SESSION Ⅳ THE KOREAN JOURNAL OF PANCREAS AND BILIARY TRACT Drug-eluting stent for pancreatobiliary cancer 이돈행 정석 인하대학교의학전문대학원내과학교실 서론 췌장및담도암은대부분황달을일으키며담즙정체로인한담관염, 간농양, 간부전과같은합병증이발생할수있어담즙배액이필수적인데내시경또는방사선중재적스텐트삽입술은일차적인치료법으로인정받고있다. 자가팽창형금속스텐트 (self-expandable metallic stents, SEMS) 는비록생존율에는큰차이가없지만플라스틱스텐트에비해개통율은우수한걸로보고되고있다. 1,2 협착을완화시키기위하여사용하는금속스텐트는혈관, 식도, 담관, 요도, 기도등거의모든기관에적용되고있으며국외에서는주로혈관스텐트위주로개발하고있으며관상동맥에이용하는스텐트만해도수십종류에달한다. 기존의스텐트에약물을코팅하여약물이서서히방출되어그국소효과를보는국소약물전달 (local drug delivery) 개념인약물방출스텐트 (drug eluting stent, DES) 가개발된이후혈관스텐트에서는 DES가주된스텐트로사용되고있으며국소약물효과를극대화하기위한다양한코팅기술이개발되고있다. 3 그러나소화관을포함한비혈관계스텐트에서는 DES에대한연구개발이거의없는실정이다. 심혈관계스텐트의경우단순금속재질의스텐트 (bare metal stent) 에서파크리탁셀 (paclitaxel), 시롤리무스 (sirolimus) 등이불활성고분자에코팅된약물방출스텐트로최근에는생분해성스텐트로발전하고있다. 선택되는약물또한기존에 re-stenosis 를억제하기위한세포분화억제제로부터혈전생성을억제하거나내피생성으로촉진하는단백질약물등으로그적용범위를넓히고있다. 하지만이기술분야는기존의다국적제약사 ( 보스턴사이언 티픽, 존슨앤존슨, 애보트등 ) 가원천기술및시장을장악하고있어한국의의료기기업체가참여할여지는매우좁은상황이다. 그러나담도와같은비혈관계스텐트 (nonvascular stent) 는국내기업이상당한기술경쟁력을가지고있다. 본글에서는 DES의개념및약물코팅원리에대해알아보고악성담관협착에서의국소치료를위한 DES개발의필요성, 지금까지의기초및예비임상연구결과에대해소개하고자한다. 본론 1. Drug-eluting stent(des) 란 DES는대개기존의 bare 또는피막형 metal stent 를 platform 으로, 약물을코팅하여약물방출을제어하는 polymer, 와 polymer에부착하는약물로구성되어있다. 다음은임상에서사용중인 DES의약물과 polymer 들이다 (Fig. 1). 1) Techniques for drug-coating and release kinetics 4 스텐트에약물을담재하는기술은크게다음의세가지로구분할수있다. 1) 약물을금속스텐트에직접부착하는방법 2) 다공성 (porous) 의금속스텐트의다공 (pores) 에약물을로딩하는방법 3) 스텐트코팅하는 polymer에약물을 incorporation하는방법코팅된약물이방출되는정도는약물이스텐트에로딩 88
Drug-eluting stent for pancreatobiliary cancer 89 Fig 1. 상용화된 DES 의구성성분 된방법에따라좌우되는데, 약물이금속표면이나다공성표면에물리적으로흡착되어있는경우는단순확산 (diffusion) 에의해약물이방출되며다공성표면이금속표면에비해더많은양의약제를담재할수있으며약물방출정도는다공의수나크기에의해조절된다. 반면에약물이비분해성 polymer에녹아있는경우도확산에의해약물이방출되는데이경우약물방출정도는 polymer코팅의두께에의해제어될수있다. 현재많이사용하고있는관상동맥용 DES인 CYPHER TM 이나 TAXUS TM 은이런방법에의해약물방출이된다. 또다른방법으로는약물을화학적결합으로금속표면에결합되게하여화학적결합이깨지는정도에따라약물이방출되는정도를조절할수있다. 그밖에도생분해성 polymer에약을녹여 polymer가생분해되면서약물이함께용출되는방법, 또는약물이코 팅된메트릭스를스텐트에입혀서약물이방출되게하는방법등이있다. DES의기술개발은스텐트재질의종류, 금속표면의처리, 약물코팅기술, 고분자의종류등에대한매우활발한연구가진행되고있으며특히나노테크놀로지를이용한항암제 nanoparticle 코팅, 두가지이상의약물을코팅하는기술등다양한연구개발이이루어지고있다. 2) 관상동맥용약물방출스텐트관상동맥질환에서스텐트시술이대부분이루어지고있으나 15-30% 에서스텐트재협착이문제가되어이를줄이기위한 DES개발이이루어졌는데이는국소약물전달 (local drug delivery) 의형태이다. DES는항염증성, 항증식성목적으로 polymer를사용하여재협착을감소시킬수
이돈행 정석 90 있는다양한약물을국소적으로장기간투여가능하게한방법이다. 특히 paclitaxel을코팅한 DES (TAXUS TM, Express TM ) 이나면역억제제인 sirolimus eluting stent (Cypher TM ) 를상품화된이후로다양한약제를코팅한이용한많은 DES가개발되고있다 (Fig. 2). 5 2. 췌장담도암에서 DES의필요성비혈관스텐트는기관과기관지, 식도, 담도계에서흔하게사용되고있으며, 각각의기관에서독특한국소부위의생물학적인특성을나타내게되지만, 실제로는비혈관스텐트는두가지를문제를예방해야하는유사성을갖는다. 첫째는양성의조직반응으로인한내증식이며, 스텐트의이물반응으로인해조직의양성과형성이발생하여내강을좁게하는것이며, 이는혈관의재협착연쇄반응과유사성을갖는다. 둘째로는암에의한체내통로의폐쇄를치료하기위해삽입된스텐트에서악성과증식 (ingrowh 또는 overgrowth) 이일어나게되는것으로, 이경우가주로임상에서문제가되며따라서이를종양의과증식을예방하는것이소화기영역의 DES에주된목표라할수있 다. 종양의과증식을줄이기위해 polymeric sheath 로덮은피막형스텐트가고안되었으나, 스텐트의이동 (migration) 이문제가되며 bare스텐트에비해종양의과증식을유의하게줄이지못하는문제점을갖고있다. 그러나 polyurethan, polyethylene, teflon, PTFE 등과같은고분자피막은약물을코팅할수있는좋은메트릭스로사용할수있어많은양의약물을로딩하여국소치료효과를기대할수있는장점이있다. 악성종양이외에도식도염에의한협착, 담석으로인한담관협착등과같은양성협착질환에서는관상동맥과같은개념인항염증성또는항증식성의약물코팅이재협착방지에도움이될수있을것으로생각된다. 특히간외담도의악성종양은진단당시외과적절제가가능한경우는단지 5-30% 이며, 근위부담관암 (Klatskin 씨종양 ) 의경우는특히수술적절제가가능한경우가거의없으며수술후국소재발로인해 5년생존율이 10% 내외, 평균생존기간은 7개월로보고되고있으며항암치료나방사선치료에도잘반응하지않는종양이다. 따라서대부분의경우담도암치료는고식적인방법일수밖에없고그 Fig 2. DES 에사용하는약물의종류
Drug-eluting stent for pancreatobiliary cancer 91 치료의목적은폐쇄성황달을감황시키는것으로수술적방법이나중재적방사선학적시술또는내시경시술로담즙배액술이나금속배액관삽입등이시행되고있다. 담도암은종양의크기가작고, 대부분의경우전신적인전이보다는국소전이등이문제가되어국소치료의가능성이높은질환으로 carboplatin 항암제를코팅한배액관을삽입하여일부효과가있다고하였고. 6 이리디윰을이용한강내방사선치료 (intraluminal radiotheraphy) 7 및담도경을통해담도암에직접 OK-432 와에탄올혼합액을주입하는치료 8 등이보고되었으며최근에는담도경을이용한광역동치료 (photodynamic therapy) 9 등이생존율증가에도움이된다는보고가증가되고있어담도암은 local drug delivery 를이용한치료법의적용가능성이높아항암제코팅 DES가유용할가능성높은질환중의하나이다. 즉현재의스텐트는암으로막힌소화관및담관을기계적으로넓혀증상을완화시키지만암자체에는아무런효과가없어결국암이진행되어다시막히게되며이로인해환자의생명이단축되고삶의질이떨어지게된다. 따라서기존의스텐트의기능에항암효과가있는기능성스텐트는암의증식을억제시켜이로인한스텐트가다시막히는기간을연장시킬수있을경우임상적으로큰의의가있을것으로생각지만아직까지소화기계나담관암에대한항암제코팅스텐트에대한연구는거의없다. 또한이러한 DES는식도스텐트나 pyloric 스텐트에도충분히적용하여암증식에의한스텐트기능부전을줄일수있을것으로기대된다. 3. 소화기질환에서의 DES에대한보고혈관 DES는시장의규모가커서많은연구들이진행되고있고새로운제품들이개발되고있으나소화관을포함한비혈관계에서사용할수있는상업적인약물방출스텐트는아직개발되어진것이없으며소수의초기임상이전의연구들이산발적으로보고되고있다. 관상동맥스텐트에서효과가입증된 paclitaxel 을스텐트에코팅하여양성의스텐트내증식을예방하기위한연구가돼지의담도모델을이용하여연구된적이있으며, 당시 8개의코팅하지않은 stainless steel 스텐트와 8개의코팅되지않은 tantalum 스텐트, ethylene viniy acetate(eva) 로코팅된 4개의 tantalum 스텐트, EVA에 33% 의 paclitaxel 을주입한 8개의 tantalum 스텐트를돼지의담도에삽입되어졌었다. 이연구에서스텐트삽입후 6개 월째에진행성의점막의증식이코팅하지않은스텐트와 EVA로만코팅한스텐트에서대략 25% 에서완전폐쇄까지동일하게관찰되었다. 놀라운것은 paclitaxel 을코팅한스텐트에서스텐트내증식을거의완전히억제하였으며, 스텐트삽입직후와거의같은양상이관찰되어담도에서도관상동맥과유사한결과를보였다. 10 대동물의담도를포함한소화관에암을유발시키는모델이있다면소화기영역에서의 DES연구가활발할수있으나불행하게도아직까지이러한동물모델은없다. 쥐의피하에 sarcoma 를유발한후 1주일후자가팽창형의스텐트를종양의종괴에심은연구에서이중 11개는코팅을하지않은스텐트를심었으며, 11개의스텐트는 EVA에 33% 의 paclitaxel 을주입한후삽입하였다. 삽입후 14일이내에코팅을하지않은스텐트를삽입한대조군에서는 11개모두에서중심 lumen 이없어지며종양이둘러쌌으나, paclitaxel 을코팅한스텐트를넣은실험군에서는스텐트의한쪽을종양이침범한 1개를제외하고는 10개에서중심 lumen 이종양에의해막히지않았으며, 전신적이나국소적인독성은관찰되지않아소화기암에서의 DES의가능성을보여주었으나 11 이후추가적인연구는발표되고있지않다. 소화기암환자를대상으로 DES연구는지금까지한개의전향적비교연구가있는데 12, 절제불가능한 21명의식도선암환자를대상으로영국에서시행되었다. 11명의환자에서 tantalum Strecker esophageal stent (Boston Scientific Corp, Natick, MA) 에 EVA와 33% 의 paclitaxel 을주입한스텐트를삽입하였으며, 10명의환자에서코팅되지않은 Strecker stent 를삽입되었다. 모든환자는스텐트삽입후 1년이내에사망하였으며, 사망시점에스텐트의폐쇄가있었던환자는없었으나, 코팅을하지않은스텐트를삽입한환자중 3명에서, DES를삽입한 1명의환자에서내시경적레이저소작이나풍선확장술이필요한악성의내증식이관찰되었다. 이연구가 paclitaxel DES가종양의내증식에효과적일수있다는근거는되지못하나, 이연구의결과가 DES의안정성이나이로인한궤양이나협착, 누공등의합병증이없는것을확인하였으나이에대한추가적인연구가필요하다. 최근국내에서도 paclitaxel 을폴리우레탄과섞은후 tetrahydrofuran(thf) 용매에녹인후 stent 를 dipping 한 DES를만들어돼지의담도에삽입한후 4주뒤담관의
이돈행 정석 92 변화를조직학적으로관찰하여안전함을보고하여담도암에서 DES의가능성을제기하였다. 13 또한용매침적법 (dipping method) 를이용하여만든 paclitaxel-incorporated 피막형금속스텐트를이용한임상연구에서비록전향적비교연구가아니었지만중앙개통기간 270일, 중앙생존기간 281의결과를보고하여그가능성을제시하였다. 14 또한 paclitaxel 방출스텐트와기존의스텐트의비교임상연구에서약물방출스텐트로인한부작용이나합병증은없었지만두군간의스텐트개통기간이나생존율에통계학적유의한차이는없었으나좀더연구가필요하다고하였다. 15 Paclitaxel 이외에도췌장암에서많이사용하는 gemcitabin 방출스텐트의개발연구도있는데 paclitaxel 과달리 gemcitabin 은친수성약제로피막에코팅했을경우초기약물방출이많아개발이어려운실정이다. 국내에서도 gemcitabin 방출스텐트를돼지담도에삽입한후관찰한연구에서담도나주변조직의손상이미미하여그개발가능성을제시하였다. 16 즉현재까지소화기영역에서의제한적인기초및연구들의결과를종합하면적어도 paclitaxel 이국소적으로담도와같은소화관에괴사와같은합병증을유발하지는않아안정성측면에서는어느정도유용할것으로생각한다. 항종양효과판정은대동물모델이없는점이문제점으로생각되지만이러한 DES의적응이되는환자들이수술이불가능한진행된암환자들이므로이러한문제점은극복될수있지않을까생각된다. 4. 다중코팅피막의약물방출및동물실험본연구자등은 Pluronic F-127 고분자를계면활성제 (surfactant) 의개념으로이용하는폴리루레탄과 paclitaxel 의새로운개념의다중코팅막을개발하였다. 17 1) 약물방출폴리우레탄피막의제조 Tetrahydrofuran(THF) 용매에폴리우레탄과 Pluronic 혼합물에 paclitaxel 을녹인후 PTX-Plu-PU 피막을만들었다. 스텐트구경과유사한 Teflon bar를 mounting 한후 PTX-Plu-PU 혼합물을 dipping 하여제조하였다. 즉안쪽은 Teflin으로코팅하고바깥쪽은 PTX-Plu-PU 의피막으로구성된다중피막형이다 (Fig. 3). Paclitaxel 의농도는 10% 로하였고 Pluronic 의농도는 0%, 10%, 20% 로하여각각의피막으로약물방출실험및동물실험을진행하였다. Fig 3. 약물코팅다중피막의구조 2) 약물코팅피막에서약물방출정도측정및 in-vitro 세포독성실험약물방출필름을 cornical tube 내의생리식염수에약물필름을넣은다음일정시간후에식염수내의방출되는 paclitaxel 의농도를 6주간 HPLC (solvent Methanol : Water = 70:30, flow rate: 1.0ml/min, run time: 20 min (wavelength 227nm), injection volume: 50μl ) 로측정하였는데우수한방출조절이가능하였다 (Fig. 4). 또한제조된피막을 cholangiocarcinoma cell lines (SK-Cha-1, 2 104 cells) 에 incubation 시켜세폭독성실험을 MTT assay 로측정하였으며 paclitaxel이함유된피막의경우세포독성을보였다. 3) 약물방출피막의동물실험실험용쥐에대장암세포주인 CT-26 을주입하여종양을만든후약물이코팅된피막을 1cm 크기의원형으로잘라종양부위에삽입한후종양의크기비교를하였으며 paclitaxel코팅피막이피막을넣지않는종양에종양의성장을억제하는것으로나타났는데특히 paclitaxel 은농도의존적으로종양의성장을억제하여국소치료의가능성을보여주였다 (Fig. 5). 18
Drug-eluting stent for pancreatobiliary cancer 93 Fig 4. 약물코팅피막의약물방출및세포독성 volume of tumor (mm 3 ) 2500 2000 1500 1000 500 weight (g) 28 26 24 22 20 18 16 14 12 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (day) control 100ug 300ug 600ug 1200ug 10 0 5 10 15 20 25 30 Time (day) control 100ug 300ug 600ug 1200ug Fig 5. 약물코팅피막의항종양효과 A. 종양의크기변화 B. 체중변화 4) 돼지담도에서의스텐트삽입후안전성실험수술적방법으로개복한후십이지장을열고유두부를통해담도에스텐트를삽입한후고정하였다. 약 4주후돼지를희생시켜담도를적출한후스텐트에의한담도의육안적및조직학적소견을비교하였는데스텐트삽입부위에점막이얇아진것이관찰되었지만심한염증반응이나천공등은관찰되지않았다 (Fig. 6). Fig 6. 약물방출스텐트의돼지담도에서의실험
이돈행 정석 94 결론 혈관용 DES 는재협착을줄여환자의생존에중요한역 할을하지만소화기암에서의 DES의목표는수술이불가능한암환자에서막힌소화관을넓혀주고항암제가방출되는국소치료를통해암이스텐트내부로증식되는것을줄여스텐트개통기간을연장하는치료방법이라할수있다. 지금까지발표된대부분의악성담관협착에서약물방출스텐트의기초및임상연구는우리나라에서발표되었는데이는스텐트제작기술이우수하고기초및임상연구자들과의공동연구를통해이루어졌기때문이다. 앞으로새로운약물전달시스템및단백질, 항체등생물학적제제를이용한 DES의개발도기대해볼수있으며국소항암효과에대한기전연구도필요하다고생각된다. 또한이러한기반기술을통해향후다양한소화기질환에서내시경을이용한국소치료기술법의개발로도그범위를확장시킬수있을것으로생각한다. Acknowledgement This research was supported by the grants from the Fundamental R&D Program for Core Technology of Materials funded by the Ministry of Knowledge Economy, and also by National Center of Efficacy Evaluation for the Development of Health Products Targeting Digestive Disorders (NCEED). 참고문헌 1. Wagner HJ, Knyrim K, Vakil N, Klose KJ. Plastic endoprostheses versus metal stents in the palliative treatment of malignant hilar biliary obstruction. a prospective and randomized trial. Endoscopy 1993;25: 213-218 2. Knyrim K, Wagner HJ, Pausch J, Vakil N. A prospective, randomized, controlled trial of metal stents for malignant obstruction of the common bile duct. Endoscopy 1993;25: 207-212 3. Eisenberg MJ, Konnyu KJ. Review of randomized clinical trials of drug-eluting stents for the prevention of in-stent restenosis. Am J Cardiol 2006;98:375-382. 4. Machan L. Clinical experience and applications of drug-eluting stents in the noncoronart vasculature, bile duct and esophagus. Adv Drug Del Rev 2006;58: 447-462. 5. Mani G, Feldman MD, Patel D, Agrawal M. Coronary stents: a materials perspective. Biomaterials 2007; 28:1689-1710 6. Mezawa S, Homma H, Sato T, et al. A study of carboplatin-coated tube for the unresectable cholangiocarcinoma. Hepatology 2000;32:916-923. 7. 김인한, 이돈행, 유종길, 등. 악성담도폐쇄에서금속배액관삽입후강내방사선치료의효과대한소화기내시경학회지 2000;20:449. 8. Park SW, Lee DH, Park YS, Chung JB, Kang JK, Song SY. Percutaneous transhepatic choledochoscopic injection of ethanol with OK-432 mixture for palliation of malignant biliary obstruction. Gastrointest Endosc 2003;57:769-773. 9. Shim CS, Cheon YK, Cha SW, et al. Prospective study of the effectiveness of percutaneous transhepatic photodynamic therapy for advanced bile duct cancer and the role of intraductal ultrasonography in response assessment. Endoscopy 2005;37:425-433. 10. Machan L, Jessurun, W. Hunter, et al. Angiogenesis inhibitor-coated metallic stents in the porcine bile duct: prevention of benign reactive overgrowth. Radiology 1995;197:241. 11. Machan L, W.Hunter. Angiogenesis inhibition as a means to prevent stent overgrowth, JVIR 1997;8: 198-199. 12. Manifold, DK, Cowling M, Maynard N, et al. Paclitaxel coated stents in oesophageal adenocarcinoma, CVIR 1998;21:S129. 13. Lee DK, Kim HS, Kim KS, et al. The effect on porcine bile duct of a metallic stent covered with a paclitaxel-incorporated membrane. Gastrointest Endosc 2005; 61:296-301. 14. Suk KT, Kim JW, Kim HS, et al. Human application of a metallic stent covered with a paclitaxel-incorporated membrane for malignant biliary obstruction: multicenter pilot study. Gastrointest Endosc 2007;66:798-803 15. Song TJ, Lee SS, Yun SC, et al. Paclitaxel-eluting covered metal stents versus covered metal stents for
Drug-eluting stent for pancreatobiliary cancer 95 distal malignant biliary obstruction: a prospective comparative pilot study. Gastrointest Endosc 2011;73: 727-733 16. Chung MJ, Kim HK, Kim KS, et al Safety evaluation of self-expanding metallic biliary stents eluting gemcitabine in a porcine model. J Gastroenterol Hepatol 2012;27:261-267 17. Jang SI, Kim JH, Kim M, et al The multiplex paclitaxel emission stent using pluronic mixture membrane in porcine biliary tract. Endoscpoy 2012;44:825-831 18. Kang SG, Lee SC, Choi SH, Park SS, Jeong S, Lee DH. Paclitaxel-polyurethane film for anti-cancer drug delivery: film characterization and preliminary in vivo study. Macromol Res 2010;18:680-685