Perspectives on Glutaminase Inhibitors as Metabolic Anti-cancer Agents

Glutamine 대사항암제의 개발과 전망

Abstract

Cancer cells exhibit a unique metabolic process for uncontrolled cell division, providing bioenergy and intermediates, which are significantly different from normal cells. Here an aerobic glycolysis converts most of the pyruvate produced from glucose into lactate and inefficiently produced ATP. Cancer cells counter their lack of energy through glutamine metabolism, together with glucose. Glutamine is the most abundant amino acid in the blood and is used for the synthesis of amino acids, nucleotides, and lipids, as well as bioenergy through glutaminolysis. Cancer cells rely on glutamine rather than normal cells, showing more than half of the tricarboxylic acid cycle metabolites derived from glutamine, called glutamine addiction. Oncogenes c-Myc also regulates the expression of various genes involved in glutamine metabolism and promotes the absorption of glutamine. Whether glutaminase (GLS) causes or inhibits tumors is controversial. However, GLS1 is a promising treatment target due to its higher carcinogenic incidence, whereas GLS2 is known to act as a tumor suppressor. The 4th-generation metabolic anti-cancer therapy, which has been actively investigated since the mid-2010s, is based on a complex and sophisticated network of cancer metabolites. These drugs directly regulate the energy metabolism of cancer cells to maximize anti-cancer effects without side effects. GLS is a crucial enzyme for cancer metabolism and tumor progression that catalyzes the first stage in the process of glutaminolysis. The development of anti-cancer drugs targeting GLS enzymes has emerged as a promising strategy.

암세포는 통제되지 않는 세포분열 과정 중, 생체 에너지와 생합성 중간체를 제공하기 위하여 정상세포와는 현저히 다른 독특한 대사과정을 나타낸다. 포도당으로부터 생성된 pyruvate의 대부분을 lactate로 전환하여 비효율적으로 ATP 생성하는 호기적 해당작용(Warburg effect)으로 glutamine 대사를 통해 부족한 에너지를 해결하고 있다. Glutamine은 혈액과 근육에서 가장 풍부한 아미노산으로서, glutaminolysis를 통해 TCA cycle을 통한 생체 에너지, 지질과 대사산물의 합성뿐만 아니라 아미노산과 뉴클레오티드 합성에 사용된다. 암세포가 정상세포보다 glutamine에 의존하여 TCA cycle 대사산물의 절반 이상이 glutamine에서 파생되는 glutamine 중독 현상을 나타낸다. 종양유전자 c-Myc는 glutamine 대사에 관련된 glutamine 대사 유전자의 발현을 조절하고, glutamine의 흡수를 촉진한다. Glutaminase가 종양을 유발하거나 종양을 억제하는지는 isoenzymes의 관점에서 논란의 여지가 있으나 GLS1은 발암 가능성이 더 높아 유망한 치료 대상인 반면에 GLS2는 종양 저해제로서 작용하는 것으로 알려졌다. 암 대사체의 복잡하고 정교한 네트워크에 기반한 4세대 대사항암제는 암세포의 에너지 대사를 직접 제어하여 영양 공급을 차단해 부작용 없이 항암효과를 극대화하는 요법으로 2010년대 중반 이후 연구가 활발히 진행되고 있다. Glutaminolysis에서 glutaminase는 초기 단계를 촉매하는 효소로서 암 대사 및 종양 진행에 매우 중요하여 glutaminase 효소를 약물 표적화하는 새로운 기전의 항암제 개발이 유망한 전략으로 떠오르고 있다.

암의 특징과 대사

암세포는 정상세포와는 다른 독특한 대사과정을 나타내며 빠른 성장과 생존을 유지하기 위해 지속적으로 단백질, 핵산, 지질 등의 구성 요소를 필요로 하며, 스스로의 대사과정을 변형하여 이들의 에너지 대사는 정상세포와 달리 호기성 조건이 아닌 혐기성 조건에 가까운 대사 과정을 보인다. 암의 특징에 대하여 가장 잘 기술한 것으로 알려진 ‘Hallmarks of cancer (2000)’에서 암의 6가지 특성을 세포의 증식, 성장억제 회피 기전, 세포사멸 억제 기전, 무한 복제 능력, 신생혈관 형성, 전이 및 침윤 특성 등으로 규정하였으나 2011년 개정 ‘Hallmarks of cancer : the next generation’에서는 면역체계의 회피와 암세포의 비정상적 대사 등 암의 대사(cancer metabolism)가 추가되었다[10, 22]. 최근 암세포의 특성을 대사 변화에 초점을 맞추어 새롭게 6가지로 분류하였다[31]. 포도당(glucose)과 아미노산 등 영양분 과다한 유입, 적대적 상황에서 새로운 형태의 영양분 획득, 호기성 해당과정을 이용한 생합성 및 NADPH 생산을 위한 해당작용(glycolysis)/tricarboxylic acid cycle (TCA cycle)의 중간체 사용(Warburg effect), 질소 요구량의 증가, 대사산물에 의한 신진대사 관련 효소의 전사 후 변형 및 유전자의 후생유전적 변형, 궁극적인 암 미세환경(cancer microenvironments)과의 대사 상호작용 등 6가지로 요약되었다.

정상세포에서는 흡수한 포도당은 일련의 해당작용을 통해 pyruvate로 전환되고 산소가 존재할 경우, 미토콘드리아 안에서 TCA cycle을 통해 pyruvate가 acetyl-CoA로 전환되어 많은 ATP를 생산하지만 격렬한 운동 과정과 같이 산소가 부족할 경우에는 lactate와 상대적으로 적은 ATP를 생산하는 해당작용 과정을 통하므로 많은 포도당을 소비함으로써 자신이 필요한 에너지 수요를 충당한다. 한편, 암세포에서는 포도당으로부터 생성된 pyruvate는 산소가 풍부하더라도 대부분의 pyruvate를 바로 lactate로 전환시켜 ATP 생성 관점에서 상대적으로 비효율적인 해당작용 과정을 채택하고 있다(Fig. 1) [2, 20]. 이러한 현상을 Warburg effect라 불리며 암세포에 특이적인 호기적 해당작용(aerobic glycolysis)으로서 신속하게 핵산, 비필수아미노산 및 지방산의 de novo 합성을 위한 중간체의 풍부한 제공과 함께 빠르게 ATP를 보충하게 한다[17]. 그러나, 암세포는 Warburg effect만으로 충분한 에너지원을 만들 수 없기 때문에 ATP를 생성하는데 사용될 수 있는 TCA cycle의 중간 대사산물을 찾아 필요한 에너지를 충당해야 한다. 어떤 종양은 포도당, 단백질, 아미노산(예를 들어, glutamine, tryptophan), 지방산의 산화에 의해 산화적 인산화가 증가하여 필요한 에너지를 얻거나, 일부 종양은 암모니아, 젖산과 같은 노폐물을 에너지원으로 이용하기도 한다[11]. 이러한 과정에서 몇몇 종의 대사산물(acylcarnitines, lactate, taurine, kynurenine)이 여러 암종의 암 미세환경 내 대사환경에서 지속적으로 변하는데 대사산물 농도 변화는 특정 대사경로를 활성화하고, 대사산물 매개 신호 경로를 암세포의 후생유전적 변화를 유도한다. 이러한 암대사의 변화는 발암성 변이(MYC, phosphatase and tensin homologue, AKT serine/threonine kinase, phosphoinositide 3-kinase)가 주변 인자나 특정 대사효소(isocitrate dehydrogenase 1, succinate dehydrogenase, indoleamine 2,3-dioxygenase)의 변화에 의해 조절되기도 한다[6].

Fig. 1. Regulation of glucose metabolism in cancer cells. Glucose metabolism mainly contains glycolysis and TCA cycle in the mitochondrion. These pathways are generally altered in tumor cells compared to normal cells, leading to aerobic glycolysis and high level of lactate in cancer metabolism and microenvironments [9].

암세포에서 glutamine 대사

Glutamine은 혈액과 근육에서 가장 풍부한 아미노산의 하나로서, glutamine은 암세포에서 glutaminolysis를 통해 생체 에너지, 단백질, 핵산 및 지질 생합성, 종양 성장 및 항산화제 생산을 유도하여 암세포의 성장에 기여한다. HeLa 세포에서 glutamine 소비량이 다른 어떤 아미노산보다 10–100배 더 높다는 것이 밝혀진 이후, 증강된 glutamine 대사가 신장, 위장관, 면역 조직 및 암세포와 같이 빠르게 분열하는 세포의 성장, 침윤 및 전이와 유의하게 연관된다는 것이 밝혀졌다[7, 16]. Glutamine 의존성 암세포에서 TCA cycle 대사산물의 절반 이상이 glutamine에서 파생된다. Glutaminolysis는 여러 효소의 조절을 통해 glutamine을 TCA cycle 대사산물로 전환하는 과정으로서 포도당과 달리 glutamine은 암세포의 단백질, 핵산의 핵심 질소 공급원으로서 중요한 역할을 수행하며 지질 생합성을 위해 안정적으로 질소 및 탄소 집단을 제공한다. 암세포는 저산소 상태에서도 glutaminolysis을 활성화시켜 glutamine을 α-ketoglutarate (α-KG)로 변환시키고 reductive carboxylation을 통해 isocitrate를 만들어 지방을 합성한다[33].

Glutamine은 비필수아미노산으로 여겨졌으나 catabolic 스트레스 조건에서 glutamine 공급이 수요를 충족시키지 못하다는 것을 통해, 이후 glutamine은 조건부 필수아미노산(conditional essential amino acid)으로 취급되기도 한다. 암세포에서 pyruvate가 TCA cycle에 진입 못하게 됨으로써 anaplerosis로서 glutamine에 더 많이 의존하게 된다. 암세포 배양 시 포도당이 있더라도 glutamine을 제거하게 되면 세포가 더 이상 자라지 않으며 암세포가 정상세포보다 glutamine에 대해 크게 의존하는 glutamine 중독(addiction) 현상이 여러 암 유형에서 나타난다[5]. Glutamine이 glutaminolysis 과정을 통해 glutamate로 변환되었다가 최종적으로 TCA cycle의 대사산물인 α-KG로 변환될 수 있기 때문에 암세포의 성장 및 증식에 포도당 외 또 다른 에너지원으로서 사용되고 있다. 다시 말해서, 암세포는 Warburg effect로 인해 발생할 수 있는 부족한 에너지원을 glutamine 대사라는 다른 에너지 공급원을 통해 해결할 수 있는 능력을 획득한다[31].

Glutamine의 세포 내 유입은 세포막의 transporter SLC1A5 (ASCT2)와 anti-transporter SCL7A5/SCL3A2 및 최근 미토콘드리아 내부막에서 새로 동정된 SLC1A5 변이체에 의해 매개된다. c-Myc oncogene은 SLC1A5 발현을 증가시켜 glutamine uptake를 촉진하고, aerobic glycolysis의 최종 산물인 lactate 또한 세포 밖으로 배출시킴으로써 glutamine 대사를 활성화시킨다[5, 12]. 미토콘드리아의 glutaminolysis는 GLS 효소에 의해 glutamine이 glutamate로 전환되는 것부터 시작된다. 이때 glutamate 대사는 두 개의 서로 다른 분기점으로 분기된다. 즉, glutamate dehydrogenase (GLUD)에 의해 α-KG로 전환되어 TCA cycle에 연료를 공급하거나, aminotransferase를 통해 비필수아미노산(alanine, aspartate 및 phosphoserine)의 생합성 경로에 관여하게 된다. 그 외에도 glutaminolysis는 glutamate의 제공으로 glutathione (GSH)이 합성됨으로써 산화 환원의 항상성 조절에 직접 관여한다(Fig. 2) [2].

Fig. 2. Glutamine metabolism in cancer cells. Cancer cells uptake glutamine through ASCT2. After transporting into cells, glutamine is catalyzed to glutamate by GLSs, which have two isoforms: GLS1 and GLS2. Glutamate is further converted to α-ketoglutarate (α-KG) through glutamate dehydrogenase (GLUD) or aminotransferases. The resulting metabolites can supply for bioenergetics through tricarboxylic/critic acid (TCA) cycle and support biosynthesis of proteins, nucleotides and lipids. In addition, glutamine metabolism also contributes directly to glutathione (GSH) synthesis.

암세포에서 glutaminase의 조절

인간 glutaminase는 GLS1과 GLS2라는 두 개의 서로 다르지만 관련이 있는 유전자에 의해 암호화되고, alternative splicing을 통해 GLS1은 KGA와 glutaminase C (GAC), GLS2는 LGA와 glutaminase B (GAB) 등의 더 길고 더 짧은 형태의 isoform을 갖는다(Fig. 3) [8, 24, 33]. Kidney-type (GLS1, KGA)은 다양한 정상 조직에서 어디에서나 발현되는 반면에 liver-type (GLS2, LGA)은 간, 뇌 및 췌장에서 제한적으로 발현된다. 다양한 암 유형에서 GLS1의 일관된 발현 경향과 다르게 GLS2의 기능 패턴은 더 복잡하고 역설적이다. GLS1과 GLS2의 활성은 신진대사에 크게 좌우되어 GLS1은 높은 수준의 phosphate에 의해 활성화되고, 효소 생성물인 glutamate에 의해 억제되는 반면, GLS2는 낮은 수준의 phosphate와 암모니아에 의해 활성화된다. 이러한 isoforms의 발현은 신체의 여러 부위에 따라 다르다. GLS1의 GAC는 폐, 태반, 췌장 및 많은 형질전환 세포에서 높게 발현되는 반면, KGA는 뇌, 신장, 내장 및 면역 세포에서 발현된다. GLS2 isoform은 주로 성인 간에서 발견되지만 연구들은 뇌 및 췌장과 같은 간 외 조직에서 발현이 보고되고 있다. 세포 수준에서 GLS1은 미토콘드리아에 위치할 가능성이 가장 높지만 정확한 미토콘드리아 내 위치는 불분명하다. 반대로, GLS2는 내부 미토콘드리아 막에 위치한다. GLS1은 일반적으로 암세포에서 상향조절되지만, GLS2는 암세포에서는 억제되어 있다. GAC는 암세포에서 우세한 GLS1 isoform이다.

Fig. 3. Genomic structures of human GLS1 and GLS2 and alternative transcripts. Two alternative transcripts arise from GLS1, KGA, and glutaminase C (GAC). KGA is the longer isoform with all exons except exon 15, while GAC is the shorter isoform with exons 1–15. Two alternative transcripts arise from GLS2, GAB, and LGA. GAB is the longer isoform with all exons, while LGA is the shorter isoform lack of exon 1 [33].

최근 암세포에서 glutamine 대사 조절인자로서 종양유전자(c-Myc, KRAS)와 종양억제제(TP53) 등이 GLS 발현을 조절하는 것으로 알려졌다[9, 16]. 종양유전자 c-Myc은 glutamine 대사에 관련된 GLS1, glutamine synthetase (GLUL), GLUD 및 aminotransferase 등의 여러 유전자의 발현을 조절하기도 하고 glutamine transporter SLC1A5 및 SLC38A5의 프로모터 영역에 직접 결합함으로써 glutamine의 흡수를 촉진한다. 또한 NF-κB에 의해 억제되는 miR-23a 및 miR-23b의 전사 억제를 통해 c-Myc의 GLS1 발현은 간접적으로 촉진된다. 또 다른 종양 전사인자 c-Jun도 GLS1의 유전자 발현을 조절한다. c-Myc를 통해 GLS1의 발현을 조절하는 GSK3a/b 경로를 통해 c-Myc 및 c-Jun의 단백질 안정성을 조절하여 간접적으로 GLS1을 상향조절하거나 c-Myc의 eIF4B dependent 제어를 통해 mTORC1/S6K1 경로가 GLS1 발현을 긍정적으로 조절한다. 게다가 저산소증은 HIF-1a에 의한 전사 활성화 방식으로 GLS1 발현을 상향 조절한다[4].

대사항암제의 등장

일반적으로 항암제는 암을 제거하는 방법이나 표적, 혹은 메커니즘에 따라 1–4세대로 구분하고 있다(Table 1). 현재 사용되고 있는 화학항암제, 표적항암제, 면역항암제가 개발됨에 따라 점진적으로 암환자에 대한 치료 효과나, 부작용의 개선이 나아지고 있으나 암의 원인과 증상이 다양하기 때문에 치료가 쉽지 않은 것이 현실이다(Table 1). 2023년 국내 신약개발 파이프라인 조사 결과, 항암치료제가 약 35%(578개)를 차지하고 있고, 이 중 표적항암제가 254개로 전체의 44%를 차지하고 있으며, 면역항암제(228개, 40%), 항체-약물 접합체(antibody-drug conjugates, ADC) 항암제(42개, 7%), 대사항암제(29개, 5%) 등으로 조사되었다[9]. 아직 화학항암제나 표적항암제가 면역항암제에 비해 높은 수치를 보이고 있으나 점차 이들의 비중은 부작용 감소를 목적으로 하는 면역항암제에 비해 줄어들 것으로 예상되며 반면에 면역항암제의 비율은 앞으로도 점차 늘어날 것으로 보인다. 적어도 향후 수십 년간은 면역항암제를 중심으로 이전의 표적항암제와 향후 개발될 대사항암제가 병용투여를 통해 사용될 것으로 예측하고 있다.

Table 1. Principles and characteristics of anti-cancer drugs by generation

대사항암제는 최근 들어 활발히 연구가 진행되는 분야로서 암 대사체의 복잡하고 정교한 네트워크에 대한 연관 관계를 지속적으로 연구하여 암세포의 에너지 대사 관련 효소를 직접 제어함으로써 암세포에 영양 공급을 차단해 부작용 없이 암세포를 사멸하여 항암 효과를 극대화시키는 방식으로서 2010년대 중반 이후 연구가 활발하게 진행되었다[18, 21]. 비정상적 세포대사의 조절은 암과 같은 질환 발병 및 진행의 원인이 될 수가 있고 포도당과 glutamine의 소비가 현저하게 증가되는 reprogramming된 대사 과정을 통해 암세포의 생존 및 증식에 중요하다고 보고되어 정상세포와 구분되는 암 특이적 포도당, glutamine, fatty acid 대사과정에 관여하는 효소를 표적으로 암세포만 선별적으로 공격하여 암의 증식 및 전이를 조절하는 차세대 항암제로 대사항암제가 부각되고 있다. 지방 합성에 있어서 fatty acid chain을 합성하는 효소인 fatty acid synthase (FASN)를 억제하는 약물인 C75나 fasnall 약물 또한 HER2+ 유방암에 효과적으로 작용한다[30]. 또한 암세포가 aerobic glycolysis에 의존하는 점에 착안하여 hexokinase 2 (HK 2)를 억제하는 2-deoxy-D-glucose (2-DG)와 같은 약물이 개발되었고, 지속적인 해당작용 유지에 중요한 lactate dehydrogenase (LDH)를 억제하는 PSTMB, gossypol 등의 약물이 폐암, 유방암, 대장암 등에 효과적인 것으로 확인되었다. 암 대사에서 중요한 역할을 담당하는 lactate transporter (MCT1), glucose transporter (Glut1), glutaminase 1 (GLS1), acetyl-coA carboxylase (ACC) 등은 이미 글로벌 제약사들의 표적이 되어 임상 1, 2, 3상에 진입하여 연구가 진행되고 있다(Table 2) [1, 25, 26].

Table 2. Trends in the devlopment of metabolic anti-cancer drugs

최근 암의 특징에 따라 다양한 병용투여 요법이 시도되어, 작용 측면에서 암의 대사를 공략하는 것은 단일 투여 뿐만 아니라 병용투여가 좋은 사례로 제공될 수 있다. 현재 임상적으로 활발하게 적용되고 있는 항암 면역치료제 효능을 향상시키기 위해 병용투여가 활용되고 있다. 아스파라긴(asparagine)을 억제하는 asparaginase는 이미 급성 림프구성 백혈병(acute lymphoblastic leukemia) 치료를 위해 다른 화학요법제와 병용하여 2006년부터 FDA 승인을 받아 사용되고 있으며, calaspargase pegol (제품명 Asparlas)은 2018년 FDA 승인을 받고 급성 림프구성 백혈병에 병행 보조요법으로 사용되고 있다.

Glutamine 대사항암제의 개발

일반적으로 GLS1 발현의 상향조절은 종양 형성 확대, GLS2 발현은 세포의 정지 상태 또는 분화된 상태와 관련이 있지만 GLS가 종양을 유발하거나 종양을 억제하는지는 isoenzymes의 관점에서 논란의 여지가 있다. 다양한 인간 암종에서 GLS1의 발현은 종양 형성 및 암의 진행과 관련되어 GLS1의 증가는 환자 생존율을 현저히 감소시켜 간암(Hepatocellular carcinoma, HCC), 난소암, 골육종, 대장암(colerectal cancer, CRC) 및 유방암에서 잠재적인 예후 바이오마커로 작용하여 진단 및 치료 표적으로 개발될 수 있다[23]. CRC 종양 세포의 성장과 전이성 집락화에는 GLS1 발현이 필요하다. 간내 담관암(intrahepatic cholangiocarcinoma, ICC)에서 GLS1의 과발현이 전이와 침습을 유도하고 epithelial-mesenchymal transition을 촉진한다[29]. GLS1을 표적으로하여 NANOG, OCT4, KLF4, SOX2 및 c-Myc 등의 stemness 관련 유전자의 감소와 ROS/Wnt/b-catenin 신호를 통한 암 줄기세포의 특성을 억제하였다[3]. GLS1과 비교하여 GLS2는 종양저해제로 간주되었다. p53의 표적 유전자로서 GLS2는 반응 산소종(reactive oxygen species) 레벨 및 GSH/GSSG 비율 조절을 통한 항산화 작용으로 종양을 억제한다. GLS2는 glioblastoma, HCC 및 결장암에서 억제되어 있고, HCC에서 종양 세포의 콜로니 형성을 억제하였다. 암세포에서 GLS2의 상향조절은 G2/M 단계에서 정지된 세포 주기로 증식 억제를 유도하였다. 반대로 luminal subtype 유방암에서 GLS2의 과발현은 전반적으로 더 나쁜 예후와 관련이 있고, 유방암의 증식과 종양 형성을 지원하여 강화된 세포 이동, 침입 및 폐 전이로 이어진다. 따라서 GLS1은 발암 가능성이 더 높아 유망한 치료 대상인 반면 GLS2는 논란의 여지가 있지만 종양 저해제로서 작용한다[8].

암세포에서의 에너지 및 생합성에서 glutamine의 중요한 역할을 고려하여 glutamine의 대사에서 GLS의 역할과 조절을 이해함으로써 유망한 GLS 저해제 기반 대사 표적 치료법이 제안되고 있다. Glutaminolysis를 표적으로 암세포의 성장에 필요한 glutamine과 glutamate의 공급을 끊어 암 대사 및 종양 진행을 저해하는 전략으로서 그 중 GLS는 glutamine을 glutamate로 전환하여 최종적으로 TCA cycle 대사산물로 전환하는데 매우 중요한 역할을 하는 효소이다. GLS 저해제는 암세포에서 glutamine에서 glutamate으로의 전환을 약화시키고, 세포 내 ROS 수준을 상승시키며, 항산화제인 GSH 생성을 손상시킨다. 한편, 화학요법제와 GLS 저해제와 병용처리는 췌장암과 난소암에서 화학요법에 대한 암세포에 대한 민감도도 증가하게한다. 또한 GLS 저해제는 면역조절에 대한 가능성이 보고되어 면역세포의 glutamine 대사의 재프로그래밍을 거쳐 세포의 표현형과 기능을 변화시켜 종양발생 촉진 및 항종양 효과에 활용될 수 있다.

따라서 glutamine 대사와 암과의 연관성에 관한 연구 등을 통해 glutaminolysis에 중요하게 관여하는 GLS 효소를 약물 표적으로 하는 항암제 개발 연구가 가속화되었다(Fig. 4) [8, 14, 28]. 지금까지 DON, JHU-083, BPTES, CB-839, DRP-104, acivicin 등 강력한 small molecule의 저해제가 GLS를 표적으로 개발되었다[19, 33]. DON은 glutamine mimetics로서 효소의 활성 부위에 공유 결합하여 de novo 핵산 합성, 아미노산 합성과 hexosamine 생산에 관련된 GLS와 glutamine amidotransferases를 광범위하게 억제한다. 그러나 비선택적인 glutamine 대사 억제는 높은 수준의 독성을 보여준다. DON의 독성을 최소화하기 위해 prodrug으로 개발된 JHU-083은 비활성 상태로 투여하여 암 미세환경에서 선택적으로 효소 절단되어 활성화된다. 다른 DON 전구약물에는 Nedelcovych-13d 및 Rais-5C가 있다. Allosteric 저해제인 BPTES와 CB-839는 glutamine 대사의 다른 면을 방해하지 않고 GLS를 선택적으로 표적화하여 kidney-type GLS 활성을 특이적으로 억제한다. BPTES는 in vitro에서 높은 특이성과 암세포 증식을 억제하는 효능을 보이지만 낮은 수용성과 생체 이용률의 단점으로 in vivo 임상 시험에서 제한적이다. 약물 용해도를 향상시키기 위해 BPTES의 구조적 변형을 통해 여러 유도체가 합성되어 효능이 더 강력하고 경구로 이용할 수 있는 CB-839 및 IACS-6274가 개발되었다. 또한 IACS-6274는 우수한 약동학적 및 물리화학적 특성을 나타내어 현재 고형암에 대한 1상 임상 시험이 진행 중이다. 최근 보다 강력한 GLS 저해제로 CB-839 selenadiazole 유도체인 CPD-20, CPD-23과 Physapubescin I 등이 개발되었다. Macrocycle 계열의 저해제는 GLS의 결정 구조를 기반으로 설계되어 ether-linker macrocycles인 Compound 13이 발견되었고 그 중 Compound 13b는 GLS에 대해 CB-839의 활성과 유사한 활성을 나타냈다(Table 3). 일련의 alkylbenzoquinones이 GLS1보다는 GLS2에 우선적으로 억제하고 GLS2의 C-말단에 있는 allosteric pocket에 특이적으로 결합하여 작용하는 것으로 알려졌으나 종양에서 GLS2의 역할에 대한 논란으로 GLS2를 표적으로 하는 연구가 매우 적다[15].

Fig. 4. Various glutaminase inhibitors and their discoveries in timeline.

Table 3. Glutaminase inhibitors under development [24]

All, Acute lymphoblastic leukemia; mCRPC, metastatic Castration-resistant prostate cancer; NHL, Non-Hodgkin's lymphoma; NSCLC, Non-small cell lung cancer; AML, Acute myeloid leukemia; MM, Multiple myeloma; TNBC, Triple-negative breast cancer; mRCC, metastatic Renal cell carcinoma; GIST, Gastrointestinal stromal tumor; PDA, Pancreatic ductal adenocarcinoma.

Glutamine 대사항암제의 전망

Glutaminase 대사항암제는 대부분의 암에 대해 공통적으로 일어나는 암 대사 특이적인 대사과정을 포착하여 각기 다른 암에 대해 공통적으로 작용하고 오랫동안 연구된 대사에 대한 높은 이해를 바탕으로 약물 개발 속도가 빠르고 기존 항암제 대비 독성이 매우 낮다는 장점과 기존 표적항암제나 면역항암제의 한계인 타깃에 대한 한정된 반응성에 대해 부작용이 적은 항암제로서 개발 가능성이 높다. 그러나 대사항암제로서 실제 FDA 허가를 받은 대사항암제는 Idhifa 하나뿐이고 아직 글로벌 제약사들의 낮은 관심으로 집중적인 투자가 이루어지지 않고 있으며 적용 영역도 고형암이 아닌 백혈병 등으로 미래 항암제 시장이 대사항암제에 의해 주도될 것이라는 예측은 현재로서는 단언하기 어려운 실정이다. 특히 일부 암세포에서 in vitro 세포 증식 억제 결과에도 불구하고 GLS 저해제에 저항적이다. 예를 들면, GLS 저해제가 췌장암세포의 성장을 억제하지만, 장기적으로 보상적 대사기전이 췌장암세포에서 나타남에 따라 GLS 저해제의 효과가 떨어져 암세포도 나름의 회피 전략을 가지고 있고[32] 특히 대사항암제의 기전에 따라 암세포가 다른 대체방식으로 대사를 계속 진행하므로 임상에서의 효과가 기대에 미치지 못할 수 있다.

GLS 억제가 해당작용 및 지방산 산화(fatty acid oxidation, FAO)와 같은 대체 경로에 의해 회복되므로 이러한 GLS 억제 저항성의 회피 전략을 피하기 위해서는 해당작용을 표적으로 하는 metformin, Erlotinib (EGFR inhibitor), MLN128 (mTOR inhibitor)과 Glutor (glucose uptake inhibitor) 등의 저해제 혹은 etomoxir (CPT1 inhibitor)와 FAO 저해제를 병용하여 저항성 세포에서 GLS 저해제와의 시너지 효과에 의해 세포의 증식을 억제하는 것이다[33]. 또한, 산화적 스트레스를 표적으로 하는 병용요법은 GLS 억제에 대한 민감도의 향상을 보여준다. 따라서 다른 작용기전의 저해제와의 병용처리 전략은 GLS 억제 저항성을 극복하는 효과를 보여준다(Fig. 5). 게다가 이중항체나 항체-약물 적합체 등의 약물전달 기술에 의해 약물의 전달력을 높일 수 있다면 대사항암제의 효과를 더욱 높일 수 있고 암의 대사적 유동성에 집중하여 여러 대사적 보상 경로를 동시에 억제하거나 식이 조절을 보조요법(adjuvant therapy)으로 활용하여 대사항암제의 효율을 극대화하는 방법도 제시되고 있다[27]. 또한 Glutamine antagonist DON의 전구약물인 JHU-083을 이용한 glutamine 차단요법은 항-PD-1 단독요법과 비교하여 종양 면역거부반응과 적응 면역 기억을 유발하고 내인성 항종양 면역 효과를 강화하여 면역 의존적 방식으로 종양 성장과 전이를 저항하여 항-PD-1 요법의 항종양 효과를 더 높인다[13].

Fig. 5. Combinatory therapies with glutaminase inhibitors and different metabolic inhibitors. Combination therapy with inhibitors targeting alternative metabolic pathways, such as glycolysis and fatty acid oxidation, helps to overcome GLS inhibition resistance of cancer cells [33].

결론

암세포는 통제되지 않는 세포분열을 위하여 단백질, 핵산, 비필수아미노산 및 지방산의 de novo 합성을 위한 중간체의 풍부한 제공과 함께 빠르게 에너지(ATP)를 충당해야 하므로 정상세포와는 현저히 다른 독특한 대사과정을 나타낸다. 암세포에서는 포도당으로부터 생성된 pyruvate가 산소가 풍부하더라도 대부분 lactate로 전환되어 ATP 생성 관점에서 상대적으로 비효율적인 호기적 해당 작용을 채택하고 있다. 암세포는 이러한 Warburg effect로 인해 발생하는 부족한 에너지원을 glutamine 대사라는 새로운 공급원을 통해 해결하는 능력을 획득하여 암세포의 생존 및 생합성을 지원한다. Glutamine은 혈액과 근육에서 가장 풍부한 아미노산의 하나로서, 암세포에서 glutaminolysis를 통해 탄소원으로서 TCA cycle을 통한 생체 에너지, 지질과 대사산물의 합성뿐만 아니라 질소 공급원으로서 아미노산과 뉴클레오티드 합성에 작용하여 암세포의 성장에 기여한다. 암세포가 생존과 증식을 위해 정상세포보다 glutamine에 의존하여 glutamine 중독 현상이 나타나며 glutamine 의존성 암세포에서는 TCA cycle 대사산물의 절반 이상이 glutamine에서 파생된다. 암세포에서 glutamine 대사 조절인자로서 종양유전자(c-Myc, KRAS)와 종양억제제(TP53) 등이 glutaminase (GLS) 발현을 조절하는 것으로 알려졌다. 특히, c-Myc는 glutamine 대사에 관련된 GLS, glutamine synthetase, glutamate dehydrogenase 및 aminotransferase 등의 발현을 조절하기도 하고, glutamine transporter SLC1A5 및 SLC38A5의 프로모터 영역에 직접 결합하여 glutamine의 흡수를 촉진한다. GLS가 종양을 유발하거나 종양을 억제하는지는 isoenzymes의 관점에서 논란의 여지가 있으나 GLS1은 발암 가능성이 더 높아 유망한 치료 대상인 반면에 GLS2는 종양 저해제로서 작용하는 것으로 알려졌다. 전세계적으로 암 대사 제어 분자 기전에 기반한 4세대 항암요법인 대사항암제 개발 관련 연구가 2010년대 중반 이후 활발히 진행되고 있다. 대사항암제는 암 대사체의 복잡하고 정교한 네트워크에 대한 연관관계를 지속적으로 연구하여 암세포의 에너지 대사를 직접 제어함으로써 암세포에 영양 공급을 차단해 부작용 없이 암세포를 사멸하여 항암 효과를 극대화시키는 방식으로 면역항암제를 중심으로 이전의 표적항암제와 향후 개발될 대사항암제가 병용투여를 통해 사용될 것으로 예측하고 있다. Glutaminolysis는 glutamine을 TCA cycle의 다양한 대사산물로 전환하고 종양 세포 생존에 필요한 항산화제를 생성하는 대사 경로로서 glutaminase는 초기 단계를 촉매하므로 암 대사 및 종양 진행에 매우 중요하다. 따라서 glutamine 대사에서 glutaminolysis와 암연관성으로 glutaminolysis 및 glutaminase 효소를 약물 표적화하는 항암제 개발이 유망한 전략으로 떠오르고 있다. 본 논문에서는 암의 대사적 특징과 암 악성화와의 연관성을 설명하고 약물 표적으로서 glutamine 대사 기반 glutaminase 저해 항암제 개발 가능성과 최근 발전 사항들에 대해 고찰하고자 하였다.

감사의 글

이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었음.

The Conflict of Interest Statement

The authors declare that they have no conflicts of interest with the contents of this article.