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세미나 및 칼럼

<켐온 칼럼> 노화독성학: 맞춤의학의 출발은 켐온의 맞춤 비임상시험부터 - 효능평가를 위한 맞춤 동물모델 개발 착수! (20)

1. 비임상시험의 맞춤 플랫폼 시대  

○ Corona 19 백신이 나오기까지 1년이 채 걸리지 않을 정도로 오늘날 치료제와 약물의 개발 플랫폼의 다양성과 인허가 탄력성이 급격하게 변하고 있다는 것이 확인되었다. 결국, 급성 역학적 상황에서는 이에 적절한 약물 플랫폼의 선점을 통한 약물 및 백신 개발이 시장 점유의 가장 중요하며 국가 위상의 척도가 된다. 이번 Corona 19 백신의 경우에는 mRNA-플랫폼이 시장 점유와 국가 위상의 중심이 되었다. 우리나라가 바이오 분야에서 강국이 되기 위해서는 지금까지 없던 약물 개발의 플랫폼 창안이 필요하다. 예를 들면 백신의 주요 3대 플랫폼이 유전자 재조합, DNA와 mRNA 플랫폼 외에 효과적인 플랫폼을 개발하여야 한다. 우리나라의 바이오 분야에서는 이 모든 것이 가능하지만, 시험실 수준이며 논문의 발표 목적이 대부분이기 때문에 바이오 강국과는 거리가 있다. 따라서 정부는 신약 개발 자체가 아니라 신약의 새로운 플랫폼 개발을 위한 연구비 지원에 사활을 걸어야 한다. 

○ 신약의 새로운 플랫폼 개발에 있어서 그 출발점은 비임상 효능시험이다. 약물의 효능은 비임상 동물모델로부터 확인이 시작되지만, 인체의 발병기전이 동물모델에 정확히 반영되지 못하는 것이 현실이다. 이는 결과적으로 결함성 동물모델에 기인한 임상시험의 실패를 낳게 된다. 알츠하이머 질환의 동물모델에서 그 예를 이해할 수 있다. 알츠하이머 질환의 생물학적 특성은 복잡성, 퇴행성, 상호작용성 그리고 파괴적 과정을 통해 신경세포의 기능저하와 죽음을 통해 발생한다. 인체 알츠하이머 질환은 유전적 영향에 의한 가족력 알츠하이머(Familial AD, FAD) 질환과 유전적 영향과 상관없이 발생하는 산발성 AD(Sporadic AD, SAD) 등의 2종류가 존재한다. 일반적으로 산발적 AD가 전체 알츠하이머 질환의 95%를 차지하고 반면에 FAD는 약 1-5%에 불과하다( Liu et al., 2019; Clinically, AD is divided into sporadic AD (SAD) and familial AD (FAD). FAD accounts for 1~5% of all AD cases. The incidence of SAD accounts for more than 95% of all AD cases). 이러한 임상적 상황에도 불구하고 알츠하이머 동물모델은 돌연변이 유전자 삽입에 의한 베타-아밀로이드 생성과 타우단백질의 과인산화를 생성 모델인 AD-like pathology로 평가되는 APP/PS1 Transgenic Mice)에 불과한다. 이는 알츠하이머 질환의 2대 병리기전인 두 단백질의 misfold뿐만 아니라 오늘날 새롭게 제시되고 있는 신경염증(neuroinflammation) 요인이 고려되지 않은 동물모델이다.

○ 이와 같은 비임상에서 비현실적 모델은 신약 개발의 새로운 플랫폼에 의한 우선적 시장 점유와 같은 파이프라인 확립을 어렵게 만든다. 이에 켐온은 비임상의 가이드라인 독성시험을 더욱 탄력적 운영과 더불어 병리기전 측면을 가장 최신 기전이 반영된 동물모델 구축을 통해 맞춤 비임상연구인 translational research-기반 비임상-임상의 병리기전의 정확한 중개 영역을 개척을 위해 최선을 다하려고 한다. 이를 위해 그 동안 노화독성학에 대한 20회의 <켐온 칼럼>을 통해 알츠하이머 질환의 새로운 동물모델 개발을 착수하였다. 종국적으로 비임상과 임상 결과의 일치성을 위한 맞춤 비임상 전략과 이를 기반으로 인허가까지 중개 및 컨설팅을 통해 translational research를 아래의 <그림-1>과 같이 비임상 연구의 새로운 플랫폼을 추구한다.

              <그림-1> Chemon CRO의 translation research 개념도

2. 켐온의 맞춤 비임상 시대의 문을 열다 - 최신 이론을 바탕으로 알츠하이머 질환에 대한 새로운 동물모델 플랫폼 

1) 알츠하이머 질환의 기존 원인과 새로운 원인(3대 원인)

○ 지난 20 여년 동안 알츠하이머 질환은 해마(hippocampus)에서 신경세포 외부적으로 β-아밀로이드 신경반(extracellular β-amyloid (Aβ) plaque) 형성과 신경세포 내부적으로 타우단백질의 과인산화에 의한 신경섬유다발(intracellular neurofibrillary tangles, NFT)에 기인한다는 것이 정설이었다. 이에 의한 신경세포와 시냅스 상실로 인지능력의 장애 및 저하라는 증상이 알츠하이머 질환의 특징이다(From decades of research, it is thought that AD is caused by neuronal and synaptic loss following deposition of extracellular β-amyloid (Aβ) plaques and intracellular neurofibrillary tangles ; Li et al., 2016).  

○ 그러나 최근에는 베타 아밀로이드 프라크가 생성 이전에 인지기능의 변화가 선행된다는 것이 확인되었으며 타우단백질이 베타 아밀로이드 프라크보다 선행한다는 사실이 확인되었다(Thomas et al., 2020). 이는 베타 아밀로이드 프라크 생성이 알츠하이머의 최초 원인이 아니라는 것을 의미한다. <그림-2>의 붉은 원에서처럼 알츠하이머 환자 50명을 상대로 타우단백질과 Aβ를 측정한 결과, 뇌척수액(cerebrospinal fluid, CSF)에서 타우단백질(파란색 선)의 발생이 Aβ(자주색 선)를 선행한다는 것을 확인할 수 있다(Jack et al., 2013). 이에 알츠하이머 치료제의 표적이 바뀌고 있다.

<그림-2> 알츠하이머 환자에서 선행 바이오마크

○ 현재 약물 개발의 문제점: 알츠하이머 치료제 대부분은 Aβ와 Tau에 표적을 두고 개발되고 있기 때문에 증상의 완화에 목적을 둔 Disease Modifying Drug (DMD)이지 질병의 진행을 지연시키지는 약물은 아니다( Liyuan Fan et al., : ( However, the underlying causes and optimal treatment plans are still elusive. At present, there are a few drugs available that improve symptoms, mostly targeting Ab and tau, but these cannot delay progression of the disease).

○ 알츠하이머 질환의 3대 병리기전: 대부분 알츠하이머 질환의 신경병리학적 요인으로 단백질 misfold에 의한 베타-아밀로이드 신경반과 타우단백질성 신경섬유다발의 2대 요인으로 제시되었다. 그러나 아래의 논문들에서처럼 신경염증(neuroinflammation) 이 추가되어 알츠하이머 질환의 3대 병리기전으로 제시되고 있다.

<참고-1: Zhiwei Shen et al., 2018 >: In addition to extracellular b-amyloid plaques and intracellular neurofibrillary tangles, neuroinflammation has been identified as a key pathological characteristic of Alzheimer’s disease (AD). From decades of research, it is thought that AD is caused by neuronal and synaptic loss following deposition of extracellular β-amyloid (Aβ) plaques and intracellular neurofibrillary tangles (NFTs) (Li et al., 2016). Paradoxically, none of the therapeutic approaches targeting Aβ or NFTs have yet achieved satisfactory outcomes in AD patients. In recent years, an increasing number of studies have recognized that neuroinflammation, mainly driven by activated microglia, also contributes to AD pathogenesis (Calsolaro and Edison, 2016; Ransohoff, 2016a; Bolos et al., 2017; Mathys et al., 2017; Venegas et al., 2017).   

<참고-2: Rola Ismail et al., 2020>: Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized clinically by progressive impairment of cognitive functions and, in particular, early involvement of short-term memory. The pathological hallmarks of AD are the presence of extracellular beta-amyloid (Aβ) fibrillar plaques and intraneuronal neurofibrillary tau tangles (NFT). Brain slices of AD cases show that both extracellular Aβ plaques and neurons containing NFTs are surrounded by activated microglia, the intrinsic cellular immune inflammatory response to brain injury.    

<참고-3. Mashoque Ahmad Rather et al., 2021>: Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder with no clear causative event making the disease difficult to diagnose and treat. The pathological hallmarks of AD include amyloid plaques, neurofibrillary tangles, and widespread neuronal loss. Amyloid-beta has been extensively studied and targeted to develop an effective disease-modifying therapy , but the success rate in clinical practice is minimal. Recently, neuroinflammation has been focused on as the event in AD progression to be targeted for therapies. Various mechanistic pathways including cytokines and chemokines, complement system, oxidative stress, and cyclooxygenase pathways are linked to neuroinflammation in the AD brain. Many cells including microglia, astrocytes, and oligodendrocytes work together to protect the brain from injury. This review is focused to better understand the AD inflammatory and immunoregulatory processes to develop novel anti-inflammatory drugs to slow down the progression of AD.   

<참고-4. 박기형, 2020>: 알츠하이머병의 기전은 아밀로이드 병리, 타우병리, 그와 병발된 신경염증 등으로 크게 나눌 수 있다.

2) 2021년 치료제 개발의 흐름

○ 베타-아밀로이드에 대한 합성약물기반뿐만 아니라 Aducanumab와 같은 면역기반, 타우단백질 및 염증기반 그리고 <그림-2>에서처럼 2021년 현재 알츠하이머 치료제의 임상 3상이 진행되고 있는 파이프라인의 약리기전(mechanism of action, MOA)은 synaptic plasticity, neuroprotection, neurogenesis, metabolism & bioenergetics 기반 등이 형성되고 있다. 대부분의 퇴행성 질환이 그러하듯이 아직까지 알츠하이머 질환을 완치할 수 있는 약제가 개발되고 있지 않다. 따라서 현재 임상에서 사용되고 있거나 개발 중인 치료제도 원인을 제거하거나 단지 인지기능을 높이는 등의 증상치료제라고 불리는 Disease Modifying Drug (DMD)에 해당되는 한계점을 가지고 있다.     

2021년 현재 알츠하이머 치료제 개발의 파이프라인: 최근까지 두 원인 인자 중 Beta-amyloid plaques 형성이 타우단백질의 신경섬유다발보다 앞서 발생한다는 이론에 기반하여 오늘날까지 약 60 % 이상이 Beta-amyloid와 관련된 치료제 개발의 임상시험이었다. 최근 미국 식품의약국(FDA)은 2021년 6월 7일(현지시간) 시판 후 효능·안전성을 확인하는 임상 4상을 조건으로 알츠하이머 치료제로 신약된 승인된 미국 바이오젠·일본 에자이가 개발한 알츠하이머 치료제 아두카누맙(Aducanumab)도 베타-아밀로이드의 monoclonal antibody이며 일종의 치매백신이다. 그러나 <그림-3>에서처럼 신경염증(neuroinflammation)고 관련하여 약물 개발 파이프라인이 증가하고 있는 추세이다.

<그림-3> Mechanisms of action of agents in Phase 3 (as classified using the Common Alzheimer’s Disease Research Ontology approach). (Cummings et al., 2021)

3. 알츠하이머 질환의 동물모델의 새로운 Microglia-플랫폼 개발의 이론적 배경 

○ 뇌조직에서 <그림-4>에서처럼 Microglia는 뇌세포 중 유일하게 신경줄기세포에서 유래하지 않고 면역세포인 대식세포에서 유래하여 배발생 시 뇌 조직에 안착한다. 신경세포와 다르게 지속적인 증식이 가능하며 세포노화의 최종점인 replicative senescence이 적영되는 세포이다. 알츠하이머 질환이 나이와 더불어 퇴행성 질환이라는 점을 고려하면 microglia의 replicative senescence 현상은 연열 증가 및 퇴행성 질환인 알츠하이머 질환과 밀접한 관계가 있을 것으로 추정된다.

           <그림-4> 뇌조직의 다양한 세포와 mciroglia의 세포 분포

뇌에서 Microglia(미세아교세포)는 일반적으로 재생과 세포자멸(apoptosis)을 통해 steady-state를 유지한다. 또한 <그림-5>에서처럼 미세아교세포(microglia)는 크게 2가지인 M1(신경퇴화)과 M2(신경보호)로 표현형으로 분류된다. M1형 미세아교세포는 신경퇴화를 유도하는 반면에 M2형 미세아교세포는 amyloid-β plague의 형성 억제 및 제거하여 신경보호에 관여하게 된다(Solito et al., 2012). 미세아교세포를 M1에서 M2로 유도하는 세포로는 대표적으로 조절 T-세포(regulatory T cells)이다(Mantovani et al., 2004). 뇌 면역세포인 M2는 식세포 작용에 의해 Aβ를 제거하지만 M1은 Aβ나 다른 염증성원인들에 의해 자극되고 과활성화되어 전염증성 cytokine을 분비시키고 오히려 뇌 염증을 유발시킨다 ( Zhiwei Shen, 2018; 이영숙, 2020). 이와 같이 염증에 알츠하이머 촉짐 뿐만 아니라 microglia의 활성화는 replicative senescence에 더욱 접근을 의미하며 종국적으로 알츠하이머 질환의 3대 원인 중 하나인 신경염증에 의한 replicative senescence를 촉진하게 된다.

4. 켐온 알츠하이머 질환에 대한 맞춤 동물모델 개발의 방향

○ 오늘날 가장 많이 사용되는 동물모델은 돌연변이된 인간(mutated human)-유래-APP(amyloid precursor protein, 아밀로드 전구단백질)를 과발현하는 유전자의 knok-in mouse 모델로 약 170여 종의 유전자 변형 모델이 존재한다( Serneels et al., 2020). 이와 같이 AD 동물모델에 유전자 변형 모델이 사용되는 이유는 정상적인 마우스에서는 Aβ 프라크(plaque)가 형성되지 않기 때문이다. 특히 21번 염색체 상에 존재하는 APP-과발현 유전자와 더불어 돌연변이 presenilin를 도입하여 Aβ의 생성과 축적을 유도하는 것이 가장 일반적인 모델이다. Presenilin 1(PS1)은 14번 염색체, 그리고 Presenilin 2(PS2)는 1넌 염색체 위치한다. 이와 같이 돌연변이된 인간 유전자를 마우스에 knock-in하여 제작된 AD 모델을 인간화 AD-마우스 모델( humanized animal model for Alzheimer’s Disease)이며 특히 APP/PS1 mouse 모델이 대표적이다.

APP/PS1 mouse 모델에서 핵심기전은 아래의 <그림-6>에서처럼 Aβ 생성 및 축적과 이에 대한 미세아교세포(microglial cell)활성화를 통한 인지장애(cognitive impairment)를 유도하는 AD-like pathology이다. 그러나 <그림-6>의 ‘Limitations'에서처럼 타우 단백질에 의한 신경섬유농축체(neurofibrillary tangle) 생성 기전, 노화성 기전과 더불어 산발성 AD 기전 등의 요인들이 반영되지 않았다.

<그림-6> APP/PS1 mouse 모델의 특성(Features)과 제한점(Limitations)  

(Yannis Gerakis et al., 2019)                                                                 

 

○ 켐온의 개발을 위한 동물모델 플랫폼의 간단 요약: 지난 20 여년 동안 알츠하이머 질환은 해마(hippocampus)에서 신경세포 외부적으로 β-아밀로이드 신경반(extracellular β-amyloid (Aβ) plaque) 형성과 신경세포 내부적으로 타우단백질의 과인산화에 의한 신경섬유다발(intracellular neurofibrillary tangles, NFT)에 기인한다는 것이 정설이었다. 이는 단순이 증상을 완화하는 치료제에 불과한 Disease Modifying Drug (DMD)에 해당되는 한계점을 가지고 있다. 켐온의 동물모델 개발은 단순히 증상 완화가 아니라 microglia의 replicative senescence 지연을 통한 알츠하이머 질환의 진행을 늦추는 약물 개발을 위한 동물모멜 플랫폼을 개발하는 것이다.   

○ 이외 에도 퇴행성질환과 관련하여 귀사의 신약개발 성공을 위해 켐온은 국내외 최초로 최신 지식을 이용하여 새로운 동물모델 플랫폼을 개발하여 동물과 인간의 종간 차이를 줄이는 맞춤 비임상시험을 비롯하여 비임상 및 임상의 translational research를 여러분과 함께 하겠습니다.  

 

                         


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