등록일2017-02-23
PD-1 면역항암제와 메트포르민의 병용 시너지
최근 항암제 시장이 면역항암제를 주목하고 있다. 1세대 화학항암요법, 2세대의 표적항암제의 작용기전과는 달리 면역항암제는 환자의 면역체개를 개선시켜 환자 스스로 암을 제거시킬 수 있게 도와준다. 그래서 면역항암요법은 기존 항암요법보다 부작용이 적고 다양한 암에 사용할 수 있다는 기대감에 많은 의료진과 환자 그리고 전 세계의 제약사에서 주목을 받고 있다. 하지만, 면역항암요법 역시 완벽하지 않으며, 많은 부분들에서 개선이 필요하다. 특히, 면역항암제는 환자에따라, 또 암 종에 따라 반응률이 크게 다른데, 학계에서는 그 다른 이유 중 하나가 종양세포의 이질적인 성질(heterogenous nature)을 꼽고 있다. 이를 극복하기 위해 면역항암제와 병용할 수 있는 다양한 물질과 조합법이 활발히 연구되고 있다.
Nicole E Scharping 연구팀은 PD-1 면역항암제에 반응을 하지 않는 암종의 이유 중 하나로 종양의 저산소증 (hypoxia condition)을 주목하고 있다. 연구진은 종양내의 저 산소증을 복원시키면 면역항암제의 반응률이 개선될 것이라는 주장을 했다. 연구진은 실험을 통해 종양 세포의 저 산소증을 메트포르민 투여로 개선시키고, anti-PD1 면역항암제와 병용하여 증가된 종양제거 효과 (tumor clearance)를 확인했다. 메트포르민은 제 2형 당뇨병에 널리쓰이는 약물로써 종양세포의 산소 사용을 억제시키는 기전을 갖고 있으며, 메트포르민의 단독투여로는 악성종양에서 효과가 미미하나 면역항암제와 병용 시 종양내의 T 세포를 활성화 시켜 월등히 증가시킴을 B16 (Melanoma) 와 MC38 (Colon adenocarcinoma) 세포에서 확인했다. 관련 논문은 2017년 1월 Cancer Immunology Research에 기재하였다.
Tumor Hypoxia (종양 저 산소증)은 T세포 활성화를 저하한다.
연구진은 B16 (C57/BL6 tumor line) 세포와 MC38 (colon adenocarcinoma) 세포에서의 대사능력을 관찰하기 위해 Seahorse Bioanalyzer로 OCR (oxidative phosphorylation)을 측정하였다. B16 세포는 MC38 세포보다 높은 수치의 OCR 과 SRC를 확인하였으며 유사한 ECAR 수치를 보였다 [그림 1A-B]. 이렇게 다른 OCR 수치는 In-vivo 환경에서 다른 영향을 미치는데, B16 세포에서 추출한 CD8+ TILs (Tumor Inflitrating Lymphocytes) 세포가 더 M38 종양에의 CD8+ TILs 세포보다 더 강한 저 산소증을 보였다. 결론적으로, 종양세포가 대사에 얼만큼 산소를 이용하느냐에 따라 주위 T 세포의 변형을 관찰하였다 [그림 1C].
[그림1] 저산소증의 수치는 암종에 따라 다르며 T세포 활성을 저하시킨다
메트포르민은 종양세포의 산소사용을 억제시킨다.
세포의 저 산소증를 조성하기 위해 mitochondrial complex I 억제제인 메트포르민을 In-vitro로 B16과 M38 세포에 처리를 했고, 두 개의 종양세포의 OCR 이 감소함을 확인하였다 [그림 2A]. 또한 ex-vivo로 CD45+를 제거 후 메트포르민을 처리했을때에도 전과 유사한 phenotype을 확인하였다 [그림2B]. 추가적으로 Immunoflurorescent analysis을 통해 확인한 결과, 종양세포에 메트포르민을 처리했을 때 저산소증을 회복되는 현상을 확인하였다.
[그림2] 메트포르민은 종양세포의 산소 사용을 억제시킨다
메트포르민의 투여가 T 세포 phenotype을 변형시킨다
메트포르민의 약리작용이 종양세포의 산소사용을 억제함으로써 종양세포의 저산소증을 회복시킴을 확인하고, 어떤 영향을 tumor-infiltrating T 세포에게 미치는지 실험하였다.
종양세포 주위에 있는 T세포들은 에너지원이 부족한 상태이다. Seahorse analysis을 통해 메트포르민을 처리한 군과 처리하지 않은 군에서 종양세포와 T 세포를 분리 관찰을 하였는데, 메트포르민의 처리되지 않은 종양세포내의 T 세포의 OCR은 감소되어있었고, 메트포르민이 처리가 된 군은 종양세포의 OCR 감소, T 세포의 OCR증가 현상을 확인하여, 메트포르민 투여가 종양세포 주위의 T세포에게 간접적인 영향을 끼치는 것으로 확인되었다 [그림3A]. 또한 쥐 실험에서 메트포르민은 림프구에 있는 T세포보다 TIL T 세포의 저 산소증을 유의하게 완화시킴을 확인하였다 [그림 3B]. 하지만 메트포르민의 투여만으로 종양의 크기나 clearance가 PBS에 비해 높아지지 않음을 확인하였다 [그림 3C].
그렇다면 왜 산소가 충분한 암세포 환경에서도 메트포르민의 투여가 종양 감소에 영향을 미치지 못할까? 확인을 위해 메트포르민이 처리된 종양에서 T 세포를 추출하여 분석하였다. 메트포르민이 APC (antigen presenting cells)에 coinhibitory molecule이나 tolerogenic myloid-dreived suppressor 세포의 발현량을 증가시키진 않았지만, T 세포 (CD44 hi)의 활성화를 확인시켜T세포 활성화 (T-cell activation)를 증가시킨 다는 것을 확인했다 [그림 3D]. 또한 만성적으로 활성화된 T 세포에서는 control 군에 비해 PD-1과 Tim3의 발현량이 높아짐을 확인했다. 결론적으로, 악성 종양에서는 메트포르민의 단독투여가 종양크기를 억제하진 않았지만 CD8+ T세포의 활성화를 증가시킴을 확인했다.
[그림3] 메트포르민은 종양내의 T세포 저산소증을 회복시킨다
대사환경 조절 + checkpoint blockade = Synergy
Anti-PD1 면역항암제는 MC38 세포에서 40%의 종양감소를 보였지만, B16 세포에서는 뚜렷한 감소효과를 보지 못했다. 쥐 실험에서 메트포르민과 PBS 투여군을 anti-PD1 과 병용하여 실험했는데, anti-PD1 과 메트포르민의 단독 투여군은 종양감소를 보이지 않았지만, 메트포르민과 병용 시 B16 세포에서 80%의 종양크기감소 (tumor burden)를, 또 70%의 종양제거 (tumor clearance)률을 확인했다. 또한 병용군이 단독투여군에 비해 높은 effector cytokine의 발현량과 proliferation량을 확인하였다 [그림 4A-D]
[그림 4] 메트포르민으로 대사환경을 조절하고 면역항암제 투여 시 시너지효과
마찬가지로 MC38세포에서도 메트포르민과 anti-PD1 병용군이 단독 투여군보다 높은 종양감소 효과를 보였다 [그림 4E]. 위 연구는 면역항암제에서 종양의 산소대사 (oxidative metabolism)가 하나의 장벽으로 존재함을 발견했고, anti-PD1 immunotherapy와 메트포르민의 병용투여가 단독투여보다 종양감소에 효과적임을 확인하였다.
결론
본 연구에서는 종양세포의 저산소증과 면역요법의 반응률에대한 상관관계를 확인하였으며, 다른 세포들과 마찬가지로, T 세포 활성화에 산소는 매우 중요한 대사물질임을 확인하였다. 연구팀의 기대한대로, 메트포르민과 면역항암제를 병용한 군이 control 군에 비해 종양감소 및 종양제거율이 높아짐을 관찰하였다.
메트포르민은 오랫동안 복용되어오던 안전한 약물로 인식되고 있다. 메트포르핀민의 자세한 메커니즘이 모두 밝혀지진 않았지만, 메트포르민이의 작용이 미토콘드리아의 complex I을 억제하고 AMPK sensor를 조절하는 등 다양한 기전을 통해 종양의 산소 소비량을 억제하는 한다는 기전은 학계에서 널리 알려진 사실이다. 이렇게 메트포르민처럼 면역항암제의 효과를 증폭시킬 수 있는 안전한 병용약물이 활발히 연구되어, 더 많은 암 종에서 다양한 환자들이 효과를 누릴 수 있길 기대한다.
[근거논문]
Reduction of Tumor Hypoxia Efficacy of PD-1 Blockade Is Potentiated by Metformin-Induced Cancer Immunol Res 2017;5:9-16. Published OnlineFirst December 9, 2016.
Nicole E. Scharping, Ashley V. Menk, Ryan D. Whetstone, et al.