Abstract

An overview regarding development of therapeutic drugs against HIV/AIDS

Yoon Cheol-Hee, Lee Sorim, Kim Kisoon
Division of Viral Diseases Research, Center for Infectious Disease Research, KNIH, KCDC

Background: Current anti-human immunodeficiency virus (anti-HIV) drugs can reduce HIV-associated morbidity, prolong survival, and prevent HIV transmission. However, the drug resistance is an emerging problem worldwide, because of chronic therapy without interruption during patient’s life span. To overcome the drug-resistance, development of anti-HIV drugs is continued with finding new therapeutic targets that are essential for HIV replication.
Current status: The discovery of HIV as the causative agent of acquired immune deficiency syndrome (AIDS) and an increasing understanding of the viral replication cycle have been instrumental in research of anti-HIV drug. Anti-HIV drug discovery has been focused on targeted inhibition of HIV using specific pharmacological agents. Since the approval of Zidovudine (AZT) in 1987, over 30 anti-HIV drugs belonging to six distinct classes based on their biological function and resistance profiles are being used: (1) nucleoside-analog reverse tranase inhibitors (NNRTIs), (2) non-nucleoside reverse tranase inhibitors(NRTIs), (3) integrase inhibitors (INSTIs), (4) protease inhibitors (PIs), (5) fusion inhibitors, and (6) co-receptor antagonists. Additionally, several anti-HIV drugs are being developed, such as long active drugs, humanized antibody, and prodrug metabolized to active form in patients. In this review, we will outline the developmental history of anti-HIV drugs with their basic principles and limitations due to drug resistance.
Future perspective: Anti-HIV drugs are being developed to overcome the drug resistance, adverse effects, and limited adherence shown in earlier drugs. Currently, reverse tranase, protease, and integrase inhibitors are available for patient care. Although several anti-HIV drugs are effective for patient treatment, researchers have to continue discovering new therapeutic targets before resistance to current drugs emerges. Furthermore, research and development focused on agents that target persistent HIV reservoirs should be strengthened, which may lead to prolonged drug-free remission and HIV cure.

Keywords: Human immunodeficiency virus (HIV), anti-HIV drug, Therapeutic target, Drug resistance


들어가는 말

1981년 미국 질병통제예방센터(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)는 동성연애자 및 마약사용자 집단에서 치명적인 감염질환이 발생했다고 보고하였다. 이 질병은 환자의 면역상태를 결핍시켜 카포시육종 및 뉴모시스티스 카리니 폐렴, 림프종 등을 유발하게 하였으며, 결국 환자를 사망케 하는 것이 특징이었다. 처음 이 질병을 보이는 집단이 주로 남성 동성연애자였기에 처음에는 남성 동성연애자 관련 면역결핍증(Gay-related immunodeficiency syndrome, GRID)으로 불리었다. 1983년 프랑스 파스퇴르연구소의 뤽 몽따니에 그룹에서 림프종 환자의 림프절에서 레트로바이러스 한 종이 분리되었고, 후에 이 바이러스가 human immunodeficiency virus(HIV)로 밝혀졌다. 이후 많은 연구를 통해 이 바이러스의 생활사가 밝혀지게 되면서 치료제 및 진단기술이 신속히 개발될 수 있었다. HIV의 가장 큰 특징은 역전사과정으로 이 과정을 차단하는 치료제 개발 전략이 가장 먼저 적용되었고 1987년 뉴클레오시드 계열 역전사효소 저해제인 Zidovudine(azidothymidine, AZT)이 최초의 HIV 치료제로써 개발되었다. 이후 비뉴클레이시드 역전사효조 저해제, 단백분해효소 저해제, 바이러스 침입 저해제 및 바이러스 통합효소 저해제들이 순서대로 개발되었다. 최근에는 기존 약물의 효과를 개선시키거나 새로운 패러다임의 HIV 치료제 개발이 계속 진행되고 있다. 이 글에서는 이들 약제들의 개발 과정 및 그 작용기전 등을 살펴보고, 나아가 최근 개발되고 있는 항바이러스제들을 살펴봄으로써 미래의 HIV/acquired immune deficiency syndrome(AIDS) 치료제 개발 방향을 제시해보고자 한다.


몸 말

1983년 HIV 발견 이후 HIV의 생활사가 밝혀졌으며, 이들 연구 결과를 토대로 HIV 증식을 저해하는 치료제가 개발되어왔다. HIV는 CD4+ 세포의 수용체 CD4와 보조수용체(CCR5, CXCR4)에 결합한 후 숙주세포 안으로 침투한다. 침투한 후 바이러스 RNA 게놈은 역전사효소에 의해 DNA로 변형된 후 핵으로 이동하여 숙주세포의 염색체에 통합효소(integrase)에 의해 삽입이 된다. 삽입된 바이러스 DNA(provirus)는 바이러스 전사인자 Tat(Trans-activator of Tranion)와 숙주의 여러 인자들의 도움을 받아 바이러스의 mRNA가 발현된다. 발현된 바이러스 mRNA의 일부는 자손 바이러스의 게놈이 되고, 일부 mRNA는 바이러스의 외막단백질(gp120, gp41)과 비리온 형성에 필요한 여러 단백질로 번역되어 숙주세포 막을 싸고 세포 밖으로 나가게 된다. 이때 비리온 내에서 바이러스 단백분해효소(protease)에 의해 바이러스가 성숙(maturation)되어 비로소 감염력이 있는 바이러스로 변모한 뒤 인접한 다른 세포에 재감염되어 새로운 바이러스 생활사가 시작된다(Figure 1)[2]. 이러한 바이러스의 생활사에서 꼭 필요한 단계는 항-HIV 약제 개발을 위한 타겟으로 선정되었으며, 현재 이들 중 5가지 단계를 각각 차단하는 항-HIV 약제 약 30여 종이 개발되었다. 항-HIV 약제 개발의 타겟으로 사용된 5가지 단계는 보조수용체 CCR5와의 결합단계, 바이러스막과 숙주 세포막의 융합단계, 바이러스 DNA 합성(역전사) 단계, 바이러스 DNA의 숙주세포 염색체로의 통합단계 그리고 마지막으로 바이러스 성숙단계(maturation)이다. 1987년 최초 역전사효소 저해제 Zidovudine부터 최근의 통합효소저해제 Elvitegravir까지 각 단계를 저해하는 30여 종의 HIV 치료제들이 개발되어 환자치료에 이용되고 있다[2,3](Figure 2). 현재까지 개발된 HIV 치료제는 작용기전 및 화학적 형태로 역전사효소 저해제 (뉴클레오사이드 계열, 비뉴클레오사이드 계열), 단백분해효소 저해제, 통합효소 저해제, CCR5 길항제, 막융합 저해제 등 6종류로 분류된다[2,3,4].

1. 역전사효소 저해제(Reverse tranase inhibitors, RTIs)

1987년 최초의 HIV치료제로 뉴클레오시드 계열 역전사효소 저해제(Nucleoside reverse tranase inhibitor, NRTI)계열의 Zidobudine(3ʹ-azido 3ʹ-deoxythymidine, AZT)이 개발된 이후 뉴클레오시드 계열의 다양한 역전사효소 저해제들이 속속들이 개발되었다. 이 후 뉴클레오시드 계열 약제에 대한 내성이 증가되면서 1996년 비뉴클레오사이드 역전사효소 저해제(Non nucleoside reverse-tranase inhibitor, NNRTI)인 nevirapine(NVP)이 개발되면서 최근까지 NNRTI는 계속 개발되고 있다.

가) 뉴클레오시드 계열 역전사효소 저해제(Nucleoside reverse-tranase inhibitors, NRTIs)

NRTIs는 미 FDA에서 최초로 승인된 항-HIV 약물 군이다. 이들은 주로 전구체로 복용하며, 이후 숙주세포에 들어가 인산화되어 뉴클레오티드 형태로 변환되면서 약물로써 활성을 갖게 된다. 현재까지 개발된 NRTI는 8종이며 최근엔 Tenofovir의 약리활성을 증가시킨 Tenofovir alafenamide fumarate(TAF)가 개발 사용되고 있다(Table 1). 이들은 공통적으로 뉴클레오시드의 당분자의 3-OH(수산화기)가 없기 때문에 바이러스의 DNA 합성과정에서 DNA가닥에 껴들어가 DNA 체인의 다음에 오는 뉴클레오티드와의 3’-5’ 인산에스터 결합을 차단함으로써 DNA 합성을 종료시키는 작용기전이 있다(Figure 3)[4].

나) 비뉴클레오시드 역전사효소 억제제(Non-nucleoside reverse-tranase inhibitors, NNRTIs)

NNTRIs는 NRTIs와 다르게 바이러스 DNA합성 종료자로서 역할하지 않고, 역전사효소의 활성부위 근처의 소수성 낭(hygrophobic pocket)에 직접 결합하여 효소의 구조를 변화시킴으로써 효소작용을 억제한다(Figure 4)[4]. 따라서 기존의 NRTIs와의 교차내성은 없다. 최근까지도 개발되고 있는 역전사효소 저해제이며, 이들 약물을 단독 투여하면 HIV가 내성 획득에 취약하고, 다른 NNRTIs에 대한 교차내성이 있다. 따라서 이 약제는 다른 계열의 항-HIV 약제와 함께 투여한다. 현재까지 승인된 약제는 6종이 있다(Table 2).

2. 단백분해효소 억제제(Protease inhibitors, PIs)

1990년대 중반이후 다양한 HIV의 단백분해효소 저해제들(PIs)이 개발되었다. HIV의 단백분해효소는 감염력이 없는 비리온(virion)에 함유되어 있는 Gag 와 Gag-Pol의 전구체 단백질을 절단시켜 감염력이 있는 성숙된 바이러스로 변화시켜주는 중요한 효소이다. 따라서 단백분해효소 저해제는 HIV 신약분야에서 매력적인 타겟으로 각광받았다. 이러한 단백분해효소 저해제가 개발된 초기에는 이 효소가 바이러스 증식에 매우 중요한 역할을 하며, 크기도 11 kDa로 매우 작기 때문에 내성 발생이 적을 것으로 기대하였다. 그러나 PIs로 치료한 환자들에서 내성 돌연변이가 매우 높은 빈도로 발생하였으며, 특히 모든 PIs는 효소의 활성부위에 결합하는 유사한 화학구조를 가지고 있기 때문에 교차내성에 취약한 단점이 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서 현재 PIs들은 3가지 항-HIV 약제를 투여하는 ‘칵테일 요법’에만 주로 사용된다. 또한 PIs를 오래 사용하면 지방의 체내 분포가 변하고 지질 대사에 이상이 나타난다는 단점이 있다. 따라서 2006년 Darunavir 이후 더 이상 신규 PI는 개발되지 않고 있다[4].

3. 막융합 억제제(Membrane fusion inhibitor)

1997년 crystal 구조연구에서 HIV의 막융합단백질 gp41의 바이러스막 외부 2개의 도메인(heptad repeats, HRs)을 구성하는 각각 3개의 헬릭스가 상호 결합하면서 6개의 coiled-coil 구조(six-helix bundle)를 이루며 바이러스막과 세포막이 서로 융합되는 것이 밝혀지면서, 이 과정을 차단하는 펩타이드가 개발되었다(Figure 6). 이는 2003년 Enfuvirtide(T-20, Fuzeon)라는 이름으로 미 식약청(Food and Drug Administration, FDA)의 승인을 받아 주로 기존약물로 치료가 어려운 환자를 대상으로 주사제로써 처방되고 있다[5].

4. CCR5 길항제(Antagonist)

Maraviroc(MVC, brand name Selzentry)은 HIV의 보조수용체인 CCR5 길항제로 2007년 개발된 소분자약물이다(Figure 7). 이는 CCR5 보조수용체의 소수성 낭(pocket)에 결합하여 그 구조를 변형시켜 바이러스의 막단백질 gp120의 V3 loop가 CCR5에 결합하는 것을 방해하여 바이러스의 숙주세포 침투를 막는다. 이 약제는 숙주의 보조수용체를 타겟으로 함에도 바이러스단백질에 직접 결합하여 작용하는 다른 항-HIV 약물과는 다른 내성기전을 이용해 내성을 획득할 수 있음이 알려졌다. 이 약제에 대한 내성 획득 기전으로는 바이러스의 gp120의 CCR5 대신 CXCR4로의 감염경로 변형, Maraviroc 보다 강한 CCR5와의 결합력 강화, Maraviroc-CCR5 복합체를 인식해 침투하는 능력을 획득하는 경우 등이다[4,6].

5. 통합효소 DNA가닥 전달 저해제(Integrase strand transfer inhibitors, INSTIs)

역전사가 종료되면 바이러스 DNA는 숙주의 염색체에 끼어들어가 프로바이러스(provirus)가 된다. 그때부터 비로소 바이러스는 자신의 유전자를 발현하고 자신의 후손을 만들어낼 수 있다. 이렇게 바이러스 DNA가 숙주의 염색체에 삽입될 때 필요한 것이 통합효소(integrase)이며, 이는 바이러스의 생활사의 핵심적인 단계를 책임지고 있다. 이 통합효소는 가장 최근 개발된 항-HIV 약물의 타겟이다. 통합효소는 3’-OH 그룹을 절단하고 이후 바이러스의 DNA가닥을 숙주 염색체로 전달해 통합하는 일련의 작용을 한다. 그 중 통합효소 저해제들은 바이러스 DNA가닥을 전달하는 기능을 타겟으로 하여 개발되었고, 이들을 통합효소 DNA가닥 전달 저해제(INSTI)로 부른다. 2007년 Raltegravir(RAL)가 가장 먼저 통합효소저해제로 개발되었고, 이후 2013년 Dolutegravir(DTG), 2014년 Elvitegravir(ETG)가 순차적으로 개발되었다(Table 4). 이들은 통합효소의 활성부위(active site)와 바이러스 DNA가 결합하기 위해 필요한 2개의 마그네슘 이온과 결합하여 통합효소의 활성부위와 DNA와의 결합을 차단한다(Figure 8)[4,7].

6. 최근 개발되고 있는 HIV/AIDS 신약

가) 장시간 작용약물 : Cabotegravir(CAB) + Ripivirine(RPV)

환자 몸에서 장시간 작용하는 항바이러스제로는 Cabotegravir와 Ripivirine이 있다. 현재 개발 중인 통합 효소저해제 Cabotegravir(CAB, GSK744)는 반감기가 최대 40일이며 나노파티클 형태인 nanosuspension은 21～50일이며, 최장 90일에 1회 복용으로도 바이러스의 증식을 효과적으로 억제할 수 있다. Ripivirine(RPV)은 이미 개발된 비뉴클레오시드 계열 역전사효소 저해제(NNTRI)로 25 mg 알약의 반감기가 최대 50일이고 장시간 작용하는 nanosuspension은 반감기가 최대 90일까지 가능하다. 최근 무작위 2b상 임상시험 결과 둘의 약물을 혼합하여 복용 시 최대 8주(56일)간격으로 복용한 환자의 94%에서 혈중 바이러스의 농도를 50 copies/mL 이하로 유지할 수 있어 기존 매일 먹는 약보다 환자의 편리함을 증가시켜 주는 것으로 보고되었다. 장시간 작용하는 약물이 개발되면 환자는 몇 달에 한 번 씩만 복용하면 됨으로 환자의 삶의 질을 매우 높일 수 있을 것으로 기대한다[8].

나) Bictegravir(BIC)

Bictegravir(BIC)는 통합효소 저해제로 개발되었으며, 이는 2종의 역전사효소 저해제와 함께 3중 복합제 BIC/FTC/TAF 형태로 임상3상 연구를 거쳐 2018년 미 FDA에서 승인되었다. 이 3중 복합 처방제는 임상연구에서 Dolutegravir(DTG)가 포함된 3중 복합제 DTG/FTC/TAF와 유사한 바이러스 증식 억제 효능을 보였으며, 약물 역효과는 오히려 덜한 것으로 밝혀졌다. 또한 BIC는 내성 발생이 적고, DTG에서 보이는 내성 돌연변이에 대해서도 효과가 높은 것으로 밝혀졌다. 이의 반감기는 18시간이다[9].

다) Doravirine(MK-1439)

차세대 비뉴클레오시드 계열 역전사효소 저해제(NNRTI)로 최근 임상3상 연구를 진행하였다. Doravirine은 다른 항-HIV 약물들과 병용 사용 시 약물 간 상호 간섭작용이 거의 없었으며, 다른 항-HIV 약물에서 나타나는 악성 콜레스테롤 저밀도 지방단백질(LDL) 등의 수치가 비교 그룹보다 감소하였으며, 중추신경계(CNS) 부작용도 거의 없었다. 보강 연구결과 여부에 따라 FDA 승인이 주목된다[10].

라) Fostemsavir(BMS-663068)

Fostemsavir(FTR)는 체내에서 Temsavir(TMR)로 대사되어 바이러스의 gp120에 결합하여 보조수용체 CCR5, CXCR4와의 결합을 차단함으로써 HIV의 숙주세포 침입을 억제한다. 이는 다른 종류의 항레트로바이러스 약물과 교차저항이 없었다[11].

마) Ibalizumab(Trogarzo)

Ibalizumab은 숙주세포의 CD4에 높은 친화도로 결합하는 인간화 면역글로불린 G4 단클론항체이다. 이는 CCR5와 CXCR4 친화성 바이러스 모두 숙주세포로의 침입을 저해하며 기존의 항레트로바이러스 치료제와 교차저항이 없었다. 2018년 3월 미 FDA에서 다제내성 HIV를 치료하기 위해 사용허가가 났고 매 14일 마다 정맥주사로 치료하며, 다른 항레트로 약제와 병용 사용을 권고하고 있다[12,13].


맺는 말

1983년 HIV가 처음 발견되고 4년 만인 1987년 최초의 HIV 치료제인 Zidovudine이 개발된 이후 30년 동안 30여 종의 HIV 치료제들이 개발되고 있다. HIV에 한번 감염되면 완치되지 않고 평생 약을 복용해야한다. 이렇듯 HIV가 완전히 제거되지 않는 상황에서 지속적으로 약물에 접한 바이러스와 이를 회피하기 위한 내성 돌연변이가 축적되어 더 이상 그 약물로는 제압되지 않는 새로운 바이러스로 재탄생하게 된다. 내성 획득력이 뛰어난 HIV에 대항하기 위해 인류는 뉴클레오시드계열 역전사효소 저해제 이후 다양한 치료타겟을 개발해 그를 차단할 수 있는 약물개발에 힘을 쏟고 있다. 1990년대 중반에는 바이러스의 완숙을 억제하는 단백분해효소 저해제 Saquinavir 등이 개발되었고, 뉴클레오시드 계열의 역전사효소 저해제의 높은 내성 발생빈도와 교차내성을 극복하기 위한 비뉴클레오시드 역전사효소 Nevirapine 등이 개발되었다. 2가지 이상의 치료타겟이 개발되면서 내성 발생을 최소하기 위해 3가지 이상의 치료타겟 약물을 동시에 처방하는 다중 항레트로바이러스 약물 치료법(Combination Anti-Retroviral Therapy, cART)이 일반적인 HIV/AIDS 치료방법으로 자리 잡게 되었다. 그럼에도 불구하고 바이러스는 완전히 사라지지 않고 지속적으로 약물에 노출되면서 다제내성이 발생하는 등 내성 문제는 계속되고 있다. 2000년대 들어와서는 내성을 극복하기 위해 새로운 치료타겟을 찾기 시작했고, 2003년 바이러스의 침투과정을 타겟으로 하는 Enfuviritide가 개발되었으며, 몇 년 후 2007년에는 CCR5 길항제 Maraviroc이 개발되기도 하였다. 이들 약물 또한 다양한 형태의 내성을 유발시키면서, 더 강력한 HIV 치료제 개발이 필요하게 되었다. 그 중 바이러스의 핵산을 숙주의 염색체 안으로 삽입시키는 통합효소가 새로운 치료타겟으로 각광받게 되었고, 2007년 최초의 통합효소 저해제인 Raltegravir가 개발되었다. 이후 2013년 Dolutegravir, 2014년 Elvitegravir, 그리고 가장 최근인 2018년 복합제제의 원료 약제로 Bictegravir가 개발되었다. HIV와 인류의 싸움은 더욱 치열해지고 있으며, 최근에는 매일 먹는 약에 대한 불편함을 덜기 위해 통합효소 저해제 기반의 장시간 작용제가 개발되고 있다. 또한 2018년 기존의 약물과는 전혀 다른 형태인 인간화 항체 Ibalizumab이 개발 성공하기도 하였다. 항HIV 약물은 계속 개발되고 있지만 HIV를 근본적으로 완치하기 위해선 바이러스가 잠복감염된 세포를 찾아내어 선택적으로 괴사시켜야 한다. 그러나 아직까지 잠복감염 세포의 특이 표지인자 조차 발견되지 않고 있다. 또한 현재 가장 각광받고 있는 통합효소 저해제들은 기존 약물의 화학구조를 기반으로 하여 개발되었기에 조만간 또 다른 형태의 내성이 발생할 것으로 예상된다. 따라서 우리는 미래에 발생할 항-HIV 약물의 내성문제를 미리 예측하고, 새로운 치료타겟을 찾아야 할 것이다. 이와 더불어 숙주세포에 숨어있는 HIV를 완전히 환자 몸으로부터 제거시킬 수 있는 완치기술개발에도 더 많은 열정을 쏟아 부어야 인류와 HIV와의 싸움에서 인류의 승리로 결판날 것이다.


참고문헌

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