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전문가기고 [이창선] TRK 억제 항암제 개발 동향

2018-09-17697

TRK 억제 항암제 개발 동향

( 한독, 이창선)

1. 항암제의 시작

항암제의 역사는 2차 세계 대전 중, 살상용으로 개발된 sulfur mustard를 기반으로 한 alkylating agent (cyclophosphoramide로 대표됨)로부터 시작되었다고 할 수 있겠다.1 이 외에도 자연계에서 비롯된 대사물질 (aminopterin), 추출물 (vinca alkaloid, taxol)을 바탕으로 한 1세대 항암제들이 꾸준히 등장하였고, 이들을 이용한 암 조직으로의 선택적 delivery 연구 (Abraxane, ADC 등)는 아직도 계속되고 있다. 1980년대 분자생물학의 발전과 함께, 암 특이적 표적들이 발견되었고 이를 겨냥하는 2세대 항암제 연구가 본격적으로 시작되었다.(그림 1) 암 조직에서는 특정 분자 표적의 과발현, 기능 향상 (gain-of-function) 등에 의해 정상 세포에 비해 신호 전달 시스템이 항진되는 현상이 나타나며, 이들의 기능을 억제하고자 항체 (antibody)나 카이네이즈 (kinase) 저해제를 개발하게 되었다. 항체 신약이나 면역항암제로 대표되는 3세대 항암제의 개발 경향에 대해서는 많은 논의가 있어 왔으므로, 본고에서는 설명을 생략하기로 한다.

2. 카이네이즈 (kinase) 저해제

카이네이즈 저해제를 이용한 항암제 개발은 2001년 FDA로부터 백혈병의 일종인 CML(chronic myeloid leukemia) 치료제로 승인 받은 Imatinib(Gleevec)으로 부터 시작되었다고 할 수 있다.2 그로부터 2018년 6월까지, 11 종류의 카이네이즈에 대하여 모두 43개의 신약이 FDA로부터 승인을 받았으며, lipid kinase의 하나인 PI3K 저해제 Idelalisib을 제외하면 모두 protein kinase들을 타겟으로 한 약물이었다.3(그림 2) 허가 받은 대부분의 카이네이즈 저해제들은 최소 2개 이상의 카이네이즈들에 대해 활성을 나타내고 있는데, 이는 다중 타겟 효능 (polypharmacology)에 의존하여 효능을 나타내는 장점도 있지만, 한편으로는 낮은 타겟 선택성으로 인한 부작용을 나타내는 우려도 내포하고 있다.

3. 유전자 융합 (gene fusion)으로 인한 암 발생 과정

두 개 유전자의 융합이 암의 발생과 증식에 중요한 driver 돌연변이라고 알려지기 시작한 것은 1960년대부터이며, 보고 사례는 기하 급수적으로 증가하고 있다.5 필라델피아 유전자로 알려진 Bcr-Abl을 타겟으로 한 Imatinib (Gleevec)이 FDA로부터 승인 받은 것은, 최초의 카이네이즈 저해제 개발의 의미 뿐만 아니라, 융합유전자가 oncogene으로 작용할 수 있다는 점에 착안한 항암제 개발 연구의 초석이라고 할 수 있다.6 과거에는 융합유전자를 분석하는 방법이 유전자 밴딩 기술 (chromosome banding analysis), FISH (fluorescence in situ hybridization), array 기반 분석법 (high-throughput array-based analysis) 등 제한적이었지만, 2000년 중반 이후 deep-sequencing 기술이 도입되면서 융합유전자에 대한 보고 사례가 급증하게 되었다.(그림 3) 현재까지 보고된 융합유전자는 10,000여 건이 넘어서 전체 암의 약 20% 이상에서 발견되고는 있지만, 상당 부분의 돌연변이가 driver mutation보다는 passenger mutation일 것으로 추정되기도 한다.

Imatinib은 Bcr-Abl 유전자에 의한 CML 백혈병 치료제로 승인 받은 다음, COL1A1-PDGFRB, FIP1L1-PDGFRA, PDGFR 융합유전자를 타겟으로 한 다양한 암종에 대해서도 FDA로부터 추가 승인을 받게 되었다.(그림 4) 이 외에도, 2007년 EML4-ALK 융합유전자에 의한 비소세포폐암의 발생 기작이 알려졌고, Pfizer의 Crizotinib은 해당 유전자를 갖는 환자만을 대상으로 하는 정밀의학 (precision medicine)에 근거하여 2011년 비소세포폐암 치료제로 FDA 승인을 받게 되었다. 그 외의 융합유전자와 관련하여, 뇌암, 흑색종, 전립선암, 방광암 등 다양한 암종에서 ALK, ROS1, BRAF, FGFR3, RET, NTRK 등의 유전자가 암의 발생과 증식에 기여함이 보고됨에 따라 이들을 겨냥한 항암제 개발에 많은 관심이 모이고 있다. 한편, 개개의 암종에 대한 이들 융합유전자의 기여도는 매우 낮지만, 이들 유전자는 여러 암종에 폭넓게 관여하고 있으므로 이를 보유하고 있는 암 환자수는 상당할 것으로 추정된다.

4. TRK (tropomysin receptor kinase) 저해제 개발 현황

TRK (tropomyosin receptor kinase)는 신경 조직에서 주로 발현되어 신경 시스템에서 중요한 역할을 하며, NTRK1, NTRK2, NTRK3 유전자에 의해 발현되는 3개의 유사 형태 (TRKA, TRKB, TRKC)가 존재하는 것으로 알려져 있다. 1986년, TRK 유전자의 융합 현상 (fusion)이 발견되었는데, 이 융합 현상은 상시 활성화 (constitutively activation) 또는 과발현 (overexpression)을 유도해 oncogene의 가능성을 보였다. 현재까지 약 19개의 다양한 암종에서 NTRK 유전자 융합 현상이 알려져 있는데, NTRK 유전자 융합은 NTRK 유전자 3’ 부분과 파트너 유전자의 5’ 부분의 재배열 (rearrangement) 융합에 의해 발생하고 있다.(그림 5) ETV6-NTRK3는 TRK 관련 연구 중 oncogenic 유전자 융합으로는 첫 사례이며, 유방암유사 분비암종 (MASC)의 100%, 분비유방암 (secretory breast cancer)의 93%를 차지하고 있지만, 대부분의 다른 암종에서는 5% 미만의 희귀암에 속한다.

TRK의 활성은 다양한 뉴로트로핀(NGF, BDGF, NT-4, NT-3)의 결합에 의해 유도된 TRK 리셉터의 homodimerization에 의해 시작되며, 이는 TRK의 tyrosine phosphorylation을 촉진하여 하위 신호 전달 시스템을 작동하게 된다. TRK는 RAS-RAF-ERK, PI3K-AKT 또는 PLC¥ã-PKC¥ã 등의 신호 전달 시스템을 통하여, 전사인자 발현, 세포 증식 및 사멸, 세포 분화 등을 조절하게 된다.7(그림 6) 갑상선암의 TRKA의 경우는 주로 RAS-RAF-ERK 경로에 의존하며, NIH-3T3 fibroblast 암세포의 경우는 STAT3 또는 PI3K-AKT 경로를 주로 따르는 것으로 밝혀졌다. 전체적으로 볼 때 카이네이즈 도메인의 구조, 그리고 phosphorylation되는 tyrosine의 구조가 보존적이기 때문에, 융합유전자 TRK의 경우에도 리간드 바인딩에 의해 진행되는 정상적인 신호 전달 시스템처럼 신호 전달 과정이 일어날 것으로 예측되고 있다.

oncogene으로서의 TRK 역할이 알려진 지 30년이 가깝도록 이를 억제하는 물질의 개발이 되고 있지 않은 이유로는, 선택적 저해제 개발의 어려움, NTRK 융합유전자를 응용할 수 있는 세포주 개발법, 임상 환자 선정의 어려움 등을 꼽을 수 있겠다. 차세대서열분석법 (NGS) 기술이 발달함에 따라 많은 임상 시료 분석이 이루어졌고, NTRK 융합유전자가 oncogene으로 작용함이 알려짐에 따라 이를 타겟으로 한 항암제 개발 연구가 시작되었다. TRKA와 결합하는 단일항체 (monoclonal antibody)를 통하여 진통제를 개발하려는 시도는 있었으나, 이러한 항체 접근법은 세포 밖의 도메인이 없는 융합단백질 TRK의 경우에는 사용할 수 없으므로 단분자 항암제 개발에 관심이 집중되어 왔다. 특히, TRK의 경우 isoform (A, B, C)들 간의 구조적 유사성이 높기 때문에 이들 유사형태의 TRK를 모두 억제하려는 시도 (pan-TRK 저해제)가 주를 이루게 되었다.

Entrectinib (RXDX-101)과 Larotrectinib (LOXO-101)은 TRK 억제 항암제의 선두 주자들인데, 카이네이즈와 ATP의 결합을 낮은 농도에서 효과적으로 막음으로써, TRK에 의한 phosphorylation 활성을 저해하는 것으로 알려지고 있다. Entrectinib은 TRK와 homology가 높은 ALK와 ROS1의 활성도를 억제하는 것으로 보고되어 있으며, 2015년 FDA로부터 비소세포폐암과 대장암에 대한 Orphan Drug Designation을 받게 되었다. Larotrectinib은 좀 더 TRK에 선택성이 높은 물질로서 2015년 Orphan Drug Designation, 2016년 NTRK fusion 관련 고형암에 대한 치료법으로 Breakthrough Designation을 받았을 뿐 아니라, 2018년에는 또 다른 신속 심사인 Priority Review에 선정되어 FDA로부터 빠른 심사 혜택을 받게 되었다.8(그림 7)

2017년 ASCO에서 발표된 Larotrectinib의 놀라운 임상 결과는 NTRK 융합유전자에 대한 관심을 높이기에 충분하였다.9 특히, 바구니 임상 시험 (basket trial) 개념으로 17개의 다양한 암종에 대하여 실시한 임상 2상 시험에서, NTRK fusion을 포함한 55명의 환자로부터 76%의 ORR (overall response rate)이 발견되었고, 12개월 투약 후에도 79%의 PFS (progression-free survival)가 나타났다.(그림 8) 이는 EML4-ALK 융합유전자에 의한 비소세포폐암에 대한 임상 시험에서 Crizotinib이 보여준 60% ORR에 비해서도 상당히 높은 편이며, 호중구 감소, ALT 증가 등에서 그레이드 3에 해당하는 부작용을 보이는 환자도 많지 않아서 안전성도 매우 높은 것으로 나타났다. 이러한 높은 치료 지수 (therapeutic index)는, 우수한 약물 효능뿐 아니라 높은 off-target 선택성을 가진 Larotrectinib의 물질 특이성 때문인 것으로 추정된다.

Larotrectinib과 Entrectinib 외에도 임상 중에 있는 TRK 저해제는 약 10여 개에 달하는데, Larotrectinib만큼 선택성을 가진 물질들은 아직 임상 진입된 것이 보고되어 있지 않기 때문에 TRK를 타겟으로 하는 경쟁력 있는 물질 개발의 필요성은 아직도 높은 편이라고 할 수 있겠다.(그림 9)

대부분의 카이네이즈 저해제들이 일정 기간의 투약 기간이 지나면 point mutation, negative feeback, 다른 pathway와의 cross-talk 등 다양한 방식으로 기존 물질에 대하여 약물 내성을 나타내게 된다. 특히, APT 결합 위치 주변의 single-point 돌연변이에 의해 기존 저해제가 더 이상 효과적으로 카이네이즈의 활성 부위 (active site)에 들어 갈 수 없도록 3차 구조를 변형시키는 방법은 대표적인 카이네이즈 저해제의 저항성으로 알려져 왔다.

TRK 저해제에 의한 돌연변이 내성도 이미 보고된 바 있다. LMNA-NTRK1 유전자로 인한 대장암 환자에게 Entrectinib을 처리하였을 때, 일정 기간이 지난 후 G595R과 G667C라는 추가적인 돌연변이가 발생하여 약물 내성을 나타내는 것이 보고되었다. 또한, ETV6-NTRK3 유전자로 인한 유방암유사 분비암종 (MASC) 환자에게 Entrectinib을 투여했을 경우에도 G623R이라는 돌연변이가 발생하여, 약물활성이 약 250배 떨어지는 것이 알려져 있다. TRK 단백질들간의 homology를 비교해 보면, NTRK3의 G623R은 NTRK1의 G595R과 같은 위치에 해당하며, 유사 카이에이즈인 ALK나 ROS1의 경우에도 비슷한 위치에 돌연변이를 일으켜 약물 내성을 보이는 것으로 알려져 있다.(그림 10) 이 위치는 hinge 바인딩 위치의 바로 아래 부분이므로, 물질이 hinge에 효과적으로 결합하는 것을 저해하여 약물 내성을 나타나게 된다. 또 다른 내성 기작으로는, TRKA-G595R의 경우 TRKA에 ATP의 결합이 정상보다 매우 효과적으로 (Km= 6µM vs. Km=51µM) 형성되도록 카이네이즈의 미세 구조를 변화시키는 것이다. 이로 인해, 카이네이즈의 phosphorylation 활성이 증가하도록 만들기 때문에, 기존 카이네이즈 저해제의 효력을 떨어뜨리게 되고 약물 내성이 나타나게 되는 것이다. Larotrectinib 임상 시험에서도 6명 (11%)의 환자에게서 약물 내성이 발생하였으며, 이 역시 위에서 언급한 3개의 돌연변이에 의한 것으로 알려졌다.10 TRK 저해제 개발의 후발 주자였던 LOXO Oncology는 Entrectinib 임상 시험에서 발생한 hinge 바인딩 부분의 돌연변이에 주목하여, 약물 내성을 극복할 수 있는 LOXO-195의 추가 개발을 선제적으로 시작하게 되였다. NTRK1의 G595나 NTRK3의 G623이 arginine으로 변이되었을 경우, Larotrectinib의 pyrrolidine 고리와 arginine이 steric crash를 일으켜 물질의 억제 활성을 현격히 떨어뜨릴 수 있다는 가설을 이용하여, Larotrectinib의 양쪽 말단을 연결한 LOXO-195를 고안하게 되었다.

LOXO-195는 TRK 와일드 타입뿐만 아니라, solvent-front로 알려진 G595R (TRKA)와 G623R (TRKC)에 대한 억제 활성도 높으며, 희귀 돌연변이인 G667C에도 비교적 좋은 억제 효능을 보이고 있다. 효소의 활성 억제 실험을 통해 검증된 LOXO-195는, TRKA-G595R을 이용한 xenograft 실험을 통하여 동물 모델에서도 암의 성장을 억제할 수 있음을 증명하였다.(그림 11) 성공적인 LOXO-195의 동물 효능 실험 결과는, LOXO-101의 임상이 끝나지 않은 상황에서도 FDA로 하여금 LOXO-195를 이용한 임상 시험을 승인하는 유래 없는 케이스를 만들게 되었다. LOXO-195의 임상 1상은 all-comer를 대상으로 하는 대신, 바이오마커로 선별한 환자를 대상으로 하는 PK-guided accelerated 임상 1상으로 진행하고 있다.

5. 맺음말

융합유전자 (gene fusion)가 항암제의 표적이 될 수 있음이 밝혀진 지 약 30여 년이 지났지만, 아직까지는 2개의 유전자에 대해서만 항암제 연구의 결실을 맺어 왔다. 차세대서열분석법 (NGS)와 같은 동반 진단을 통해 정밀의학이 가능해 지면서, 좀 더 많은 융합유전자 유래 암종에 대한 연구가 이루어질 것으로 전망한다. Larotrectinib은 NTRK 융합유전자를 포함한 다양한 암종들에 대하여 basket trial 임상 시험을 진행하였고, 80%에 이르는 전체반응률 (ORR)을 보였으므로, 2018년 말에 예정된 FDA 승인 추천 회의를 무난히 통과할 것으로 예상된다. 이로써 NTRK 융합유전자는 Bcr-Abl을 타겟으로 한 Imatinib, EML4-ALK fusion을 겨냥한 Crizotinib에 이어 세 번째로 FDA 승인을 받는 약물 타겟 유전자가 될 가능성이 높다. 특히, Imatinib이나 Crizotinib은 제한된 암종에 대해서만 효능을 보였으나, Larotrectinib은 NTRK 융합유전자에 의해 발생하는 다양한 암종에 대하여 높은 반응률을 보이고 있다는 점에서 의의가 크다고 할 수 있겠다. 또한, 임상 진행 과정에서, 예상되는 약물 내성을 극복하기 위해 LOXO-195라는 2세대 약물을 동반 개발하려는 전략도 항암제 신약 개발 전략의 새로운 역사를 쓴 것이라고 평가하고 싶다.

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