이들 질병은 신경 병리학적으로 공포현상(vacuolation)이라는 특징을 지니고 있어 전파성 해면양 뇌병증(transmissible spongiform encephalopathy, TSE)으로 불리어지고 있으며, 다른 감염성 질병과 비교해 몇 가지 특징을 갖고 있다. 첫째, 잠복기는 수개월에서 수년으로 매우 길며 둘째, 병변부위는 뇌와 척수 등 중추신경계에 국한되어 발생하고 이들 부위에 공포가 다발생하여 스펀지 모양을 나타낸다. 셋째, 감염성 질병임에도 불구하고 염증반응 및 질병 특이 면역반응이 일어나지 않으며 넷째, 일단 발병되면 시기는 다르나 100% 모두 사망하는 치명적인 만성 진행성 질병이다[2]. 이처럼 치명적인 감염질환임에도 불구하고 현재까지도 프리온 병원체의 개념은 명확히 밝혀지지 않았을 뿐만 아니라, 병원체에 대한 특이면역반응이 일어나지 않기 때문에 백신 및 치료법 연구는 매우 어려운 현실이다. 광우병이 스크래피에 감염된 양의 부산물 유래 사료를 섭취함으로써 발생했다는 사실이 밝혀지면서 유럽과 선진국 등을 주축으로 전 세계적으로 동물유래 사료의 사용금지 및 수입을 제한하고 광우병 의심 소를 도살 처분 하는 등 광우병에 대한 집중적인 관리 이후 광우병은 감소하였고 이와 더불어 vCJD 환자의 발생도 감소하는 추세이나 여전히 산발성 및 유전성 CJD 환자의 발생 위험은 존재하고 있다. 국내 인구의 노령화로 인해 이들 질환은 점차 증가할 것으로 예상되고 있어 변형 프리온의 저해 및 치료제 연구 분야는 그 필요성이 증대되고 있다.

  프리온 예방 및 치료는 항체 등을 이용한 면역학적 접근(immunotherapy)과 화합물이나 약제를 이용한 화학요법적인 접근(Chemotherapy)으로 크게 분류 되며, 이밖에도 보조인자(cofactor)와 관련된 연구들이 수행되고 있다.
이 글에서는 프리온 질병의 치료 연구 중 화학요법적 예방 및 치료제 연구에 대한 최신 동향과 질병관리본부 국립보건연구원에서 수행하고 있는 새로운 변형 프리온 저해 화합물 발굴에 대하여 소개하고자 한다.

Ⅱ. 몸 말

  사람의 대표적인 프리온 질환인 CJD의 병태생리학(pathophysiology)적 주요 요인이 변형된 프리온의 뇌 내 축적이라는 것은 분명한 사실이지만, PrPC에서 PrPres로의 구조적 변형이 일어나는 원인 등 메커니즘에 대해서는 아직도 명확하게 밝혀져 있지 않아 효과적인 프리온 치료제 개발의 걸림돌로 작용하고 있다. 따라서 프리온 질병의 치료 전략은 PrPC가 PrPres로 변형되는 것을 저해하거나 억제해서 이미 생성된 PrPres를 제거함으로써 증상을 관리하고 생존을 연장하여 궁극적으로는 신경변성을 억제시키는데 초점을 맞추고 있다(Figure 1)[3].

  CJD의 병태생리학적 주요 요인이 변형 프리온의 뇌 내 축적이라는 것에 주목하기 시작하면서 프리온 질병 연구를 위한 세포 및 동물모델들이 개발되어지고 또 이를 이용하여 정상 프리온 단백질이 비정상적인 구조로 변형되는 것을 저해하는 물질을 찾기 위한 연구가 시작되었다. 2001년 취리히의 Heppner등은 프리온 넉아웃 마우스에 항 프리온 유전자를 도입함으로써 체내에서 변형 프리온에 대한 항체가 생산되어 프리온 질병의 예방이 가능함을 제시하였으나, 이 연구는 마우스가 출생 때부터 항체를 지닌다는 관점에서 진행된 연구이기 때문에 진정한 치료제로서의 활용은 불가능하였다[4]. 그러나 또 다른 연구에서 항 프리온 단클론 항체인 ICSM 18과 ICSM 35를 수동 면역시킨 상태에서 변형 프리온을 감염시키면 그 특성이 약독화 된다는 보고에 따라 백신과 같은 역할을 할 수 있다는 관점에서 면역학적 측면의 연구가 이루어지고 있다[5]. 이러한 면역학적 접근과 더불어 화학요법적 연구는 크게 PrPC와 PrPres에 결합하여 변형을 저해 또는 억제하는 물질이나 PrPC를 제거하는 역할을 하는 물질 등에 초점을 맞추어 연구되고 있다.

  2000년대 초 Doh-Ura와 Korth는 말라리아 치료제로 알려진 퀴나크린(Quinacrine)과 클로로프로마진(chlorpromazine)을 변형 프리온 감염 세포(ScN2a)에 처리하여 프리온 억제 효과를 확인함으로써 치료제 개발 연구의 새로운 방향을 제시하였으나, CJD 환자를 대상으로 한 퀴나크린 임상적용 실험은 질병의 진행을 저해시키는 효과를 얻지 못하였을 뿐만 아니라, 간 기능 장애라는 부작용을 나타내어 간이나 뇌와 같은 조직으로의 투과성이 화합물 치료에 중요한 요인임을 시사하였다[6]. 이후 높은 안정성과 항 프리온 효과로 인정받던 퀴나크린의 효과가 생체 내에서 혈액뇌장벽(blood-brain barrier, BBB)에 존재하는 P-glycoprotein (PgP) 단백으로 인해 약물이 뇌로 잘 전달되지 않는다는 보고에 따라, PgP에 저항성을 가진 퀴나크린 화합물을 만들고자 phenyl 잔기를 치환시키는 등 여러 가지 시도가 진행되었다. 뇌 투과성이 뛰어난 화합물의 발굴을 위해 Doh-ura(2007년)는 chelating 화합물을 스크리닝 한 결과, 11종의 항 프리온 활성을 지니는 화합물을 발굴하였다. 그 중에는 퀴나크린에 비해 5배의 뇌 투과성을 지니고 있어 치료제로서의 가능성이 보이는 화합물도 있었으나[7], 퀴나크린의 임상적 적용 결과는 그다지 좋지 않은 것으로 보고되고 있다.

  다가 음이온(polyanion)에 속하는 pentosan polysulfate (PPS)는 스크래피를 감염시킨 마우스의 뇌 내에 직접적으로 투여 시 잠복기를 연장시키며 질환 발병률을 낮추는 것으로 알려져 있다. 또한 최근에는 CWD를 감염시킨 세포모델에서도 효과가 있음이 보고되어 사람의 적용에도 효과적일 것으로 예상되고 있다[8].

  Congo red, suramin은 sulphonated dye로서 과거부터 PrPres의 축적을 억제하는 물질로 잘 알려져 있으며, 그 효과 또한 좋은 것으로 알려져 있으나 이들은 아밀로이드에 비특이적으로 결합하고, 극히 제한적으로 BBB를 통과하며, 장내 효소에 의해 파괴될 가능성이 있는 단점들을 갖고 있다. 이런 단점들을 보완한 curcumin 등의 유사체들이 개발되었다. in vivo 실험으로 고농도의 curcumin에서는 생존기간의 효과가 없었으나, 낮은 농도로 접종 시에는 감염 100일 이후부터 생존기간이 연장되는 효과를 나타내었다[9].

  사이클릭 테트라피롤(cyclic tetrapyrroles)에 속하는 화합물들은 전이금속이온(transition metal ion)을 결합하여 음이온이나 양이온과 접할 수 있는 평면방향족 링 시스템을 지니고 있으며, 프리온 질병 초기에 처리 시 PrPres의 축적을 저해하거나 생존기간이 연장되는 효과가 나타났을 뿐만 아니라 PPS와 동시에 사용할 경우에는 그 효과가 증대된다는 연구 결과에 따라[8] 약물의 병용 요법에 대한 가능성도 대두 되었다.

  PrPC는 주로 sphingolipid와 콜레스테롤이 풍부한 세포막 주변에 위치하고 있어서 동일한 막에 존재하는 PrPres와의 상호작용에 의해 PrPC에서 PrPres로의 변환(conversion)이 일어난다. 그러므로 세포막의 콜레스테롤 수치의 변화는 PrPC의 분포에 변화를 가져오며, 궁극적으로는 PrPres의 형성에 영향을 미칠 수 있다는 가설에 근거해서 콜레스테롤 수치에 영향을 주어 고콜레스테롤 혈증 등의 치료제로 이용되고 있는 로바스타틴(Lovastatin, 혹은 메비놀린(Mevinolin))등의 약물들이 적용되기도 하였다. 이들 약물은 in vitro에서는 효과를 나타내었지만, 동물실험에서 스크래피의 잠복기간의 단축에는 영향을 미치지 않았다. 반면에 simvastatin은 BBB를 통과할 수 있고, 뇌 내 접종 100일 이후 고농도 투여 시 마우스의 생존기간이 증가되었다. 흥미로운 점은 이때의 PrPres 수준은 차이가 없었고, 콜레스테롤 수치는 간에서만 감소되었을 뿐 뇌에서는 변화가 없었다. 이러한 효과는 콜레스테롤 저하와는 관련이 없는 것으로 보이며, 메커니즘에 관계없이 simvastatin은 퀴나크린과의 병용 요법에서 시너지 효과를 나타낼 수 있을 것으로 예상된다[8].

  폴리엔 매크로라이드계 항생물질 중의 하나인 암포테리신 B(Amphotericin B)는 스크래피를 감염시킨 햄스터 동물모델에서 잠복기를 지연시키는 효과를 나타내 세포와 동물모델에서 여러 가지 시도가 이루어졌고 성공하였으나[3] CJD 환자에서는 실패함에 따라 더 이상 임상적으로는 효과가 없는 것으로 보고되었다[1]

  다가 양이온(Polycations)인 DOSPA는 세포에서 PrPres를 제거하며, de novo 형성을 차단하는 것으로 알려져 있으며 이밖에도 DMSO, 구리, 항바이러스 제제들에 대한 평가가 이루어지고 있으나, in vivo 또는 환자를 대상으로 한 시험에서 주목할 만한 효과는 나타나지 않고 있다.

  2000년대 이후 컴퓨터 시뮬레이션 기술이 발달되면서 하나의 신약개발 도구로 in silico 시스템을 활용하여 대규모의 화합물 library로부터 보다 신속하고 최적화된 화합물의 발굴이 이루어지고 있다. 프리온 저해제의 발굴 또한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 프리온과 화합물간의 상호 반응성을 예측하고 분석함으로써 좀 더 효율적인 치료제를 개발하고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있는 추세이다.

  질병관리본부 국립보건연구원도 이러한 국제적인 추세에 맞추어 2010년부터 2012년에 걸쳐 ‘변성 프리온 저해제 탐색을 위한 in silico 시스템 구축’ 학술연구용역을 수행하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 PrPC monomer 및 PrPC dimer가 지니는 구조적인 특징 분석으로 hot spot binding site에 대한 가상 탐색을 실시하였다. 결합모드 중에서 중요한 아미노산으로 알려진 Asn 159, Glu 160, Lys 194, Lys 196 과의 상호작용을 이루는 부위를 기준으로 파마코포어(pharmacophore)를 생성하고 이들을 이용하여 상용 화합물 데이터베이스에 대해서 가상 탐색, 스코어링, 클러스터링을 실시하여 Focused library를 구축하고 다수의 Hit set을 도출하였다(Figure 2)[10]. 이와 같은 과정을 통해 3,910,916 종의 화합물 library로부터 300종의 focused library를 구축하였으며, 최종적으로 37종의 화합물을 도출하였다. 현재 이들 37종의 화합물에 대하여 cell-free / cell-based in vitro assay를 통한 효능 분석을 수행하고 있으며, 효과가 나타나는 화합물에 대해서는 그들의 유사체들(analogues)과 저해 결과를 반영하여 재구성한 focused library의 화합물들을 다시 확보하여 보다 더 저해 효과가 뛰어나면서 생체 내 안전 및 안정성을 높이는 화합물을 발굴하는 것을 목표로 연구를 수행 중에 있다.


Ⅲ. 맺는 말

  현재까지 연구되고 있는 화합물의 대부분은 실험적으로 감염 전후에 약물을 지속적으로 투여하였을 경우에는 효과를 나타내었으나, 일단 임상증상이 발현된 이후에는 아무런 치료 효과를 가지지 못하고 있어 치료제보다는 예방약물로서의 의미가 더 크다. 이러한 이유로 유전성 프리온 질병의 측면에서는 유용할 것이나, 치료제라고는 아직 할 수 없어 이러한 문제점 극복을 위한 효과적인 치료법에 대한 중점적인 연구가 요구되고 있다. 최근의 신약개발은 맞춤형 의약품 개발 및 분자분석으로 패러다임이 전환되어가고 있으며 in vitro 시뮬레이션 및 구조적으로 정확한 예측이 가능한 in silico 기술은 신약개발 분야의 핵심이라 할 수 있다. 장기적인 잠복기를 나타내는 프리온 질병의 특성 상 예방 및 치료제 개발에 이러한 기술적용은 대용량의 화합물 라이브러리로부터 최적 화합물의 스크리닝을 가능하게 함으로써 개발에 필요한 시간 및 프로세스를 획기적으로 단축시킬 수 있을 것으로 예상된다. 질병관리본부 국립보건연구원에서 수행하고 있는 프리온 저해제 연구는 in silico 기술을 적용하여 프리온의 구조적 분석을 통해 다양한 화합물과 그들의 아날로그들을 도출하였으며, 향후 cell based assay와 동물모델을 이용한 연구 등을 통하여 발굴한 화합물에 대한 효능의 검증을 수행할 예정이다.

  노령인구의 증가와 더불어 퇴행성 및 프리온 질환의 치료제에 대한 요구의 증가에 대비하여 국가적으로 원천 기반기술 확보 및 다양한 시도를 통한 치료제 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다. 특히, 치료제 발굴의 문제점인 BBB를 효율적으로 통과하면서 부작용도 나타나지 않는 효과적인 약물을 개발하기까지는 긴 시간이 필요하겠지만, 이러한 시도를 통하여 프리온 치료를 위한 연구에 한걸음 더 다가갈 수 있는 계기를 마련했다고 할 수 있을 것이다.

  1) PrPres: A form of PrP that is highly resistant to digestion by proteinase K. PrPres is commonly used to denote PrP molecules that have acquired protease resistance by in vitro manipulations. This term has been used as an alternative name for PrPSc and a synonym for PrP27-30.


IV. 참고문헌

1. Macleod MA. Potential treatments and treatment strategies in Creutzfeldt-Jakob disease. IDrugs 2003;6(4):345-50.
2. Yong Sun Kim. Prion Diseases. 대한신경과학회지 2001;19(1):1-9.
3. Panegyres PK, Armari E. Therapies for human prion diseases. Am J Neurodegener Dis 2013;2(3):176-86.
4. Heppner FL, Musahl C, Arrighi I, Klein MA, Rűlicke T, Oesch B, Zinkernagel RM, Kalinke U, Aguzzi A. Prevention of scrapie pathogenesis by transgenic expression of anti-prion protein antibodies. Science 2001;294:178-82.
5. White AR, Hawke SH. Immunotherapy as a therapeutic treatment for neurodegenerative disorders. J Neurochem 2003;87:801-8.
6. Nakajima M, Yamada T, Kusuhara T, Furukawa H, Takashi M, Yamauchi A, Kataoka Y. Results of quinacrine administration to patients with Creutzfeldt-Jakob disease. Dement Geriatr Cogn Disord 2004;17(3):158-63.
7. Doh-ura K, Tamura K, Karube, Naito M, Tsuruo T, Kataoka Y. Chelating compound, chrysoidine, is more effective in both antiprion activity and brain endothelial permeability than quinacrine. Cellular and Molecular Neurobiology 2007;27(3):303-16.
8. Sim VL, Caughey B. Recent advances in prion chemotherapeutics. Infect Disord Drug Targets 2009;9(1):81-91.
9. Rigter A, Langeveld JPM, van Zijderveld FG, Bossers A. Prion protein self-interactions: A gateway to novel therapeutic strategies? Vaccine 2010;28:7810-23.
10. (사)분자설계연구소. 변성프리온 저해제 탐색을 위한 in silico 시스템 구축. 질병관리본부 학술연구용역사업 최종결과보고서. 2011.