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알츠하이머(Alzheimer’s)의 공포에서 해방되기!조기 진단 바이오마커 개발3-글리코실화(Glycosylation)
  • 이영숙(행복가득가톨릭약국 대표약사)
  • 승인 2020.01.21 11:53
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[엠디저널] 알츠하이머(Alzheimer’s) 진단 도구의 개발은 질병 과정 초기에 치료적 개입을 가능하게 하여 질환을 앓는 환자들의 지속적인 증세악화로부터의 영향을 잠재적으로 감소시킬 수 있습니다.

알츠하이머(Alzheimer’s)는 고령화 인구에 대한 사회적으로 가장 큰 두려움의 대상입니다. 현재 세계에는 5 천만 명이 넘는 치매 환자가 있으며 그 중 알츠하이머가 60-70%를 차지하고 있습니다. Alzheimer’s는 고령과 관련이 있으며, 기대 수명이 증가함에 따라 그 사례는 2050년까지 4배 증가할 것으로 예상됩니다.

이 질병을 앓고 있는 사람들은 기억력과 인지력의 악화를 경험했으며, 결국 스스로 치료할 수 없을 때까지 질병이 지속적으로 진행되며 서서히 악화됩니다. 초기 진단에서 사망까지는 일반적으로 8-10년이 걸린다고 보고되지만, 현재 알츠하이머를 앓고 있는 환자에 대해 정확하고 시기적절한 진단을 할 수 있는 진단 도구가 아직 없습니다. 이 질환의 진단 도구의 개발은 질병 과정 초기에 치료적 개입을 가능하게 하여 질환을 앓는 환자들의 지속적인 증세악화로부터의 영향을 잠재적으로 감소시킬 수 있습니다.

알츠하이머 병인에 관여하는 β-아밀로이드(Aβ), 타우 단백질 및 기타 중요한 단백질은 글리코실화 프로파일(Glycosylation Profiles)을 변경시켰다는 것이 밝혀졌습니다. 결정적으로, 이러한 이상은 말초 혈액에 존재하며 알츠하이머를 다른 치매와 구별하는 데 도움이 됩니다.

글리코실화(Glycosylation)는 단순화된 단백질의 일반적이고 중요한 번역 후 변형(posttranslational modification)으로서 다수의 질병 상태에서 생체 분자 내에 복잡한 글리칸의 배열(complex array of glycans)을 초래합니다. 정확한 글리코분석(glycoanalyse)을 가능하게 하는 분야의 기술적 진보로 인해 광범위한 조건에서 글리칸 프로파일(glycan profile)에 대한 조사가 최근 가능해졌으며, 알츠하이머 병인에 관여하는 β-아밀로이드 펩타이드(Aβ), 타우 단백질 및 기타 중요한 단백질은 글리코실화 프로파일(glycosylation profile)을 변경시켰다는 것이 밝혀졌습니다.

결정적으로, 질병 상태 초기에 존재하는 이러한 이상(aberrant glycome)은 말초 혈액에 존재하며 알츠하이머를 다른 치매와 구별하는 데 도움이 됩니다.

알츠하이머의 원인은 아직까지 정확히 알려지지 않았지만, 알츠하이머의 주 병리학적 원인은 비정상적인 아밀로이드 전구체 단백질(APP)와 APP로부터 형성되는 β-아밀로이드(Aβ) 응집에 인해 생성된 노인성 반점(senile plaque)와 과인산화 타우(hyperphosphorylated tau) 응집에 의해 생성된 신경섬유 다발 엉킴(neurofibrillary tangles, NFT)의 존재를 특징으로 합니다(그림1).

그림 1. Normal cells and Alzheimer’s.출처: National Institute of Aging, NIH publication number: 08-3782(September 2008)

과인산화된 tau(ADP-tau) 응집체는 쌍을 이루는 나선형 필라멘트(paired helical filaments, PHF)를 형성하고 축적되어 신경섬유 다발 엉킴(NFT) 형성을 일으킵니다. 신경 내 타우(Intraneuronal tau) 및 신경 외 아밀로이드 플라크(extraneuronal amyloid plaque)는 뉴런 세포 사멸(neuronal cell death) 및 시냅스 기능 상실(loss of synaptic function)에 기여하며, 이러한 신경섬유 다발 엉킴(NFT)은 내 후각피질(entorhinal cortex)에서 해마(hippocampus) 및 대뇌 피질(cerebral cortex)과 같은 뇌의 다른 부분으로 점진적으로 퍼지고, 이들 뇌 영역은 상당한 뉴런 손실(neuronal loss) 및 물리적 수축(physical shrinkage)과 관련이 있으며, 대뇌 피질과 해마는 인지, 사고, 기억, 학습 및 인식과 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 해마 위축은 심각하며 알츠하이머의 진단 및 예후 마커로 사용되고 있으며, 이와 같은 뇌 영역의 초기 진단 마커는 매우 중요한 의의를 가지고 있습니다.

아리셉트정은 5mg으로 시작하여 점차 10mg, 23mg로 증량하며, 투여 15일 후 정상농도에 도달하기 때문에 초기 4~6주간은 5mg 용량을 유지하고 이후 임상평가 후 증량하는 것을 목표로 하고 있습니다.

알츠하이머의 가장 주요한 특징이 콜린성 신경계의 문제를 주요 특징으로 하고 있기 때문에 현재 이용 가능한 AD치료는 차단된 신경 전달을 교정하는 것을 목표로 하지만, 환자는 결국에는 질병에 굴복 할 수밖에 없는 상황으로 증상 개선의 여지가 없습니다. 콜린계의 기능을 강화시키는 방법으로는 아세틸콜린 분해효소(Acetylcholinesterase, AChE)를 억제시켜 아세틸콜린의 양을 증가시키는 약제로서 콜린분해효소억제제로 아리셉트(Aricept®)라는 상품명을 가진 donepezil이 1차 치료제로 선택되고 있습니다(그림2).

그림 2. Mechanism of Aricept® in Alzheimer’s brain./ 출처 : Labiotech.eu

아리셉트정은 5mg으로 시작하여 점차 10mg, 23mg로 증량하며, 투여 15일 후 정상농도에 도달하기 때문에 초기 4~6주간은 5mg 용량을 유지하고 이후 임상평가 후 증량하는 것을 목표로 하고 있습니다. 설사, 구역, 구토 등 위장 장애와 어지러움, 식욕부진, 서맥 등의 부작용을 느끼는 경우 보통 취침 전 복용을 권장하며, 오심, 구토 등 소화기계 이상반응이 심할 경우 즉시 중단이 가능하며, 중단하더라도 약물은 일정 농도를 유지하면서 체내에서 서서히 사라진다는 점도 기억하여야만 합니다.

따라서 복용을 중단한 후에도 이상 증세가 심할 경우 식사를 조금씩 자주 하거나, 가글 또는 양치를 하거나, 포도당 캔디 및 무 과당 껌 등이 도움이 될 수 있다고 환자 또는 환자 보호자에게 설명해 주어야 합니다.

10mg 제형 복용중인 환자가 위장장애 및 두통, 어지러움 또는 불면을 심하게 호소할 경우, 5mg 제형을 아침, 저녁으로 나누어서 복용을 권장하기도 하지만, 23mg 제형은 서방형제제로 분할 시 약효가 소실되므로 취침 전 1정 그대로 복용을 권장합니다. 85세 이상의 저 체중 여성 환자의 경우 이상 반응이 많이 나타날 수 있으므로 섬세한 관찰이 요구되며, 1일 5mg 최대 용량을 넘지 않도록 주의해야 합니다.

이 약을 복용 시에 올 수 있는 통증이 있는 배뇨, 발작, 흉부 통증 및 지병이나 피가 섞인 변의 GI 증상 및 혈액 또는 ‘커피 찌꺼기’와 같은 물질이 섞여 나오는 구토 시 아리셉트(Aricept®)의 심각한 부작용으로 보고 담당 의사에게 반드시 알려야 한다는 점도 꼭 기억하도록 합니다.

통증이 있는 배뇨, 발작, 흉부 통증 및 지병이나 피가 섞인 변의 GI 증상 및 혈액 또는 구토 시 ‘커피 찌꺼기’와 같은 물질이 섞여 나오는 경우 아리셉트(Aricept®)의 심각한 부작용으로 보고 담당 의사에게 반드시 알려야 합니다.

또한 아리셉트(Aricept®)는 많은 약물과 상호 작용할 수 있으며, 심장 마비, 졸도, 발작, 위장관 질병 또는 비뇨기 질환의 병력이 있다면, 최악의 상태가 될 수 있으므로 처방 받기 전에 미리 담당의사에게 알려야 하며 또한 임산부나 모유 수유중인 여성에게 권장하지 않으며 소아에 대한 효과 및 안전성은 연구되지 않았으니 투여에 주의를 요합니다.

이러한 많은 불편함을 안고서도 도네페질을 1차 치료제로 선택할 수밖에 없는 현실적인 상황은 답답하기만 합니다.

현재 개발 중인 알츠하이머 치료 약제는 아밀로이드 경로에 관여하는 분비 효소의 억제 또는 조절에 의해 Aβ 플라크 형성을 감소시키거나 면역학적 접근법(Immunological Approaches)에 의해 Aβ 제거율을 증가시키는 방법과 연관된 연구들이 진행 중입니다. 키나제가 타우의 과인산화를 유도하기 때문에 키나제 억제제(kinase inhibitors)를 사용한 타우 과인산화 방지와 더불어 타우 응집체의 면역학적 제거에 대한 연구도 진행 중입니다. 그러나 임상 시험에서 성공률은 현재까지 매우 빈곤한 상황입니다. 현재의 개발에 성공된 치료제도 경미한 환자의 정도에는 효과가 있지만, 중간 정도의 환자에는 효과가 없습니다. 따라서 알츠하이머는 가능한 한 빨리 환자를 진단하여 치료 과정 초기에 기존 치료법으로부터 가능한 최대한의 혜택을 얻고 질병의 증상이 악화 진행되지 않도록 질병 경로를 수정할 수 있는 치료법을 이용할 수 있게 하는 것이 중요하다고 할 수 있습니다.

알츠하이머는 가능한 한 빨리 환자를 진단하여 치료 과정 초기에 기존 치료법으로부터 가능한 최대한의 혜택을 얻고 질병의 증상이 악화 진행되지 않도록 질병 경로를 수정할 수 있는 치료법이 중요합니다.

이전 쳅터에서 설명하였듯이 고령화를 제외하고, 아포지 단백질 E4 유전자는 후기 발병 AD(late onset AD)의 가장 큰 위험 인자입니다. 산발적인 AD(sporadic AD)의 약 64%와 가족적인 AD (familial AD)의 80%는 최소한 하나의 유전자를 가지고 있습니다.

APP, Presenilin (PS1 및 PS2) 유전자의 돌연변이는 65세 이전에 발생하는 조기 발병 AD(early onset AD)를 촉발시킬 위험을 안고 있습니다.

그러나 조기 발병 AD는 AD사례의 1-2% 만 차지하므로 크게 문제 삼지 않습니다. 현재 알츠하이머는 인지 및 학습 평가를 통해 일상적으로 진단되지만, 이것이 AD를 의심할 증상의 가장 가능한 방법으로 보고 식별합니다. 다른 유형의 치매와 알츠하이머는 기억력 관련 증상과 뇌의 신체적 변화가 다른 신경 퇴행성 장애와 정상적인 노화 뇌에서도 관찰되기 때문에 구별하기 어렵습니다. 알츠하이머에서 볼 수 있는 특징적인 전뇌 및 해마 조직 위축은 자기 공명 영상(MRI)과 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 사용하여 식별되지만, 이러한 위축은 다른 형태의 치매에 존재합니다. AD뇌에서 병리학적 결함에 대한 사후의 식별은 명확한 진단에 필요하므로 양전자 방출 단층 촬영(PET)은 AD진단에서 바이오마커의 방사성 추적자를 사용하는 또 다른 이미징 기술이 됩니다. 

2-[18F] 플루오로–2-데옥시–D-글루코스 (2-[18F]fluoro-2-Deoxy-D-glucose, FDG)는 알츠하이머에서 볼 수 있는 포도당 (cerebral metabolic rates of glucose, CMRglc)의 뇌 대사율의 감소를 식별하는 일반적인 PET 트레이서이며, 이 방해 된 CMRglc대사는 다른 유형의 치매에서도 볼 수 있어 알츠하이머 진단 바이오마커로는 비특이적입니다. 한편, 피츠버그 화합물 B(Pittsburg compound B)와 같은 Aβ 펩티드의 PET 트레이서는 뇌의 아밀로이드 플라크에 특이적으로 결합하는 것으로 나타났으며, 그러나 Aβ 플라크 형성은 인지 저하와 직접적으로 관련이 없는 것으로 보이므로 질병 진행 지표로는 신뢰할 수 없는 실정입니다. 

유망한 타우 특정 PET 추적 프로그램이 최근 개발되었지만 추가적인 임상 검증 연구가 필요합니다.

알츠하이머 진단의 어려움은 말초 혈액으로부터 비 침습적 이상적인 진단 테스트를 개발해야 할 임상적 가치를 의미합니다. 

오늘날 바이오마커 시험에 대한 대중적인 접근법은 고가의 신경이미징(neuroimaging) 및 뇌척수액(CSF) 분석으로 CSF의 상승된 총 tau 및 AD P-tau 수준과 감소된 Aβ 펩티드 수준에 대해 평가 될 수 있으며, 이는 환자가 고통스러운 lumbar puncture 를 겪어야합니다.

그림 3. Schematic overview of the roles of glycosylation in the processing of APP and tau./ 출처 : Medicines 2019, 6, 92 ; doi:10.3390/medicines6030092

알츠하이머의 질병 발병 초기에 발생하는 AD glycome에 많은 변화가 보고되었으며, 그 중 많은 부분이 AD의 바이오 마커로서 이용 될 수 있습니다.

APP의 축삭 정렬 및 처리에는 올바른 글리코실화(glycosylation)가 필요합니다(그림3의 상단 그림).

N-글리코실화의 변화는 세포의 주변 핵 영역 내에서 단백질 축적을 초래합니다①. APP의 N-글리칸 또는 복잡한 N-글리코실화(N‐glycosylation) 또는 시알릴화(sialylation)의 형성의 억제는 APP의 축삭 분류(axonal sorting)② 및 분비③, 및 sAPPα④, sAPPβ⑤ 및 Aβ의 분비(secretion)를 방해합니다⑥. P-tau 및 PHF의 형성은 글리칸의 영향을 받습니다(그림3의 하단 그림). N-글리칸은 P-tau① 및 PHF②의 형성을 촉진하고 이러한 구조를 안정화시키는 반면, O-GlcNAcylation (O-GlcNAc)은 반대 효과를 가져와 P-tau③ 및 PHF④의 형성을 방해합니다. tau의 과인산화(hyperphosphorylation) 및 결과적인 PHF의 형성은 미세 소관을 붕괴시키고⑤ 축삭 수송을 손상시킵니다⑥.

N-글리칸은 다세포 유기체의 생존에 필수적이며 사람 혈청과 포유류 세포막에 있는 거의 모든 단백질은 글리코실화 되어있습니다. 글리칸은 세포 신호 전달(cell signaling) 및 세포-세포 통신(cell-cell communication)을 촉진 할 뿐만 아니라 단백질의 폴딩, 트래킹 및 기능에 관여하므로 따라서 글리코실화의 변화는 또한 많은 질병 상태에서 발생합니다.

N-글리칸은 다세포 유기체의 생존에 필수적입니다. 당단백질(Glycoprotein)은 세포의 세포 외 기질인 원형질막의 세포 외 표면에 있으며, 체액으로 분비됩니다. 사람 혈청과 포유류 세포막에 있는 거의 모든 단백질은 글리코실화 되어있습니다. 

글리칸은 세포 신호 전달(cell signaling) 및 세포-세포 통신(cell-cell communication)을 촉진 할 뿐만 아니라 단백질의 폴딩, 트래킹 및 기능에 관여합니다. 생리학적 상태의 변화는 동일한 위치에서 당단백질의 글리칸을 변화시킬 수 있습니다. 글리코실화의 변화는 또한 많은 질병 상태에서 발생합니다. 글리코실화 패턴의 변화는 암의 특징(hallmark of cancer)입니다.

유방암, 위암 및 간암 등 모든 암은 모두 혈청 글리코프로파일(serum glycoprofiles)을 변경했습니다. 류마티스 관절염은 감소된 IgG갈락토실화(IgG galactosylation) 및 시알산 말단(sialic acid termini)과 관련이 있다고 밝혀졌습니다.

선천성 글리코실화 장애(Congenital disorders of glycosylation, CDG)는 글리칸 합성에 관여하는 효소 및 생체 분자의 유전적 결함에 기인한 비정상적 글리코실화에 의해 야기되는 질환들입니다. 100 개가 넘는 CDG가 존재하며, ALG1-CDG, PMM2-CDG 및 MPI-CDG의 일반적인 예가 각각 CDG에서 결함 유전자의 이름을 따서 명명되었습니다. 

이러한 장애는 글리코실화가 인간 프로테옴(human proteome)의 기능에 미치는 영향으로 인해 여러 기관, 일반적으로 뇌 및 신경계에 영향을 미치는 증상도 초래한다는 것을 예견해 볼 수 있습니다.

당화(Glycosylation)는 알츠하이머 병리에 관련되어있으며, AD뇌에서 수많은 당화 변화가 감지되었고, AD초기 및 후기 단계 환자 모두에서 관찰되었습니다.

당화(Glycosylation)는 많은 연구에서 AD병리에 관련되어있습니다. AD뇌에서 수많은 당화 변화가 감지되었고, AD환자의 뇌로부터의 얻은 APP의 독성 절단을 담당하는 N-당화효소인 β-세크레타제(BACE1)의 면역침강(immunoprecipitation) 및 렉틴 블로팅(lectin blotting)에서 결정적으로 bisecting GlcNAc의 농도 증가를 나타냈으며, 이러한 현상은 AD초기 및 후기 단계 환자 모두에서 관찰되었습니다.

그림 4. N-glycan profiling of a glycoprotein mixture./ 출처 : Medicines 2019, 6, 92 4 of 21

BACE1에서 증가된 bisecting GlcNAc의 역할은 AD병리학의 특징인 산화 스트레스에서 단백질을 안정화시키는 역할을 하는 것으로 알려졌으며, APP는 O-GlcNAc로 변형되었고, 연구에 따르면 APP의 뮤신타입 O-글리코실화(mucin-type O-glycosylation)는 Aβ 생성에 부정적인 영향을 미친다는 것이 밝혀졌습니다. RT-PCR 분석을 통한 정상대조군에 비해 초기 및 후기 발병 알츠하이머(early and late onset AD) 모두 환자의 뇌에서 이 뮤신-타입 O-글리코실화를 담당하는 트랜스퍼라제(transferase)의 농도의 증가를 나타내었으며, N-아세틸글루코사미닐트랜스퍼라제 III (N-acetylglucosaminyltransferase III, GnT-III)은 bisecting GlcNAc를 첨가하는 효소이며 RT-PCR 분석으로 AD 환자 뇌에서 GnT-III mRNA의 발현 증가를 확인하였습니다(그림4).

질병 상태의 초기 단계에서 AD 병인에 관여하는 많은 단백질의 글리칸 부분이 변경됩니다(그림5).

그림 5에서 보여 지는 바와 같이

그림 5. Examples of glycan alterations in disease related glycoproteins in Alzheimer’s disease (AD)./ 출처 : Medicines 2019, 6, 92 4 of 21

(A) AD 병리학에서 중심 단백질인 타우(Tau)는 과인산화에 대한 방어역할을 하는 O-GlcNAcylated입니다. 알츠하이머에서 타우는 O-글리코실화보다는 특징적으로 N-글리코실화됩니다. 정상 및 과인산화 된 타우는 AD에서 N-글리칸을 함유하며 따라서 잘린 글리칸(truncated glycan)은 나중에 질병이 더 진행되어질수록 쌍을 이루는 나선형 필라멘트(paired helical filaments, PHF)에서 더 풍부하게 관찰되어집니다.

(B) β-세크레타제(BACE1)에서의 bisecting GlcNAc는 AD에서 독성 β-아밀로이드(Aβ) 형성 전에 발생하며 대조적으로, 아밀로이드 전구체 단백질 (APP)상의 bisecting GlcNAc은 α-세크레타제 생산을 자극하고 β-아밀로이드(Aβ) 형성에 대한 보호 메카니즘으로서 작용합니다(도시되지 않음).

(C) 감소된 말단 시알산(terminal sialic acid)은 AD환자의 뇌척수액 당단백질(CSF glycoproteins)에 존재하고, 주요 당단백질은 뉴런 세포의 생존에 중요한 트랜스페린(transferrin)입니다. 또한, BACE1 및 프레세닐린(γ-세크레타제의 서브 유닛)은 AD 관련 단백질의 시알릴화(sialylation)에 직접적인 역할을 합니다.

보다 상세하고 포괄적인 분석으로 알츠하이머 환자에서 AD glycome은 향후에 가장 추천되는 알츠하이머의 초기 연구에서 적절한 접근 방법입니다. AD의 글리칸 바이오마커를 실행 가능한 진단 도구로 만들기 위해 말초 혈장 또는 혈청 샘플의 분석에서 다양한 미래 연구가 이루어져야합니다.

이영숙(행복가득가톨릭약국 대표약사)  emd@mdjournal.net

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