Research - Highlight

[요약] 시스템생물학 연구를 통해 EGFR 표적항암제의 반응성을 증가시키는 약물 표적을 발굴

[배경] 암세포의 특정 분자만을 표적으로 하는 표적항암제가 개발돼 부작용을 크게 줄이고 효과를 높일 수 있지만, 여전히 약물에 반응하는 환자가 매우 제한적이다. FDA 승인을 받은 대표적인 대장암 치료제인 세툭시맙(cetuximab)의 경우, 약물 반응성을 예측하는 바이오마커 KRAS 유전자 돌연변이가 없는 환자도 세툭시맙 반응률은 절반 정도에 불과하다. 따라서 새 바이오마커가 요구되고 있으며, KRAS 돌연변이를 극복할 수 있는 병용치료 타겟의 발굴 역시 필요하다.

[방법 및 결과] 전사체 데이터 분석, 수학 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션 분석과 암 세포주 실험을 융합한 시스템생물학 연구를 통해 세툭시맙 반응성에 대한 바이오마커로 다섯 개의 새로운 유전자(DUSP4, ETV5, GNB5, NT5E, PHLDA1)를 찾아냈다. 그리고 대장암세포에서 각 유전자를 실험적으로 억제한 결과 KRAS 정상 세포에서 발생하는 세툭시맙 내성을 모두 극복할 수 있었다. 특히 GNB5를 억제하면 KRAS 돌연변이가 있는 세포주에서도 세툭시맙 처리에 따른 약물내성을 극복할 수 있음을 밝혔다. 따라서 GNB5의 억제를 통해 대장암 환자의 KRAS 돌연변이 유무와 관계없이 세툭시맙에 대한 내성을 극복할 수 있어, GNB5가 효과적인 병용치료 분자 타겟이 될 수 있음을 증명했다.

본 연구에서 제시한 유전자를 바이오마커로 활용하면 세툭시맙에 잘 반응할 수 있는 민감 환자군을 미리 선별해 치료할 수 있는 정밀의학의 실현을 앞당길 수 있다. 또한 발굴된 유전자들을 표적화하는 신약개발을 통해 내성을 가지는 환자군에 대해서도 새로운 치료전략을 제시할 수 있다. 특히 세툭시맙 치료 대상에서 제외됐던 KRAS 돌연변이가 있는 환자군에 대해서도 GNB5의 억제를 통해 치료 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

[성과] 2019년에 유럽 생화학협회의 전문학술지인 <FEBS journal>에 4월호 표지 논문(cover paper)으로 게재되었다. 연합뉴스, 메디컬투데이, 서울경제 등 다수의 언론을 통해 보도되었다. 본 연구에서 제시한 병용 타겟은 ‘EGFR 저해제 저항성 암 치료제 (10-2049090)’로 2019년 11월 20일 국내 특허 등록이 이루어졌으며, ‘Method and apparatus for discovering target protein of targeted therapy (15/196,656)’로 2017년 12월 6일 해외 PCT 등록이 이루어졌다.

[요약] 시스템생물학 연구를 통해 표적항암제의 적응형 내성을 억제할 수 있는 병용 치료전략 개발

 [배경] 분자조절네트워크는 수많은 피드백 회로와 중첩경로가 서로 복잡하게 얽혀있다. 이로 인해 특정 분자만을 타겟하는 표적항암제 투여시, 표적 경로가 재활성화 되거나 우회경로가 활성화되면서 약물의 효과를 상쇄시키도록 네트워크가 적응할 수 있다. 암의 치료에는 이같은 적응형 내성(adaptive resistance)을 시스템적으로 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 적응형 내성을 분석하는 새로운 모델링 기법을 개발하고, 이를 통해 표적항암제 내성 억제 전략을 제시하고자 하였다.

[방법 및 결과] 기존 분석법의 한계를 극복하기 위해 피드백의 영향을 파악할 수 있는 모델링 기법을 개발하였다. 또한 약물의 효과에 적응하는 대장암 세포의 내성 기작을 반영할 수 있도록 피드백 회로 및 중첩경로(crosstalk) 중심의 신호전달네트워크 모델을 구축하였다. 구축된 모델에서 약물반응에 대한 대규모 시뮬레이션을 수행하였고, 개발된 모델링 기법을 적용하여 적응형 내성을 매개하는 핵심 회로를 동정하였다. 다양한 대장암 세포주의 유전자 돌연변이 정보를 반영하여 생성된 개별 세포주 네트워크를 분석한 결과, MAPK 신호전달경로를 타겟하는 약물의 적응형 내성을 매개하는 가장 주된 신호전달물질은 Src 로 제시되었다.

예측된 결과를 검증하기 위해 세포주에서 MEK 저해제 혹은 BRAF 저해제와 함께 Src 저해제를 병용 처리하는 실험을 수행하여, Src 저해제가 기존 약물에 대한 내성을 극복할 수 있음을 보였다. Src는 MAPK 신호전달경로가 저해되면 피드백 효과로 인해 활성화 된다. 그로 인해 MAPK 신호전달경로로 신호를 다시 내려보내고, 또한 다른 신호전달경로를 통해 세포사멸을 억제하고 성장을 촉진시킬 수 있다. 이러한 구조적 위치에 있는 신호전달물질은 병용처리에 주요한 타겟이 될 것이다. 같은 구조를 공유하는 PI3K 신호전달경로에서도 Src 저해제의 병용 처치가 PI3K 저해제의 약물 반응성을 증가시킴을 확인하였다. 이처럼 본 연구에서 개발된 네트워크 모델링 및 타겟 예측 기술을 활용하면 다양한 표적항암제의 내성을 극복할 수 있는 병용 치료 전략 개발이 가능할 것이다.

[성과] 2020년에 Nature의 암전문학술지인 <Oncogene>에 게재되었다 (JCR 상위 10%). 본 연구에서 제시한 내성극복 치료법은 ‘암의 약제 내성을 극복하기 위한 SRC 저해제의 용도 (10-2285792)’로 2021년 7월 29일 국내 특허 등록 되었다. 또한 본 연구에서 개발한 내성극복 표적 탐색 알고리즘은 ‘표적항암제에 대한 암의 내성 기작 분석 및 이를 극복할 수 있는 추가적인 약물 조합 표적 탐색을 위한 네트워크 시뮬레이션 방법 (10-2020-0011883)’으로 국내 특허 출원 되었다.

[요약] 병원 임상의와 협업해 고혈압치료제를 약물재창출 하여 간암의 내성극복 병용 치료법 제시

[배경] 이마티닙, 렌바티닙, 수니티닙, 소라페닙과 같은 다중 표적 억제제는 간암, 신장세포암, 갑상선암 등 다양한 암 치료에 널리 사용된다. 그러나 그 효능은 병리생리학 맥락에 따라 달라지며, 내성은 거의 모든 경우에 나타난다. 다중 표적 억제제의 효과를 예측하기 위한 바이오마커를 찾기 위해 많은 연구가 시도되으나, 여러 인산화효소를 대상으로 하는 다중 표적 억제제의 특성 때문에 내성 메커니즘을 발견하는 것이 어려웠다. 따라서 본 연구에서는 세포주, 환자 데이터 분석 및 신호전달경로 모델 시뮬레이션 분석을 동반한 시스템생물학 기술을 통해 해결하고자 한다.

[방법 및 결과] 간암 치료에 사용되는 대표적인 다중 표적 억제제인 소라페닙(Sorafenib)의 반응성을 결정하는 바이오마커를 조사하기 위해, 전사체 데이터 분석과 네트워크 모델 시뮬레이션 분석을 결합한 시스템생물학 접근법을 사용했다. 세포주 데이터베이스 CCLE 분석 결과, EDN1의 발현량이 소라페닙 저항성 세포주에서 가장 특징적으로 높게 나타났다. 또한 소라페닙에 대한 반응이 좋지 않은 간암 환자의 조직과 혈액에서도 EDN1 수치가 높다는 것을 발견했다. EDN1 처치 후 간암 세포주의 단백질체를 분석하여, 이를 바탕으로 EDN1 수용체의 하위 경로 및 소라페닙의 표적을 포함한 신호전달네트워크를 구성하였다. 신호흐름분석 기술을 활용한 시뮬레이션 분석을 통해 EDN1 신호전달의 억제가 소라페닙에 대한 반응성을 조절할 수 있음을 확인하였다.

분자세포실험에서 EDN1은 간암 세포에서 혈관생성 촉진 경로의 활성화를 유도할 뿐만 아니라 증식과 이동을 자극하는 것으로 나타났다. 또한 이전 공동연구를 통해 밝혀진 소라페닙의 반응에 핵심적인 UPR (unfolded protein response) 경로를 EDN1이 조절한다는 것을 전사체 분석을 통해 확인하였다. 이를 바탕으로 수학적 모델을 구축하여, EDN1 신호전달경로를 억제하면 세포 사멸 상태로 전환되어 소라페닙의 반응성을 증가시킬 수 있음을 보여주었다. 추가적인 세포주 실험에서는 EDN1 수용체인 EDNRA와 EDNRB 중에서 EDNRB의 억제만이 소라페닙의 효능을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 이를 기반으로 현재 폐동맥 고혈압 치료에 사용되고 있는 EDNRB의 억제제인 Macitentan을 소라페닙과 병용 투여하는 간암 치료 전략을 제시하였다. 이러한 Macitentan의 약물 재창출 효능은 세포주 및 마우스를 이용한 동물 실험을 통해 검증되었다.

[성과] 2021년에 Nature의 암전문학술지인 <Cancer Gene Therapy>에 게재되었다.

To be Announced.

[요약] 한방병원과 협업해 침치료 후 파킨슨병의 운동 증상 개선과 연관된 유전자 바이오마커 개발

[배경] 파킨슨병 병리생태학의 기초가 되는 분자 메커니즘에 대한 연구가 쌓여가고 있으나, 임상에서 환자의 예후 및 치료 반응을 예측하기 위한 바이오마커는 아직 부족한 상황이다. 본 연구팀은 선행 임상 연구를 통해 침치료에 의한 파킨슨병 환자의 보행 장애 개선 및 뇌 혈류량 증가를 확인하였다. 하지만 치료 효과에 대한 분자적 메커니즘은 밝혀지지 않았으며, 이를 확인할 수 있는 유전적 마커도 연구되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 파킨슨병 환자의 침치료에 의한 변화를 전사체 수준에서 밝히고, 치료 반응을 모니터링 할 수 있는 잠재적 바이오마커를 개발하고자 하였다.

[방법 및 결과] 이전 임상시험에서 확보한 파킨슨병 환자의 침치료 전후 혈액 샘플을 활용해 생물정보학 기술로 유전자 발현 변화를 조사하였다. 우선 침치료에서 보행 장애의 개선이 가장 뚜렷한 대표적 환자를 대상으로 RNA-seq 데이터 생산 및 전사체 분석을 수행하였다. 침치료 후 변화 패턴은 표준 치료인 도파민 치료와 유사하게 나타났으며, ssGSEA(single-sample gene set enrichment analysis) 분석 결과 신경전달물질 분비 및 억제성 시냅스 전위 등과 신경과 관련된 생물학적 경로들이 활성화됨을 발견하였다.

정상인에 비해 파킨슨병 환자의 뇌와 혈액 모두에서 일관되게 발현량이 변한다고 알려진 기존 바이오마커 유전자 정보를 취합한 후 데이터 분석 및 qPCR 검증을 통해 SYN1, ANKRD22, 두 유전자의 발현이 침치료 후에 증가하는 것을 확인하였다. 또한 GAITrite 시스템으로 측정된 보행 능력과도 일부 상관관계가 있음이 나타났다. ANKRD22는 파킨슨병의 주원인으로 여겨지는 α-synuclein 축적 억제 과정과 연관되어 있으며, SYN1은 시냅스에서 신경전달물질 방출과 연관되어 있다. 따라서 본 연구에서 제시한 SYN1, ANKRD22 두 유전자의 발현량 변화는 침치료의 효과를 매개하는 분자적 메커니즘으로 생각되며, 혈액 내에서 침치료 반응을 확인 가능한 바이오마커로 활용될 수 있다.

[성과] 2021년에 진단학 전문학술지인 <Diagnostics>에 게재되었다. 개발된 바이오마커는 ‘치료에 따른 보행 장애 개선 판별용 바이오마커 및 이의 용도 (10-2021-0157793)’로 국내 특허 출원 되었다.

[요약] 생물학적 네트워크의 상태를 조절할 수 있는 최적의 노드를 탐색하는 알고리즘 개발

[배경] 질병의 치료, 생태계 복원과 같은 생물학적 시스템의 제어를 위해 핵심적인 요소를 찾는 연구가 주목받고 있다. 시스템생물학에서는 생체 시스템을 네트워크로 표현하고 그 동역학을 분석해 제어 목표를 이루고자 한다. 기존 제어 방법은 지속적 섭동을 가정하고 있는데, 이를 생체 시스템에 적용할 경우 지속적인 약물 투여로 인해 부작용도 심해지며 약물에 대한 내성이 발생한다는 문제가 있다. 따라서 일시적 제어만으로도 대규모 네트워크에서 원하는 상태 변화를 가능하게 하는 최적의 노드를 탐색하는 알고리즘 개발이 필요하다.

[방법 및 결과] 생물학적 네트워크의 노드를 한번의 섭동을 통해 원하는 상태로 제어할 수 있는 타겟을 발굴하는 수학적 알고리즘을 개발하였다. 이를 암세포 신호전달 네트워크, 생태계 조절 네트워크 등 다양한 생물학적 네트워크에 적용하여 제어 타겟을 선별하고 그 특징을 분석하였다. 특히 네트워크의 규모가 증가함에도 제어 타겟의 수는 도달하고자 하는 상태의 끌개 유역 크기에 의해 결정될 수 있음을 수학적으로 증명하였다. 또한 시뮬레이션을 통해 상태 변화가 빈번한 요소가 제어 타겟이 될 확률이 높다는 것을 제시하였다. 이러한 기술을 통해 제어 입력을 지속하지 않고 일시적인 제어 입력만으로 시스템을 원하는 상태로 보내는 최적의 방법을 찾을 수 있다.

지속적 섭동을 사용하는 기존의 제어 방식에서는 시스템이 원하는 끌개로 수렴하는 시간을 알기 어렵기에, 충분한 시간으로 섭동을 지속하지 못하는 경우에는 제어 성공률이 낮아지게 되었다. 따라서 본 연구에서 개발된 알고리즘을 암세포의 생체분자 네트워크에 적용하여 일시적 제어로 치료가 가능한 새로운 약물 타겟을 찾아낸다면, 기존 암치료의 한계점을 해결할 것으로 기대된다. 예를 들어 긴 투약 과정이 없어 부작용이 적고 내성 발생의 위험성이 낮은 신약 개발 등에 기여할 수 있다.

[성과] 2019년에 Nature의 융합학문 전문학술지인 <Scientific Reports>에 게재되었다. 개발된 네트워크 제어 기술은 ‘부울리언 네트워크의 특정 끌개유역에 포함되는 모든 상태들을 결정하는 방법 (10-2320718)’ 으로 2021년 10월 27일 국내 특허 등록 되었다. 또한 ‘네트워크의 구조와 끌개유역 정보로부터 거리 비교의 복잡도를 최소화하면서 경계 상태를 찾는 최적의 방법 (10-2019-0100506)’, ‘최소한의 일시적 섭동을 사용해 부울리언 네트워크의 임의의 상태를 원하는 끌개의 끌개유역 경계 상태로 천이시키는 제어방법 (10-2019-0101194)’, 총 2건의 국내 특허 출원도 되었다.