기존 항암요법으로 사멸이 어려우며 제거되지 않은 소량의 암줄기세포는 전이와 재발을 유발한다. 이러한 암줄기세포를 표적하여 재발과 전이성을 막기 위한 약물전달시스템 분자 치료제가 국내 연구진에 의해 개발되어 항암치료의 새로운 패러다임을 제시했다.
   * 약물전달시스템(Drug delivery system) : 원하는 치료 효과를 달성하기 위해 약물을 표적부위로 운반하는 전달체

고려대학교 이과대학 화학과 김종승 교수와 협성대학교 생명과학과 한지유 교수 공동연구팀은 “저산소성 암줄기세포 표적 전략을 도입하여 암치료의 난제인 재발과 전이를 막기 위한 저분자기반 약물전달시스템 플랫폼을 개발했다.”고 밝혔다. 이에 따라 향후 암줄기세포 표적 및 제거를 위한 활발한 연구가 될 것에 기대가 높아지고 있다.
   * 암줄기세포 : 종양을 생성할 수 있는 능력을 가지며 정상 줄기세포의 특징을 공유하는 암세포

기존 항암제는 물질대사가 활발한 암세포사멸을 일으키지만, 암줄기세포는 휴면상태로 존재하다가 특정 환경에서 암세포로 분화되기 때문에 일반적인 항암치료로는 사멸이 어려우며 약물내성을 나타내기도 한다.
   * 약물내성 : 약물을 반복적으로 사용함에 따른 약효가 저하되는 현상

김종승 교수팀은 암줄기세포가 저산소 환경에서 생존하는 것에 주목했다. 또한 선행연구에서 밝혀낸 탄산무수화효소9(Carbonic anhydrase IX)가 암세포 뿐 아니라 저산소의 암줄기세포에 더욱 과발현된 것을 주목하여, 이에 단단하게 결합할 수 있는 아세타졸아마이드 유도체를 분자시스템에 도입했다. 이를 통해 정상세포에는 독성을 주지 않고 나노몰(nM) 단위의 낮은 농도로 암줄기세포의 줄기세포성 및 암줄기세포 수를 효과적으로 감소시키는 것을 확인했다.
 * 탄산무수화효소9 : 이산화탄소와 물이 반응하여 탄산수소이온과 수소이온으로 바뀌는 데 촉매작용을 하는 효소로 저산소의 암세포와 암줄기세포에 과발현됨

연구팀이 새롭게 개발한 저산소성 암줄기세포 표적 약물을 유방암 세포주 기반 이종이식 동물 모델에 투여한 결과 대조군과 대비하여 종양의 부피가 현저하게 줄어들었다. 암줄기세포능 및 전이 관련 유전자의 발현도 현저히 감소한 것을 확인했다. 이를 통해, 본 약물전달시스템 플랫폼 개발은 저산소 환경의 암줄기세포를 표적하여 암줄기 세포능 및 기능을 억제했다. 또한 저농도에서도 탁월한 항암 억제효과를 나타냈으며, 특별한 독성 및 부작용이 나타나지 않았다.

김종승 고려대 교수는 “암줄기세포 표적 약물전달시스템 플랫폼을 통한 암줄기세포 이미징 및 사멸 전략을 통해 암줄기세포에 대한 연구가 더욱 활발해지길 기대하며, 암줄기세포를 매개로 한 재발 및 전이성 암치료 약물 전구체 개발에 초석을 다지는데 기여하길 바란다.”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 리더연구자지원사업과 학문후속세대양성사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, IF=15.419)에 9월 8일(현지시간 기준) 표지논문으로 게재됐다.
 

김종승 교수팀의 연구결과를 표지논문으로 실은 ‘미국화학회지’(JACS)
J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 14115-14124

주요내용 설명

논문명
A small molecule strategy for targeting cancer stem cells in hypoxic microenvironments and preventing tumorigenesis
저널명
Journal of the American Chemical Society
키워드
Cancer stem cell, tumorigenesis, breast cancer, drug delivery system, hypoxia
DOI
doi.org/10.1021/jacs.1c03875
저  자
김종승 교수 (교신저자/고려대학교), 한지유 교수 (공동교신저자/협성대학교), Jonathan Sessler (공동교신저자/텍사스대학교), 김지현 (제1저자/고려대학교) Verwilst Peter (제1저자/고려대학교), 원미애 (공동저자/고려대학교), 이준형 (공동저자/협성대학교)

1. 연구의 필요성
 ○ 전 세계적으로 암은 5대 사망원인 중 하나이며, 우리나라에서는 사망원인의 1위를 차지하는 질병이다. 주목할만한 것은 암 환자가 사망하게 되는 90% 이상이 첫 번째 생긴 암이 아니라 이후에 재발과 전이가 된 암에 의한 사망이라고 한다. 따라서 암의 재발과 전이를 억제하기 위한 연구가 시급하다.
○  암줄기세포는 기존 항암요법으로 사멸이 어려우며, 제거되지 않은  암줄기세포는 전이와 재발을 유발한다. 암줄기세포는 물질대사가 활발한 암세포와는 달리 휴면상태로 존재하다가 분화할 수 있는 환경에서 암세포로 빠르게 분화되어 재발을 일으킨다. 따라서 암줄기세포의 사멸을 촉진시키는 새로운 전략이 필요하다.
 ○ 고형암의 내부는 암세포가 빠르게 세포 분열하여 증식하는 과정과 혈관의 비균일 분포에 의해 저산소 환경이 조성이 된다. 암줄기세포는 이러한 고형암 내부, 저산소 환경에서 생존하며 줄기세포성을 유지한다고 알려져 있다. 저산소의 암세포와 암줄기세포는 생존을 위해 저산소증 유도인자1a (HIF1a) 가 과발현되며 관련 단백질을 발현시킨다. 
 ○ 본 연구에서는 암줄기세포를 표적하는 저분자 약물전달시스템을 처음으로 개발하는 전략을 제시하였고 암줄기세포의 줄기세포성을 감소시키며 나노몰 단위의 낮은 농도로도 효과적으로 그 수를 감소시키는 것을 확인하였다.
 ○ 따라서 저분자 암줄기세포 표적 약물전달시스템의 개발로 암세포 재발을 효과적으로 억제하는 것을 확인하였고 암세포와 암줄기세포에서만 활성화되어 사멸시킬 뿐 아니라 낮은 농도를 사용하더라도 우수한 치료 효과를 가지기 때문에 정상세포에 대한 독성을 최소화시켜 항암제 부작용 및 항암치료 후 암이 재발하는 문제점을 극복하여 암 치료 효율을 극대화할 수 있었다.

2. 연구내용
 ○ CD133 표지자가 과발현된 CD133+ 유방암 세포는 암줄기세포성을 갖는다고 알려져 있으며, 암줄기세포성이 높음을 realtime PCR을 통해서 확인하였다. 따라서 저산소성 CD133+ 유방암 줄기세포 표적 저분자 약물전달시스템은 크게 세가지 구성요소로 디자인하였다.
 ○ 먼저 암줄기세포는 세포분열주기를 타겟하는 일반적인 항암제에는 잘 죽지 않고 약물내성을 가진다고 알려져 있다. 따라서 암줄기세포의 다양한 세포신호전달시스템을 타겟하고 저농도로도 암줄기세포를 효과적으로 제거하는 디플루오로컬큐민을 전구체를 만들기 위한 약물로 선택하였다.
 ○ 탄산무수화효소9 (CAXI)는 저산소증 유도인자 (HIF1a)가 발현시키는 단백질 중 하나로 암줄기세포에는 탄산무수화효소9 (CAXI) 수용체가 과발현되어있으며, CAXI를 저산소 환경에서 저해시킬 경우 암줄기세포를 억제할 수 있다는 연구결과가 알려져 있다. 따라서 CAIX 수용체와 결합하는 CAIX 저해제를 분자시스템에 도입하였다. 결과적으로 정상 산소환경보다도 저산소에서, 그리고 일반적인 유방암세포보다도 CD133+ 유방암 줄기세포에서 CAIX이 과발현 되어있고 CAIX에 의해 개발한 약물전달시스템 분자의 세포 침투가 촉진되는 것을 실험적으로 확인하였다.
 ○ 저산소환경에서만 분자가 활성화 되어 약물을 방출하기 위해 저산소 활성화기를 도입하였다. 본 연구는 약물전달시스템에서는 처음으로 도입된 다이메틸나이트로싸이오펜을 저산소 활성화기로 사용하였다. 이로 인해 정상세포 및 정상산소조건의 세포에서는 활성화가 되지 않고 저산소환경의 유방암 세포에서만 보다 효과적이고 빠른 약물 방출을  세포 실험을 통해 확인할 수 있었다.
 ○ 더 나아가 CD133+ 유방암 줄기세포의 줄기세포성 및 전이성을 나노몰농도의 저농도에서 효과적으로 억제시킴을 확인하였고 이종이식 동물모델에서 암의 생장 및 암세포 형성 능력을 억제함을 확인하였다. 본 연구를 통해 암의 재발을 막기 위한 암줄기세포 표적 약물전달시스템 및 암줄기세포 제거 전략에 대한 초석을 다지는 데 큰 도움이 될 수 있다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 본 연구를 통해 개발된 약물전달시스템 플랫폼 AzCDF (암줄기세포 치료)와 AzNap (암줄기세포 이미징) 은 기존 니트로 벤젠을 사용한 저산소 활성 분자보다도 저산소 환경에 대한 민감도 및 반응성이 좋으며 CAIX 저해제에 의한 암줄기세포 선택성으로 인해 저산소의 정상세포에서는 활성화 되지 않으며 오직 저산소의 CAIX 과발현 암세포에서만 활성화가 되므로 정상세포를 공격하여 생기는 약물 부작용의 가능성을 크게 줄였으며 나노몰농도에서도 높은 효과로 인해 적은 양을 투여하더라도 원하는 항암효과 및 재발 억제효과를 보일 수 있음을 규명하였다.
 ○ 일반적으로 암세포가 저산소환경에 존재하게 되면 CAIX을 과발현하므로 AzNap은 CAIX 과발현 암줄기세포 이미징에 적극적으로 응용될 것으로 기대된다. 치료용 약물인 AzCDF은 디플루오르커큐민의 암줄기세포에 대한 효과를 이 연구에서 보임에 따라 디플루오르커큐민 약물에 대한 암줄기세포 제거 연구가 적극적으로 사용될 것으로 기대되며 또한 CAIX이 저산소성 암줄기세포에 대한 유망한 표적임을 이 연구에서 밝힘에 따라 암줄기세포 표적 치료 연구에 대한 확장이 기대된다.

(그림1) 저산소의 암줄기세포 표적 약물전달시스템 (AzCDF) 및 암줄기세포 표적 이미징 시스템 (AzNap)의 구조 및 활성 모식도
저산소 환경에서 생존하는 유방암 줄기세포는 탄산무수화효소9 (CAIX)이 과발현 됨에 따라 분자 플랫폼의 CAIX 저해제와 선택적으로 결합하여 세포 내부에 축적되게 된다. 이로 인해 정상세포 대비 암 줄기세포에 대한 선택성을 가질 수 있다. 이어서 저산소 환경에서 활성화되는 활성화기의 구조변화로 약물 또는 형광체를 방출하여 암줄기세포를 선택적으로 사멸시키거나 형광 이미징을 가능하게 한다.

(그림2) 저산소 암줄기세포의 CAIX 단백질 과발현과 CD133+ 유방암 줄기세포 표적 약물전달시스템 플랫봄의 암줄기세포 선택성 결과
이미징 플랫폼 (AzNap)분자의 유방암 및 CD133+ 유방암 줄기세포의 선택성은 저산소 환경의 유방암과 유방암 줄기세포에는 정상세포 (BJ 세포)보다 CAIX이 과 발현되어 있기 때문에 나타난다. 항암치료 플랫폼 (AzCDF)의 세포독성을 정상 환경과 저산소 환경에서 비교해 보면 나노 몰 단위의 저농도에서 저산소 환경에서만 선택적으로 세포독성이 나타남을 확인할 수 있다.
 

(그림3) 3차원 유방암 구체모델에서의 이미징 플랫폼 (AzNap)과 암치료 플랫폼 (AzCDF)의 활성화
3차원 구체모델은 중심부가 저산소성을 띄므로 2차원 세포모델 보다도 실제 암세포의 환경과 더 비슷하며 중심부에는 암 줄기세포가 존재한다고 알려져있다. 이미징 플랫폼은 구체 내부의 암줄기세포의 형광이미징이 가능하며 암치료 플랫폼은 암줄기세포의 전이성과 줄기세포성을 억제함을 확인하였다.

(그림4) 암줄기세포 표적 약물전달시스템 플랫폼을 통한 동물모델 실험
암줄기세포 표적 전략을 통해 고안된 단분자 약물전달시스템 플랫폼을 저농도만 투여하더라도 선택적인 암세포 이미징과 치료가 가능하며, 이 약물전달시스템 플랫폼을 저산소에서 암줄기세포에 처리하게 되면 줄기세포성 및 전이성이 크게 감소하여 암세포 생성을 크게 억제함을 확인할 수 있다.
* 그림 및 그림설명 제공 : 고려대학교 김종승 교수