HANALL BIOPHARMA

메트포르민은 지질 저하작용을 통해 혈당을 낮춘다.

 

메트포르민은 당뇨병에 사용된 지 50여 년이 지났으며

현재 당뇨병의 1차 치료제로 쓰이고 있다.

이러한 사실은 그 효과와 안전성을 인정받았음을 의미한다.

그러나 혈당강하와 관련하여 정확한 기전은 밝혀지지 않았다.

정확히 말하면 메트포르민이 너무 많은 효과를 나타내기 때문에

“이것이 혈당을 강하시키는 확실한 기전이다”라고

꼬집어 말하기 어려웠다.

 

메트포르민 처리가 AMPK를 활성화 시키고

이를 통해 acc1과 Acc2를 인산화시킴을 밝힌 최초의 발견 이후로,

Acc1과 Acc2의 site-specific 한 인산화는 수백 건의 연구에서

메트포르민 신호의 대표적인 표지자로서 사용되어 왔다.

현재 30개 이상의 AMPK의 다른 기질들이 다양한 대사 경로에서 밝혀졌다.

최근 “McMater대 과학자들 당뇨병약의 비밀을 풀다.”라는

기사가 온라인 과학 전문 매체인 유레카앨러트(EurekAlert)에 실렸다.

이 기사에서 McMater대 과학자들이 메트포르민의 간 내 지방에 대한

효과의 미스테리를 푼 최초의 연구진이라고 말하고 있다.

 

이 연구는 Nature medicine에 발표된 것으로 Acc1과 Acc2,

이 두 가지 효소가 지질 대사와 인슐린감수성을 유지하는데

결정적임을 밝혀냈다.  

 

 

간과 근육에서 지방축적을 억제하는 것이 핵심.

메트포르민은 인슐린저항성을 개선하여

인슐린의 효과를 증강시켜 혈당을 떨어뜨린다.

그렇다면 이 인슐린저항성의 원인은 무엇일까?

지금까지 지방의 축적이 그 원인이라는 설이 유력하다.

지방이 축적되고 그로 인한 염증반응에 의해

인슐린저항성이 유도된다는 뉴스가

본지를 통해 소개된 적도 있다.

 

이번 연구의 저자인 Greg Steinberg 박사 또한

간과 근육 같은 인슐린 반응 기관의 지방축적을

인슐린저항성의 주범으로 지목하고 있다.

 

지방을 축적시키는 유전자를 조작한 쥐를 통해 확인

Greg Steinberg 박사 팀은 메트포르민의 기전 확인을 위해

지방을 축적시키는 ACC(acetyl-CoA carboxylase)라는 효소를

유전자 조작하여 메트포르민이 ACC를 통해

인슐린저항성을 개선시킴을 확인하였다.

 

ACC(acetyl-CoA carboxylase)는

acetyl-CoA를 malonyl-CoA로 바꾸어 주는 효소이다.

malonyl-CoA는 지방산 합성의 전구물질로

지방산의 합성을 유도하며

미토콘드리아의 지방산 산화를 억제한다.

즉, 지방의 축적을 유도하게 된다.

Greg Steinberg 박사 팀은 ACC의 유전자를 조작하여

AMPK에 의해 ACC가 억제되지 않는 쥐를 만들었다.

이러한 쥐는 실험기간 동안 비만이 되지는 않았지만

정상쥐에 비해 지방 합성은 증가되어 있으며

지방산의 산화는 감소되어 있었다.

이러한 특징은 점차적으로 인슐린저항과 당불내성

그리고 비알콜성 지방간의 유도에 기여했다.

이 쥐들은 또한 메트포르민을 투여하였을 때 지질 저하 효과와

혈당강하 효과를 나타내지 못하였다.

 

인슐린 반응 기관인 간과 근육에서 지질 합성이 증가할 경우

diacylglycerol (DAG)과 triacylglycerol (TAG) 등이 증가하게 되는데,

이러한 병리적인 diacylglycerol (DAG)의 증가는

비전형적인 PCK isoform을 활성화 하여 

인슐린 신호체계에 간섭을 일으켜 인슐린저항성을 나타내게 된다.

 

인슐린저항성 유발은 염증반응 또는 혈중 지질 농도의 증가가 필수적이지는 않다.

ACC의 유전자를 조작한 쥐의 인슐린저항성은

간과 지방의 마크로파지 축적, 염증 사이토카인의 양 변화

또는 혈중 유리지방산의 변화와 독립적이었다.

 

이러한 사실은 날씬한, 건강한 쥐에서도 인슐린감수성을 유지하기 위해서

인산화를 통한 ACC의 억제가 필요하다는 것을 나타낸다.

 

염증 매개 물질의 차이

 

메트포르민의 두 가지 기전- AMPK 비의존적인 당신생억제 효과와 AMPK 의존적인 지질대사 개선효과

메트포르민이 간접적으로 AMPK를 활성화 시키므로

초기에는 AMPK가 메트포르민의 치료 효과를 매개하는 것으로 생각했다.

하지만 메트포르민의 의한 급속한 효과인 당 신생억제 효과는

AMPK와는 독립적으로 발생하며 PKA를 통한 glucagon의 억제에 의해 발생한다.

 

급속한 메트포민의 처리는 양쪽 모든 유전형에서

AMPK를 활성화시킴을 확인하였다.

그러나 이는 단지 WT 쥐에서만

Acc를 인산화시키고 malonyl-CaA를 감소시켰다.

메트포르민은 WT 쥐의 간세포에서 새로운 지질의 합성을 억제하였다.

그리고 이러한 억제효과는 Ampk-β1 특이적인 활성화제인 A-769662

사용 시에도 동등하였다.

하지만 이러한 효과는 AccDKI나 Ampk-β1 deficient 간세포에서는

나타나지 않았다.

 

이러한 결과는 메트포르민의 lipogenesis에 대한 효과가 AMPK 특이적이며

AMPK가 비록 이 경로에 있어서

sterol regulatory element binding protein-1c와 fatty acid synthase의

발현을 포함하는 많은 타깃들은 억제하지만

lipogenesis의 1차적인 조절은

전적으로 acc1과 acc2의 인산화에 달려있다는 것을 의미한다.

 

병리적 지질 축적은 Pkc-ε과 Jnk 경로를 통해 인슐린저항성을 유발

 

in vivo에서 acute dose의 메트포르민 처리는

WT liver에서 lipogenesis를 ~35% 정도 억제 하였다.

이렇게 지질이 감소된 WT 쥐의 간세포에서는

membrane-associated 되고 Ser729-phosphorylated 된 Pkc-ε와

Jnk의 활성이 감소하였다.

그러나 AccDKI mice에서는 지질 감소도 Pkc-ε과 Jnk에 대해 효과도

나타나지 않았다.

이러한 사실은 세포막으로 이동한, Ser729에 인산화된

Pkc-ε과 Jnk의 활성화가 인슐린저항성을 일으키고

간 내 지질을 축적시킴을 의미한다.

 

 

 

Acc1과 Acc2를 통한 지질 축적 억제-인슐린 저항성 개선 효과가 더 중요

간 내 지질 함량의 감소에 더하여 chronic metformin treatment는

HFD-fed WT의 공복혈당을 낮추고

혈중인슐린 농도를 낮추는 경향,

그리고 내당능과 인슐린저항성의 개선 효과를 보였다.

그러나 AccDKI 쥐에서는 그렇지 않았다.

 

Acute한 메트포르민 처리에 의한 cAMP와 글루카곤 의존적인

간의 당생성의 억제는 AMPK 의존적이지 않다.

WT, AccDKI 그리고 Ampk-β1 deficient 쥐의 간세포에서

메트포르민은 cAMP에 의해 증가된 당생성을 억제하는 효과를 보였다.

 

 

Acute한 메트포르민(200 mg per kg body weight) 처리는

정상식이와 고지방식이의 WT과 AccDKI mice에서

급속하게 혈중 포도당수준을 낮추는 효과가 있었다.

하지만 chronic treatment (50 mg per kg body weight, 임상용량산정값)

용량에서는 혈당수준은 변화하지 않았다.

이는 Chronic metformin treatment 시 WT 쥐에서는

간에서의 인슐린작용을 개선시키지만

AccDKI 에서는 그렇지 않는 것을 의미한다.

 

Acute treatment (200 mg per kg body weight)

Chronic treatment (50 mg per kg body weight)

 

이러한 사실은 chronic metformin treatment에 따르는

 AccDKI과 WT 쥐의 대사적 차이가 주로 혈당강하의 Acute한 효과보다는

인슐린저항성 조절의 차이에 의해서 발생한다는 사실을 강력하게 뒷받침한다.

 

이번 연구의 의의

글루카곤에 의한 간에서의 당신생은 공복 시의 혈당을 유지한다.

그리고 이러한 조절은 제2형 당뇨병환자에게서 잘 이루어지지 않는다.

최근 메트포르민이 글루카곤에 의한 cAMP의 형성을 억제함으로써

Pka 활성과 글루카곤에 의해 간에서의 포도당생성을 억제함이 밝혀졌다.

 

이번 연구에서도 고농도의 acute dose 메트포르민에 반응하며

이러한 기작이 WT과 AccDKI 쥐 모두에서 작용함을 밝혀냈다.

하지만 이전 연구와 중요한 차이점은 이전 연구는 인슐린의 작용이 없을 때,

예를 들면 공복 시 일어나는 글루카곤 특이적인 메트포르민의 작용에

초점을 둔데 반해 이번 연구는 지속적인 메트포르민의 투여가

인슐린저항성에 미치는 영향에 초점을 맞추었다는 것이다.

 

정리하면 비만과 인슐린저항성이 있는 상태에서

메트포르민의 chronic treatment가

AMPK에 의하여 후속적으로 Acc1과 acc2를 억제함으로써

지방의 축적을 감소시켜 인슐린저항성을 개선한다는

사실에 대한 증거를 제시하였고

글루카곤에 의한 당신생을 억제시키는 기전 보다

간에서의 지질대사의 항상성을 조절하여

인슐린 저항성을 개선시키는

평행적인 기전이 더 중요함을 제시하였다.

 

Fullerton MD, Galic S, Marcinko K et al. Single phosphorylation sites in Acc1 and Acc2 regulate lipid homeostasis and the insulin-sensitizing effects of metformin. Nat Med. 2013 Nov 3. doi: 10.1038/nm.3372. [Epub ahead of print]