의학에서의 다윈주의적 요인

진화의학이라는 상대적으로 새로운 학문은 암 치료와 항균제 내성 분야에서 진전을 이루고 있습니다.

20세 때 랜돌프 네세(Randolph Nesse)는 우리가 늙어가는 이유에 대해 의아해했습니다. 그는 왜 자연 선택이 노화를 완전히 제거하지 못했는지에 대해 머리를 감쌀 수 없었습니다. 그는 그것을 설명하기 위해 몇 달 동안 이론을 생각해 냈지만 수수께끼를 풀 수 없었습니다 . 그러나 그의 탐구하는 마음을 한가롭게 보내는 것은 의학에 대한 완전히 새로운 사고 방식의 씨앗을 놓는 것이었습니다.

몇 년 후, 지역 자연사 박물관의 친구들은 Nesse에게 노화는 특정 유전자를 다른 유전자보다 선택하는 진화적 압력의 부작용일 뿐이라는 이론을 지적했습니다. 유기체가 생식 최고치를 넘은 후에만 상태가 나타난다면, 그 상태가 전염되는 것을 방지하는 선택압이 없을 것입니다. 의사로서 Nesse는 이러한 힘이 어떻게 종을 형성할 수 있는지는 이해하지만 자연 선택이 인체 내부에서 어떻게 작동하는지 전혀 알지 못한다는 것을 깨달았습니다.

"나는 생물학의 절반을 배웠습니다. 아무도 [의학에서] 진화 생물학의 관련성에 대해 이야기한 적이 없습니다"라고 Nesse는 말합니다. "나는 질병을 일으키는 유전자에 대해서도 비슷한 설명이 있는지 즉시 궁금해지기 시작했습니다."

네세는 이제 인간의 건강과 질병 에 대한 질문에 진화론을 적용하는 비교적 새롭고 성장하는 학문인 다윈주의 의학이라고도 알려진 진화 의학의 창시자로 인정받고 있습니다 . 대부분의 현대 의학 연구가 질병의 물리적, 분자적 원인에 초점을 맞추고 있는 반면, 진화의학은 우리가 애초에 질병에 취약하도록 진화한 이유와 진화를 이용해 질병에 맞서 싸울 수 있는 방법을 이해하려고 노력합니다.

"우리가 여기서 다루고 있는 것은 의학에 적용되지 않은 완전히 새로운 기초 과학입니다."라고 Nesse는 말합니다. 인체가 무엇이며 어떻게 작동하는지에 대한 우리의 생각을 완전히 바꾸는 것은 매우 큰 사업입니다. 하지만 점점 더 많은 과학자들이 의학을 개선하기 위해 진화론적 사고를 적용하려고 노력하고 있습니다. 그들의 연구는 이미 암 과 자가면역 질환이 어떻게 발생하는지에 대한 우리의 이해를 바꾸기 시작했습니다 . 또한 항생제 내성과 같은 유해한 의료 관련 문제를 해결하기 위한 새로운 전략도 공개하고 있습니다.

Nesse는 "이렇게 빠른 속도로 많은 실질적인 영향이 나타났다는 사실에 놀랐습니다."라고 말했습니다.

가장 강력한 화학요법 약물이라도 세포가 이에 대한 저항성을 갖기 전까지만 효과가 있습니다. (제공: Getty Images)

암은 그 자체로 소우주의 진화 과정을 보여주는 것입니다. 그들은 종양이 성장하고 번성하도록 돕는 방식으로 지속적으로 서로 경쟁하고 협력하는 세포 클러스터입니다 . 최근의 한 연구에서는 암세포의 진화와 생존 능력이 거의 "무한"하다는 점을 강조했습니다  . 예를 들어, 환자가 약물 치료를 받으면 치료에 가장 취약한 세포를 제거하는 새로운 선택압이 도입됩니다. 덜 취약하거나 심지어 치료 효과로부터 면역되는 사람들은 살아남아 자신의 유전적 특성을 자신을 따르는 세포에 전달합니다. 이것이 바로 매우 성공적인 암 치료법이라도 결국 많은 환자들에게 효과가 중단되는 이유입니다.– 암세포는 치료에 대한 저항성을 갖게 되고 통제할 수 없을 정도로 개체수가 증가합니다.

미국 플로리다 모피트 암센터(Moffitt Cancer Center) 진화치료센터(Centre of Excellence for Evolutionary Therapy) 공동소장 로버트 게이튼비( Robert Gatenby) 는 “이것이 대부분의 환자의 사망 원인이라는 점은 논쟁의 여지가 있다”고 말했다 . Gatenby 연구실은 진화적 사고의 렌즈를 통해 암을 해결하기 위한 두 가지 전략, 즉 적응 요법과 멸종 요법을 개발하고 있습니다.

적응 치료는 암을 완전히 제거하기보다는 암 확산을 조절하는 것을 목표로 합니다. 지난 50년 동안 암 치료에 있어 신조는 종양 진행(종양이 통제할 수 없을 정도로 커지기 시작하는 곳)이나 과도한 독성에 대한 명확한 증거가 있을 때까지 동일한 약물 또는 약물 조합을 주기적으로 적용한다는 것이었습니다.라고 Gatenby는 말합니다. 이는 일반적으로 최대 응답을 얻은 후의 시간입니다. 그는 남은 세포의 대부분이 약물에 내성이 있고 동일한 치료를 계속함으로써 종양 전문의가 증식할 수 있는 기회를 제공하여 개체군이 더 커지고 다양해지기 때문에 이것은 "무익하다"고 말합니다.. 대조적으로, 그의 적응 치료 이론은 민감한 집단을 완전히 제거하지 않으면서 종양을 쓰러뜨리기에 충분한 치료를 제공하고 종양을 가능한 한 작게 유지하는 맞춤형 접근법을 위해 약물의 복용량을 조정하는 것을 목표로 합니다. 그런 다음 치료가 중단됩니다. 이는 치료에 민감한 세포가 종양 내 공간을 계속해서 밀고 나가도록 하여 적응적 이점으로 인해 다른 약물 내성 세포가 지배하는 것을 방지합니다 .

1991년 이 아이디어를 처음 발표한 이후 이 아이디어를 개발해 온 Gatenby는 "치료에 저항하는 종양 세포를 제어할 수 없기 때문에 치료에 민감한 세포를 모집하여 이를 수행해야 합니다"라고 말합니다 . "주기적으로 계속 치료하고 계속해서 쓰러뜨리고 자라게 하고, 쓰러뜨리고 자라게 두면 됩니다." 그는 의사가 환자의 생명을 장기간 유지할 수 있고 그 중 약 절반은 치료와 관련된 부작용을 겪지 않아도 되는 것이 희망이라고 말합니다.

이 분야에서 가장 앞선 것으로 알려진 그의 연구 그룹은 이미 전립선암 환자를 대상 으로 한 소규모 예비 시험에서 이 기술이 효과가 있음을 보여주었습니다 . 적응 치료를 받은 환자들은 시험 기간 동안 화학요법 약물의 정상 용량의 절반을 투여받았으며, 그 동안 그들은 전혀 투여받지 않은 시간의 46%를 보냈습니다. 치료 시작부터 암이 치료에 대한 반응을 멈출 때까지의 시간은 표준 화학 요법 과정을 받은 그룹에 비해 이 적응 요법을 받은 그룹에서 19개월 더 길었 습니다. 적응 치료를 받은 환자들은 표준 치료를 받은 환자들보다 전체 생존 기간도 2.26년 더 길었습니다.

Gatenby는 "이 환자들은 그렇지 않은 경우 받았을 약의 절반 정도만 가지고 있었기 때문에 치료 비용도 환자당 연간 $70,000(£57,000)가 적었습니다."라고 말합니다.

우리의 생각은 아마도 항생제가 20년 동안 유용할 것이 아니라 아마도 40~50년 동안 유용할 것입니다 – Anne Farewell

멸종 치료에서 Gatenby는 한 단계 더 나아가 동물 종이 멸종되는 과정에서 우리가 알고 있는 정보를 사용하여 암 개체군을 멸종시키는 치료법을 설계하고자 합니다 . 이 아이디어는 의사가 초기 치료법을 적용한 후 종양이 다시 자랄 때까지 기다리는 것이 아니라 오히려 종양 이 회복되기 전에 완전히 다른 치료법으로 종양을 공격하는 것입니다. 즉, 다른 약물의 빠른 주기로 종양 세포를 놀라게 하는 것입니다. 1차 치료에 대한 반응이 최고조에 달했습니다. Gatenby 팀은 췌장암과 유방암 에 대한 멸종 요법을 사용한 임상 시험을 제안했지만 지금까지는 이 아이디어를 탐구하기 위한 수학적 모델만 발표되었습니다 .

실제로 방 안의 코끼리는 이와 같은 연구가 성공한다면 어떻게 임상 시험에서 현실 세계로 수용될 것인지에 달려 있다고 국립 국립 센터의 저명한 연구 책임자인 Michael E Hochberg는 말했습니다 . 프랑스 몽펠리에 대학의 Recherche Scientifique. 

"퍼즐의 주요 부분은 이것을 의학으로 바꾸는 것입니다"라고 Hochberg는 말합니다. "유용성 측면에서 현실적인 용도는 무엇입니까?"

Hochberg에 따르면 진화의학은 이와 같은 큰 문제를 다루는 데 있어 실제로 가장 유력한 과학적 관점일 수 있습니다. 그러나 의사들은 여전히 ​​자신이 알고 있는 솔루션, 시도 및 테스트된 모범 사례, 그리고 약간의 여지가 있는 방법으로 작업하여 환자를 치료해야 합니다. 가설. "그들은 '먼저 해를 끼치지 말아야 할' 의무가 있습니다"라고 그는 말했습니다. 그리고 현재 이러한 발견은 아직 너무 예비적입니다.

Hochberg는 "내 생각에는 이것이 이것에 대한 암묵적인 주요 비판이라고 생각합니다."라고 말합니다. "이것이 언젠가 빛을 볼 수 있을까요?"

종양은 실제로 서로 경쟁하고 협력하는 세포 공동체입니다(제공: Getty Images)

진화의학은 현대 사회에서 가장 빠르게 증가하는 문제 중 하나인 항균제 내성 에 대한 해결책을 찾는 데에도 적용됩니다 .

현대 의학이 인간에게 감염되어 질병을 일으키는 해로운 박테리아를 박멸하기 위해 강력한 항생제를 개발함에 따라, 이러한 항생제 의 광범위한 사용으로 인해 의도치 않게 이러한 약물에 대한 자연 선택 저항성을 통해 박테리아가 진화하게 되었습니다 . 2019년에는 항균제 내성 박테리아가 HIV/에이즈나 말라리아보다 더 많은 사람을 죽여 120만 명 이상의 목숨을 앗아간 것으로 추정됩니다 .

현재 의사들은 다른 약물에 대한 박테리아 방어를 우회할 수 있다는 희망으로 다른 약물로 전환하여 항균제 내성 박테리아로 인한 질병과 싸우고 있습니다. 그러나 이러한 관행은 저항의 순환을 멈추기보다는 계속할 위험이 있습니다. 실제로 박테리아는 유전적으로 약물에 대한 저항력이 점점 더 커지도록 진화하고 있습니다 .

박테리아는 또한 유전 물질 교환에서부터 무작위 돌연변이 축적에 이르기까지 다양한 방식으로 저항성을 발달시킵니다. 결과적으로 진화과학자들은 이러한 경로를 분석하기 위해 다양한 접근 방식을 테스트하고 있습니다.

"이 문제를 해결하려면 진화를 이해한 다음 약점을 찾아야 합니다."라고 펜실베니아 주립대학교 생명과학연구소 소장인 Andrew Read는 말합니다. Read의 팀은 약물이 득보다 해를 끼칠 수 있는 곳에서 항생제 내성의 확산을 통제하는 데 도움이 되는 "항생제 약물"을 개발하고 있습니다.

병원에서 항생제 내성은 일반적으로 환자가 정맥 내로 투여하는 일부 강력한 항생제(Read에 따르면 약 5~10%)가 환자의 소화 시스템을 통과하기 때문에 발생합니다. 그곳에서 그들은 광범위한 미생물 군집을 만나 해당 군집의 균형에 해로운 변화를 일으키고 일부는 항생제 내성을 갖게 됩니다. 이것은 Clostridium difficile (C. diff) 과 같은 질병의 경우에 일어나는 일입니다 . 환자의 장은 다른 이유로 항생제 치료를 받은 후 이 박테리아에 의해 파괴 됩니다 . 환자가 항바이러스제를 복용할 수 있다면- 일단 장에 도달하면 약물의 효과를 무효화하는 항생제는 그곳의 박테리아가 내성을 가질 가능성을 줄입니다. 비활성화 약물 자체는 임상적으로 아무 역할도 하지 않지만 약물이 장에서 작용하는 것을 막습니다 . 

"이 접근 방식에서 내가 좋아하는 점은 저항 메커니즘이 전혀 중요하지 않다는 것입니다. 저항이 있는지 여부는 중요하지 않습니다"라고 Read는 말합니다. "그것이 획득되었는지, 어떻게 획득되었는지는 중요하지 않습니다. 단지 인구의 저항을 불러일으키는 힘을 막을 뿐입니다."

예를 들어, 암에 대한 적응 치료 접근법은 이러한 질병에 대해 우리가 생각하는 방식을 바꿔야 합니다. 예를 들어, 암을 "파괴"하기 위해 "전투" 및 "싸움"과 같은 전쟁과 유사한 용어를 버리는 것입니다.

그의 연구실에서는 이 메커니즘이 생쥐에서 항생제 치료 후 슈퍼버그 Enterococcus faecium 의 확산을 방지하는 데 효과적이라는 것을 이미 보여주었습니다 . 다른 연구자들은 숯 기반 흡착제 나 리박사마제 (ribaxamase)라는 효소 와 같은 일부 화합물이 동일한 기술을 통해 생쥐에서 C. diff 의 확산을 방지하는 데 도움이 될 수 있음을 보여줄 수 있었습니다 .

그러나 이는 박테리아와 약물이 만나도 내성을 억제하지 않는 일반적인 해결책입니다.

박테리아 저항성을 해결하기 어려운 한 가지 이유는 무작위 돌연변이로 인해 일부 박테리아가 더 강해지고 약물에 저항할 수 있게 되는 전형적인 우연 중심의 진화 경로를 통해서만 발생하는 것이 아니라는 것입니다. 이는 또한 플라스미드라 불리는 DNA 루프가 한 박테리아에서 다른 박테리아로 직접 전달될 수 있는 수평적 유전자 전달 덕분에 발생합니다. 이는 동일한 종의 박테리아 내에서 그리고 종 간에 모두 발생하는 것으로 밝혀졌습니다 . 이 과정을 통해 약물 저항성을 전달하는 돌연변이가 훨씬 더 빠르게 확산될 수 있습니다.

스웨덴 예테보리 대학의 Anne Farewell 연구 그룹은 박테리아가 DNA를 수평으로 공유하기 위해 사용하는 메커니즘 중 하나인 " 접합 "을 늦추려고 노력하고 있습니다 . 이는 세포가 종종 세포 사이를 흐르는 관을 통해 직접 접촉하는 일종의 세균성 섹스입니다.

분자 생물학 수석 강사인 Farewell은 "나는 우리가 그들을 이길 수 없다는 것을 알고 있습니다."라고 말했습니다. "그러나 우리의 생각은 항생제가 20년 동안 유용하기보다는 40~50년 동안 유용할 수도 있다는 것입니다."

그녀는 접합을 통해 짝짓기를 위해 혼합 및 일치할 수 있는 박테리아 종 의 정확한 쌍을 찾아내기 위해 대규모의 미생물을 선별하고 있습니다 . 그녀는 또한 살충제 나 중금속 오염과 같은 특정 환경 조건이 박테리아의 결합을 더 쉽게 또는 어렵게 만드는지 여부를 조사하고 있습니다 .

그녀의 연구에서는 식중독과 다양한 기타 감염을 일으킬 수 있는 일반적인 박테리아인 대장균이 구리와 접촉하면 접합이 차단될 수 있으며 이로 인해 접합 능력이 거의 100배 감소한다는 사실이 이미 밝혀 졌습니다 . 마찬가지로, 이전 연구에서는 특정 종류의 합성 지방산이 세이지 에센셜 오일과 마찬가지로 결합을 억제할 수 있음을 시사합니다 . 연구 에 따르면 겨자과의 식물에서 발견되는 항균 화합물인 벤질 이소티오시아네이트 와 탄자와산이라는 일부 자연 발생 화학물질 에서 동일한 항접합 특성이 발견되었습니다 . 

"어떠한 분자가 결합을 방해하는지 이해하면 효과적인 '접합 방지 약물'을 개발하는 데 도움이 될 수 있지만, 여기서의 연구는 아직 예비 단계이며 이 접근법이 영향을 미치지 않을 박테리아 간에 DNA를 공유할 수 있는 다른 방법이 여전히 많이 있습니다."라고 Farewell은 인정합니다. . 박테리아는 믿을 수 없을 만큼 능숙하다고 그녀는 말합니다. "나는 하나의 해결책이 있을 것이라고 생각하지 않습니다. 많은 접근법이 있을 것입니다."

접합을 통해 박테리아 간 유전자 전달을 방해하면 항생제 내성 확산을 막는 데 도움이 될 수 있습니다(제공: Getty Images)

암 연구와 박테리아 내성 분야는 진화의학 분야에서 가장 발전된 분야이지만, 아직 갈 길이 멉니다. 비평가들은 진화의학 이론에 대해 더 많이 이해하고 있음에도 불구하고 이 새로운 지식이 어느 정도까지 실제로 사용될 수 있는지는 불분명하다고 주장합니다.

최근 프론티어(Frontiers) 저널에 진화의학에 관한 논평 글을 기고한 Hochberg는 "내 개인적인 생각으로는 이것에 대한 무한한 열정이 문제라고 생각합니다"라고 말했습니다. "나는 물류 문제, 이익, 벤치에서 진료소로의 이동 등에 대해 실제로 초점을 맞춘 대화를 거의 본 적이 없습니다."라고 그는 말합니다. "그것은 완전히 다른 벌레 캔입니다."

게다가 지적 마찰도 있습니다. 다윈주의 학자들은 지나치게 열정적일 수 있지만, 이러한 새로운 이론을 받아들이는 쪽은 더욱 회의적인 경향이 있습니다. 진화의학만으로는 누구도 치료할 수 없습니다. 진화의학은 의학의 문제를 생각하기 위한 틀입니다.

최근 진화의학의 한계에 대해 글을 쓴 사이먼 프레이저 대학의 진화생물학자인 버나드 크레 스피(Bernard Crespi) 는 "의학은 일반적으로 진화 생물학과 관련된 어떤 훈련도 받지 않은 사람들에 의해 실행됩니다"라고 말합니다 . "가장 큰 과제는 대형 제약회사의 의료계 전체의 맥락에서 학계, 의사 훈련, 의사의 사고방식 사이의 격차를 해소하는 것입니다."

Gatenby는 예를 들어 암에 대한 적응 치료 접근 방식을 위해서는 이러한 질병에 대해 우리가 생각하는 방식을 바꿔야 한다고 믿습니다. " 암 – 대신 관리에 대해 생각합니다. Gatenby는 설득력이 많이 필요할 것이라고 말했습니다.

진화의학이 어떻게 제약산업과 협력할 수 있을지도 여전히 큰 의문이다.

그러나 이 모든 것을 시작한 사람인 네세는 진화의학이 여전히 질병에 대한 새로운 질문과 답을 제시할 수 있는 힘을 갖고 있다고 말합니다. "어리석은 일이기 때문에 제가 이것에 대해 약간 열정을 갖고 있다고 말할 수 있습니다. 진화 생물학과 의학 사이에는 격차가 있고 실제로 인간의 건강에 해를 끼치고 있습니다"라고 Nesse는 말합니다. "느린 과정이지만 과학은 항상 승리합니다."