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Bio리포트 동향리포트
표적 치료제의 약물 내성의 발현 형태와 그 특징 등에 관한 동향
임상빈(연세대학교 의생명과학부)
목 차
1. 서론
2. 본론
2.1. 약물 내성의 형태
2.1.1. 고유 내성(intrinsic resistance)과 획득 내성(acquired resistance)
2.2. 고유 내성 기전
2.2.1. 생존을 위한 대안적 경로의 활성화
2.2.2. 후성적 변이에 의한 DTP
2.2.3. 종양 미세 환경의 대사 변화에 의한 DTP
2.3. 획득 내성 기전
2.3.1. 획득 내성의 표적 의존적 변이
2.3.2. 획득 내성의 표적 독립적 변이
3. 결론
4. 참고문헌
1. 서론
인간은 각양각색의 삶을 살고 있지만, 죽음의 원인은 몇 가지로 축소되어 나타난다. 2019년 사망 통계에 따르면 총 사망자 수는 29만 5,100명이었으며, 인구 10만 명당 사망자 수를 산술적으로 계산하는 조사망률은 574.8명이었다. 그 원인을 보면 암, 심장 질환, 폐렴, 뇌혈관 질환, 자살, 당뇨, 알츠하이머병, 간 질환, 만성하기도 질환, 고혈압성 질환 순으로 많았고, 전체 사망자의 27.5%가 암으로 사망하여 암 사망률은 인구 10만 명당 158.2명으로 통계 되어 지속적 증가 추세를 보였다 [1]. 암으로 인한 사망은 국내뿐만 아니라 세계적으로도 높은 비율을 차지하고 있어, 암 연구에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있으며, 치료제 개발을 위한 제약 회사들의 관심도 높아지고 있다.
현재까지의 항암치료법으로는 수술요법, 화학항암요법, 방사선요법 등이 사용되어 왔으나, 이들은 모두 임상적인 한계점이 존재한다. 수술요법의 경우는 전이성 암을 가진 환자에게는 적용이 어려우며, 방사선요법은 암 조직뿐만 아니라, 주변 조직에도 손상을 주어 조직 회복에 어려움이 있고, 화학항암요법의 경우는 정상세포에도 영향을 주는 시스템적 독성이 있어 여러 가지 부작용을 동반하여 환자에게 많은 고통을 주게 되어 삶의 질을 떨어뜨리는 한계점을 가지고 있다 [2, 3]. 2002년 웨인스타인 박사에 의해 “Oncogene addiction”이라는 현상이 보고되었다. 이는 암세포는 생존을 위해서 특정한 단백질 변이에 매우 지나친 의존성을 보인다는 결과였다. 이런 암세포의 의존성은 해당 단백질의 저해제에 의해 매우 취약함을 보였고, 이런 치료를 “표적 치료”라 불렀다. 이후 표적 치료제라는 암 치료의 새로운 패러다임이 등장했다. 유전체 염기서열 분석 기법의 발전이 밑바탕이 되어 다양한 암 종에서의 진단, 분류와 치료에 있어 기존의 방식을 탈피한 새로운 방식으로 전환되었고, 이런 결과로 다양한 표적들이 발견되어 표적 치료제의 시대를 열었다. 표적 치료제의 표적은 기본적으로 암세포의 생존, 생장 그리고 전이 등에 주요 역할을 하는 것으로 알려진 단백질 또는 특정 신호 전달계의 주요 역할 단백질이다. 표적 치료제는 형태적인 면에서 저분자 인산화효소 저해제(small molecule kinase inhibitor), 단일 클론 항체(monoclonal antibody), 면역치료 암 백신(Immune-therapeutic cancer vaccine)과 유전자 치료(Gene therapy)로 분류할 수 있다. 현재 환자에게 쓰이는 표적 치료제의 작용 부위로 분류하면, Receptor tyrosine kinase (RTK) inhibitors, Non-receptor tyrosine kinase (NRTK) inhibitors, Serine/threonine kinase and lipid kinase inhibitors, Hedgehog inhibitors, Proteasome inhibitors, apoptosis inducers, Epigenetic modulators 그리고 Metabolic modulators 등이 존재한다. 최근 미국 식품의약청에 50여 가지가 넘는 저분자 인산화효소 저해제와 10여 가지의 단일클론항체가 등록되어 사용되고 있으며, 많은 제약 회사들이 표적 치료제 개발을 지속하고 있다 [4, 5]. 암이라는 질병에 대한 연구 및 치료제의 수요로 인해 항암 치료의 새로운 패러다임인 표적 치료제가 개발되었으나, 약물 내성이라는 큰 장애물이 존재하고 있다. 저자는 이 리포트에서 항암 치료의 큰 장애물인 약물 내성의 발현 형태와 특징을 다루고자 한다.
2. 본론
2.1. 약물 내성의 형태
2.1.1. 고유 내성(intrinsic resistance)과 획득 내성(acquired resistance)
비소세포성 폐암에서 상피세포 성장인자 수용체(Epithermal growth factor receptor (EGFR))의 활성 돌연변이인 Exon 21 L858R과 Exon 19 deletion의 발견은 유전체 분석기술 기반의 정밀 표적 치료제의 시대를 열었다. 이 EGFR 활성 돌연변이를 표적 하는 표적 치료제는 1세대 erlotinib과 gefitinib, 2세대 afatinib, 3세대 osimertinib 등으로 발전해 왔으며, 화학항암요법과 비교하였을 때 개선된 효과와 무진행 생존율(progression-free survival (PFS))을 보였다 [6]. 더구나 전이성 암에서도 최초로 발생된 암에서 나타내는 유전형과 유사한 유전형을 나타내어 같은 표적 치료제에도 뚜렷한 반응을 보임으로써, 표적 치료제의 항암치료의 새로운 패러다임임을 나타내었다. 하지만, 표적 치료제 역시 한계점을 가지고 있음이 곧 발표되었다. 표적치료제는 해당 표적 단백질의 발현 정도나 돌연변이 유무에 따라 사용을 할 수 있는 가부가 결정된다는 점과 이들의 사용은 초기의 뚜렷한 효과를 보임에도 불구하고 시간이 지나게 되면 약물 내성을 보인다는 공통된 한계점을 보여 약물 내성이 나타난 환자는 결국 치료 실패와 죽음이라는 결과를 나타내었다.
약물 내성 연구의 성과로 암은 약물 처치의 초기에 나타나는 고유 내성(intrinsic resistance)과 후기에 나타나는 획득 내성(acquired resistance)으로 나뉠 수 있다. 이는 임상에서 나타나는 암의 약물 반응에 따른 분류 및 평가 기준에 의해 나뉜 것으로 고유 내성은 약물 처치에 따라 암의 크기가 감소하는 반응을 보여야 할 암이 반응을 보이지 않음을 나타낸다. 이 현상은 호스트의 암 내에서 암 이질성(heterogeneity) 또는 서로 다른 부위에서의 암 이질성으로 인하여 나타나는 것으로 생각되어진다. 표적 치료제의 특성상 하나의 표적에만 영향을 주게 되므로 암 내에 표적이 아닌 유전체의 이상이 고유 내성을 일으킬 수 있다. 반면에 획득 내성을 이해하기 위한 연구들은 임상적으로 암의 상태가 진행성 질환(progressive disease) 상태인 암이 새로운 전이 병변을 나타내거나, 기존에 반응을 보였던 변병에서 다시 증식이 일어나는 약물 처치의 후기 단계의 조직에서 일어나는 분자적 내성 기전에 초점을 맞추고 있다 [7]. 여러 내성 기전 연구를 통하여 암은 다양한 분자적 내성 기전을 통해 표적 치료제에 적응을 할 수 있음을 알게 되었다.
2.2. 고유 내성 기전
임상에서 발생하는 최소 잔류 질환(minimal residual disease (MRD))에 대한 연구와 치료 전략의 목적은 암의 지속성과 진행성을 제거하기 위함이다. MRD는 세포가 살아갈 수 없는 약물 환경에서 생존하기 위해 무활동 상태를 유지하거나, 약물에 의해 세포 사멸을 회피할 수 있는 생존을 위한 신호전달계를 활성화 시키는 등의 지속적인 생존 능력을 가지고 있다. 2010년 샤마(Sharma) 박사는 인체 내에 존재하는 암세포의 0.3~5%는 초기 약물 처리에 의해 살아 남고 이는 암세포의 가역적 적응에 의해 일어나며, 이를 “drug-tolerant persister (DTP)”라고 명명하였다 [8]. 이 DTP의 경우 암의 이질성으로 인해 존재 할 수 있다고 알려져 있으며, 약물에 의해 발생하는 세포 사멸을 이끄는 신호에 대해 휴면 상태를 유지하며 이를 극복한다. 이런 휴면 상태를 암세포가 약물 내성을 가질 수 있는 영구적, 유전적 변이를 획득하기 전까지 유지를 한다.
고유 내성이라는 개념이 확립된 지가 오래되지 않았고, 연구 결과들의 축적이 미비한 상태이나 여러 연구자들에 의해 몇 가지 고유 내성의 기전들이 알려졌다.
2.2.1. 생존을 위한 대안적 경로의 활성화
유방암에서의 연구 결과에서는 HER2 표적 치료제인 lapatinib 처리에 의해 발생하는 DTP의 발생이 세포 내 존재하는 항산화 기전의 한 축인 Glutathione peroxidase 4 (GPX4)의 활성 증가가 원인이 될 수 있음을 밝혔으며, 이는 GPX4를 저해함으로써 DTP가 사라지는 것으로 확인되어 GPX4가 DTP 발생에 주요 역할을 할 수 있음을 알렸다 [9]. 비소세포성 폐암에서 EGFR 저해제에 의해 발생 할 수 있는 DTP는 Aurora kinase A (AURKA)의 활성 증가가 원인이 될 수 있음을 발표했다 [10]. 또 다른 연구자는 피부암에서 BRAF/MEK 저해제의 처리가 “retinoid X receptor-γ (RXRG)”라는 전사조절인자를 활성화 시키고 그 하위 유전자들의 전사를 유도하여 암세포가 생존할 수 있음을 밝혔다 [11]. 이들의 결과들은 암세포의 일부에서 발생하는 생존 단백질의 활성화가 고유 내성을 유발함을 말한다.
2.2.2. 후성적 변이에 의한 DTP
약물 처리 초기에 나타나는 DTP는 약물 처리를 중단하고 어느 정도의 기간이 흐른 뒤에 같은 약물을 처리할 경우 첨과 같은 약물 반응도를 나타내어 가역성을 가지고 있다고 말한다. 이런 DTP의 가역성에는 후성적 기전이 원인이라고 밝혔내었다. 인슐린유사성장인자-1 수용체(IGF-1R)의 신호전달계의 활성은 EGFR 저해제의 저항성 발달을 위해 필요한 것으로 보고되었다 [8]. 증가된 IGF-1R의 인산화가 DTP 세포 내에서 확인되었으며, IGF-1R의 저해제와 EGFR 저해제의 병용요법에 의해 DTP의 형성이 저해됨을 확인했다. 또, 이런 IGF-1R을 매개로 나타나는 DTP는 리신 특이적 디메틸화 효소(Lysine Demethylase 5A, KDM5A)의 활성을 필요로 하고 이는 히스톤 디메틸화 효소(histone deacetylase, HDAC)와 연계가 되어 있어, HDAC 저해제의 처리에 의해서 DTP의 형성이 저해됨을 밝혔다 [8]. 또 다른 연구진에서도 비소세포성 폐암에서 나타나는 DTP의 히스톤(Histone) 3번의 리신(Lysine) 9과 27 (H3K9 and H3K27)의 메틸화에 의한 크로마틴의 응집을 확인하고 이를 저해할 수 있는 histone deacetylase (HDAC) 저해제에 처리에 의해 DTP가 사라짐을 확인하였다 [12].
2.2.3. 종양 미세 환경의 대사 변화에 의한 DTP
종양 미세 환경은 종양 세포뿐만 아니라 정상 상피세포, 내피세포, 섬유아세포 및 면역세포들을 포함하고 있다. 이런 세포들은 서로 유기적으로 연결이 되어 있으며, 섬유아세포의 경우는 종양과 아주 밀접하게 연결되어 “암섬유아세포(Cancer associated fibroblast, CAF)”로 불리며, 암을 연구하는 한 분야로 취급되고 있다. 암섬유아세포와 암세포는 서로 사이토카인을 통해 신호를 전달받아 종양 미세 환경 변화에 적응을 하는 것으로 보고되고 있다. 섬유아세포로부터 분비되는 간세포 성장인자(hepatocyte growth factor, HGF)가 암세포의 간세포 성장인자 수용체(MET)와 결합하여 암세포의 생존을 증가시킬 수 있음이 알려졌다 [13]. 이는 HGF 길항제의 처리에 의해 암세포의 생존이 저해되는 결과를 보여 그 기전을 증명하였다.
이런 연구 결과들을 보면 고유 내성을 야기할 수 있는 원인에 유전자의 돌연변이는 배제되고 생존에 유리한 단백질의 활성을 증가하거나, 후성적 변이를 통해 고유 특정 단백질을 활성화시켜 약물에 의한 초기의 세포 사멸을 견딜 수 있게 하며, 나아가 내성으로 비칠 수 있게 만드는 것으로 보인다. 고유 내성에 대한 연구들은 현재 진행형이며, 단일세포분석법이나 계통추적법 등과 같은 연구 방법들의 사용으로 좀 더 명확한 기전이 밝혀질 것이라 본다.
2.3. 획득 내성 기전
표적치료제의 마지막 목적지는 내성이라고 말할 수 있다. 아무리 반응이 좋은 환자라고 하더라도 내성을 피할 수는 없다는 것이 현실이다. 그래서 표적치료제를 연구하는 연구자들은 이런 내성기전들을 밝히거나 이미 밝혀진 내성 기전을 회피하거나, 억제할 수 있는 방법을 찾는 연구를 진행하고 있다. 획득 내성을 크게 분류를 하면 표적 치료제의 표적 의존적(Target dependent)의 변이와 표적 독립적인(Target independent) 변이로 나뉠 수 있다.
2.3.1. 획득 내성의 표적 의존적 변이
표적 의존적 변이도 2가지로 구분 지을 수 있다. 표적 단백질에 돌연변이가 발생하는 경우가 있으며, 표적의 발현량이 변화되는 경우로 나뉠 수 있다. EGFR 활성 변이를 가진 비소세포성 폐암을 치료하기 위한 1, 2세대의 표적 치료제는 여러 내성 기전 연구를 통해 획득 내성을 나타낸 후에 EGFR의 새로운 돌연변이가 발견되었다. 1세대 표적 치료제의 내성 기전 연구에 의하면 EGFR의 790번 아미노산 threonine이 Methionine으로 변이가 된 T790M이 나타남을 알렸으며 [14], EGFR T790M을 표적으로 개발된 3세대 EGFR 표적 치료제의 처리에 의해 나타난 표적 의존적 변이는 EGFR의 797번 아미노산 Cysteine이 Serine으로 변이가 된 C797S가 나타났고, 3세대의 표적이었던 T790M이 사라지는 기전도 나타났다 [15]. EGFR 표적 치료제는 C797S를 표적으로 하는 4세대 EGFR 표적 치료제가 개발 중에 있다.
역형성 림프종 인산화요소(Anaplastic lymphoma kinase, ALK)은 7%의 비소세포성 폐암 환자들에서 다른 단백질과 융합이 되어 있음이 발견되었다. 여러 가지 융합 단백질이 발견되었지만 그 중에서 가장 흔한 융합 상대는 극피동물 미세소관 관련 유사 단백질 4(echinoderm microtubule-associated protein like-4, EML4)이다. EML4-ALK는 ALK의 하위 신호 전달계를 활성화 시키는 결과를 초래했고 이는 암세포의 성장과 생존에 큰 기여를 하였다. 이를 치료하기 위해 야생형의 ALK를 표적 하는 1세대 ALK 표적 치료제인 Crizotinib이 출시되었으나, 곧 Crizotinib의 내성 기전들이 보고 되었으며, 내성 결과에는 다수의 ALK 돌연변이도 발견되었다. 이 ALK 돌연변이 중에는 EGFR 표적 치료제의 T790M과 같은 돌연변이가 존재하였고 이는 ALK-L1196M이다. ALK-L1196M의 발생 빈도가 T790M처럼 높지는 않았으나, ALK-L1196M 이외에 G1269A, I1171T와 S120Y 등의 다양한 돌연변이가 발생하였다. [16]. 이런 ALK 돌연변이를 표적 하는 2세대 표적 치료제로 Ceritinib이 출시되었고, 여러 돌연변이에 효과를 보였으나, ALK-G1202R은 1세대인 Crizotinib과 2세대 Ceritinib, Alectinib과 Brigatinib에도 효과가 없었으며, 3세대로 개발된 Lorlatinib에 의해 치료 효과를 보였다 [17].
EGFR 표적 치료제 내성 기전에 EGFR의 발현 양이 변화하는 것이 기전의 하나로 알려졌다. 1세대뿐만 아니라 3세대 EGFR 표적 치료제에 내성을 보이는 암세포에서 EGFR의 증폭이 발견되었으며, 이와 반대로 3세대 EGFR 표적 치료제의 표적인 T790M이 사라지는 현상도 나타났다. 또한, AKL 표적 치료제인 Crizotinib의 내성 기전에서 ALK의 발현 증폭은 7~18%의 환자에서 나타났으며, 비임상 연구 결과에서 Crizotinib의 내성 기전으로 야생형의 ALK가 증폭되는 것이 확인되었다 [18].
2.3.2. 획득 내성의 표적 독립적 변이
암 세포는 생존을 위해서 여러 신호전달계의 네트워크가 유기적인 협력을 한다. 표적 치료제에 의해지배적인 생존 신호전달계가 억제되면 유사한 신호전달계가 활성화되어 암세포가 생존하고 성장하는데 도움을 준다. 그 예로 비소세포성 폐암에서 1세대 EGFR 표적 치료제의 내성을 보인 세포주와 환자의 조직으로부터 MET의 발현양 증폭이 처음으로 보고되었다 [19]. 그 이후 여러 연구들의 결과 약물 내성을 보이는 환자의 5~10%에서 MET의 발현양 증폭이 확인되었으며, EGFR 표적 치료제뿐만 아니라 ALK 표적 치료제의 내성 기전으로도 MET의 발현양 증폭이 확인이 되었다 [20]. 수용체의 증폭으로 인한 표적 치료제의 내성에서 MET 이외에도 c-KIT, IGF-1R, FGFR3 등의 수용체의 활성화 및 발현양 증폭이 내성 기전으로 보고가 되었다. 이런 수용체의 활성화 또는 발현양 증폭은 그 하위 신호전달계인 PI3K/AKT/mTOR 또는 RAF/MEK/ERK가 활성화되어 암세포의 생존에 기여를 하게 된다 [21]. 또 다른 기전으로 수용체의 변화가 아닌 하위 신호전달계의 일부가 활성화 또는 증폭되는 경우도 존재한다. Kirsten rat sarcoma (KRAS) KRAS, BRAF 그리고 PIK3CA의 돌연변이로 인하여 하위 신호전달계가 활성화되어 암세포의 생존을 돕고 약물 내성을 유발하는 것으로 보고되었다 [22-24].
암세포는 표현형의 변화에 의해서 표적 치료제에 내성을 획득할 수 있다. 비소세포성 폐암에게 EGFR 표적 치료제를 투여한 환자의 3-10%의 환자에서 조직학적 표현형이 소세포성 폐암으로 변화됨이 관찰되었다 [25]. 이는 ALK에 의해 발생한 비소세포성 폐암에서 Crizotinib 또는 Alectinib 약물 내성을 보인 조직에서 소세포성 폐암으로 조직학적 표현형의 변화가 나타났다 [26]. 이런 표현형의 변화가 어떻게 약물 내성을 유발시킬 수 있는지에 대한 연구에서는 표현형이 변화한 모든 환자에서 망막아종단백질(Retinoblastoma protein, RB)의 결손이 관찰되었으며, EGFR 표적 치료제에 일반적으로 민감도가 떨어지는 고전적인 소세포성 폐암의 유전적 특징을 취한 것으로 나타났다 [27]. 약물 내성의 또 다른 매개자는 상피 간엽 이행(epithelial-to-mesenchymal transition, EMT)이다. 이는 1% 정도의 환자에서 나타나고 AXL과 AXL의 배위자(ligand)인 GAS6, IGF1R과 FAK 등이 관여되어 있다 [28, 29].
3. 결론
약물 내성을 보이는 암은 종종 특정 내성 기전을 가지고 ‘있다’ 혹은 ‘없다’로 표기된다. 그러나 유전적 이질성은 암이 가진 특징 중 하나이며 그 복잡성 또한 내성 기전에 영향을 준다. 실제 임상에서 표적 치료제에 내성을 보이는 환자의 내성 기전을 살펴본 결과 현재까지 밝혀진 내성 기전을 두 가지 이상 포함하고 있는 환자들이 많다는 것이 사실로 판명되었다. 예를 들면, EGFR 돌연변이를 가진 비소세포성 폐암 환자에서 EGFR T790M과 MET의 발현양 증폭, EGFR의 발현양 증폭, HER2의 발현양 증폭 또는 소세포성 폐암으로의 표현형 변화 등이 동시에 나타날 수 있는 것이다. 또한, 단일 내성 기전으로 표기되었더라도 밝혀지지 않은 다른 내성 기전을 포함할 수도 있어, 그에 맞춘 처방에 대해 좋은 예후를 얻기가 쉽지 않다.
실제 환자를 대하는 의사에게 어떠한 약이 암환자에게 제일 좋은 약인지를 묻는다면 그 답은 “환자마다 다르다”라는 대답일 것이다. 약물 내성의 형태를 분류하면 몇 가지로 나뉠 수는 있으나, 그 속을 들여다 보면 다양한 기전들이 존재하며, 아직까지 밝혀지지 않은 기전들도 존재를 한다. 인류가 지속적으로 암에 대해 연구를 진행해 왔으며 과학기술의 발전으로 많은 연구들의 결과가 실제 환자에게 적용되는 기간이 점점 짧아지고 있고, 환자 개인에 대한 분석 소요 시간도 과거에 비하면 눈부신 발전을 했다. 그러나, 암 이질성의 존재가 암의 치료와 바이오마커의 발굴에 가장 큰 난관이다. 사실 암 이질성은 암 내에서 다른 유전적 특성을 갖는 다양한 집단을 형성하게 하는데 이런 집단의 존재가 조직검사의 정밀 진단에 방해를 주고 이는 결국 좋지 않은 임상 결과를 초래하게 된다. 이전의 치료에 내성을 보인 암세포를 생존 및 성장을 막기 위한 최적의 약물을 개발하기 위해서는 종양 내 암 이질성의 이해 및 예후 마커 예측과 새로운 표적의 발굴이 필수적이다. 최근에는 세포 하나하나를 분석하는 기술이 개발되었고, 많은 분야에서 그 기술을 이용한 연구가 진행되고 있으며 속속 그 결과들이 보고되고 있다. 이런 정밀한 기술과 분석법의 발전이 개인 맞춤 의학(tailored personalized medicine)을 현실화시킬 수 있고, 표적 치료제의 약물 내성을 극복할 수 있는 치료 전략을 제시 할 수 있을 것이라 기대하고 있다.
4. 참고문헌
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