표적 항암제 효과를 저해하는 내성 원인 신규 규명...서울대 이호영 교수 연구팀

표적 항암제 효과를 저해하는 내성 원인 신규 규명...

서울대 이호영 교수 연구팀

미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)은 국내 연구진이 표적 항암제*의 새로운 내성 기전을 발견하여 내성으로 인한 암 재발을 억제할 수 있는 새로운 항암 치료 전략을 제시하였다고 밝혔다. 

* 표적 항암제(cixutumumab): 

암세포에 과활성화된 신호 전달 기전을 차단하여 암세포의 선택적인 성장 억제  및 사멸을 유도하는 항암제로, 기존 항암제의 부작용을 경감시킬 수 있다는 장점으로 최근 활발히 개발되고 있음.서울대 약학대학 이호영 교수 연구팀은 종양과 종양 주변의 미세환경 세포와의 상호작용을 통한 표적 항암제의 내성기전 연구를 미래창조과학부의 기초연구사업(중견연구자지원사업 및 선도연구센터지원사업)으로 수행하였으며,연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 10월 14일자에 게재되었다.논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

   - 논문명 : STAT3-mediated IGF-2 secretion in the tumor microenvironment elicits innate

resistance to anti-IGF-1R antibody

   - 저자 정보 : 이호영(교신저자, 서울대), 이지선 박사과정생(제1저자, 서울대)

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성
   ○ 표적 항암제는 암세포에서 특이적으로 활성화된 신호전달을 억제함으로써 항암 효능을 나타내며, 암 세포에 보다 선택적으로 작용할 수 있다는 장점이 있다. 

   ○ 실제 암 환자의 종양에서는 암 세포 뿐만 아니라 암 세포 주변의 미세 환경을 구성하는 세포들도 함께 발견되기 때문에, 항암제 내성 기전을 규명하려면 주변 미세 환경 세포의 영향도 고려하여야 한다.

   ○ 하지만, 암세포의 성장, 사멸, 전이 및 항암제 내성을 매개하는 중요한 신호전달 단백질로 알려진 아이지에프-1알(IGF-1R) 단백질*에 대한 표적 항암제의 내성 기전은 아직 규명되지 않았다.

   * 아이지에프-1알(IGF-1R) 단백질: 

인슐린 유사 성장인자 수용체(insulin-like growth factor 1 receptor)는 두 종류의 인슐린 유사 성장인자(IGF1, IGF2)의 결합에 의하여 활성화되는 단백질로서 표적 항암제를 통해 억제해야 하는 표적 대상 단백질 중 하나임

 2. 발견 원리
   ○ 사람 암세포를 이식한 마우스에 아이지에프-1알(IGF-1R) 단백질의 표적 항암제를 처리하자 이식한 종양의 성장은 억제되었으나 다른 장기로 전이암이 발생된 것을 발견하였다. 이에 연구팀은 표적 항암제에 의한 종양 주변의 미세환경 세포와의 상호작용이 항암제 내성에 따른 전이암 생성을 매개한다는 가설을 수립하여 연구에 착수하였다. 

   ○ 동물 실험을 통해 확인한 결과, 표적 항암제에 의하여 아이지에프-1알(IGF-1R) 단백질에 의한 신호전달이 차단되었을 때 일종의 보상 기전으로서 신호전달 단백질 스타트3(STAT3)가 활성화되고, 아이지에프2(IGF2) 단백질의 발현이 증가됨을 확인하였다.

   ○ 생성된 아이지에프2(IGF2) 단백질은 종양세포 주변의 세포들이 종양세포로 모여들어 상호작용을 하도록 유도하는 매개체인 것으로 확인되었으며, 모여든 세포들은 혈관내피세포의 증식을 촉진하여 새로운 혈관의 생성을 유도하고 이에 따라 전이암 생성이 유발됨을 확인하였다. 

3. 연구 성과
   ○ 종양 미세환경 세포와의 상호작용을 고려한 아이지에프-1알(IGF-1R) 단백질에 대한 표적 항암제의 내성 기전을 최초로 규명하였으며, 지금까지는 아이지에프2(IGF2)가 아이지에프-1알(IGF-1R)에 결합하는 성장 인자로만 인식되었으나 본 연구를 통해서 종양과 종양주변 미세환경 세포와의 상호작용을 일으켜 항암제 내성을 유도하는 매개체라는 새로운 역할을 제시하였다.

□ 이호영 교수는 “암 환자의 치료 효과 감소 및 사망률 증가의 주요 원인인 항암제 내성 및 전이암 생성을 효과적으로 차단할 수 있는 신규 표적을 제시하였다는 점에서 의미가 있다.”라고 밝히고, “특히, 항암제 처리에 의하여 개체 내에서 발생될 수 있는 종양-종양 미세환경 세포와의 상호작용을 고려한 기전 연구 및 표적 발굴이라는 점에서 임상 응용성이 높을 것으로 여겨진다.”라고 덧붙였다. 

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
  ㅇ 인슐린유사성장인자 수용체 (insulin-like growth factor 1 receptor; IGF-1R)는 암세포의 성장, 사멸, 전이 및 항암제 내성을 매개하는 중요한 신호전달로 알려져 분자표적 항암제 개발의 주요 표적으로 주목받아 왔다. 

  ㅇ 이에 따라 IGF-1R의 표적 항암제가 개발되어 여러 암종을 대상으로 임상 시험이 실시되어 왔으나, 지금까지 효과를  나타내지 못하여 암 환자의 치료에 사용되지 못하였다. 

  ㅇ 이러한 원인은 IGF-1R 표적 항암제의 내성에 의한 것으로 여겨진다. 현재까지 본 연구진을 비롯한 여러 연구진에 의하여 암세포에서의 신호전달 변화를 중심으로 IGF-1R 표적 항암제의 내성 기전이 밝혀져 왔다. 

  ㅇ 그러나 종양 세포의 성장, 사멸 및 항암제에 대한 반응성은 종양 주변 미세환경 세포의 영향을 받는다는 점을 고려할 때, IGF-1R 표적 항암제에 의한 미세환경 세포와의 상호작용 변화가 항암제 내성을 매개할 것으로 여겨지나 이와 관련된 내성기전은 밝혀지지 않았다.

 2. 연구내용
  ㅇ 예비 연구에서 IGF-1R 표적 항암제를 처리한 마우스에서 비장으로의 전이암이 발생된 점에 착안하여 본 연구진은 IGF-1R 표적 항암제에 의한 미세환경 세포와의 상호작용이 항암제 내성에 따른 전이암 생성을 매개한다는 가설을 수립하고 이를 세포주를 이용한 공배양 (co-culture) 시스템, 자기자리 종양이식 마우스 모델 (orthotopic xenograft tumor model)과 인간 면역화 마우스 모델 (humanized mouse model)을 이용한 실험동물모델 및 임상 시험 환자 조직의 면역조직화학 염색 등을 이용하여 증명하였다. 

  ㅇ 연구 결과 IGF-1R 표적 항암제에 의하여 STAT3의 활성화가 유도되어 IGF2의 발현이 증가되고 이에 따라 일련의 미세환경 세포의 상호작용이 유도됨을 확인하였다. 

  ㅇ 즉 IGF2의 생성이 증가됨에 따라 (1), IGF-2R을 발현하는 간질 세포인 섬유아세포 (fibroblast) 및 단핵 세포 (monocyte)가 IGF2를 인식하여 종양 조직으로 모여들면서 (2) 혈관신생성 (angiogenesis)을 촉진하는 사이토카인인 CXCL8을 분비하며 (3), CXCL8에 의하여 혈관내피세포가 이동하여 증식이 증가됨에 따라 (4) 종양 조직에서의 혈관 신생성이 증가되고 (5) 이에 따른 전이암 생성이 유발됨을 밝혔다 [그림 참조]. 

  ㅇ 본 연구에서는 이러한 일련의 종양 상피세포와 주변 간질세포와의 상호작용이 매개하는 내성 기전이 IGF-1R 표적 항암제의 내성 기전임을 제시하였다.

3. 기대효과
  ㅇ 종양 미세환경 세포와의 상호작용을 고려하여 IGF-1R 표적 항암제의 내성 기전을 최초로 규명하여 STAT3와 IGF2 가 종양-종양미세환경 세포 상호작용을 억제함으로서 항암제 내성에 따른 전이암 생성을 차단할 수 있는 새로운 표적이 될 수 있음을 제시하였다.

  ㅇ 성장 인자로만 알려져 있던 IGF2가 종양 주변 미세환경 세포의 상호작용을 일으켜 항암제 내성을 유도하는 매개체라는 새로운 역할을 제시하였다. 

  ㅇ 최근 개발된 인간 면역화 마우스 모델을 최초로 내성 기전 연구에 적용하여, 본 연구에 제시된 내성 기전이 실제 암 환자에서 적용될 수 있음을 증명함으로서 항암제 내성 기전 관련 연구의 발전에 기여할 수 있을 것으로 여겨진다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구진은 2000년대 중반부터 IGF-1R 신호전달을 중심으로 한 표적 항암제의 내성 기전연구를 수행해 오고 있다.  IGF-1R 표적 항암제가 개발되어 임상 시험에 진입하였으나 임상 시험 초기의 획기적인 항암 효과에도 불구하고 이후  2상 3상 임상 시험에서 뚜렷한 효과를 나타내지 못하여 많은 임상 시험에서 실패하여 암 환자에게 적용되지 못하고 있다. 

이러한 작용의 원인이 되는 항암제 기전을 밝히기 위한 예비 연구에서 IGF-1R 표적 항암제를 처리하였을 때 다른 장기 (비장)으로의 전이암이 생성된 것을 마우스 영상 촬영을 통하여 확인하였다. 이는 IGF-1R 표적 항암제에 의한 전이암 생성이 IGF-1R 표적 항암제가 임상 시험에서 효과를 나타내지 못한 원인임을 제시하기 때문에, 이러한 항암제 내성 유발에 따른 전이암 생성 기전을 규명하기 위하여 본 연구를 착수하게 되었다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구는 이호영 교수의 지도하에 박사과정 이지선 학생이 주요 실험을 진행하였고, 여러 동물실험 및 조직 분석 등의 실험은 본 연구의 공동저자들과의 공동연구로 진행되었다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 논문의 리비전 과정에서 가장 어려웠던 점 중 하나는 본 연구가 면역결핍 동물 모델에서의 연구 결과를 바탕으로 하기 때문에 이러한 과정이 IGF-1R 표적 항암제를 투여받은 환자에도 동일하게 나타날 수 있을지를 증명하는 것이었다.

이를 위해서는 사람 면역 체계를 가지고 있는 인간 면역화 마우스 모델이 필요하였고, 임상 시험에서 IGF-1R 표적 항암제를 처리 받았던 환자 조직에서 미세환경 세포의 상호작용이 일어나는지를 확인하여야 했다. 다행히 서울대학교 약학대학 신영기 교수 연구팀 및 미국 텍사스 주립대학교 MD Anderson 암연구소 (The University of Texas M. D.Anderson Cancer Center)의 William N. William Jr. 교수와의 협력 연구를 통하여 어려움을 해결할 수 있었다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구는 종양-종양미세환경 세포와의 상호작용을 매개하는 리간드, 사이토카인 등 수용성 인자에 의하여 IGF-1R 표적 항암제의 내성이 유도됨을 최초로 규명하였다. 특히 IGF-1R의 리간드인 IGF2가 IGF-1R 표적 항암제에 의하여 발현이 유도되어 일련의 종양미세환경 세포 간의 상호작용을 촉발시키는 매개체라는 점을 새롭게 밝혔다. 그리고 최근에 개발된 인간 면역화 마우스 모델을 적용하여 본 내성 기전이  IGF-1R 표적 항암제를 투여받은 환자에서 실제로 적용되어 항암제 내성을 유도하는 기전이 될 수 있음을 제시하였다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

본 연구를 바탕으로 하여, 항암제 내성 및 재발암을 근원적으로 차단할 수 있는 획기적인 방안을 수립하는 것이 최종 목표이다. 이를 위하여 암화 및 항암제 내성을 매개하는 근원적인 기전을 찾기 위한 예비 연구를 수행하고 있다. 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

본 연구의 교신저자인 이호영 교수는 미국 텍사스 주립대학교 MD Anderson 암연구소의 교수로 재직하다가 2011년 3월 서울대학교 약학대학에 부임하였고, 본 연구는 부임 직후부터 착수하여 논문 게재 확정까지 만 4년 만에 이루어졌다. 부임 초기에 연구실을 확립하며 실험을 진행하느라 많은 어려움이 있었으나, 본 연구의 공동저자들 및 본 연구와 직접적으로 관련되지는 않았으나 실험실 확립에 많은 역할을 수행한 연구원들 및 학생들의 헌신적인 노력과 협력으로 비교적 단기간에 연구를 진행할 수 있었다.  

그림 1. 본 연구 결과의 모식도로서, 본 연구에서는 1) IGF-1R 표적 항암제에 의하여 IGF2가 생성되고  2) IGF2를 인식

하여 섬유아세포와 단핵세포가 이동하면 3) 혈관 신생성을 촉진하는 사이토카인인 CXCL8이 분비되어 4) 혈관내피세포

의 이동 및 증식이 유도되고 5) 혈관 신생성으로 인한 전이암 생성이 유도된다는 것을 밝혔다

그림 2. IGF-1R 표적 항암제에 의하여 전이암이 발생되는 것을 자기자리이식 마우스 모델 (orthotopic tumor xenograft

model) 및 인간 면역화 마우스 모델 (humanized mouse model)에서 증명하였다.

그림 3. IGF-1R 표적 항암제를 처리받은 환자의 종양 조직에서 IGF2 생성 및 미세환경 세포 [대식세포 (macrophage),

섬유아세포 (fibroblast), 혈관내피세포 (vascular endothelial cells)]의 이동이 증가하였음을 면역조직화학 염색으로 확인한 결과이다

자료출처:김태식소장의 통합의학연구소