등록일2015-02-12
미토콘드리아 대사를 표적으로 하는
항암 치료
미토콘드리아는 에너지대사, 생합성, 신호 전달 등이 암 발생에 필요한 세포기관 중 하나 입니다. 따라서 미토콘드리아 대사가 항암요법에 중요한 역할을 한다는 사실을 증명하기 위한 연구가 이루어 지기 시작했습니다. 이러한 관점에서 저자는 미토콘드리아 대사를 표적으로 하는 최근의 연구결과에 관하여 중점적으로 논술하고 있습니다.
역사적으로 미토콘드리아 대사는 빠르게 분화하는 세포의 대사에는 크게 중요하지 않은 것으로 인식되어 왔습니다. 더욱이 미토콘드리아는 DNA를 손상시키고, 유전적 불안정성을 증가시키는 활성화 산소를 풍부하게 제공하는 것으로 알려져 왔었고, 이러한 관점은 오랫동안 지속되었습니다. 암세포가 산소가 충분한 상황에서도 암 증식에 있어 glucose를 에너지 대사에 주로 이용한다는 사실을 1920년경에 발견하였고 이를 Warbug effect이라고 칭하였습니다. 이러한 관찰은 암의 미토콘드리아는 손상을 입어서 암세포는 해당작용을 에너지원으로 사용한다는 가설을 세우게 했습니다. 암은 높은 수준의 미토콘드리아 활성화 산소를 생성하여 유전적 불안정성을 유도하고 결국 암을 유발한다는 것입니다. 결론적으로, 미토콘드리아 기능장애가 암의 대사 특징이라는 것을 알 수 있습니다.
하지만 이러한 사실은 1950년대 이후로 도전을 받아 왔는데, 암세포도 palmitate를 효과적으로 산화 시킨다는 사실이 밝혀졌고, 암의 TCA cycle 효소들이 여전히 일반 세포들처럼 활성을 갖고 있다는 사실이 발표되었습니다. 암세포뿐만 아니라 일반세포도 해당작용을 활발히 한다는 사실까지 더불어 발표되었습니다. 최근 들어 미토콘드리아 대사가 암의 생성에 필수적이라는 유전학적 결과도 보고 된 바 있습니다. 따라서 이러한 관점에서 미토콘드리아 대사를 표적으로 하는 항암 요법에 대해 고찰해 보고자 합니다.
미토콘드리아는 catabolic 과 anabolic 과정에서 중심적인 역할을 하고 있고 이는 Fig1 에 잘 나타나 있습니다.
암 증식에 필요한 미토콘드리아 대사 작용
암 세포가 분열 증식을 하기 위해 필요한 에너지원인 ATP와 빌딩블록으로서의 고분자를 공급하기 위해 해당 작용과 인산화 작용이 암 대사에서 중요한 역할을 합니다. 암세포에서 해당 작용이 활발해지는 이유는 NADPH 나 핵산 합성을 위한 pentose phosphate가 필요하기 때문이며, 이에 필요한 해당 중간체를 만들기 위한 PI3K 의 deregulation 이나 KRAS, MYC 과 같은 oncogene이 활성화 되는 결과입니다
다수의 암은 해당작용에 매우 의존적입니다. Oncogene 활성화는 고분자 합성을 위한 전구 물질 합성에 필요한 ATP TCA cycle 에서 생성되는 중간체를 합성하기 위해 미토콘드리아 대사를 증진시키게 됩니다. Citrate 는 세포질로 이동하여 지질, 핵산 합성에 이용되며, 고분자 합성을 위해 흡수되는 TCA cycle 중간체를 보충하는 필요 물질이 되는 것 입니다.
이를 위한 하나의 메커니즘은 글루타민을 산화시켜서 a-ketoglutarate를 생성하는 일이며, 많은 암종이 글루타민에 addiction 되어있다고 볼 수 있습니다. 많은 양의 활성화 산소가 미토콘드리아 전자 전달 계에 의해 발생하게 되고 미토콘드리아 근처에 존재하는 높은 레벨의 활성화 산소는 암세포의 분열 증식과 암 생성에 필요한 신호를 내게 됩니다. 하지만 이런 활성화 산소가 축적되면, 세포는 사멸하게 됩니다. 그러므로 암세포는 많은 양의 NADPH를 미토콘드리아 근처에 생산하여 활성화 산소의 과다한 축적을 방지합니다.
소수의 암세포에서는 TCA 단백질 혹은 미토콘드리아 전자 전달 계에 유전적 변이가 일어나기도 합니다. 특히 succinate dehydrogenase 나 fumarate hydratase 를 encoding 하는 유전자가 상실되면 succinate 나 fumarate 의 축적을 야기 하게 됩니다. 이럴 경우, 암세포는 해당작용에 더욱 의존하게 되고 TCA cycle 중간 체나 활성화 산소의 생성을 억제하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 최근의 결과를 보게 되면 reductive carboxylation을 통해 암세포들은 TCA cycle 중간 체를 합성하기도 하는 것으로 보고되어 있습니다. 이러한 TCA cycle 이나 ETC 변이 암세포에서는 그 증식과 생존에 강화된 해당작용에서 생긴 ATP를 전적으로 쓰여지는 것으로 알려져 있습니다.
해당작용을 통해 고분자 합성을 위한 중간체를 생성하는데, TCA cycle 이나 ETC 변이 암세포에서는 세포 증식을 위해 ROS를 생성하기도 합니다. 연구 결과들을 토대로 해보면, 암 생성이나 혹은 암전이의 경우 많은 활성화 산소를 필요로 함을 알 수 있습니다. 이러한 결과를 토대로 해보면, 어떤 종류의 암들은 그 대사 필요에 따라 바이오 에너지 적인 관점에서 해당작용을 의지하지만 증식을 위한 활성화 산소 생성을 위해서 미토콘드리아의 기능이 여전히 필요한 것으로 알려져 있습니다.
항암 치료를 위한 생물에너지 표적
암에서의 대부분의 ATP는 미토콘드리아에서 생성되고 부족한 ATP는 해당작용을 통해서 이루어집니다. 따라서, 미토콘드리아 ATP 억제만을 표적으로 하는 것은 효과인 항암치료 방법이 되지 않을 것입니다. 하지만 다음과 같은 세가지 관점으로 미토콘드리아를 항암 치료의 표적으로 두는 것을 고려할 수 있습니다.
첫째, 대다수의 고형암은 혈관형성이 잘 되어 있지 않고, 당이 부족한 상태입니다. 이런 경우 암은 일반적으로 증식이 더디며, 생존 모드로 들어가게 됩니다. 전자 전달 계는 산소 수치가 0.5%만 되어도 그 기능을 수행 합니다. 따라서 암의 혈관형성이 부족하더라도 미토콘드리아에서 ATP 생성은 하기 위한 산소의 양은 충분히 있습니다. 결과적으로, 미토콘드리아의 ATP 생성을 막으면 이러한 암세포의 세포 사멸을 잘 유도 할 것입니다.
둘째, oxidative phosphorylation에 의해 생성되는 ATP를 에너지원으로 사용하는 암세포가 있습니다. 이러한 종양세포들은 해당작용에 문제가 있어 미토콘드리아 ATP 생성을 제한하는 약물에 민감하게 반응을 할 것입니다.
셋째, 해당작용을 저해하는 약제와 미토콘드리아의 ATP 생성을 저해하는 약제를 병용하면 큰 시너지 효과가 예상 됩니다. 예로, 임상시험에서 널리 사용되고 있는 PI3K 저해제가 그 예가 될 것입니다. 미토콘드리아 ATP 생성을 표적으로 할 경우, 정상세포도 미토콘드리아를 사용하여 생존하고 있다는 사실은 유념해야 합니다. 따라서, therapeutic index가 문제가 될 것입니다. 한가지 예외적인 경우는 암세포에서 미토콘드리아 생성 저해제를 정상 세포에 비해 선택적으로 많이 흡수 할 경우입니다. 최근 결과에 의하면, 널리 쓰이고 있는 메포민의 경우가 정상세포에 독성을 일으키지 않으며 미토콘드리아 ATP 생성을 표적으로 하는 항암제가 될 가능성이 있습니다.
메포민의 항암효과
당뇨환자에 있어 메포민의 치료효과는 혈액에서 순환되고 있는 인슐린의 양을 줄이기 위해 hepatic gluconeogenesis 를 감소시킨 결과입니다. 역학 조사에 의하면 메포민을 복용하여 혈당을 잘 조절한 환자의 경우 암 발생률이 현저히 떨어지는 것을 관찰하였습니다. 아울러 메포민의 복용은 기존 암환자의 생존율 또한 증가시키는 것으로 보고되어 있습니다. 실제 실험실의 연구에서도 메포민의 항암 효과가 보고 되고 있으며, 이러한 임상 역학 조사와 실험결과를 바탕으로 약 100여 건의 메포민을 이용한 항암 임상이 진행 중에 있습니다.
이러한 메포민의 항암효과를 설명할 수 있는 두 가지의 기작이 있습니다. 첫 번째로는 메포민은 혈당을 낮추어서 순환되고 있는 인슐린을 낮추어 주는 점입니다. 인슐린은 많은 암의 mitogen으로 알려져 있으며, 인슐린과 인슐린 성장 인자가 암세포의 PI3K 신호전달을 자극하는 것으로 알려져 있습니다. 하지만, 모든 암이 인슐린에 민감한 것은 아니기에 인슐린 레벨의 감소는 항암 효과와 무관 할 수도 있습니다. 두 번째 메커니즘은 메포민이 미토콘드리아 전자 전달 계의 complex I 을 저해하여 항암제로서 작용하는 것입니다 (Fig 2).
2000년도에 메포민이 in vitro 실험에서 미토콘드리아 complex I 을 저해한다는 연구 결과가 발표 되었습니다. 최근의 실험들은 메커니즘적으로 메포민과 바이구아나이드가 어떻게 complex I 을 저해하는지를 설명되어 있고, 실험적인 모델에서 항암효과와 complex I 저해 효과 사이의 상관 관계를 보여주고 있습니다. 특별히 당 부족으로 인해 해당 ATP 생성이 적을 때, 미토콘드리아의 ATP 생성을 줄여 암세포 사멸을 유발합니다. 당이 풍부할 경우에는 메포민은 밝혀지지 않은 기작을 통해 암 증식을 저해하며, 다른 complex I 저해제와 마찬가지로 전립선 암에서 glutamine reductive carboxylation 에 의하여 생기는 TCA cycle 중간체의 생성을 저해하지는 않는 기전을 갖고 있습니다. 하지만, 유방암의 경우 메포민은 complex I 저해를 통해 TCA cycle 중간체의 합성을 감소시킵니다. 이는 미토콘드리아 ATP 생성을 감소시켜 AMPK 의 활성을 증가시키고, mTOR 활성을 저하시키며, 결과적으로 증식하는 암세포에 필수적인 anabolism을 저해한다는 것으로 설명 될 수 있습니다.
중요한 관심사는 메포민의 항암제로서 좋은 therapeutic index를 가지고 있느냐 하는 점입니다. 메포민은 간이나 신장에 주로 존재하는 OCT (Organic Cation Transporter)를 통해서 흡수됩니다. 그래서 현재 사용되고 있는 당뇨 치료제로서의 메포민은 탁월한 안전성을 가지고 있는 것입니다. OCT 를 잘 발현하고 있는 암세포는 메포민을 잘 흡수 할 수 있으나 모든 암이 OCT 를 잘 발현 시키고 있는 것은 아닙니다. 이 경우, 메포민은 암세포에 잘 축적 되지 않을 것이며, complex I 을 잘 저해시키지 못 할 것입니다. 정상적인 산도에서 양이온 성질을 띠고 있는 메포민이 미토콘드리아 matrix 에 잘 흡수 되려면 강력한 미토콘드리아 막 전위가 필요합니다. 메포민 임상을 하려면 OCT 의 발현과 미토콘드리아의 유전자를 잘 선별해야 하며 당 흡수와 해당 작용을 막아주는 PI3K 저해제와 메포민의 병용은 메포민 단독 투여보다 훨씬 효과적 일 것으로 예상 됩니다. 당뇨 약으로서의 메포민의 투여 량이 complex I 저해에 필요한 양인지는 아직 확실치 않습니다만 독성이 관찰되지 않는 선에서 용량을 증가시켜 볼 필요가 있습니다.
펜포민의 항암효과와 가능성
메포민의 대체약으로는 complex I 을 저해 하는 것으로 알려져 있는 펜포민이 있습니다. 펜포민은 상대적으로 수용성 덜하고 lipophilic 해서 미토콘드리아 막에 대한 친화성이 큰 것으로 알려져 있습니다. 펜포민은 암세포에 잘 전달되어 메포민에 비해 탁월한 항 종양 효과를 보여주었습니다. 최근에 펜포민이 실험 모델에서 항암 효과를 보이는데 필요한 complex I 을 저해한다는 논문 결과가 발표 되었습니다. 당을 사용하기에 문제가 있는 암세포의 경우 더욱 민감하게 반응한다고 보고되었습니다. 임상에서 사용시 가장 문제가 되는 것은 lactidosis이며 이 이유 때문에 시장에서 철수 되었습니다. 반면에 메포민은 상대적으로 lactidosis 문제가 적고 탁월한 안전성을 보입니다. 그러함에도 불구하고 여러 실험에서 펜포민이 항암제로서는 더 적절하다는 보고가 계속 되고 있습니다. 특히 펜포민은 oncogenic Kras 와 LKB1 소멸에 의해 주도되는 소세포암 (NSCLS)에서 효과를 보이는 반면에 oncogenic Kras 와 p53 소멸에 의해서 생기는 소세포 암에서는 효과가 없는 것으로 보고되고 있습니다. 또한 펜포민은 BRAF 변이에 의해서 생긴 피부암에서 BRAF 저해제의 효과를 높여주는 것으로 보고 되고 있습니다. BRAF 저해제는 피부암에서 미토콘드리아 respiration을 증가시켜 펜포민이 더 잘 작용하는 것으로 알려지고 있습니다. 이러한 관점에서 보면, lactidosis를 잘 관찰 하면서 펜포민을 항암제로 연구하는 것은 의미가 있을 것으로 예상됩니다.
다른 미토콘드리아 저해제들
바이구아나이드 외에 임상에서 시도되고 있는 화합물로는 VLX600이 있는데, 전자 전달계 저해제로 알려져 있습니다. 이 또한 당이 부족한 환경에서 탁월한 항암 효과를 보이는데 역시 암 증식에 필요한 에너지나 빌딩블록을 해당 작용에서 얻지 못하기 때문으로 이해되고 있습니다. 새로 보고 되는 결과로는 미토콘드리아의 단백질 전사를 방해하여 미토콘드리아의 에너지 대사를 약화시키는 방법이 보고되고 있습니다. 항생제로 허가가 난 Tigecycline 이 그 예인데 백혈병에서 미토콘드리아 단백질 전사를 막아 항암 효과를 보여 주고 있습니다. 재미있게도, 백혈병은 TCA cycle 을 통해 fatty acid oxidation 을 아주 빠른 속도로 사용하고 있어, 미토콘드리아 에너지 대사에 의존하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 전자 전달계 단백질의 안전성은 미토콘드리아에 localized 되어 있는 HSP90 혹은 TRAP-1 ATPase 의 활성에 의존하게 되는데, 이들은 주로 암세포에서 많이 발견됩니다. 이들에 대한 저해제인 gamitrinib은 미토콘드리아의 ATP 합성을 감소시켜 실험적 모델에서 항암 효과를 잘 보여 주었습니다. 종합하면, 역사적으로 tumerigenesis 에서는 간과된 부분이 있음에도 불구하고, 미토콘드리아의 에너지 생산은 많은 종류의 암에서 상당히 중요하며 이를 저해하는 것은 항암 임상학적 표적으로 상당히 귀중하다고 여겨지고 있습니다.
마이토콘드리아 생합성 기능의 표적
종양세포 글루타민은 TCA cycle 중간체를 보충하는데 있어 중요한 탄소 자원으로 알려져 있습니다. 플라즈마 내에서 가장 많이 발견되는 아미노산이며, MYC 과 KRAS 에 주도되는 암은 글루타민에 addict 되어 있는 것으로 알려져 있습니다. 글루타민은 glutamine dehydrogenase 에 의해 glutathione 의 전구체인 glutamate 로 전환되고, 다음에 glutamine dehydrogenase 나 aminotransferase에 의해 a-ketoglutarate로 전환됩니다. 이러한 catabolism 은 여러 가지 역할을 하게 되는데, 첫째로 ATP 를 생성하는데 필요한 NADH 혹은 FADH2 를 생성합니다. 두 번째로는 macromolecule 을 합성하기 위해 소진된 TCA cycle 중간 체를 보충합니다. 세 번째는 malic 효소에 의해 NADPH 를 생성하고 deoxygenase에 필요한 substrate를 공급하게 됩니다 (Fig.3). 따라서 glutamine catabolism 을 표적으로 하는 것은 상당히 의미가 있는 일입니다. 실제로 실험 모델에서 두 가지의 GLS inhibitor 가 glutamine catabolism 을 감소시키면서 항암효과를 보인 결과 발표 되었습니다. 따라서 glutamine catabolism 을 표적으로 하는 항암제 개발은 의미가 있어 보입니다. 그러나 모든 종류의 암이 glutamine catabolism addiction 을 보이는지는 고려되어야 할 사항입니다.
다른 TCA cycle 표적으로는 autophagy가 있습니다. Autophagy는 glutamine 을 제공함으로써 미토콘드리아 대사를 유지 하는 것으로 알려져 있습니다. BRAF 변이가 있는 종양을 가진 쥐에서 autophagy를 저해함으로써 생존율을 높인 결과가 발표 되었습니다. 펜포민과 BRAF 저해제와의 병용에서 관찰 되었던 것처럼, autophagy 저해제와 BRAF 저해제 에서도 좋은 시너지 효과를 기대해 볼 수 있습니다. 이미 허가 받은 chloroquine을 사용한 임상 실험에서 미토콘드리아 대사를 감소시키고 종양축소를 관찰하였으나, 장기간 사용시에는 독성이 생기므로 단기간 사용하는 것으로 보고 되었습니다. 이러한 결과를 놓고 볼 때, chloroquine 과 phenformine 과의 병용도 좋은 항암 효과를 기대할 수 있습니다.
마이토콘드리아 산화 환원 반응 (redox)의 표적
항산화제 식품들은 항암제로서 널리 쓰여져 왔습니다. 그러나 아직 임상 실험에서 종양을 축소시키는 경우는 아직 보고 된 적이 없습니다. 더구나 이들은 흡연자의 암 발생률을 증가시키고 소세포암 동물 모델에서 종양을 악화시키는 것으로 보고 되어있고, 활성화 산소 감소가 부위적인 측면에서 선택적이지 못하다는 의견이 있습니다. 미토콘드리아는 활성화 산소와 관련된 신호전달 계와 아주 근접해 있습니다. 따라서 미토콘드리아를 표적으로 하는 항산화제는 in vitro, in vivo 상에서 항암 효과를 보여줍니다. 한 가지 주의해야 할 사항은 일반 세포는 활성화 산소를 이용하여 면역 및 줄기 세포의 역할을 최적화 하기 때문에 therapeutic window 가 분명하지는 않다는 점입니다.
암세포 자체도 암세포에 의해 증가된 활성화 산소양의 균형을 이루기 위해 antioxidant capacity 를 증가시킵니다. 이는 활성화 산소가 축적되지 않도록 과산화 수소수의 양을 증가시켜 암 증식 신호전달체계가 원활히 작동 하도록 합니다. NADPH는 이러한 항산화 작용을 유지 하도록 하는데 필수적입니다. 세포질은 malic 효소, IDH1 그리고 one-carbon metabolism 을 통하여 NADPH를 생산해내며, 세포질과 미토콘드리아에서 일어나는 one-carbon metabolism NADPH와 아울러 핵산 합성에 필요한 중간 체들을 생산해 냅니다. 특히 미토콘드리아 내에서 일어나는 이러한 대사는 SHMT2 에 의한 serine metabolism 에 근거합니다. 최근 결과에 따르면, SMTH2는 hypoxia 상태에서 Myc-transformed cell의 redox 의 균형에 크게 관여 하는 것으로 알려져 있어 SMTH2 를 저해하면 항암 효과가 관찰됩니다. 1981 개의 종양에서 1454 개의 RNA 를 분석한 결과, 19 종의 암에서 MTHFD2 (미토콘드리아 one-carbon metabolism 에 관여 하는 효소) 가 암세포에서 일반세포보다 과발현 되어 있는 것으로 보고 되었습니다 (Fig. 4).
아울러 활성화 산소를 증가시키는 것으로 알려져 있는 dismutase I, glutathione synthesis 그리고 glutamines 를 저해하는 것도 one-carbon metabolism 표적을 통한 항암제 개발 전략이 될 수 있습니다.
결론
1990년데 초반에 mitochondria-localized anti-apoptotic protein 이 항암 표적이 될 수 있다는 연구결과는 상당히 의미가 있습니다. 그러함에도 불구하고 미토콘드리아가 암 생성에 필요한 에너지 대사를 공급해 주는 중요한 세포기관이라는 사실 때문에, 그 대사가 항암 표적으로 등장한지는 몇 년 되지 않았습니다. 비 임상 단계에 있는 미토콘드리아 표적 항암제를 임상단계로 발전 시키기 위해서, 세 가지 정도의 challenge 가 남아 있는 상황입니다.
첫째는 미토콘드리아 대사를 표적으로 하는 약물에 있어서 정상세포에 대한 독성 정도, 즉 선택성이 확립 되어야 할 것입니다. 두 번째로는, 약물이 세포막을 통과 할 뿐만 아니라 미토콘드리아막을 통과해야 합니다. 저분자 약물에 lipophilic cation을 부착하면 세포막 외부 보다 약 1,000 배 정도 미토콘드리아 메트릭스에 축적 되는 것으로 보고되었습니다. 이는 미토콘드리아 내막을 가로지르는 전자 전달계에 의해 생성 되는 커다란 막전위 때문에 이러한 흡수가 이루어지는 것입니다. 통상적으로 사용되는 cisplatin 과 같은 화학 요법제에 lipophilic cation을 달면 미토콘드리아 메트릭스에 표적화 시킬 수 있습니다.
세 번째는 암 생성을 조절하고 있는 미토콘드리아 biology 를 더욱 더 잘 이해 해야 합니다. 이는 미토콘드리아 대사 저해제를 사용하는 새로운 병용 요법을 제시할 수 있게 됩니다. 예로 oncogenic 신호 전달을 저해 함으로써 종양이 줄어 들 경우 다시 재발하는 암은 미토콘드리아의 oxidative phosphorylation에 더욱 의존하는 에너지 대사를 갖게 될 것이고, 미토콘드리아 대사 저해제에 더욱 민감하게 반응 할 것입니다. 우리는 미토콘드리아 대사 표적에 대한 합리적인 디자인을 할 수 있는 아주 흥미로운 시기에 와 있다고 할 수 있습니다.
Ref) Weinberg, Samuel E., and Navdeep S Chandel. “Targeting Mitochondria Metabolism for Cancer Therapy.” Nature Chemical Biology 11 (2015): n. pag. Web