바이오인

핵심내용

- 우리기술로 개발한 혁신신약 후보물질로 내성 결핵 퇴치의 획기적 돌파구 제시  -

- 새로운 약효기전 발견 및 혁신신약 후보물질 개발 모두에 동시 성공한 국내 최초 연구 성과 -

□ 국내 연구진이 기존 의약품에 대한 강한 저항성으로 인해 퇴치가 어려운 난치성(내성) 결핵균을 효과적으로 사멸시키는 혁신신약 후보물질(물질명: Q203)을 개발했다.

○ Q203은 결핵균의 세포 호흡을 담당하는 핵심 단백질에 특이적으로 결합하여 결핵균을 죽이는 새로운 작용기전의 치료 후보물질로, 이를 통해 향후 난치성 결핵 환자(다제내성 및 광범위내성 결핵 환자)의 치료기간 단축 및 완치가 가능할 것으로 기대된다.

    ※ 다제내성결핵(MDR) : 1차 항결핵제에 내성을 보이는 결핵
    ※ 광범위내성결핵(XDR) : 다제내성과 더불어 항생제 및 2차 항결핵제에 내성을 보이는 결핵

□ 한국파스퇴르연구소의 케빈 페트 박사와 김재승 박사 연구팀, 그리고 한국파스퇴르연구소가 설립한 바이오 벤처회사인 (주) 큐리언트(대표 남기연)의 주도로 진행된 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 경기도(도지사 김문수)의 연구비 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 의과학분야 권위지인 네이처 메디슨(Nature Medicine) 8월 4일자 온라인판에 게재되었다.

    (논문명 : Discovery of Q203, a potent clinical candidate for the treatment of tuberculosis)

    ※ 그 외 연세대 의대 조상래 교수, 노바티스 열대성질환연구소(NITD), 충남대 수의대 정주영 교수 등 다양한 연구팀의 국제 산학연 협력연구로 진행

□ 결핵은 세계적으로 유행하는 호흡기 전염성 질병으로, 최근 공공 의료 수준이 지속적으로 발전하고 있음에도 다제내성균 및 광범위내성균의 등장, 후천성 면역결핍증(HIV)과의 동시 감염 등으로 인해 결핵 감염률은 여전히 통제되지 못하고 있다.

    ※ 감염성 질환 분야 중 사망자 수 2위인 질환으로 특히 난치성(다제내성 등) 결핵환자는 전세계 연 31만명이 발생하는 것으로 추정 (WHO, 2012)

○ 또한 지난 40년간 단 1건*의 치료제만이 미국 FDA의 승인을 받았을 정도로 결핵 신약개발 연구가 정체되어 있었다.

    * 2012년 12월 31일 존슨앤존슨사의 결핵약물 '시르투로(SirturoTM)' FDA 사용 승인

○ 질병관리본부에 따르면 2011년 기준 한국은 결핵 발생률, 유병률, 사망률에서 OECD국가 중 1위를 기록하고 있으며, 결핵은 국내 법정 감염성 질환 중 가장 높은 발병률과 사망률을 보이고 있다. 특히, 다제내성결핵 환자 수는 2010년 대비 15% 증가했으며, 광범위내성결핵 환자수도 증가 추세다. 결핵으로 인한 사회경제적 손실비용도 연간 8천억원에 이르는 것으로 추산된다.

    ※ 2011년 기준 국내 결핵 사망자 수 약 2,300명 (하루 평균 6명 사망)

□ 이번 연구에서 연구진은 새로운 결핵 치료제 발굴을 위해 한국파스퇴르연구소가 자체 구축한 세포 이미징 기반 페노믹스크린(PhenomicScreenTM) 기술을 활용하여 연구소가 보유한 약 12만개의 화합물을 탐색, 결핵 치료 효능을 나타내는 초기 유효물질을 도출하였으며, 이후 도출된 화합물의 최적화(lead optimization) 과정을 통해 혁신신약 후보물질인 Q203을 개발해 냈다.

○ 특히 결핵균에 감염시킨 살아있는 인간 대식세포를 활용하여 실제 인체 내 감염경로 및 서식환경과 유사한 조건을 도입하는 신개념 연구법을 통해, 기존 단백질이나 효소 또는 결핵균만을 이용하는 생체 외 실험(in vitro)의 한계점을 보완하고, 생체 내 실험(in vivo)에서도 유의한 수준의 활성 발현이 가능한 신약후보 물질을 발굴하였다.

○ 이에 Q203은 실제 동물효능실험 뿐 아니라 다제내성과 광범위내성 결핵 환자로부터 분리된 균주를 활용한 실험에서도 매우 탁월한 치료 효능을 나타냈으며, 독성 실험에서도 안전성이 입증되어 혁신신약 후보물질로서의 요건을 충족하였다.

○ 또한 Q203의 약효 기전 규명을 위해 연구진은 Q203에 내성을 가지는 돌연변이 결핵균을 인위적으로 생성시킨 후 전체 게놈 시퀀싱(whole-genome sequencing)으로 유전자 변이를 탐색, 결핵균의 세포호흡을 담당하는 핵심 단백질인 시토크롬 bc1(cytochrome bc1)의 유전자가 변형됨을 확인함으로써 기존 치료제와는 다른 새로운 결핵균의 약효 작용점을 규명하였다.

□ Q203이 이와 같이 새로운 작용 기전을 가지고 있기 때문에 향후 신약으로 출시되면 그간 기존 치료제의 한계로 고통 받던 내성 결핵 환자들의 삶의 질 개선 및 결핵의 조기 퇴치에 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.

    ※ Q203은 2010년 (주)큐리언트에 기술이전 후, 미래부 등 범부처 신약개발사업단 지원 과제로 선정되어 2014년 임상시험 진입을 목표로 현재 개발이 진행 중

○ 특히 이번 연구결과는 한국파스퇴르연구소의 페노믹스크린(PhenomicScreenTM) 기술을 활용하여 초기 유효물질 도출에서 후보물질 개발까지의 연구를 성공적으로 수행한 사례로, 새로운 약효기전 발굴 및 혁신신약 후보물질 도출 모두에 동시 성공한 국내 최초의 연구 성과로서 그 의의가 있다.

상세내용

연 구 개 요

1. 연구배경

결핵은 전 세계적으로 공공 의료 수준 및 관리 체계가 지속적으로 발전하고 있음에도 불구, 후천성 면역결핍증(HIV)과의 동시 감염으로 인한 결핵 환자 수 증가와 기존 치료제에 저항성을 보이는 다제내성 결핵의 출현으로 인해, 여전히 인류의 건강을 위협하는 가장 심각한 전염병 중 하나로 꼽힌다. 세계보건기구(WHO)는 2012년 결핵 보고서*를 통해 추정 감염자가 세계 인구의 약 3분의 1이며, 매년 880만 건의 신규 환자가 발생하며, 결핵으로 인한 사망자가 약 20초마다 발생한다고 보고했다 (국내 사망자수는 매년 2,000명 이상). 2011년 기준, 다제내성 결핵 환자 수는 310,000명발생으로 추정되며, 이 중 약 9% 정도가 광범위내성 결핵 환자로 추산된다. 이 중, 국내 다제내성 결핵 환자 수는 1,800명으로 추정하고 있다.
* WHO Global TB report, 2012, http://www.who.int/tb/publications/global_report/en/
기존의 약제내성 결핵 치료제는 최소 18-24개월의 장기복용에 따른 문제점과 함께, 이미 저항성을 발현한 결핵균에는 약효가 떨어진다는 문제가 지적된 바 있으며, 이로 인해 탁월한 치료 효능을 가진 혁신신약1 개발의 필요성 및 시급성이 끊임없이 대두되어 왔다. 또한, 최근 서구권 국가 내 이민 인구 성장에 따른 다제내성 및 광범위내성 결핵 발생건수 증가와, 세계적으로 결핵 발병률이 높은 중국, 인도, 러시아의 경제성장에 따른 시장성 확보로 결핵 신약개발에 관심이 집중되고 있는 추세다.

참고. 2011년 다제내성 결핵 환자 분포도 (출처 : WHO Global TB report, 2012)

2. 연구내용

전 세계적인 약제내성 결핵의 창궐에 대한 대응으로 결핵 퇴치를 위한 혁신신약 개발 연구가 활성화되었으며, GSK, 노바티스, 사노피-아벤티스, 존슨앤존슨 등의 글로벌 제약회사들 역시 결핵 퇴치를 위한 치료제 개발 연구에 많은 노력과 투자를 집중했다. 그럼에도 불구, 지난 40년간 단 1건의 치료제만이 미국 FDA의 승인을 받았을 정도로 결핵 신약개발 연구가 정체되어 있었다.

이러한 배경에서, 한국파스퇴르연구소의 연구진은 기존의 약효탐색 시스템의 한계성을 극복하기 위해 생리학적 현상에 보다 유사한 약효탐색 시스템을 개발하였으며, 이를 한국파스퇴르연구소가 자체 구축한 세포 이미징 기반 페노믹스크린 (PhenomicScreenTM)2 신약개발 기술에 접목시켜, 기존에 알려지지 않은 새로운 작용기전을 갖는 혁신 신약 후보물질 Q203의 개발에 성공했다.

이번 연구에 활용된 약효 탐색 시스템(assay system)은 기존의 단백질이나 효소를 이용하는 작용점 기반(target-based) 약효탐색 기법이나 결핵균 자체만을 이용하는 기법의 취약점인 ‘in vitro(생체 외에서 진행되는 실험)의 활성이 in vivo(동물 생체 내 효능실험)에서 동일하게 발현되지 않는다’는 점을 보완한 신개념 연구법이다. 즉, 결핵균에 감염시킨 살아있는 인간 대식세포(macrophage)3를 직접 연구함으로써 실제 결핵균의 인체 내 감염 경로 및 서식환경과 매우 유사한 조건에서 결핵균의 사멸 정도와 세포독성을 동시에 정량화하는 기법이다. 본 연구는 이러한 신개념 기법을 적용하여, 동물 효능실험에서도 뛰어난 치료 효과를 보이는 신약 후보물질 발굴이 가능함을 입증한 사례로 평가할 수 있다.

페노믹스크린 기술로 개발한 Q203의 약효 작용점 규명을 위해 연구진은 Q203에 내성을 가지는 돌연변이 결핵균을 인위적으로 생성시킨 후, 전체 게놈 시퀀싱(whole-genome sequencing)을 통해 유전자 변이를 탐색했다. 그 결과, 결핵균의 세포호흡을 담당하는 핵심단백질인 시토크롬 bc1 (cytochrome bc1t, 일명 qcrB, 또는 Rv2196)4의 313번째 유전자가 돌연변이를 일으킨 사실을 일차적으로 확인했으며, 인위적으로 313번째 유전자를 변형시킨 결핵균을 대상으로 진행한 실험을 통해 Q203의 내성 발현이 시토크롬 bc1의 313번째 유전자와 연관이 있음을 확증했다. Q203은 이러한 새로운 작용 기전을 가지기 때문에, 이미 알려진 작용 기전의 기존 약제들에 저항성을 보이는 다제내성 및 광범위내성 결핵 환자들을 보다 짧은 기간 내 효과적으로 치료할 수 있을 것으로 기대되고 있으며, 실제 다제내성 및 광범위내성 결핵환자들로부터 분리된 균주를 대상으로 진행한 실험에서 탁월한 치료 효과를 입증하였다.

3. 기대효과

본 연구는 초기 유효물질 도출에서 혁신신약 후보물질 개발까지의 연구 단계를 성공적으로 수행한 사례로, 특히 우리기술을 활용하여 새로운 약효 작용점 발굴 및 혁신신약 후보물질 개발에 모두 성공한 국내 최초의 연구 성과라는 점에서 특히 주목된다. 아울러, 한국파스퇴르연구소의 약효탐색 시스템과 페노믹스크린 기술의 확대를 통해 국내 혁신신약 개발 활성화를 촉진 시킬 수 있을 것으로 기대된다. 향후 Q203이 정식 의약품으로 출시되면 다제내성 및 광범위내성 결핵을 치료하는 1차 치료제로 자리매김하게 될 것이며, 내성결핵 환자들의 삶의 질 개선 및 결핵의 퇴치를 가속화 할 수 있을 것이다.

4. 결핵 치료제 현황

- 일반 결핵 환자의 경우 : 세계보건기구(WHO)에서 권장하는 치료법은 다음 4개(isoniazid (INH), rifampicin (RIF), pyrazinamide (PZA) and ethambutol (EMB))의 결핵 치료제를 2달간 복용 후, 2개 (isoniazid (INH), rifampicin (RIF),)의 결핵 치료제를 4개월간 추가로 복용하는 것이다.

- 약제 내성 환자의 경우 : 치료기간이 24개월까지 늘어나며, 위에서 언급한 결핵 치료제 외에도, ethionamide, capreomycin, para-aminosalicyclic acids fluoroquinolones (ofloxacin, moxifloxacin), penicillin/b-lactamase inhibitors, rifabutin, rifapentine등의 항생제를 내성 정도에 맞추어 추가로 복용해야 한다.

연 구 이 미 지

그림 1. 실제 결핵균의 감염 경로와 유사하도록 인간 대식세포(macrophage)에 결핵균을 감염 시킨 모습. (붉은색은 1개의 대식세포를, 그린형광색은 결핵균을 나타냄.)

그림 2. 약효탐색시스템을 활용하여 화합물의 농도 변화에 따른 대식세포 내에서의 결핵균 사멸 정도와 세포 독성을 이미지로 관찰. 붉은색은 대식세포, 그린형광색은 결핵균을 나타냄. 신약후보물질(화합물)의 농도가 증가할수록(왼쪽) 더 많은 결핵균이 사멸됨과 동시에 대식세포의 수가 증가함을 볼 수 있으며, 이는 약효는 증가하는 동시에 세포에 대한 독성은 없음을 나타냄.

그림 3. 첨단 정보기술과 바이오 기술을 접목시킨 페노믹스크린 기술을 활용하여 화합물에 의한 결핵균의 사멸 정도 및 세포에 대한 독성 여부를 분석 및 정량화 할 수 있음.

(좌상) : 분석 전 이미지(빨간색: 대식세포, 그린형광색 : 결핵균)
(우상) : 세포 독성 평가 - 분석 알고리즘을 통해 대식세포만 정량화
       (화합물 독성 발현 시 대식세포와 결핵균이 동시 소멸함)
(좌하) : 약효 평가 - 분석 알고리즘에 의해 결핵균만 정량화
       (그린형광색의 구역이 작고, 형광의 강도가 약할수록 약효가 우수함을 나타냄)
(우하) : 약효평가와 세포독성평가 결과를 정량화 된 이미지를 통해 동시에 종합적으로 분석

그림 4. Q203의 분자 모형 (C29H28ClF3N4O2)

그림 5. 공동 교신 저자 (왼쪽부터 한국파스퇴르연구소의 케빈 페트 박사, (주) 큐리언트의 남기연 대표, 한국파스퇴르연구소의 김재승 박사)

용 어 설 명

1. 혁신 신약 (First-in-Class)
 기존에 알려진 작용점이나 작용기전과 전혀 다른 메커니즘으로 작용하는 새로운 오리지널 신약으로, 글로벌 시장을 주도할 수 있는 퍼스트무버 (first mover)로써의 역할을 하게 된다.

2. 다제내성결핵(Multi Drug Resistant TB)
 1차 항결핵제 중 가장 효능이 뛰어난 Isoniazid(INH)와 Rifampicin(RIP)에 모두 내성을 보이는 결핵으로, 치료 효율이 낮고 18개월-24개월의 꾸준한 치료를 필요로 한다.

3. 광범위내성결핵(Extensively Drug Resistant TB)
 IHN와 RIP 내성에 추가하여 Fluoroquinolone(플로로퀴놀론)계 항생제인 Levofloxacin, moxifloxacin, ofloxacin 중 최소 1가지, 그리고 2차 항결핵 주사제인 Amikacin, Kanamycin/Capreomycin 중 최소 1가지에 동시에 내성을 보이는 결핵으로, 치료가 매우 어렵다.

4. 페노믹스크린 (PhenomicScreenTM) 기술
페노믹스크린은 IT 및 BT 분야의 최신 기술을 융합한 한국파스퇴르연구소 고유의 기술로, 세포 이미징 기법과 초고속·대용량 스크리닝 기술을 접목시킨 첨단 약효 탐색 기술이다. 이 기술을 인간세포를 활용하는 세포 기반 질병모델에 접목시키면, 병원균에 감염된 인간세포에 약효를 평가할 화합물을 투입 후 세포 내에서 일어나는 생물학적 변화를 실시간으로 분석할 수 있기 때문에, 효능, 물성, 독성이 인체와 유사한 환경에서 일차적으로 검증된 우수한 신약 후보 물질을 초고속·대용량으로 탐색 할 수 있다. 페노믹스크린 기술을 활용하면 이미 규명된 약효 작용점에 효과적으로 반응하는 화합물 발굴은 물론, 작용점을 규명하지 않은 타겟-프리(target-free) 조건에서도 뛰어난 치료 효과를 보이는 화합물을 폭넓게 탐색 할 수 있기 때문에, 완전히 새로운 작용 기전을 가지는 신약후보 물질의 도출이 가능하다. 이러한 경우, 도출된 화합물의 약효 작용점을 역조사하는 방법을 통해 새로운 작용점 규명이 가능하며, 본 연구도 같은 방법을 통해 혁신신약 후보물질을 개발해 낸 사례이다.

5. 대식세포 (macrophage)
동물 체내의 모든 조직에 분포하며 면역을 담당하는 세포. 침입한 세균 등을 잡아서 소화하여, 그에 대항하는 면역정보를 림프구에 전달한다.

6. 시토크롬 bc1 (cytochrome bc1t, 일명 qcrB, 또는 Rv2196) :
호흡사슬(respiratory chain)은 기질로부터의 전자가 단계적인 산화환원 과정을 거쳐 산소 분자에 전달되는 일련의 효소 반응계로, 이 과정에서 에너지원인 ATP를 생성하게 된다. 시토크롬 bc1 콤플렉스는 호흡사슬의 중간 단계로, cytochrome c에게 전자를 전달함으로써 세포의 에너지원인 ATP 합성에 주요한 역할을 한다.