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[남궁석의 신약연구史]'칼슘 채널 차단제'의 등장

입력 2019-03-25 11:15 수정 2019-03-25 14:42

남궁석 SLMS(Secret Lab of Mad Scientist) 대표

[혈압조절의 역사④]칼슘 채널 차단제가 등장하기까지...화이저 암로디핀 '미국에서 5번째로 많이 처방된 약'

이번 연재에서는 현재 가장 많이 처방되고 있는 고혈압 조절 약물인 칼슘 채널 차단제(Calcium channel blocker)가 등장하기까지의 과정과 이를 가능케 한 기초 연구의 과정을 살펴보도록 하자.

칼슘의 심장 박동과 근육 수축에서의 역할에 대한 이해

오늘날 칼슘(Calcium)은 심근 및 평활근의 수축뿐만 아니라 수많은 세포에서 2차 전령(second messanger)으로 신호전달물질로 사용된다는 것이 널리 알려져 있다. 그리고 칼모듈린(Calmodulin)과 같은 칼슘 결합 단백질에 의해서 결합되어 여러 단백질의 기능을 조절하는데 사용되고 있다. 그렇다면 이러한 칼슘의 생물학적인 역할을 처음 눈치챈 사람은 누구였을까? 영국의 생리학자 시드니 링거(Sydney Ringer, 1835-1910)는 19세기 말 개구리의 심장을 체외에서 지속적으로 뛰게 하는데 필요한 화학적인 요소를 찾고 있었다. 그는 개구리에서 채취한 심장을 계속 뛰게 할 수 있는 화학요소들을 찾아서 혈액과 유사한 성질을 가진 ‘수액’ 을 만들고자 했다. 그가 고안한 수액에 젖산(Lactate)이 첨가된 것이 하트만 수액(Hartman’s solution)인데 이것이 우리가 흔히 ‘링거액’ 이라고 부르는 것이다.

이렇게 하여 링거가 찾아낸 심장의 박동을 유지시키는데 필요한 물질들은 소듐(Na), 포타슘(K), 중탄산나트륨(NaHCO3) 등이었다. 이렇게 정해진 물질을 일정한 농도로 포함하고 있는 용액 내에서 개구리 심장은 일정시간 박동이 유지되었다. 그런데, 링거의 연구실의 테크니션이 자리를 비울 때 링거가 증류수를 이용하여 수액을 구성하고 있는 물질을 이용하여 직접 수액을 만들어서 여기에 개구리 심장을 넣어 보자, 몇 시간 이상 박동이 유지되던 이전과는 다르게 개구리 심장의 박동은 몇 분이 되지 않아 잦아들었다. 무슨 일이 생긴 것일까? 알고보니 이전에 테크니션이 수액을 만들 때는 그는 증류수를 사용한 것이 아니라 수돗물을 사용하였고, 그 수돗물에는 약 1mM 정도의 칼슘이 들어 있었다. 링거는 증류수로 만든 수액에 칼슘을 추가로 첨가해보자 개구리 심장의 박동은 다시 되살아났다.

이렇게 링거는 1883년 칼슘이 심장 박동에 필요한 요소라는 것을 발표하였다[1]. 그러나 심장과 근육의 박동에 왜 칼슘이 필요한지가 알려지기 위해서는 이 발견으로부터 오랜 시간이 필요했다. 19세기 말의 링거의 발견 이후 20세기 전반기동안 칼슘에 대한 이해는 거의 진행되지 않았다.

칼슘과 근육 수축과의 관계가 다시 부각된 것은 1940년대에 미국의 루이스 빅터 헤일브룬(Lewis Victor Heilbrunn, 1892-1959), 일본의 가마타 등이 근육세포에 칼슘을 직접 주입함으로써 근육 수축이 일어난다는 것을 보인 이후였다[2]. 1957년 오징어의 축삭(giant squid axon)을 연구하던 연구자들은 세포 내의 칼슘 농도는 세포 외의 농도에 비해서 수천 분의 1 이하로 매우 낮게 유지되는 것을 알게 되었다[3]. 그 이후 골격근(Skeletal muscle)에서는 칼슘이 근소포체(Sarcoplasmic reticulum)에 저장되고, 근육 수축에서 세포 내부로 방출되어 칼슘 농도의 증가에 의해서 근육 수축을 유발하며, 평활근 (Smooth muscle)에서는 세포 외부로부터 유입에 의해서 근육 수축이 유발된다는 것이 알려지게 되었다. 특히 혈관에서 혈압의 조절과 직접적으로 관련이 있는 평활근에서 칼슘에 의해서 활성화되는 마이오신 라이트 체인 인산화효소(Myosin Light Chain Kinase)에 의해서 마이오신의 라이트 체인을 인산화하고, 이에 따라서 액틴(actin)과 마이오신간의 상호작용에 의해서 조절된다는 것이 1970년대 이후에 알려지게 되었다[4].

▲그림 1 : 근육 수축과 칼슘과의 관계를 처음 규명한 시드니 링거 (Sydney Ringer)(좌). 그는 개구리 심장을 칼슘이 없는 수액에 넣으면 점점 박동이 약해지지만(우 상단), 여기에 칼슘을 첨가함으로써 박동이 유지된다는 것을 처음 발견하였다(우 하단).

‘칼슘 길항제’ (Calcium antagonist)의 발견

우리가 현재 칼슘 채널 차단제로 알려진 약물의 원조가 되는 약물이 출현하게 된 계기가 된 것은 2차대전 이후 심혈관 질환의 심각성이 대두되고, 제약회사들이 심혈관 관련 약물을 찾으려고 뛰어든 이후였다. 여기서 주목할 점은 이때까지 아직 혈압에 영향을 미치는 여러가지 요인들은 잘 규명되어 있지 않았고, 칼슘과 칼슘 채널, 그리고 이의 혈압에서의 역할 역시 당연히 알려져 있지 않았다.

1960년대 초, 독일의 제약사 회스트(Hoechst AG, 현재는 사노피-아벤티스에 합병되었다)와 크놀(Knoll, 현재는 애보트에 합병되었다)은 관상동맥 확장 활성을 가진 약물인 베라파밀(Verapamil) 과 프레닐아민(Prenylamine)이라는 약물을 개발하였다. 이들은 그들이 원하는 관상동맥의 혈관 확장 능력을 가진 약물이었으나, 심장 박동을 약하게 하는 기대하지 않은 활성을 가지고 있었다[5]. 이들은 이 약물의 약리학적 특성을 좀 더 알아보기 위하여 프라이부르그 대학의 약리학자인 알베트르 플렉켄스테인(Albercht Fleckenstein)에게 약물의 연구를 의뢰하였다. 플렉켄스테인이 수행한 실험은 시드니 링거가 80년전에 실험한 실험과 거의 비슷한 실험이었다. 다만, 링거의 실험과는 달리 수액 내에는 칼슘이 존재했고, 베라파밀과 프레닐아민이라는 약물이 같이 들어있었다. 그런데 이 약물이 존재하는 상태에서는 칼슘이 없는 상태에서 심장 박동이 약해지는 것과 마찬가지로 칼슘 존재하에서도 심장 박동이 약해지는 것을 관찰할 수 있었으며, 이 효과는 칼슘 농도를 높임으로써 상쇄시킬 수 있었다. 플렉켄스테인은 이들 약물을 심장에서의 칼슘 효과를 억제한다는 의미로 칼슘 길항제(Calcium agonist)라고 불렀다[6].

한편 독일 바이엘(Bayer Inc)의 연구자인 프리드리히 보세트( Friedrich Bossert)와 울프 베이터(Wulf Vater) 역시 관상동맥을 확장하여 심장에 산소 공급을 늘려 협심증 등의 심장 질환을 치료하는 약물을 개발하려고 하였다. 이들은 이를 위하여 동물의 관상동맥혈 내의 산소 함량을 측정하여 약물의 혈관 확장 효과를 측정하는 실험방법을 만들었다.

이들은 관상동맥과 심장에 효과가 있었다고 보고된 천연물 소재의 약물인 켈린(khellin)이라는 약물의 유사체를 만들려고 시도했다. 그러나 이들이 만든 대부분의 유사체 화합물은 효과가 없거나 경구투여에서는 효과가 없었고 주사제로만 혈관 확장 효과를 보였다. 이들은 1,4-디하이드로피리딘(1,4-dihydropyridines) 유도체 화합물의 하나가 매우 좋은 관상동맥 혈관 확장 효과를 보이는 것을 발견하였다. 그러나 이들이 개발한 약물은 관상동맥의 혈관 확장효과를 보여서 보다 많은 산소를 공급하기는 했지만 혈압을 떨어뜨리고, 심장의 수축력을 감소시키는 부작용을 보였다. 이들은 자신들이 개발한 약물이 보이는 특성을 자세히 확인하기 위하여 역시 플렉켄스테인에게 자신들이 개발한 약물인 ‘BAY a1040’을 보내주었다. 이 약물 역시 이전에 확인한 다른 두 약물과 마찬가지로 ‘칼슘 길항제’로의 효과를 보였을 뿐만 아니라 다른 두 약물보다 더 나은 활성을 보여주었다. 이 약물은 디하이드피리딘계의 칼슘 채널 차단제의 시초인 니페디핀(Nifedipine)이 된다.

니페디핀(Nifedipine)과 암로디핀(Amlodipine)

애초에 협심증 치료제로 개발된 ‘칼슘 길항제’는 이의 혈압 강하 효과 때문에 혈압 조절제로의 사용이 검토되기 시작하였다. 특히 1980년대 초까지 혈압 조절 목적으로 사용되던 베타 억제제 등의 문제점은 저혈압을 유발한다는 것이었다. 그러나 칼슘 길항제의 경우 고혈압 환자에게서는 좋은 혈압 강하 효과를 보였지만, 고혈압이 아닌 정상인에게서는 그다지 혈압을 낮추지 않는다는 결과가 보고되었다[7]. 이러한 결과는 디하드로피리딘계인 니페디핀 뿐만 아니라 디하이드로피리딘계가 아닌 칼슘 길항제인 베라파밀(Verapamil) 등에서도 공히 보고되었다. 이러한 결과에 힘입어 니페디핀이나 베라파밀은 1981년에 미국에서 사용이 승인되었다.

디하이드로피리딘 계열의 약물의 유용성이 입증되자 다른 제약사들도 디하이드로피리딘 계열의 칼슘 길항제의 개발에 나서게 되는데, 이 중의 하나가 화이저(Pfizer)의 암로디핀(Amlodipine)이었다. 암로피딘은 니페디핀에 비해서 보다 저해능력이 강할 뿐만 아니라, 생체 내의 반감기가 2시간 정도였던 니페디핀에 비해서 30-50시간 이상 길다는 특성을 가지고 있었다[8]. 그리고 니페디핀에 비해서 암로디핀은 그 효과가 늦게 나타나지만, 약물의 반감기가 훨씬 길기 때문에 그 효과가 좀 더 길게 지속되었다. 암로디핀의 특허는 1982년 출원되었고, 1990년 미국에서 ‘노바스크’(Norvasc)라는 이름으로 시판이 허가되었다.

칼슘 채널 차단제

‘칼슘 길항제’ 의 정확한 분자 타겟은 칼슘 길항제가 실제로 약물로써 사용된 이후인 1980년대 이후에야 비로소 밝혀졌다. 칼슘 길항제는 세포막에 존재하며 세포 밖과 안의 전압차에 의해서 개폐되는 전압 개폐 칼슘 채널(Voltage-gated calcium channel)에 결합하며, 이중 디하이드로피리딘 등의 ‘칼슘 길항제’가 특이적으로 결합하는 칼슘 채널은 L-타입 칼슘 채널이다(L은 Long 을 의미하며 칼슘 채널의 활성화 시간이 다른 종류의 채널에 비해서 길기 때문에 이런 의미가 붙었다). 이 채널의 발견 자체가 디하이드로피리딘에 결합하는 활성을 통하여 1980년대 중반에 단백질로 정제되었고, Alpha 1, alpha 2, beta, gamma, delta 등 5개 서브유니트로 구성되어 있다는 것이 알려지게 되었다[9]. 이 중 칼슘 통과를 매개하는 서브유니트는 alpha 1으로서, 칼슘 채널 차단제는 alpha 1 서브유니트와 직접적으로 결합하게 된다.

특기할 만한 것은 니페디핀이나 암로디핀과 같은 디하이드로피리딘 계열의 칼슘 채널 차단제와 베라파밀 등의 비 디하이드로피리딘 계열의 칼슘 채널 차단제는 칼슘 채널을 억제하는 기전이 다르다는 것이다. 즉, 디하이드로피리딘 계열의 칼슘 채널의 경우 칼슘 통로를 직접 차단하는 것이 아닌, 칼슘 채널을 구성하는 alpha 1 서브유니트간에 결합하여 채널의 단백질 4차 구조를 변형하여 칼슘 이온과 결합하는 선택성 필터(Selectivity filter)의 위치를 변형시켜 칼슘의 유입을 억제하는 반면, 베라파밀과 같은 화합물은 직접 칼슘 채널에 결합하여 칼슘의 유입을 차단한다[10].

▲그림 2 : 칼슘 채널 차단제(Calcium Channel Blocker, CCB) 간의 결합 방식의 차이. 니페디핀이나 암로디핀 등의 디하이드로피리딘 계열의 칼슘 채널 차단제는 직접 칼슘이 통과하는 포어에 결합하지 않고, alpha-1 서브유니트 사이에 결합하여 단백질의 4차 구조를 변형시켜 칼슘이 통과하는 포어의 칼슘 선택성 필터 (Calcium selectivity filter)의 구조를 변형시킨다. 반면 베라파밀 (Verapamil)과 같은 다른 칼슘 채널 차단제는 직접 칼슘 통과 포어에 결합하여 칼슘의 통과를 막는다.

칼슘 채널 차단제의 위험성 문제와 이의 불식

1995년 니페디핀의 사용량 증가가 관상동맥 심장 질환 환자에서의 사망율 증가와 관계가 있다는 메타 분석 결과가 보고된 이후에 칼슘 채널 차단제의 위험성에 대한 문제가 제기되었다[11]. 그러나 1994년부터 2002년까지 약 3만명을 대상으로 실시한 ALLHAT(The Antihypertensive and Lipid-Lowering Treatment to Prevent Heart Attack Trial) 임상시험에서는 칼슘 채널 차단제인 암로디핀과 ACE 저해제인 리시노프릴(Lisinopril), 그리고 이뇨제인 클로로탈리돈(Chlorothalidone) 간의 비교를 수행하였고, 이 결과 칼슘 채널 차단제가 다른 혈압 저해제에 비해서 치명적인 관상동맥 심장질환이나 급성심부전의 발생율을 높이지는 않는다는 결과가 나온 이후[12], 칼슘 채널 차단제의 위험성 문제는 불식된 상태이다.

화이자가 가지고 있던 암로디핀에 대한 특허는 2007년 만료되었고, 제네릭이 출시되기 시작하였다. 2019년 기준으로 암로디핀은 미국에서 7520만번 처방되어 미국에서 5번째로 많이 처방되는 약 성분이 되었다.

이것으로써 이뇨제, 베타 차단제, ACE 저해제, 칼슘 채널 차단제에 이르기까지 현재 고혈압 치료에 주료 사용되는 약물들의 개발 과정을 알아보았다. 다음 회에서는 협심증이나 고혈압 치료를 목적으로 개발되었으나, 전혀 새로운 클래스의 약물이 된 약물들에 대해서 알아보도록 하자.

참고문헌

1. Ringer, S. (1883). A further contribution regarding the influence of the different constituents of the blood on the contraction of the heart. The Journal of physiology, 4(1), 29-42; Hurst, J. W., Fye, W. B., & Zimmer, H. G. (2005). Sydney Ringer, serendipity, and hard work. Clinical Cardiology: An International Indexed and Peer‐Reviewed Journal for Advances in the Treatment of Cardiovascular Disease, 28(1), 55-56.

2. Heilbrunn, L. V., & Wiercinski, F. J. (1947). The action of various cations on muscle protoplasm. Journal of cellular and comparative physiology, 29(1), 15-32.; Kamada, T. & Kinoshita, H. (1943) Disturbances initiated from naked surface of muscle protoplasm. Jpn. J. Zool.,10, 469–93.

3. Hodgkin, A. L., & Keynes, R. D. (1957). Movements of labelled calcium in squid giant axons. The Journal of physiology, 138(2), 253-281.

4. Kuo, I. Y., & Ehrlich, B. E. (2015). Signaling in muscle contraction. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 7(2), a006023.

5. Kazda, S. (1991). The story of nifedipine. In Adalat (pp. 9-26). Springer, Berlin, Heidelberg; Bossert, F., & Vater, W. (1989). 1, 4‐Dihydropyridines—a basis for developing new drugs. Medicinal research reviews, 9(3), 291-324.

6. Hurst, J. W., Fye, W. B., Acierno, L. J., & Worrell, L. T. (2004). Albrecht Fleckenstein: Father of calcium antagonism. Clinical cardiology, 27(12), 710-711.

7. Leonetti, G., Cuspidi, C., Sampieri, L., Terzoli, L., & Zanchetti, A. (1982). Comparison of cardiovascular, renal, and humoral effects of acute administration of two calcium channel blockers in normotensive and hypertensive subjects. Journal of cardiovascular pharmacology, 4, S319-24.

8. Arrowsmith, J. E., Campbell, S. F., Cross, P. E., Stubbs, J. K., Burges, R. A., Gardiner, D. G., & Blackburn, K. J. (1986). Long-acting dihydropyridine calcium antagonists. 1. 2-Alkoxymethyl derivatives incorporating basic substituents. Journal of medicinal chemistry, 29(9), 1696-1702; Burges, R. A., Gardiner, D. G., Gwilt, M., Higgins, A. J., Blackburn, K. J., Campbell, S. F., ... & Stubbs, J. K. (1987). Calcium channel blocking properties of amlodipine in vascular smooth muscle and cardiac muscle in vitro: evidence for voltage modulation of vascular dihydropyridine receptors. Journal of cardiovascular pharmacology, 9(1), 110-119.

9. Campbell, K. P., Leung, A. T., & Sharp, A. H. (1988). The biochemistry and molecular biology of the dihydropyridine-sensitive calcium channel. Trends in neurosciences, 11(10), 425-430.; Borsotto, M., Barhanin, J., Fosset, M., & Lazdunski, M. (1985). The 1, 4-dihydropyridine receptor associated with the skeletal muscle voltage-dependent Ca2+ channel. Purification and subunit composition. Journal of Biological Chemistry, 260(26), 14255-14263.; Borsotto, M., Barhanin, J., Norman, R. I., & Lazdunski, M. (1984). Purification of the dihydropyridine receptor of the voltage-dependent Ca2+ channel from skeletal muscle transverse tubules using (+)[3H] PN 200-110. Biochemical and biophysical research communications, 122(3), 1357-1366.

10. Tang, L., El-Din, T. M. G., Swanson, T. M., Pryde, D. C., Scheuer, T., Zheng, N., & Catterall, W. A. (2016). Structural basis for inhibition of a voltage-gated Ca 2+ channel by Ca 2+ antagonist drugs. Nature, 537(7618), 117.

11. Furberg, C. D., Psaty, B. M., & Meyer, J. V. (1995). Nifedipine: dose-related increase in mortality in patients with coronary heart disease. Circulation, 92(5), 1326-1331.

12. Trial, P. H. A. (2002). Major Outcomes in High-Risk Hypertensive Patients. Jama, 288(23), 2981-2997.

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