Visomitin (SKQ-1)의 기능연구 리뷰

안구 건조증 경쟁사를 조사하다가 매우 흥미로운 약물을 발견해서 오늘 소개하고자 합니다.

비소미틴(visomitin)이라는 약물은 code name이 SKQ1으로 스쿨라쵸브 퀴논 1(skulachev's quinone)의 약자입니다. 이름에서 눈치채셨겠지만 러시아에서 개발된 약물입니다.

visomitin [SKQ-1]

 

이약물이 흥미로운 것은, 지금은 안구 건조증 치료제로 연구가 되고 있지만, 이전에 대규모 프로젝트로 항산화제인 SKQ1이 어디에 효과가 있을까? 연구들이 동물에서 진행되었습니다. 노화와 관련된 질병을 타깃으로 연구를 진행했고, 결과적으로 약물이 동물에서 노화를 억제하고, 암 형성 억제, 안구 질환에도 효과가 있다는 것을 밝혀냅니다.

 

 

1. Mechanism of SKQ1

Mechanism of Action

먼저 SKQ1의 개발 History를 말씀드리면, 1970년대에 세포 소기관 중 유일한 negative charge를 가지고 있는 미토콘드리아를 타깃 할 수 있는 양성자 이온이 있을 것으로 가설을 검증한 사람이 스쿨라쵸브입니다. 이런 이온은 "스쿨라쵸브 이온"이라고 합니다. 이런 스쿨라쵸브 이온 중 하나는 Tetraphenylphosphorium입니다. 이것은 lipophilic 한 성질을 가져서 세포로 이동할 수 있는 특성을 부여합니다. 또한 양이온이 있어서 negative charge를 가지는 미토콘드리아에 세포외부보다 1,000배 더 높은 농도로 축적됩니다. 

항산화 효과를 가지는 Plastoquinone은 미토콘드리아 내의 ROS와 결합해서 ROS를 중화합니다. 그리고 미토콘드리아 내에 양이온이 들어와 막 전위차를 낮추게 됩니다. 이런 막 전위 차의 감소는 ROS의 발생을 억제합니다. 

• direct neutralization of ROS due to the oxidation of plastoquinone
• decreasing mitochondrial membrane potential.

이런 두 가지 기능을 통해 ROS 발생에 매우 중요한 역할을 하는 mtROS를 중화하는 것 질병 발생을 억제할 수 있습니다. 

 

2. Why is ROS scacenging in mitochondria important?

ROS scavenging in mitochondria

mtROS는 염증에 매우 중요한 역할을 하고, DNA oxidation은 DNA instability를 유도하여 발암을 유발합니다. 또한 이런 ROS는 또한 노화과정에 매우 중요한 역할을 하기 때문에 mtROS를 없애 주는 SKQ1은 염증과 노화 관련된 질병 발생을 감소시킬 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다. 

 

3. Mitotech Pipeline

mitotech pipeline

SKQ1을 이용하여 치료제를 만드는 회사는 mitotech입니다. 현재는 SKQ1을 이용하여 안과질환을 indication으로 임상시험을 진행하고 있습니다. 가장 앞서가는 것은 안구건조증(Dry eye disease)으로 임상 3상으로 미국에서 진행하고 있습니다. 또한, 녹내장(glaucoma), 포도막염(Uveitis), 건성 황반변성( Dry AMD), LHON과 같은 안과 질환이 임상 2상으로 진행하고 있습니다. 

 

1) SKQ1 products

현재 안구건조증으로 러시아에서는 출시되었고, 또한 화장품과 상처치료제로써 사용되고 있습니다. 

mitotech products

 

3. [REVIEW ] An attempt to prevent senescence: A mitochondrial approach

소개하는 논문은 2003년부터 개발이 된 SKQ1이 2009년까지 대규모로 연구를 했고, 그동안 출판한 논문을 정리해서 발표한 첫 논문입니다. 

an attempt to prevent senescence

1) Favorable effects of SkQ1 shown on heart arrhythmia, heart infarction, stroke, and kidney ischemia

SKQ1 review paper

먼저 노화와 관련된 질병들에 연구를 진행하였습니다. 심장, brain, kidney 같은 연구를 진행했고, 이들이 모두 ROS와 연관되어 있는 것을 확인하였습니다.. ischemia를 주고, reperfusion을 하게 되면 혈액 공급이 못한 상태에서 혈액이 들어오면 hydrogen peroxide에 의해 대미지가 발생합니다. 이것은 arrythmia를 유발하게 되는데, 부정맥 지표가 올라가게 됩니다. 또한 myocardial infarction area를 측정하여 심근세포의 손상을 측정한 결과 250 nmol까지 투약했을 때는 감소하다가 500 nmol에서는 그 효과가 사라지는 것을 확인할 수 있었습니다. 

Kidney에서 미치는 효과를 먼저 세포 실험에서는 저산소 조건 이후 산소 조건을 올려주는 조건에서 생존율이 높은 것을 확인했습니다. 형광이 달린 skQR1을 이용하여 rat에 iv injection을 하고 시간에 따른 kidney에서 SKQ1의 분포를 확인했습니다.  사구체의 slice를 통해 시간이 흐를수록 증가하고 3일에도 여전히 존재하는 합니다.

 H-J 패널은 40분간 ischemia 조건을 만들고, 10분 동안 reperfusion 하여 DCF fluorescence로 측정한 결과입니다.. 이 결과를 통해 kidney에서 skQ1가 잘 전달되고, 오랫동안 머물면서 ROS를 중화시켜준다는 것을 알 수 있었습니다.

SKQ1 review paper

다음은 kidney의 기능을 측정하는 지표를 확인하였습니다. diuresis (이뇨). blood creatinine,  glomerulal filtration (사구체 여과) 칼슘 재흡수 같은 지표를 봤는데 결론적으로는 기능을 향상하지 못했습니다.

single kidney rat에서 ischemia/reperfusion 한 모델에서 생존율은 약물을 주지 않은 그룹은 6일 내 모두 사망하였지만 1 umol을 투약한 경우는 I/R에 상관없이 생존율에 영향이 주지 못했습니다. 그리고 거의 반년 이상을 살았다고 합니다. 또한, brain 대미지의 미치는 효과를 확인하기 위해서 뇌출혈을 유발하여 뇌에 혈액이 들어가게 되면 뇌에 ischemia 조건이 형성됩니다. ischemia를 유도하기 하루 전에 SKQ1 injection 한 군이 control 군보다 뇌손상이 절반 이상 감소하는 것을 확인할 수 있었습니다. 이것을 통해 ROS induced apoptosis의 억제는 신경에서도 좋은 효과를 보인다고 할 수 있었습니다.

 

2) SkQ1 inhibits tumor development in p53-deficient mice

SKQ1 review paper

ROS가 노화 과정에 중요한 요소이며, 특히 ROS는 발암과정에서 중요한 역할을 합니다. DNA oxidation은 DNA instability를 유도하여 발암을 유발하기 때문에 antioxidant는 발암과정에서 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.

이 그룹에서 궁금하는 것은 2가지였습니다. 약물을 지속적으로 먹어서 암 발생이 억제되는지와, 이미 발생한 암을 치료하는 효과를 알고 싶었습니다. 첫 번째 질문은 p53 knock out 마우스 모델을 이용했고, 두 번째 질문은 xenograft를 이용하여 확인하였습니다.

p53 knock out mice의 특징은 일단 ROS 레벨이 높다는 것입니다. 그리고 약 3개월 때부터 자연스럽게 neoplasm이 일어납니다. 그중에 가장 많이 발생하는 암은 T, B cell lymphoma으로 70-90%를 차지합니다. 5 nmol skQ를 를 매일 섭취한 mouse의 spleen에서 그렇지 않은 군보다 ROS 레벨이 두배 감소한 것으로 확인되었습니다.

 

먼저 지속적으로 SKQ1를 섭취한 마우스에서는 생존율이 훨씬 긴 것을 확인할 수 있습니다. 특히 약 180일 control 군에서 생존율이 확 떨어지는 반면 skQ1 섭취군에서는 거의 변화가 없는 것을 확인할 수 있습니다. 이것을 통해 이들은 skQ1은 life cycle의 초기 단계에 작용해서 생존율에 영향을 준다는 것입니다.  NAC 또한  antioxidant인데요. 그래프를 보시면 동일한 결과를 얻을 있었지만, 농도 차이는 백만 배 차이가 나는 것을 알 수 있습니다. 이로써 더 적은 용량은 survival을 향상한 결과를 얻을 수 있었습니다.

이런 초기에 작용하는 SKQ1의 항암 효과는 다른 in vitro, in vivo 연구를 통해 anti angiogenesis 효과 때문이라 이야기하고 있습니다. 이것은 NAC에서도 동일하게 나타나는 효과입니다. 그리고 이들이 계속 신경 쓰는 것이 농도에 따른 efficacy입니다. B는 개체가 50%가 죽는 시간을 농도별로 정리한 것입니다. 보시면 농도가 5 nmol까지는 증가하지만 이후는 감소하는 것을 확인할 수 있습니다.

 

두 번째 질문, 이미 만들어진 암에 치료적인 효과가 있는지 확인하기 위해, HCT, colon cancer, p53이 KO 된 거, 아닌 암세포를 xenograft 했습니다. 이들 p53-/- 암세포는 ROS가 증가된 상태입니다.  p53 positive colone cancer의 경우, p53이 DNA repair에 관여하는 경우 크게 종양이 자라지 못합니다. (p53의 역할이 DNA repair 기능도 있는데 발생한 ROS의 의한 DNA 대미지에 암이 더 빠르게 성장하는 반면에 skQ1이 ROS를 중화하여 DNA damage 유발을 억제하는 것 같습니다. ) 하지만 DNA repair 기능이 없는 상태와, ROS가 높은 상태는 암이 더욱 잘 자라는 조건이 됩니다. 약 3배 정도 잘 자라는 반면 SKQ1으로 ROS를 조절한 경우는 암의 성장이 p53 positive cell 유사합니다.

siHa는 cervical cancer로 HPV의 oncoprotein을 포함하고 있는 cell인데요. 이것은 내적인 발암 효과를 통해 발생하는 암이라고 할 때 이 약물은 p53-/- 에 효과적으로 작용하는 약물임을 알 수 있습니다. 이 말인즉슨 ROS에 의해 발생하는 암을 효과적으로 조절한다는 말이 될 수 있습니다.

 

3) SkQ1 treatment of eye diseases. SkQ1 returns vision to blind animals

SKQ1 review paper

이제 안구 질환에 대한 연구가 나옵니다. 안구는 ROS에 굉장히 취약할 수밖에 없는 구조입니다. ROS의 타깃이 되는 poly-unstaturated fatty acid 레벨이 높고, 빛을 보는 곳이기 때문에 빛에 의한 ROS 발생이 많습니다. 또한 산소가 풍부한 혈관이 지나가고 있어 ROS에 생성도 잘되고, ROS에 의해 공격받을 수 있는 특징이 있습니다.

 

여기서 사용하는 동물 모델은 OXYS rat 모델입니다. wistar rats에 galatose-rich diet를 하고 cataractgenesis가 잘 일어나는 rat만 다시 인브리딩하여 노화를 촉진시킨 rat model입니다. 이 모델의 특징이 노화가 매우 빠르면, ROS 레벨이 높아 oxidative stress가 높고, 2.5-3개월이면 이미 cataract나 retionpathy가 나타나게 됩니다.

 

A, B 모델에서는 1.5 개월부터 skQ1을 섭취하게끔 했고, cataract(백내장)과, rethnopathy(망막증)의 지표들이 나이가 증가하고 망막증이 높이 나타나지만 skQ1을 섭취한 그룹에서는 그 정도가 감소되는 것을 확인할 수 있었습니다. 그리고 C 패널은 electro retiongram입니다.  빛에 의해 망막의 전기적인 반응을 측정하는 결과입니다. 보시면 skQ1을 먹지 않은 그룹에서는 망막의 전기적인 신호가 잘 나타나는데요. 24개월이 되면 모양의 뭉그러지는 것을 볼 수 있는데요. 이것은 망막이 기증을 제대로 못한다는 의미가 됩니다. 같은 skQ1을 지속적으로 먹은 24개월 rat은 감소하긴 했지만 그 모양이 유지되는 것을 확인할 수 있습니다.

 

마찬가지로 D, E, F 패널은 24개월에 망막의 slice로 구조를 확인한 결과입니다. D는 wide type wistar로 24개월이지만 1, 2,3,4,5 구조가 살아 있습니다. 반면에 24개월 OXYS rat은 1,2,3번이 없어진 것을 알 수 있습니다. 간상세포와  outer nuclear layer, outer plexiform layer가 사라진 것입니다. 반면에. 1.5개월부터 SkQ1을 섭취한 oxys rats은 1,2,3번 구조가 유지되는 결과를 확인할 수 있었습니다.

이 결과를 통해 skQ가 캐터렉트와 레티노퍼씨의 발생을 억제하는 효과를 가지는 것을 확인할 수 있었습니다. 지금까지 cataract, retinopathy의 발생을 억제하는 결과를 봤다면, GH 경우는 이미 cataract와 retinopathy가 발생한 9개월짜리 oxys rat의 catract , retinopathy의 지표들이 치료 전에는 높았다면, 0.25, 1uM에서 감소되는 것을 볼 수 있고, 농도가 높아지면 결과가 안 좋게 나타나는 결과를 얻었습니다. 이것은 농도가 높아짐에 따라 prooxidant 활성이 일어나기 때문입니다.

 

 

 

I, J는 노화에 따른 immune system 감소를 skQ1이 어떤 영향을 미치는지 확인하였다.  I는 thymus의 퇴화를 확인하였고, spleen의 folicles의 size가 노화에 의해 감소하지만 skQ 처리군에서 줄어들지 않는다는 것을 확인하는 연구가 진행되었습니다.

K의 경우는 안구 내 humor fluid의 NO2와 NO3와 같은 ROS 레벨을 특정하였습니다. arrestin이라는 물질로 Uveitis (포도막염)을 유도한 경우 NO2, NO3의 레벨이 증가되지만 skQ에 의해 이 레벨이 감소되는 것을 확인할 수 있었습니다. 그리고 부가적인 실험인데 L은 강아지를 이용한 모델이고요. 이dog는 유전적인 retina dysplasia, 퇴화에 의해서 실명이 된 개였는데요.  electro retinogram을 보면 skQ1을 점안하기 전에는 v-wave가 잘 안 보이는 것을 확인했고, 27일간 점안한 경우와 42일 점안한 경우, 거의 42일에는 정상적인 v wave 모양을 확인할 수 있습니다. 유전형 retina dysplasia의 의해 실명된 개의 시력을 찾게 된 것입니다. 하지만 이런 그래프가 사물을 구별하는데 우리가 생각하는 시력 회복인지는 좀 더 알아봐야 할 것 같습니다.

SKQ1 review paper table

table 순서가 조금 바뀌었지만, 실명한 동물 모델들을 이용한 연구를 진행한 결과를 표로 정리한 내용이 있습니다. 여기에 있는 동물들 dog, cat, horse 같은 동물들은 수의사들이 conventional medical treatment에 실패한 동물들 135마리를 대상으로 SKQ1을 점안한 결과입니다. 보시면 dog 같은 경우 58의 blind 중 46마리의 시력이 회복되었고, 다른 동물들도 시력이 돌아왔습니다. 총 89마리가 완전 blind 였는데, 67마리 시력이 돌아온 것입니다. 또한 시력 향상도 46마리 중 42마리가 시력이 향상된 것 을 확인하였습니다.

매우 놀라운 결과를 얻었습니다.

녹내장 rabbit에서 glaucoma 실험하였고, 5uM에서 좋은 녹내장을 평가하는 지표가 좋아졌고, 다른 안과 질환인 Uveitis, conjunctivitis, conear disease 등 다양한 동물에서 개선되는 효과를 확인하였습니다. 이런 동물에서 얻은 놀라운 효과는  유전적인 retinal dysplasia (degeneration)에 발생하는 실명을 고치려는 시도가 이미 있었습니다.  마이토콘드리아의 항산화를 통해 개선시키려는 노력은 MItoQ1 약물에서도 진행되었지만 실패한 것이다. 왜냐면 농도가 높았지만 antioxidant가 prooxidant 효과로 전환되는 window가 매우 좁았기 때문입니다.

 

4) SkQ1 prolongs lifespan and retards senescence

SKQ1_노화

SKQ1가 lifespan에 미치는 효과를 연구한 내용입니다.

포도스퍼라 안세리라 라는 노화 연구를 하는 fungus 모델인데요. SKQ1을 포함하는 agar 배지에서 키웠을 때, SkQ1는 노화 초기에 효과를 보입니다.  21일 차에 SKQ1이 없는 조건에서는 70%가 죽는데 반해 skQ1 처리 조건에서는 약 25%만 감소하는 것을 확인할 수 있었습니다. 그리고 세리오다프니아 애피니스 경우는 작은 갑감류로 성충이 되면 얼마 살지 못합니다. 20일 정도 살지만 SKQ를 처리한 조건에서 생존력이 매우 증가되는 것을 확인을 할 수 있었습니다. 0.55nM, 55nM에서 lifespan이 2배 이상 증가되는 결과를 얻을 수 있었습니다.

 

또한 마찬가지 마우스 outbred SHR model를 이용하였고, 장기간 생존율을 추적하였습니다. 이 마우스 모델은 매일 water에 약물을 타서 마시게 했습니다. 그 결과도 다른 결과와 마찬가지로 컨트롤 군에서 크게 감소하는 타임에서 약물 처리군에서는 생존율 감소가 거의 없는 것을 확인할 수 있었습니다. 사망률도 마찬가지고요. 여기서 사망 원인이 암이 아니라 노화에 의해서 나타나는 폐렴, 신장염, 간염, 등의 질병으로 죽고, 암이 차지하는 비율이 매우 낮았다고 합니다.

 

노화의 한 지표로 비주기적인  발정기간을 갖는 마우스 비율을 개월 수로 나타 냈습니다. 약물을 먹지 않은 군에서 주기가 비정상적인 경우가 많았으며, 약물을 먹은 군에서는 그래도 주기적으로 기간이 나타는 것을 확인할 수 있었습니다. 또한 마우스의 외적인 모습을 사진에서 보여주는데요. 보시는 거와 같이 외쪽보다는 외형적으로 더 윤기도 있고, 더 상태가 좋은 것을 확인할 수 있었습니다.

위 쥐들의 꼬리에서 분리한 fibroblast를 이용하여 hydrogen peroxide 조건에서 apoptosis를 유도했을 때 1개월 된 마우스에서 분리한 세포에서는 크게 apoptosis가 크게 증가하지 않았습니다. 하지만 노화가 진행된 세포에서는 H2O2에 의해 apoptosis가 크게 증가됩니다. 반면에  skQ1 농도에 큰 상관없이 감소되는 것을 알 수 있었습니다. 그리고 베타 갈락토시다아제가 높은 반면 SKQ1 처리 군에서는 거의 증가되어 있지 않을 것을 확인했습니다. DNA damage가 일어나면 histon H2AX에 인산화가 되는데 이것도 또한 앞에서와 동일한 결과를 얻었습니다. 이것을 통해 skQ가 mtROS를 억제하고, DNA damage를 억제하고,  노화를 지연시키는 역할을  하는 것을 알 수 있습니다.

이런 다양한 SKQ1이 강력한 mtROS antioxidant 제로써 우리가 추구하는 항노화, 항염증의 기능으로 여러 가지 연구를 대규모로 진했습니다. 이런 연구를 바탕으로 우리가 참고할 부분과 우리가 적용할 내용을 잘 조사해서 적용한다면, 우리가 추구하는 항노화 효과, 노화로 인한 질병 치료, 예방 효과를 증명하는데 도움이 되지 않을까 생각됩니다.

 

 

감사합니다.

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