암 치료의 타깃으로 미토콘드리아 기능의 정상화-DCA

Restoration of mitochondria function as a target for cancer therapy

(암 치료의 타깃으로 미토콘드리아 기능의 정상화) 

Drug Discov Today 2015 May; 20(5): 635~643.

 

 【요지】

 

산화적 인산화의 결함은 미토콘드리아 기능 약화에서 결정적인 역할을 가지며, 미토콘드리아 기능 저하는 암세포의 치료 저항성을 부여한다. 내인성 열충격단백질(HSP) 및 디클로로아세트산 나트륨(DCA) 등의 외인성 물질을 포함한 다양한 인자가 암세포에서 미토콘드리아의 산소호흡 및 다른 생리적 기능을 회복시킨다. 미토콘드리아 기능의 정상화는 항암제에 대한 저항성의 암세포에 대한 아포토시스(세포예정사)의 회복을 가져올 수 있다. 여기에서는 암세포의 미토콘드리아 기능 부전의 주된 이유 및 미토콘드리아 기능의 회복이 암 치료에 어떻게 이용될 수 있는지를 요약한다.

 

【도입】

 

정상적인 세포 증식 및 발달에는 모든 조절성 생리적 경로의 최적 기능이 필요하며, 이러한 경로 중 하나 또는 그 이상의 결손은 세포 항상성 전체에 악영향을 미치고 있다. 성장 및 발생 신호전달 경로는 정상세포에서는 엄밀히 조절되고 있고, 외부 또는 내부의 자극에 반응하여 견딜까 저항할까 또는 죽는다.

 

이러한 신호전달 경로의 조절 이상은 당뇨병, 신경퇴행성 질환(neurodegenerative disease), 발달 이상 및 암을 포함한 많은 인간 질병에 관여하고 있다. 세포 증식 및 아포토시스(세포예정사)을 조절하는 경로의 결함은 암세포의 발생과 전이에 관여하고 있다.

 

진행성 및 전이성 악성 종양은 세포 증식의 항진과 아포토시스(세포예정사) 또는 다른 세포사의 신호전달 체계 억제를 특징으로 하고 있다. 따라서 암 치료의 현재 전략은, 이러한 2개의 프로세스를 표적으로 하여, 암세포의 증식과 전이의 진행을 지연시키는 것이다.

 

아포토시스의 결함은 암세포의 발생, 증식 및 전이의 진행에서 관찰되는 주요 세포기능 부전이다. 현재의 암 치료법은 주위의 정상 조직에 대한 독성 영향을 최소한으로 억제하면서, 암세포의 아포토시스(세포예정사)을 유도하는 것을 목표로 하고 있다. 미토콘드리아가 관여하는 아포토시스(세포예정사)는 여러 단계에서 엄밀히 조절되는 복잡한 프로세스다. 그것은 미토콘드리아에서 시토크롬C(cytochrome c)의 방출, 이어서 아폽토솜(apoptosome)의 형성 및 카스파제(caspase) 활성화에 이어, 세포사 유도를 수반한다.

 

암세포는 지방산 합성의 증가, 글루타민 대사의 강화 및 에너지 수요에 대한 호기성 해당작용에 대한 의존을 포함한 대사의 특징을 보여준다(그림 1). 암세포의 이러한 특성은 일반적으로 바르부르크 효과라고 한다. 이러한 대사 적응은 모두, 현재 암 치료에 대한 저항성 획득 및 암세포의 아포토시스(세포예정사) 저항성에 기여한다. 따라서 이러한 대사 이상을 이용하여 표적으로 하는 것은 암 치료에서 매력적인 전략이 될 수 있다.

 

미토콘드리아의 생리적 정상상태에서는 산화적 인산화가 정상으로 기능하고, 아포토시스(세포예정사) 자극에 반응하여 아포토시스를 유도한다. 정상 미토콘드리아 기능의 결함은 아포토시스 약화를 일으키고, 따라서 암세포의 증식과 진행을 촉진한다. 대부분의 연구는 암세포에 있어서 산화적 인산화의 결손이 아포토시스 저항성의 중요한 인자인 것을 보여주고 있다. 따라서 산화적 인산화에 관여하는 단백질을 포함한 다양한 단백질을 코드하는 미토콘드리아 DNA(mtDNA)의 변화는 세포의 암화에 관련하고 있다.

 

 

그림 1: 암세포의 바르부르크 효과. 호기성 해당작용은 유사 저산소 신호를 초래하고, 저산소 유도인자-1 알파(HIF-1α)의 발현을 항진시키고, 포도당 대사에 관련하는 유전자의 발현을 제어한다.

HIF-1α는 저산소증, 성장 인자 및 암 유전자를 포함한 여러 인자에 의해 유도된다. HIF-1α는 포도당 수송체 GLUT1의 발현을 유도하고, 이것은 암세포에 의한 포도당 수요의 증가를 가져온다. 또한 해당과정 효소의 발현을 항진시켜도 해당작용을 강화한다.

HIF-1α는 피루브산 탈수소효소 키나아제(PDK)의 발현을 항진시켜 피루브산 탈수소효소(PDH)을 억제하고, 피루브산의 아세틸 CoA(CoA)로 전환을 억제한다.

HIF-1α에 의한 젖산 탈수소효소 A(LDHA) 유도는, 피루브산에서 젖산 생성을 항진시키고, 이것은 HIF-1α의 다른 표적인 모노카르복시산트랜스포터-4(MTC4)에 의해 세포 밖으로 수송된다. 

디클로로아세트산 나트륨(DCA)은 PDK를 억제하고 PDH 활성을 회복시켜, 미토콘드리아에 피루브산의 침입을 가져오고, 삼카르복실산회로(TCA) 및 산화적 인산화(OXPHOS)를 재활성화한다. 

이어서, 산화적 인산화의 활성화는 활성산소(ROS) 및 α-케토글루타르산(α-ketoglutarate)의 생성을 항진시키고, 그 결과 최종적으로 아포토시스(세포예정사) 유도, 암세포의 증식 및 생존의 억제, 혈관신생 및 전이 억제, 항암제 저항성(내성)의 감소를 초래한다.

 

최근 암 치료를 위한 매력적인 전략으로 미토콘드리아 기능의 정상화에 관심이 높아지고 있다. 2-디옥시-D-글루코스(2DG), 디클로로아세트산 나트륨(DCA)), 헥소키나아제 억제제 및 젖산 탈수소효소(LDH) 억제제 등을 포함한 대사 억제제가 호기성 해당작용 경로를 특이적으로 차단하고, 미토콘드리아의 산화적 인산화를 회복시키는데 사용된다. 

그리고 이러한 치료가 다양한 암세포에 대해 유효한지가 in vitro 및 in vivo 실험에서는 나타나고 있다. 이와 관련, 디클로로아세트산 나트륨(DCA)는 세포주기 정지 및 아포토시스(세포예정사)을 유도하는 것에 의해, in vitro 및 in vivo에서 다양한 암세포의 증식 및 성장을 억제하는 것으로 나타났다.

 

디클로로아세트산 나트륨(DCA)은 150 달톤의 작은 분자이며, 뇌 조직을 포함한 모든 주요 조직 타입으로 이행할 수 있다. 

따라서 정상세포와 암세포 사이의 대사의 차이를 표적으로 하는 것은, 암 치료에 있어서 합리적인 접근이다. 

여기에서 중요한 대사 변화와 암 제어에 미치는 영향, 그리고 DCA 등의 작은 분자에 의한 미토콘드리아 기능의 회복이 암 치료에 있어서 실현 가능한 어프로치인지 여부에 대해 검토한다.

 【정상세포와 암세포의 대사의 차이】

 암세포는 여러 가지 중요한 대사 측면에서 정상세포와 다르고, 세포증식과 생존을 위해, 호기성 해당작용과 글루타민 분해와 지방산 합성을 항진시키고 있다. 에너지 수요를 충족시키기 위해 정상세포는 미토콘드리아 내 삼카르복실산회로(TCA)를 통해 포도당을 산화하고, 포도당 1분자 당 30개의 ATP를 생성한다. 대조적으로, 암세포는 해당작용에 크게 의존하여 세포질에서 포도당 1분자 당 2개의 ATP를 생성한다.

 

따라서 암세포는 포도당 수송체를 늘리고 세포에 포도당 섭취를 늘려, 그 에너지 수요를 충족한다. 오토 바르부르크(Otto Warburg)는 이러한 변화를 최초로 관찰하고, 암세포의 호흡기능 장애가 미토콘드리아 내 TCA 회로에 의한 포도당 산화를 감소시키고 있다고 가정하고 있다. 더불어, 해당작용의 증가는 포도당신생합성, 지질 대사 및 NADPH와 동화반응에 필요한 물질을 생성하는 오탄당인산 경로에 대한 대사 산물도 제공한다.

 

암세포와 정상세포와의 대사에 있어서 이 같은 생물학적인 차이는, 암 치료 개발의 잠재적인 가능성을 제공한다. 대부분의 암세포는 산소 부족이기 때문에 포도당 산화를 방해되는 저산소 환경에서 발생하고, 해당작용은 유일한 에너지 생성 메커니즘이다. 저산소증은 일부 포도당 수송체 및 피루브산 탈수소효소 키나아제(PDK)를 포함한 해당작용에 필요한 효소 발현을 항진시키는 저산소 유도인자-1 알파(HIF-1α)의 발현 유도를 초래한다.

 

활성화된 PDK의 존재 하에서는 피루브산 탈수소효소(PDH)가 억제되어 피루브산이 미토콘드리아로로 이행이 제한된다. PDK의 활성화는 해당작용을 통해 포도당을 젖산으로 변환한다. 한편, PDK의 억제는 미토콘드리아 호흡에 의한 포도당 산화를 회복시킨다. 따라서 발암 과정에서 호기성 해당작용의 강화는 암세포의 증식 및 전이의 진행을 촉진한다. 이러한 작용은 암세포의 아포토시스(세포예정사) 내성 획득의 이유 중 하나로 여겨지고 있다.

 

결론적으로, 저산소증에 대한 적응응답으로 해당과정의 항진은 최종적으로 암세포를 아포토시스 저항성으로 한다.

 

【암세포에서 해당과정과 아포토시스(세포예정사) 내성】

 

암세포의 대사 변화나 해당과정의 항진은 아포토시스(세포예정사) 저항성과 밀접하게 관련되어 있다. 많은 암세포에서 헥소키나아제의 발현은 항진하고, 활성화되어, 미토콘드리아로 이행하여 미토콘드리아 개재성의 아포토시스(세포예정사)를 억제한다.

 

암 촉진인자(c-myc, Akt)의 활성화, 암 억제인자(p53/포스파타아제, PTEN)의 돌연변이 및 저산소 상태 등 많은 요인이 몇 가지 중요한 해당과정 인자(예를 들어 헥소키나아제 활성화)을 조절하는 것으로 보고되고 있으며, 이들은 암세포를 아포토시스 저항성으로 한다. 실제로 헥소키나아제 II는 암세포에서 Epigenesis 메커니즘 또는 HIF-1을 통해 발현이 항진하고 있고, c-Myc의 발현 항진은 항암제 저항성(내성)과 관련하여 다양한 유형이 암 예후 마커로 인식되고 있다.

 

헥소키나아제 II의 발현과 피루브산 탈수소효소 키나아제 1(PDK1)에 의한 피루브산 탈수소효소(PDH)의 불활성화가, 세포 호흡을 억제하는 것을 생각하면, PDK-PDH 회로는 해당작용과 산화적 인산화 사이의 에너지 대사의 바뀜을 제어하는 ​​중요한 역할을 담당하고 있다. 피루브산 탈수소효소 키나아제(PDK)는 ATP를 이용하여 피루브산 탈수소효소(PDH)을 인산화하여 활성을 억제하지만, PDH 포스파타아제(phosphatase)는 PDH를 탈인산화하여 그 활성을 회복시킨다. PDH의 활성은 피루브산을 아세틸 CoA로 변환하여, 피루브산의 미토콘드리아로에로 이행을 촉진한다.

 

따라서 활성화된 PDK의 존재 하에서 PDH는 억제되고, 포도당(글루코스)은 해당작용을 통해 젖산으로 변환된다. PDK가 억제되면 PDH가 활성화되어 TCA를 통한 포도당의 산화가 미토콘드리아에서 항진한다. PDK1-4(PDH의 세포 내 억제제)의 발현 항진는, PDH 활동을 억제하고 암세포의 호기성 해당작용을 항진시킨다. 따라서 PDK-PDH 신호전달 경로를 표적으로 하는 것은 암 치료에 있어서 중요한 전략이 된다. 암세포에 있어서 PDK3의 과잉 발현은 해당작용으로 대사 스위치를 촉진하고, 약제 내성 및 암 재발을 증가시킨다. 대장암 세포에서 디클로로아세트산 나트륨(DCA)에 의한 PDK1-4의 억제는 PDH 활성을 강화하고, 산화적 인산화의 항진을 초래하고, 세포 증식의 감소, G2/M기에서 세포주기 정지 및 아포토시스(세포예정사)의 증가를 일으킨다.

 

따라서 해당과정의 항진은 암세포의 아포토시스(세포예정사) 저항성을 강화하기 때문에, PDK-PDH 신호전달계는 암 치료에 있어서 중요한 타깃(표적)이 된다.

 

【종양 형성에서의 미토콘드리아 조절】

 

Hanahan과 Weinberg에 의해 기술된 암 특징 중에서 에너지 대사의 재프로그램은 중요하며, 발암에 기본적인 역할을 하고 있다. 미토콘드리아와 전반적인 세포 생리와의 관계는, ATP 생성에 한정되지 않는다. 미토콘드리아는 정상세포 항상성에서 중요한 활성산소(ROS) 생성, 칼슘 이온의 항상성 유지 및 프로그램 세포사(아포토시스)을 조절한다.

 

미토콘드리아는 세포 전체의 생리적 스트레스의 레벨을 감지하고 카스파제(caspase) 활성화 및 세포사 유도를 초래하는 다양한 아포토시스 유도인자(시토크롬C를 포함)의 방출을 조절한다. 미토콘드리아 기능에 중요한 미토콘드리아 DNA 변이나 결손, 핵 유전자에 코드되는 미토콘드리아 단백질의 이상(異常)은 암세포 발생과 밀접하게 관련되어 있다.

 

미토콘드리아 DNA의 변이는 산화적 인산화에 관여하는 단백질 복합체, 활성산소의 생성능, 칼슘 이온의 항상성 및 아포토시스(세포예정사) 유도능을 포함한 미토콘드리아 기능의 많은 측면에 영향을 미치고, 그들은 해당과정의 항진과 산화적 인산화의 억제에 의해 더욱 악화한다. 암세포의 해당과정 항진은 미토콘드리아에서 산화적 인산화를 억제하고, 아포토시스(세포예정사) 내성 및 세포 생존의 항진과 관련하고 있다. 미토콘드리아 개재성 세포사 유도는 미토콘드리아의 에너지 생성에 의존하고, 이것은 해당과정 항진에 의해 억제된다.

 

아포토시스 유도인자는 정상 미토콘드리아 내부에서 보호되고, 미토콘드리아 천이 기공(mitochondrial transition pores: MTP)의 개방 시 세포질로 방출되어 아포토시스(세포예정사)을 유발한다. MTP의 입 벌림은 활성산소 및 미토콘드리아 탈분극 증가에 의해 일어난다.

 

전자 전달 사슬(electron transport chain)에서의 전자 유입은 활성산소 생성 및 산화환원 상태를 결정하고, MMP(Matrix metalloproteinase)의 활성을 제어한다. 전반적인 산화환원 상태는 TCA회로에서 NADH와 FADH2 전자 공여체 생성에 의존한다. 해당과정의 항진과 미토콘드리아으로 피루브산 이행 저지는 아세틸-CoA 생성을 억제하고, 이것은 TCA회로와 전자전달계를 모두 약화시켜, 미토콘드리아 천이 기공(MTP) 폐쇄 및 아포토시스(세포예정사) 억제를 일으킨다.

 

미토콘드리아는 세포 내 칼슘 이온의 섭취와 Mn-SOD (Manganese Superoxide Dismutase)에 의한 미토콘드리아에서의 슈퍼옥사이드에서 과산화수소(H2O2) 생성을 포함한 다른 메커니즘을 통한 아포토시스(세포예정사) 조절에도 관여하고 있다. 과산화수소(H2O2)는 자유롭게 확산하고, 원형질 막의 K + 채널을 활성화하고, Ca2+의 유입을 조절하고 이를 통해 카스파제(caspase) 활성을 제어한다. 또한 미토콘드리아에서 핵으로 역행성 신호전달은 아포토시스(세포예정사) 유도 및 에너지 대사 이외의 세포 생리학의 많은 측면을 조절한다.

 

미토콘드리아 역행 신호전달(Ca2 + 신호전달 포함)은 종양 형성에 좋은 상태의 세포 대사를 촉진하는 유전적 및 Epigenesis 메커니즘을 조절한다.

 

【미토콘드리아 기능의 HSP 제어】

 

고도로 보존 된 단백질의 슈퍼 패밀리인 분자 샤페론(molecular chaperone)는 단백질 폴딩(folding) 및 재접이식(refolding)의 과정을 지원함으로써, 적절한 세포 내 항상성을 유지함과 동시에, 결함 또는 폴딩 이상의 단백질을 분해를 위해 지향하는 것을 돕는다. 이러한 단백질 항상성의 유지는 세포 생존 및 기능에서 중요한 역할을 한다.

 

proteostasis로 알려진 단백질 항상성은 진화적으로 보존된 프로세스며, 소포체 스트레스 반응(UPR)으로 알려진 복잡한 신호전달 경로를 포함한다. 소포체 스트레스 반응(UPR)은 세포의 항상성을 유지하기 위해 스트레스에 반응하여 활성화되는 고도로 조정된 신호전달 프로세스이다. UPR은 다른 세포 내 소기관의 폴딩기구와는 독립하여, 또는 협력하여 세포질이나 소포체(endoplasmic reticulum), 미토콘드리아 단백질의 품질을 제어하고 있다.

 

세포질 내의 UPR은 열충격 반응(heat shock response: HSR)이라고 하며, HSP70 및 HSP90 단백질에 의해 조절된다. 세포질의 HSP70과 HSP90은, 정상적인 생리조건 하에서 열충격단백질 인자 1(HSF1)과 결합하고 있지만, 스트레스에 반응하여 두 개의 샤페론은 HSF1에서 분리된다. 이어서 방출된 HSF1은 핵으로 이행하고, 스트레스를 약화시키는 HSP의 발현을 항진시킨다. HSF1은 암세포의 해당작용을 촉진하여 에너지 대사를 변경하고, LDH-A의 발현을 항진시켜 암세포의 생존 및 증식을 이끈다. HSF1은 포도당 섭취, LDH 활성 및 젖산 생성을 증가시켜, 암 치료에 대한 저항성 획득에 관여한다. 따라서, 그것은 암세포에 대한 중요한 치료 표적으로 인식되고 있다. 최근 HSP도 호기성 해당작용을 표적으로 하고, 암세포의 증식을 억제하는 것으로 나타났다.

 

HSP40은 피루브산 키나아제 근육 동질효소 2(PKM2:Pyruvate kinase isozymes M2) 동형단백질(isoform)에 결합하고 불안정화되고, PKM2 매개성 PDK1 발현 억제와 거기에 계속되는 암세포 증식 억제를 초래한다. HSP70과 같은 미토콘드리아 HSP는 허혈-재관류 손상(ischemia-reperfusion injury)에 의한 활성산소에 의한 손상으로부터 미토콘드리아를 보호하고, 미토콘드리아 복합체 활성의 보존과 ATP 생성을 유지한다. 세포질의 스트레스 반응(HSR)에 관여할 뿐만 아니라, HSP70은 미토콘드리아 UPR(UPRmt)에도 관여하고 있다.

 

미토콘드리아의 HSP70을 포함한 사전배열 translocase관련 import-motor (HSP70-containing presequence translocase-associated import-motor: PAM) 복합체는 매트릭스에 들어오는 단백질을 직접 폴딩하지만, 매트릭스 속의 HSP60-HSP10 폴딩기구도 단백질의 폴딩, 항상성 유지 및 미토콘드리아의 품질 관리에서 중요한 역할을 한다. 이 폴딩기구의 결함, 단백질 품질관리(protein quality control: PQC) 프로테아제에 의해 인식되고, 미토콘드리아 스트레스 반응(UPRmt)의 활성화로 이어지고, 이것은 미토콘드리아 내 또는 그 주변에서의 여러 활동에 의해 활성화 될 수 있다(예를 들어, ROS 생성 증가 또는 미토콘드리아 DNA나 핵 DNA에서 코드되는 단백질 합성 이상에 따른 산화적 인산화의 결손 등).

 

지속적인 미토콘드리아에서의 스트레스 반응은 최종적으로 세포사 프로그램의 활성화를 가져올 수 있다. HSP60 및 다른 HSP가 미토콘드리아 기능 및 품질관리 유지에 중요한 역할을 하는 것을 감안할 때, HSP의 개조는 암 치료의 새로운 표적이 될 수 있다. 실제로 미토콘드리아에서 HSP60의 고아세틸화에 의한 배제는 암세포의 세포사의 증가와 관련하고 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서 HSP는 암 치료의 새로운 표적이 된다.

 

【암 치료의 가능성이 있는 미토콘드리아 표적】

 

미토콘드리아의 정상적인 생리학적 상태는 스트레스 반응중의 세포 항상성(homeostasis) 및 아포토시스(apoptosis) 유도에 중요하다. 아포토시스 유도에는 미토콘드리아 막 투과화(mitochondrial membrane permeabilization: MMP)가 필요하며, 이것은 외부 및 내부 모두 미토콘드리아 막 투과성을 포함한다. MMP를 조절하는 약은 외부의 MMP 또는 내부의 MMP 또는 그 모두에 영향을 미친다.

 

외부 미토콘드리아 막의 완전성은 진화적으로 보존된 B 세포 림프종 2(Bcl-2) 패밀리 단백질에 의해 조절된다. Bcl-2 및 Bcl-xL 단백질은 미토콘드리아에서 아포토시스 유도인자의 방출을 방지하지만, Bcl-2 관련 X 단백질(Bax) 및 Bcl2-길항제(안타고니스트)/킬러(Bak) 등의 아포토시스 촉진성 Bcl-2 멤버는 외막의 미토콘드리아 막 투과화(MMP)를 유도하여, 미토콘드리아에서 아포토시스 촉진인자를 방출한다. Bcl-2 패밀리의 멤버는 단독으로 또는 다른 인자와 조합시켜 작용하여 미토콘드리아 외막의 투과성을 조절한다. 따라서 세포사 또는 생존의 결정은 이 두 프로세스 사이의 균형 및 경쟁에 의존한다. 이 균형을 미토콘드리아 막 투과성을 항진시키는 방향으로 향하게 하고 아포토시스 촉진인자의 방출 및 후속 세포사 유도를 일으키는 신규 약제는 암 치료에 도움이 된다.

 

많은 고형암에서 Bcl-2가 과잉발현되고, 아포토시스 저항성을 부여함으로써 아포토시스를 유발하는 기존의 치료법의 효과를 방해하는 것으로부터, 암세포에서 Bcl-2 유발 아포토시스 내성을 극복하기 위해 많은 전략이 검토되었다. 또한 미토콘드리아 DNA는 중요한 산화적 인산화 단백질을 코드하고 있기 때문에, 미토콘드리아 DNA의 복사 수 조절도 암 치료의 표적이 될 수 있다. 실제로, 미토콘드리아 DNA는 여러 화학요법 제제에 반응하는 암세포의 감수성을 결정하는 역할을 담당하고 있는 것으로 나타났다. 대부분의 약은 포유류 세포에서 미토콘드리아 DNA의 고갈을 일으키고, 잠재적인 항암 활성에 대해 시험할 수 있다. 예를 들어, 시프로플록사신(ciprofloxacin)과 같은 4-퀴놀론계 항생제는 미토콘드리아 기능의 파괴와 관련되는 mtDNA의 상실을 일으킨다.

 

층간(Intercalation) 항암제 ditercalinium과 같은 친유성 양이온은 배양된 포유류 세포에서 DNA 중합효소 감마활성을 억제함으로써 미토콘드리아 DNA의 선택적인 고갈을 일으킨다. 이 약은 미토콘드리아에 선택적으로 축적되기 때문에 브로민화 에티듐(ethidium bromide)보다 미토콘드리아에 선택성이 높다. 레스베라트롤(resveratrol)은 암세포의 아포토시스 유도 사이에 미토콘드리아 DNA를 고갈시키는 것으로 나타났다. 또한, 시스플라틴(cisplatin)은 게놈 DNA와 비교하여, 미토콘드리아 DNA와의 결합이 강하고, 미토콘드리아 기능 장애 및 아포토시스를 일으킨다. 따라서, 항암제에 의한 미토콘드리아 DNA의 고갈 또는 미토콘드리아 DNA와 항암제의 결합은, 암세포의 아포토시스의 조절에 있어서 미토콘드리아 DNA의 관여를 시사하고 있다.

 

산화적 인산화(Oxidative phosphorylation: OXPHOS)는 암 치료에 다른 유망한 미토콘드리아 표적이다. 이와 관련하여 반대의 메커니즘을 갖는 두 개의 어프로치가 시사되어, 암세포의 아포토시스 유도를 달성하기 위해 이용되고 있다. 하나의 어프로치는 산화적 인산화를 활성화하여 활성산소 생성을 높이고, 그 결과 산화 스트레스에 의해 아포토시스를 유도하는 방법이다. 또 다른 어프로치는 해당과정의 억제와 산화적 인산화의 억제를 동시에 행함으로써 에너지 생성 전체를 억제하여, 고도로 증식하는 암세포를 사멸시키는 방법이다.

 

저포도당 조건 하에서는 포스콜린(forskolin)에 의한 미토콘드리아 활성 자극은, 매우 낮은 레벨의 산화적 인산화 억제제에 감수성이 높아져 아포토시스가 유도된다. 암세포는 미토콘드리아 기능 결함 때문에, 기존의 치료 전략에 저항성을 나타낸다. 사실, 디클로로아세트산 나트륨(sodium dichloroacetate: DCA)에 의한 산화적 인산화의 기능 회복은, 활성산소의 생성을 늘리고, 아포토시스에 의한 세포사를 유도한다.

 

추가 연구는 산화적 인산화의 기능 회복이 현재의 치료법에 대한 종양 세포의 내성을 극복할 수 있다는 생각을 지지하고, 산화적 인산화를 표적으로 하는 여러 약제의 개발이 행해지고 있다. 이 약은 세포사를 유도하고, 세포 증식을 억제한다. 예를 들어, 로사민(rosamines)과 그 유도체는 다양한 타입의 암세포에서 산화적 인산화를 타깃으로 하여 독성을 발휘한다. 또한 간세포 암에서 피루브산 탈수소효소 억제에 의한 산화적 인산화의 활성화는 소라페닙(sorafenib) 내성을 극복하고 더 강한 암 축소를 가져온다.

 

【잠재적인 항암 전략으로 디클로로아세트산 나트륨(DCA)에 의한 미토콘드리아 기능의 회복】

 

미토콘드리아의 기능 부전이 암세포에서는 일반적임을 감안할 때, 암세포의 미토콘드리아 기능의 회복은 암 치료에 효과가 있다. 암세포의 미토콘드리아는 정상세포의 미토콘드리아에 비해 과분극하고 있고, 활성산소 레벨의 저하, 세포 내 Ca2+ 증가, Kv채널(Kv1.5) 및 MTP 폐쇄, 활성화 T세포의 핵인자의 활성화(nuclear factor of activated T cells: NFAT), 항 아포토시스 인자 Bcl-1의 발현 항진, 호기성 해당작용의 항진 등의 특징을 가지고 있다. 암세포의 해당과정 항진은 헥소키나아제 레벨의 증가를 가져오고 헥소키나아제는 미토콘드리아로 이동하여, 미토콘드리아의 과분극 및 아포토시스 억제를 초래한다.

 

암세포의 이러한 사상(事象)은 최종적으로 증식 항진, 생존 강화 및 아포토시스 감소를 가져오고, 기존의 항암제에 반응하는 세포사 유도에 저항성을 일으킨다. 미토콘드리아 기능을 재활성화하는 것에 의해 이러한 요소가 역전하고, 호기성 해당작용의 억제와 동시에 암세포의 아포토시스가 일어나게 된다.

 

호기성 해당작용을 행하거나 또는 포도당 산화를 행하는지의 결정은 PDH-PDK 및 LDH 조절회로 상호작용 전체에 의존한다. PDK를 억제함으로써 PDH를 활성화하는 것 및 LDH 활성을 억제하는 것은 피루브산의 미토콘드리아로의 이행을 증가시켜 산화적 인산화 및 전자전달계를 재활성화하고 활성산소의 생성, 미토콘드리아에 Ca2+ 유입 및 아포토시스의 유도를 가져온다. TCA회로에 연료를 공급하기 위해 피루브산을 미토콘드리아로 이행하는 것에 의해 포도당 산화를 증가시키는 약제는, 산화적 인산화(OXPHOS)를 재활성화하고 활성산소의 생성을 늘리고, 암세포의 아포토시스를 유도한다.

 

디클로로아세트산 나트륨(DCA)은 강제적인 포도당 산화(glucose oxidation)를 유도하고, 산화적 인산화 및 미토콘드리아 활성을 재활성화한다. 디클로로아세트산 나트륨(DCA)은 저렴하고 40년 넘게 인간에 사용되어 왔다. 암세포를 억제하기 위해 DCA 사용에 관한 조사보고 이후, 많은 암을 치료할 가능성을 지적하는 여러 연구가 발표되었다. DCA는 미토콘드리아 이상이 적고, 미토콘드리아 과분극(mitochondria hyperpolarization)이 부족한 신경아세포종(neuroblastoma) 세포에서는 효과가 낮은 것으로 밝혀졌다.

 

그러나 DCA는 분화도가 높은 악성도가 낮은 신경아세포종과 비교하여, 악성도가 높은 신경아세포종 세포에 대해서는 항암 효과를 나타내는 것으로 최근 보고되었다. 이 같은 결과는 DCA가 신경아세포종에 대한 새로운 치료제로 사용될 수 있음을 실증하기 위한 추가 조사를 필요로 한다.

 

DCA에 의한 해당과정 억제는 전이성 유방암세포의 증식을 억제하고, 쥐 유방암세포의 폐 전이를 억제하는 것으로 나타났다. T세포 림프종에 대한 DCA의 항종양 작용은 종양세포의 생존을 억제하는 pH항상성 및 포도당 대사의 변화와 관련하고 있는 것으로도 나타났다.

 

DCA는 PDH를 활성화하고, 피루브산의 미토콘드리아로 이행 증가를 가져오고, 이어서 포도당 산화의 증가가 미토콘드리아 기능 회복을 유도한다. DCA는 활성산소 생성 및 NFAT의 활성화를 통해 아포토시스 유도 작용을 매개하고, 미토콘드리아에서 세포질로 시토크롬C와 아포토시스 유도인자(AIF) 등 아포토시스 인자 방출을 가져온다.

 

DCA는 종양의 저산소 상태 하에서 HIF-1α 의존성 적응 반응을 파괴하고, 산소 농도가 정상인 정상 조직에 대한 독성 위협을 일으키지 않고, 저산소 종양세포를 죽이도록 디자인된 화학요법의 효율성을 높인다.

 

DCA는 PDK의 억제에 의해 포도당 산화를 회복시킴으로써, 비소세포 폐암, 유방암 및 교모세포종 암세포주에서 아포토시스를 유도한다. 그 후, 같은 메커니즘을 통해 자궁내막암세포와 전립선암세포에 DCA가 아포토시스를 유도하는 것도 보고되었다. 암세포에 대한 DCA의 항암 작용의 분자 메커니즘은 완전히 밝혀져 있지 않지만, 미토콘드리아 호흡의 회복은 암세포의 증식 억제 및 아포토시스 유도를 일으키는 중요한 메커니즘 중 하나라고 생각된다.

 

DCA는 Bim, Bad, Puma, Noxa 등의 BH3-only 단백질의 활성화를 일으키는 Forkhead box O3(FOXO3)과 p53을 유도한다. 이처럼, DCA 처리에 의한 BH3-only 단백질의 발현 증가는, Bax활성화 및 시토크롬C 방출을 가져오고, 암세포의 아포토시스 유도를 일으킨다.

 

DCA는 ROS 생성을 강화하고, Akt-mTOR 신호전달계의 억제를 통해 오토파지(자가소화작용(Autophagy))를 유도한다. DCA의 항암효과는 세포사 유도뿐만 아니라, 암세포 증식 억제도 포함된다.

 

【DCA는 내성을 극복하고 암 치료 중에 상승효과를 나타낸다】

 

디클로로아세트산 나트륨(DCA)은 암세포의 항암제 감수성을 높이기 때문에, 항암제 치료의 효과를 높일 목적으로 사용할 수 있다는 것으로 보인다. 예를 들어, DCA는 백금유도체 항암제의 세포독성을 강화하고, 비소세포성 폐암과 유잉육종(Ewing sarcoma) 및 난소암과 같은 시스플라틴 화학요법에 대해 저항성(내성)의 암을 포함한 암 치료에 병용할 가치가 있다.

 

DCA와 시스플라틴의 병용은 대사를 호기성 해당작용에서 산화적 인산화로 이행하는 것에 의해, HeLa세포의 증식을 상승적으로 억제한다. 또한, 오메프라졸(프로톤펌프 억제제: PPI) 및 타목시펜과 조합한 DCA가 악성 종양에 대해 상승적인 항증식 효과를 나타낸다는 증례 연구가 보고되었다.

 

DCA는 시험관 내 및 생체 내 시험에서 활성산소 레벨을 높임으로써, 아드리아마이신 유도성 간암 세포사멸을 강화한다. 흥미롭게도, DCA의 존재 하에서 다양한 항암제에 대한 감수성 강화는, 포도당 대사의 재프로그래밍(reprogramming), pH레벨의 변동, ROS 생성 항진 및 생존 경로의 조절을 필요로 하는 종양 미세환경의 조절에 기인한다.

 

다발성 골수종(multiple myeloma) 모델에서는 DCA는 호기성 해당작용을 억제하고, 슈퍼옥사이드 생성 및 아포토시스를 유도하여, G0/G1 및 G2/M 세포주기 정지를 통해 증식을 억제함으로써 볼테조밉(bortezomib)에 대한 감수성을 높였다. 간세포 암에서 암세포는 생체 에너지 환경을 조절함으로써 소라페닙(sorafenib)에 저항성을 나타낸다. DCA는 PDK의 억제를 통해 산화적 인산화를 활성화하여, 그러한 저항성을 극복했다. 마찬가지로, DCA는 저산소 조건 하에서 구강암세포에서 PDK1 매개 탁솔 내성을 극복했다.

 

DCA와 카페시타빈(capecitabine)과의 조합은 B16 흑색종 동종 이식편 및 인간 비소세포 폐암세포 A549 이종 이식편 종양에서 암세포 아포토시스를 유도했다. DCA는 5-플루오로우라실(5-FU)과 조합하여 인비트로(in vitro)에서 대장암에서 세포 증식을 상승적으로 억제하고 아포토시스를 유도했다.

 

최근 베툴린산(betulinic acid)과 DCA의 에스테르 유도체인 공동 약 Bet-CA가 다양한 세포 유형에 대해 유망한 항암 효과를 나타내며, 또한 흑색종의 종양 증식 및 폐 전이를 감소시켰다. (A potent tumoricidal co-drug 'Bet-CA'--an ester derivative of betulinic acid and dichloroacetate selectively and synergistically kills cancer cells. 상세자료는 이곳에)

 

DCA는 고포도당 조건 하에서 암세포의 포도당 대사를 재프로그래밍하여 메트포르민(metformin) 세포독성을 강화하여 아포토시스를 유도했다. 이것은 해당작용과 OXPHOS(산화적 인산화) 모두를 표적으로 하는 것에 의한 에너지 대사 전체의 억제가 암세포 사멸을 가져올 것을 시사하고있다.

 

또한 DCA와 메트포르민의 병용은 ROS(활성산소) 생성 증가 및 메트포르민 의존성 젖산 생성의 감소를 통해, 유방암세포의 아포토시스를 상승적으로 유도했다.

 

【DCA 의존성 미토콘드리아 기능 회복은 혈관신생 억제로 이어진다】

 

고형 종양은 직경이 2~3mm까지 성장하면 영양소의 확산과 가스 교환이 제한되어 있기 때문에, 이것을 넘어서는 성장은 멈춘다. 암세포의 바르부르크 효과 또는 OXPHOS의 억제는 가짜 저산소 신호의 유도를 가져오고, HIF-1α 발현을 항진시켜 종양의 신생혈관 성장을 동원하여 혈관신생을 촉진한다. 정상 산소 상태 하에서 HIF-1α의 발현 항진은 포도당 수송체, 해당과정 효소 및 LDHA의 발현을 항진시키고, 해당과정 표현형의 유도를 일으킨다.

 

또한 HIF-1α는 PDK1의 발현을 저산소 조건 하에서 유도하고, PDH 활동을 억제하고 호기성 해당작용에서 대사를 이행시킨다. 흥미롭게도, HIF-1α는, 호흡효소 복합체 IV의 기능을 조절뿐만 아니라, 그 독성 효과를 피하기 위해 ROS 레벨을 저하시킨다. 이 전체적인 시나리오는 종양의 성장, 진행 및 전이를 유도한다.

 

종양의 혈관신생은 암 치료에 있어서 중요한 표적인 것으로 되어있다. DCA를 15개월간 경구 투여한 교모세포종 환자에서는 DCA는 PDK II를 억제함으로써 HIF-1α을 억제하고, in vivo 및 in vitro 모두에서 혈관신생을 억제했다. 최근 DCA는 비소세포 폐암 및 유방암 이종 이식 모델에서 가짜 저산소증 유발 HIF-1α 매개 종양 혈관신생을 억제하는 것으로 보고되었다.

 

현재의 치료법에 대한 내성은 다양한 메커니즘 및 저산소 적응에 기인하지만, 종양 혈관신생 억제는 종양 조직의 저산소를 항진시켜, HIF-1α의 발현을 항진하여 다시 미래 치료에 저항성을 획득한다. 따라서 저산소 종양 환경을 역전시키는 것은, 기존 치료법을 이용해도 이러한 저항성(내성)을 극복하기 위한 흥미로운 전략일 수 있다.

 

DCA는 교모세포종 이식 모델에서 미토콘드리아의 산소호흡을 항진시켜 항종양 효과를 높임으로써 베바시주맙(bevacizumab: 아바스틴)에서 저산소 적응을 반전시킬 수 있다.

 

DCA 및 Silencing strategy(침묵전략)을 이용한 HIF-1α-PDK III 신호전달계를 표적으로 하는 것은, 흑색종의 산화적 대사를 재활성화시키는 것으로 보고되었으며, 따라서 엘레스클로몰(elesclomol)과 같은 프로옥시던트(prooxidant) 치료 활성을 강화한다.

 【DCA에 의한 방사선 유발 노화의 억제는 해당작용 억제와 관련】

 종양세포에서 방사선 유발 노화는, 노화 관련 분비 표현형(SASP, senescence-associated secretory phenotype)을 통해 종양원성 니치를 만들어 내는 메커니즘 중 하나이다. 이 프로세스에서 종양 미세환경에서 젖산 생성은 종양 생존 및 성장을 유도한다.

 

DCA는 해당작용을 억제함으로써 방사선 유발 노화를 억제하고, 정상세포가 아닌 종양 세포에서 방사선 유발 아포토시스를 강화한다. 그러나 그것은 또한, 종양 조직의 저산소증을 유도하고, 인비트로에서 종양 증식의 방사선 유도 억제의 역전에 기여하고 있다. 그림1은 DCA의 항암 효과를 정리한 것이다.

 

【암에서 DCA의 임상적 의의】

 암 치료에서 DCA의 유효성에 대한 공적(public) 및 과학적인 평가가 매우 높은 결과로, 그 독성 및 투여량을 평가하기 위한 몇 가지 임상시험이 시작되었다. 재발성 악성 뇌종양을 있는 이러한 시험의 하나는, 재발성 악성 신경교종과 뇌에 종양 전이가 있는 환자에서, 대사 질환을 위한 확립된 용량 범위에서 경구 DCA가 실현 가능하며, 내용성(tolerance)이 높다는 점을 시사하고 있다. 이것은 대사성 질환을 위해 이미 확립되어 있는 용량을 이용하여, 각종 암 유형에 대한 임상시험에서 DCA를 사용하겠다는 약속을 강조한다.

 

DCA 단독 또는 방사선 치료를 포함한 표준 치료와 조합한 교모세포종의 다른 임상 시험에서는, in vivo 및 in vitro 모두에서 혈관신생 억제 및 암세포의 아포토시스 유도가 보고되었다.

 

재발한 비호지킨 림프종에 대한 고용량(1g/일)의 DCA의 경구 투여는 4년간에서 완전 관해(반응)를 보였다. 진행된 유방암과 폐암의 DCA 치료는, DCA 투여 자체에 관련이 없을 가능성이 있는 질환의 진행 및 관련된 합병증으로 인해 조기에 중단되었다. 그러나 DCA의 경구 투여는 이전에 치료된 진행기의 비소세포 폐암 환자에게는 유익하지 않았다. DCA는 마이크로 몰 농도에서 PDK를 억제하지만, 시험관 및 생체 내에서 항종양 효과를 실현하기 위해 더 높은 용량이 필요하다. 이러한 모순은 정상세포와 비교해서, 결장암 및 유방암 종양 세포에서 DCA 수송체(SLC5A8)의 발현의 결여와 관련이 있으며, 이것은 암세포에서 이러한 수송체의 메틸화 의존성의 Silencing(침묵)의 결과이다.

 

DNA 메틸화 억제제를 사용하여 DCA 수송체를 종양 세포에 발현시키는 것은, DCA 치료 용량을 감소시킬 뿐만 아니라, 항암 메커니즘 또는 효력을 변경하지 않고, 보다 높은 용량의 해로운 영향을 완화하는 도움이 된다고 제안되었다. 사실, 유방암, 결장암 및 전립선 암세포는 이러한 세포 유형으로 SLC5A8의 이소성 발현 시 저용량의 DCA에 대해 감수성으로 된다.

 

【결론 및 향후 전망】

 암의 호기성 해당작용과 미토콘드리아 기능 부전의 획득은 암세포의 생존, 아포토시스 회피, 및 현재 치료에 대한 저항성과 밀접하게 관련되어있다. 이러한 결과는, 미토콘드리아 결손에 의한 pro-apoptotic protein의 격리나 다양한 아포토시스 촉진 단백질의 비아포토시스 기능과 관련하고 있을 수 있지만, 치료중의 암세포 아포토시스 억제를 일으킨다.

 

헥소키나아제 및 PDK 활성화는 Bax와 Bak의 아포토시스 촉진 기능을 억제하기 때문에, PDK의 억제는 시토크롬C 방출 및 강화된 암세포 아포토시스를 일으키는 Bax/Bak 채널 형성을 가능하게 한다. 또한 미토콘드리아 HPS 폴딩 메커니즘은 미토콘드리아 기능 조절에 관여하고 있으며, 암세포에 결함이 있고, 제어되지 않는 종양 증식 및 발달을 일으킬 수 있다.

 

이처럼 암 유도성의 HSP 억제 또는 암 억제성의 HSP 항진은 종양 증식 및 진행을 제어하기 위한 새로운 접근방식일 수 있다. 따라서 미토콘드리아의 기능 부전은 대사 이상 때문인지, 또는 통제 해제된 HSP 신호에 반응하여, 미토콘드리아 OXPHOS 복구 및 해당작용 경로의 억제가 암 환자의 잠재적 치료 혜택을 가져오는 것을 시사한다. 사실, Michelakis들의 정밀한 발견은 DCA에 의한 미토콘드리아 호흡 회복이 강력한 항암 활성을 나타내는 것을 시사하고 있으며, 이것은 또한 여러 암 타입에 대해 다양한 그룹에 의해 확인되었다.

 

DCA에 대한 중요한 최근의 관심에도 불구하고 그것을 강력한 항암제로 확립하는데 여러 가지 과제가 있다. 예를 들어, 항암 활성을 달성하기 위해서는 고용량 DCA가 필요하지만 고용량이라면 정상세포에 대한 독성이 문제가 된다. DCA 수송체의 발견은 암세포의 원하는 레벨로 DCA를 축적하고, 항암 효과를 발휘하는 기회를 제공하고 있다. 암세포의 DCA 수송체의 도입은 필요한 DCA의 양뿐만 아니라 DCA에 근거한 치료중인 암 환자에 대한 독성도 감소시킨다. 종양세포를 선택적으로 표적으로 하는 DCA 유사체의 개발 등 여러 전략이 이러한 문제의 일부를 해결하는데 도움이 될지도 모른다.

 

흥미롭게도, 여러 유사체가 합성되어, DCA와 비교하여 약간 우수한 효과를 나타냈다. 이러한 유사체는 항암제를 포함 여부에 관계없이 대부분의 경우, 여러 DCA분자의 복합체로 합성되어있다. 흥미롭게도 최근 개발된 DCA 유사체로 Mito-DCA는 미토콘드리아에 특이적으로 축적되고, 마이크로 몰 농도에서 전립선암세포에 대해보다 높은 효력을 나타낸다. 따라서 DCA 유사체를 단독으로 또는 나노입자 캡슐에 넣어서, 또는 다른 항암제와 조합하여 미래의 전임상 및 임상연구는 보다 유효한 항암제의 개발로 이어질 가능성이 있다.

 

하이라이트:

 

● 미토콘드리아의 기능 이상이 암세포의 항암제 내성의 주요 원인이 되었다

 

● 산화적 인산화의 저하가 미토콘드리아 기능 이상의 원인이 되었다

 

● 열충격 단백질과 디클로로아세트산 나트륨(DCA)은 미토콘드리아 기능을 정상화한다

 

● 미토콘드리아 기능을 정상화하면 암세포는 아포토시스를 유도한다

 

● 디클로로아세트산 나트륨(DCA)은 여러 작용 메커니즘으로 항암 작용을 나타낸다