▲온열치료 전문가 강상만 칼럼니스트

지난 수십 년간, 암 연구자들은 고형 종양에 경미하거나 심각한 산소 결핍 영역이 있다는 사실을 알고 있었으며, 이는 비정상적인 혈관 기능 및 종양의 빠른 성장과 관련된 대사 이상으로 인해 발생할 가능성이 가장 높다고 보았다. 임상 조사에 따르면 국소적으로 진행된 고형 종양의 상당 부분에서 저산소 조직이 만연한 것으로 나타났으며, 이는 종양 진행과 치료 저항 간의 상관관계가 있음을 시사한다.

1993년에 발표된 자궁경부암 연구에서는 저산소증의 정도가 부정적인 예후 및 종양 크기와 상관관계가 있음을 밝혔으며, 최근 몇 년 동안 발표된 연구에 따르면 췌장암과 주변 간질 세포 모두에서 저산소증 유발 인자(HIF) -1α (각주 1) 발현이 환자 생존율 저하와 상관관계가 있는 것으로 나타났다.

종양 저산소증과 각 암종 간의 상관관계에 대한 연구는 두경부, 전립선, 유방과 같은 다른 악성 종양 환자를 대상으로 추가로 연구되었으며, 각각의 경우 저산소증 분포가 더 부정적인 임상 결과를 예측하게 하는 것으로 나타났다. 연조직 육종 환자에 대한 연구에서 Brizel 등은 종양에 산소 공급 상태가 원격 전이 가능성을 예측하게 한다는 것을 보여주었다.

단편적으로, 저산소 상태가 종양의 성장을 늦추거나 심지어 차단할 수 있는 것으로 볼 수 있지만, 불행히도 종양 조직의 성장을 보호하고 지원하는 방식과 같은 스트레스 반응을 보일 수도 있다. 실제로, 종양 내의 특정 클론(각주 2)은 저산소 상태에 유리하게 반응하여 종양 진행을 유도할 수 있는 것으로 보고됐다.

더욱이, 저산소증 상태는 영양분과 산소 공급을 위한 새로운 혈관 발달을 촉진하며 유전자 발현에 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 신생혈관 증가와 관련해 VEGF(각주3) 및 수용체 수준이 증가하며 저산소 상태에 의해 유도된 혈관 신생 신호는 종양 세포의 지속적인 성장과 생존을 허용해 잠재적으로 진행성 종양 및 침습성 표현형(발현 형질) 종양을 유도하는 것으로 알려졌다. 이러한 메커니즘은 조직 내 저산소 영역에서 종양 진행을 촉진하고 악성 종양을 성장시킬 수 있다.

영양 결핍 상태에서 생존하는 종양 세포의 하위 집단은 더 공격적이고 치료에 저항하는 질병을 생성하는 것으로 가정된다. 일례로, 최근 한 연구에 따르면 만성 저산소증에 노출된 전립선암 세포 상태가 종양 세포를 더욱 공격적으로 변하게 한다는 증거가 보고되었다. 정상 세포에서 급성 산소 결핍이 발생하면 주요 조절 단백질인 HIF-1α가 항상성을 유지하는 역할을 수행하기 위하여 주변 여러 유전자의 저산소증 반응 요소들과 결합하여 저산소 조직 내의 산소와 영양분을 증가시킨다.

그러나 종양 미세환경 내, 만성 저산소증 상태에서는 저산소증 유발인자(HIF-1α)의 발현이 일어나 종양 진행, 침윤 및 전이를 도울 수 있다. 이러한 요인은 저산소증에 의한 세포 사멸 저항, DNA 복구 감소 및 돌연변이 발생률 증가로 이어질 수 있다.

또한, 축적된 증거를 통해 살펴보면 저산소 미세환경이 항종양 면역 효과기의 세포를 억제하고 면역 탈출을 촉진함으로써 자연적인 항종양 면역 반응(면역요법)으로부터 종양을 보호할 수 있음을 알 수 있다. 도리어, 저산소 미세환경에서 이러한 면역 이펙터 세포 중 일부는 가벼운 열 스트레스에 의해서 긍정적인 영향을 받을 수 있으므로 암 치료에 있어 온열요법을 사용해야 하는 충분한 근거를 제공한다.

게다가, 종양 저산소증은 방사선 및 화학요법에 대한 저항성을 증가시켜 면역 인식 세포 표면 마커에서 저산소증을 유발하거나 아데노신 수용체 매개 T 조절 세포의 발달 및 억제, T세포의 증식과 생존을 감소시키는 등의 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다.

연구에 따르면 경미한 발열 범위의 전신 온열요법(Mild, Fever range WBH)은 저산소증에 의해 부정적인 영향을 받는 동일한 면역 메커니즘 중 여러 측면에 긍정적인 영향을 미친다. 경미한 발열 범위의 전신 온열요법(Mild, Fever range WBH)의 열 스트레스 효과가 저산소증의 효과와 서로 반대임을 나타낸다는 것이다.

온화한(Mild WBH) 온도 상승(즉, 39.5℃)은 NK 세포의 세포 독성을 활성화하고, 세포용해 민감도 증가와 관련 있는 종양 표적 세포에 대한 MICA(각주 4)의 상향 조절을 일으킨다. 이 결과, 발열 범위(Fever range WBH)의 열 스트레스가 NK 세포 인식에 필요한 종양 분자의 상향 조절을 통해 종양 세포 인식을 향상시킬 뿐만 아니라 NK 세포의 세포독성도 증가시킨다는 것을 알려준다.

저산소증과 달리 발열 범위의 열 스트레스는 MHC II(각주 5) 및 CD86(각주 6) 발현을 증가시켜 수지상세포(DC; Dendritic Cell)의 활성도를 높인다.

수지상 세포의 이동성은 온도 변화에 매우 민감하다. 생체 내 연구에 따르면 경미한(Mild WBH) 온도에 노출된 DC는 이동성이 증가했으며 이는 배출 림프샘으로의 DC 수송 증가와 관련이 있을 가능성이 높다. 온열요법(Mild WBH)은 혼합 림프구 분석 결과 T세포를 더 크게 활성화한다는 점을 전하였다. 따라서 저산소증의 효과와는 반대로 가벼운 열 스트레스는 DC 활성화 및 항원 제시를 향상시켜 항종양 T 세포 반응을 증가시킨다는 것을 알 수 있다.

이러한 결과는, 열 범위 전신온열요법(Mild, Fever range WBH)이 항종양 면역반응에 대한 저산소증의 부정적인 영향 중 일부를 역전시키는 데 사용할 수 있음을 시사한다.

그러므로 온화한 온열 요법(Mild WBH)은 면역 세포 기능/활성화와 관련된 열에 민감한 분자 경로를 통해 면역 세포 활동을 직접적으로 강화하고, 종양 혈관 관류 개선을 통해 저산소증 유발 면역 억제를 감소시켜 면역 감시를 간접적으로 높이는 두 가지 큰 이점을 제공한다.

이제, 가벼운 온열 요법(Mild WBH)이 혈관 기능에 미치는 영향을 통해 종양 미세 환경의 저산소증을 일시적으로 완화하는 데 사용될 수 있는 가능성에 대해 알아보고자 한다.

종양의 혈관계가 고열의 중요한 표적이 될 수 있음이 여러 연구를 통해 밝혀졌다. 실제 광범위한 문헌에 따르면, 열로 인한 혈류 변화(운동, 발열 또는 주변 온도 변화)는 교감 신경에 의해 혈관의 수축과 확장 조절에서 비롯되며 이는 시상하부 온도 조절 센터의 작용으로 인하여 조절되고 피부와 심부 조직의 매우 민감한 냉온 수용체를 통해서도 작용한다.

‘그렇지만, 이와 동일한 수준의 신경-혈관 온도 조절이 종양 미세 환경에서도 발생할 수 있을까?’

암 연구자들은 성장 중인 종양에 연결된 혈관이 통합되는 부위 근처에서 정상 숙주 혈관 및/또는 새로 생성된 혈관에서 나온다고 믿고 있다. 출처가 무엇이든 종양 혈관계는 종종 심각한 기능적, 형태적 이상을 나타낸다. 새로 형성된 혈관에는 교감 신경 말단이 없으며, 이 혈관은 확장되고 압축된 영역, 불규칙한 지역 및 열악한 관류 등 매우 무질서한 경로를 종종 보인다.

불완전하거나 누락된 내피세포 및 평활근 세포, 중단된 기저막은 혈관 투과성을 증가시켜 간질액 압력(IFP)(각주 7)을 증가시킬 수 있다. 정상적인 신경 분포가 부족하고 평활근 코팅 세포의 결핍을 포함한 수많은 구조적 결함은 종양 미세 환경을 실제로 가열했을 때, 신체의 나머지 부분에 존재하는 활성 신경 조절을 벗어날 수 있음을 강력하게 시사한다.

하지만, 흥미롭게도 신경혈관 온도 조절 메커니즘에 관한 엄청난 양의 문헌에는 정상 혈관과 종양 혈관을 비교한 내용이 없으며, 열 신경 말단의 밀도나 혈관의 밀도 측면에서 온도 변화에 반응하고 능동적으로 수축-팽창하는 능력이 종양과 정상 조직 간에 상이 여부를 조사한 바 없는 것이 사실이다.

그럼에도 불구하고, 온열종양학(Hyperthermic Oncology) 분야의 초기 연구에서는 국소 가열 후 종양의 혈류를 조사했다. 이를 요약해 전하자면 데이터는 복잡하지만(국소 가열 프로토콜/지속 시간, 달성된 온도 또는 사용된 종양 모델에 따라 달라질 수 있는 일부 다른 결론 포함), 일련의 연구에서는 온열요법이 종양의 산소 농도, 혈류 및 혈관 투과성을 변화시킬 수 있다는 사실을 보여주었다. 이러한 요인들은 저산소증으로 인한 면역 억제를 극복하는 데 크게 기여할 수 있다 할 것이다.

다음으로는, 온화한 발열 범위의 전신 온열요법(Mild, Fever range WBH) 및 국소 온열요법에 의한 반응에 따른 종양 산소화 및 혈류에 관한 일부 선구적인 문헌에 대해 간략히 언급하고 자 한다.

종양 산소화 측정에 대한 여러 연구(Bicher et. al., Tanaka et. al. 및 Vaupel et. al.)에 따르면, 온열요법은 종양 산소화 개선을 포함한 여러 메커니즘을 통해 방사선에 대한 종양 세포의 반응을 증가시키는 것으로 나타났다.

설치류 종양, 인간 이종 이식편, 환자 및 개의 종양에 대한 최근에 발표된 여러 연구에서는 국소 가열(40~43°C)이 종양 산소화 상태의 전반적인 개선을 가져온다는 사실을 뒷받침하고 있다. 가열 후 종양 산소화의 변화는 종양 혈류의 변화와 상관관계가 있었으며, 가열 후 혈류 증가를 통해 종양으로 산소 전달이 증가해 저산소증이 감소할 수 있다고 전한다. 종양 미세환경 내의 영역에서 더 높은 열량(>43°C) 가온은 혈관 손상을 유발해 종양 산소화를 감소시킬 수 있다.

이러한 연구는 종양 산소화에 대한 온열요법의 효과가 열량 전달의 중요성뿐만 아니라 산소증가로 종양의 산소화 상태를 이끈다는 것을 보여준다. 더욱이, 종양 산소분압(pO2)은 가열 직후 발견된 증가된 수치와 비례하지 않고 가열 후 24시간이 되어서야 늦은 증가세를 보였는데, 이러한 현상은 종양 산소 분압이 산소 소비에 따른 감소와 같은 또 다른 메커니즘에 의해 제어되고 있음을 시사한다.

저산소증은 종양의 방사선 저항성 또는 화학요법 저항성에 기여하는 것으로 잘 알려져 있지만, 종양 미세 환경 내의 저산소증이 항종양 효과기의 메커니즘 활동에 매우 해로울 수 있음을 보여주는 증거들이 점차 늘어나는 추세다. 구체적으로, 저산소증이 종양 세포가 세포용해 세포의 인식을 피하도록 도울 뿐만 아니라(예: NK 세포의 표적 제거를 유도) 수지상 세포와 T-림프구의 적절한 성숙과 기능을 방해하고 종양 관련 대식세포와 면역억제 T-림프구의 동원 가능성을 높인다는 점으로 정리해 전할 수 있다.

연구 데이터에 따르면 가벼운 열 범위의 전신 온열요법(Mild Fever range WBH)은 종양 내 관류 혈관의 비율을 크게 증가시키고 이 효과는 몇 시간 동안 지속된다. 더구나, 전신 가열(WBH)은 간질액 압력(IFP)을 현저히 낮추므로, 가벼운 온열요법(Mild WBH)에 면역 세포와 종양 세포가 노출되면 저산소증에 의해 부정적인 영향을 받은 부위에 면역 메커니즘에 긍정적인 효과를 가져오는 것으로 보인다.

따라서 온도 범위 전신 온열치료(Mild Fever range WBH)는 항종양 면역력을 향상시키는 두 가지 능력을 갖추고 있는 것으로 볼 수 있으며, 종양 미세 환경이 열 유발 혈관 변화를 통하여 저산소증 매개 면역 억제 감소 및 항종양 면역 메커니즘의 직접적인 자극한다는 점이다.

혈류의 온도 조절을 핵심 목표로 한 면역요법(또는 방사선이나 화학요법)을 향상시키는 온열요법의 능력을 연구한 문헌에 의하면, 혈류는 온도 변화에 매우 민감해 임상 프로토콜에서 흔히 목표로 하는 열 충격 온도가 실제로 혈관을 손상시키거나 혈류를 억제할 수 있음을 알 수 있다.

이에 따라, 종양으로 혈류를 증가시키는 체온 조절 신호를 최대화하기 위해 종양 주변의 정상 혈관계 동반 가열 여부와 열 민감도, 체온 조절 및 신경 조절 측면에서 종양과 정상 혈관계의 차이를 밝히는 새로운 상세 분석도 필요해 보인다.

위에서 언급한 바와 같이, 실제 환자의 종양에서 화학요법 및/또는 방사선 요법에 전신 온열요법(WBH)을 추가할 때 나타나는 분명한 이점은 종양의 혈관 기능 및 저산소증 상태에 긍정적인 효과가 있다는 점을 강력히 시사하고 있다.

그러나 전신 온열요법(WBH)의 잠재력을 실제로 평가하려면 더 많은 연구가 필요하다. 방사선 및 화학 요법을 개선함과 동시에 종양 성장 또는 전이에 대해 장기적인 면역학적 제어를 위해 고안된, 가장 최적의 온열치료 전략을 달성하려면 저산소증, 항종양 면역 및 종양 혈류 조절 간의 관계에 대한 더 깊은 이해가 필요할 것으로 보인다.

실제로 독일 베를린 샤리테(Charité) 대학 병원 등 유럽의 대학병원 및 미국의 대학병원들에서 헤켈 HT-3000을 통한 전신 온열요법(WBH)과 실시간 온도측정이 가능한 TWH-1500을 이용한 전향적인 임상연구(Prospective Clinical Trial)이 현재 진행 중에 있다.

지금까지 4부에 걸쳐 전신 온열요법(WBH)과 면역에 대해 알아보았다. 그렇다면 여기에 적용된 열 발생 기술과 작동 원리는 무엇인지 알아볼 필요가 있다. 다음 칼럼에서 전신 온열요법(WBH)에서 사용된 하이드로선 위라(wIRA)(각주 8) 기술에 대해 살펴보겠다.

각주

1. 저산소증 유발 인자(HIF: Hypoxia Inducible Factor) -1α, 암의 진행을 촉진하는 저산소증 유도인자를 말한다.

2. 클론(Clone): 유전적으로 동일한 DNA를 가진 세포군 또는 개체군을 말한다.

3. VEGF(Vascular endothelial growth factor) 는 혈관내피성장인자의 약자로, 혈관내피세포에 선택적으로 작용하는 단백질로 내피세포의 증식과 생존을 자극하며 혈관 투과성을 촉진하는 성장인자로써 악성종양의 신생혈관 생성의 강력한 매개체이다.

4. MICA(MHC class I polypeptide–related sequence A): 주조직적합복합체(MHC) I형 폴리펩티드 관련 서열 A(MICA)는 MHC내에 위치한 MICA 유전자에 의해 코딩되는 고도로 다형성이 있는 세포 표면 당단백질을 말한다.

5. MHC(major histocompatibility complex): 주조직 적합성 복합체는 면역계에서 작용하는 MHC 분자를 암호화하는 유전자 집단이다. I형 MHC 분자는 거의 모든 세포에 존재하며, 세포독성 T세포에 단백질을 제시한다. II형 MHC 분자는 대식세포나 B세포등 특정한 면역 세포에만 존재하며, 이렇게 II형 MHC 분자를 가진 세포들을 항원제시세포(APC*)라고 하며, APC의 II형 MHC 분자는 보조 T세포에게 미생물 조각들을 제시하여 다른 세포들의 면역 반응이 활발하게 일어나게 만든다. MHC class II는 후천면역(adaptive immunity)과 자기관용 획득에 중요한 기능을 담당하고 있어 면역시스템의 항상성을 유지하는데 중요한 역할을 하고 있다

*APC: Antigen Presenting Cell(항원제시세포), APC는 선천면역계의 과립구(Granulocyte) 및 림프구(Lymphocyte)가 작용하는 적응면역계를 이어주는 세포들로서 당, 지질, 내인성 단백질과 결합하는 화학물질등의 항원 또는 항원과 결합하는 IgG와 같은 항체를 붙잡아 소화시키거나 MHC II(주조직 적합성 복합체: Major Histocompatibility Complex II)를 통해 보조 T세포에 전달하는 기능을 수행한다. 대표적인 APC에 대한 기능으로는 단핵구(Monocytes), 대식세포(Macrophage), 수지상세포(Dendritic Cell) 및 B세포가 담당하며 DC의 항원전달능력이 가장 뛰어나다.

6. CD(Cluster of Differentiation)는 백혈구 표면에 존재하는 분자로 세포표면항원무리라고 불리며 면역표현형(Immunophenotyping)에 따라 세포 표면 분자를 식별하고 연구하기 위하여 붙인 이름이다. CD는 수용체(Receptor) 또는 리간드(Ligand)를 활성화시키는 분자로 기능한다. 가장 흔한 분자는 CD4, CD8이며 CD80, CD86등 지금까지 붙여진 CD는 380여종에 이른다.

7. 간질액 압력: IFP(Interstitial fluid pressure) 세포 바깥의 체액을 이루는 대부분의 액체를 간질액이라 한다. 간질액은 조직과 조직 사이의 공간에 많이 분포하며 세포에 영양분을 공급하고 노폐물을 제거하는 역할을 하는데, 간질액 압력이 높아지면 약물등의 흡수가 어렵다.

8. 하이드로선 위라(wIRA): 하이드로선 “위라” 는 물로 여과한 근적외선 기술을 말하며 독일 하이드로선이 개발한 기술특허로 국제적인 보호를 받으며 한국도 “위라” 에 대한 기술 및 상표는 특허청에 등록되어 있다. 국제특허를 가진 이 기술은 스위스 브라운재단(Braun Foundation)의 선정으로 연구기금을 지원 받은 주요 대학 연구기관에서 매년 활발한 연구를 수행하고 있다.

References:

Brizel DM, Scully SP, Harrelson JM, Layfield LJ, Bean JM, Prosnitz LR, et al. Tumor oxygenation predicts for the likelihood of distant metastases in human soft tissue sarcoma. Cancer Res 1996;56(5):941–3.

Alqawi O, Wang HP, Espiritu M, Singh G. Chronic hypoxia promotes an aggressive phenotype in rat prostate cancer cells. Free Radic Res 2007; 41(7):788–97.

Yamamoto Y, Ibusuki M, Okumura Y, Kawasoe T, Kai K, Iyama K, et al. Hypoxia-inducible factor 1alpha is closely linked to an aggressive phenotype in breast cancer. Breast Cancer Res Treat 2008;110(3):465–75.

Fukumura D, Jain RK. Tumor microvasculature and microenvironment: targets for antiangiogenesis and normalization. Microvasc Res 2007;74(2-3):72–84.

Nilsson I, Shibuya M, Wennstrom S. Differential activation of vascular genes by hypoxia in primary endothelial cells. Exp Cell Res 2004;299(2):476–85.

Vaupel P, Kelleher DK, Thews O. Modulation of tumor oxygenation. Int J Radiat Oncol Biol Phys 1998;42(4):843–8.

Minchinton AI, Tannock IF. Drug penetration in solid tumours. Nat Rev Cancer 2006;6(8):583–92.

Grantab R, Sivananthan S, Tannock IF. The penetration of anticancer drugs through tumor tissue as a function of cellular adhesion and packing density of tumor cells. Cancer Res 2006; 66(2):1033–9. 34.

Teicher BA. Acute and chronic in vivo therapeutic resistance. Biochem Pharmacol 2009;77(11):1665–73.

Milani M, Harris AL. Targeting tumour hypoxia in breast cancer. Eur J Cancer 2008;44(18):2766

Burd R. et al., Tumor cell apoptosis, lymphocyte recruitment and tumor vascular changes are induced by low temperature, long duration (fever-like) whole body hyperthermia, J Cell Physiol 177:137-147 (1998)

Nach P. Vaupel, J. Rzeznik, E. Stofft: Wassergefilterte Infrarot-A-Strahlung versus konventionelle Infrarotstrahlung...; Physikalische Medizin, Heft 3, Juni 1995, S. 77-81

Chen-Ting Lee, Hypoxia-Driven Immunosuppression: A new reason to use thermal therapy in the treatment of cancer?, Int J Hyperthermia. 2010 ; 26(3): 232–246