알츠하이머 발병원인 연구 및 치료 전략 동향
2019-09-30
org.kosen.entty.User@7721da2d
나지훈(moogun81)
1. 개요
치매 (dementia)는 고령화사회가 급속하게 진행됨에 따라서 발병률이 기하급수적으로 증가하고 있는 질병으로서 이를 보조하기 위한 사회적 비용도 많이 들기에 치료 및 예방 연구가 중요시되는 질병 중 하나이다. 치매는 그 원인 및 증상에 따라서 여러 종류로 세분화할 수 있는데, 그 중에서도 알츠하이머는 가장 대표적인 퇴행성 뇌질환이다. 알츠하이머의 대표 증상으로는 환자의 뇌에서 아밀로이드 플라크 (Amyloid plaque)라는 단백질의 뭉침현상이 관찰되는 것이다. 이 플라크를 이루는 아밀로이드 베타 (Aβ)는 신경세포에 독성을 유발하여 세포의 사멸을 유도하는 것으로 알려져 있으며, 이 아밀로이드 베타가 과하게 형성되거나 세포내에서 정상적으로 제거가 되지 못하여 축적되면 세포에 손상을 주게 된다. 특히, 42개의 펩타이드로 이루어진 Aβ42는 서로 더 잘 뭉치는 성질을 지녔을 뿐만 아니라 세포에 더 큰 독성을 유발하는 병원성 단백질로 알츠하이머로 발병하는데 필수적인 생성물이다. 아밀로이드 베타는 아밀로이드 전구체 (Amyloid Precursor Protein; APP)로부터 일련의 절단과정을 거쳐서 생성된다. APP를 절단하는 효소는 BACE1 및 gamma secretase (γ-secretase)로서 이 중에서 γ-secretase는 최종적으로 아밀로이드 베타를 생성하는 마지막 효소로 알려져 있다. 따라서 학자들은 아밀로이드 베타의 생성을 조절하고 억제하기 위하여 이들 효소의 조절기작 연구 및 이를 표적으로 한 치료전략 개발에 매진해 왔다. γ-secretase는 필수적으로 4개의 단백질을 필요로 하는 복합체이며, Presenilin은 APP를 절단할 수 있는 활성을 가진 가장 핵심적인 단백질이다. 사실, Presenilin의 돌연변이에 의해 알츠하이머로 발병하는 유전적 원인의 알츠하이머 (Familiar AD)가 매우 다양하며, 이를 통한 연구도 많이 알려져 있다. 이들 효소를 표적으로 한 여러 치료전략이 제시되었음에도 불구하고 아직 임상을 거쳐 좋은 효과를 보이는 알츠하이머 치료제는 개발되지 못했다. 복잡한 조건 및 다양한 조절기작의 존재로 인해 효소를 통한 연구는 계속되고는 있으나 그 연구의 수에 비해 치료에 이용할 수 있는 신약의 개발은 그에 못미치는 수준이다. 따라서, 학자들은 생성 기작의 연구 중 그동안 관심을 두지 않았던 신경세포 외의 세포의 역할, 자가포식작용과 같은 아밀로이드 베타의 제거 기작에도 초점을 맞추어 연구를 이어 나가고 있는 상황이다.
따라서, 본 보고서는 알츠하이머의 치료를 위해 최근 연구되어 발표된 연구 내용을 살펴보고, 이를 이용한 치료책의 개발은 어떻게 진행되고 있는지 다루고자 한다. 기존의 생성기작 연구를 통한 치료제의 개발현황 뿐만 아니라, 아밀로이드 베타에 의한 세포독성에 있어 별아교세포 (Astrocyte) 및 미세아교세포 (microglia)의 역할 및 이를 표적으로 한 치료책을 소개하고, 자가포식작용을 통한 아밀로이드 제거기작의 연구에 대해 소개하고자 한다.
？
2. 주요 내용
2.1. 아밀로이드 베타(Aβ) 생성 기작 연구
아밀로이드 베타를 생성하기 위해서는 신경세포에서 BACE1 및 γ-secretase를 통해 절단이 일어나야 한다. 절단을 통해 생성된 아밀로이드 베타는 올리고머 (Oligomer) 형태로 서로 뭉치게 되고 이는 여러 방법으로 세포에 독성신호를 보내 별아교세포 및 미세아교세포의 활성화를 유도한다고 알려져 있다.
APP를 절단하는 BACE1은 아밀로이드 베타를 생성하기 위한 첫번째 효소이다. APP를 절단하여 99개의 아미노산으로 이루어진 APP-CTF (C99)를 생성하는 역할을 한다. 최근 연구에 따르면 BACE1의 APP를 절단하는 위치가 아밀로이드 베타를 생성하는데 중요하다고 한다. APP673 위치를 돌연변이화하면 C99의 생성 및 아밀로이드 베타의 생성가 영향을 준다고 밝혀졌다 [1]. 또한 BACE1의 제거는 실제 쥐에서 기억력의 감퇴 등을 완화시키고, 아밀로이드 베타의 생성을 저해한다고 알려져 있다. C99를 절단하는 gamma secretase는 Presenilin, Nicastrin, APH1, PEN2 이렇게 4가지의 단백질로 이루어진 복합체이며 이 외에도 특정 조건 및 환경에 따라서 조절 단백질들이 함께 복합체를 이룰 수 있다. 이 중에서 Presenilin은 C99를 절단하는 핵심 단백질이다. Presenlin은 단백질분해의 기능 뿐만 아니라 여러 기능이 알려져 있다. glycogen synthase kinase 3β (GSK3β) 와 같은 다른 단백질과 결합하여 세포 내의 단백질이동에 관여하기도 하며, 이러한 기능이 아밀로이드 베타의 생성과는 별개로 신경세포에 영향을 주어 병증을 악화시키기도 한다. APP를 비롯한 여러 막단백질의 이동을 조절하여 아밀로이드 베타의 생성을 증가시킬 수도 있다 [2]. 세포 내 칼슘채널을 조절하여 신호전달에 영향을 끼치기도 한다. 사실 gamma secretase는 APP 말고도 수많은 기질을 가지고 있는데 이를 선택적으로 절단하는 기작에 대해서는 잘 알려진 부분이 없었다. 최근 연구에 따르면 APP를 선택적으로 끌어올 것이라 생각했던 Nicastrin이 다른 기질의 접근을 오히려 막아서 선택적으로 기질을 절단할 수 있는 역할을 한다고 한다 [3]. 분자생물학 수준의 기작연구 뿐만 아니라, gamma secretase의 정밀한 구조분석을 통한 연구를 통해 각 효소들의 역할을 더 자세히 알아가고 있으며, 이러한 결과들은 앞으로도 치료책을 연구하는데 도움이 될 것이다.
2.2. 면역반응 및 염증반응을 통한 신경세포의 퇴행 기작 연구
뉴런이 아밀로이드 베타를 생성하게 되면 축적되는 아밀로이드 베타는 세포독성을 띄게 되는데, 활성산소 등 세포에 스트레스를 야기하는 신호를 전달하고, 염증반응을 유도하여 뉴런이 사멸하거나 손상되도록 한다. 미세아교세포 (microglia)는 뇌에서 면역반응을 담당하는 세포이다. 그렇기 때문에 다양한 뇌질환은 미세아교세포의 활성화를 동반하며, 이는 퇴행성뇌질환의 대표적인 증세로 알려져 있다. 최근 연구를 통해서 염증반응의 활성화를 통해 신경세포가 어떻게 손상을 입을 수 있는지 자세한 기작들이 밝혀졌다. 염증조절복합체 (inflammasomes)를 통해서 시토카인의 분비를 촉진하는데, 그 중에서도 NLRP3이 알츠하이머에서 Caspase-1을 통해서 인터루킨 (IL-1β)의 분비를 촉진하는 것으로 밝혀졌다 [4]. IL-1β의 분비는 NO 및 TNFα의 분비를 통해 세포를 사멸시킨다. 이 외에도Caspase-3가 알츠하이머와 연관이 있다는 연구도 보고되고 있다. 알츠하이머 환자 및 동물 모델에서 Caspase-3의 양이 증가하여 있는 것을 확인하였으며, 이는 알츠하이머에서 비사멸기작을 담당하는 것으로 알려져 있다 [5]. 아직까지 아밀로이드 베타의 신호로 인한 Caspase-3의 역할에 대해서는 더 연구가 필요한 상황이다. 이 외에도 급성 면역반응에 의한 보체 경로에 의해 미세아교세포는 신경세포의 시냅스를 제거하기도 한다 [6]. 이러한 시냅스의 제거는 실제적인 신경계의 퇴행을 야기할 수 있다.
별아교세포 (astrocytes)는 뇌에서 염증반응을 담당하는 가장 대표적인 세포이다. 별아교세포는 염증반응 외에 또다른 역할을 한다고 알려져 있다. 최근 연구에 따르면 뉴런에서만 생성될 것이라고 생각했던 아밀로이드 베타가 별아교세포에서도 생성된다고 한다 [7]. 아밀로이드 베타가 생성되는데 필수적 효소인 BACE1이 별아교세포에서는 발현이 되지 않아 생성이 안될 것이라고 학자들은 얘기해왔지만, 최근 연구를 통해서 별아교세포에서도 BACE1이 존재하며, 이는 아밀로이드베타를 생성하는데 무리가 없는 양을 지니고 있다고 한다. 또한, 아밀로이드 플라크 주변의 활성화된 별아교세포에서 아밀로이드 생성을 위한 단백질들의 발현이 두드러지게 증가하는 것도 관찰하였다. 이러한 결과는 그저 뉴런에서 생성된 아밀로이드 베타에 의해 활성화된 별아교세포 및 미세아교세포가 염증반응을 통해 신경세포에 손상을 준다는 기존의 가설이 바뀔 수 있음을 암시한다. 별아교세포 및 미세아교세포는 뉴런에서 생성된 상당한 양의 아밀로이드 베타에 의해 활성화되고, 시토카인을 분비하여 뉴런의 손상을 초래하는데, 이 때 별아교세포에서 아밀로이드베타가 추가적으로 생성됨에 따라서 더 심각한 손상을 야기할 수 있다.
2.3. 자가포식작용과 알츠하이머의 관계 연구
아밀로이드 베타의 축적은 세포 내의 아밀로이드 베타가 생성되고 제거되는 비율에 따라 결정된다. 앞서 살펴봤듯이 아밀로이드 베타의 생성은 APP로부터 일련의 절단과정을 통해서 생성되며, 생성이 증가할 수 있는 조건에서 알츠하이머가 발병하게 된다. 아밀로이드 베타가 제거되는 방법은 비효소적인 방법과 효소적인 방법이 존재하는데, 비효소적인 방법으로는 혈관 밖 간질에 존재하는 간질액 (interstitial ？uid)을 통해 혈관으로 배출하는 방법이 있다. 효소적인 방법으로는 insulin-degrading enzyme (IDE), neprilysin, matrix metalloproteins (MMPs), plasmin, angiotensin converting enzyme (ACE), 그리고 endothelin-converting enzyme (ECE)을 통해서 아밀로이드 베타를 직접적으로 분해하는 방법이 있다. 이들 효소는 알츠하이머 환자의 뇌에서 활성이 줄어들어 있는 사실이 보고되어 있지만, 정확한 아밀로이드 베타의 제거기작에 대해서는 아직 더 많은 연구가 필요한 상황이다.
？ 위에서 살펴본 제거 기작 외에 세포에는 특정 물질이나 기관을 리소좀을 통해 제거 분해할 수 있는 기작이 존재하는데 이것이 바로 자가포식작용 (Autophagy)이다. 자가포식작용은 세포 내의 양분이 부족한 상황에서 세포 내의 단백질을 리소좀을 통해서 분해하여 여러 세포 내 기작에 필요한 양분을 제공하는 역할을 한다. 자가포식작용은 리소좀을 통한 분해를 야기하기 때문에 세포 내의 많은 기능에 관여하고 있으며, 특히 스트레스 상황이나 비정상적인 세포 내 환경에서 세포를 살리기 위한 여러 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다. 알츠하이머에서도 자가포식작용이 역할을 하는 것으로 알려져 있다. Presenilin이 활성을 띄기 위해서는 산성조건에서 활성을 띄는 것으로 알려져 있는데, 이는 리소좀에 의한 산성화를 필요로 한다 [8]. 알츠하이머 모델 쥐에서 리소좀의 기능장애로 인해서 자가포식체의 축적이 관찰되기도 한다. ApoE4는 알츠하이머를 야기하는 강력한 위험인자이다. ApoE4는 리소좀의 막을 비안정화시킨다. Rab5가 비정상적으로 발현이 높으면 세포내 이입이 가속화되고 이로 인해서 지질 및 단백질이 late endosome에 축적되도록 유도한다. APP돌연변이나, ApoE4 및 알츠하이머 유발인자들은 Rab5의 양을 증가시킨다고 알려져 있다 [9]. 리소좀의 기능장애는 아밀로이드 베타의 축적, 활성산소, 산화된 지질단백질에 의해서도 관찰된다.
2.4. 알츠하이머 치료 전략 동향
？ 위에서 살펴본 연구를 토대로 치료에 적용할 수 있는 여러 표적을 개발 중에 있으며, 이 표적을 조절할 수 있는 물질이 개발되고 상용되기 위한 여러 실험이 진행 중에 있다. 알츠하이머 치료제의 개발은 큰 어려움이 따른다. 그 이유는 알츠하이머의 특성상 효과를 확인하기 위해서는 오랜 시간 동안 추적해야 하기 때문에 상대적으로 많은 비용이 들고, 뇌질환의 발병원인 및 증상은 그 조절관계가 복잡할 뿐만 아니라 치료제로 인한 부작용도 다양하다. 또한, 뇌의 혈류를 따라 세포에 들어가기 위해서는 blood-brain barrier (BBB)를 통과해야 하는데 이를 통과할 만큼 작은 치료제를 개발하는 것 또한 어려움이 따른다. 그럼에도 현재까지도 알츠하이머의 치료제를 개발하기 위한 연구는 계속되고 있다. 2018년도에 진행된 임상실험에 따르면 아밀로이드 베타를 표적으로 한 연구가 25%, 항염증을 통한 치료제 개발이 18%를 차지한다 [10].
2.4.1. 아밀로이드 베타의 생성을 억제하는 전략
아밀로이드 베타의 형성을 억제하기 위해 주로 표적이 되는 것은 그 형성을 주도하는 효소인 gamma secretase 및 BACE1이다. Gamma secretase 저해제는 다양하게 개발되었지만, 많은 기질을 절단하는 gamma secretase의 특성상 부작용이 가장 큰 문제점으로 꼽힌다. 특히, 세포분열 및 발달에 관련된 Notch 역시 gamma secretase의 기질이기 때문에 APP만 선택적으로 저해할 수 있는 신약을 찾기 위해 연구가 진행되고 있다. 현재 임상 진행중인 저해제로는 semagacestat, avagacestat가 있다. gamma secretase를 표적으로 하는 전략은 이 외에도 비병원성의 아밀로이드 베타 (Aβ38, Aβ40)의 형성을 유도하는 방법이 있다. 이렇게 효소의 기능을 조절할 수 있는 경우 gamma secretase modulator(GSM)라고 한다. GSM은 Nonsteroidal Anti-in？ammatory Drug (NSAIDs) 계열의 Tarenflurbil, Indomethacin, CHF5074 등 다양하게 존재한다. 이들은 모두 임상실험까지 진행된 약품이지만, 아쉽게도 임상단계에서 확실한 효과를 보지 못했거나 장기복용시 부작용으로 인해서 성공하지는 못했다. 이 외에도 NSAID가 아닌 약품 중에서 E2012, NGP555 등이 있다.
？ BACE1을 표적으로 한 약품의 개발은 연구 초기에는 수월할 것이라 생각하였다. 그러나 BACE1의 효소활성 부분은 매우 큰 크기였으며, BBB를 통화할 수 있는 문제가 걸림돌이 되어 치료제 개발이 어려웠다. 따라서 최근에는 펩타이드가 아닌 작은 분자물질을 이용한 치료제 개발에 중점을 두고 있다. 아실 구아니딘을 기본으로 한 BACE1 억제제는 처음에는 스크리닝을 통해서 동정되었다. 이는 BACE1에 결합하여 구조적인 변화를 유도하게 된다 [10]. 아실 구아니딘 계열의 저해제가 발견된 이후 BACE1를 표적으로 한 치료제의 개발이 속도가 붙게 된 것은 2-amino heterocycles 이 발견되었기 때문이다. 이 작은 물질은 임상효과도 더 좋았을 뿐만 아니라 흡수율도 좋았다. 그 이후 여러 계열의 치료제를 개발해가고 기존의 화학물 구조를 변형해가면서 효율을 높이기 위한 연구는 계속되었다. 최근에는 EPOCH, APECS 등이 임상실험 진행중이었으나 모두 낮은 효율성 및 부작용 등으로 인해서 중단되었다.
2.4.2. 아밀로이드 베타를 효율적으로 제거하는 전략
자가포식작용을 통해 단백질의 응집체를 제거하는 전략은 많은 학자들의 관심사였다. 이들이 효과적으로 아밀로이드 베타의 제거를 할 수 있다면 과량으로 생성되는 아밀로이드 베타의 축적을 막을 수 있기 때문이다. 자가포식작용은 mTOR의 저해를 통해 이루어지는데 실제로 3XAD 쥐의 해마에서 mTOR가 과하게 활성화되는 현상을 최근에 발견하였다. 또한 mTOR 저해제이자 자가포식작용 유도제인 Rapamycin을 처리한 쥐에서는 아밀로이드 베타 및 타우로 인한 뇌손상이 감소한다고 알려져 있다 [11]. 그러나 mTOR는 자가포식작용 뿐만 아니라 다양한 신호기작에 연관되어 있어 이를 표적으로 하기에는 부작용이 너무나도 많다. 따라서 최근에는 mTOR에 독립적으로 자가포식작용을 활성화할 수 있는 기작은 찾아 표적으로 삼으려는 연구가 진행중에 있다. mTOR에 독립적인 신호로 발견된 것은 inositol, Ca2+/caplain, cAMP/Epac/Ins (1,4,5)P3, JNK1/Beclin-1/P13KC3 경로가 있다. GTM-1이라 알려진 분자물질은 mTOR에 독립적인 자가포식작용 경로를 통해서 아밀로이드 베타로 인한 신경세포의 손상을 억제한다고 알려져 있다 [12]. 또다른 경로로는 AMPK를 통한 자가포식작용의 활성화가 있다. Nilotinib은 AMPK를 통해서 자가포식작용을 활성화하는 것으로 알려져 있다. Trehalose는 AMPK를 활성화함에 따라서 아밀로이드 베타의 양을 감소시키고 이로 인한 기억력 감퇴를 예방한다 [13].
？그러나 자가포식작용을 표적으로 하는 전략에도 어려움은 따른다. 자가포식작용은 다양한 세포 내 활동에 관여하기 때문에 이를 표적으로 하는 것은 여러 부작용을 초래할 수 있다. 또한 앞선 연구에 따르면 아밀로이드 베타에 의해 리소좀이 기능장애를 보이는데, 단순히 초기의 자가포식작용만 활성화하는 것이 과연 충분한 효과를 보일 수 있을지 의문이다. 리소좀과의 융합을 통해 분해되지 않고 쌓이는 자가포식체는 또다른 세포 독성을 보이고 문제를 야기할 수 있다.
2.4.3. 신경세포의 손상기작을 억제하는 전략
미세아교세포는 아밀로이드 베타의 응집체가 보낸 신호를 통해 면역반응을 일으키는 것으로 알려져 있다. 미세아교세포는 아밀로이드 베타의 직접적 표적을 통한 치료는 아니지만 그 이후의 기작을 조절하는데 핵심이 되는 세포로서 이를 표적으로 하는 치료제의 개발도 이루어지고 있다. 여기에는 특정 저해제 뿐만 아니라, 수용체나 신호전달체의 신호를 막을 수 있는 항체 등도 포함된다.
？CD33는 미세아교세포에 발현되며 면역반응을 저해하는 것으로 알려져 있다. CD33는 세포내 이입을 억제하여 면역반응이 일어나지 않도록 저해하는데 이는 아밀로이드 베타가 미세아교세포로 들어가 면역반응을 일으키지 못하게 함으로서 진행을 더 가속화시킬 수 있다. 실제 연구에서 CD33가 감소하거나 활성이 저해되면 아밀로이드 베타의 미세아교세포로의 이입이 증가하여 알츠하이머의 진행을 완화시켰다 [14].
PD-1(CD279)은 T 세포 조절자 중 CD28의 한 종류로, B 세포와 같은 면역세포에서 면역기능의 항상성 유지를 위해 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 특히, 면역반응이 과하게 발생하는 것을 조절, 억제하는 체크포인트의 역할은 한다. 최근 연구에 따르면, 뇌에서의 면역반응의 활성화는 질병치료 가능성이 있다고 한다. PD-1의 체크포인트로서의 역할을 교란시켜 계속 면역반응을 활성화시켜 암치료에 이용되는데, 이와 마찬가지로 알츠하이머에서도 적용이 가능하다 [15]. 실제로 PD-1에 특이적인 항체를 알츠하이머 쥐 모델에 처리하여 신호를 교란시키면 아밀로이드 플라크가 감소하는 결과를 관찰하였다. 현재, 이를 표적으로 한 신약이 여러 제약회사에서 개발중에 있다 [16].
？
3. 결론
뉴런에 집중되어 있었던 기존 연구들은 치료제를 개발하는 데 있어서 분명한 한계를 지니고 있었다. Gamma secretase의 많은 기질은 이를 표적으로 하는 약물을 개발하는데 걸림돌이 되었고, 복잡한 발병기작들은 선택적으로 치료제를 개발하는데 한계가 있었다. 최근 많은 연구를 통해서 뉴런 외의 세포에 초점을 맞춘 연구나, 아밀로이드 베타를 제거할 수 있는 여러 방법을 찾아냄에 따라서 알츠하이머의 치료제 개발은 새로운 국면을 맞이하였다. 그러나 면역 및 염증반응을 조절하는 방법은 직접적인 원인물질을 제거하는데 한계가 있기 때문에 그 효과가 얼마나 지속될 수 있을지가 의문이다. 실제로 PD-1의 경우에는 지속적인 투여만이 효과를 보았다고 한다. 그러나 이러한 시도는 오래 전부터 이용된 시냅스의 신호를 활성화시키는 방법처럼 병의 진행을 늦추고 추가적인 치료를 가능하게 하는 가능성을 제공할 수 있다는 점에서 중요하다고 생각한다. 앞으로도 다양한 분야의 연구를 통해서 알츠하이머의 획기적인 치료책이 개발되길 고대한다.
？
치매 (dementia)는 고령화사회가 급속하게 진행됨에 따라서 발병률이 기하급수적으로 증가하고 있는 질병으로서 이를 보조하기 위한 사회적 비용도 많이 들기에 치료 및 예방 연구가 중요시되는 질병 중 하나이다. 치매는 그 원인 및 증상에 따라서 여러 종류로 세분화할 수 있는데, 그 중에서도 알츠하이머는 가장 대표적인 퇴행성 뇌질환이다. 알츠하이머의 대표 증상으로는 환자의 뇌에서 아밀로이드 플라크 (Amyloid plaque)라는 단백질의 뭉침현상이 관찰되는 것이다. 이 플라크를 이루는 아밀로이드 베타 (Aβ)는 신경세포에 독성을 유발하여 세포의 사멸을 유도하는 것으로 알려져 있으며, 이 아밀로이드 베타가 과하게 형성되거나 세포내에서 정상적으로 제거가 되지 못하여 축적되면 세포에 손상을 주게 된다. 특히, 42개의 펩타이드로 이루어진 Aβ42는 서로 더 잘 뭉치는 성질을 지녔을 뿐만 아니라 세포에 더 큰 독성을 유발하는 병원성 단백질로 알츠하이머로 발병하는데 필수적인 생성물이다. 아밀로이드 베타는 아밀로이드 전구체 (Amyloid Precursor Protein; APP)로부터 일련의 절단과정을 거쳐서 생성된다. APP를 절단하는 효소는 BACE1 및 gamma secretase (γ-secretase)로서 이 중에서 γ-secretase는 최종적으로 아밀로이드 베타를 생성하는 마지막 효소로 알려져 있다. 따라서 학자들은 아밀로이드 베타의 생성을 조절하고 억제하기 위하여 이들 효소의 조절기작 연구 및 이를 표적으로 한 치료전략 개발에 매진해 왔다. γ-secretase는 필수적으로 4개의 단백질을 필요로 하는 복합체이며, Presenilin은 APP를 절단할 수 있는 활성을 가진 가장 핵심적인 단백질이다. 사실, Presenilin의 돌연변이에 의해 알츠하이머로 발병하는 유전적 원인의 알츠하이머 (Familiar AD)가 매우 다양하며, 이를 통한 연구도 많이 알려져 있다. 이들 효소를 표적으로 한 여러 치료전략이 제시되었음에도 불구하고 아직 임상을 거쳐 좋은 효과를 보이는 알츠하이머 치료제는 개발되지 못했다. 복잡한 조건 및 다양한 조절기작의 존재로 인해 효소를 통한 연구는 계속되고는 있으나 그 연구의 수에 비해 치료에 이용할 수 있는 신약의 개발은 그에 못미치는 수준이다. 따라서, 학자들은 생성 기작의 연구 중 그동안 관심을 두지 않았던 신경세포 외의 세포의 역할, 자가포식작용과 같은 아밀로이드 베타의 제거 기작에도 초점을 맞추어 연구를 이어 나가고 있는 상황이다.
따라서, 본 보고서는 알츠하이머의 치료를 위해 최근 연구되어 발표된 연구 내용을 살펴보고, 이를 이용한 치료책의 개발은 어떻게 진행되고 있는지 다루고자 한다. 기존의 생성기작 연구를 통한 치료제의 개발현황 뿐만 아니라, 아밀로이드 베타에 의한 세포독성에 있어 별아교세포 (Astrocyte) 및 미세아교세포 (microglia)의 역할 및 이를 표적으로 한 치료책을 소개하고, 자가포식작용을 통한 아밀로이드 제거기작의 연구에 대해 소개하고자 한다.
？
2. 주요 내용
2.1. 아밀로이드 베타(Aβ) 생성 기작 연구
아밀로이드 베타를 생성하기 위해서는 신경세포에서 BACE1 및 γ-secretase를 통해 절단이 일어나야 한다. 절단을 통해 생성된 아밀로이드 베타는 올리고머 (Oligomer) 형태로 서로 뭉치게 되고 이는 여러 방법으로 세포에 독성신호를 보내 별아교세포 및 미세아교세포의 활성화를 유도한다고 알려져 있다.
APP를 절단하는 BACE1은 아밀로이드 베타를 생성하기 위한 첫번째 효소이다. APP를 절단하여 99개의 아미노산으로 이루어진 APP-CTF (C99)를 생성하는 역할을 한다. 최근 연구에 따르면 BACE1의 APP를 절단하는 위치가 아밀로이드 베타를 생성하는데 중요하다고 한다. APP673 위치를 돌연변이화하면 C99의 생성 및 아밀로이드 베타의 생성가 영향을 준다고 밝혀졌다 [1]. 또한 BACE1의 제거는 실제 쥐에서 기억력의 감퇴 등을 완화시키고, 아밀로이드 베타의 생성을 저해한다고 알려져 있다. C99를 절단하는 gamma secretase는 Presenilin, Nicastrin, APH1, PEN2 이렇게 4가지의 단백질로 이루어진 복합체이며 이 외에도 특정 조건 및 환경에 따라서 조절 단백질들이 함께 복합체를 이룰 수 있다. 이 중에서 Presenilin은 C99를 절단하는 핵심 단백질이다. Presenlin은 단백질분해의 기능 뿐만 아니라 여러 기능이 알려져 있다. glycogen synthase kinase 3β (GSK3β) 와 같은 다른 단백질과 결합하여 세포 내의 단백질이동에 관여하기도 하며, 이러한 기능이 아밀로이드 베타의 생성과는 별개로 신경세포에 영향을 주어 병증을 악화시키기도 한다. APP를 비롯한 여러 막단백질의 이동을 조절하여 아밀로이드 베타의 생성을 증가시킬 수도 있다 [2]. 세포 내 칼슘채널을 조절하여 신호전달에 영향을 끼치기도 한다. 사실 gamma secretase는 APP 말고도 수많은 기질을 가지고 있는데 이를 선택적으로 절단하는 기작에 대해서는 잘 알려진 부분이 없었다. 최근 연구에 따르면 APP를 선택적으로 끌어올 것이라 생각했던 Nicastrin이 다른 기질의 접근을 오히려 막아서 선택적으로 기질을 절단할 수 있는 역할을 한다고 한다 [3]. 분자생물학 수준의 기작연구 뿐만 아니라, gamma secretase의 정밀한 구조분석을 통한 연구를 통해 각 효소들의 역할을 더 자세히 알아가고 있으며, 이러한 결과들은 앞으로도 치료책을 연구하는데 도움이 될 것이다.
2.2. 면역반응 및 염증반응을 통한 신경세포의 퇴행 기작 연구
뉴런이 아밀로이드 베타를 생성하게 되면 축적되는 아밀로이드 베타는 세포독성을 띄게 되는데, 활성산소 등 세포에 스트레스를 야기하는 신호를 전달하고, 염증반응을 유도하여 뉴런이 사멸하거나 손상되도록 한다. 미세아교세포 (microglia)는 뇌에서 면역반응을 담당하는 세포이다. 그렇기 때문에 다양한 뇌질환은 미세아교세포의 활성화를 동반하며, 이는 퇴행성뇌질환의 대표적인 증세로 알려져 있다. 최근 연구를 통해서 염증반응의 활성화를 통해 신경세포가 어떻게 손상을 입을 수 있는지 자세한 기작들이 밝혀졌다. 염증조절복합체 (inflammasomes)를 통해서 시토카인의 분비를 촉진하는데, 그 중에서도 NLRP3이 알츠하이머에서 Caspase-1을 통해서 인터루킨 (IL-1β)의 분비를 촉진하는 것으로 밝혀졌다 [4]. IL-1β의 분비는 NO 및 TNFα의 분비를 통해 세포를 사멸시킨다. 이 외에도Caspase-3가 알츠하이머와 연관이 있다는 연구도 보고되고 있다. 알츠하이머 환자 및 동물 모델에서 Caspase-3의 양이 증가하여 있는 것을 확인하였으며, 이는 알츠하이머에서 비사멸기작을 담당하는 것으로 알려져 있다 [5]. 아직까지 아밀로이드 베타의 신호로 인한 Caspase-3의 역할에 대해서는 더 연구가 필요한 상황이다. 이 외에도 급성 면역반응에 의한 보체 경로에 의해 미세아교세포는 신경세포의 시냅스를 제거하기도 한다 [6]. 이러한 시냅스의 제거는 실제적인 신경계의 퇴행을 야기할 수 있다.
별아교세포 (astrocytes)는 뇌에서 염증반응을 담당하는 가장 대표적인 세포이다. 별아교세포는 염증반응 외에 또다른 역할을 한다고 알려져 있다. 최근 연구에 따르면 뉴런에서만 생성될 것이라고 생각했던 아밀로이드 베타가 별아교세포에서도 생성된다고 한다 [7]. 아밀로이드 베타가 생성되는데 필수적 효소인 BACE1이 별아교세포에서는 발현이 되지 않아 생성이 안될 것이라고 학자들은 얘기해왔지만, 최근 연구를 통해서 별아교세포에서도 BACE1이 존재하며, 이는 아밀로이드베타를 생성하는데 무리가 없는 양을 지니고 있다고 한다. 또한, 아밀로이드 플라크 주변의 활성화된 별아교세포에서 아밀로이드 생성을 위한 단백질들의 발현이 두드러지게 증가하는 것도 관찰하였다. 이러한 결과는 그저 뉴런에서 생성된 아밀로이드 베타에 의해 활성화된 별아교세포 및 미세아교세포가 염증반응을 통해 신경세포에 손상을 준다는 기존의 가설이 바뀔 수 있음을 암시한다. 별아교세포 및 미세아교세포는 뉴런에서 생성된 상당한 양의 아밀로이드 베타에 의해 활성화되고, 시토카인을 분비하여 뉴런의 손상을 초래하는데, 이 때 별아교세포에서 아밀로이드베타가 추가적으로 생성됨에 따라서 더 심각한 손상을 야기할 수 있다.
2.3. 자가포식작용과 알츠하이머의 관계 연구
아밀로이드 베타의 축적은 세포 내의 아밀로이드 베타가 생성되고 제거되는 비율에 따라 결정된다. 앞서 살펴봤듯이 아밀로이드 베타의 생성은 APP로부터 일련의 절단과정을 통해서 생성되며, 생성이 증가할 수 있는 조건에서 알츠하이머가 발병하게 된다. 아밀로이드 베타가 제거되는 방법은 비효소적인 방법과 효소적인 방법이 존재하는데, 비효소적인 방법으로는 혈관 밖 간질에 존재하는 간질액 (interstitial ？uid)을 통해 혈관으로 배출하는 방법이 있다. 효소적인 방법으로는 insulin-degrading enzyme (IDE), neprilysin, matrix metalloproteins (MMPs), plasmin, angiotensin converting enzyme (ACE), 그리고 endothelin-converting enzyme (ECE)을 통해서 아밀로이드 베타를 직접적으로 분해하는 방법이 있다. 이들 효소는 알츠하이머 환자의 뇌에서 활성이 줄어들어 있는 사실이 보고되어 있지만, 정확한 아밀로이드 베타의 제거기작에 대해서는 아직 더 많은 연구가 필요한 상황이다.
？ 위에서 살펴본 제거 기작 외에 세포에는 특정 물질이나 기관을 리소좀을 통해 제거 분해할 수 있는 기작이 존재하는데 이것이 바로 자가포식작용 (Autophagy)이다. 자가포식작용은 세포 내의 양분이 부족한 상황에서 세포 내의 단백질을 리소좀을 통해서 분해하여 여러 세포 내 기작에 필요한 양분을 제공하는 역할을 한다. 자가포식작용은 리소좀을 통한 분해를 야기하기 때문에 세포 내의 많은 기능에 관여하고 있으며, 특히 스트레스 상황이나 비정상적인 세포 내 환경에서 세포를 살리기 위한 여러 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다. 알츠하이머에서도 자가포식작용이 역할을 하는 것으로 알려져 있다. Presenilin이 활성을 띄기 위해서는 산성조건에서 활성을 띄는 것으로 알려져 있는데, 이는 리소좀에 의한 산성화를 필요로 한다 [8]. 알츠하이머 모델 쥐에서 리소좀의 기능장애로 인해서 자가포식체의 축적이 관찰되기도 한다. ApoE4는 알츠하이머를 야기하는 강력한 위험인자이다. ApoE4는 리소좀의 막을 비안정화시킨다. Rab5가 비정상적으로 발현이 높으면 세포내 이입이 가속화되고 이로 인해서 지질 및 단백질이 late endosome에 축적되도록 유도한다. APP돌연변이나, ApoE4 및 알츠하이머 유발인자들은 Rab5의 양을 증가시킨다고 알려져 있다 [9]. 리소좀의 기능장애는 아밀로이드 베타의 축적, 활성산소, 산화된 지질단백질에 의해서도 관찰된다.
2.4. 알츠하이머 치료 전략 동향
？ 위에서 살펴본 연구를 토대로 치료에 적용할 수 있는 여러 표적을 개발 중에 있으며, 이 표적을 조절할 수 있는 물질이 개발되고 상용되기 위한 여러 실험이 진행 중에 있다. 알츠하이머 치료제의 개발은 큰 어려움이 따른다. 그 이유는 알츠하이머의 특성상 효과를 확인하기 위해서는 오랜 시간 동안 추적해야 하기 때문에 상대적으로 많은 비용이 들고, 뇌질환의 발병원인 및 증상은 그 조절관계가 복잡할 뿐만 아니라 치료제로 인한 부작용도 다양하다. 또한, 뇌의 혈류를 따라 세포에 들어가기 위해서는 blood-brain barrier (BBB)를 통과해야 하는데 이를 통과할 만큼 작은 치료제를 개발하는 것 또한 어려움이 따른다. 그럼에도 현재까지도 알츠하이머의 치료제를 개발하기 위한 연구는 계속되고 있다. 2018년도에 진행된 임상실험에 따르면 아밀로이드 베타를 표적으로 한 연구가 25%, 항염증을 통한 치료제 개발이 18%를 차지한다 [10].
2.4.1. 아밀로이드 베타의 생성을 억제하는 전략
아밀로이드 베타의 형성을 억제하기 위해 주로 표적이 되는 것은 그 형성을 주도하는 효소인 gamma secretase 및 BACE1이다. Gamma secretase 저해제는 다양하게 개발되었지만, 많은 기질을 절단하는 gamma secretase의 특성상 부작용이 가장 큰 문제점으로 꼽힌다. 특히, 세포분열 및 발달에 관련된 Notch 역시 gamma secretase의 기질이기 때문에 APP만 선택적으로 저해할 수 있는 신약을 찾기 위해 연구가 진행되고 있다. 현재 임상 진행중인 저해제로는 semagacestat, avagacestat가 있다. gamma secretase를 표적으로 하는 전략은 이 외에도 비병원성의 아밀로이드 베타 (Aβ38, Aβ40)의 형성을 유도하는 방법이 있다. 이렇게 효소의 기능을 조절할 수 있는 경우 gamma secretase modulator(GSM)라고 한다. GSM은 Nonsteroidal Anti-in？ammatory Drug (NSAIDs) 계열의 Tarenflurbil, Indomethacin, CHF5074 등 다양하게 존재한다. 이들은 모두 임상실험까지 진행된 약품이지만, 아쉽게도 임상단계에서 확실한 효과를 보지 못했거나 장기복용시 부작용으로 인해서 성공하지는 못했다. 이 외에도 NSAID가 아닌 약품 중에서 E2012, NGP555 등이 있다.
？ BACE1을 표적으로 한 약품의 개발은 연구 초기에는 수월할 것이라 생각하였다. 그러나 BACE1의 효소활성 부분은 매우 큰 크기였으며, BBB를 통화할 수 있는 문제가 걸림돌이 되어 치료제 개발이 어려웠다. 따라서 최근에는 펩타이드가 아닌 작은 분자물질을 이용한 치료제 개발에 중점을 두고 있다. 아실 구아니딘을 기본으로 한 BACE1 억제제는 처음에는 스크리닝을 통해서 동정되었다. 이는 BACE1에 결합하여 구조적인 변화를 유도하게 된다 [10]. 아실 구아니딘 계열의 저해제가 발견된 이후 BACE1를 표적으로 한 치료제의 개발이 속도가 붙게 된 것은 2-amino heterocycles 이 발견되었기 때문이다. 이 작은 물질은 임상효과도 더 좋았을 뿐만 아니라 흡수율도 좋았다. 그 이후 여러 계열의 치료제를 개발해가고 기존의 화학물 구조를 변형해가면서 효율을 높이기 위한 연구는 계속되었다. 최근에는 EPOCH, APECS 등이 임상실험 진행중이었으나 모두 낮은 효율성 및 부작용 등으로 인해서 중단되었다.
2.4.2. 아밀로이드 베타를 효율적으로 제거하는 전략
자가포식작용을 통해 단백질의 응집체를 제거하는 전략은 많은 학자들의 관심사였다. 이들이 효과적으로 아밀로이드 베타의 제거를 할 수 있다면 과량으로 생성되는 아밀로이드 베타의 축적을 막을 수 있기 때문이다. 자가포식작용은 mTOR의 저해를 통해 이루어지는데 실제로 3XAD 쥐의 해마에서 mTOR가 과하게 활성화되는 현상을 최근에 발견하였다. 또한 mTOR 저해제이자 자가포식작용 유도제인 Rapamycin을 처리한 쥐에서는 아밀로이드 베타 및 타우로 인한 뇌손상이 감소한다고 알려져 있다 [11]. 그러나 mTOR는 자가포식작용 뿐만 아니라 다양한 신호기작에 연관되어 있어 이를 표적으로 하기에는 부작용이 너무나도 많다. 따라서 최근에는 mTOR에 독립적으로 자가포식작용을 활성화할 수 있는 기작은 찾아 표적으로 삼으려는 연구가 진행중에 있다. mTOR에 독립적인 신호로 발견된 것은 inositol, Ca2+/caplain, cAMP/Epac/Ins (1,4,5)P3, JNK1/Beclin-1/P13KC3 경로가 있다. GTM-1이라 알려진 분자물질은 mTOR에 독립적인 자가포식작용 경로를 통해서 아밀로이드 베타로 인한 신경세포의 손상을 억제한다고 알려져 있다 [12]. 또다른 경로로는 AMPK를 통한 자가포식작용의 활성화가 있다. Nilotinib은 AMPK를 통해서 자가포식작용을 활성화하는 것으로 알려져 있다. Trehalose는 AMPK를 활성화함에 따라서 아밀로이드 베타의 양을 감소시키고 이로 인한 기억력 감퇴를 예방한다 [13].
？그러나 자가포식작용을 표적으로 하는 전략에도 어려움은 따른다. 자가포식작용은 다양한 세포 내 활동에 관여하기 때문에 이를 표적으로 하는 것은 여러 부작용을 초래할 수 있다. 또한 앞선 연구에 따르면 아밀로이드 베타에 의해 리소좀이 기능장애를 보이는데, 단순히 초기의 자가포식작용만 활성화하는 것이 과연 충분한 효과를 보일 수 있을지 의문이다. 리소좀과의 융합을 통해 분해되지 않고 쌓이는 자가포식체는 또다른 세포 독성을 보이고 문제를 야기할 수 있다.
2.4.3. 신경세포의 손상기작을 억제하는 전략
미세아교세포는 아밀로이드 베타의 응집체가 보낸 신호를 통해 면역반응을 일으키는 것으로 알려져 있다. 미세아교세포는 아밀로이드 베타의 직접적 표적을 통한 치료는 아니지만 그 이후의 기작을 조절하는데 핵심이 되는 세포로서 이를 표적으로 하는 치료제의 개발도 이루어지고 있다. 여기에는 특정 저해제 뿐만 아니라, 수용체나 신호전달체의 신호를 막을 수 있는 항체 등도 포함된다.
？CD33는 미세아교세포에 발현되며 면역반응을 저해하는 것으로 알려져 있다. CD33는 세포내 이입을 억제하여 면역반응이 일어나지 않도록 저해하는데 이는 아밀로이드 베타가 미세아교세포로 들어가 면역반응을 일으키지 못하게 함으로서 진행을 더 가속화시킬 수 있다. 실제 연구에서 CD33가 감소하거나 활성이 저해되면 아밀로이드 베타의 미세아교세포로의 이입이 증가하여 알츠하이머의 진행을 완화시켰다 [14].
PD-1(CD279)은 T 세포 조절자 중 CD28의 한 종류로, B 세포와 같은 면역세포에서 면역기능의 항상성 유지를 위해 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 특히, 면역반응이 과하게 발생하는 것을 조절, 억제하는 체크포인트의 역할은 한다. 최근 연구에 따르면, 뇌에서의 면역반응의 활성화는 질병치료 가능성이 있다고 한다. PD-1의 체크포인트로서의 역할을 교란시켜 계속 면역반응을 활성화시켜 암치료에 이용되는데, 이와 마찬가지로 알츠하이머에서도 적용이 가능하다 [15]. 실제로 PD-1에 특이적인 항체를 알츠하이머 쥐 모델에 처리하여 신호를 교란시키면 아밀로이드 플라크가 감소하는 결과를 관찰하였다. 현재, 이를 표적으로 한 신약이 여러 제약회사에서 개발중에 있다 [16].
？
3. 결론
뉴런에 집중되어 있었던 기존 연구들은 치료제를 개발하는 데 있어서 분명한 한계를 지니고 있었다. Gamma secretase의 많은 기질은 이를 표적으로 하는 약물을 개발하는데 걸림돌이 되었고, 복잡한 발병기작들은 선택적으로 치료제를 개발하는데 한계가 있었다. 최근 많은 연구를 통해서 뉴런 외의 세포에 초점을 맞춘 연구나, 아밀로이드 베타를 제거할 수 있는 여러 방법을 찾아냄에 따라서 알츠하이머의 치료제 개발은 새로운 국면을 맞이하였다. 그러나 면역 및 염증반응을 조절하는 방법은 직접적인 원인물질을 제거하는데 한계가 있기 때문에 그 효과가 얼마나 지속될 수 있을지가 의문이다. 실제로 PD-1의 경우에는 지속적인 투여만이 효과를 보았다고 한다. 그러나 이러한 시도는 오래 전부터 이용된 시냅스의 신호를 활성화시키는 방법처럼 병의 진행을 늦추고 추가적인 치료를 가능하게 하는 가능성을 제공할 수 있다는 점에서 중요하다고 생각한다. 앞으로도 다양한 분야의 연구를 통해서 알츠하이머의 획기적인 치료책이 개발되길 고대한다.
？