암 치료를 위한 Nrf2의 약리학적 조절에 대한 논란

2017

Controversy about pharmacological modulation of Nrf2 for cancer therapy

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221323171730188X

 

하이라이트
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Nrf2-Keap1 경로는 산화환원 불균형 시 활성화되는 주요 경로입니다.

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Nrf2와 산화 스트레스 산물(예: ROS, HNE)은 발암에 이중 역할을 합니다.

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Nrf2는 종양 억제 인자이자 종양형성 유전자입니다.

•
Nrf2 활성화제 또는 억제제의 사용은 암의 단계에 따라 다릅니다.

방사선 요법 및 화학 요법과 같은 기존의 항암 요법은 산화 스트레스 와 관련이 있습니다.

암세포에서 활성산소종(ROS)과 4-하이드록시노넨알과 같은 반응성 알데하이드를 생성하여 암세포를 죽게 합니다.

이러한 반응성 종에 대한 세포의 노출로 인해 활성화되는 주요 메커니즘은 Nrf2-Keap1 경로입니다. Nrf2가 처음에는 종양 개시 및 암 전이를 억제하는 종양 억제인자로 인식되었지만, 보다 최근의 데이터는 종양형성 인자로서의 역할도 나타냅니다.

다른 유형의 암에서 Nrf2의 상향 조절의 발견은 Nrf2의 바람직하지 않은 병태생리학적 역할을 뒷받침합니다.

Nrf2의 상향 조절은 세포 보호 유전자의 활성화로 이어져 악성 세포가 높은 수준의 ROS를 견디고 세포자멸사를 방지하여 결국 기존의 항암 요법에 내성을 갖게 됩니다. 

2 . Nrf2-Keap1 경로
산화적 스트레스 와 생체이물 에 의해 유발된 스트레스 조건으로부터 스스로를 방어하기 위해 세포는 세포를 계속 살아 있게 하는 방어 메커니즘을 진화시켰습니다. 이러한 조건에서 활성화되는 주요 메커니즘은 Nrf2 – Keap1(Kelch-like ECH-associated protein 1) 경로입니다.

 

 

 

항상성 조건에서 Nrf2는 억제인자 Keap1에 결합 되어 프로테아좀 에서 유비퀴틴 의존적 분해를 받습니다. 그러나 스트레스 조건에서 Nrf2는 Keap1에서 방출되고 핵으로 전위되어 작은 Maf 단백질 과 이종이량체를 형성 하고 표적 유전자의 활성화를 유도하는 항산화제 반응 요소 (ARE-antioxidant response element )에 결합 하여 세포의 세포 보호를 유전자를 활성화합니다( 그림 1 ).

 

Nrf2에 의해 활성화된 표적 유전자는

 

1) 글루타티온 합성(Glutamate-cysteine ligase, catalytic subunit (Gclc), glutamate-cysteine ligase, modifier subunit (Gclm))

2) ROS 제거(Thioredoxin reductase 1 (Txnrd1), Peroxiredoxin 1 (Prdx1),

3) 생체이물 해독 (NAD(P)H dehydrogenase, quinone 1 (Nqo1), Glutathione S-transferase (Gst) gene family) 

4) 약물 수송(다제 내성 관련 단백질(Mrp) 유전자 패밀리)

에 관여합니다

발암에서 산화 스트레스와 Nrf2-Keap1 경로의 역할

오랫동안 산화 스트레스 동안 ROS와 같은 라디칼 종 은 암 발병의 유해한 공동 발암 인자로 간주되었습니다.

예를 들어, 인유두종 바이러스에 의해 유발된 자궁경부암, B형 간염 바이러스 양성 간암, 헬리코박터 파일로리 양성 위암과 같은 감염 관련 암에서 만성 감염은 항생제 방어의 첫 번째 라인으로 ROS를 생성합니다. 이는 이로 인해 암 발병이 시작될 수 있습니다 .

 

ROS는 대부분 과산화수소(H 2 O 2 ), 슈퍼옥사이드 음이온(O 2 •- ) 및 하이드록실 라디칼(•OH)로 구성됩니다.

둘 다, 내인성(미토콘드리아 전자 수송 사슬, xanthine oxidase (XO), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase(NOX), peroxisomes 및 cytochrome P450) 및 외인성 소스(자외선, 이온화 방사선 , 제약, 환경 작용제 및 산업용 화학 물질)가 생성에 기여합니다 .

ROS는 본질적으로 반응성이 높기 때문에 세포 거대분자 (DNA, 단백질, 지질)의 산화 를 일으켜 염색체 불안정성 , 유전적 돌연변이 및/또는 세포 성장 조절에 기여합니다

암세포는 정상 세포보다 높은 수준의 ROS를 가지고 있다고 가정되었습니다. 그러나 그들은 증식과 생존을 이끄는 특정 경로의 활성화를 통해 이러한 수준을 견딜 수 있습니다.

이러한 경로에는 ROS를 감소시키는 항산화 기전의 활성화뿐만 아니라 추가 ROS를 생성하고 암 세포를 다가오는 스트레스에 더 취약하게 만들 수 있는 대사 경로의 재프로그래밍이 포함 됩니다.

실제로 Harris et al. 은 글루타티온 (GSH)과 티오레독신 은 발암에 중요한 역할을 하며 GSH는 암 발병에 중요하지만 이미 확립된 암에서는 티오레독신이 유해한 수준의 ROS를 없애고 암 진행을 통제하는 핵심 역할을 한다고 제안했습니다.

따라서 ROS와 함께 항산화 방어(내인성 및 외인성)는 발암에서 이중 역할로 알려져 있습니다. ROS는 수명이 짧고 지질의 산화가(ROS are short lived and their oxidation of lipids) 산화 스트레스의 두 번째 메신저로 알려진 더 긴 수명의 분자를 생성한다는 점은 주목할 만합니다 .

그 중 가장 집중적으로 연구된 것 중 하나는 4-hydroxynonenal(HNE)입니다. HNE는 반응성이 높은 알데히드로 ROS보다 더 안정적이며 단백질, DNA 및 인지질 과 같은 세포 거대 분자와 쉽게 반응할 수 있습니다 . HNE는 또한 세포 증식 , 분화 및 세포자멸사에 영향을 미치는 신호 전달 분자로 작용할 수 있으며 , 따라서 다양한 암과 관련이 있습니다

HNE는 Keap1 단백질의 시스테인 부위에 공유 결합하여 Nrf2의 Keap1 의존적 분해를 방해하거나 PKC, ERK 및 PI3K와 같은 업스트림 키나제의 활성화를 통해 Nrf2를 활성화함으로써 Nrf2의 강력한 유도제입니다

또한 HNE는 Nrf2의 활성화를 통해 대사됩니다.??

방해받은 산화 환원 균형을 수정하기 위해 활성화 된 주요 신호 경로 는 Nrf2-Keap1 경로입니다. 

현재 연구는 발암에서 Nrf2의 이중 역할을 인식합니다. 

 

그림 2 . Nrf2의 활성화는 발암에 이중 역할을 합니다. 

 

발암 과정에서 Nrf2는 이중 역할을 하는 것으로 인식되었습니다. 

초기 단계에서는 보호하고 후기 단계에서는 유해합니다.

실제로 초기 단계에서 충분한 Nrf2 수준(항상성 을 유지하기에 충분한 낮은 수준으로 존재)은 ROS 및 기타 DNA 손상 물질과 같은 발암 물질을 제거하여 항상성 을 유지 하여 종양 개시 및 암 전이를 억제합니다.

반면, 암에서 Nrf2는 일반적으로 세포 보호 유전자의 활성화를 유도하여 상향 조절되어 악성 세포가 높은 수준의 ROS를 견디고 세포 사멸을 피하도록 돕습니다.

 

암에서는 Nrf2 일반적 따라서 악성 세포가 개선 된 세포 증식에 기여 대사 및 세포 보호 유전자의 활성화를 통해 ROS 피하고 아폽토시스의 높은 수준을 견딜 수 있도록, 상향 조절된다

다른 메커니즘은 다음과 같은 암에서 관찰된 Nrf2 활성 증가로 이어집니다.

1) 체세포 돌연변이Nrf2, Keap1 또는 Cul3에서;

2) Keap1의 후성적 침묵;

3) Nrf2 및 Keap1의 마이크로RNA 매개 조절;

4) 비정상적으로 축적된 단백질에 의한 Nrf2-Keap1 상호작용의 파괴;

5) 종양유전자 의존적 신호전달을 통한 Nrf2의 전사 상향조절; 및

6) 대사 중간체에 의한 Keap1의 변형.

예를 들어, 최근 데이터는 mRNA 번역 의 조절을 통해 췌장암의 증식을 유지하는 데 Nrf2의 필요성을 밝혔습니다 .

인간 백혈병에서 Nrf2가 구성적으로 활성화되는 것으로 나타났으며, 급성 골수성 백혈병(AML)에서 Nrf2의 활성화는 Nrf2의 체세포 돌연변이가 아니라 핵 인자-κB(NF-κB)의 상류 구성적 활성화의 결과입니다.

편평 상피 세포 암 (SCC) 및 선암 (AC)로 비소 세포 폐암에서 Nrf2의 발현을 증가 보여 주었다

또한, 전립선암 세포주는 HNE 매개된 세포 성장 및 세포자멸사 억제에 대해 상이한 민감성을 나타냈다.

또한 Nrf2는 유방암 세포에서 "ROS-Nrf2-GCLC-GSH 경로를 통한 저산소증 하에서 화학요법 내성의 핵심 조절자"로 인식되었습니다

암에서 Nrf2의 특정 역할은 여전히 ​​논란의 여지가 있지만 Nrf2는 종양 억제인자이자 원발암성 인자로 간주되기 때문에 일부 연구자들은 Nrf2의 정확한 역할이 종양 형성 단계에 달려 있다고 가정합니다 [34] , [41] .

[참조]

M.B. Sporn, K.T. Liby

NRF2 and cancer: the good, the bad and the importance of context

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암 치료 및 Nrf2

오늘날 산화환원 과정에 영향을 미치는 약물 은 [42]. 암에 대한 기존 요법(방사선 요법 및 많은 화학 요법)의 대부분은 ROS 및 결과적으로 HNE의 생성에 의존하여 암 세포 사멸을 초래합니다. 불행히도 빠르게 분열하는 비악성 세포를 파괴하도록 설계되어 모든 암세포가 제거되는 것은 아니지만 일부 정상 세포는 제거되기 때문에 임상 용도에 제한이 있습니다. 게다가, 이러한 치료법은 바람직하지 않은 부작용으로도 잘 알려진 독성을 나타냅니다. 

오래전부터 항암치료 중 항산화제를 보충하면 부작용을 줄일 수 있다고 여겨졌으나 최근 데이터에 따르면 암치료 중 항산화제를 사용할 경우 부작용이 관찰되어 더욱 주의가 필요하다 [8] , [43] .

 

L. Milkovic, W. Siems, R. Siems, N. Zarkovic

Oxidative stress and antioxidants in carcinogenesis and integrative therapy of cancer

Curr. Pharm. Des., 20 (2014), pp. 6529-6542

〈http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25341930〉

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A. Yasueda, H. Urushima, T. Ito

Efficacy and interaction of antioxidant supplements as adjuvant therapy in cancer treatment: a systematic review

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암세포는  치료로 유도된 ROS가 항산화제에 의해 감소되어 세포 사멸에 필요한 임계 임계값 미만으로 생존을 촉진하는 반응을 강화함으로써 부정적인 환경에 적응하는 것으로 알려져 있습니다[8] .

방사선 및/또는 화학요법 동안 증가된 산화환원 불균형에 대한 반응 메커니즘은 결과적인 스트레스에 대한 세포 보호 반응의 주요 조절자인 Nrf2-Keap1 경로의 관여를 필요로 합니다.

이미 언급했듯이 Nrf2는 발암에서 이중 역할로 인식되었습니다.

Nrf2 경로의 활성화가 세포 보호 유전자의 활성화를 유도하고 따라서 세포에서 ROS, HNE 및 생체이물을 제거하여 산화 환원 균형을 회복하고 원치 않는 DNA 돌연변이 및 암 개시를 피하는 항산화 기구의 생성으로 이어지는 초기 단계에서 유익합니다 .

그러나 기존의 방사선 및/또는 화학요법에 대한 내성을 증가시켜 암의 후기 단계에서 유해합니다.

Nrf2 활성제

합성 올레아난 트리테르페노이드인 RTA 405는 Nrf2 분해를 억제하여 Nrf2 활성을 증가시키는 Keap1에 결합하여 항종양 활성 을 나타내는 항산화 염증 조절제(AIM)입니다 .

 Probst et al. Keap1에 대한 RTA 405의 영향을 Keap1 결실에 의한 Nrf2의 구성적 활성화와 비교하고 이들이 실제로 암세포 성장에 다르게 영향을 미치는 다른 메커니즘을 발견했습니다 [52]. 특히, Keap1 손실 또는 돌연변이가 있는 암은 일반적으로 Nrf2 및 IKKβ 및 Bcl2와 같은 기타 발암성 단백질의 수준이 증가한 반면, RTA 405 치료에서는 Nrf2 수준만 증가했지만 IKKβ 및 Bcl2 수준은 증가하지 않은 경우가 있습니다. 

또한, RTA 405는 IKKβ를 직접적으로 억제하여 NF-κB 활성을 감소시켜 결과적으로 암세포 생존자를 억제하고 세포자멸사를 촉진합니다. 또한, RTA 405로 전처리된 암세포 는 독소루비신 또는 시스플라틴 에 의해 매개되는 성장 억제로부터 보호되지 않았습니다 . 

이러한 모든 발견은 Nrf2의 유전적 활성화와 RTA 405에 의한 Nrf2의 약리학적 활성화가 별개이며 Nrf2의 RTA 405 매개 활성화가 암세포의 성장이나 생존을 촉진하지 않는다는 결론으로 ​​이어졌습니다.[52].

당뇨병 환자의 경우 Nrf2 활성제에 대한 주의가 제기되었습니다. 

 

특히, Wang et al. 제2형 당뇨병 치료에 사용되는 일반적인 종류의 약물인  saxagliptin and sitagliptin (the dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) inhibitors) 및 α-리포산(ALA)(당뇨병성 신경병증 치료용)은 항산화 특성은 Nrf2의 장기간 활성화를 유도하고 암 발병률을 높이지는 않지만 이미 암에 걸린 당뇨병 환자에서 전이 발병 위험을 증가시킵니다

Nrf2 억제제

 

Nrf2의 상향 조절이 암세포의 내성을 증가시키는 반면 Nrf2의 하향 조절은 암세포를 시스플라틴, 독소루비신 및 에토포사이드와 같은 화학요법 약물에 더 민감하게 만든다는 것을 발견했습니다. 

HNE는 산화 스트레스 의 두 번째 메신저로 알려져 있고 고농도에서는 암세포가 세포자멸사에 영향을 미치기 때문에 Nrf2의 감소와 함께 HNE가 이러한 증가된 화학 민감성에 사용되었을 수 있다고 가정할 수 있습니다 .

아피제닌은 PI3K/Akt 경로의 하향 조절을 통해 발생하는 전사 및 번역 수준 모두에서 Nrf2의 감소로 관찰되는 Nrf2 경로를 억제하였다.

아피게닌과 독소루비신의 동시 치료가 종양 크기 억제로 관찰된 독소루비신 단독 치료보다 더 효과적이었다 [58] .

All trans-retinoic acid (ATRA)은 Nrf2의 존재가 레티노산 수용체 알파(RARα) 와 복합체를 형성하는 또 다른 제안된 특정 Nrf2 억제제입니다 .

Nrf2 활성화제 및 억제제의 역할에 대한 단순화된 계획이 그림 3에 제시되어 있지만, 특정 효과는 다른 화합물이 다른 경로에도 영향을 미치기 때문에 특정 효과가 화합물 사용 지시임을 강조해야 합니다. 암세포가 균일하지 않고 질병의 진행에 기여하는 암세포의 재프로그래밍이 이질성에 더 영향을 미친다는 것은 잘 알려져 있습니다. 따라서 암 치료 중 특정 Nrf2 활성화제 또는 억제제의 사용은 암 단계와 높은 관련이 있는 것으로 나타났습니다.

그림 3 . 항암 요법에서 Nrf2 활성화제와 억제제의 상호 작용에 대한 간략한 개략도. 

 

암에 대한 기존 치료법의 대부분은 ROS 생성에 의존하여 암세포를 사멸시킵니다. 

그러나 모든 암세포가 영향을 받는 것은 아니며 내성이 생기는 경향이 있습니다. 

다양한 메커니즘이 이러한 저항에 기여하지만, 이러한 치료 유도된 산화환원 불균형 증가는 세포 보호 반응의 주요 조절자인 Nrf2-Keap1 경로의 관여를 필요로 합니다. 

Nrf2 유전자 발현 감소로 이어지는 Nrf2 보호 역할은 폐암의 위험을 증가시킵니다.

또한 Nrf2가 발암 물질, ROS 및 기타 DNA 손상 인자를 제거하여 종양 개시 및 암 전이를 억제한다는 사실 때문에 Nrf2의 다양한 천연 및 합성 활성제가 암 발병 예방에 관련되어 있습니다

(예: 설포라판, 올레아난 트리테르페노이드 RTA 405 등).

그들 중 일부는 또한 다른 메커니즘에 영향을 미침으로써 암 치료 동안 유익한 역할을 보여주었습니다.

예를 들면 NF-κB 활성을 감소시켜 암 세포 생존을 억제하고 세포 사멸을 촉진하는 것으로 밝혀진 RTA405

HNE의 생성하여 암 세포의 선택적 세포 독성을 나타내는  설포라판(SFN) 등 입니다.(A)

그러나 Nrf2 활성제를 사용하는 경우 암세포 저항성 향상과 관련이 있기 때문에 주의가 필요합니다.

많은 암, 특히 질병의 후기 단계에서 Nrf2와 Keap1이 돌연변이되어 Nrf2의 활성이 증가한다는 사실 때문에 Nrf2의 억제제는 암세포를 민감하게 하고 기존 요법의 효능을 증가시키는 유망한 도구로 제안되었습니다(B)