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출처 : BRIC VIEW

알츠하이머병(Alzheimer’s disease) 치료제 개발에 관한 동향보고서

 저자 : 양수정 (John van Geest centre for brain repair, University of Cambri...)

[요약문]
알츠하이머병(AD)은 노인성 치매를 일으키는 주된 신경퇴행성 질병으로 진행성 기억력 및 인지력 상실이 주요 증상이다. 본 질병의 정확한 발병원인 및 기전이 밝혀지지는 않았으나 AD 환자의 뇌에서 발견되는 병리학적 소견을 바탕으로 크게 두 가지 발병이론이 성립한다. 세포 외 아밀로이드플라크(노인반)을 이루고 있는 베타아밀로이드(A beta) 단백질과 세포 내 신경섬유다발(neurofibrillary tangles)을 구성하는 과인산화 Tau 단백질이다. 현재 AD 신경 증상을 완화시키는 치료가 시행되고 있으며, 본 질병을 예방하거나 완치할 수 있는 효과적인 치료법 및 치료제가 부재하다. 그러나 지난 30년간 AD의 발병기전에 관한 활발한 연구가 진행되었고 다양한 치료 기전이 연구되었으며 상당수의 임상 시험도 진행되었다. 그러나 현재까지 대부분의 베타아밀로이드 관련 기작을 표적으로 한 치료제의 임상 시험은 성공하지 못하였다.
키워드: Alzheimer’s disease, dementia, therapeutics, A beta protein, tau protein
분야: Neuroscience,Medicine
 
 
목차

1. 서론
2. Cholinesterase inhibitors
3. A beta pathology에 관한 치료
  3.1 β-secretase 억제제
  3.2 γ-secretase 억제/조절제
  3.3 α-secretase 활성/조절제
  3.4 Aβ aggregation 억제제
  3.5 Apolipoprotein 매개 Aβ 제거
  3.6 Immunotherapy
4. Tau pathology에 관한 치료
  4.1 Tau 과인산화 억제제
  4.2 Tau aggregation 억제제 
  4.3 Tau immunotherapy
5. Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs)
6. 세포이식 및 유전자 치료법에 관한 개발
7. 결론
8. 참고문헌


1. 서론


알츠하이머병은 임상병리학적으로 기억력 및 인지력 상실, 정신 및 행동장애를 동반하는 신경퇴행성 질병이다. 이 질환은 노인성 치매의 가장 주된 원인이며 AD 발생의 20-50%가 85세 이상의 노인인구에서 발병된다. AD는 장기적 치료가 요구되고 질병의 특성상 환자 가족 및 간병인에 대한 사회적 지원도 요구되기 때문에 치료에 소요되는 금액이 2010년 발표 기준으로 세계적으로 6천 4십억 달러에 이르고 있다[1]. 이미 많은 선진국에서는 환자, 가족 및 사회에 심각한 경제적 부담을 주는 질병으로 여겨지고 있다. 현재까지도 이 질병의 정확한 기전이 밝혀지지 않았고 질병의 특성상 매우 복잡한 발병 기작을 가지고 있기 때문에 치료법 개발에 어려움이 많다. 따라서 본 질병의 예방이나 치료제 (Disease modifying therapies)는 개발되지 않았으며 정신 및 행동장애증상을 경감하는 약물치료만이 임상적으로 허용되고 있다. 미국 식약청(FDA)에서 승인 된 치료약으로 Cholinesterase (AChE) inhibitors계: donepezil, galantamine, rivastigmine, Huperzine A와 NMDA receptor antagonist계: memantine이 있다. 본 논문에서는 현재까지 연구된 치료 기작 및 치료제에 대하여 고찰하고 전임상 및 임상 시험(pre-clinical/clinical test)이 진행 중인 치료법 및 치료제에 관하여 기술하겠다.

2. Cholinesterase inhibitors

AD 환자의 뇌에서 아세틸콜린 분비 및 콜린성 신경세포의 수가 감소한다는 사실이 증명된 이후 “Cholinergic deficient hypothesis” 즉, AD의 증상이 신경세포 presynapse의 아세틸콜린 감소에 기인한다는 가설을 바탕으로 하면 아세틸콜린을 분해하는 효소를 억제하여 아세틸콜린을 증가시킴으로써 AD의 치매증상을 치료할 수 있다[2]. 1993년 이래로 FDA는 tacrine, donepezil, rivastigmine, galantamine 등 4개의 cholinesterase inhibitors를 경도 및 중도 AD 치료제로 승인하였다. Tacrine을 제외하고는 복용 시 부작용이 적은 편이다. Rivastigmine의 경우 AChE뿐 아니라 또 다른 아세틸콜린분해효소인 Butylcholinesterase도 억제하는 효과가 있음이 밝혀졌고 AD 환자를 대상으로 한 임상 실험에서 기억력 향상 등 신경증상 경감에 더욱 효과적임이 보여졌다[3,4].

FDA에서 승인된 위의 네 약물 이외에도 현재 많은 치료물질 들이 임상 시험 중에 있다. Phenserine은 AD 환자의 치매 증상을 완화하고 뇌 글루코스의 대사율을 증가시키는 효과가 있다. Dimebon은 AChE이면서 동시에 NMDA-antagonist인데 치매증상 완화에 효과가 있다. 한약재중의 하나인 Huperzin A는 AChE에 가역적이면서도 선택적인 억제효과가 있어 임상 시험 결과 치매 증상 완화에도 효능이 증명되었다. Ladostigil은 multimodal drug으로써 AChE 억제 및 neuroprotective 효과가 있는 monoamine oxidase(MAO)-A와 -B가 섞인 혼합물이다. Rivastigmine 등의 AChE 억제제의 가장 큰 단점은 구토 및 현기증을 유발할 수 있고 치료에 효과적인 고농도를 유지하기가 어렵다는 점이다. 따라서 현재 연구는 피부나 정맥주입 등이 가능하도록 하는 차세대 AChE 억제제 개발에 집중되고 있다. 예를 들어, 독일에서 Rivastigmin을 transdermal delivery하여 4주간의 임상 시험결과 11%의 환자만이 피부 및 위장계에 부작용을 보였으며 대부분의 환자는 치료를 지속하였고 정신과 치료 목적의 다른 약물복용이 줄어들었다[5].

3. 아밀로이드 베타(Aβ) pathology에 관한 치료

AD의 가장 큰 병변 중에 하나는 Aβ(40-43) 펩타이드의 침착으로 세포밖에 형성된 노인반 (senile plaques)이다. Aβ 펩타이드는 신경독성이 있음이 알려져 있다. 따라서 아밀로이드 전구 단백질 (Amyloid precursor protein, APP)으로부터 Aβ(40-43) 펩타이드를 만들어 내는 주된 단백질분해효소인 β-와 γ-secretase를 표적으로 삼아 Aβ 펩타이드 농도를 줄이는 연구가 진행 중이다.

3.1 β-secretase 억제제

β-secretase 혹은 β-site APP cleaving enzyme (BACE1) 억제제의 치료효과는 많은 동물 모델과 세포연구를 통하여 가능성이 증명되었다. BACE1-knock out 마우스 모델에서는 APP로부터 생성되는 Aβ 펩타이드 농도가 감소되었다. BACE1 억제제를 lateral ventricle 혹은 hippocampus 부위에 주입하였을 때 뇌에서 Aβ40 및 Aβ42 펩타이드 생성이 감소되었고 수용성 APPβ 또한 감소하였고 수용성 APP? 증가를 보였다[6]. 그러나 대부분의 물질이 blood-brain barrier (BBB)를 통과하기 힘든 큰 분자량의 펩타이드기 때문에 환자에 직접 적용할 수 없다. 따라서 BBB 를 통과하면서 같은 효과를 가지는 약의 개발이 요구된다. APP transgenic 마우스에 비단백질성 BACE1 억제제인 GSK188909을 투약하였을 때 Aβ40 및 Aβ42 펩타이드 생성이 현저히 감소되었고, 새로운 AChE 억제제인 PMS777 역시 SH-SY5YAPP695와 PC12 cell을 이용한 실험에서 Aβ42 펩타이드의 감소를 보였다[7].

3.2 γ-secretase 억제/조절제

γ-secretase 억제제인 DAPT을 실험 쥐에 주입한 결과 Aβ 펩타이드의 농도가 혈장 및 뇌수막액에서 감소하였다. 그러나 경도의 AD증상을 보이는 환자에 임상 시험한 결과 치매 및 인지도 향상에는 효과가 없음이 드러났다. 따라서 현재 연구개발은 γ-secretase가 APP 단백질에 작용하는 부위를 조절하여 신경독성이 없는 더 작은 분자량의 Aβ 펩타이드를 생성하도록 유도하는 조절제 개발에 집중되었다. NSAIDs계 약물 중 하나인 tarenflurbil의 경우 경도 및 중도 AD 환자에 phase II 임상 치료한 결과 인지력 향상 및 일상 생활에 필요한 기능의 향상을 보였다. 그러나 phase III 임상 시험에서는 인지력 및 일상 생활 영위에 필요한 기본적 기능이 더욱 악화되어 실험이 중단되었다[8].

3.3 α-secretase 활성/조절제

α-secretase와 β-secretase는 APP를 기질로 삼기 때문에 α-secretase활성이 증가할 경우 β-secretase가 분해할 수 있는 APP의 농도가 감소하여 Aβ 생성량이 감소하고 그에 따른 치료효과를 기대해 볼 수 있다. ADAM10, ADAM17 및 ADAM9가 그 예이다. ADAM10 overexpressed transgenic mice에서는 hippocampus 부위에 아밀로이드 형성이 감소되었고 뇌에서 Aβ 펩타이드 농도가 감소하였을 뿐 아니라 long-term potentiation (LTP)와 Morris water-maze 실험에서도 그 효과가 증명되었다[9]. ADAM10 활성을 증가시키는 Deprenyl은 AD 증상을 약화시키는 효과가 있는데 protein kinase C의 효과를 증가시킨다[10]. 지금까지의 연구결과로는 α-secretase를 활성화하는 것이 AD 치료에 효과적일 수 있으나 임상 시험의 결과는 아직 부재하다.

3.4 Aβ aggregation 억제제

Aβ aggregation을 억제하였을 때 신경독성이 현저히 줄어들어 AD 치료제로서의 가능성을 보여준다. 최초의 β-sheet breaker인 iAβ5p를 hippocampus에 직접 주입한 결과 아밀로이드플라크 형성이 감소하고 기억력이 향상되었다[11]. 또 다른 약물은 tramiprosate (3APS, Alzhemed)는 수용성 Aβ에 작용하여 아밀로이드화 되기 위해 필요한 Aβ aggregation을 방해한다. 그러나 경도 AD 환자에 3개월간 Phase II trial을 실시한 결과 CSF의 Aβ42 농도만 감소되었을 뿐 Aβ40 농도, Tau 단백질 및 치매 증상에는 아무런 효과가 없었다. 따라서 현재 US phase III 및 European phase III trials이 중단되었으며 다른 anti-fibrillization 약물의 임상테스트가 준비 중이다[12].

3.5 Apolipoprotein 매개 Aβ 제거

최근 연구에서는 산발성 AD의 경우, Aβ 생성이 증가되는 것 보다는 분해 및 제거가 감소하는 것이 주요한 기전으로 제시되었다[13,14]. Apolipoprotein E (ApoE) 4 유전자가 치매 발생의 위험인자로 밝혀지기도 했으나 그 기전은 알려지지 않았다. 지질결합 된 ApoE 단백질은 소교세포 및 성상세포를 활성화시켜 Aβ를 분해한다. 또한 ApoE의 Aβ 제거 효과는 ApoE의 유전자 형에 따라 다르며, ApoE2가 가장 강한 효과를 보이고 반대로 ApoE4는 Aβ 제거에 큰 효과를 보이지 않는다. 따라서 세포핵 수용체 매개 ApoE 치료는 뇌 Aβ 양을 줄이며 치매 예방과 치료제(Disease modifying therapies)로서의 가능성이 제시되기도 하였다[15]. 세포핵수용체 조절제이며 ApoE 활성제인 Bexarotene은 치매 예방 효과가 기대되었으나 동물실험 결과 Aβ 제거 및 기억력 회복에 효과를 보이지 않았다[16,17].

3.6 Immunotherapy

능동 및 수동 면역치료법이 동물실험에서 치료 효과가 밝혀진 후 AD환자를 대상으로 연구가 진행되고 있다. Transgenic mice에 항원인 Aβ42를 이용하여 능동 면역(active immunization)을 유도했을 때 아밀로이드플라크가 감소되고 Morris water maze 실험에서 기억력 향상을 보였다. 그러나 합성 Aβ 펩타이드인 AN1792/QS-21를 이용하여 AD 환자를 대상으로 한 phase II 임상 시험에서는 6%의 환자가 뇌수막염을 보여 임상 시험이 중단되었다. 최근에 시행된 임상시험에서도 아밀로이드플라크가 감소하였으나 진행성 신경세포퇴화를 개선하지는 못했다[18]. 그 후 연구를 통하여 뇌수막염을 일으켰던 주된 원인이 T-cell response에 의한 것임이 밝혀져 인체에 해로운 T-cell response를 일으키지 않는 Aβ 아미노기 fragment를 운반하는 펩타이드 운반단백질(peptide-carrier protein)이 개발되었다. 현재 그에 따른 임상 시험이 진행 중이다[5].
 Aβ42 펩타이드에 대한 단일클론항체(monoclonal antibody)를 이용한 passive immunotherapy에서는 지속적으로 항체를 정맥주사 하였을 때 치매증상 등이 개선되었고 LY2062430을 이용한 phase I/II 실험이 진행 중이다. Bapi-neuzumab을 이용한 phase III 결과 CSF에서 Tau농도가 감소하는 등의 긍정적인 부분이 보였으나 치료환자에서 cerebral vasogenic edema 등의 부작용을 보였다[19,20]. 따라서 부작용을 해소하는 것이 관건이다. 현재 차세대 active Abeta 백신(ACC-001, CAD106, Affitope AD02)과 passive Abeta 항체 (gantenerumab, crenezumab)가 AD 유발 유전자 변이 등을 가지고 있어 잠재적으로 AD 발병 위험이 있으나 현재는 무증상 및 발병 전단계(presymptomatic phase)에 있는 환자들을 대상으로 하여 임상 phase II/III 테스트가 진행 중에 있다[21].

4. Tau pathology에 관한 치료

4.1 Tau 과인산화 억제제

AD의 또 다른 병리학적 특징이 과인산화된 Tau 단백질로 구성된 paired helical filaments (PHF) 이다. 따라서 hyperphosphorylation (과인산화)을 만드는 kinase 혹은 phosphatase를 치료 타깃으로 하는 연구가 많이 진행 중이다. Cyclin-dependent kinase 5 (CDK5)는 AD 질병에서 Tau단백질에 과인산화를 시키는 효소들 중 하나이다. CDK5 과활성을 보이는 유전자 조작 마우스에서 Tau 병변 및 심각한 뇌세포 손상이 확인되었다. CDK5 억제제가 치료효과를 가져올 수 있다고 기대된다[22].

Glycogen synthase kinase (GSK)-3β 역시 Tau tangle 생성을 억제하기 위한 치료 타깃이다. 이 기작은 이미 항우울제로도 쓰이고 있는 리튬(lithium)에 의해 억제될 수 있으며 동물 실험에서는 Tau 병변이 감소하였다[23]. 그 외에도 Tau의 과인산화를 억제하는 물질에는 propentofylline (PPE)와 SRN-003-556가 있으나 이미 생성된 Tau 병변에는 영향이 없었다. 그러나 이러한 kinases, 예를 들어, CDK5, GSK3를 조작하였을 경우 세포대사 전반에 미치는 영향에 대한 안전성이 철저히 검증되지 않은 상태이므로 가까운 시일 내에 임상 시험이 실시되기는 어려울 것으로 보인다[5].

4.2 Tau aggregation 억제제

알츠하이머병의 신경퇴행성 과정에 대해 완전히 밝혀지지는 않았으나 단백질 aggregates 및 다당체 단백질(oligomers)이 세포독성을 일으키는 주된 원인으로 인식되고 있다. 기본적으로 가용성인 Tau 단백질은 병리적 환경에서 비가용성인 섬유성 aggregates으로 변형되어 결국에는 신경섬유성 tangles이 형성되게 된다. Aβ aggregation 과 신경독성 Tau 단백질의 상호작용이 발병기전에서 중요하므로 AD의 기억력 및 인지 능력 저하를 치료하기 위해서는 Tau aggregation을 고려한 치료법이 주요할 수 있다. 따라서, 가용성 단당체 단백질(monomers)이 비가용성 섬유성 aggregates으로 전환되는 기전은 약제개발에 있어서 효과적인 표적이며 집중적으로 연구되는 분야이다. 이러한 가설을 바탕으로 단백질 aggregation을 방해하는 소분자 억제제가 개발되고 있다. Tau aggregation을 방해하는 소분자를 스크리닝하는 실험 방법은 Thioflavin S (ThS) 형광 측정 에세이이다. ThS는 beta-sheet를 포함한 모든 단백질 aggregates에 강하게 결합하는 특성이 있어 특정 파장에 노출되었을 때 발광하기 때문에 단백질 aggregates의 양을 측정하는데 사용되고 있다. 최근에는 염화메틸렌블루(Methylene blue chloride, MTC)가 경도 및 중도의 AD 환자를 대상으로 한 임상 시험 phase II에서 긍정적인 효과를 보였으며 현재 임상 시험 phase III를 위하여 준비 중이며 결과는 2016년에 발표될 예정이다[24]. 단백질 aggregation 억제효과가 있는 물질들은 공통적으로 aromatic/hydrophobic 패치 구조 및 긴 수소결합기를 가지고 있다. 효과적인 Tau 단백질 aggregation 억제제 개발을 위해서는 이들 분자결합구조에 대한 이해를 바탕으로 생체 독성, 뇌 침투율(permeability) 및 혈장 안정성 등이 수반되어야 한다. 최근의 실험결과에 따르면 세포주를 이용한 많은 실험에서 효과를 보인 물질로는 phenothiazines, N-phenylamines, benzothiazoles, rhodanines, quinoxalines, polyphenols, anthraquinones 등이 있다[25].



4.3 Tau immunotherapy

Phosphor-tau 펩타이드 (아미노산 379-408, phosphorylated on S396/S404)를 P301L-tau transgenic mice에 주입하였을 때 BBB를 통과하는 항체가 형성되었으며 Tau의 농도가 감소하고 그에 따른 증상의 진행속도가 현저히 감소하였다[26,27]. 또한 tau tangles이 40%까지 감소하고 microglia가 20% 증가하였으며 신경증상 등이 완화된 결과도 발표된 바 있다[28]. 현재까지 active immunization의 효과가 동물실험 단계에서 증명되어 잠재적으로 환자에 임상 시험 시 성공 가능성이 큰 치료 방법으로 간주되고 있다. 아직까지 임상 시험 결과는 부재하다.

5. Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs)

AD의 뇌병변에서 보이는 큰 특징 중에는 microgliosis가 있다. 다수의 역학조사에 따르면 NSAIDs계의 항소염제를 장기 복용하였을 시 AD 유병률이 낮아지는 경향을 보였다. 캐나다에서 실행된 10년간의 장기 프로젝트에서 역시 경도인지장애 환자군에 NSAIDs 치료를 하였을 때 AD 유병률이 낮아지는 것을 보여주었다. 그러나 임상 시험 결과에 따르면 NSAID (indometacin) 장기간 복용 시 위장계 독성으로 인한 심한 금단현상을 보였다. 그 외에도 cox-2 특이 혹은 비특이성 NSAID (celecoxib, rofecoxib or naproxen) 혹은 다른 항소염약제 (예, dapsone, hydroxychlorquine, prednisone)에 대한 임상 시험 결과에 따르면 특이할 만한 치료 효과가 없었다[5]. 따라서, 경도 및 중도 인지장애의 경우에는 치료 효과가 있을 수 있으나 AD 말기에는 치료 효과가 없어 질병의 진행 단계에 따라 치료 효과가 다른 것으로 보인다.

6. 세포이식 및 유전자 치료법에 관한 개발

AD-rat model에 cholinergic-rich tissue를 주입하였을 때 인지력이 향상되는 효과를 보였으며, nerve growth factor (NGF)를 주입할 경우 뇌세포의 손상을 방지할 수 있고 기억력이 향상되는 효과가 있음이 보고되었다[29]. 경도 AD 환자에서 사람의 NGF를 발현하는 유전자를 엔지니어링 한 fibroblast를 주입하여 Phase I 임상 시험을 한 결과 6-8개월 후 뇌세포의 글루코스 uptake 레벨이 증가하였으며 인지력 장애 또한 개선되는 효과를 보였다. 장기간의 NGF 유전자의 발현에 의한 부작용도 나타나지 않았다[30]. 또한 NGF유전자를 발현하는 세포를 이식한 AD 환자의 경우 뇌 용적이 감소되는 현상도 감소하였다[31]. 한편 더욱 효과적인 유전자 도입을 위하여 AAV-NGF 바이러스를 AD 환자의 nucleus basalis of Meynert에 직접 stereotaxic 주입한 결과 장기간 NGF 발현이 가능하였다[32].

7. 결론

AD 병인기전은 유전자 및 환경적 요소 등을 포함하여 매우 복잡하다. 그러므로 효과적인 치료제를 개발하기란 쉬운 일이 아니다. 현재 AD 환자에 대한 치료법은 임시적인 기억력 향상 및 인지도 저하의 속도를 늦춰주는 것뿐이다. 베타 아밀로이드 생성 기전을 표적으로 개발된 많은 치료물질들은 현재까지 실행된 임상 시험에서 AD 치료제로서 큰 효과를 보여주지 못하였기 때문에 많은 연구자들은 Tau 단백질의 병인기전을 표적으로 하는 치료제 연구가 희망적인 대안책이 될 것으로 보고 있다. 또한 치료 효과가 예상되는 물질에 대하여 대량 스크리닝 하는 기술력이 빠르게 향상되고 있어 치료제 개발은 촉진될 것으로 사료된다.

8. 참고문헌

 

...................(계속)

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