신약개발과정에서의약물대사연구 한국생명공학연구원오수진선임연구원 1. 서론 신약개발은많은시간과노력그리고높은비용을소모하는과정이지만높은부가가치를창출할수있는산업이다. 신약개발을위한임상연구과정에서의주요실패요인이약물대사및약물동태 (pharmacokinetics, PK) 로알려진 1990년대초반이후신약개발의초기단계에서부터 ADME (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion) 평가연구를적극적으로도입함으로써신약개발성공률을높이기위한노력이지속적으로진행되어왔고현재다국적제약사를중심으로신약개발의일반적인흐름으로자리잡고있다. 이러한노력의결과로 ADME의문제로인한신약개발실패는현저히감소되었다. 특히, 신약개발과정에서후보물질의대사적특성을초기에연구하는것은신약개발의비용과시간을절약하는주요한전략으로자리잡았다. < 신약개발과정에서의실패요인분석 > (Ref. 1) 현재신약개발과정에서는초기단계인신약탐색단계 (drug discovery) 에서부터활성 (activity) 뿐만아니라물성 (property) 에대한최적화연구도동시에진행함으로써임상에서의성공가능성이높은 drug-like property 를지닌후보물질도출을위하여노력하고있다. Drug-like한특성은선도물질 (lead compound) 도출이후선도물질의최적화과정에서그중요성이더욱강조되며그이유는후보물질 (candidate) 의임상에서의성공가능성을예측하는지표가될수있기때문이다. Lipinski 는 drug-like한특성에대해임상1상까지개발중인물질이살아남을만큼충분한 ADME/Tox 의성질을가지는것이라정의하였으며현재구조적, 물리화학적, ADME/Tox 측면에서 drug-likeness
와관련된평가를신약개발의초기단계에수행하고있다 (Ref 2). <Drug-likeness 평가시고려되는사항 > (Ref. 2) 2. 선도물질의최적화와후보물질도출을위한약물대사연구 신약개발초기단계에서도출된선도물질들은일반적으로약으로갖춰야할적절한물성을지니지못한다. 시험관에서아무리좋은효과를나타낸물질이라도동물에투여후충분한혈중농도를지속적으로유지하지못한다면신약으로의가치를잃게된다. 신약개발초기단계에서 DMPK(drug metabolism and pharmacokinetics) 를연구하는사람들이당면하는주요문제는낮은흡수율, 낮은혈중농도, 신속한대사및배설등과같은바람직하지못한 PK 특성들로많은 DMPK 연구자들은물질의 PK 특성을개선하여선도물질을최적화하고후보물질을도출하기위해다양한노력을기울인다. 특히, 신약개발초기단계에서의약물대사연구는개발중인약물의운명을결정하는데매우중요한역할을담당한다. 약물이효과를나타내기위해서는그물질이표적 (target) 에무사히도달하여약효를내기충분한농도에도달하여야하는데약물이대사되면특별한경우를제외하고는대부분활성을잃기때문에약을개발하는입장에서약물대사는넘어야할산인것이다. (1) 약물대사 (Drug metabolism, Biotransformation) 및대사안정성시험 약물대사는거의모든장기 ( 예. 장, 폐및신장 ) 에서일어날수있으나주요약물대사효소는간에높은수준으로발현되어있어간이약물대사에있어가장중요한장기라할수있다. 대사과정은흡수된외인성물질의수용성을증가시켜체외배설이용이한형태로전환시키는과정으로약을포함한외인성물질의체내축적을막는중요한방어체계라할수있다. 하지만때로는약물대사의과정이불완전하여대사과정에서오히려독성이증가하는 bioactivation이유발되기도한다. 일반적으로약물대사반응은 Phase I 과 Phase II 반응으로나뉜다. Phase I 반응은전형적으로관능기 (functional group, 예. hydroxyl) 를도입하여물질의극성 (polarity) 를증가시키는반응이고 Phase II 반응은모화합물자체또는모화합물이 Phase I 반응을통해 polar한관능기가도입된후생성된대사체에일어나는 conjugation 반응으로수용성을증가시킨다. Phase I 반응은주로
cytochrome P450(CYP) enzymes에의한산화반응 (oxidation) 이주된반응이며가수분해 (hydrolysis) 와환원반응 (reduction) 도가능하다. Phase II 반응은 glucuronidation, sulfation, glutathione conjugation, amino acid conjugation, methylation 및 acetylation 반응이있으며 methylation과 acetylation을제외한다른반응은모두수용성을증가시키는반응이다. 생체내로흡수된약물이몸밖으로배설되는경로의총합을약물청소율 (drug clearance) 이라한다. 약물청소율은주로뇨또는변으로의배설과약물대사에의해일어나는데시판되고있는약물중약 75% 정도가약물대사경로를통해몸밖으로제거된다고알려져있다. 즉, 약물대사가약물청소율에있어매우중요한경로임을알수있다. 또한약물대사의 75% 정도는 CYP에의해일어나는것으로보고되었는데이는시판되는약물의약 55% 가 CYP 에의해매개된다는것을의미한다. CYP는매우다양한동종효소 (isoform) 를가지는데특히 5가지동종효소, CYP 1A2, CYP 2C9, CYP 2C19, CYP 2D6 및 CYP 3A4가전체 CYP에의한대사의 90% 이상을차지한다고보고되었다. 이러한이유때문에신약개발초기스크리닝단계에서약물대사에안정한특히 CYP에보다안정한물질을찾고자하는노력의일환으로 microsomes을이용한대사안정성시험을수행한다. 앞서언급한것처럼약물대사는주로간에서일어나기때문에약물대사와관련한 in vitro 시험은간으로부터유래한 tissue fraction ( 예. microsomes, cytosol 또는, S9 fraction) 및 primary hepatocyte 등을 enzyme source로사용하는것이일반적이다. < 주요간마이크로솜 CYP450> (Ref. 3) < 약물의체외배설기여도 > (Ref. 4) (2) 대사체동정 (Metabolite identification) 현재신약개발과정에서는신약개발의각단계를효율적으로지원할수있는다양한 in vitro 및 in
vivo 시험계가개발되어활용되고있다. 특히선도물질의최적화단계에서약물대사연구는더욱큰의미를지닌다. 특히, 약물대사체의동정및대사경로의규명은신약개발과정에서필수적으로요구되며신약개발규제 / 허가기관에서도물질의안전성및유효성검증을위하여필수적으로요구하고있다 (Ref. 5). <Metabolite ID in drug discovery and development> 약물대사체의동정은신약개발단계에따라그목적을달리하는데신약개발초기단계에서는주로 microsomes과 hepatocyte 등 in vitro 시험계를이용하여수행되며개발중인물질의구조중대사에취약한부분 (metabolic soft spot) 을찾아화학자들에게정보를제공하여보다대사에안정한물질을합성할수있도록하는것을그목적으로한다. 후보물질의평가단계에서는다양한실험동물종 (species) 에서의약물대사체스크리닝을통해인체와유사한대사체프로파일을보이는종을찾고그실험동물종을이용하여전임상시험을수행할수있게함으로써전임상실험결과와임상실험결과간의상관관계를높이는데주안점을두고있다. 2008년도미국 FDA(Food and Drug Administration) 에서 MIST (Metabolites in Safety Testing) 라는 guidance를발표하였다. 이 guidance에서는대사체의 AUC (area under the curve) 가모화합물 (parent compound) AUC의 10% 이상이고그대사체가실험에사용한동물종에서발견되지않거나인간에비해낮은농도로측정될경우모약물외에대사체의전임상독성을요구하고있다. 또한인간에선택적인대사체가일정량이상생성될경우신약개발을위해서는대사체의안전성을필수적으로평가해야됨을강조하고있다. 이러한이유로많은제약회사에서는임상시험에서발생할수있는예상치못한독성의가능성을최소화하기위해후보물질평가및개발단계에서대사체의종차를정성및정량적측면모두에서평가한다. 신약개발초기단계에서의대사체연구가 PK 특성을개선하기위한부분
에목적을두어정성적분석에초점을맞추었다면후기단계에서는독성적측면에서의대사연구 를수행하기위해정성뿐아니라정량적분석이강조되고있다. < 대사체안전성시험을위한 decision tree> (Ref. 5) (2) 약물유래간독성과약물상호작용 1990년이후독성문제로시판중에시장에서철수한 33종의의약품을원인별로분석해본결과 13종 ( 약40%) 은간독성, 10건 ( 약30%) 은 QT interval 증가에따른심장독성 ( 부정맥 ) 그리고약물대사를통한약물상호작용 8건 ( 약24%) 으로조사되었다 (Ref. 6). 심장독성을제외하고간독성과약물상호작용은약물대사와매우밀접한관련을지닌다. 약물유래간독성 (DILI; drug-induced liver injury) 은모약물보다는친전자성의독성대사체에기인한다. 1990년대이후 benoxaprofen, iproniazid, nefazodone, tienilic acid, troglitazone, bromfenac (unclear) 등의약물은대사체에의한독성으로시장에서철수하였으며, black box 경고가부가된 15개의약물중 8개 (dacarbazine, dantrolene, felbamate, flutamide, isoniazid, ketoconazole, tolcapone, valproic acid) 역시독성대사체에기인하는것으로알려졌다. 심장독성의경우심장의 action potential을조절하는 ion channel, 특히 herg와같은중요한표적단백질이규명되어신약개발의초기단계에서심장독성에대한평가가진행되고있으나약물유래간독성은표적단백질이발굴되지않고있어신약개발의초기단계에서간독성을평가할수있는연구방법은매우제한적이다. 결과적으로약물유래간독성은현재까지도신약개발의가장큰허들중하나이다.
<1990 년이후의약품시장철수요인 > (Ref. 6) 약물상호작용 (drug interaction) 에의해시장에서퇴출된대표적인약물은 Terfenadine으로 1990년심각한약물상호작용에대한보고가있었고 1992년미국 FDA 에서 black box 경고가부가된이후 1998년시장에서퇴출되었다. 의약품의안전성평가에서약물상호작용은한가지약물이다른약물 ( 또는내 외인성물질과생체구성성분 ) 들과상호작용하여투여된약물의약효나독성에변화가유발되는현상을말한다. 약물대사를통한약물상호작용은 A 약물이 B 등다른약물의체내동태 ( 혈중또는조직에서 AUC, 반감기, 최대농도등 ) 가변동되고결과적으로 B 약물의약효 / 독성이정상과다르게발현하는것이다. 앞서약물대사에있어 CYP의중요성에대해언급하였는데 CYP의큰특징은외인성물질의노출에의해발현이나활성이유도되거나억제되는특징을가지고있다. CYP의유도는약물의농도를감소시켜약효가나타날수있는유효농도에도달하지못하게하는반면 CYP의억제는약물의농도를증가시켜약효를넘어독성을유발하게할수있다. 약물대사를통한의약품의상호작용은의약품과의약품외에도식품과의약품, 천연물과의약품등다양한조합에서도발생할수있다. 약물상호작용에서 CYP를유도하거나억제하여병용처리된다른의약품의 PK 지표를변화시키는것을가해자 (perpetrator) 그리고변화된 CYP에의해대사를받는것을피해자 (victim or substrate) 로표현할수있다. 약물상호작용으로혈중농도가증가하여독성을유발하는의약품은주로 CYP의기질인피해자이다.
< 약물상호작용의결과 > 현재신약개발과정중인체내약물상호작용을예측하고그기전을규명하기위해 CYP inhibition/induction 시험을 routine하게수행하고있다. 최근 2012년에미국 FDA에서업데이트된가이드라인을발표하였다. 그주요내용을살펴보면 in vitro CYP inhibition 연구의경우, 기존의 5 종의 CYPs, 즉, CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6 및 CYP3A4 에대한 CYP inhibition study에서 CYP2B6, CYP2C8 2종을추가하여 7종의 CYP 에대한 inhibition study를수행할것을권장하고있으며 inhibition의 mechanism을이해하기위해좀더자세한 reversible inhibition/time dependent inhibition(tdi) 에대한기준을제시하고있다. in vitro CYP induction의경우새로운 end point로 mrna의변화를제시하였고 in vivo study를대신할 PBPK modeling 및 simulation과관련된내용을포함하고있다. 또한주요배설경로 (elimination pathway) 에대한연구에서기존에 CYP 에대한 reaction phenotyping 연구에새롭게 UGT(UGT1A1, UGT1A3, UGT1A4, UGT1A6, UGT1A9, UGT2B7 및 UGT2B15) 에대한평가를추가하였다. 그리고기존의약물대사효소, 특히 CYP에대한약물상호작용연구에서 transport의약물상호작용에대한내용을추가한것이가장큰변화라할수있다 (Ref. 7). 종합적으로미국 FDA에서 2012년에발표된 guidance는약물상호작용에대한광범위한결과를요구하고있다. 3. 결론 신약개발과정에서수행되고있는약물대사의연구는개발중인물질의 PK 특성과독성적측면을이해하기위함이다. 신약개발의궁극적인목적은사람에서치료제로사용할수있는물질의개발이라볼수있다. 이를위해서는반드시규제기관으로부터허가를받아야한다. 규제기관의허가를받을때가장크게고려되는점은약효와안전성의문제이며이에대한이해를돕기위해 DMPK 연구가수행되어야하는것이다. 실제로 DMPK 관련정보를이용하여약물의화학구조,
효능및 PK 가적절하게균형을이룰수있는약물설계를통해성공한사례는다수존재한다. 비록임상시험에앞서 in vitro 및실험동물을이용한다양한 DMPK 시험을수행하고있고이러한결과가매우유용한정보를제공하지만 human prediction에있어서는분명한계가있다. 따라서선행연구로부터얻은결과를사람에외삽 (extrapolation) 할때에는많은주의가필요하다. 실험동물간생리적인특성이유사하다하더라도특히약물대사의경우약물대사효소의종차 (species difference) 가매우크기때문에실험동물결과로부터사람에서신뢰할만한결과를예측하기위해서는무엇보다도종간유사점과차이점에관련된 mechanism의이해가중요하다할수있다. 신약개발과정은다양한분야의전문가가모여신규치료제의개발이라는하나의목표를향해나아가는긴여정이다. 아프리카속담에 빨리가려면혼자가고멀리가려면함께가라 라는말이있다. 신약개발이라는긴여정의끝에성공이라는열매를얻기위해노력하는많은이들이크게공감할수있는말이라생각한다. 4. References 1. Ruiz-Garcia A. Bermejo M. Moss A. and Casabo VG. (2008) Pharmacokinetics in drug discovery. J. Pharm. Sci. 97:654-90. 2. Kerns EH, Di Li. (2008) Drug-like properties: Concepts, Structure Design and Methods: from ADME to Toxicity Optimization. 3. Zuber R, Anzenbacherova E, Anzenbacher P. 2002. Cytochromes P450 and experimental models of drug metabolism. J Cell Mol 6(2): 189-98. 4. Wienkers LC, Heath TG. (2005) Predicting in vivo drug interactions from in vitro drug discovery data. Nat Rev Drug Discov 4(10):825-33. 5. U.S. FDA (2008) Guidance for industry. Safety testing for drug metabolites. 6. Shah RR. (2004) Pharmacogenetic aspects of drug-induced torsade de pointes: potential tool for improving clinical drug development and prescribing. Drug Saf. 27:145-72. 7. U.S. FDA. (2012) Guidance for industry. Drug Interaction studies-study Design, Data Analysis, Implications for Dosing, and Labeling Recommendations.