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삼중음성 유방암에 메트포르민과 2-디옥시-D-글루코스, 디클로페낙
그림: 세포는 세포질(해당과정
①)과 미토콘드리아(산화적 인산화
②)에서 ATP를 생성한다. 메트포르민(metformin)은 전자전달계의 호흡효소를 억제하여, ATP 생성을 억제하고
③), AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)를 활성화한다
(④). 활성화된 AMPK는 포유류 라파마이신 표적 단백질 복합체-1(mTORC1)를 억제하여 세포증식을 억제한다
(⑤). 2-디옥시-D-글루코스(2-DG)는 헥소키나아제를 억제하고 포도당의 해당과정에서 대사를 억제한다
(⑥). 탄수화물 제한이나 케톤식이요법(MCT Ketogenic Diet)은, 암세포에서 포도당 이용을 감소시켜
(⑦) 2-DG의 세포내 섭취를 높인다
(⑧). 디클로페낙(diclofenac)은 젖산 탈수소효소 A(LDH-A) 활성을 억제하여 해당과정을 억제한다
(⑨). 케톤식이요법과 2-DG, 메트포르민과 디클로페낙의 조합은 암세포의 에너지 생성을 억제하고, 증식을 상승적으로 억제한다.
561) 삼중음성 유방암에 메트포르민과 2-디옥시-D-글루코스, 디클로페낙
【삼중음성 유방암은 메트포르민이 잘 듣는 생물학적 특징을 가지고 있다】
트리플 네거티브(Triple Negative) 유방암이라는 것은, 호르몬 수용체(에스트로겐 수용체와 프로게스테론 수용체) 및 HER2(인간 상피 성장인자 수용체 2) 단백질을 발현하지 않는 유방암입니다. 세포증식 능력이 높고, 원격 장기로의 전이를 일으키기 쉽고, 조기에 재발하기 쉬운 생물학적 특징을 가지고 있습니다.
원발성 유방암의 약 15%를 차지하고, 유방암 중에서도 생물학적 악성도가 높은 서브 타입입니다. 삼중음성 유방암 보완 대체 요법에 대해서는 555화에서 정리하였습니다. 여기에서는 당뇨병 치료제인 메트포르민과 2-디옥시-D-글루코스의 병용 효과를 중심으로 설명합니다. 메트포르민이 삼중음성 유방암에 효과가 있다는 보고가 있습니다. 다음과 같은 논문이 있습니다.
Metformin induces unique biological and molecular responses in triple negative breast cancer cells(메트포르민은 삼중음성 유방암세포에서 특징적인 분자 생물학적 반응을 일으킨다) Cell Cycle 2009 Jul 1; 8(13): 2031-40.
【요지】
삼중음성 유방암은 비만 또는 제 2형 당뇨병을 가진 여성이나 젊은 유색 인종의 여성에서 더 많은 빈도로 볼 수 있다. 삼중음성 유방암은 에스트로겐과 프로게스테론과 II형 수용체 티로신 키나아제의 Her-2에 대한 수용체를 발현하지 않지만, 시토케라틴과 상피 성장인자 수용체(EGFR)의 발현이 항진하고 있다.
이러한 성질은 포도당과 지방산대사 이상, EGFR 및 유전인자를 통한 신호전달이 삼중음성 유방암 발병을 촉진할 가능성을 시사하고 있다. 제 2형 당뇨병 치료제 메트포르민은 유방암 발생률을 감소시키는 것으로 알려져 있지만, 메트포르민에 의해 발병이 억제되는 유방암의 특정 아형(subtype)은 보고되어 있지 않다.
우리의 데이터는 메트포르민이 배양세포(in vitro) 및 동물실험(in vivo)의 두 실험시스템에서, 삼중음성 유방암에 대한 독특한 항종양 효과가 있는 것을 보여주고 있다. 메트포르민은 삼중음성 유방암세포에 특징적인 내재성 및 외인성 신호 전달 경로의 활성화를 통해, 세포증식(부분적인 S기 정지를 수반)과 콜로니 형성을 억제하고, 아포토시스를 유도한다.
분자 수준에서, 메트포르민은 용량 및 시간 의존적으로, 인산화된 AMP 의존성 단백질 키나아제(P-AMPK)를 증가시키고, 인산화된 상피 성장인자 수용체(P-EGFR), 인산화된 상피 성장인자 수용체(EGFR), 인산화된 MAP 키나아제(P-MAPK), 인산화 된 Src(P-Src), 사이클린 D1 및 사이클린 E를 감소시켜(사이클린 A 또는 B, p27 또는 p21가 아님), PARP 절단을 유도한다. 이러한 데이터는, 루미날 A와 B, Her-2 양성 유방암세포에 대해 알려진 메트포르민의 생물학적 및 분자적 효과는 분명히 대조적이다.
삼중음성 유방암세포(MDA-MB-231)를 누드 마우스에 이식한 실험시스템에서 메트포르민 투여는 통제그룹(메트포르민 비투여 그룹)과 비교하여 종양 증식(p = 0.0066) 및 세포증식(p = 0.0021)에서 유의한 감소를 나타낸다. MDA-MB-231 세포를 누드 마우스에 이식하기 전에 메트포르민을 투여하면 종양 증식과 발생 수의 유의한 감소를 초래한다.
메트포르민은 배양세포 및 동물실험에서 삼중음성 유방암세포에 대해서 특징적인 항종양 활성을 나타내므로, 삼중음성 유방암 치료법으로 메트포르민(metformin)은 고려되어야 한다.
“P-AMPK를 증가시켜, P-EGFR과 EGFR, P-MAPK와 P-Src, 사이클린 D1과 사이클린 E를 감소시키고, PARP 절단을 유도한다”는 효과는 암세포증식을 억제하고 아포토시스(세포사멸)를 유도합니다. 이 논문에서는 메트포르민은 삼중음성 유방암 치료에 유용하다는 견해입니다.
【메트포르민은 미토콘드리아 호흡효소 복합체 I을 억제한다】
메트포르민(metformin)는 전세계 1 억 명 이상의 제 2형 당뇨병 환자에 사용되는 비구아나이드계 경구 혈당 강하제입니다. 비구아나이드제는 중동 원산의 콩과 갈레가(Galega officinalis)에서 1920년대에 발견된 구아니딘 유도체로 개발된 약이다. 갈레가는 오래 전부터 당뇨병이라고 보인 병(口渴이나 多尿) 치료에 경험적으로 사용되고 유효성이 인정되었으며, 그 관계에서 이 갈레가에서 혈당 강하 작용이 있는 비구아나이드가 발견되었습니다.
메트포르민은 미토콘드리아 호흡 사슬의 첫 단계인 호흡효소 복합체 I을 억제하는 것으로 밝혀졌습니다. 그 결과 미토콘드리아에서 ATP 생성이 감소하고, AMP:ATP 비율이 상승하고, AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)가 활성화됩니다. 활성화된 AMPK는 간에서 당신생을 억제하고, 해당작용이 항진하여 골격근에서의 포도당 이용을 촉진하여 혈당을 저하시킵니다.
즉, 메트포르민의 혈당강하 작용은 미토콘드리아에서 ATP 생성 억제에 의해 체내 ATP 양이 감소하기 때문입니다. 몸은 ATP를 늘리기 위해, 포도당 분해(이화)를 촉진하고, 당신생(동화)를 억제하기 때문에 혈당이 저하됩니다. 최근의 연구에서는 메트포르민은 미토콘드리아의 글리세롤 인산 탈수소효소(mitochondrial glycerol-phosphate dehydrogenase: mGDP)을 억제하는 것도 보고되었습니다. (아래 그림)
그림: 메트포르민은 유기 양이온 수송체 1(organic cation transporter 1: OCT1)에 의해 세포 내에 들어가 미토콘드리아에 집적한다. 미토콘드리아에서는 호흡효소 복합체 I 및 mGDP(미토콘드리아 글리세롤 인산 탈수소효소)를 억제하여, NADH 산화를 억제하고, 미토콘드리아에서 ATP 생성이 저하된다. 그 결과, AMP 활성화 단백질 키나아제(AMP) 신호 전달 체계가 항진하고, cAMP/PKA 신호 전달 체계를 억제하여 당신생을 억제하고, 해당작용이 항진한다. (참고: BMC Biol. 2014; 12: 82.)
【AMPK는 세포 내 에너지 센서】
메트포르민의 약효 메커니즘은 다양하지만, 가장 중요한 메커니즘은 AMP 활성화 단백질 키나아제(AMP-activated protein kinase: AMPK)의 활성화입니다. AMPK는 사람에서 효모까지 진핵 세포에 고도로 보존되어 있는 세린/트레오닌 키나아제(세린/트레오닌 인산화 효소)의 일종입니다. AMPK는 세포 내 에너지 센서로서 중요한 역할을 담당하고 있습니다. AMPK는 저포도당과 저산소, 허혈 등 세포의 ATP 공급이 고갈될 상황에 응답하여 활성화됩니다. 활성화의 메커니즘은 아래와 같습니다.
그림: AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)은 저포도당과 저산소, 허혈 등 세포의 ATP 공급이 고갈시키는 스트레스에 응답하여 활성화된다(①). AMPK는 촉매 작용을 가진 α subunit과 조절 작용을 가지는 β subunit과 γ subunit으로 구성된 이종 삼합체로서 존재한다(②). γ subunit에는 ATP가 결합하고 있지만, ATP가 고갈하여 AMP/ATP 비율이 상승하면 γ subunit에 결합하고 있던 ATP가 AMP로 치환된다(③). 그 결과 알로스테릭효과(allosteric effect: 효소의 입체 구조가 변화하는 것)에 의해, 이 복합체는 중등도(2 ~ 10 배 정도)에 활성화되어, 상류에 위치한 주요한 AMPK 키나아제인 LKB1에 대해 친 화성이 높아지고, LKB1에 의해 α subunit 트레오닌-172(Thr-172)가 인산화되면 효소 활성은 최대로 활성화된다(④). mTORC1(포유류 라파마이신 표적 단백질 복합체 1)은 세포 분열과 생존을 촉진한다(⑤). 활성화된 AMPK는 mTORC1 활성을 억제한다(⑥). 메트포르민은 미토콘드리아 호흡효소 복합체 I을 억제하여 ATP 생성을 저하시켜, AMP/ATP 비율을 높이는 작용과 LKB1을 활성화하는 작용에 의해 AMPK를 활성화하여 항암 작용을 발휘한다(⑦).
세포 내 ATP의 감소를 감지하여 활성화된 AMPK는, 이화(異化)의 항진(ATP 생성 촉진)과 동화(同化)의 억제(ATP 소비 억제)을 유도하고, ATP 수준을 회복시키는 작용이 있습니다. 즉, AMPK가 활성화되면 당과 지방, 단백질의 합성이 억제되는 반면, 당과 지방, 단백질의 분해(異化)가 항진하고 ATP가 생성됩니다(그림 참조). 물질 합성이 억제되는 것은 세포증식이 억제되는 것입니다.
그림: AMPK는 ATP의 감소를 감지하여 활성화되어, 물질 합성(동화)과 ATP 소비를 억제하고, ATP 생성을 항진시켜 세포 내 ATP 량을 늘리는 작용이 있다. 물질 합성이 억제되기 때문에 암세포 증식도 억제된다.
【메트포르민은 유방암세포의 증식 활성을 저하시킨다】
메트포르민은 단독으로 유방암에 대한 항암 작용을 나타냅니다. 다음과 같은 보고가 있습니다.
Metformin in early breast cancer: a prospective window of opportunity neoadjuvant study(조기 유방암에서 메트포르민: 수술 전 보조요법의 전향적 시험) Breast Cancer Res Treat 135(3): 821-30. 2012
【요지 발췌】
메트포르민은 인슐린 매개성의 직접 작용 또는 인슐린과는 관련 없는 간접 작용에 의해 항암 작용을 나타낸다. 우리는 수술 가능한 유방암 환자를 대상으로 수술 전 한정된 기간에 메트포르민을 투여하는 수술 전 화학요법의 효과에 대해 검토했다.
새롭게 진단된 치료를 아직 받지 않은, 당뇨병이 없는 유방암 환자에, 확정 진단을 위한 바늘 생검 후에서 수술 직전까지 메트포르민을 1일 1500mg(500mg x 3 회/일) 투여했다. 39명의 유방암 환자가 이 연구에 참가했다. 평균 연령은 51세로, 메트포르민을 복용한 기간은 13일 ~ 40일로, 중앙값은 18일이었다.
수술 전날 밤까지 복용했다. 중등도의 자제할 수 있는 오심(50%), 설사(50%), 식욕 부진(41%), 복부 팽만(32%)의 부작용을 각각 괄호 안의 비율로 발생했지만, 삶의 질(QOL)을 평가하는 EORTC30-QLQ function scales에서는 유의한 저하는 인정되지 않았다.
암 조직에서 Ki67 염색 점수(세포증식의 비율)는 36.5에서 33.5%(p = 0.016)으로 유의하게 감소하고, TUNEL 염색(아포토시스를 일으키는 세포)은 0.56에서 1.05(p = 0.004)로 유의하게 증가했다. 수술 전 단기간의 메트포르민 투여는 내약성(tolerability)이 높고, 항암 작용과 일치하는 임상 소견과 암 조직의 변화를 보여 주었다.
생존 기간과 같은 임상적 엔드포인트를 사용하여 적절한 임상시험을 실시하여, 메트포르민의 항암 작용에 관한 임상적 타당성의 평가가 필요하다.
이 논문에서는 유방암 진단이 확정되고 나서, 실제로 수술 할 때까지의 제한된 기회를 이용하여, 메트포르민의 수술 전 화학요법에서 효과를 평가하는 전향적 시험을 행하고 있습니다.
메트포르민을 1일 1500mg(1회 500mg을 3회) 투여하고 있습니다. 투여 기간은 중앙값이 18일(13 ~ 40일)로 비교적 단기간 투여였지만 임상 증상과 혈액 검사에서 항암 작용을 시사하는 결과를 얻을 수 있었습니다. 메트포르민은 제 2형 당뇨병 치료제이지만, 인슐린의 분비를 촉진하는 것이 아니라, 세포의 인슐린 감수성을 높이는(인슐린 저항성을 개선하는) 작용이므로, 당뇨병이 아니더라도 혈당을 지나치게 낮추는 것은 없으므로, 당뇨병이 없는 사람에 대해 1일 1500mg 투여로도 문제가 없는 것 같습니다.
【메트포르민은 암 줄기세포를 타깃으로 한다】
메트포르민은 항암제 치료의 효능을 높이는 것이 여러 연구에서 나타나고 있습니다. 특히 암 줄기세포의 항암제 감수성을 높이는 것으로 보고되었습니다. 다음과 같은 보고가 있습니다.
Metformin selectively targets cancer stem cells, and acts together with chemotherapy to block tumor growth and prolong remission(메트포르민은 암 줄기세포를 선택적으로 타깃으로 하여, 항암제 치료와 병용하는 것에 의해 종양 증식을 억제하고, 관해 기간을 연장한다) Cancer Res. 2009 Oct 1; 69(19): 7507-7511.
【요지】
종양 조직 중에 대부분의 암세포와 달리 암 줄기세포는 항암제 치료에 저항성을 보여 재발의 원인이 되고 있다. 따라서 암 줄기세포를 선택적으로 사멸시키는 치료법은 특히 항암제 치료와의 병용에 있어서 유효한 수단이 된다. 이 연구 보고서에서 우리는 당뇨병 치료제 메트포르민의 저용량 투여가, 암 줄기세포를 선택적으로 사멸시키는 것을, 4종류의 다른 유방암 세포주에서 밝혔다.
배양세포를 사용한 실험에서, 메트포르민과 항암제 독소루비신의 병용은, 암 줄기세포와 정상 암세포(비 줄기세포) 모두가 사멸했다. 또한 마우스에 유방암세포를 이식하는 실험 모델에서, 각각을 단독으로 투여한 경우에 비해, 이 병용 요법은 종양의 증식과 재발을 현저하게 억제하였다.
메트포르민과 독소루비신의 투여를 중단 한 후, 2개월 이상 동안, 종양의 재발을 인정하지 않았다. 이러한 실험 결과는 항암제 치료와 메트포르민의 병용 요법이 유방암(그리고 어쩌면 다른 암) 환자의 치료 효과를 높이는 효과를 시사하고 있다.
암 줄기세포는 종양 개시 세포(tumor-initiating cells)이라고도 하며, 암세포를 만들어내는 근원이 되는 세포이며, 암 조직에서 소수(수% 정도) 존재하고 있습니다. 그리고 암 줄기세포는 정상적인 조직 줄기세포와 마찬가지로 특별한 미세환경(niche)에 존재하고 niche에서 분비되는 체액성 인자 등에 의해 분화능력 유지와 분열 증식을 제어하고 있다고 생각됩니다.
일반 항암제 치료나 방사선 치료에 대해 성숙한 암세포는 사멸하기 쉽지만, 암 줄기세포는 다양한 메커니즘으로 저항성을 나타냅니다. 그 결과, 재발과 재연을 일으킵니다. 한편, 항암제나 방사선 치료에 메트포르민을 병용하면, 암 줄기세포가 사멸하기 쉬워지므로 암이 소멸 할 가능성이 높아집니다. (아래 그림)
암 줄기세포의 항암제 감수성을 높이는 방법으로 메트포르민 외에 알코올 중독 치료제 디설피람(disulfiram)이 유효합니다. 디설피람은 암 줄기세포에 과잉으로 발현하는 알데히드 탈수소효소를 억제하여 항암제 감수성을 높입니다(543화 참조)
그림: 암 조직에는 암 줄기세포가 존재하고, 성숙 암세포를 공급하면서 암 조직을 구성하고 있다. 암 줄기세포는 자기 복제를 행하는 한편, 불균등 분열에 의해 일부가 자기 복제주기에서 벗어나 분화하여 통상의 암세포가 된다. 성숙 암세포는 항암제나 방사선으로 사멸하기 쉽지만, 암 줄기세포는 사멸하기 어렵기 때문에 항암제 치료나 방사선 치료에서 살아 남는다. 살아남은 암 줄기세포가 증식하여 재발과 재연이 일어난다. 메트포르민과 디설피람은 암 줄기세포가 아포토시스 저항성으로 되어 있는 메커니즘을 억제하여, 항암제나 방사선 치료의 효과를 높일 수 있다.
【메트포르민은 지방산 합성을 억제한다】
암세포에서는 신규(de novo) 지방산 합성이 항진하고 있습니다. 지방산에는 2개의 큰 역할이 있습니다. 세포 주위나 내부를 구성하는 막의 주성분으로 되어있는 인지질을 만드는 것과 에너지를 압축하여 저장하는 것입니다. 지방산은 음식으로도 섭취되지만, 세포 내에서 새로 합성되고 있습니다. 정상세포는 식사에서 섭취한 지방산을 잘 사용하지만, 암세포는 스스로 새로운 지방산을 합성하는 대사가 항진하고 있습니다.
암세포는 미토콘드리아의 활성을 억제하고 있기 때문에 지방산을 분해하는(β산화로 ATP를 생성하는) 활성은 감소하고 있지만, 스스로 새로운 지방산을 만드는 대사는 항진하고 있습니다. AMPK의 활성화는 지질 합성에 관여하는 아세틸-CoA 카복실화 효소(ACC)와 지방산 합성 효소(FAS)의 활성을 억제합니다.
따라서 AMPK를 활성화하는 메트포르민은 지방 합성을 억제할 수 있습니다. 아세틸-CoA 카복실화 효소(Acetyl-CoA carboxylase)는 아세틸-CoA와 이산화탄소의 축합 반응에 의해 말로닐-CoA를 생성하는 효소로, 지방산 합성의 율속 효소(rate-limiting enzyme)입니다. 아세틸-CoA 카복실화 효소의 활성 억제에 의해 유방암 세포나 전립선암 세포의 사멸이 유도되는 것으로 보고되었습니다.
지방산 합성 효소(fatty acid synthase)은 아세틸-CoA, 말로닐-CoA, 해당과정의 축합 반응에 의해 탄소수 16개의 포화 지방산인 팔미트산(palmitic acid)을 합성하는 효소입니다. 정상세포는 간, 지방 조직, 분비 유선에서 높은 발현을 볼 수 있지만, 그 이외의 조직에서는 거의 발현하지 않습니다.
간과 지방 조직에서는 남은 에너지를 지방으로 저장하는 역할이 있고, 분비 유선은 유즙의 지방을 만들기 위해 발현하고 있습니다. 정상세포에서는 발현이 낮지만 많은 종류의 암세포에서 지방산 합성 효소의 발현이 항진하고 있습니다. 유방암과 전립선암은 암화의 초기 단계에서 과잉 발현이 보이며, 암 유전자로 기능하고 있습니다.
이상과 같은 신규(de novo) 지방산 합성에 관여하는 효소 활성을 저해하거나 억제하면 암세포 증식을 억제하거나 사멸시킬 수 있습니다. 메트포르민은 AMPK를 활성화하는 메커니즘으로 지방산 합성을 억제하고 암세포 증식을 감소시킵니다.
메트포르민에 의한 지방산 합성 효소의 억제로 마이크로 RNA의 miRNA-193b가 관여한다는 보고도 있습니다.Metformin-Induced Killing of Triple Negative Breast Cancer Cells is Mediated by Reduction in Fatty Acid Synthase via miRNA-193b(삼중음성 유방암 세포에서 메트포르민 유도성 세포사멸은 miRNA-193b를 통한 지방산 합성 효소의 발현 저하에 의해 일어난다) Horm Cancer 2014 Dec; 5(6): 374-389.
【요지】
당뇨병 치료제 메트포르민은 몇 종류의 암 발생률과 사망률을 감소시킨다. 메트포르민은 암 줄기세포를 선택적으로 사멸시키고, 삼중음성 유방암 세포주는 메트포르민의 항암 활성에 감수성이 높은 것으로 밝혀졌다. 그러나, 메트포르민에 대한 삼중음성 유방암 세포의 감수성 항진 메커니즘에 대해서는 밝혀지지 않았다.
메트포르민을 투여 받은 삼중음성 유방암세포의 유전자 발현 패턴의 분석에서, 메트포르민 투여 24시간 후에 가장 발현이 감소하는 유전자 중 하나에 지방산 합성 효소가 동정되었다. 지방산 합성 효소는 신규 지방산 합성에 중요한 역할을 담당하고 있고, 삼중음성 유방암 세포의 생존에도 중요하기 때문에, 우리는 지방산 합성 효소의 발현 억제가 메트포르민 유도성 아포토시스를 촉진하고 있다고 추측했다.
메트포르민 유도성 마이크로 RNA의 miR-193 패밀리 멤버 증가와 miR-193b가 지방산 합성 효소 유전자(FASN)의 3’비번역 영역에 결합하는 것이 밝혀졌다. 삼중음성 유방암 세포에 miR-193b를 외래성으로 첨가하면 지방산 합성 효소의 발현이 감소하고 아포토시스가 항진했다.
그러나 비종양 세포는 영향을 받지 않았다. 한편, miR-193의 활성을 억제하면, 메트포르민은 지방산 합성 효소의 발현을 감소시키는 것과 아포토시스를 유도하는 것은 불가능했다. 또한 메트포르민에 의한 miR-193의 증량은, 삼중음성 유방암 세포주의 종양괴 형성을 감소시켰다. 이러한 실험 결과는 메트포르민에 의한 삼중음성 유방암 세포의 세포사멸 유도 메커니즘의 해명에 도움이 된다.
마이크로 RNAs(miRNAs)는 게놈 상에 코딩된 약 22염기의 매우 작은 비암호화 RNA(noncoding RNA)로, mRNA의 번역(단백질 합성)을 전사 후 수준에서 억제하여 mRNA의 전사 후 번역 수준에서 유전자 발현 제어를 담당하고 있습니다. 이 논문에서는 miR-193b가 지방산 합성 효소 유전자(FASN)의 3’비번역 영역에 결합되어 지방산 합성 효소의 발현을 억제하는 것을 보고하고 있습니다.
그리고 miR-193b의 활성을 억제하면, 메트포르민은 지방산 합성 효소의 발현을 감소시키는 것과 아포토시스를 유도하는 것도 할 수 없는 것에서 메트포르민은 miR-193b의 발현량을 늘리는 것에 의해 지방산 합성 효소의 발현을 억제한다는 결론입니다.
암세포는 신규 지방산 합성이 억제되면 세포를 늘릴 수 없습니다. 지방산 합성 효소의 억제제는 암 치료의 타깃으로 주목 받고 있습니다. 메트포르민의 항암 작용 메커니즘으로 지방산 합성을 억제하는 작용이 중요한 것 같습니다. 메트포르민은 암 줄기세포에 유효하고, 삼중음성 유방암 세포는 암 줄기세포의 성질을 가진 암세포가 많다고 알려져 있습니다. 따라서 삼중음성 유방암에 메트포르민을 이용할 가치가 있다고 생각합니다.
【메트포르민의 항암 활성은 포도당 섭취를 줄이면 강화할 수 있다】
메트포르민의 항종양 작용의 가장 중요한 메커니즘은 미토콘드리아의 산소 호흡을 억제하여 ATP 생성을 저하시키는 것입니다. 그러나 미토콘드리아에서 ATP 생성을 억제해도 포도당의 섭취가 충분하다면 암세포는 해당과정만으로 ATP를 조달할 수 있습니다. 암세포는 해당과정에서 세포가 필요로 하는 ATP를 생성할 수 있습니다.
그림: 암세포에서는 포도당 섭취와 해당과정이 항진하고, 미토콘드리아에서 산소 호흡(산화적 인산화)은 억제되어 있다. 그 수준은 암세포에 따라서 다르지만, 하나의 평균적인 수치로는 정상세포의 포도당 섭취량을 1로 한 상대 값을 기재하고 있다. 정상세포에서는 섭취된 포도당의 80% 정도가 미토콘드리아의 대사에 사용되고 있다(위 그림). 암세포에서도 미토콘드리아의 대사는 같은 정도로 일어나고 있지만, 포도당의 섭취는 10 배 정도로 항진하고, 그 대부분은 해당과정에서 대사되어, 젖산 생성이 현저하게 늘어나고 있다(아래 그림). (참고: Free Radic Biol Med 2015 Feb; 0: 253-263)
즉 암세포에 메트포르민을 투여해도 포도당이 충분히 공급되고 있으면, 항종양 효과는 기대할 수 없습니다. 메트포르민의 항종양 효과는 포도당의 이용을 저지하면 강화하는 것으로 밝혀졌습니다. 다음과 같은 논문이 있습니다.
Mechanisms by which low glucose enhances the cytotoxicity of metformin to cancer cells both in vitro and in vivo(배양세포 및 생체 내에서 암세포에 대한 메트포르민의 세포 독성이 저포도당에 의해 강화되는 메커니즘) PLoS one 2014 Sep 25; 9(9): e108444. doi: 10.1371/journal.pone.0108444. eCollection 2014.
【요지 발췌】
암세포에 대한 메트포르민의 독성은 세포 종류에 따라 감수성가 다르다. 그 하나의 이유는, 세포를 배양할 때 배양액에 고농도 포도당이 첨가되어 있기 때문이고, 포도당 농도가 낮은 조건에서는 대부분의 암세포에 대해 메트포르민의 세포 독성은 강화되는 것이 최근 연구에서 밝혀졌다.
0에서 5mM의 저포도당 농도 조건에서는, 메트포르민은 유방암 세포주 MCF7과 MDAMB231, SKBR3, 난소암세포주 OVCAR3 및 PA-1에 대해서 세포 독성을 나타내었다. 고농도의 포도당을 함유하는 일반 배양액에서의 검토는 MDAMB231과 SKBR3 세포는 메트포르민의 세포 독성에 저항성을 나타낸다.
배양액의 포도당 농도를 10mM 이상하면 모든 배양세포주는 메트포르민의 세포 독성에 대해서 저항성이 되었다. 배양액의 당 농도가 저포도당(2.5mM)의 조건에서는 메트포르민의 첨가에 의해 ATP 생성은 현저하게 감소했다. 그러나 고포도당(25mM)의 배양액에서 ATP 생성의 감소는 인정되지 않았다.
4T1 유방암 세포를 쥐에 이식한 in vivo 동물실험시스템을 사용한 연구에서 저탄수화물의 케톤식을 주고 혈중 포도당 수준을 저하시키면, 메트포르민에 의한 종양증식 억제효과는 강화되었다. 이상의 결과는 포도당의 이용을 억제하는 조건 하에서는 메트포르민의 ATP 생성 억제와 생존 신호 전달 체계의 억제효과가 강화되는 것을 보여주고 있다.
25mM이라는 것은 450mg/dL입니다. 정상 혈당 수준은 4 ~ 6mM(72-108 mg/dL)입니다. 고혈당이라는 조건만으로, 암세포의 증식 경로는 활성화됩니다. 메트포르민으로 미토콘드리아에서 ATP 생성을 억제하면, 암세포의 해당과정이 항진하여 해당과정에서 ATP 생성이 늘려서 보상하려고 합니다.
따라서 포도당의 섭취 및 해당과정을 억제하는 방법을 병용하면 메트포르민의 항종양 활성을 강화할 수 있습니다. 암세포의 포도당 섭취 및 이용을 저지하는 방법으로 케톤식이요법(MCT-Ketogenic Diet)과 2-디옥시-D-글루코스(2-DG)가 유효합니다.
【2-디옥시-D-글루코스와 메트포르민의 시너지 효과】
2-디옥시-D-글루코스(2-Deoxy-D-glucose: 2-DG)은 글루코스(포도당)의 2-히드록시기가 수소 원자로 치환된 물질(포도당 유도체)입니다.
그림: 2-디옥시-D-글루코스(2-DG)는 글루코스 트랜스포터(GLUT1)에 의해 세포 내에 섭취된다. 암세포는 GLUT1의 발현량이 늘어나고, 포도당과 동시에 2-DG도 많이 섭취한다. 2-DG는 헥소키나아제로 2-DG-6-인산(2-DG-6-PO4)으로 변환되는데, 그 이상 대사되지 않는다. 。 암세포는 포스파타아제의 활성이 낮기 때문에, 2-DG-6-인산이 암세포 내에 축적된다. 2-DG-6-인산은 헥소키나아제를 피드백 억제(알로스테릭 억제)하기 때문에, 2-DG-6-인산을 섭취한 암세포는 포도당 해당과정에서 대사가 억제된다. 그 결과, 암세포의 에너지 생성과 물질 합성은 억제되게 된다
2-DG는 글루코스(포도당)와 같은 포도당 수송체(glucose transporter) GLUT1을 이용하여 세포 내에 흡수되어, 해당과정의 최초 단계의 헥소키나아제에 의해 2-DG-6 인산으로 변환됩니다.
인산화된 2-DG-6인산이 되면, GLUT1을 통과할 수 없게 되고, 2-DG-6 인산은 그 다음 해당과정 효소로는 대사될 수 없기 때문에 세포 내에서 점점 축적됩니다. 2-DG-6 인산은 헥소키나아제를 억제하기 때문에, 정상 포도당 대사도 억제됩니다. 2-DG를 섭취하여 에너지 생성이 저하되면, 그 스트레스 응답에 의해 포도당 전송기(GLUT1)의 발현이 더욱 늘어나, 2-DG 섭취를 더욱 늘릴 수 있게 됩니다.
따라서 암세포에는 정상세포에 비해 보다 많은 2-DG가 섭취되어, 에너지 생성과 물질 합성 억제에 의한 영향은 암세포에서 증가합니다. 즉, 탄수화물 제한이나 케톤식이요법을 할 때, 2-DG를 병용하면, 2-DG가 우선적으로 암세포에 흡수되어 “트로이 목마”처럼 암세포 속에 들어가, 해당과정과 오탄당 인산경로를 억제하여 암세포를 내부에서 붕괴시킬 수 있는 것입니다.
2-DG가 암세포 증식을 억제하는 효과가 처음으로 지적된 것은 1950년대입니다. “세포 에너지 원인 포도당 유도체를 섭취시키면, 암세포 증식을 억제할 수 있다”라는 생각은 이미 60년 전에 연구되었으며, 포도당 유도체의 항종양 활성이 검토되고, 2-DG에 강한 항종양 효과가 있는 것이 증명되었습니다. 2-디옥시-D-글루코스는 해당과정을 억제함으로써 ATP 생성을 억제합니다.
경구 당뇨병약인 메트포르민은 미토콘드리아의 호흡효소를 억제하여 ATP 생성을 억제합니다. 암세포의 에너지 생성 경로를 2-디옥시-D-글루코스와 메트포르민으로 이중 억제하면 항종양 효과가 강화되는 것이 마우스를 이용한 이식종양 실험에서 보여주고 있습니다. 다음과 같은 보고가 있습니다.
Dual inhibition of Tumor Energy Pathway by 2-deoxy glucose and metformin Is Effective Against a Broad Spectrum of Preclinical Cancer Models(2-디옥시글루코스와 메트포르민에 의한 종양 세포의 에너지 생성 경로를 2중 억제하는 것은 많은 전임상 동물실험 모델에서 효과가 있다) Mol Cancer Ther 10(12): 2350-2362, 2011
이 논문에서는 다양한 종류의 암세포를 마우스에 이식한 실험 모델을 이용하여, 2-디옥시글루코스(2-DG)와 메트포르민을 동시에 투여하면 항종양 효과가 상승적으로 높아지는 것을 보고하고 있습니다. 2-DG와 메트포르민은 각각 단독으로는 항종양 효과가 강하지 않지만, 병용하면 강한 항종양 효과를 얻을 수 있다는 결과입니다.
배양 암세포를 이용한 실험에서는 2-DG로 해당과정을 억제해도 암세포를 사멸시킬 만한 효과는 없지만, 메트포르민을 동시에 투여하면 암세포는 사멸했습니다. 마우스 이식 종양의 실험시스템에서도 2-DG와 메트포르민을 동시에 투여하면 암 조직이 현저히 감소했습니다.
메트포르민은 미토콘드리아 호흡 사슬(전자전달계)을 억제하여 ATP 생성을 억제하는 작용이 있지만, 또한 AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)를 활성화하여 mTORC1(포유류 라파마이신 표적 단백질 복합체-1)의 활성을 억제함으로써 암세포증식을 억제합니다.
한편, 2-DG는 포도당 해당과정과 오탄당 인산경로의 대사를 억제하여, 에너지 생성과 물질 합성을 억제하고 그 결과 암세포증식을 억제할 수 있습니다.
즉, 2-DG와 메트포르민의 동시 투여는 암세포의 에너지 생성과 물질 합성, 증식 신호를 효율적으로 억제함으로써 암세포의 증식을 억제할 수 있는 것입니다. 최근 다음과 같은 보고가 있습니다.
Co-treatment of breast cancer cells with pharmacologic doses of 2-deoxy-D-glucose and metformin: Starving tumors(약리학적 용량의 2-디옥시-D-글루코스와 메트포르민에 의한 유방암세포의 병용 치료: 암세포의 기아) Oncol Rep. 2017 Apr; 37(4): 2418-2424.
【요지】
암세포의 에너지 생성 특징은 호기성 해당작용이다. 따라서, 해당작용의 억제는 암세포에 선택적인 치료법이 된다. 해당과정을 억제하는 2-디옥시-D-글루코스(2DG)은 많은 암세포에서 아포토시스(세포사)를 유도하는 것을 보여주고 있다. 또한 당뇨병 치료제 메트포르민의 항암 활성이 입증되었다. 이 연구에서는 2DG와 메트포르민의 약리학적 용량의 조합이 항종양 효과를 높이는 여부를 확인하는 것을 목적으로 했다.
삼중음성 유방암(TNBC) 세포 MDA-MB-231 및 HCC1806 세포를 이용하여, 2DG와 메트포르민의 단독 투여와 병용 투여의 경우, 세포 생존율을 측정했다. 아포토시스 유도는 미토콘드리아 막 전위의 저하 및 PARP(폴리 ADP 리보오스 중합효소) 절단의 측정에 의해 정량했다.
2DG 또는 메트포르민에 의한 유방암세포의 치료는 세포 생존율의 유의한 저하 및 아포토시스의 증가를 가져왔다. 2DG와 메트포르민을 동시에 투여하면, 각각 단일 투여한 경우와 비교하여 생존율이 유의하게 감소했다. 이 생존율의 저하는 아포토시스 유도에 의한 것이었다.
또한 아포토시스 유도에 관해서는 단제로 투여한 경우와 비교하여, 병용 투여는 더 강한 유도 효과를 보여 주었다. 인간 유방암세포의 해당과정 항진은 치료의 타깃이 될 수 있다. 해당과정 억제제 2DG 및 당뇨병 치료제 메트포르민의 병용 투여는 부작용이 적고, 유방암에 대한 적절한 치료가 될지도 모른다.
삼중음성 유방암에 메트포르민과 2-디옥시-D-글루코스의 병용이 항종양 효과를 높이는 것은 그 밖에도 다수의 논문이 있고, 최근 증가하고 있습니다. 암세포에서 해당과정이 항진하고 있기 때문에, 메트포르민 만으로는 항종양 효과를 충분히 얻을 수 없는 것을 알았기 때문입니다. 메트포르민을 암 치료에 사용할 때는 암세포의 해당과정을 억제하는 방법을 병용하는 것이 중요하다고 말할 수 있습니다.
【삼중음성 유방암 세포는 해당과정의 항진이 강하다】
삼중음성 유방암 세포에서는 특히 해당과정이 항진하고 있는 것으로 보고되었습니다. 다음과 같은 보고가 있습니다.
Mitochondrial dysfunction in some triple-negative breast cancer cell lines: role of mTOR pathway and therapeutic potential(일부 삼중음성 유방암 세포주에서 미토콘드리아 기능 이상: mTOR 경로의 역할과 치료에 대한 응용) Breast Cancer Res 2014; 16: 434.
【요지】
서론: 삼중음성 유방암은 악성도가 높은 유방암 아형(subtype)으로 예후가 불량하다. 삼중음성 유방암에는 호르몬 요법은 무효이며, 보통 항암제 치료에 저항성을 나타낸다. 따라서 삼중음성 유방암세포의 생물학적 특성을 더 해명하고, 효과적인 치료법을 개발하는 것이 시급한 과제가 되었다.
방법: 먼저 삼중음성 유방암세포의 대사 특징을, 다른 아형의 유방암세포와 비교했다. 대사의 차이를 타깃으로 한 특수한 억제제 및 siRNA(저분자 간섭 RNA)를 사용하여, 다른 아형의 유방암세포보다 삼중음성 유방암세포를 더 사멸할 수 있는 것을 보여 주었다
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결과: 에스트로겐 수용체 양성 세포에 비해, 삼중음성 유방암세포에서는 포도당 섭취와 젖산 생성이 더 항진하고, 미토콘드리아의 산화적 인산화가 감소하고 있었다. 삼중음성 유방암세포의 산화적 인산화 감소는 해당과정에 대한 의존을 강화하고, 따라서 해당과정의 억제는 삼중음성 유방암세포 치료에 효과가 높은 것으로 시사되었다.
결론: 우리 연구 결과는 다른 아형 유방암세포에 비해, 삼중음성 유방암세포에서 미토콘드리아의 산소호흡이 더 감소하고, 해당과정은 더 항진한다는 대사 특징을 나타내는 것을 밝혔다. 삼중음성 유방암세포에서는 미토콘드리아 기능이 저하되어 있기 때문에 해당과정의 억제에 감수성이 높고, 해당과정을 억제하는 치료법이 효과가 있을 가능성을 보여주고 있다.
에스트로겐 수용체 양성 유방암세포에 비해, 삼중음성 유방암세포는 포도당 섭취와 해당과정 항진이 강하다는 결과입니다. 따라서 삼중음성 유방암세포의 포도당 섭취와 해당과정을 억제하는 치료법은 효과가 높다는 것이 시사되었습니다.
포도당 섭취와 해당과정을 억제하는 치료법으로는 전술한 바와 같이 케톤식이요법과 2-디옥시-D-글루코스(2-DG)가 있습니다. 해당과정이 항진하면 젖산 생성이 증가합니다. 젖산 탈수소효소(LDH)의 발현이 많을수록, 해당과정의 항진을 의미합니다. 다음과 같은 보고가 있습니다
Tumor LDH-A expression and serum LDH status are two metabolic predictors for triple negative breast cancer brain metastasis(종양 젖산 탈수소효소 A의 발현과 혈청 젖산 탈수소효소의 값은 삼중음성 유방암세포의 뇌 전이를 예측하는 대사지표이다) Sci Rep. 2017 Jul 20; 7(1): 6069.
【요지】
삼중음성 유방암에 대한 치료법은 한정되어 있고, 진행하여 뇌 전이도 많고, 말기 상태로 이행하기 쉽다. 원발소와 뇌 전이 모두에 해당과정의 항진이 강하기 때문에, 해당과정의 마지막 단계인 젖산 탈수소효소(lactate dehydrogenase: LDH)의 발현량은 뇌 전이를 예측하는 인자이며, 치료 타깃도 된다는 가설 하에 실험을 실시했다.
119 례의 삼중음성 유방암 조직 샘플의 LDH-A 발현량을 측정하고, 혈청 속 LDH 농도를 측정했다. 삼중음성 유방암 조직의 LDH-A 발현량은 정상 유선 조직에 비해 현저하게 항진하고 있었다. 종양 조직 내의 LDH-A 발현 수준과 혈청 속 LDH 값은, 삼중음성 유방암 환자의 뇌 전이 발생과 관련을 인정했다.
이 연구는 종양 조직의 LDH 발현량 및 혈청 LDH 값은 삼중음성 유방암 뇌 전이를 예측하는 인자가 되는 것을 보여주었다.
암세포에서는 젖산 탈수소효소 A(LDH-A)의 발현과 활성이 항진하고 있습니다. 세포 내에 섭취된 포도당은 해당과정에서 대사되어 피루브산까지 분해됩니다. 그 후, 정상세포에서 산소를 사용할 수 있는 상황에서 피루브산은 미토콘드리아로 들어가 피루브산 탈수소효소에 의해 아세틸-CoA로 변환되어 TCA 회로에서 대사됩니다.
저산소 상태에서는 피루브산은 세포질에서 젖산 탈수소효소(LDH)에 의해 젖산으로 변환됩니다. 반면 암세포는 산소를 충분히 사용할 수 있는 상황에서도 미토콘드리아에서 산소 호흡(산화적 인산화)이 억제되고, 피루브산은 미토콘드리아에 들어 가지 않고 세포질 내의 젖산 탈수소효소에 의해 젖산에 변환됩니다.
LDH는 LDH-A와 LDH-B 2 개의 아형(subtype)이 있습니다. LDH-A는 골격근 타입 또는 LDH-M라고도 하며, 피루브산에서 젖산의 변환에 적합합니다. 골격근은 일반적으로 유산소에서 미토콘드리아 대사가 중심이지만, 단거리 대시와 같은 무산소 운동에서는 골격근에서 혐기성 해당작용에 의한 에너지 생성이 일어나기 때문에, LDH-A가 필요하게 됩니다.
한편, LDH-B는 심장 타입 또는 LDH-H라고 하도, 젖산에서 피루브산 변환에 적합합니다. 심장은 혈중 젖산도 에너지 원으로 이용하기 때문에, 젖산에서 피루브산으로 변환하는 LDH-B가 필요하게 됩니다.
LDH-A는 암 치료의 타깃이 됩니다. 그것은 호기성 해당작용(바르부르크 효과)이 항진하고 있는 암세포에서는 LDH-A의 발현이 항진하고 있는 반면, 정상세포에서 골격근에만 발현하지 하고 있기 때문입니다.
LDH-A는 골격근에서 혐기성 해당작용을 행할 때만 필요하기 때문에, 단거리 대시와 같은 무산소 운동을 하지 않으면, LDH-A는 정상세포에서는 없어도 상관 없다고 말할 수 있습니다. 실제로 LDH-A 유전자가 결손되어 있어도 별다른 이상은 일어나지 않을 것으로 보고되었습니다.
많은 암세포에서 LDH-A 발현 항진이 인정되었습니다. LDH-A는 저산소 유도인자-1(HIF-1)에 의해 발현이 유도됩니다. 암세포에서 HIF-1의 발현이 항진하고 있고, LDH-A의 발현이 항진하고 있습니다. LDH-A(젖산 탈수소효소 A)는 정상세포 기능에는 필요성가 낮기 때문에, LDH-A 발현 및 활성을 억제하는 것은 암 치료의 타깃으로 유망하다고 생각됩니다
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디클로페낙은 소염 진통제이지만, LDH-A를 타깃으로 하여 해당과정을 억제하는 작용이 보고되었습니다. (541화 참조) 또한 LDH는 저산소 유도인자-1(HIF-1)에 의해 발현이 유도되기 때문에, 저산소 유도인자-1(HIF-1)의 발현 및 활성을 억제하는 라파마이신, 디인돌리메탄(DIM), 헥소키나아제 활동을 억제하는 2-디옥시글루코스(2-DG) 등을 병용하여 암세포의 해당과정을 억제하는 방법을 조합시키면 항종양 활성을 높일 수 있습니다. 저산소 유도인자-1(HIF-1)의 활성을 억제하는 방법에 관해서는 364화에서 정리하였습니다.
이상과 같이, 삼중음성 유방암에서는 해당과정과 미토콘드리아의 산소 호흡을 동시에 억제하는 것이 중요합니다. 이 목적으로 메트포르민과 2-디옥시-D-글루코스, 디클로페낙과 케톤식이요법의 병용은 유효합니다. 또한 고농도 비타민 C정맥주사와 항생제 독시사이클린(doxycycline)의 병용도 유효합니다. (559화 참조)
즉, 메트포르민 + 2-디옥시-D-글루코스 + 디클로페낙 + 독시사이클린(doxycycline) + 고농도 비타민 C 정맥주사 + 케톤식이요법은 암세포에 선택적으로 ATP를 고갈시키는 방법입니다. 동시에 암세포의 산화 스트레스를 높이는 디클로로 아세트산 나트륨(DCA), 오라노핀, 디설피람, 아르테수네이트, 반지련(半枝蓮)의 병용은 항종양 효과를 강화합니다.
정상세포와 해당과정, 미토콘드리아의 산소 호흡이 동시에 억제되면 살아갈 수 없습니다. 그러나 포도당 수송체 발현이 증가하여 포도당 섭취와 해당과정이 항진하고 있는 암세포의 에너지 생성의 특징을 이용하면, 암세포에 선택적으로 에너지 고갈을 일으킬 수 있습니다.
항암제 내성이 강한 삼중음성 유방암을 고용량의 항암제 투여만으로 치료해서 이길 수 있을 리가 없습니다. 최대 내용양의 항암제 치료는 항암제 내성 암세포를 늘리는 작용이 있기 때문입니다(553화 참조). 삼중음성 유방암은 해당과정 의존이 강한 것으로 알려져 있기 때문에, 대사와 암 줄기세포를 타깃으로 한 치료의 병용이 중요하다고 생각합니다.
삼중음성 유방암 보완, 대체 의학에 대해서는 다음 사이트에서 정리하였습니다.
원문사이트(http://www.f-gtc.or.jp/TNBC/Triple_Negative_Breast_Cancer.html)와 번역사이트입니다.
(http://www.f-gtc.or.jp/TNBC/Triple_Negative_Breast_Cancer.html)
福田 一典(e-mail:info@f-gtc.or.jp)
[출처] 삼중음성 유방암에 메트포르민과 2-디옥시-D-글루코스, 디클로페낙|작성자 ranman
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