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 “메트포르민에 대한 새로운 역할을 막 연구하기 시작한 것이지만, 그 연구에서 제시한 단백질이 금연 치료의 새로운 표적이 될 수 있음을 시사한다"고 수석 저자인 줄리 블렌디 (Julie Blendy) 박사가 말했다.

흡연은 예방 가능한 질병인 동시에 사망의 주요 원인이며, 미국 전역에서 매년 50만명이 넘는 사망자가 발생하는 주요 문제이다. 건강과 복지에 미치는 흡연의 부정적인 영향을 다루는 여러 공중보건 캠페인에도 불구하고 중단율은 여전히 ​​완만하다. 그 원인으로는 과민성, 분노, 우울한 기분, 불안 및 집중력 저하 등으로 대변되는 금연시 니코틴에 의한 심한 금단증상 때문이다.

 ​니코틴 대체요법으로 니코틴성 아세틸콜린수용체 (nAChR) 부분항진제(varenicline/Chantix), 항우울제 (bupropion / Zyban)가 현재 금단현상을 표적으로 FDA에서 승인된 치료법 이다. 흡연자의 70%가 금연을 원하지만, 현재의 치료법은 약15% 정도로 성공율이 낮다.

니코틴과 AMPK활성화와의 상관관계

본 연구는 AMP-활성화 단백질 키나아제 (AMP-activated protein kinase, AMPK)를 니코틴 중단기간 동안 흡연욕구 재발에 기여하는 행동과 관련하여 관찰하였다. AMP-활성화 단백질 키나아제 (AMP-activated protein kinase, AMPK)는 에너지 항상성 조절에 관여하며 세포 스트레스 인자에 반응하여 활성화된다. 해마에서 AMP-활성화 된 단백질 키나아제 (AMP-activated protein kinase, AMPK) 경로가 만성 니코틴 사용 후에 활성화됨을 보여 주며, 이는 니코틴 감소에 의해 급격히 역전된다. 

Metformin은 여러가지 표적을 가지고 있는 것으로 알려져 있는데, 그 중 하나가 간에서 AMPK 활성화이다. 이는 AMPK 활성제인 Metformin이 해마 내의 AMPKα 메커니즘을 통해 금단 증상을 감소 시킨다는 것을 보여준다. 따라서 연구진은 Metformin이 니코틴 소실에 따른 금단 및 불안증상을 줄이는 방법의 일환으로 뇌 (특히 해마)에서 AMPK를 활성화 시킬 수 있다고 추론했다.

우선 만성 니코틴의 감소가 24시간동안 뇌에서 AMPK 경로 활성화에 미치는 영향을 평가했는데, 니코틴 투여시 pAMPK / AMPK 비율의 증가와 AMPK 표적 아세틸-CoA 카르복실라제(ACC)의 증가된 인산화에 의해 해마에서 AMPK 경로의 중요한 활성화가 유발됨을 Western blot 분석을 통해 확인하였다. (Fig. 1 A, B)

Fig. 1. 니코틴 및 중단시 AMPK활성화 비교(A,B). AICAR에 의한 AMPK 활성화(c). 니코틴 중단시 마우스 불안행동 평가지표(D, E).

그 다음으로 AMPK 경로의 약물학적 활성화가 니코틴 금단 증상을 완화시킬 수 있는지 여부를 결정했다. 이를 위해 마우스에 AMPK의 알로스테릭 활성제인 5-Aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide(AICAR)을 주입했을 때 해마에서 AMPK 경로의 중요한 활성화를 일으켰다. (Fig. 1. C )

니코틴 중단은 생쥐에서 불안과 같은 행동을 일으키는데, 이는 두 가지 행동 검사를 통해 평가할 수 있다 : 음식물 섭취량 감소유발(NIH)와 대리석 묻히기 모델(MB).  불안 행동의 감소는 NIH 검사에서 사료 섭취대기 시간이 줄어들고 MB 검사에서 묻혀지는 구슬 수가 감소 됨으로써 증명되었고, 두 검사에서 AICAR 치료는 니코틴 제거 효과를 완전히 없앴다. (Fig. 1. D, E).

Metformin 치료시 AMPK경로 활성화 및 불안행동 연구

간에서 AMPK 활성화를 목표로 하는 당뇨병 치료제인 Metformin을 사용하여, 니코틴 중단 후 1주간의 전신 Metformin과 식염수로 전처리 된 모델을 각각 비교하였을 때 Metformin 치료군에서 AMPK 경로가 활성화되었다. (Fig. 2. A-C)

Fig. 2. 니코틴 중단 24시간후 식염수 및 Metformin 처리시 AMPK양상 비교(A,B,C). Metformin 치료시 마우스 불안행동 평가(D,E)

AICAR (Fig. 1. D)과 Metformin (Fig. 2. D)은 모두 마우스에서 NIH 검사를 통해 사료 섭취시간 지연을 줄여 AMPK의 활성화가 니코틴 중단으로 인한 불안 뿐만 아니라 일반적인 항 불안 활성에 대한 새로운 목표를 보여주었다. 

또한, 전신 투여된 Metformin은 체중, 음식 섭취량 또는 혈당 수치에 영향을 주지 않았으며, 식전, 식후 상태 모두에서 니코틴 제거에 의한 불안 행동을 완전히 예방했다. 

Fig. 3. Metformin 치료시 마우스 체중, 음식섭취량, 혈당수치

AMPK가 니코틴 중단후 불안증과 같은 행동 감소의 매개체로서 Metformin의 적절한 표적인지 확인하기 위해 Cre recombinase (AAV-Cre)가 인코딩된 아데노바이러스 (AAV)를 AMPKαloxP / loxP 마우스의 배와 해마에 직접 주입하여 AMPKα의 부위 결실(삭제)을 생성시켰다. (Fig. 4. A) 주사 좌표의 해부학적 및 시간적 해상도를 평가하기 위해 AMPKαloxP / loxP 마우스의 해마에 AAV-GFP (녹색 형광 단백질)를 주입하고, 염색을 통해 예상 위치에 그 존재를 확인 하였다. 

Fig. 4. 니코틴 중단후 Metformin의 항불안효과의 AMPK 의존성

 Western blot 분석은 AMPKαloxP / loxP 마우스에서 AAVCre 주사 후 8 주에 해마에서 AMPKα의 총 수치가 감소했지만 피질과 같은 다른 뇌 영역에는 변화가 없다는 것을 확인했다. (Fig. 4. B) 또한, 포스포- 아세틸 CoA 카르복실라제(pACC)의 수준은 해마에서 감소되어 경로의 기능적 감소를 입증하였다. (Fig. 4. B)

불안 행동을 평가하기 위해, 마우스는 AAV-Cre의 해마막 주사 후 4 주에 NIH 패러다임에서 훈련되었고 완전한 AMPK 제거를 위해 바이러스 주입 후 8주일에 시험되었다. (Fig. 4. C)

 마우스 행동 검사전에 24시간 동안 니코틴을 중단한 후 니코틴과 Metformin으로 1 주일간 처리하였다. Fig. 4. D에 도시된 바와 같이 Metformin으로 처리 된 AMPK-결핍 마우스는 니코틴-처리된 마우스와 비교하여 신규 식품에 대한 먹이 대기 시간이 현저히 증가하였고, 이는 니코틴 금단 증상 유발성 불안증에 대한 Metformin의 효과가 해마의 AMPK에 의해 대부분 매개된다는 것을 의미한다.

연구진은 Metformin을 통한 뇌에서의 AMPK 활성화가 니코틴 중단 후 불안 행동을 경감시키는데 있어 전임상 효능을 입증한 본 연구 결과를 바탕으로, Metformin을 통한 뇌에서의 AMPK 활성화가 니코틴 중단을 위한 새로운 약물 요법으로 재사용 될 수 있다고 제안하였다.

근거

1. Julia K. Brynildsen, Bridgin G. Lee, Isaac J. Perron, Sunghee Jin, Sangwon F. Kim, and Julie A. Blendy (2018). “Activation of AMPK by metformin improves withdrawal signs precipitated by nicotine withdrawal”, PNAS April 2, 2018. 201707047; published ahead of print April 2, 2018.

2. https://www.mdlinx.com/obstetrics-gynecology/article/1593