에서자극이발생하면세포막에있는수용체를통해이를인지한다. 이수용체는크게세포밖에노출된세포외부분, 세포막통과부분그리고세포내부분이있는데이를모두합쳐수용체티로신키나제 (receptor tyrosine kinase, RTK) 라한다. RTK의세포외부분은특정 ligand가결합하는부분이며, 세포내부분은 ligand에의하여활성화된신호를세포내로전달하는기능을한다. RTK에는 EGFR, VEGFR, PDGFR 등이있다. 대부분의악성종양은이러한세포의정상적인신호전달체계가유지되지못하고과활성화되는상황을맞이하면서발생하게되는데, 이러한상황은몇가지과정에의해유발된다. 첫번째는수용체자체나혹은수용체에결합하는 ligand의과발현이다. 두번째는 RTK 염기서열의돌연변이 (mutation) 이다. 이는 ligand-수용체결합이이루어지지않더라도자체적인활성
3/16 으로세포내성장신호가전달되는결과를초래한다. 세번째는 tyrosine kinase 가세포의다양한기능을담 당하는최종단백질과의관계에서비정상적인활성을유발하는것이다. Receptor Tyrosine Kinase ( 출처 : www.mdpi.com) 또한 non-receptor tyrosine kinase (nrtk) 는세포질내에서인산화과정을촉매하는효소로서 ATP 를단백 질의 tyrosine 잔기 (residue) 로이동시킨다. nrtk 는세포내기능을 on 또는 off 하는작용을하면서세포 의성장, 증식, 분화, 부착, 이주, 세포사멸 (apoptosis) 등세포내기능을조절한다. RTK and nrtk ( 출처 : www.mdpi.com)
4/16 RTK 에는어떤종류가있는가? 상피성장인자수용체 (epidermal growth factor receptor, EGFR) EGFR은 RTK 중가장먼저밝혀진성장인자수용체로서상피세포의표면에발현되는데, 세포주기조절분자계열 (class) 인단백질 tyrosine kinase의성장인자수용체군 (family) 에속한다. EGFR은 HER (human epidermal growth factor receptor)-1, HER-2, HER-3, HER-4 등네가지가있다. EGFR의세포외 domain에 ligand가결합하게되면 tyrosine kinase의활성과정을거친후, 세포내로세포성장신호가전달되어이에따라암세포의생존이나증식, 전이가일어난다. EGFR은 EGF나 TGF 등의 ligand와결합하면 homo 또는 heterodimerization이되어그하위의신호전달체계를활성화시키며, PI3K-AKT-mTOR 경로및 RAS-RAF-MEK-MAPK 경로를통해세포증식, 세포생존, 혈관신생및전이등이활성화된다. EGFR Activation ( 츨처 : www.nature.com) 따라서암세포의표면에 EGFR이발현되면암세포의성장과분화등생존에관여하는데, 간세포암의경우암조직중 66% 에서 EGFR이과발현된다. 이외에여러고형암에서도동일수용체의발현증가가보고되었다. 또한 EGFR은비소세포폐암 (NSCLC, non small cell lung carcinoma) 의약 50~80% 에서과발현되며, 과발현이있는경우예후가불량하다. EGFR-TKI (tyrosine kinase inhibitor) 는 EGFR intracellular domain의 tyrosine kinase에선택적으로결합하여 ATP가결합하는것을억제함으로써하위신호경로를차단한다. 해당약제로 gefitinib, erlotinib,
5/16 afatinib 등이있다. 혈관내피성장인자수용체 (vascular endothelial growth factor receptor, VEGFR) VEGF에는 6가지의아형 (VEGF-A, -B, -C, -D, -E, and -F) 이밝혀져있고, 각각의아형과반응하는수용체는 3가지 (VEGF-1, -2, -3) 가존재한다고알려져있다. VEGF-A는 VEGFR-1, -2를통해서신호전달체계를활성화시키는데, 이는혈관내피세포의증식, 이동, 생존을촉진시킨다. 또한 VEGF-C와 D는 VEGFR-2, VEGFR-3와결합하여신생림프관및혈관형성을유도한다. 그리고 VEGF는대장암에서높게나타나는데, 이중 VEGF-A는다른아형에비해특히더높게나타나며, 이렇게높은 VEGF-A는대장암의침윤성이나진행정도에큰영향을미친다. 이에최근에는재발성또는 4기결장직장암환자에서항암치료와더불어 VEGF 의억제를목적으로하는표적치료가사용되고있으며생존율의향상도보고되고있다. VEGF는신생혈관형성에가장중요한역할을하는데 VEGF 이외에도 FGF, PDGF, PIGF (placental growth factor) 등도관련된다. VEGF의신호전달경로도 EGFR 경로와비슷하게 PI3K-AKT-mTOR 경로및 RAS-RAF-MEK-MAPK 경로를통해일어난다. VEGF and Tumor Angiogenesis ( 출처 : www.jtd.amegroups.com)
6/16 신호전달 (signal transduction) 이란무엇인가? 일반적으로, 세포들간의정보교환은외부인자 ( 성장인자, 신경전달물질, 호르몬등 ) 의신호가세포막에존재하는수용체에인식되면서세포내로전달되고다양한경로를통해신호가핵내로전달된다. 이로인해세포막의투과성, 운반성또는전기적상태와세포의대사, 분비, 증식, 분화, 수축작용등이일어난다. 인체성장인자 (growth factor, 예 : EGF, VEGF, PDGF, FGF 등 ) 의경우, 외부성장인자가 RTK (EGFR, VEGFR, PDGFR, FGFR 등 ) 와결합하여활성화되면정상세포의성장과분화에중요한역할을한다. 그러나어떤상황에서는 tyrosine kinase가돌연변이되거나과발현되어조절기능이저하되면무한성장하는암을유발할수있다. 외부의신호분자 (ligand) 인성장인자가 RTK의세포외부분에있는수용체에결합하여세포질 (cytoplasm) 내 RTK의 tyrosine kinase가활성화되면, 이중체 (dimer) 상에서서로의 tyrosine을인산화시킨다. 이와같은 tyrosine의인산화과정은세포외의자극에대한신호를세포내로전달하는가장중요한과정이된다. Signaling Transduction ( 출처 : www.quizlet.com)
7/16 신호전달경로 (signal transduction pathway) 란무엇인가? 신호전달경로는궁극적으로신호를핵내로전달하여세포의증식 (proliferation), 분화 (differentiation), 이주 (migration), 생존 (survival), 부착 (adhesion) 및대사 (metabolism) 를돕기위함이다. 신호전달경로는세포내부의매우다양한신호전달체계와서로연결되어상호작용하기때문에단순하게효소나단백질의작용과는다르다. 주요신호전달경로는 JAK/STAT 경로, MAPK/ERK 경로등이있는데, JAK/STAT 경로는 protein-tyrosine kinase와전사인자사이를직접연결시켜 protein-tyrosine 인산화는전사인자의위치와기능에영향을준다. 반면 MAPK/ERK 경로는세포표면과핵사이를간접적으로연결해주며, 최종적으로 protein-kinase 연쇄반응에의하여핵에서전사인자의인산화가일어나도록한다. Signaling Transduction Pathway ( 출처 : www.nature.com) 주요신호전달경로 (signal transduction pathway) 란무엇인가? JAK/STAT 경로 JAK/STAT 경로의핵심인자는 STAT (signal transducer and activator of transcription) 단백질인데, SH2 (Src homology 2) 도메인을갖는전사인자의일종이다. JAK (Janus kinase) 수용체는이량체 (dimer) 로되어있는데, 평상시 ligand가없을때는서로떨어져있다
8/16 가외부의 cytokine 등과같은 ligand가결합하게되면이량체가서로붙게된다. JAK가활성화되면이를인식하여 STAT 단백질이유도되고마찬가지로인산화된다. 인산화된 STAT은이량체를형성하고핵으로이동할수있게되는데, 핵으로이동한 STAT은 DNA에결합하여전사를조절한다. JAK/STAT 경로는종종 SOCS (suppressor of cytokine signaling) 나 PTP (protein tyrosine phosphatase) 와같은억제인자들에의해조절되며, 극단적인경우는 ubiquitin (Ub) 에의해 JAK가분해되어버리기도한다. 특히이중에서 PTP는상당히광범위한억제효과를갖고있어서 JAK 말고도 STAT의활성역시억제할수있다. JAK/STAT Pathway ( 출처 : www.nature.com) MAPK/ERK 경로 MAPK/ERK 경로는 JAK/STAT 경로와마찬가지로평소에는 ligand가서로떨어져있다가수용체에 ligand가결합하면이량체를형성하는데, 이량체가형성되면수용체의세포내부 domain이인산화된다. 그러면 GRB2 (growth factor receptor-bound protein 2), SOS (son of sevenless) 와같은단백질들이이것을인식하여 RAS와상호작용을하게되는데, 이과정에서 RAS는 GTP (guanosine triphosphate) 를소모하며활성화된다. 활성화된 RAS는 RAF (rapidly accelerated fibrosarcoma) 및 MAPK (mitogen activated protein kinase) 단백질들을단계적으로활성화시켜최종적으로 ERK (extracellular signal regulated kinase) 단백질을활성화 ( 인산화 ) 함으로써핵내부로진입할수있게한다. 핵내부로들어간 ERK는전사조절인자로작용할수있다. 그러나이러한세포내신호조절기전외에도다른요인에의해전사조절인자가조절될수있다. 이
9/16 경로는세포의증식, 생존및분화등성장발달과큰관계를보이며암발생과도연관되는것으로알려져 있다. MAPK/ERK Pathway ( 출처 : www.nature.com) PI3K/AKT/mTOR 경로성장인자가세포표면에발현된다양한수용체와결합한후세포내부의 tyrosine kinase가활성화되어발생한신호 PI3K (phosphoinositide 3-kinase) 가효소를활성화함으로써세포내로신호가전달된다. 전달된신호에의해세포막으로소집되어활성화된 PI3K는 Akt (protein kinase B), mtor (mammalian target of rapamycin) 를순차적으로활성화시키며, 암세포의증식, 분화, 생존, 이동및대사에관여하는단백질의조절을담당한다. PI3K/AKT/mTOR Pathway ( 출처 : www.nature.com)
10/16 소분자키나제억제제는무엇인가? 암세포의성장, 분화및생존에있어신호전달경로의활성화가중요한역할을하는데, 이경로를활성화시키는중요한매개효소들로는티로신키나제 (tyrosine kinase), 프로테인키나제 C (protein kinase C) 및 Farnesyl transferase 등이있으며, 이러한효소들의활성을억제하는표적치료제들이개발되어사용되고있다. 티로신키나제억제제 (tyrosine kinase inhibitor, TKI) 암세포의성장에는세포표면에존재하는성장인자수용체가매우중요한역할을하는것으로알려져있는데, 성장인자가암세포표면의수용체에결합하면수용체가활성화되면서세포내부의신호전달체계를활성화시켜종양이성장하고침습하며전이를일으킨다. 표적치료제의일종인신호전달경로억제제는성장인자가수용체에결합하는것을방해하거나수용체의활성화를차단함으로써암세포의성장과진행을억제한다. Tyrosine Kinase Inhibitor ( 출처 : www.keyword-suggestions.com) Tyrosine kinase는세포외 ligand가세포질로부터핵으로중요한정보를운반하는신호전달경로의중요한요소이다. EGFR이 tyrosin kinase의군에속하는대표적성장인자인데, 이수용체가비정상적으로활성화되면많은종류의암이유발된다. 따라서 tyrosine kinase를차단하면항암제로서작용할수있게된다. 최초의 tyrosine kinase 억제제인 imatinib ( 제품명 : 글리벡, Gleevec ) 은 BCR-Abl tyrosine kinase의 ATP 결합부위에경쟁적으로결합하여이후의신호전달체계를인산화시켜서신호가전달되는것을막음으로써 BCR-Abl의 tyrosine kinase로서의역할을차단하여항암효과를나타낸다.
11/16 다중표적키나제억제제 (multiple-targeted kinase inhibitor) 키나제억제제는잠재적인내성기전, 약동학적선택성, 종양환경에따라장점과단점을가지고있다. 대개암은여러신호전달에의해발생하므로다중표적키나제억제제로다양한표적을억제하는것이임상적으로효과적일수있고, 약제내성에대해서도단일에비해적을수있다. 그러나다중키나제억제제는다양한경로를차단하므로선택성이떨어질수있다. Single-targeted TKI and Multiple-targeted TKI 혈관신생억제제 (angiogenesis inhibitor) 는무엇인가? 혈관신생 (angiogenesis) 혈관신생은기존의미세혈관으로부터새로운모세혈관이형성되는과정으로, 정상적으로는배아의발달 (embryonic development) 시, 상처의치유, 주기적인여성의생식기계통의변화때만일어나며그외의정상적인조건에서는거의일어나지않는다. 그러나혈관신생이자율적으로조절되지못하고병적으로계속성장하게되면여러질환을일으킨다. 혈관신생에관련된질환으로는혈관종, 혈관섬유종, 혈관기형및심혈관질환인동맥경화, 혈관유착, 부종성경화증이있고혈관신생에의한안과질환으로는각막이식성혈관신생, 혈관신생성녹내장, 당뇨병성망막증, 신생혈관에의한각막질환, 반점의변성, 익상편, 망막변성, 후수정체섬유증식증, 과립성결막염등이있으며, 관절염과같은만성염증성질환, 건선, 모세관확장증, 화농성육아종, 지루성피부염, 여드름과같은피부과질환이있으며, 암세포의성장과전이는반드시혈관신생에의존한다.
12/16 혈관신생질환 Ÿ암암의혈관신생은고형암을향하여기존의혈관들로부터모세혈관이뻗어나가는과정을통하여일어나며, 이를전자현미경으로관찰하면일정한패턴을볼수있다. 암으로부터의혈관신생자극에대한반응으로기존의혈관, 특히모세혈관후의세정맥주위기저막이분해되고, 그다음은혈관내피세포가혈관으로부터나와암을향해이동한다. 이때뒤에따르는세포는 DNA 합성과세포분화를하여일단미성숙한새로운혈관이연장되면가지를만들고혈관의계제 (loop) 를형성하면서관형성의과정을거쳐완전한혈관조직망을형성한다. 마지막으로모세혈관이기저막또는혈관주위세포층에의해둘러싸여져서성숙한모세혈관상을형성한다. 혈관신생은종양에두가지중요한역할을하는데, 첫째는일차종양과전이된이차종양의성장및증식에필요한영양과산소를공급하는것이고, 둘째는종양까지침투한신생모세혈관들이전이하는암세포가혈액순환계로들어갈수있는기회를주어암세포가온몸에퍼져전이 (metastasis) 가되게한다. Angiogenesis ( 출처 : www.nature.com) Ÿ 안과질환 노인성황반변성 (macular degeneration), 당뇨병성망막증 (diabetic retinopathy), 조숙아의망막증, 신생
13/16 혈관성녹내장등은주로혈관신생이원인이된다. 그중당뇨병성망막증은당뇨병의합병증으로망막에있는모세혈관이초자체를침습하여결국실명이되는데, 눈은혈관이가장없는조직이어서, 혈관이성장하게된다. 혈관신생에의한안과질환은혈관증식을막지못할때재발하므로혈관신생을막아야근본적인치료를할수있다. 혈관신생을억제할수있는방법첫째, 특정한혈관신생촉진인자의활성을감소시키는방법이다. VEGF는강력한혈관신생촉진인자이며, 여러가지암세포에서발현이증가된다. 둘째, 혈관내피세포의성장억제또는세포사멸을유도하는방법이다. 암조직은저산소증이나산도의감소등으로인해세포사멸이일어날수있는환경이쉽게만들어지기때문에내피세포생존인자 (survival factor) 가필요하다. 현재알려진생존인자는내피세포를안정화시키는 pericytes, 세포-세포간결합에관여하는 integrin, 혹은 VEGF, Ang-1 등이있다. 셋째, 혈관신생촉진인자나내피세포생존인자들을조절하는간접인자들이있는데, 이들의작용을억제하는방법이다. 예를들어, VEGF는 EGF, IGF 등으로발현이증가되기때문에이들의작용억제를통해 VEGF 발현을억제할수있다. 넷째, 체내에존재하는혈관신생억제제인 angiostatin, endostatin, thrombospondin, interferon 등의활성을증가시키는방법이다. 전이 (metastasis) 전이란암세포가일차종양괴로부터분리되어해부학적으로먼곳에있는조직이나장기에착상하여성장하는현상이다. 현재임상에서는암의치료성적을향상시키기위하여화학요법이나면역요법들을이용하고있는데, 이러한치료방법이일부암에서어느정도효과를거두고는있지만암환자의생존율을높이는데기여하지못하고있는것은바로암의전이때문이다. 암환자사망의주원인은전이이며, 혈관신생에의해암조직까지침투한혈관을따라전이가일어나므로혈관신생은암의성장과전이에필수적이다. 따라서혈관신생을억제하면전이를막을수있다. 혈관내피세포성장인자 (vascular endothelial growth factor, VEGF) 억제제 VEGF는혈관내피세포표면에있는 VEGF 수용체에결합하면서 tyrosine kinase를활성화시켜혈관신생을유도함으로써암세포의성장및전이에중요한역할을한다. 그러므로 VEGF 억제제는혈관신생을차단하여각종암과황반변성등에사용하고있다. 현재재조합항체의약품으로서항암제 bevacizumab이있고, 황반변성치료제 ranibizumab과 aflibercept 등이있으며 kinase inhibitor로서 sunitinib, sorafenib 등이있다.
14/16 Angiogenesis Inhibitor ( 출처 : www.nature.com) 국내에는어떤소분자키나제억제제가있는가? 티로신키나제억제제는분류하면크게단일표적키나제와다중표적키나제억제로분류할수있고다시 표적에따라자세히분류할수있다. < 국내소분자키나제억제제현황 > 분류 표적 성분명 제품명 제조사 주요적응증 만성골수성백혈병, 단일 Bcr-Abl Imatinib 글리벡정노바티스 장관기질종양 (GIST), 위 재발성또는전이성 융기성피부섬유육종 Nilotinib 타시그나캡슐 노바티스 만성골수성백혈병 Radotinib 슈펙트캡슐 대웅 ( 일양 ) 만성골수성백혈병 EGFR Gefitinib 이레사정 아스트라제네카 비소세포폐암 EGFR(Erb1) Erlotinib 타쎄바정로슈비소세포폐암, 췌장암 EGFR(Erb family) Afatinib 지오트립정베링거인겔하임비소세포폐암 EGFR T790M Olmutinib 올리타정 한미약품 비소세포폐암 돌연변이 Osimertinib 타그리소 아스트라제네카 비소세포폐암 ALK Ceritinib 자이카디아캡슐 노바티스 비소세포폐암 EGFR(Erb1/Erb2) Lapatinib 타이커브정 노바티스 유방암
15/16 다중 JAK 1, 2 Ruxolitinib 자카비정 노바티스 골수섬유화증 JAK Tofacitinib 젤잔즈정 화이자 류마티스관절염 BRAF serine-threonine kinase PDGFR(α, β), VEGFR1(1, 2, 3), KIT, FLT3, CSF-1R), RET Raf kinase(c-raf, mutant B-Raf, wild type B-Raf), VEGFR-2, VEGFR-3, PDGFR-B, Flt3, Vemurafenib 젤보라프정로슈흑색종 Sunitinib 수텐캡슐화이자 위장관기저종양, 진행 성신세포암 Sorafenib 넥사바정바이엘신세포암, 간세포성암 c-kit, p38-alpha) VEGFR 1, 2, 3 Axitinib 인라이타정 화이자 신세포암 VEGF, RET, BRK, TIE2, EPH kinase receptor, SRC kinase receptor Vandetanib 카프렐사정아스트라제네카갑상선수질암 BCR-ABL, SRC Dasatinib 스프라이셀정 비엠에스 만성골수성백혈병, 급성림프구성백혈병 RTK, ALK, HGFR, 잴코리캡슐 c-met, d origine Crizotinib 화이자비소세포폐암 nantais receptor VEGFR(1, 2, 3)/PDGFR(α, β), FGFR (1, 3), Kit Itk, Lck, c-fms Pazopanib 보트리엔트정 노바티스 신세포암 VEGFR 1-3, KIT, PDGFR(α, β), RET, FGFR, TIE2, DDR2, Trk2A, Eph2A, RAF-1, BRAF, SAPK2, PTK5, Abl Regorafenib 스티바가정바이엘 직장결장암, 위장관기 질종양 기 타 mtor 써티칸 ( 장기이식거부반써티칸정, 아피 Everolimus 노바티스응 ), 아피니토 ( 유방암, 니토정신세포암등 ) Sirolimus 라파뮨정화이자장기이식거부반응 Temsirolimus 토리셀주 화이자 신세포암 Proteasome Bortezomib 벨케이드주 얀센 다발성골수종, 외투세포림프종 Histone Deacetylase Vorinostat 졸린자캡슐 엠에스디 피부 T세포림프종
16/16 참고자료 식약처허가사항항체의약품개발기술동향 ( 식약처 ) 2015 항체의약품개발동향보고서 ( 식약처 ) 2013 치료용항체의개발동향, KSBMB NEWS 6월호기타인터넷자료