방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향

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방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향

정 근 영

가천대학교 약학대학 E-mail: alvirus@naver.com 요약문 방사선 조사는 고에너지 입자를 이용하여 암세포에 피해를 주는 치료 방법으로 폐암, 두경부암 등 다양한 암의 치료수단으로서 수술이나 화학 요법 등과 함께 대표적인 항암 요법으로 알려져 있다. 방사선 조사를 이용한 연구는 방사선 조사를 단독으로 처리하거나 잘 알려진 항암제와 병용 처리하는 등의 방법을 활용함으로써 치료효능을 증진하는 연구에 대부분 국한되어 있다. 최근 방사선 조사에 의한 암의 재발이나 전이에 관한 연구가 시작되면서 방사선 조사에 의해 유도되는 암 미세환경의 다양한 인자들에 대해 보고되고 있다. 방사선 조사에 의해 유도되는 암 미세환경을 분석하고 성장 유도 인자들을 조사하여 암의 특성을 더욱 잘 이해하고 이를 활용하면, 기존 치료제의 내성 극복이나 복합치료 전략을 수립하는데 유용하게 활용할 수 있을 것으로 예측한다.

Key Words:cancer, irradiation, radiation therapy, cancer microenvironment, antitumor

목 차

1. 서론 1.1 방사선이란? 1.2 방사선 조사를 이용한 암 치료 현황 1.3 방사선 치료의 단점 1.4 방사선 치료의 단점을 이용한 항암 연구 가능성 2. 본론 2.1 방사선 조사에 의한 암 미세환경의 변화 2.2 방사선 조사의 특징을 이용한 항암 연구 2.3 방사선 조사를 이용한 최신 암 연구 동향 3. 결론 4. 참고문헌 BRIC View 동향리포트

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1. 서론

1.1 방사선이란?

방사선은 에너지를 가진 입자 혹은 파동의 흐름이 전파되는 것을 의미하며 가시광선, 적외선 등과 같은 자연 방사선과 가전제품, 진단용 X-선 장치, 암 치료 장비 등에서 발생하는 인공 방사선이 있다. 이중 방사선 치료에 이용되는 방사선은 대체로 고에너지 방사선을 의미한다. 방사선 치료는 높은 에너지 입자 또는 전자기파를 이용하여 x-ray, gamma ray, electron beams, protons들을 사용해서 암세포에 피해를 주는 것을 말한다. 영문 용어로는 방사선 치료를 radiotherapy, irradiation, x-ray therapy라고 명명하고 있으며, 임상적으로 방사선 치료는 수술이나 화학 요법 등과 함께 암 치료를 위한 대표적인 수단의 하나로 사용되고 있다 [1].

1.2 방사선 조사를 이용한 암 치료 현황

방사선 조사는 암의 치료수단으로써 폐암 (lung cancer), 두경부암 (head and neck cancer), 전이되지 않는 암 등 여러 종류의 암 치료를 위해 쓰이고 있다. 방사선 치료로 암세포가 사멸되는 가장 잘 알려진 원리는 방사선의 고에너지에 의한 세포 내 DNA를 손상하는 것이다. 방사선 조사로 암 치료를 수행함으로써 DNA는 double-strand breaks 또는 single-strand break를 일으켜 유전자의 불안정성에 의한 손상을 유도하게 된다. 이렇게 DNA 손상이 일어나게 되면 apoptosis, mitotic catastrophe, necrosis, senescence, autophagy 같은 여러 죽음의 형태가 일어나게 되어 결국 암세포가 사멸하게 되는 것이다. 방사선 조사는 다른 항암 요법들과 같이 사용하기도 하는데, 항암제를 이용한 화학 요법 또는 1차적으로 수술을 수행한 이후에 방사선 조사를 이용하여 암을 치료하기도 한다. 방사선 조사와 병용하여 치료하는 화학 요법에서는 방사선 치료에 효과적으로 도움을 주는 항암제들이 있는데 이것을 방사선 감수성 증감 물질 (radiosensitizer)이라고 한다. 이것은 암세포를 치료하는데 방사선 치료를 단독으로 하는 것보다 화학 요법을 병용하여 암 치료를 수행하는 것이 더욱 암세포를 죽이는데 효과적이라고 보고되어 있으며, 최근에는 화학 요법 외에 면역 치료제와 방사선 조사를 동시에 진행하고 있다. 이 방법은 방사선 조사로 암세포의 자체 면역력을 억제하고 면역 치료제의 효능을 상승시켜 결국 암세포를 죽이는 데 큰 도움이 되는 것으로 알려졌다 [2].

1.3 방사선 치료의 단점

임상학적으로 초기에 감지된 암이라 하더라도 수술이 쉽지 않으면 완치 목적으로 방사선 치료를 하기도 하며 이 경우에는 저선량의 방사선을 치료에 이용한다. 물론 한 번에 고선량의 방사선으로 치료하게 되면 짧은 기간 내에 치료는 완료할 수 있으나, 고선량의 방사선 조사 부위 주변의 정상 조직까지 손상을 받을 가능성이 많아서 이에 따른 부작용이 매우 커질 수 있다 [3]. 유방암은 방사선 조사를 1차적인 수술 후 치료 목적으로 많이 사용하지만 최근 연구에 의하면 수술

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 3 / 15 후 방사선 조사를 장기간 받게 되면 재발 우려가 높아지고 종양이 더욱더 악성으로 변하게 되며 전이될 가능성이 높아질 수 있다고 보고되었다 [4]. 예를 들면, 전립선암은 방사선 조사량을 조금씩 나누어 장기간 치료를 하면 방사선 치료에 더욱더 민감하게 반응하여 치료에 탁월하다고 입증되어왔었다. 하지만 방사선 치료 특성상 장기간 동안 치료하는 중에 다른 암들과 마찬가지로 종양 미세환경의 변화로 종양이 더욱 악성이 되는 경우가 발생할 수가 있다 [5]. 위와 같은 현상이 나타나는 이유는 많은 기초연구를 통해 밝혀져 있는데, 그 이유는 방사선 조사를 이용한 암 치료 시 저산소증이 유발될 수 있고 암세포의 활성과 분화, 전이를 일으키는 다양한 인자들이 많이 발현될 수 있기 때문인데, 예를 들어 방사선 조사에 의한 저산소증으로 hypoxia inducible factor (HIF)-1α의 발현이 증가하는 경우가 많이 보고되어 있다 [6]. 방사선 조사로 발현된 HIF-1α가 핵 안으로 들어가 신호전달물질로 작용하면 암의 성장을 주도하는 60개 이상의 유전자 발현에 관여하며 대표적으로 vascular endothelial growth factor (VEGF)의 발현이 유도되면 암의 성장에 도움을 주는 신생혈관 형성이 진행되기도 한다 [7].

1.4 방사선 조사를 이용한 항암 연구 가능성

대부분 방사선 조사를 이용한 항암 연구는 방사선 조사를 고선량 또는 저선량 분할로 단독 처리하여 항암 효과를 보거나 carboplatin이나 5-fluorouracil와 같이 잘 알려진 항암제를 대장암, 구강암이나 비소 세포 폐암 (Non-small-cell lung cancer) 등에 방사선 조사와 병용하여 항암 효과의 상승에 관한 연구를 진행하는 것이 주된 목적이었다 [8, 9]. 또한, 유방암, 자궁경부암 등의 다른 암종에서도 화학 요법이나 수술 요법과 방사선 조사를 병용하여 치료 효능의 상승에만 국한된 연구를 진행하고 있다 [10, 11]. 하지만 방사선 조사를 이용한 암 치료 시 자체적으로 탁월한 항암효과를 볼 수 있으면서도 방사선 조사의 지속적인 처리로 암 미세환경을 변화시켜 암을 재 성장시키거나 암이 잘 자랄 수 있는 환경 조성을 위한 여러 인자의 발현이나 변화가 나타날 수 있음이 보고되고 있다 [12, 13]. 따라서 방사선 조사 때문에 유도되는 암 미세환경의 변화에 초점을 맞추면, 종양 성장 및 전이를 일으키는 원인에 대한 탐색 연구로 활용할 가능성을 마련할 수 있으며 이러한 특정 암 미세환경 변화의 조사들을 통해 기존 치료제나 새로운 치료제의 효능을 상승시키는 방안도 강구될 수 있을 것으로 예상한다. 따라서 본 보고서에서는 그동안 하나의 치료 도구로만 잘 알려진 방사선 조사에 대한 인식을 개선해 보고자 방사선 조사로 유도되는 다양한 암 미세환경의 변화와 그리고 이를 활용한 연구 동향을 소개하고자 한다.

2. 본론

2.1 방사선 조사에 의한 암 미세환경의 변화

방사선 조사는 암세포에 직접적인 공격을 통해 항암효과를 유도하는데 목적을 두고 있지만, 암세포 주변에 분포한 정상 기질 세포, 면역세포, 혈관 세포 등 다양한 세포에 직, 간접적으로

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 4 / 15 영향을 주기도 한다. 따라서 방사선 조사로 영향을 받은 세포에서 분비되는 여러 사이토카인, 케모카인, 성장 유도 인자 등에 의한 세포 내, 외부 환경의 변화를 유도하기도 한다. 이 현상은 암의 치료 효과에도 이바지하는 부분이 있지만, 만약 방사선 조사로 암의 재발이나 전이가 발생한 경우 암세포는 방사선 조사로 변화된 이러한 주변 환경과의 상호작용을 자신에게 적합한 환경으로 변화시켜 암의 악성화, 전이 및 방사선 저항성을 일으키도록 유도한 것이다. 방사선 조사로 영향을 받을 수 있는 인자들은 다음과 같다 (그림 1) [13]. 그림 1. 방사선 조사에 의해 유도되는 암 미세환경의 변화 2.1.1 HIF-1 경로의 영향 HIF-1은 대부분 암에서 발현이 되는 것으로 잘 알려졌는데, HIF-1이 과발현 되는 경우 신생혈관 형성이나 세포 대사의 조절을 통해 암의 저산소증을 극복하게 된다. 신생혈관 형성의 경우는 HIF-1의 발현에 의한 VEGF의 발현을 통해 이루어지게 되며 세포 대사는 포도당의 이동 채널인 glucose transporter (GLUT)를 활성화 시켜 포도당의 흡수를 늘리거나 헥소키나아제의 양을 늘려 해당과정을 항진하기도 한다. 또한, HIF-1의 경우 미토콘드리아의 산화적 인산화를 억제하여 생산된 젖산을 세포 밖으로 배출하게 되는데 젖산의 주 경로인 monocarboxylic acid transporter 4의 형성을 촉진하기도 한다. 이러한 작용으로 면역억제, 결합조직 분해 등에 의해 암의 증식과 침윤, 전이가 촉진되는 기전을 보인다 [7, 14].

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 5 / 15 떨어지게 되는 현상을 나타내는데 혈관의 감소 때문에 종양 조직은 자연스럽게 저산소 상태로 가게 되고 HIF-1이 증가하게 된다. 그리고 방사선 조사에 의해 암의 정상 산소의 환경에서도 HIF-1의 발현이 나타날 수 있는 것으로 알려졌다. 일반적인 생물학적 조직의 경우 보통의 무게 대비 약 75%가 물로 이루어져 있는데 방사선 조사 시 가수분해에 의한 많은 양의 reactive oxygen species (ROS)가 생산되게 된다. 이 상태에서 암은 NFκB의 경로를 통해 HIF-1의 전사작용에 관여하여 하위 경로인 PI3K/AKT/mTOR 를 통해 HIF-1의 mRNA 전사를 촉진하게 된다. 생성된 HIF-1은 정상 산소 상태에서 분해되어야 하지만 방사선 조사로 생성된 ROS가 HIF-1의 분해 경로를 막아 HIF-1의 발현을 유지하게 된다 [6].

따라서 방사선 조사와 HIF-1의 전사작용을 동시에 억제하게 되면 CXCL12나 새로운 혈관 형성을 촉진하는 CXCR4 발현 골수세포의 유도를 효율적으로 억제할 수 있으며, 전이를 유도하는 KIT+CD11+ 세포 그리고 urokinase type of plasminogen activator receptor (uPAR), lysil oxydase (LOX), plasminogen activator inhibitor (PAI) 1,MMP-2, Snail, or fibronectin의 동원 역시 억제할 수 있어 항암 효과를 증대시킬 수 있다 [13]. 2.1.2 CXCL12/CXCR4 경로의 영향 CXCL12는 케모카인의 일종으로 림프구의 화학주성을 이끌어내는 데 중요한 역할을 하는 것으로 알려졌다. 수용체인 CXCR4와 결합하는 방법을 통해 endothelial progenitor 세포들을 모집하여 혈관 형성작용에도 관여한다. 이러한 현상들은 종양의 형성과 진행에도 상당히 깊은 관련이 되어 있다. 만약 AMD3100과 같은 분자를 이용하여 CXCR4를 억제하게 되면 혈관 형성에 관여하는 CD11b+와 같은 세포의 모집을 방해하고 방사선 조사에 의한 암의 재발을 억제하게 된다 [15]. 방사선 조사 시 나타나는 조직파괴나 혈관의 손상 시 이를 복구하기 위한 여러 케모카인 리간드와 수용체들의 발현이 나타나게 되는데 그 중 대표적인 하나가 CXCL12/CXCR4 이다. CXCL12의 발현도 HIF-1에 의해 조절을 받는 것으로 알려졌다. 방사선 조사로 혈관이 손상되면 저산소증에 의해 HIF-1이 증가하게 되고 핵 안에서 HIF-1이 결합단백질로 작용하면 HIF-response element에서 p300/CBP과 같은 다른 전사인자들과 결합하여 CXCL12의 전사를 유도한다. 따라서 CXCL12/CXCR4의 활성화 및 억제 기전의 연구는 방사선 조사를 이용한 항암 치료효능을 상승시킬 수 있는 가능성을 제시할 수 있다 [16]. 2.1.3 CD11b+ 세포의 영향 CD11b+는 단핵세포/대식세포의 일종으로 골수에서 유래되었으며 종양조직이나 혈관의 재생 및 복구에 관여하고 있다. 기존 연구 결과에 의하면 방사선 조사 수행 후 CD11b+가 조직 내부에 상당수의 CD11b+세포가 축적되는 것으로 알려졌는데 이는 방사선 조사에 의한 종양 조직이나 혈관의 파괴를 극복하고자 나타나는 현상이다. 따라서 CD11b+ 활성의 억제로 방사선 조사의 항암효능을 증진할 수 있다. 그리고 CD11b+ 세포의 표면에 CXCR4의 발현 역시 증가하는 것으로

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 6 / 15 알려져 있어 CXCL12/CXCR4의 경로 억제제인 AMD3100을 처리하게 되면 방사선 조사 이후에 모집된 CD11b+에 의한 혈관의 재형성작용을 억제하게 된다. 이 작용으로 종양의 재발 역시 어느 정도 지연시키는 효과를 볼 수도 있다. 그리고 CD11b+세포는 방사선 조사로 저산소증이 나타나게 되면 줄기세포 인자의 한 종류인 Kit+ ligand들과 결합하여 암 전이를 촉진시키는 구실을 하기도 한다 [13, 17, 18].

2.1.4 Hepatocyte growth factor(HGF)/c-Met 경로의 영향

간엽줄기세포로부터 분비가 잘 일어나는 HGF는 사이토카인의 일종으로 c-Met에 결합한 형태로 티로신키나제의 신호전달 체계를 조절한다. 그리고 HGF는 세포의 여러 기능을 유지하는데 여러 가지 중요한 구실을 한다. 세포의 기능 중 암세포에서는 유사분열을 촉진하거나 세포의 이동 및 침투의 기전에 작용하게 되는데 이 현상은 혈관 형성이나 종양 형성 그리고 조직의 재생에 관여하게 된다. 방사선 조사를 수행하면 조직의 손상을 복구하기 위해 간엽줄기세포가 모집되는데 이 현상은 방사선 조사 이후 암 세포에서 분비되는 monocyte chemoattractant protein-1에 의해서 유도되는 것으로 알려졌다. 방사선 조사로 간엽줄기세포의 모집현상이 많아질수록 HGF의 발현 역시 증가하므로 방사선 조사 이후 나타나는 암세포의 성장이나 전이에 HGF/MET의 영향 역시 고려하여야 하는 부분이다 [13, 19].

2.1.5 면역학적 인자들의 영향

정상 조직에 저농도의 방사선 조사를 수행하면 Mcl-1을 통해 interleukin (IL)-6, 1α 및 IL-17을 포함한 여러 사이토카인들이 분비되는데 이 인자들은 방사선 조사 이후 암의 재발이나 전이에 핵심 인자들로 작용한다고 알려진 인자들이다. 여러 인자 중에서도 IL-17의 경우는 자가면역 질환이나 종양 면역에 관여하면서 단핵세포나 중성구의 모집을 통한 종양의 성장이나 면역반응의 중재자로서 중요한 역할을 하고 있다. 임상적으로 방사선 조사를 수행하면 방사선 조사를 직접 받는 암 부위를 중심으로 주변의 정상조직에도 여러 농도의 방사선에 의한 영향을 간접적으로 받게 되는 경우가 발생하는데 만약 여러 농도의 방사선 조사에 의한 영향을 받게 된다면 암의 성장과 관련된 다양한 사이토카인인 IL-6나 IL-17 등이 분비될 수도 있다. 따라서 방사선 조사 이후 암 조직 주변인 정상조직 자체가 암이 성장하기 좋은 환경이 될 가능성이 나타날 수 있다 [20, 21].

2.1.6 Poly ADP-Ribose polymerase (PARP) 경로의 영향

서론에서 서술한 바와 같이 방사선 조사로 세포가 죽게되는 기본적인 원인은 방사선 조사의 고에너지에 의해 세포 내 DNA를 손상시키기 때문인데 이렇게 DNA 손상이 일어나게 되면 세포사멸이나 괴사, 노화, 세포자살과 같은 여러 죽음의 형태가 일어나게 되어 결국 암세포가 사멸하게 된다. 하지만 암세포는 방사선 조사를 받은 직후 DNA의 손상으로부터 복구하기 위해 PARP 단백질의 발현을 급속도로 증가시킨다. PARP는 DNA의 단일 가닥 손상으로부터 복구하는

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 7 / 15 구실을 하는데 방사선 조사에 의해 이중 가닥 손상이 일어나게 되면 H2A histone family인 gamma H2AX를 우선 발현하여 이중 가닥 손상으로부터 DNA를 즉시 복구하고 방사선 조사를 통해 발현된 PARP를 통해 단일 가닥 손상으로부터 DNA를 최종 복구하게 된다. 방사선 조사 이후 PARP의 발현 조절은 방사선 조사의 주 기능인 DNA 손상 기능을 증진하는데 주요한 역할을 하는 방안으로 알려졌으며 PARP의 억제제를 방사선 조사와 병용 처리하여 저 선량의 방사선 조사의 효능을 상승시키는 연구도 진행되었다 [22].

2.2 방사선 조사의 특징을 이용한 항암 연구

따라서, 방사선 조사의 지속적인 항암 효능을 끌어올리기 위한 수단을 연구하거나 방사선 조사를 화학 요법 등 기존에 알려진 다른 치료와 병용 처리하여 항암효능을 증진하는 방안을 연구한다고 할 때, 방사선 조사로 변화하는 다양한 암 미세환경의 상호작용에 관한 연구 없이 조직 내부에 있는 암세포만의 특성에 근거하여 연구를 진행한다면 항암 효과의 상승을 기대하기는 어려울 것으로 예상한다. 앞서 서술된 암 전체를 구성하는 암 미세환경 변화 물질의 기전 및 특성을 규명하고 이를 조절하여 방사선 조사의 치료 효과를 증가시키는 연구는 아직 미미하여서 암세포에 국한된 항암 효과의 연구를 벗어난 암 미세환경을 포괄적으로 이해하는 연구가 필요한 것이다.

암 연구에서 tumor bed effect는 종양의 특성이나 여러 조건에 따라 종양 성장 속도나 전이 가능성이 달라질 수 있는 종양 성장 환경의 조성을 일컫는 것이다. 5-20 Gy의 고선량 방사선을 미리 정상 조직에 조사하여 종양세포를 이식할 경우 이식 부위에 종양 성장이 잘 일어나지 않으면서 저산소 환경에 의해 다른 부위로의 전이가 증가하는 tumor bed effect가 유발된다고 알려졌다 [23]. 그리고 최근 연구에 의하면 2 Gy의 저선량 방사선을 최대 90일 장기간에 걸쳐 조사된 부위에 종양세포를 이식하게 되면 이식 부위에 종양의 성장이 촉진되는 tumor bed effect가 유발된다는 것이 새로 밝혀졌다 [24]. 따라서 고선량의 방사선을 이용한 tumor bed effect의 조사를 통해 암의 원발 부위로부터 전이가 일어나는 여러 가지 기전을 밝혀낼 수 있을 것이며, 저선량의 방사선을 이용한 tumor bed effect의 조사를 통해 정상조직에서 암의 성장이 시작되고 성장을 촉진하는 기전들을 밝혀낼 수 있는 연구의 틀을 마련할 수 있을 것이다.

그리고 tumor bed effect와 연계된 많은 암 미세환경의 변화 중에서 고선량의 방사선 조사를 수행하는 경우를 예를 들면 암의 혈관 형성이 많이 감소하는 것으로 나타난다. 이 현상은 저산소증 유발의 원인이긴 하지만 원발 암의 성장의 억제에 주된 역할을 하는 것으로 알려졌다 [25]. 고 선량의 방사선 조사로 혈관 형성의 기능이 많이 억제되긴 하지만 혈관의 형태가 어느 정도 유지되고 있으며 암이 사멸되는 것과 같이 보이다가 추후에 다시 혈관 형성을 유도하여 암세포의 성장이나 생존에 관여하는 것이 보고되었다. 따라서 이러한 현상의 조사를 통해 암의 혈관형성 억제를 목표로 하는 여러 치료 방법의 효율 증진의 기전을 파악하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 암은 대부분 저산소 상태에서 유도되는 여러 가지 성장 및 유도 인자에 의해서 영향을 받아 악성 암으로 발전하며 암 미세환경의 저산소 상태를 방사선 조사가 잘 유도할 수 있는 것으로 알려졌다. 하지만 방사선 조사에 의한 암 미세환경의 변화 중에서 저산소증에 의존하지 않는 현상을 나타내기도 하는데 그 중 대표적인 하나가 ROS의 변화이다. ROS는 세포의 기능이나 생존, 사멸의

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 8 / 15 신호를 담당하는 분자 중의 하나로 직접적인 전사체로서 그 역할을 수행하고 있으며 방사선 조사 시 세포 내에 축적된다 [26]. 또한, 방사선 조사를 수행하면 염증 유도물질과 기질 단백질의 발현을 유도하게 되는데 예를 들면 염증 전구물질인 NF-κB가 발현하게 된다. IL-1, tumor necrosis factor (TNF), transforming growth factor (TGF)-β 등과 같은 세포의 성장 인자들이나 사이토카인도 발현되는데 위와 같은 물질들은 mesenchymal epithelial transition (MET)을 일으키는 주요 원인이며 이를 통해 암세포의 성장과 침투를 용이하게 만들어 줄 수가 있다 [27, 28]. 따라서 방사선 조사로 유도되는 저산소증에 의한 암 성장이나 전이의 영향 외에도 방사선 조사에 의해 변화하는 다양한 인자들의 조사를 통해 tumor bed effect와 연계하여 암의 악성화로 진행되는 과정에 대한 기전을 파악할 수 있는 여러 방법을 제시할 수 있을 것이다.

2.3 방사선 조사를 이용한 최신 암 연구 동향

사실, 방사선 조사를 활용한 항암 연구는 고가의 장비를 활용해야 하는 부분을 포함하여 기초 연구에 특화된 방사선 종양학자의 수가 많이 부족한 현실이기 때문에 크게 활성화되지 않은 영역이라고 볼 수 있다. 그리고 최근 방사선 조사의 단점이 많이 주목되거나 아직 방사선 조사가 표준치료법으로 선택 받지 못한 부분이 있어 특정 암 (특히 간암)에 대한 연구 영역에서는 방사선 조사의 활용을 그다지 선호하지 않는다. 따라서 다른 암 연구자들에 의한 방사선 조사의 관심도 역시 높지 않은 실정이며 방사선 조사를 이용한 종양 미세환경 변화에 관한 연구는 아직 시작점에 불과하다. 하지만 이런 부분을 다시 고려해 보면 방사선 조사를 이용한 항암 연구, 특히 종양 미세환경의 변화에 대한 연구는 개척할 수 있는 부분이 상당히 많은 이점이 있다. 국제적 학술자료를 찾아보더라도 방사선 조사에 의한 단순한 치료 효능에만 초점을 맞춘 보고나 방사선 조사 시 나타나는 잘 알려진 단점을 극복할 수 있는 화학 요법과의 병용 치료에 관한 보고가 다수이다. 방사선 조사에 의한 암 미세환경의 변화 연구는 스위스 Fribourg 대학의 Ruegg 교수팀이 선도적 역할을 수행하고 있는데, 이 연구팀은 종양 미세환경 신호전달에 의한 암의 성장이나 전이를 연구하며 암의 예방과 치료를 향상하는데 주된 목적을 두고 있다. 그리고 방사선 조사에 의한 암 미세환경의 변화 특징을 규명하는 연구를 수행하기 위해 분자생물학, 생화학적 접근법을 활용하고 있다. Ruegg 교수팀은 방사선 조사 후 세포 기질 단백질인 CYR61과 인테그린 αVβ5의 상호작용에 의한 폐 전이 유발에 대해 발견하였고, 폐 전이 후 cKit+CD11b+에 의해 전이작용이 촉진되는 부분을 규명하였다. 그리고 최근엔 방사선 조사를 이용하여 유방암의 폐 전이에 관여하는 분자들을 새로 규명하고 megakaryoblastic leukemia-1의 신호전달체계를 제시하기도 하였다 [29-31]. 그리고 국내 연구진에 의한 방사선 조사를 이용한 암 미세환경의 최신 연구동향은 다음과 같다. 2.3.1 방사선 조사의 효능 증진을 위한 면역유도 임상적으로 방사선 조사를 수행하면 암의 재발이나 전이에 의한 치료의 단점이 존재할 수

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 9 / 15 있는데 그 이유는 방사선 조사 이후 암 미세환경 내 면역세포의 기능이 많이 떨어지는 경우가 있는 것으로 알려졌다. 특히 수지상 세포의 종양 내 침투가 많이 떨어져 세포독성 T-세포의 유입과 활성을 감소시키는데 이 부분을 보완하기 위해 수지상 세포의 화학주성에 관여하는 macrophage inflammatory protein (MIP)-1을 방사선치료와 병용 치료하는 방법을 활용하였다. 전이성 간암 세포주를 이용한 동물모델에 방사선 조사와 함께 MIP-1을 종양에 처리하여 수지상 세포의 유입을 늘리자 세포독성 T-세포의 유입이 유의성 있게 증가하고 암의 전이를 억제하고 생존율을 증가시키는 결과가 도출되었다. 따라서 이 연구의 결과는 임상적으로 방사선 조사를 치료방법으로 선택한 전이암 환자 중 방사선 조사 이후 면역반응이 떨어지는 환자들을 대상으로 새로운 치료전략을 제시할 수 있게 한 결과이다 [32]. 그림 2를 보면 방사선 조사를 단독으로 처리한 그룹에 비해 방사선 조사와 MIP-1을 동시에 처리한 그룹에서 암의 성장이 유의성 있게 감소하고, 폐 전이로 인한 결절의 수도 감소하였으며 이로 인해 생존율이 약 30%에서 70%까지 증가하고 있음을 확인하였다. 그림 2. MIP-1에 의한 방사선 조사의 효능 증진

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 10 / 15 2.3.2 방사선 조사에 의한 tumor bed effect

방사선 조사 이후 초기에는 암의 성장이 억제되다가 방사선 조사를 지속해서 받게 되면 암의 성장이 오히려 증가하는 현상이 나타나는 경우가 있는데 이것은 방사선 조사를 받은 암 주변의 정상조직으로도 방사선의 영향이 미치면서 미세환경이 변화하기 때문으로 알려졌다. 이 부분을 명확히 규명하기 위해 5 Gy 선량의 방사선을 미리 처리한 쥐에 암 세포주를 주입하여 성장을 관찰하고 면역학적 분석을 통해 그 기전을 조사하였는데 방사선을 미리 조사하여 성장한 암 조직 내부의 미세환경은 방사선을 조사하지 않고 성장시킨 암에 비해 면역학적 차이점이 존재하고 있음을 발견하였다. 방사선을 전처리 받은 암 조직의 미세환경은 암 성장 사이토카인인 IL-6, TGF-β의 발현이 증가하여 있는 것을 확인하였고 naïve T-세포로부터 Th17 세포로 분화시키는데 중요한 역할을 수행하는 것 역시 확인하였다. 이 연구결과를 통해 암 세포가 정상조직으로 침투해가는데 관여하는 주요 인자들의 종류와 역할에 대해 규명하였고 임상적으로 방사선 조사를 수행할 때 병용할 수 있는 치료전략을 제시할 수 있게 한 결과이다 [21]. 그림 3을 보면 5 Gy의 방사선 조사를 선처리 받은 후 1일과 3일이 지나서 암세포를 이식하였을 때 방사선 전처리를 받지 않은 그룹에 비해 암의 성장이 유의성 있게 증가하고 있음을 확인하였고 방사선 처리를 받은 피부에 TGF-β, IL-16 및 IL-17의 발현이 증가하고 있음을 확인하였다.

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 11 / 15 2.3.3 방사선 조사에 의한 통증신호의 변경 암의 골 침투 시 극심한 통증을 유발하게 되는데 방사선 조사를 이용하여 통증을 상당부분 완화 시킬 수 있다. 따라서 통증이 경감되는 현상을 방사선 조사에 의한 암 미세환경 변화에 초점을 맞추고 흰 쥐의 앞발에 암 세포주를 주입하여 앞발의 뼈로 암세포가 침투하도록 하여 통증을 유발한 뒤 25 Gy의 고선량 방사선 조사를 실시하여 조직학적 및 단백질 분석을 통한 기전을 조사하였는데 2D 전기영동 결과를 통해 secretagogin, syntenin, P2X purinoreceptor 6 (P2X6), and Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinase 1 (CaM kinase 1) 발현의 증가를 확인하였다. 방사선 조사를 이용한 본 연구결과를 통해 암의 골 침투 시 유발되는 통증은 신경에서의 vesicular trafficking의 조절, ATP-mediated fast synaptic transmission 그리고 Ca2+ signaling cascade가 관여하고 있음을 규명하였고 추후 좀 더 명확한 기전연구가 완성된다면 암에 의한 통증으로부터 고통 받는 환자를 위한 확실한 진통 효과를 기대할 수 있게 한 결과이다 [33]. 2.3.4 방사선 조사에 의한 줄기세포치료제 효능의 증진 최근 포항공대 성영철 교수팀에서 강력한 항암 효과를 유도하는 특정 유전자를 발현하게 한 유전자 조작 간엽 줄기 세포를 개발하였다. 이는 간엽 줄기 세포의 암 지향성을 이용하여 간엽 줄기 세포가 암 부위에 상주하여 항암 유전자를 지속적으로 발현하게 한 것인데, 종양에 직접 주입하는 방식을 통한 효과가 상당히 큰 것으로 알려져 있었다. 이 연구에서는 유전자 조작 줄기세포가 암 미세환경 내에서 좀 더 지속적으로 상주할 수 있는 방안을 통해 줄기세포 치료제의 항암 효능을 상승시키기 위하여 연대 성진실 교수팀과 함께 쥐를 이용한 전이성 암 모델을 만들어 방사선 조사와 유전자 조작 줄기세포 치료제를 병용 치료하여 나타나는 전이 억제를 포함한 항암 효과와 그 기전을 조사하였다. 이것은 방사선 조사 시 암 조직의 미세환경에서 잘 발현되는 것으로 알려진 monocyte chemoattractant protein (MCP)-1의 발현이 증가하는 점을 이용한 것인데, 방사선 조사로 MCP-1의 발현이 증가하게 되면 간엽 줄기 세포의 모집이 증가되는 특성을 이용한 것이다. 2 Gy의 저선량의 방사선 조사를 5회 받은 암 조직에서 MCP-1의 발현이 유의성 있게 증가하였고 줄기세포 치료제의 상주능력은 크게 향상 되어 단독으로 유전자 조작 줄기세포를 치료한 그룹에 비해서 암의 성장, 전이가 억제되고 생존율도 크게 증가하는 것을 확인하였다. 이 연구결과를 통해 방사선 조사를 통한 종양 미세환경 조절을 유도하여 기존 세포 치료제의 효능을 상승시키는 방안을 마련하였고 다른 치료 측면에서는 방사선 조사의 선량이나 횟수를 감소시키고도 그 효능을 더욱 증진할 수 있는 방안을 마련한 결과이다 [34]. 그림 4를 보면 쥐의 뒷다리에 암세포를 이식하여 키운 암에 줄기세포 치료제를 주입할 경우 30분이 지났을 때는 종양 내부에 잘 유지가 되지만 5일이 지나고 나면 대부분 조직 내에서 사라진다. 줄기세포 치료제를 방사선 조사와 같이 주입할 경우 5일이 지나도 조직 내에 잘 유지되고 있음을 확인하였으며 줄기세포 치료제의 상주능력이 향상됨에 따라 종양의 성장 역시 유의성 있게 감소하였고, 생존율도 최대 90%까지 증가하는 것을 확인한 결과이다.

방사선 조사를 이용한 항암 연구 동향 정근영 Page 12 / 15 그림4. 방사선 조사에 의한 유전자 조작 간엽 줄기 세포의 모집 및 항암 효과의 증진

3. 결론

그 동안 방사선 조사를 이용한 항암 연구의 경향은 방사선 조사를 주 치료법으로 활용하면서 그에 상응하는 radiosensitizer의 개발과 적용에 대한 부분이 주로 수행되었고 그 다음 방사선 조사에 의한 DNA break 등의 치료 효과를 더욱 상승시킬 수 있는 다양한 화학 요법 등을 병용 치료하는데 초점이 맞춰져 있었다. 방사선 조사를 이용한 암 치료 시 유발되는 다양한 재발 및 전이현상에 대한 보고가 나타나면서 이와 관련된 여러 암 미세환경 내 인자들의 조사가 시작되었고, 방사선 조사로 유도되는 인자들을 억제하려는 방안을 연구하는 것이 최근까지 이어온 연구 경향이었다. 하지만 방사선 조사에 의해 유도되는 암 미세환경의 변화는 상당히 다양하며 방사선 조사의 선량이나 방식 및 처리 기간에 따라 다른 암 미세환경의 변화를 유도할 수 있다. 따라서 방사선 조사에 의해 유도되는 암 미세환경의 변화에 대한 시각을 조금만 다르게 가져가 볼 필요가 있다. 다양한 방식의 방사선 조사 후에 유도되는 암 미세환경의 변화 분석을 통해 기존 치료법의 내성을 극복할 새로운 접근법을 모색할 수 있고 방사선 조사로 조절되는 다양한 유도 및 성장인자 등의 기전을 자세히 조사하면 암 특이적 복합치료 전략을 구축할 수도 있을 것이다. 그리고 궁극적으로 방사선치료 자체의 효능 역시 더욱 증진할 수 있을 것으로 예측하고 있다.

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