진화적 치료: 수학적 모델링을 사용한 암 치료를 위한 새로운 전략

암은 내성 발생과 재발 가능성으로 인해 심각한 어려움을 겪습니다. 내성은 암세포의 영구적인 유전적 변화 또는 치료에 따른 암세포 행동의 비유전적 변화로 인해 발생할 수 있습니다. 표준 암 치료는 일반적으로 약물에 민감한 세포를 효과적으로 사멸시키기 위해 최대 내약 용량의 약물을 사용하는 것을 포함합니다. 그러나 이러한 접근법은 약물에 민감한 세포가 모두 사멸되면 약물 내성 암세포가 더 빨리 성장할 수 있기 때문에 장기적으로 실패하는 경우가 많습니다.

적응 치료라고 불리는 진화적 치료 접근법은 환자 개개인의 반응에 따라 치료 용량이나 중단 횟수를 맞춤화합니다. 적응 치료의 목표는 내성 세포의 성장을 억제할 수 있을 만큼 충분한 수의 민감한 세포를 유지하는 것입니다. 최근 연구와 임상 시험 결과, 적응 치료는 표준 치료보다 내성 발생을 더 효과적으로 지연시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.

암은 복잡하게 진화하는 시스템이고 각 환자는 고유한 특성을 가지고 있기 때문에 각 환자의 용량과 치료 중단 시기를 결정하는 것은 어렵습니다. 수학적 모델은 이러한 개별화된 치료 전략을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 실제로 다양한 치료 전략이 환자 결과에 미치는 영향을 연구하기 위해 여러 수학적 모델이 개발되었습니다. 그러나 기존의 수학적 모델은 암세포의 획득 저항성과 가소성의 영향을 종종 무시합니다. '획득 저항성'은 종종 유전적 변화로 인해 발생하는 다양한 유형의 저항성을 포괄합니다. '세포 가소성'은 치료 용량 변동이나 치료 중단과 같은 미세환경의 변화에 따라 암세포가 표현형을 변화시키는 능력을 의미합니다.

한국과학기술원(KIST, 원장 오상록) 천연물정보연구단 김은정 박사 연구팀은 종양 진화를 고려한 암 치료 전략의 이론적 근거를 개발했습니다. 연구팀은 암세포의 저항성 획득과 치료 중 표현형 변화(가소성)를 고려하여 종양 진화를 예측하는 수학적 모델을 개발했습니다. 이 모델을 분석하여 종양 부피가 변하지 않고 안정적으로 유지되는 평형점에서 종양 부피를 유지할 수 있는 용량 범위인 유효 용량창(effective dose window)이 존재하는 조건을 밝혀냈습니다.

가소성을 가진 일부 종양의 경우, 치료 중단은 암세포가 다시 민감해지도록 돕고, 다른 민감한 세포와 협력하여 내성 세포의 성장을 억제합니다. 연구팀은 치료 중단, 최소 유효 용량, 최대 내약 용량으로 구성된 주기적 치료를 포함하는 진화적 용량 요법을 제안했습니다. 치료 중단은 가소성 암세포가 민감도를 회복하도록 돕고, 이후 최소 유효 용량을 적용하여 종양의 크기를 조절합니다. 그런 다음 최대 내약 용량을 투여하여 종양의 크기를 더욱 줄입니다. 이러한 용량 주기는 종양의 크기를 관리 가능한 수준으로 효과적으로 조절합니다. 흑색종 환자에게 적용된 제안된 전략의 수치 시뮬레이션은 이러한 결과를 더욱 잘 보여줍니다. 결과는 진화적 용량이 종양의 역학을 재조정하여 종양의 크기를 허용 가능한 수준 이하로 유지할 수 있음을 보여줍니다.

개발된 수학적 모델은 임상 시험 전에 암 치료 후보 물질의 유효 용량 범위를 예측할 수 있습니다. 이는 새로운 치료법의 항암 효과를 평가하고 각 약물의 유효 용량 범위를 파악하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 이 모델은 치료 중 각 환자의 종양의 진화적 역학을 고려하여 개인 맞춤형 암 치료 전략을 개발하는 데 도움을 줍니다.

인용문: "이번 연구에서 우리는 진화적 치료의 주기적 투여를 이용하여 종양 부담 관리 능력을 향상시키는 데 있어 암세포의 표현형 가소성의 역할을 강조했습니다."라고 한국과학기술연구원 천연물정보연구단의 김윤정 박사는 말했습니다.

그녀는 또한 천연물에서 유래한 잠재적 항암제에 대한 동물 연구와 임상 시험을 설계하기 위해 수학적 모델을 사용할 계획이라고 언급했으며, 그 목표는 종양 부담을 효과적으로 조절하는 복용 요법을 확립하는 것이라고 밝혔습니다.

해당 연구 결과는 ScienceDirect 저널 에 게재되었습니다.