Drug development for neurodegenerative diseases through protein aggregation inhibitors

Abstract

세계적으로 노년층 노년층 인구의 비율이 많아지면서 노인성 질환인 퇴행성 뇌질환 환자의 수가 급격히 늘고 있다. 알츠하이머 치매, 헌팅톤씨병, 파킨슨씨병, 루게릭병 등의 퇴행성 뇌질환은 중추신경계의 점진적인 퇴화로 인해 여러 뇌기능이 손실되는 특징을 나타내고 있다. 특히, 인지 및 기억능력, 운동능력, 언어능력 등 일상의 삶에 매우 중요한 뇌기능이 망가지면서 타인의 도움 없이는 정상적인 생활을 지속할 수 없는 단계까지 병이 진행되기도 한다. 대부분의 퇴행성 뇌질환이 아직도 근본적인 치료제를 보유하지 못하고 있다는 사실은 이로 인한 사회, 경제적 부담이 앞으로 더욱 증가할 것을 시사한다. 뇌의 복잡한 구조와 접근방법의 기술적 한계로 인해 퇴행성 뇌질환은 20세기에 들어서야 본격적인 연구가 진행되었고 병의 원인으로 추측되는 여러 기전들에 대한 타겟 적절성 연구와 치료제 개발 연구가 활발히 진행되어 왔다. 지금까지 알려진 여러 병인기전 가설 중 하나인 단백질 응집 가설은 중추신경계에 발생한 단백질 응집체가 신경세포 사멸을 유도하고 뇌기능을 악화시켜 퇴행성 뇌질환에 이르게 한다는 것이다. 단백질 응집체는 여러 퇴행성 뇌질환에서 나타나는 공통된 특징으로, 퇴행성 뇌질환이 치료되기 위해서 반드시 극복되어야 하는 문제로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 퇴행성 뇌질환 치료제를 개발하고자 하는 목적으로 단백질 응집 저해 기전과 단백질 응집체 축적 감소 기전 조절 물질을 개발하였다. 첫째로, 단백질 응집을 감소시키는 조절 물질을 발굴하고자 단백질 응집 현상을 쉽게 확인할 수 있는 세포기반 형광단백질 응집 분석 시스템을 고안하였다. 이 세포기반 분석 시스템을 스크리닝에 활용할 경우 생리조건과 유사한 환경에서의 물질 탐색이 가능하다는 장점이 있다. 총 2,320종의 소분자 단일 화합물을 세포기반 형광단백질 응집 분석 시스템으로 스크리닝 한 결과 80종의 유효물질을 발굴 하였다. 발굴된 유효물질의 단백질 응집 저해 유효성 검증에서 매우 뛰어난 효과를 나타낸 천연물 유래의 소분자 단일 화합물 GP10에 대해 추가적인 효능 검증을 진행하였다. GP10은 헌팅톤씨병 세포 모델에서 헌팅톤씨병에 나타나는 폴리-글루타민 응집체를 효과적으로 줄였고, 응집체의 재료가 되는 폴리-글루타민 단백질 단위체의 양도 줄였다. 이 과정에서 온전한 3차 구조가 붕괴된 이상접힙 단백질을 제거하는 유비퀴틴-프로테아좀 시스템이 관여하고 있음을 확인하였다. 또한, 폴리-글루타민 단백질 응집을 촉진시키는 것으로 알려진 VRK2의 기능이 GP10에 의해 저해되는 기전을 발견하였다. 한편, GP10이 알츠하이머 치매에 나타나는 아밀로이드베타 단백질의 응집을 억제할 수 있다는 연구결과에 따라 GP10을 알츠하이머 치매 세포 모델과 동물 모델에 적용하여 효능을 탐색하였다. 그 결과, GP10은 아밀로이드베타에 의한 세포독성을 완화시키는 것으로 확인되었고, 알츠하이머 치매 생쥐 모델의 기억능력 회복과 아밀로이드베타 단백질의 축적 감소 효능도 확인되었다. 따라서, 단백질 응집체의 형성과 축적을 효과적으로 감소시켜 알츠하이머 치매 생쥐 모델의 뇌기능을 회복시킨 GP10은 알츠하이머 치매를 포함한 퇴행성 뇌질환의 치료용 물질로 개발되기에 적절한 가능성과 잠재력을 가진 것으로 판단된다. 이어서, 아밀로이드베타 응집 저해 물질인 사일로이노시톨에 혈뇌장벽 투과성 분자 수송체를 활용한 알츠하이머 치매 치료제 개발 연구를 진행하였다. 혈뇌장벽은 뇌조직과 뇌모세혈관 사이에 존재하면서 약물과 같은 외부 물질이 뇌로 침투하는 것을 막고 있다. 현재까지 알려진 모든 약물 중에서 혈뇌장벽을 투과하여 뇌조직으로 전달 가능한 것은 2% 미만이다. 알츠하이머 치매는 질환의 특성상 약물이 뇌조직으로 전달되어야 하고 약물을 장기간 섭취해야 하기 때문에 독성이 적은 약물이 필요하다. 혈뇌장벽 투과성 분자 수송체를 활용할 경우, 효율적인 약물 전달로 인해 보다 낮은 농도에서도 효과를 기대할 수 있어 높은 약물 농도로 인해 나타나는 독성과 부작용을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 고농도 투여군에서 발생한 심각한 부작용으로 인해 임상 2상에서 실패한 사일로이노시톨을 구아니딘 유래 분자 수송체로 개량한 AAD-66를 개발하여 치료제로서의 가능성을 확인하였다. 이미 증상이 발병한 알츠하이머 치매 생쥐 모델에 사일로이노시톨과 AAD-66를 10주간 투여하자 음성대조군에 비하여 기억능력이 회복되는 것을 관찰하였고, AAD-66를 투여한 그룹은 정상 생쥐 그룹과 비슷한 정도로 뇌기능이 회복되는 것을 확인하였다. 뇌조직에 축적된 아밀로이드베타 단백질과 플라크의 양, 그리고 대표적 알츠하이머 치매 병변인 신경아교증도 사일로이노시톨과 AAD-66에 의해 효과적으로 감소하였다. AAD-66가 사일로이노시톨에 비해 7배 적은 양 투여되었음에도 불구하고 알츠하이머 치매 병변에 사일로이노시톨보다 좋은 효능을 나타낸 것으로 미루어 볼 때, AAD-66는 알츠하이머 치매 치료제로 활용되어 적은 농도에서도 효과적으로 작용할 수 있을 것으로 기대된다.

A feature of neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease (AD), Huntington’s disease (HD), and Parkinson’s disease (PD) is that the degeneration of the central nervous system (CNS) is gradually progressed to lose several brain functions including memory. Even though many researches have explored the pathogenesis in depth to discover druggable targets and to develop effective drugs for neurodegenerative diseases, any effective curative drug has not been developed yet. Protein aggregation hypothesis is one of several possible pathogenesis of neurodegenerative diseases. Because protein aggregate is a common pathological hallmark found in many neurodegenerative diseases, it is suggested to be defeated for cure of the diseases. The present study revealed development of drugs for neurodegenerative diseases based on mechanisms of inhibiting protein aggregation and of reducing the accumulation of aggregates. Firstly, a cell-based fluorescence assay system for visualizing protein aggregates was designed. When 2,320 kinds of small compounds were screened using this system, 80 positive hit compounds were identified to reduce protein aggregation. From the additional validation process, a natural small compound GP10 that showed excellent inhibition of protein aggregation was chosen for further development. GP10 efficiently reduced poly-glutamine (polyQ) aggregates, found in HD, in a cellular model. In this process, the proteasomal degradation and vaccinia-related kinase 2 (VRK2) pathways were found to be involved in. Moreover, GP10 reduced Aβ-induced cytotoxicity in a cellular model of AD and Aβ accumulation in the AD transgenic (Tg) mice brains. Improved memory function of the AD Tg mice was observed by intragastric administration of GP10. Because GP10 efficiently rescued the brain function of AD Tg mice by decreasing the formation and the accumulation of protein aggregates, it was suggested to be developed further as a therapeutic agent for neurodegenerative diseases including AD. Next, utilizing a blood-brain-barrier (BBB) permeable molecular carrier, scyllo-inositol, an inhibitor of Aβ aggregation, was improved and developed for treatment of AD. If the BBB permeable molecular carrier was utilized, the dosage could be lower for the efficacy because drug molecules could be delivered into the brain more easily. Therefore, scyllo-inositol that was failed in the phase II clinical study due to serious adverse effects in the higher dose groups was utilized with the guanidine-rich molecular carrier. A guanidine-appended scyllo-inositol derivative AAD-66 was found to restore memory defects of 5xFAD Tg mice better than scyllo-inositol administered Tg mice. Moreover, accumulated Aβ species, plaques, and gliosis were ameliorated by AAD-66 administration very well. Even though the in-take molar quantity of AAD-66 was about 7.4 times lower than that of scyllo-inositol, AAD-66 showed substantially improved efficacies on the AD phenotypes compared with scyllo-inositol. It suggested that therapeutic application of AAD-66 on AD might show good efficacy at lower dose while minimize the adverse events.