[논문 소개] 담관암(Biliary Tract Cancer)의 정밀 의료 실현을 위한 연구

작년부터 미국에 오기 직전까지 부랴부랴 리비젼을 하느라 너무 힘들었던 논문이 드디어 온라인 게제가 되어서, 소개를 해볼까합니다. 사실 이 프로젝트는 2017년부터 무려 햇수로는 4년간 끌어왔던 프로젝트인데, 그래도 이렇게 마무리를 짓고 소개를 할 수 있어서 다행입니다. 유전체 연구로 박사 과정을 막 시작하면서, 평소에 알고 지내던 김민환 교수님으로 부터 담관암 (Biliary Tract Cancer) 공동연구를 제안 받게 되었고, 매우 힘들고 지난했던 시간들을 겪으면서 마무리를 짓게 되었습니다.

[관련 논문 보기]

https://aasldpubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/hep.31862

논문의 제목은 “Molecular Characterization of Biliary Tract Cancer Predicts Chemotherapy and PD‐1/PD‐L1 Blockade Responses“으로, 우리 나라를 포함한 동아시아에 호발하는 담관암의 약물 치료 (화학항암제와 면역항암제) 반응에 관한 유전체 연구입니다. 사실 이 블로그에도 이 연구를 진행하면서, 공부했던 많은 흔적들이 남아있기도 합니다.

[관련 포스팅 보기]

담관암은 그 해부학적 위치 때문에 매우 이질적이고, 같은 종류의 암도 유전적 특성이 다양합니다. 매우 불량한 예후와 달리, 약물 치료 옵션은 매우 제한적이고, 아직까지 어떤 환자가 어떤 치료제에 잘 반응을 할지 예측하기가 어렵습니다. 이번 연구는 이러한 어려움을 겪는 담관암 환자들에게 도움이 되기를 바라는 마음에서 진행했습니다. 개인적으로는 병원에서 인턴 생활을 하면서, 너무나 힘들게 투병 생활을 하셨던 담관암 환자 분이 기억에 나서, 그 분을 생각하면서 진행했던 연구이기도 합니다.

이번 연구에서는 수술적으로 절제가 불가능하거나 재발하여 항암 치료를 받는 담도암 환자들을 대상으로 환자의 치료 반응과 종양의 어떤 유전적 변화가 관련이 있는지를 종합적으로 분석했습니다. 담도암은 해부학적 위치에 따라, 간내담관암 (Intrahepatic cholangiocarcinoma, ICC), 간외담관암 (Extrahepatic cholangiocarcinoma, ECC), 담낭암 (Gallbladder cancer, GBC), 그리고 바터팽대부암 (Ampullar of Vater cancer, AOV) 으로 구분합니다. 특히, 같은 간내담관암 (ICC)도 병리학적 & 분자생리학적으로 완전히 다른 대담관 (large-duct)소담관 (small-duct) 유형으로 구분을 할 수 있는데, 이 두 유형의 확연히 다른 항암제 반응에 착안하여 항암제 반응과 연관된 유전적 변화를 발굴하는 실마리를 얻을 수 있었습니다. 더불어 최근 매우 중요한 치료 옵션으로 각광받고 있는 면역 항암제의 경우, 담관암에서는 반응성을 보이는 경우가 매우 드문데, 치료에 반응하지 않는 저항성과 연관된 유전적 변화를 발굴하여, 이를 바탕으로 어떠한 환자에게 면역 항암제가 효과적으로 쓰일 수 있을지를 제시할 수 있었습니다.

개인적으로는 연구를 진행하면서 Somatic mutation panel을 경험하며, NGS 분석에 더 많은 내공을 쌓을 수 있는 좋은 기회가 되었던 것 같습니다. 이번 연구 결과가 많은 담관암 환자들이 최적의 치료를 받을 수 있는 치료 전략을 수립하는데 기여할 수 있기를 바랍니다.

[BRIC 관련 인터뷰] https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=tr_interview&id=245031

[관련 기사 보기]

DNA 손상 복구 기전과 타겟 치료 항암제

지난번 포스팅에서는 de novo mutation의 발생과 의의에 대해서 정리하였습니다. 관련 연구를 진행하다보니, 조금 더 근본적으로 de novo mutation을 발생시키는 DNA의 손상과 복구 기전에 대한 깊은 이해가 필요함을 느꼈습니다. (공부는 끝이 없습니다.) 사실 DNA 복구 기전의 문제는 많은 질환과 관련이 있는데, 대표적으로 암은 이러한 DNA 복구에 문제가 있는 것으로 잘 알려진 질환입니다. 그래서 DNA 손상과 복구에 대한 대부분의 연구는 암을 중심으로 이루어져 왔습니다. 그렇지만 암 이외에도 많은 유전 질환 또한 DNA 복구 문제와 연관성이 보고되고 있습니다. 그래서 이번 포스팅은 DNA가 손상되었을 때 이를 복구하는 여러가지 방법과 관련 단백을 정리하고, 암종의 맞춤 치료에 대한 의의에 대해 정리해보고자 합니다.

 

DNA 손상의 종류

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생명체의 중요한 유전 정보를 지니고 있는 DNA는 이중 가닥으로 이루어져 있기 때문에, 손상의 종류에 따라서 복구되는 기전도 차이가 나게 됩니다. DNA의 손상은 DNA 복제 과정의 에러와 같은 세포의 내인적 요인과 외부의 환경적 요인에 노출되면서 발생하는 다양한 손상 (Environmental mutagen) 등이 복합적으로 작용하여 일어나게 됩니다. 이때, 가닥의 한쪽만 손상 (Single-strand break; SSB)이 이루어진 경우는 상보적인 반대쪽 가닥의 정보를 이용하여 복구를 할 수 있지만, 양쪽 가닥이 모두 손상 (Double-strand break; DSB)된 경우는 인접한 상동 염색체의 정보를 이용하여야 복구가 가능해집니다. 이외에도 이전에 정리했던 Chromothripsis나 Kataegis와 같은 event가 발생하면, 훨씬 더 복잡한 패턴의 대규모의 손상이 발생할 수 있습니다.

 

DNA 복구 기전과 관련된 주요 분자

아래 그림은 DNA의 손상을 복구하는 여러 기전과 관련 분자들을 정리하여 보여주고 있습니다. 암 유전학에서 재미있는 것은 이러한 손상 복구 기전과 연관된 분자들 중 어떠한 것에 문제가 있는가에 따라서 질환의 경과나 치료제의 반응 정도 등에 차이가 난다는 점입니다. 사실 암과 관련된 맞춤 치료 및 표적 치료제 (Targeted agent)도 이러한 개념에 근거하여, 관련 암종의 분자 프로파일 (molecular profile)을 작성하고 최적의 치료 옵션을 찾는데에 있습니다.

  • Base excision repair: DNA의 산화적 손상 (ROS)을 복구하는 가장 기본적인 기전으로, 손상된 염기를 잘라내고 다시 복구합니다.
  • Nucleotide excision repair (NER): 여러 개의 base로 이루어진 조금 더 큰 nucleotide 단위의 손상을 복구하는 기전으로, UV, Tobacco, ROS, Radiation과 같은 다양한 환경적인 mutagen에 대응하는 복구 기전입니다.
  • Mismatch mediated repair (MMR): DNA 복제 과정에서 필연적으로 발생하는 replication error에 대한 복구 기전으로, 잘못 복제된 DNA를 교정해줍니다. 이러한 기전에 문제가 있는 경우, Lynch syndrome 또는 HNPCC (Hereditary nonpolyposis colorectal cancer)라고 하는 가족성 암 증후군을 일으키는 것으로 잘 알려져 있습니다.
  • DNA double-strand break repair: 이중 가닥 손상에 대해서는 다양한 복구 기전이 존재하는데, 크게 NHEJ (Non-homologous end joining)HDR (Homology directed repair) 기전이 존재합니다. 간단히 정리하면 NHEJ는 손상된 부분을 그냥 연결해주는 방식이고, 그렇기 때문에 INDEL이 발생하게 됩니다. 유전자 가위인 CRISPR-Cas9 이 이러한 방식으로 INDEL을 유도하게 됩니다. 반대로, HDR은 인접한 상동 염색체의 동일 부분의 유전 정보를 활용하여 복구하는 기전으로, BRCA1/2 또는 FANC family가 주요한 역할을 하는데, 안젤리나 졸리의 예방적 유방 절제술로 유명해진 유전성 유방 난소암 증후군 (Hereditary Breast Ovarian Cancer; HBOC)이나 판코니 빈혈 (Fanconi Anemia)이 이러한 분자의 문제로 발생하는 것이 잘 알려져 있습니다.

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DNA 복구 기전 문제와 암종의 타겟 맞춤 치료

DNA 손상을 제대로 복구하지 못하여 발생한 암은 문제가 있는 기전에 따라서, 타겟 치료제에 대한 반응성도 달라지게 됩니다. 아래 그림은 이러한 기전과 타겟 치료제의 관계를 보여주고 있습니다. 가장 대표적으로 Homolgy directed repair (HDR)에 문제가 있어서 발생한 암종들은 Platinum 계열의 항암제PARP inhibitor에 잘 듣는 것으로 알려져 있고, Mismatch repair (MMR)에 문제가 있는 암종들은 면역 항암제 (Immune Checkpoint Inhibitor)에 대한 반응성이 좋은 것으로 보고 되고 있습니다. 이러한 분자 기전과 연관된 분자에 따라서, 환자의 반응성을 예측하고 치료 옵션을 수립하는 것이 환자별 맞춤 치료와 정밀 의료의 방향성으로 제시되고 있습니다.

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관련 포스팅 보기>

[유전학 중요개념 정리] De novo mutation의 발생 기전과 질병 발생학적 의의

[유전학 중요개념 정리] Complex DNA rearrangement: Chromothripsis, Chromoanasynthesis, and Chromoplexy

닥터 프리즈너 속 헌팅턴병의 유전학: 삼염기 반복 질환과 Anticipation

면역 항암제, Immune checkpoint inhibitor의 원리 및 종류

 

[References]

Jalal, Shadia, Jennifer N. Earley, and John J. Turchi. “DNA repair: from genome maintenance to biomarker and therapeutic target.” Clinical cancer research 17.22 (2011): 6973-6984.

Morgan, Meredith A., and Theodore S. Lawrence. “Molecular pathways: overcoming radiation resistance by targeting DNA damage response pathways.” Clinical Cancer Research 21.13 (2015): 2898-2904.

Corcoran, Niall M., et al. “Molecular pathways: Targeting DNA repair pathway defects enriched in metastasis.” Clinical Cancer Research 22.13 (2016): 3132-3137.

펜벤다졸 (Fenbendazole), 개구충제의 항암효과 이슈에 담긴 약물 유전학

사실 저는 블로그에는 될 수 있는대로, 미디어에 소비되는 이슈가 되는 내용에 대해서는 쓰지 않으려고 합니다. 그러나 이럴 때 일수록 올바른 정보를 전달하는 것도 중요하고, 마침 이번 이슈는 여러가지 배경 속에 약물 유전학적 내용이 담겨 있는 사안인 것 같아, 관련 내용을 블로그 글로 정리해보고자 합니다.

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최근에 유튜브 또는 블로그를 통해, 말기 암 환자들이 개구충제로 쓰이는 펜벤다졸 (Fenbendazole, 제품명 Panacur)을 복용하고 암이 완치되었다는 다양한 후기가 올라오면서, 이에 대한 효능, 효과에 대한 논란이 일고 있습니다. 사실 개구충제를 항암제로 쓴다는 얘기만 들었을 때는 무슨 허무 맹랑한 이야기인가 싶었는데, 전혀 근거가 없는 내용은 아니라서 관련 내용들을 먼저 정리해보도록 하겠습니다.

 

I. Fenbendazole은 어떤 약인가?

Fenbendazole은 개구충제로 알려져 있지만, 작용 기전은 micro-tubule의 형성을 방해하는 작용을 한다고 해서, Anti-mitotic drug 또는 Benzimidazoles 계열 약물로 분류합니다. 사실 임상적으로 더 중요한 약물은 MebendazoleAlbendazole로, 1970년대에 출시되어 현재에도 사람에서 구충약으로 사용되고 있습니다. 작용 기전은 모두 진핵 생물인 기생충의 세포 분열 과정에서 Micro-tubule의 형성을 억제하여, 효과를 나타내는 것으로 되어 있습니다.

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[다양한 Benzimidazole 계열 약물의 구조] Fenbendazole은 개와 같은 동물에서, Mebendazole과 Albendazole은 사람에서 구충약으로 쓰이고 있습니다.
 

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[Anti-microtubule drug의 작용 기전] 세포 분열 과정에서 핵심적인 micro-tubule의 형성을 억제하여, 세포 분열을 차단하는 역할을 합니다.

 

II. Fenbendazole의 항암 효과

사실 위에서 언급된 작용 기전을 살펴보면, Fenbendazole이 세포 분열이 빠른 종양에 작용하여, 증식을 억제하는 항암 효과를 나타낼 가능성을 유추해 볼 수 있습니다. 실제로 Anti-mitotic drug에 속하는 비슷한 계열의 약물인 Taxol (Docetaxel, Paclitaxel 등)Vinca Alkaloid (Vinblastine, Vincristine 등)는 임상적으로 항암제로 사용되고 있습니다. 기생충이나 암 세포 모두 일반 세포에 비해, 분열 속도가 빠른 편이고 세포 분열에는 공통적으로 Micro-tubule 형성이 필수적이기 때문에, 작용을 나타낼 수 있기 때문입니다. 그러나 이러한 약물은 종양에만 특이적으로 작용하는 것은 아니기 때문에, 세포 분열이 활발한 조직에 공통적으로 작용하여 다양한 부작용이 우려되는 것도 사실입니다.

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실제 임상적으로 사용되는 Anti-mitotic drug 계열의 항암제와 종류와 적응증 및 부작용

 

아래 표는 Anti-mitotic drug로 개발되어 실제 임상 시험을 거친 몇가지 신약 후보 물질에 대한 결과를 보여주고 있습니다. 다만, 대부분 임상 1상 또는 2상에 머물러 있고, 작용 기전상 암세포 특이적으로 작용하는 것이 아니기 때문에 다양한 부작용들이 보고되고 있는 것을 알 수 있습니다. 특히, 세포 분열이 활발한 골수의 증식도 억제하여 호중구 감소증 (Neutropenia)과 같은 부작용을 공통적으로 보고하는 것이 눈에 띕니다.

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[항암제로 개발 중인 Anti-mitotic drug 계열의 후보 물질과 임상 시험 결과]

 

III. 항암제로의 활용 및 임상 시험 현황

위의 내용들을 정리하면, Fenbendazole은 약물의 작용 기전 상 항암 효과를 보일 가능성은 있으나, 아직까지는 사람에서의 안전성 및 유효성에 대해서는 충분히 연구된 바가 없다는 것입니다. 따라서, 사람에서의 안전성에 대해서는 이미 구충제로 이용하면서 안전성이 입증된 MebendazoleAlbendazole이 있기 때문에, 최근에는 Mebendazole을 항암제로 이용하기 위한 몇몇 임상 연구가 진행되고 있습니다. 특히, 교모 세포종 (Glioblastoma Multiforme)에서 Mebendazole이 효과를 보였다는 논문이 보고된 이후, 미국의 NIH Clinical Trial에는 소아 뇌종양에서의 Mebendazole의 임상적 안전성 및 유효성을 입증하기 위한 임상 1상 연구가 등록되어 진행되고 있습니다. 해당 임상 시험은 임상 1상이고, 2022년까지로 진행 예정으로 되어 있는 것을 봤을 때, 충분한 임상 근거 자료가 쌓이기 까지는 아직 시간이 필요할 것으로 보입니다.

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[교모세포종에서 Mebendazole의 효과를 보고한 논문] Neuro-Oncology 13(9):974–982, 2011.
https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02644291

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IV. Fenbendazole 이슈에 담긴 약물 유전학

마지막으로 최근 이슈에 담긴 약물 유전학적인 배경을 언급하고 글을 마치고자 합니다. 사실 암 환자에 대한 치료는 표준 치료 지침 (NCCN Guideline) 이 수립되어 있어, 대부분의 의사는 이를 기반으로 환자를 치료 하게 됩니다. NCCN Guideline은 무수히 많은 임상 보고와 임상 시험 결과 등을 기반으로 하여, 전문가 집단의 논의를 통해 현재까지 최적의 치료법으로 확립된 암종별 치료 지침을 제공하기 때문에, 의사는 이를 기반으로 환자를 치료하게 됩니다. 이러한 치료 전략은 암종의 종류와 분자 유전학적 검사에 따라 점차 세분화되어 가고 있긴 하지만, 아직까지는 대부분 통계에 기반한다는 한계점이 있습니다.

가령, 100명의 암환자가 있다면, 그동안 5~60명의 대다수에 효과적이라고 보고된 전략이기 때문에, 일부 소수의 환자는 소외될 수 있다는 한계점이 있습니다. 이러한 한계점을 보완하기 위해, 정밀 의료 시대의 개인별 맞춤 치료 (Personalized Medicine)는 개개인의 암종에 나타난 분자 유전학적 변화에 기반한 최적의 치료 전략을 제시하려고 하는 움직임입니다. 다만, 이러한 연구가 시작된 것이 매우 최근이기 때문에, 아직까지 충분한 자료와 근거가 쌓인 경우가 제한적입니다.

관련 포스팅 보기>

약물 유전학은 왜 정밀의료에서 중요한가?

신약 개발과 임상 시험, 그리고 시판 후 조사

면역 항암제, Immune checkpoint inhibitor의 원리 및 종류

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NCCN 가이드 라인은 암종에 따른 최적의 치료 지침을 제공하고 있으며, 대부분의 치료는 해당 치료 지침에 근거하고 있습니다.

 

Fenbendazole 논란도 기존의 표준 치료에는 반응이 없으나, Fenbendazole에는 효과를 보인 매우 소수의 사람들(Exceptional responder)이 SNS에 해당 효과를 보고하면서 나타났을 가능성이 큽니다. 비슷하게, 최근에 이슈가 되었던 면역항암제 (Immune Checkpoint Blockade)의 경우에도 실제로 반응성이 있는 환자들의 비율은 매우 제한적이지만, 반응성이 있는 경우에는 매우 효과적으로 나타났기에, FDA에서는 반응성을 보일 것으로 예측되는 인자를 가진 사람에서만 제한적으로 처방하도록 권고하고 있습니다. 과거의 NCCN 가이드라인에 면역 항암제와 관련된 언급이 없었으나, 최근 몇몇 암종에서는 치료 가이드 라인이 수립되었습니다.
면역항암제와 달리, Fenbendazole은 더더욱 사람에서 안전성이 입증된 바가 없는 약물이고, 효과를 보이는 경우도 매우 제한적일 것으로 예상됩니다. 물론 환자의 입장에서 마지막으로 지푸라기를 잡는 심정을 이해 못하는 바는 아니지만, 약으로 인한 부작용 및 적절한 치료법으로 효과를 볼 수 있는 환자들이 겪을 사회 경제적 비용 등을 고려하면, Fenbendazole의 임의 복용은 매우 위험한 선택이라고 봅니다. 다만 최근의 이슈를 통해 볼 수 있듯이, 기존의 치료법에 효과를 보지 못하는 다양한 암 환자들에게 최적의 맞춤 치료를 제공하는 것이 얼마나 중요한지 다시 한번 살펴보게 됩니다. 특히, Mebendazole의 경우에는 아직 충분한 임상 연구 자료가 확립되지 않았지만, 만약 현재 진행되고 있는 임상 시험에서 효과를 보여, 충분한 근거가 확립된다면 추후에 NCCN 가이드라인에 포함될지는 아무도 모르겠습니다. 이처럼 앞으로의 연구 방향 및 임상 시험은, 개개인의 환자들이 혜택을 볼 수 있는 치료법을 선별하고, 이에 따라 최적의 치료 전략을 수립하는 방향으로 진행될 가능성이 높습니다.

 

[References]

Microtubule-Function-Affecting Drugs. In: Mehlhorn H. (eds) Encyclopedic Reference of Parasitology. Springer, Berlin, Heidelberg

Jackson, Jeffrey R., et al. “Targeted anti-mitotic therapies: can we improve on tubulin agents?.” Nature Reviews Cancer 7.2 (2007): 107.

Bai, Ren-Yuan, et al. “Antiparasitic mebendazole shows survival benefit in 2 preclinical models of glioblastoma multiforme.” Neuro-oncology 13.9 (2011): 974-982.

면역 항암제, Immune checkpoint inhibitor의 원리 및 종류

최근 종양학 분야에서의 신약 개발 및 암치료에 대한 관심사는 온통 면역 항암제, Immune checkpoint inhibitor에 쏠려 있습니다. 그래서 이번 포스팅은 면역항암제의 작동 원리와 종류, 및 신약 개발 등에 대해서 정리해 보고자 합니다. 사실 면역 항암제가 핫하게 떠오른 것은 최근의 일이지만, 기본적인 작동 기작에 대해서는 이미 오래전부터 알려져 있었습니다.

 

우리 몸의 면역 체계는 자기는 인식해서 보호하고, 외부의 항원 (Antigen) 또는 침입자 (Invader)를 인식해서 공격하는 검문의 기능 (Checkpoint)을 하고 있습니다. 이때 중요한 역할을 하는 세포가 T 세포인데, 정상적인 면역 반응 체계에서 T세포는 돌연변이가 발생하여 문제가 있는 종양 세포를 공격해서 제거하게 됩니다. 그러나 암세포는 이러한 면역 반응으로부터 벗어나서 증식하기 위해, 아군으로 위장하는 방법으로 PD-L1 (Programmed Death Ligand-1) 을 발현시키고 정상적인 면역 반응으로부터 회피하게 됩니다.

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[PD-1, PD-L1 결합을 통한 T cell의 자가 인식 과정] 암세포는 면역 세포의 공격을 PD-L1을 발현함으로써 자기로 인식하도록 하여, 공격을 피하는 escape mechanism을 가지고 있는데, 면역 항암제는 이러한 PD-1과 PD-L1 간의 결합을 방해함으로써 정상적인 면역 반응을 통해 암세포가 제거될 수 있도록 합니다.
 

위와 같은 암세포의 면역 체계 회피 반응을 무력화하기 위해서 개발된 신약들은 크게 3군데를 타겟으로 하게 되는데, 아래 그림의 CTLA-4, PD-1, PD-L1이 해당됩니다. 신약들은 해당 타겟에 대한 specific antibody (특이 항체)로, 타겟과 결합하여 신호 전달을 차단하고 자아로 인식하여 면역회피를 하지 못하게 함으로써, 암세포가 정상적으로 T cell에 의해 제거될 수 있도록 하는 전략을 씁니다. 즉 이러한 신약은 면역 체계가 정상적일 경우에만 효과적으로 작동할 수 있습니다.

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[암종별 면역 항암제 반응 정도] Hodgkin 종양, melanoma, MSI-high 종양의 면역 항암제 반응률이 좋은 편입니다. 기타 두경부암, 소화기계 암들의 반응률은 20% 내외임을 알 수 있습니다.
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위와 같은 면역 항암제로 개발된 약물의 종류는 다음과 같습니다.

PD-1 inhibitors

  • Pembrolizumab (Keytruda)
  • Nivolumab (Opdivo)
  • Cemiplimab (Libtayo)

PD-L1 inhibitors

  • Atezolizumab (Tecentriq)
  • Avelumab (Bavencio)
  • Durvalumab (Imfinzi)

CTLA-4 blocker

  • Atezolimumab

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[암종별 면역 항암제의 개발 및 FDA 승인 시기]
 

앞으로 면역 항암제 분야의 신약 개발은 암종별로 효과적이고 특이적인 약물 선별 및 기타 항암제와의 병용 투여의 효과, 특정 돌연변이별로 반응 정도를 예측하여 효과적으로 치료가 예상되는 대상군을 선별하는 동반 진단 마커의 개발 등에 관심이 가고 있습니다.

관련 포스팅 보기>

동반 진단, Companion diagnostics란 무엇인가?

신약 개발과 임상 시험, 그리고 시판 후 조사

 

마지막으로 면역 항암제의 작동 기전에 대해서 잘 정리한 유튜브 영상이 있어, 첨부합니다.

 

 

[References]

Ribas, Antoni, and Jedd D. Wolchok. “Cancer immunotherapy using checkpoint blockade.” Science 359.6382 (2018): 1350-1355.

면역 치료 ACS 정리: https://www.cancer.org/treatment/treatments-and-side-effects/treatment-types/immunotherapy/immune-checkpoint-inhibitors.html