본문

항암제 부작용을 완화할 수 있는 효과물질 규명...원광대 소홍섭 교수, 오기수 박사팀

  • AD 최고관리자
  • 조회 2854
  • 2013.10.01 23:23
국내 연구진이 현재 널리 활용중인 시스플라틴* 항암제를 이용한 암치료 과정에서 나타날 수 있는 신장독성을 완화하면서도 항암효과는 떨어뜨리지 않는 항암제 부작용 제어 후보물질을 규명했다.
     * 시스플라틴(cisplatin) : 식도암, 위암, 대장암 등 고형암 치료에 널리 사용되는 항암제, 탁월한 효과에도 불구하고 신장독성, 신경독성 등의 부작용이 나타날 수 있는 것으로 알려져 이를 극복하려는 연구가 활발함  

원광대학교 대사기능제어연구센터 소홍섭 교수, 오기수 박사 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터(MRC)지원사업 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 국제학술지 키드니 인터네셔널(Kidney International) 온라인판 9월 11일자에 게재되었다.
     (논문명 : Pharmacological activation of NQO1 increases NAD+ levels and attenuates cisplatin-mediated acute kidney injury in mice) 

시스플라틴은 80% 이상의 고형암에 적용가능한 범용적인 항암제이나 신장독성이나 이독성, 신경독성 등의 부작용이 보고되고 있다.

항암치료를 위해 투여된 약물이 암조직 이외 정상조직에도 작용할 경우 부작용이 발생할 수 있는데, 최근 이런 부작용들을 제어하기 위한 물질에 대한 연구가 활발하나 대개 항암제(시스플라틴)의 항암능력도 함께 저하시킨다는 것이 한계였다.

연구팀은 항암제 부작용을 제어할 수 있는 후보물질로, 종양성장억제물질로 알려져 민간요법에 많이 이용되는 천연물질인 베타-라파촌*을 발굴하고, 이 물질이 시스플라틴에 의한 부작용인 신장독성은 완화시키면서도 항암효과는 오히려 높인다는 것을 밝혀냈다.
     * 베타-라파촌 (β-Lapachone, βL) : 오래전부터 민간요법으로 사용되어온, 남미에서 자생하는 라파초 나무에서 분리된 생리활성물질로서, 종양성장 억제효과에 관해 연구가 이뤄졌다.

연구팀은 베타-라파촌이 세포내 독성물질 저해 단백질 NQO1을 활성화시킨다는 점에 착안하였으며, 직접 암세포를 이식한 생쥐를 이용한 실험을 실시한 결과,
   - 시스플라틴과 베타-라파촌을 함께 처리하면, 시스플라틴만 투여한 경우에 비해 신장관류 손상 등의 신장독성이 완화되고, 암 조직의 성장도 현저하게 억제됨을 알아냈다.

베타-라파촌이 활성화시키는 NQO1이 NAD+라 불리는 대사물질을 많이 만들어 내고, NAD+는 써투인1(Sirtuin1) 이라는 노화와 대사조절에 관여하는 효소의 활성을 높여 항염증반응을 이끌어 활성산소종을 제거하는 등 신장손상을 억제한다는 설명이다.

향후 시스플라틴과 베타-라파촌 병용치료의 가능성을 확인하기 위한 임상시험 등의 결과가 성공적일 경우 항암치료의 부작용 완화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

소홍섭 교수는 “신장독성 이외에도 청력손실 같은 부작용에 대해서도 효과가 있는지 연구를 계속할 예정”이라고 밝혔다.
연 구 결 과  개 요
1. 연구배경
  시스플라틴은 다양한 고형암의 치료에 널리 이용되고 있는 화학요법제이나 항암치료 과정에서 나타날 수 있는 이독성, 신장독성 및 신경말단증 등의 부작용 때문에 사용에 제약을 받고 있다. 화학요법제의 하나로서 잘 알려진 시스플라틴은 다른 항암제와 같이 암조직과 정상조직에 대한 선택성이 없기 때문에 암세포뿐만 아니라 정상세포에서도 동일한 작용기전, 즉 DNA 손상, 신장 관류세포 독성과 혈관 손상을 유도하는 염증성 사이토카인과 산화성 스트레스의 협동반응을 통하여 신장 기능의 이상을 유도하는 것으로 알려져 있다. 따라서 염증반응 및 세포사멸 과정과 밀접한 관련이 보고된 핵인자 NF-kB p65, p53의 활성화 및 번역 후 수식과정 또한 시스플라틴 매개 세포독성에서 매우 중요하다. 특히 산화성 스트레스는 시스플라틴으로 유도되는 p53 활성화에서 주요한 역할을 하며 p53의 아세틸화에 의한 활성화 반응도 시스플라틴 유도 신장 손상의 주요한 인자로 보고되었다.
  한편, NQO1은 세포질에 존재하는 항산화 플라보프로틴(flavoprotein)으로서 세포내 퀴논 화합물을 환원시켜 독성을 완화시키는 역할을 하며 이때 기질로서 NADH를 사용하고 세포내 NAD+의 양을 증가시킨다. 뿐만 아니라 항염증반응, 수퍼옥사이드 음이온 라디칼의 제거 등 다양한 생물학적 활성들에 대한 NQO1의 역할이 보고되었고 NQO1 효소를 활성화시키는 여러 활성화인자들이 발견되었으며 베타-라파촌(β-lapachone, βL)은 그 중 잘 알려진 물질중의 하나이다.
  최근 연구에서 대사 증후군의 특징적인 현상들에서 유효한 효과를 보이는 것으로 밝혀지고 있으며 동물모델에서 베타-라파촌은 NQO1의 효소활성작용을 통해 노화억제 효과와 비만 및 고혈압 조절, 혈관 재협착의 억제, 고염식에 따른 신장손상 보호 등의 기능을 나타냈다. 한편, 이러한 보고들과 함께, 세포내 NAD+ 및 NADH가 에너지 대사 및 세포의 항상성 유지에 중요한 매개인자임이 밝혀졌다. NAD+는 세포의 수명과 관련된 단백질인 써투인 (sirtuins)과 poly(ADP-ribose) transferases 및 cyclic ADP-ribose synthases 등 다양한 효소의 cofactor로 작용하기 때문에 NAD+ 의존성 단백질들의 활성화를 통하여 치료적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 보인다.
 
  Sirtuin 단백질들은 NAD+ 의존적 탈아세틸화 효소로서 식이제한과 관련된 항노화 분자들의 수식에 관련되어 있으며 포유류에서는 7가지의 유사체 (Sirt1~7)가 존재하여 각기 다른 세포내 분포를 보이고 있다. 특히, 이들 중 많은 연구가 된 Sirt1은 핵에 존재하면서 금식이나 운동 등의 에너지 스트레스 조건하에서 활성화 되는 것으로 알려져 있고 대사, 발달, 스트레스 반응, 신경생성, 호르몬 반응 및 세포사멸에 중요한 분자로 보고되었음. 최근 연구에서 Sirt1이 NF-kB p65의 탈아세틸화 반응을 통하여 염증반응을 제어하는 것으로 보고되었다.
  한편, 미토콘드리아에 존재하는 Sirt3는 열발생(thermogenesis), 미토콘드리아 기능, 에너지 유지 및 여러 스트레스에 대한 세포 생존 등을 조절하는 것으로 알려져 있으며 최근, 미토콘드리아에 존재하는 IDH2(isocitrate dehydrogenase 2)의 탈아세틸화 및 활성화와 글루타치온 항산화 방어시스템의 향상을 통하여 항산화 효과를 나타내는 것으로 보고되었다. 더욱이 Sirt3는 미토콘드리아에서 p53의 탈아세틸화 과정에 직접적으로 작용하여 미토콘드리아의 손상을 방지하는 것으로 알려져 있다.
  비록 NAD+ 의존성 분자들의 변화와 세포대사 사이의 연관성이 분명하지만 NAD+를 조절함으로서 시스플라틴 유도 신장손상에 유효한 영향을 보일 수 있는지는 확실치 않다. 본 연구에서는 시스플라틴 유도 급성 신장손상 모델에서 베타-라파촌의 보호효과를 조사하였으며 정상마우스와 NQO1이 없는 유전자변형 마우스(knockout mouse)에서 비교 분석하였으며 베타-라파촌이 시스플라틴에 의해 나타나는 신장손상 방지를 효과적으로 막을 수 있으며, 이러한 보호작용은 NQO1 효소 활성작용을 통해 Sirt1 과 Sirt3라 불리는 또 다른 단백질이 매개하는 것으로 확인하였다.
2. 연구내용
○ 시스플라틴 유도 급성 신장독성 마우스모델에서 베타-라파촌의 조절효과
  베타-라파촌은 NQO1 효소를 활성화 시키는 것으로 알려져 있기 때문에 본 연구에서도 이를 검증하기 위하여 신장 조직에서 얻은 세포질 추출물에 베타-라파촌 및 기질을 첨가하여 in vitro 효소활성 분석을 수행한 결과 NQO1을 활성화키는 것으로 확인하였다. 시스플라틴 유도 급성 신장손상 동물모델을 확립하기 위하여 마우스 복강에 시스플라틴을 주사하고 신장기능의 표준 생화학적 표지물질인 혈청내 크레아티닌 (creatinine)과 혈액 요소 질소 (blood urine nitrogen, BUN)의 양을 분석하여 기능확인을 하였고 베타-라파촌은 경구투여 방법으로 마우스에 처치하였다. 시스플라틴에 의한 혈청내 크레아티닌과 BUN의 증가는 베타-라파촌에 의해 유효하게 감소되는 것을 확인할 수 있었다(그림1).  또한 조직학적 결과를 통해서도 시스플라틴에 의한 신장 관류조직의 손상(검은색 화살표)이 베타-라파촌에 의해 현저하게 보호되는 것을 관찰할 수 있었다(그림2). 위와 같은 베타-라파촌의 보호효과는 NQO1 유전자가 제거된 유전자변형 마우스를 이용한 비교실험에서는 유의성 있는 변화를 관찰할 수 없었으므로 베타-라파촌의 기능이 NQO1 효소활성을 매개로 이루어지는 것을 확인하였다.
○ 시스플라틴 유도 신장손상 매개인자에 대한 베타-라파촌의 조절효과
  시스플라틴 유도 신장 손상에 대한 매개인자는 다양한 염증성 사이토카인(pro-inflammatory cytokines; TNF-α, IL-1β, 및 IL-6)의 증가, 활성산소종 생성 단백질 발현 및 활성화, 염증성 케모카인(infoammatory chemokine; MCP-1)의 발현, 침윤되는 염증세포(호중구 neutrophil)의 증가 및 염증반응 전사인자 NF-kB의 활성화 등으로 알려져 있다. 시스플라틴에 의한 사이토카인 및 케모카인의 증가, NOX 단백질 발현 및 활성화, 호중구의 증가 및 NF-kB의 활성화가 베타-라파촌 처리에 의해 유의성 있게 감소되는 것을 확인하였으며 NQO1이 없는 유전자변형 마우스를 이용하여 검증하였다.
○ 베타-라파촌에 의한 NQO1 효소 활성 조절 및 표적 단백질의 탈아세틸화 반응
  베타-라파촌이 NQO1 효소의 활성화를 조절하는 것으로 알려졌기 때문에 실제 이러한 활성화를 통해서 신장조직내 NAD+ 및 NADH의 농도가 조절되는지 확인한 결과, 시스플라틴에 의해 감소되는 NAD+/NADH 비율이 베타-라파촌에 의해 정상수준으로 회복되는 것을 관찰하였다. NAD+를 cofactor로 이용하는 탈아세틸화 효소인 Sirt1 및 Sirt3 단백질이 각각 핵내 NF-kB p65와 미토콘드리아내 p53의 탈아세틸화를 유도하여 시스플라틴에 의한 번역 후 수식변화를 회복시키는 것을 확인하였으며, NQO1이 없는 유전자변형 마우스에서는 이러한 탈아세틸화를 관찰하지 못하였다.
○ 시스플라틴에 의한 종양 억제효과 및 베타-라파촌의 영향
  베타-라파촌이 시스플라틴에 의한 신장손상 억제효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었지만, 실제 시스플라틴의 항암효과에는 어떠한 영향을 보이는 지 검증되지 않았으므로 암세포가 이식된 마우스에 시스플라틴과 베타-라파촌을 투여하여 종양 성장과 조절효과를 확인하였다. 마우스 방광암 세포주를 마우스 피하조직에 접종하고 시스플라틴 및 베타-라파촌을 4주 동안 투여한 후 성장되는 종양 조직의 크기와 적출된 종양의 무게 등을 분석하는 방법으로 효과를 확인한 결과, 시간 의존적으로 증가하는 종양의 부피가 시스플라틴과 베타-라파촌에 의해서 감소되는 것을 확인하였고, 1개월 치료 후의 암 덩어리의 크기가 시스플라틴과 베타-라파촌이 동시 처리된 군에서 시스플라틴 단독군 보다 더 크게 줄어 있음을 확인할 수 있었다(그림 3).
3. 기대효과
○ 항암 화학요법에서 나타날 수 있는 부작용 조절을 위한 새로운 제어기술 개발 및 새로운 선도물질 발굴
○ 항암제 부작용 제어기술 및 제어물질 개발을 통하여 암으로 인한 사망률 감소 및 완치율 증대 기대

 연 구 결 과 문 답

이번 성과 뭐가 다른가
부작용을 완화하면서 오히려 시스플라틴의 항암능력을 증가시킬 수 있는 가능성을 제시함
실용화를 위한 과제는
시스플라틴 부작용 제어 및 항암능력 상승효과에 대한 임상시험을 시행할 것에 대한 지속적인 요구가 절실히 필요함.
연구를 시작한 계기는
처음 시스플라틴 항암제가 청각손상과 더불어 신장손상을 유발함을 확인하고 이를 제어하는 방법을 찾고자 연구를 시작하던 중 베타-라파촌이 다양한 질환에 유효한 효과가 있을 것이라 추측한 대학동기의 권유로 시작함.
선의의 경쟁연구진은
한국생명공학연구원의 이철호 박사 연구팀으로서 최근 연구논문에서 활성산소종의 조절에 대한 내용으로 FRBM 및 Toxicol Lett 등에 논문을 게재하였음.
에피소드가 있다면
본 연구 시작 몇 년 전 가족 중 한 사람이 위암치료를 위해 시스플라틴 항암제를 투여 받았고 신장손상과 청력상실을 겪은 것을 직접 보고도 아무것도 할 수 없었던 생명과학자의 무기력함에 절망감을 느꼈으며, 연구가 진행되는 동안에도 주변 사람들이 암으로 인해 사망하거나 현재도 많은 고통을 받고 있는 사람들이 있으나 지켜볼 수밖에 없는 안타까운 심정임.
꼭 이루고 싶은 목표는
질병으로 인하여 사람들이 덜 고통 받고 더 좋은 질의 삶을 살 수 있도록 기여하고 싶음
upload image
그림 1. 시스플라틴 항암제를 생쥐에 주사한 후 신장손상 분석결과
  (A) 신장 조직손상을 의미하는 혈청 크레아티닌 농도
  (B) 신장 조직손상을 의미하는 요소질소의 양
  병용 처리한 경우 단독 처리시 보다 신장손상의 지표로 볼 수 있는 혈청 크레아티닌이나 요소질소의 양이 낮은 것으로 나타나 신장손상이 방지되었음을 알 수 있음.
① 정상 생쥐
② 시스플라틴 항암제 단독 처리
③ 시스플라틴 항암제와 베타-라파촌 병용처리
④ 베타-라파촌 단독 처리
upload image
그림 2. 시스플라틴 항암제를 생쥐에 주사한 후 신장조직 사진
  병용 처리한 경우 단독 처리시에 보이는 ②의 화살표로 나타낸 손상된 관류조직이 거의 관찰되지 않아 조직학적 소견으로도 신장손상이 방지되었음을 알 수 있음.
① 정상생쥐
② 시스플라틴 항암제 단독 처리
③ 시스플라틴 항암제와 베타-라파촌 병용처리시
④ 베타-라파촌 단독 처리
upload image
그림 3. 시스플라틴의 항암활성에 미치는 베타-라파촌의 영향
  암세포를 생쥐에 이식하고 한 달 후 관찰한 결과 병용 치료한 경우 시스플라틴 단독 치료한 경우보다 암 덩어리의 크기가 현저하게 작아진 것이 관찰되어 항암효과는 오히려 높아진 것을 알 수 있음.
① 암세포 동물 이식 후 무(無)치료군
② 암세포 동물이식 후 시스플라틴 항암제 단독 치료군
③ 암세포 동물이식 후 시스플라틴 항암제와 베타-라파촌 병용 치료군
④ 암세포 동물이식 후 베타-라파촌 단독 치료군
 
출처 : 브릭 의학 미래창조과학부 (2013-10-01 13:47)
트위터 페이스북 미투데이 다음요즘 싸이공감 네이트온 쪽지 구글 북마크 네이버 북마크

댓글목록