| Cytochrome P450의 약물유전학 및 약물상호작용 : 약물반응 다양성의 주요한 유발 요인 신 재 국 / 부교수 인제대학교 의과대학 약리학교실, 부산/일산백병원 임상약리센터 Tel. 051-890-6709 Fax. 051-893-7761 E-mail. phshinjg@ijnc.inje.ac.kr 1. 서 론 If it were not for the great variability among individuals, medicine might as well be a science and not an art.Ó - Sir William Osler, 1892 - 동일한 약물을 동일용량 환자에 투여하였을 때 약물의 효과가 개인간에 다양하게 차이가 나타난다는 것은 약리학의 핵심 내용으로, 이러한 차이는 일정 용량투여 후 개개 환자의 혈장 및 작용부위에서의 약물농도 차이를 유발하는 약동학적 개인차와, 작용부위에서 주어진 동일한 농도에 대해 나타나는 약물반응의 차이를 유발하는 약력학적 개인차에 의해 유발된다. 이 중, 약동학적 개인차는 대부분 약물대사 과정에서 발생하는데, 이는 개개인의 약물대사능이 유전적 및 환경적 요인에 의해 다양하게 차이를 보이기 때문이다 (Fig. 1). 일반적으로 동일요법의 약물투여 후 30-40배까지 혈중농도의 개인차를 유발하는 유전적 요인과 수배의 차이를 유발하는 약물상호작용과 같은 환경적 요인은 생리적 및 병태생리적 요인들 보다 약동학적 개인 차이를 더 크게 유발하는 것이 일반적이다. 약물대사능의 다양한 차이는 단순히 치료약물의 혈중 농도 및 치료효과에 영향을 미치는 이외에도, 독성/발암 물질의 생성 혹은 제거 능의 개인차로 인해 약물 및 독성물질에 의한 독작용 유발의 개인적 감수성 차이도 유발할 수 있다. 그림에서와 같이 개개인의 cytochrome P450 (CYP) 효소 활성도가 약물반응에 미치는 효과는 대사능의 감소로 인한 모약물의 농도 증가 혹은 활성 대사물 생성의 감소, 대사능의 증가로 인한 활성 모약물의 감소 혹은 독성대사물의 생성 증가 등으로 각각 다르게 나타날 수 있으며, 이는 임상적으로 부작용의 발생, 치료의 실패, 혹은 적절한 치료효과의 유발 등으로 결과되어 진다. 최근, 인간 게놈지도의 완성과 더불어, 기능적 유전체학 (functional genomics)에 대한 관심이 더욱 증가되고 있는데, 약물유전체학 (pharmacogenomics)은 이의 도입이 가장 빠르게 이루어지고 있는 분야의 하나이다. 이 중, 생체이물질 (xenobiotics)의 대사에 관여하는 여러 가지 인체내 효소들에 대한 약물유전체학 연구는 적지 않게 알려져 있으며, 이러한 지식을 토대로 신약개발 과정에 활용은 물론 아주 단편적이기는 하지만, 일부 임상연구자들은 특정 약물대사효소의 개인별 유전형에 따라 개인별 약물용법을 설정하는 소위 ?harmacogenetics based pharmacotherapy疸¦ 시도하고 있는 실정이다. 역사적으로, 1800년대 말 생체이물질의 축합반응에 관한 연구로부터 시작된 약물대사연구는 1960년대 제약산업에서 약물의 산화 및 축합 대사의 중요성이 인지되고 1970-1980년대를 거치면서 축적된 방대한 양의 효소학 및 분자생물학적 자료가 지난 십수년간 인체에서의 약물대사에 관한 연구로 접목되면서 오늘날 인체에서 약물의 대사에 관여하는 특정효소의 규명 및 이에 영향을 미치는 유전적 요인 과 약물상호작용과 같은 환경적 요인을 이해하는 데 기여하게 되었다 (Gonzalez 1990). 간을 포함한 인체 조직으로부터 직접 얻은 약물대사효소 및 인체 cDNA로부터 발현시킨 대사효소, 혹은 인체 간세포 등을 이용한 in vitro 인체 약물대사 연구는 특히 약물의 대사경로에 관여하는 특정 대사효소의 규명 및 약물상호작용의 가능성을 실험실 연구를 통해 검색할 수 있게 함으로써 신약개발의 단계에서 보다 안전하고 효과적인 약물의 개발은 물론 임상에서 보다 안전하고 효과적인 개인별 약물요법의 설정에 필요한 자료의 확보에 기여하고 있다. 여기서는 인체 약물 대사효소중 산화대사의 대부분을 담당하고 있는 cytochrome P450 (CYP)을 중심으로 유전적 요인 및 약물상호작용에 의한 약물반응의 다양성을 소개하고 이의 임상적 의의 및 신약개발 단계에서의 활용 등에 관해 개략적으로 언급하고자 한다. 2. CYP 동효소의 약물유전학: 유전형 및 표현형 연구 약물 산화대사의 대부분 (약 80%)을 담당하고 있는 superfamily CYP 효소는 인체에서만 현재 11가지의 CYP family가 알려져 있는데, 이 중 약물의 대사에는 1-4 family의 CYP가 관여하며, 여러 가지 기질 약물들에 일정 수준의 특이성을 보이는 16가지 이상의 CYP 동효소 (isoform)가 현재 알려져 있다. Cytochrome P450의 유전적 결함에 의한 약리반응의 개인차는 1975년에서 1977년 사이에 서로 다른 두 그룹에서 항고혈압제인 debrisoquine과 항부정맥제인 spartein의 hydroxylation 대사능 (CYP2D6 동효소가 관여함)이 개인마다 다양한 차이를 보인다는 보고 등을 통해 처음 소개되었으며 (Mahgoub et al., 1977; Eichelbaum et al., 1979) 이후 CYP2C19에 의한 s-mephenytoin hydroxylation 등 유전적 다형성 (genetic polymorphism)을 보이는 CYP 동효소 들에 대한 본격적인 연구로 이어지게 되었다 (Kupfer et al., 1979). 현재, 유전적 다형성을 보이는 CYP 동효소는 이외에도 CYP2C9, CYP2E1, CYP2A6이 알려져 있으며, 이에 추가하여 CYP1A1, CYP1A2 및 CYP3A5가 유전적 다형성을 보이는 동효소로 기대되고 있지만 (Guengerich, 2000; Paulussen et al., 2000), 본문에서는 유전적 다형성을 보이는 일부 대표적인 CYP 동효소에 이들의 유전적 다형성을 제한적으로 소개하였다. CYP2D6 동효소는 전체 CYP 효소의 2%에 불과하지만 (Shimada et al., 1994) 항우울제, 항정신병 약물, 심혈관계에 작용하는 β-차단제 및 항부정맥제의 상당수 약물 등 50가지 이상 주요 치료약물의 대사에 관여하고 있으며, 유전적 다형성에 관한 연구가 가장 오랫동안 가장 많이 이루어져온 동효소이다. 이의 대사능은 주어진 인구집단에서 서로 다른 두 분포를 가지는 다형성을 보이므로 이를 기준으로 각 개인을 효소 활성도가 전혀 없는 poor metabolizer (PM)와 그렇지 않은 extensive metabolizer (EM)로 나눈다. 서구인 (caucasian)의 경우에는 PM군이 약 7-10%를 차지하지만 한국을 포함한 동아시아인의 경우에는 1% 미만이 PM에 속한다 (Bertilsson, 1995; Yoon et al., 2000). 한편, 두 개 이상의 CYP2D6*2 유전자를 가지고 있는 개체에서는 이의 활성도가 다른 사람들에 비해 현저히 커서 이의 CYP2D6 효소 활성도를 평가하는 지표 약물들 (debrisoquine, spartein, metoprolol, dextromethorphan)의 모약물/대사물의 비 (metabolic ratio: MR) 는 인구분포곡선에서 극히 왼쪽에 위치하게 되며, 이러한 개인을 별도로 ultrarapid metabolizer (UM)이라고 부른다 (Lundq-vist et al., 1999 ; Johansson et al., 1993). 이러한 표현형을 가진 피험자 분포는 서구 유럽인의 경우 약 5% (특히 스페인의 경우 7%), 아프리카, 특히 에디오피아인의 경우 인구의 29%가 이에 속하며, 이들에서는 심지어 13개의 CYP2D6*2 gene copy를 가지고 있는 경우도 보고 되고 있다 (Aklillu et al., 1996). PM군의 유전형에 대한 연구에서는 서구인의 CYP2D6 PM은 대부분 (95% 이상) CYP2D6*3, CYP2D6*4, CYP2D6*5, CYP2D6*6 및 CYP2D6*7 유전형을 가지고 있는 것으로 확인되며 (Marez et al., 1997), 반면에 일본인의 경우에는 Caucasian에서 상당부분을 차지하는 변이유전자인 CYP2D6*4 및 CYP2D6*3에 의하기보다는 CYP2D6*5가 PM 표현형을 주로 유발하는 것으로 알려져 있다 (Kubota et al., 2000). 본 교실에서의 최근 연구에 의하면 한국인에서 발견된 세명의 homozygous PM도 CYP2D6*5 유전형을 가지고 있는 것으로 나타났다. 반면, 일부 CYP2D6 유전형은 효소활성도가 일부 감소하는 표현형을 나타내는데 이러한 유전형은 CYP2D6*2, CYP2D6*9, CYP2D6*10, CYP2D6*17 등이 대표적이다 (Sachse et al., 1997). 이중 한국인을 비롯한 동아시아인의 경우 CYP2D6*10 유전형이 50% 이상의 allele frequency를 보여 이들 종족의 평균 CYP2D6 효소 활성도가 오히려 서구인 보다 상대적으로 낮은 원인이 되며 (Tateish et al., 1999; Roh et al., 1996; Wang et al., 1993), 짐바브웨이를 포함한 아프리카인에서는 CYP2D6*17 유전형이 이들 종족에서 CYP2D6 효소 활성도를 낮게 하는 주요 원인이 되고 있다 (Xiao et al., 1997; Masimirembwa et al., 1996). CYP2C19 동효소는 인체내에서 극히 작은 부분 (약 1%)을 차지하지만, omeprazole, lansoprazole, diazepam, propranolol, proguanil 등과 같은 상당수 치료약물들의 대사에 관여하는 효소이다. CYP2D6에 이어 두 번째로 이의 유전적 다형성이 알려졌으며, 특히 한국인을 포함한 동아시아인에서는 이의 PM 빈도가 높을 (12-21%)뿐만 아니라 이를 유발하는 유전형인 CYP2C19*2 및 CYP2C19*3 빈도가 서양인에 비해 매우 높아 (약 60%) 전체 평균 CYP2C19 효소 활성도도 현저히 낮다 (de Moraris et al., 1995; Roh et al., 1996). 따라서, 홍콩의 의사들은 오랜 동안 서구인 환자에게는 CYP2C19의 기질 약물인 diazepam을 10mg 투여하고 중국인을 포함한 아시아인 환자의 경우에는 이의 절반인 5mg만을 경험적으로 투여하여 왔는데, 이는 경험에 의한 적정약물요법이 후에 약물유전학적 연구를 통해 그 타당성이 밝혀진 예가 되고 있다. 현재는 중국의 소수 민족 (Bai) 및 서구인에서 CYP2C19 결함을 유발하는 또 다른 유전형들이 밝혀져 CYP2C19*8까지 7개의 CYP2C19 변이 유전형이 알려져 있다 (Ibeanu et al., 1999). CYP2C9 동효소는 CYP2C subfamily의 약 60%를 차지하며 실제 임상적으로 주요한 상당수 약물들의 대사에 관여하고 있다. 이의 대표적인 기질 약물로는 tolbutamide, warfarin, phenytoin, diclo-fenac, ibuprofen, flurbiprofen을 포함하는 상당수 비스테로이드 소염제 (NSAIDs), losartan, torasemide, 및 celecoxib 등이 속한다. CYP2C9 유전형의 분포도 종족간에 차이가 있어서 일부 약물들에서 활성도가 감소하는 CYP2C9*2 변이 allele가 서구인에서는 allele frequency가 0.1 정도로 알려져 있지만, 한국인과 동아시아인에서는 현재까지 발견이 되지 않고 있다. CYP2C9 동효소의 기질 약물인 warfarin의 청소율이 60% 이상 감소하는 heterozygous CYP2C9*3 변이 allele는 이들 동아시아인에서도 발견되며 인구의 약 5%가 이를 가지고 있는 것으로 보고되나, 효소활성도가 전혀 없는 homozygous CYP2C9*3 allele를 가진 환자는 발견이 되지 않고 있다. 이 변이유전자의 allele frequency도 서구인의 0.06-0.1에 비해서 동아시아인에서는 0.02 정도로 상대적으로 낮은 편이다 (Yoon et al., 2001). 3. CYP 동효소 유전적 다형성의 임상적 의의: 약물반응의 다양성 유전적 다형성으로 인한 개체간 및 종족간 CYP 동효소 활성도의 다양한 차이에 따른 임상적 결과는 매우 다양하게 나타난다. 우선, 활성대사물의 생성에 관여하는 CYP 동효소의 유전적 결함은 이들 환자에서 약물의 치료효과를 감소시키는 결과를 초래하게 된다. 대표적인 예로, CYP2D6 동효소에 의해 대사되는 codeine의 경우 CYP2D6 PM 환자에서는 활성 대사물인 morphine이 생성되지 않으므로 이에 의한 진통효과가 나타나지 않으며, 이 효소의 평균 활성도가 낮은 동아시아인에서는 동일용량의 codeine을 투여후 이의 치료효과가 서구인에 비해 상대적으로 낮게 나타나게 된다 (Caraco et al., 1999). 이와는 반대로 대다수 약물의 경우 대사 활성도가 유전적으로 낮은 PM환자 군에서는 상용량을 투여 후 약물농도의 증가에 따른 심각한 독작용의 발생이 문제가 된다. 예를 들면, CYP2D6 및 CYP2C19동효소 활성도가 낮은 환자에서는 이들의 기질 약물인 항우울제, 항정신병 약물, 및 β-차단제 등의 농도 증가에 따른 초기 부작용의 발생가능성이 크며, 기존의 항정신병 약물을 장기간 투여후 이의 부작용인 만발성 운동장애 (tardive dyskinesia)의 발생 빈도가 CYP2D6 PM 환자에서 높다는 보고 등 (Brosen et al., 1989; Lee et al., 1990; Armstrong et al., 1997)이 알려져 있다. CYP2C9의 경우에는 CYP2C9*3 변이 allele를 가진 환자에서 안전역이 매우 낮은 warfarin의 항응고 효과 증가에 따른 내출혈의 부작용 빈도가 상대적으로 높은 것으로 알려져 있다 (Aithal et al., 1999). 또한 이와는 달리 PM 환자에서 약물대사능의 감소에 따른 혈중 약물농도의 증가로 치료효과의 증가를 유발하는 경우가 있는데, CYP2C19 PM 환자의 경우에는 동일한 용량의 omeprazole (CYP2C19 기질 약물)과 amoxacillin을 2주간 병용 투여후 CYP2C19 PM 환자군에서 Helicobacter pylori 치료율이 EM 환자군에 비해서 휠씬 큰 것으로 보고된 바 있다 (Furuta et al., 1998). 이와는 반대로, EM 환자에서는 상용량의 omeprazole로 H. pylori 치료에 실패할 확률이 높다는 점이 문제가 된다. 한편, CYP 동효소의 활성도가 낮은 경우에는 독성대사물 생성의 저하로 약물의 부작용 발생 가능성이 낮을 수도 있다. CYP2E1 knockout mouse에서는 CYP2E1 동효소에 의해 생성되는 acetaminophen의 독성대사물 생성이 현저히 낮을 뿐만 아니라 이에 의한 간손상이 작은 것으로 보고 되고 있다 (Zaher et al., 1998). CYP 효소는 이와 같이 외부에서 투여된 치료약물의 대사에 관여할 뿐만 아니라, 체내에 유입된 여러 가지 발암전구물질 (procarcinogen)로부터 발암물질 (carcinogen)로의 변환 및 발암물질을 비활성 물질로의 변환에도 관여한다. 따라서, 유전적으로 결정되는 CYP 효소의 유전적 결함과 암 발생과의 상관관계에 대한 연구가 방대하게 이루어지고 있으며 이에 관한 자세한 내용은 捻隙悶で擒 논단에서 자세하게 설명될 것이다. 암 발생 이외에도, CYP 유전적 다형성과 상관관계를 명확하게 밝히는데는 실패했지만 정신분열병, Parkinson? disease, Huntington? disease 등 여러 가지 질환과의 관계를 규명하고자 하는 노력들이 있어 왔으며, 최근에는 일부 CYP 동효소가 혈관 수축의 조절 기능에 관여할 가능성을 제시하는 실험적 연구 결과들도 소개되고 있다 (Fisslthalher et al., 1999). 이러한 연구는 인체내 여러 가지 내재성 활성물질의 생성 및 대사에 CYP 효소가 관여할 것이라는 가정을 두고 출발하는 것으로 향후 이에 대한 연구는 심혈관 질환의 한 기전으로서 연구가 이어질 것으로 기대된다. 4. CYP 동효소에 의한 약물대사 및 상호작용 4.1. 약물대사 및 상호작용의 임상적 의의 및 예측 1998년 4월 5일자 Washington Post지가 미국의사협회의 연구결과를 인용한 보도에 의하면 미국에서 매년 처방에 따라 약물을 복용하는 약 200만명의 환자에서 심각한 약물부작용이 발생하며 이중 106,000명은 이로 인해 사망하는 것으로 추정되고 있다. 이중 상당수 부작용은 앞서 언급한 개개인의 유전적 소인 및 약물상호작용에 기인하는 것으로 기대된다. 따라서, 특정 약물의 대사에 관여하는 특정 CYP 동효소의 규명 및 이들 약물들이 특정 CYP 동효소에 미치는 효과 (약물대사유도 혹은 억제 상호작용)에 관한 자료는 대상 약물이 유전적요인에 의해 약리반응이 변형될 가능성 혹은 병용투여 약물과의 약물대사상호작용의 유발가능성을 예측하는 자료로 활용이 된다. 이의 예측을 위해 많은 연구자들이 특정 CYP 동효소의 기질약물, 억제제 및 유도제들에 관한 자료를 수집한 표들을 개발하고 있으며 (표 참조), 이러한 자료는 인터넷상에서 구할 수 있다. 다양한 조합의 병용투여 약물들에 대한 상호작용의 유발 가능성은 표에서 대상 약물들이 동일한 CYP 동효소의 대사유도 혹은 억제제 및 기질약물의 관계에 있는 지를 확인함으로써 어느 정도 예측 할 수 있을 것이다. 약물상호작용의 유해성은 모두가 다 잘 알고 있는 사실이다. 치료의 실패 혹은 심각한 독작용의 발생으로 인한 직접적인 유해효과는 물론, 상호작용의 발생 가능성은 치료효과가 우수한 약물의 임상사용을 제한하는 원인이 되기도 한다. 최근의 예로는 prokinetics인 cisapride 및 항히스타민제인 terfenadine을 들 수 있다. 이들은 모두 우수한 치료효과를 가지고 있으나 이들의 대사에 관여하는 CYP3A4 동효소를 억제하는 타 약물들과 병용 투여시 이들의 농도 증가에 따른 치명적인 심실성부정맥의 발생이 문제가 되어 시중에서 이의 사용이 극도로 제한되거나 시판중지 되었다 (Friedman et al., 1999). 심지어, calcium channel 억제제인 mibe-fradil의 경우는 그 자신은 전혀 독작용이 없음에도 불구하고 타 약물의 대사를 강하게 억제하는 특성때문에 시판후 10개월 이내에 시판허가가 취소된 경우로 약물상호작용의 심각성을 잘 보여주는 예가 되고 있다. 4.2. 약물대사 및 상호작용의 검색기술 약물의 인체내 대사에 관여하는 효소의 규명은 in vivo 연구에서와 in vitro 연구의 두 가지 방법으로 가능하다. 인체 in vivo 연구 방법은 특정 대사물의 생성과정에 있어서 특정 CYP 동효소의 선택적 억제제를 이용하거나 혹은 유전적으로 특정 CYP 동효소 활성도가 전혀 없는 PM 및 그렇지 않은 EM 군에서 각각 특정 대사물의 생성정도를 비교함으로써 해당 CYP 동효소가 이 약물의 대사에 관여하는지를 평가하는 두 가지 방법이 있다 (LLerena et al., 1992; Caraco et al., 1996). 하지만, 이 방법은 유전적으로 다형성을 보이는 CYP에서 PM 및 EM 군이 다 확보되어야 하며, 선택적 CYP 억제제를 이용하는 경우에도 상호작용 유발에 따른 부작용 발생의 위험은 몰론 피험자가 약물에 노출된다는 자체가 윤리적으로 부담이 되며, 또한 이러한 in vivo 연구는 엄청난 연구비를 필요로 한다는 문제점을 내포하고 있다. 하지만, 1980년 후반부터 본격적으로 시작된 인체 간 마이크로솜을 이용한 in vitro 약물대사 연구는 (Lin and Anthony, 1998), 인체 in vivo 연구에 따른 피험자의 위험부담 없이 생성되는 대사산물 및 이의 생성에 관여하는 CYP 동효소를 포함한 제 1 및 제 2상 약물대사에 관여하는 여러 가지 효소의 규명 및 이들에서 상호작용의 발생가능성에 대해 보다 용이하게 예측할 수 있는 방법을 제공하게 되었다 (Bertz and Granneman, 1997). 장기이식에 사용하기가 부적합한 간조직 및 외과적 간절제술 과정에서 부수적으로 나오는 간조직을 이용하여 얻어지는 마이크로솜은 기존에 동물 간조직으로부터 얻어진 마이크로솜 혹은 간세포를 이용한 약물대사 연구와는 달리 불확실한 외삽 과정 없이 인체내 약물대사 과정을 보다 직접적으로 정확하게 이해하는 수단을 제공하였으며, 특히 CYP 동효소들의 유전자 구조가 밝혀지고 이로부터 이들 동효소의 cDNA를 이용한 해당 효소 단백질의 발현을 통한 인체 재조합 CYP 동효소의 생성 기술은 in vitro 인체약물대사 및 상호작용 연구의 광범위한 확산에 크게 기여하였다 (Distlerath and Guengerich, 1987; Gonzalez, 1990). In vitro 상에서 인체 CYP 효소에 의한 약물대사 관련 연구는 크게 대사물의 생성과 이의 생성에 관여하는 CYP 동효소를 규명하는 연구와 in vitro 상에서 약물상호작용을 평가하고 이로부터 인체 in vivo 상호작용의 가능성과 그 정도를 예측하는 연구로 구분할 수 있다 (Guengerich, 1994; Lin and Lu, 1998). 우선, 특정 대사물의 생성과 이의 생성에 관여하는 CYP 동효소의 규명에 관한 연구는 다음의 몇 가지 연구방법을 통해 이루어진다. 첫 번째, 인체 간 마이크로솜을 이용하여 대상 약물로부터 특정 대사물의 생성을 확인하고 이의 생성을 억제하는 선택적인 CYP 동효소 억제제를 이용한 대사물 생성 억제 여부를 평가하는 방법이 우선 이용된다. 두 번째로는, 각각 다양한 약물대사능을 가진 여러개의 인체 간 마이크로솜을 이용하여 각 CYP 동효소의 특정 기질약물의 특정 대사물 생성 정도와 평가 대상 약물의 해당 대사물 생성 정도와의 상관성 평가를 통해 대사과정에 관여하는 CYP 동효소를 탐색한다. 세 번째로는, 인체 간 마이크로솜에 의한 대사물 생성에 대해 각 CYP 동효소에 선택적인 항체를 이용하여 대사과정이 억제되는지 여부를 평가한다. 네 번째로는, 각 CYP 동효소의 인체내 cDNA로부터 과발현된 CYP 동효소 단백질 (cDNA expressed supersome)을 이용하여 해당 CYP 동효소에 의한 대사물 생성 여부를 평가하는 방법이 있다. 약물대사 과정을 규명하는 연구는 상기의 어느 한가지 방법만을 선택하기보다는 상기의 방법 (2-3가지 이상)들을 함께 수행하여 종합적으로 판단하는 것이 일반적이다. 이상의 연구에 있어서 여건이 될 경우에는 마이크로솜 이외에 인체 간세포 혹은 조직을 이용하여 첫 번째 및 두 번째 연구방법으로 진행할 수도 있으나 비용이나 시료 확보의 어려움 등으로 인해 이 연구에 있어서는 아직 광범위하게 사용되고 있지는 않다. In vitro 약물대사 상호작용을 평가하는 연구에는 인체 간 마이크로솜 외, 간세포나 혹은 간 조직이 (특히 대사유도 연구에는) 이용된다. 대사억제 상호작용 연구는 마이크로솜을 이용할 경우 병용 투여가 예상되는 두 약물의 상호작용을 in vitro microsomal incubation을 통해 직접 평가하며, 이 때 억제되는 특정 CYP 동효소를 규명하기 위해서는 해당 약물이 특정 CYP 동효소에 의해 대사되는 선택적인 기질약물의 지표 대사경로 (probe metabolic pathway)를 억제하는가 여부를 평가하므로써 간접적으로 예측하고, 만일 대사 억제가 확인 될 경우에는 그 기전 (competitive, noncompetitive, un-competitive 등) 및 정도를 평가하게 된다 (Lin and Lu, 1998). 이때, 양성 대조군으로 잘 알려져 있는 각 CYP 동효소의 선택적인 대사 억제제와 억제 효과를 비교 평가하므로써 대상 약물의 억제 정도를 측정할 수 있다. 이와 같이 in vitro 약물상호작용 정도 및 그 억제 유형 (type of inhibition)에 대한 자료로부터 해당 약물의 작용부위 약물농도를 추정할 수 있는 자료를 이용하여 in vivo에서 약물상호작용의 정도를 정량적으로 예측 (in vitro to in vivo prediction)하는 노력들이 있으며, in vivo 상태에서 작용부위 약물농도에 관한 자료만 충분하다면 in vitro 자료부터 비교적 정확하게 in vivo 상호작용을 예측할 수 있다 (Bertz and Granneman, 1997; von Moltke et al., 1994). 인체 간 마이크로솜을 이용한 연구에서는 in vitro 대사억제 외에 대사 활성화 (activation) 여부도 확인할 수 있다 (Ekins et al., 1998). 이상의 대사억제를 평가하는 연구에는 마이크로솜을 대신하여 간세포나 간 조직을 직접 이용할 수도 있다. 두 번째로는 인체 cDNA로 과발현된 CYP 효소를 이용하여 특정 대사경로에서 이의 생성을 확인하고 이에 대한 대사억제제 후보 물질의 억제효과를 평가하므로써 대사 억제 상호작용이 어떤 CYP 동효소의 대사능 억제에 의한 것인지 또한 어느 정도 억제하는지를 평가할 수 있다. In vitro 대사유도 연구를 위해서는 분리된 인체 간세포를 이용하거나 간조직을 직접 이용하여야 한다. 현재, cDNA 발현 CYP 효소 및 cryopreserved human hepatocyte가 상품화 되어 있으므로 이들을 직접 구입하여 사용하거나 여건이 된다면 실험실에서 직접 제작하여 사용 할 수도 있을 것이다. 최근, CYP 대사 유도의 기전이 알려지면서 이에 관여하는 다수의 nuclear receptors (예, Ah, CAR, PXR, 등) 및 DNA response elements에 관한 정보가 쏟아져 나오고 있어 (Waxman, 1999; Hokakoski and Ne-gishi, 2000) 이들 CYP의 gene regulation을 규명하는 연구들도 활발하게 진행되고 있다. 신약개발 과정에서 in vivo 상호작용 연구는 막대한 연구 경비에 비해 얻어지는 정보가 비교적 제한되어 있으며 (특히 상호작용 기전 등에 관한), 인체를 대상으로 상호작용 연구시 부작용의 발생 가능성 등을 감안할 때 윤리적으로 문제가 될 수 있을 뿐만 아니라, 특히 이러한 in vivo 상호작용 연구가 임상시험 2상 이후 단계에서 이루어짐으로써 심각한 약물상호작용의 유발이 확인되어 개발을 중지하는 상황이 발생할 때에는 그동안의 임상시험을 통해 투입된 막대한 경비와 불필요하게 피험자가 신약 후보 물질에 노출되었다는 윤리적 문제 등의 부담 발생을 줄일 수 있다는 점에서, 미국 식약청에서는 1997년 4월 제시한 努탑析낱ß 과정에서 in vitro 약물대사 및 상호작용에 관한 연구의 필요성에 대한 지침서淡【 제 2상 임상시험 전에 이에 대한 자료를 확보하도록 이미 요구한바 있다 (FDA, 1997). 하지만, 대부분의 신약개발에 참여하고 있는 다국적 제약기업들은 최근 적지 않은 수의 시판중인 약물들이 약물상호작용에 의한 부작용 발생의 이유로 시판중지 당하거나 판매가 제한되면서 (예, terfenadine, cisapride, mibefradil 등), 아예 전임상시험 단계 혹은 제 1상 시험단계에서 이미 인체 간 세포 혹은 마이크로솜을 이용하여 신약후보물질에 대한 약물대사 및 상호작용을 검색하는 것이 일반적이다. 5. 약물대사의 약물유전체학 및 약물상호작용 연구의 활용 및 향후 전망 5.1. 신약개발 과정에서의 활용 제약기업과 연구기관으로 구성된 SNP Consortium은 이미 30만개의 SNPs를 공개하였고, 향후 2001년 4월까지 60만-80만개의 SNPs를 찾아낼 것으로 기대하고 있다 (Roses, 2000). 이와 같이 제약기업의 유전적 다형성에 대한 관심에서 알수 있듯이 SNP mapping technology는 첫째 신약개발에 직접 활용이 될수 있다. 제 2상 임상시험에서 확인된 약물반응에 대한 유전체 profile은 제 3상 시험에서 유전체 profile의 사전평가를 통해 효능이 있을 것으로 예측되는 균질한 피험자군을 선정함으로써 신약후보 물질의 효능 평가에 있어서 보다 적은 수의 피험자를 대상으로 보다 빠르고 적은 비용으로 진행할 수 있으며, 또한 유전적 배경을 지닌 피험자에 의해 특정 신약후보 물질의 효능이 부적절하게 평가됨으로써 시판 전에 사장되는 문제를 피하는데 기여할 수 있다. 마찬가지로 특히 부작용이 많이 발생하는 피험자들의 유전체 profile은 부작용의 발생이 약물에 기인하는지 개개 환자의 유전적 배경에 의해서 발생하는지에 대한 정보를 제공함으로써 신약개발의 지속여부를 결정하는데 도움이 될 뿐만 아니라 향후 이 약물의 임상적용에 있어서 개인의 유전적 배경에 따라 개인화된 적정 약물요법 (personalized pharmacotherapy)을 시행하기 위한 기본 자료로 활용될 것이다 (Roses, 2000). 약물대사 과정에서 약물유전학 및 상호작용 등의 문제는 약물개발과정의 초기 단계에서 특히 중요하다. 수많은 신약후보물질 중에서 신약으로 개발되는데 있어서 특히 주요한 것은 이 물질의 생체유용율 (bioavailability)이 문제가 되며, 이의 조기 검색은 약물의 흡수 및 초회통과효과 등에 영향을 미치는 대사효소 및 약물수송단백 (예, 소장상피의 P-glycoprotein)의 기질약물인지의 확인 및 이 단계에서 약물상호작용을 유발하는지의 확인을 통해서 이루어진다. 만일 신약후보물질이 유전적으로 다형성을 보이는 이들 CYP 동효소에 의해 대부분 대사가 된다면, 약물반응의 개인차가 클 것이므로 이로 인해 충분한 경쟁력을 확보하기가 어려울 것이다. 마찬가지로, 약물상호작용의 가능성이 클 것으로 기대되는 신약후보물질도 병용 투여시 상호작용으로 인한 개개인의 약물반응 차이가 클 것으로 예상되어 경쟁력이 낮을 가능성이 크다. 5.2. 개인별 맞춤형 약물요법 (personalized tailored pharmacotherapy)의 시행 개개인의 유전적 요인에 의한 약물반응의 다양성을 예측하고, 이를 고려한 약물요법의 시행이 이미 일부 학자 및 연구소에서 조심스럽게 시작되고 있다. 대표적인 예가 CYP2C19 유전형에 따른 proton pump inhibitors들의 개인별 용법의 설정, CYP2D6 및 CYP2C19등의 유전형에 따른 정신과 영역의 약물들에 대한 초기 용법의 설정 등을 들 수 있다 (Stingl et al., 2000). 마찬가지로, 약물상호작용의 예측을 통한 적정 병용요법의 설정도 광범위한 자료의 구축을 통해 이루어지며, 향후 자료의 전산화를 통한 이의 검색은 보다 손쉽게 이들 자료를 활용하는 지름길이 될 것이다. 하지만, 약물상호작용에 관한 자료의 완벽한 구축은 단순히 약물-약물 상호작용뿐만 아니라 나아가서는 음식물-약물, 한약 혹은 기능성식품과 약물과의 상호작용에 이르기까지 보다 광범위한 연구가 전제가 되어야 한다 (Obach, 2000). 이와 같이 엄청나게 많은 경우의 약물, 음식물, 한약 등의 조합에 대한 상호작용의 예측을 위한 자료의 축적은 기존의 in vivo 연구를 통해서는 거의 불가능하며, 앞서 소개한 in vitro 상에서 인체내 약물상호작용을 검색하는 기술이 크게 활용 될 것으로 기대된다. 일차적으로 in vitro 상에서 검색후 문제가 되는 경우에 대해서만 in vivo 연구를 통한 확인이 이루어진다면 보다 빠르고 효율적으로 자료의 축적이 이루어질 것이다. 최근에 소개되고 있는 각 CYP 동효소에 의한 약물상호작용을 예측하기 위한 pharmacopore model의 개발은 상호작용을 보다 더 쉽게 예측하는 지름길이 될 수도 있을 것이다 (Ekins et al., 2000). 개인별 맞춤형 약물요법의 시행을 위해서는 약물대사효소 이외에 약물반응에 관여하는 모든 생체단계 (약물수송단백, 약물수용체, 이온통로, 효소 등)에 대한 유전적 및 환경적 요인에 대한 자료가 축적되어야 하겠지만, 우선 약물대사효소에 관한 자료는 동일한 치료효과를 얻기 위해 필요한 개인별 약물용법 설정에 적어도 상당히 기여할 것으로 기대된다. 5.3. 연구개발 방향 약물대사효소의 약물유전학은 functional genomics의 선두 분야 중의 한 영역이라 할 수 있지만, 여전히 효소 활성도 변화가 관계 있는 유전자 변이에 대한 정보의 추가적인 확보 및 이를 빠르고 효율적으로 검색할 수 있는 방법 및 표현형의 평가를 위한 효소활성도 변화의 평가 등 전 분야에 걸쳐 기술의 개발이 더 필요하지만, 일부 변이유전자 검색 및 약물상호작용의 검색기술은 매우 빠르게 발전하고 있다. 우선, 기능적으로 문제가 되는 유전자 변이를 검색하기 위한 방법으로는 최근 Gene Chip 기술이 급속하게 발전하고 있으며, 이중 약물대사 효소, 특히 CYP 동효소의 여러 가지 변이 allele를 동시에 screening 하기 위한 Gene Chip은 이미 연구목적으로 활용되고 있는 단계로 임상 이용의 시기가 멀지 않은 것으로 기대되고 있다. 왼쪽의 그림 (Fig. 2)은 Affymatrix사에서 개발된 CYP Gene Chip으로 이는 15개의 CYP2D6 변이 allele와 3개의 CYP2C19 allele를 동시에 검색할 수 있다. 이외에도 몇몇 회사에서 다양한 방식의 CYP DNA chip을 개발중에 있으며, 이들은 기존의 Affymatrix chip 보다 더 많은 수의 CYP 동효소 변이 allele를 동시에 검색할 수 있는 것으로 알려지고 있다. Matrix assisted laser desorption ionization time of flight (MALDI-TOF) mass spectrometry (MS)은 high through-put pharmacogenomics의 또 다른 기술의 하나이다. 효율적인 유전체 검색기술과 함께 고효율 효소 활성도 검색기술의 개발도 빠르게 진행되고 있으며, in vitro 인체 약물대사 및 상호작용에 관한 연구는 이러한 기술의 도입에 크게 기여하고 있다. 현재 세계적인 대형 제약기업에서 신약개발의 핵심기법으로 활용하고 있는 combinatorial chemistry 기법을 이용한 수만, 수십만개의 합성화합물로 부터 신약후보물질을 도출하기 위한 핵심기술로 빠르고 경제적인 고효율 검색과정에 활용되고 있는 high throughput technology에 in vitro 약물대사 및 상호작용 검색기술이 적극적으로 접목․활용되고 있다 (Bu et al., 2000). 이 외에도 일부에서는 column내 각종 CYP 동효소를 부착하여 화합물이 column을 통과하는 동안 생성된 대사산물과 모약물을 이와 연결된 HPLC system으로부터 측정하고 그 결과로부터 one stop system으로 인체 약물대사 및 상호작용을 예측하는 기법의 개발 등 in vitro에서 CYP에 의한 대사를 연구하는 활용기법은 보다 다양하고 빠르게 발전할 것으로 기대된다. 참고 문헌 1. Aithal, G. P., Day, C. P., Kesteven, P. G., and Daly, A. K. (1999) Lancet 353, 717-719. 2. Aklillu, E., Persson, I., Bertilsson, L., Johansson, I., Rodrigues, F., and Ingelman-Sundberg, M. (1996) JPET 278, 441-446. 3. Armstrong, M., Daly, A. 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