BPM-5d; Synthesized Novel Dual Inhibitor Targeting Human Epidermal Growth Factor Receptor 2 and Topoisomerase IIα with Potent Anticancer Activity in Trastuzumab-Resistant Colon Cancer Cells

Abstract

GLOBOCAN 2008 보고에 따르면 대장암은 세계적으로 남자는 3위 (663, 000 건, 10.0 %), 여자는 2위 (571, 000 건, 9.4 %)로 많이 발생하는 암으로 등록돼 있다. 우리나라에서는 대장암은 남성 2위, 여성 3위로 많이 발생하는 암으로 등록돼 있고, 2000년부터 10년동안 그 발생률이 증가하고 있다. 대장암에서 HER2와 Topo IIα는 약 85%, 약 21%로 과발현 되어있다. HER2 유전자와 Topo IIα는 비슷한 위치에 존재하여, HER2 유전자의 증폭이 있을 경우 Topo IIα의 증폭 및 결손과 같은 이상이 함께 동반되어 나타나는 것으로 알려져 있다. 따라서 후보 물질이 HER2뿐만 아니라 동시에 Topo IIα 억제하는 것이 더욱 효과적인 치료제 개발이 될 것으로 판단하여 HER2와 Topo IIα를 동시 억제하는 것을 목표로 연구하였다. HER2는 발암 단백질이며 transmembrane tyrosine kinase 수용체로 HER family에 포함된다. 정상세포에서는 소수의 HER2 수용체가 존재하여 정상적으로 세포가 성장하도록 돕지만, HER2 수용체가 과발현 되면 세포의 성장과 분화 신호를 조절하는 PI3K/Akt 나 MAPK 신호를 많이 자극하여 세포의 성장을 비정상적으로 조절하여 암화가 진행된다. 현재 FDA 승인을 받은 HER2 과발현 암치료제는 단일클론항체인 trastuzumab과 tyrosine kinase inhibitor인 lapatinib 등이 대표적이다. Trastuzumab은 HER2의 외부 도메인에 결합하여 HER2 양성 암환자의 생존율을 높인다. 대장암 세포에서 trastuzumab을 처리 했을 때 콜로니 형성이 억제 된다고 알려져 있다. 하지만 trastuzumab은 내성이 쉽게 일어나며 분자량이 커서 Blood-Brain Barrier 통과가 어려워 뇌로 전이되는 암을 막을 수 없다. Tyrosine kinase inhibitor는 EGFR의 대표적인 자극 신호인 MAPK와 PI3K/Akt 신호를 조절하여 세포증식 억제 등의 조절로 HER2 양성 암 치료제로 개발되고 있다. 하지만 half-life가 짧고, 타깃에 특정적으로 작용하지 못한다. 따라서 다른 방법으로 HER2를 타깃으로 한 치료제 개발이 필요하여, 본 연구에서는 Esx-Sur2의 결합을 억제하여 HER2의 발현량을 줄이는 것을 목표로 진행하였다. Topo IIα는 독소루비신과 같은 안트라사이클린계 항암제의 표적으로 항암치료에 있어 중요한 역할을 한다. Topo IIα DNA 복제, 전사가 일어 날 때 DNA를 두 가닥을 잘랐다 다시 이어주는 역할을 한다. 따라서 암과 같이 세포 분열이 활발히 일어나 DNA 복제, 전사 과정이 많이 일어나는 경우 Topo IIα 활성을 억제 하는 것이 중요하다. 본 연구에서는, ESX-Sur2의 결합을 억제하여 HER2 수용체의 발현을 억제하고, Topo IIα의 활성을 억제하는 화합물로 BPM-5d를 선정하였다. BPM-5d는 HER2의 mRNA와 수용체 발현을 모두 억제하였고, HER2에 의한 신호 전달을 억제 하는 것을 확인하였다. 또한 BPM-5d는 Topo IIα의 ATP의 가수분해를 억제하여 Topo IIα 촉매 억제제로 작용하는 것을 확인하였다. BPM-5d가 HER2의 발현을 억제하고 Topo IIα 활성을 억제하여, p27kip1을 증가시키고 cyclinD1을 억제시키는 작용을 통해 G1 arrest를 유발했다. 마지막으로 대장암 trastuzumab 내성세포에서 BPM-5d가 세포 독성에 효과가 있음을 확인하였다. 즉, 위의 결과를 종합하였을 때 BPM-5d가 HER2 과발현 대장암에서 trastuzumab 내성을 극복하는 치료제로서의 잠재적 가능성이 있음을 확인하였다. ;Colorectal cancer is one of the most common cancer problems worldwide with an incidence of 1.2 million annually and ranks as the second cause of death from cancers in North America and Europe. Overexpression of HER2 and Topo IIα has been previously reported as ~85% and ~21% of colorectal cancer patients, respectively. HER2, a member of HER family, has been considered as a therapeutic target for various types of cancers. Overexpression of HER2 stimulates survival signaling cascades such as PI3K/Akt pathway, and/or proliferation signaling pathways such as MAPK pathway. The FDA-approved HER2 targeting antibody drug, trastuzumab, a humanized monoclonal antibody of HER2 has been widely used for treating various types of cancers. However, it has some limitations including the impermeability to BBB and frequent occurrence of resistance during treatment. Topo IIα, an enzyme regulating DNA topology, is also a well-known therapeutic target for diverse cancers. The abnormality of Topo IIα expression has a correlation with overexpression of HER2, which is due to adjacent location of both genes on chromosome 17. In addition, overexpression of both proteins is regarded as a marker of poor prognosis and aggressive metastasis. By considering the reasons mentioned above, we tried to develop an alternative drug which targets HER2 with a novel mechanism such as targeting both of the Sur2-ESX interaction and Topo IIα enzymatic activity. In this study, we discovered a small organic synthetic inhibitor which can down-regulate the HER2 expression level and the catalytic activity of Topo IIα. We evaluated the mode of action of the most potent inhibitor named BPM-5d on the Sur2-ESX interaction. BPM-5d down-regulated HER2 gene amplification and HER2 protein expression which also affected the HER2-mediated downstream signaling including MAPK and Akt pathways. The impact of BPM-5d as a Topo IIα catalytic inhibitor was on the inhibition of ATP hydrolysis of Topo IIα. BPM-5d induced G1 phase arrest through the down-regulation of cyclin D1 and the up-regulation of p27kip1 leading to apoptosis. In addition, BPM-5d inhibited the growth of trastuzumab-resistant HCT15 colon cancer cells with a competitive potency to gefitinib, which reflected that BPM-5d might be a novel pharmacophore to overcome trastuzumab resistance. Based on the results of our evaluation on BPM-5d, targeting both HER2 and Topo IIα may be a good strategy to overcome trastuzumab resistance in colorectal cancer cells.