중요하게 고려해야 할 억제제 특성

세포 투과성, 프로존 효과, 리핀스키의 5 규칙 등의 효소 억제제로 작업하기 전 중요하게 고려해야 할 억제제 특성을 알아보세요. 또한 의약품으로 사용되는 억제제의 실제 사용 예시도 알아보세요.

• 억제제의 세포 투과성
• 프로존 효과
• 의약품으로서의 효소 억제제
• 리핀스키의 5 규칙

억제제의 세포 투과성

살아있는 세포에서 단백질과 단백질의 상호작용을 조작할 수 있는 합성 분자 개발에 엄청난 관심이 쏠리고 있습니다. 이는 많은 제약 개발 프로그램의 기초가 됩니다. 그러나 형질막은 선택적으로 투과할 수 있으며 세포 내 대부분의 분자가 출입하는 것을 조절합니다. 억제제의 세포 투과성, 즉 억제제 분자가 형질막을 통과하여 세포 내 표적에 도달하는 방식은 분자의 크기와 친유성 또는 소수성 특성에 따라 달라집니다. 분자가 충분히 작은 경우 수동 확산, 촉진 확산, 또는 능동 수송을 통해 멤브레인을 가로질러 수송할 수 있습니다. 더 큰 분자는 세포 내 이입을 통해 이동할 수 있습니다.

펩타이드 기반 억제제의 투과성

펩타이드 기반 억제제의 투과성은 다음과 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다.

• 아미노산이 4개 이상인 펩타이드는 세포 투과성이 없을 수 있습니다. 그러나 이러한 펩타이드에 선택적 그룹을 부착하면 세포 투과성을 높일 수 있습니다.
  • 예를 들어, 플루오로메틸케톤(FMK) 기반의 카스파제 억제제는 세포 투과성이 있습니다. 아스파르트산과 글루탐산의 카복실기가 에스테르화되어 소수성이 강해지기 때문입니다. 이러한 억제제는 카스파제의 티올기를 공유 결합하여 비가역적 억제제로 만듭니다. 또한 억제제의 아민 말단에는 Z기, 비오틴기, Ac기가 부착될 수 있습니다. 이러한 그룹은 분자의 소수성을 증가시켜 세포 투과성을 높입니다. Ac기 또는 비오틴기가 있는 억제제에 비해 Z기가 있는 억제제는 세포 투과성이 훨씬 더 높습니다.
• 비고리형 펩타이드는 해당 고리형 펩타이드보다 투과성이 더 높습니다. 이는 비고리형 펩타이드의 구조적 자유도가 높기 때문입니다.
• HIV-1 Tat-(48-60) 및 초파리 안테나피디아-(43-58)와 같은 기본 펩타이드는 멤브레인 투과성이 높으며, 펩타이드 기반 억제제와 융합하면 세포 내 전달을 위한 운반체 역할을 할 수 있습니다.
• 디기토닌으로 세포를 단시간 처리하면 일시적으로 세포를 투과시켜 펩타이드 기반 억제제가 세포 내로 이동하도록 할 수 있습니다.
• 펩타이드를 세포 내로 이송할 때 ProteoJuice™ 트랜스펙션 시약(제품 번호 71281)과 같은 단백질 전달감염 시약을 사용할 수도 있습니다.

저분자 억제제의 투과성

저분자 억제제의 투과성을 결정하려면 다음 요소를 고려해야 합니다.

• 일부 억제제는 완전히 세포 투과성이 없어 세포 기반 연구에 사용할 수 없습니다. 그러나 용해물 및 균질액과 함께 사용하기에는 전혀 문제가 없습니다.
• 일부 저분자 억제제는 소수성 및 친유성 특성으로 인해 투과성이 있습니다.
• 일반적으로 하전된 분자는 세포 투과성이 없습니다.
• 대부분의 인산화 화합물은 세포 투과성이 없습니다. 그러나 모노뷰티릴-cAMP 및 다이뷰티릴-cAMP와 같은 변형된 인산화 화합물은 세포 투과성이 있습니다.

 

프로존 효과

프로존 효과는 고용량 후크 현상이라고도 하며, 일반적으로 과도한 항원 또는 항체를 추가했을 때 거짓 음성 또는 실제보다 낮은 거짓 결과가 나타나는 면역분석을 설명하는 데 사용됩니다. 기존 면역계측법 분석에서 설명되었지만, 프로존 효과는 억제제 또는 수용체 길항제의 농도가 효소 또는 수용체의 농도를 훨씬 초과하는 생화학적 분석에도 적용할 수 있습니다. 프로존 현상으로 인해 처음 몇 번의 희석에서는 반응이 약하거나 음성(거짓 음성)으로 나타나지만, 추가 희석 시에는 예상대로 반응이 진행됩니다(그림 1).

그림 1. 프로존 효과를 그래픽으로 표현했습니다.

일반적인 면역분석에서는 항원과 항체가 결합하여 검출하고 측정할 수 있는 접합체를 생성합니다. 그러나 프로존 효과가 발생하면 과도한 항원이나 항체가 모든 수용체 부위에 결합하여 접합체를 생성할 수 있는 항원이 남지 않게 됩니다. 따라서 항체-항원 접합체를 검출할 수 없으며, 거짓 음성 결과가 발생하여도 발견하지 못할 수 있습니다. 임상 환경에서 이는 오진으로 이어져 약물의 효능을 감소시키거나 독성을 유발하는 억제제를 사용하게 될 수 있습니다.

프로존 효과를 방지하는 방법

프로존 효과는 다음과 같은 방법으로 방지할 수 있습니다.

• 순차적으로 희석한 억제제 사용
• 보고된 IC₅₀ 값보다 5~10배 높은 농도로 억제제를 사용

따라서 억제제가 예상대로 작용하지 않을 경우 IC₅₀ 값을 재검토하여 적절히 희석된 억제제를 사용하는 것이 가장 좋습니다.

의약품으로서의 효소 억제제

대부분의 약물 치료는 과활성 효소의 활동 억제를 기본으로 합니다. 과활성 효소를 억제할 수 있다면 질병의 진행을 늦추고 증상을 완화할 수 있습니다. 의약품으로서 효소 억제제는 경쟁적 효소 억제라는 개념을 기반으로 하며, 이때 억제제는 정상적인 생화학적 기질의 구조 유사체로, 효소의 활성 부위에서 천연 기질과 경쟁하고 원하지 않는 양의 대사 산물이 형성되는 것을 막습니다.

전구약물

의약품으로서의 활성 화합물 외에도 경우에 따라 전구약물이 선호되기도 합니다. 전구약물은 대사를 거쳐 활성 형태로 전환되기 전에는 효과가 없습니다. 일부 억제제는 동시에 투여하면 전구약물의 생체 내 전환을 방해하여 전구약물의 효능을 감소시킬 수 있습니다. 예를 들어, 항암 전구약물인 타목시펜은 사이토크롬 P450 2D6이 있어야 활성 약물이 될 수 있습니다. 그러나 파록세틴 하이드로클로라이드과 같은 항우울제는 사이토크롬 P450 2D6의 활성을 억제하므로 같은 기간 복용할 경우 타목시펜의 효능을 심각하게 감소시킬 수 있습니다.

구조 기반 약물 설계

신약 개발 과정에서 초기 후보 화합물은 경쟁적 억제 효과가 미미한 경우가 많습니다. 의약 화학자들은 초기 후보 화합물의 구조를 약간 수정하여 더 효과적이고 특이적이며 생체 이용률이 높고 독성이 덜하도록 개선합니다. 구조 기반 약물 설계를 기반으로 개발된 억제제는 주로 용해도가 낮아 생체 이용률이 떨어지는 경우가 많습니다. 용해도를 높이면 화합물의 독성을 줄이는 데 도움이 됩니다.

최종 제품의 효과는 억제제 분자의 역가, 특이성, 대사 경로, 생체 이용률, 약동학적 특성에 따라 달라집니다. 단일 반응에 특이성이 높으면 원치 않는 부작용과 독성이 있을 가능성을 피할 수 있습니다. 특이성이 높으면 비특이적 경로로 인해 억제제가 고갈되는 것을 줄일 수도 있습니다.

일반적인 의약품 예

의약품으로 사용되는 억제제의 일반적인 예는 다음과 같습니다.

• 진통제: 아세트아미노펜(COX 억제제)
• 고콜레스테롤혈증 치료제: 로바스타틴(제품 번호 438185, HMG-CoA 환원효소 억제제)
• 통풍 조절: 알로퓨리놀(제품 번호 A8003, 잔틴 산화효소 억제제)
• 항생제: 리팜피신(제품 번호 R3501, DNA 의존성 RNA 중합효소 억제제)
• 발기부전: 구연산 실데나필(제품 번호 SML3033, 포스포디에스테라아제 V 억제제)
• 항암제: 독소루비신(토포이소머라아제 억제제), 이마티닙 메실레이트(제품 번호 SML1027, Bcr/Abl 티로신 키나아제 억제제), 5-플루오로우라실(제품 번호 343922, 티미딜산 합성효소 억제제)
• 혈압 조절: 캅토프릴(제품 번호 C4042, 안지오텐신 전환효소(ACE) 억제제)

다음은 의약품으로서의 수용체 길항제의 더욱 구체적인 몇 가지 예시입니다. 

• 아트로핀: 중추 및 말초 신경계 ACh 무스카린성 수용체 차단제로 작용
• 펜톨아민: α1 및 α2 아드레날린 수용체 차단제
• 프라조신: α1-특이적 아드레날린 차단제
• 아테놀올: β1-특이적 아드레날린 차단제
• 날록손: 오피오이드 수용체 길항제, m, k, s 수용체의 속효성 경쟁적 억제제
• 칸데사르탄: 안지오텐신 II 유형 1 수용체 차단제
• 사이클로타이아자이드: 대사성 글루타메이트 수용체 1의 비경쟁적 길항제
• 메만틴: NMDA 글루타메이트 수용체의 비경쟁적 길항제

참고: 당사에서 제공하는 모든 억제제와 수용체 작용제 및 길항제는 연구용으로만 사용되며 임상, 진단 또는 수의학적 응용분야에는 사용할 수 없습니다.

리핀스키의 5 규칙

Lipinski et. al. (1997)은 임상 시험 중인 2,000개 이상의 약물과 후보 약물의 물리화학적 특성을 분석했습니다. 연구팀은 화합물이 다음 기준에 부합하면 멤브레인 투과성이 있고 체내에 쉽게 흡수될 가능성이 높다고 결론지었습니다. ¹

리핀스키의 5 규칙은 다음과 같습니다.

• 분자량이 500 미만입니다.
• 화합물의 친유성은 logP(물과 1-옥탄올 사이 분배 계수의 로그 값)로 알려진 양으로 표현되며, 5 미만입니다.
• 수소 결합에 수소 원자를 기증할 수 있는 분자 내 기(일반적으로 약물 분자 내 하이드록실기와 아민기의 합)의 수는 5개 미만입니다.
• 수소 원자를 받아들여 수소 결합을 형성할 수 있는 기(산소와 질소 원자의 합으로 추정)의 수는 10개 미만입니다.

리핀스키의 5 규칙은 화합물이 성공적인 경구용 약물이 될 가능성을 판단하기 위한 일반적인 지침을 제공합니다. 약물 물성 분포의 90 백분위수 값을 기반으로 하는 이 규칙은 화합물이 세포막을 통해 수동적으로 확산되어 흡수되는 경우에만 적용됩니다. 수송체 단백질에 의해 세포막 사이로 활발하게 수송되는 화합물은 예외입니다. 리핀스키의 기준은 의약 화학자들이 화합물의 흡수뿐만 아니라 전반적인 약물 유사성을 예측하는 데에도 널리 사용됩니다.

예외 및 우려 사항

• 이 규칙은 약물로 개발될 가능성이 있는 후보군을 좁힐 강력하고 간단한 도구를 제공하지만, 성공적인 약물이 될 수 있는 화합물을 배제할 가능성도 있습니다.
  • 예를 들어, 대부분의 결핵(TB) 치료제와 항균제는 일반적으로 이 규칙을 따르지 않습니다.
• 한 가지 우려되는 사항은 경계가 확연하여 한 분자가 '0'을 받았을 때, 매우 유사한 다른 분자는 '4'를 받을 수 있다는 점입니다.
• 또 다른 우려 사항은 각 규칙에 동일한 가중치가 부여된다는 것입니다. 특히 명확한 경계를 완화하기 위해 규칙을 수정하자는 제안이 있었습니다. “Softening the Rule of Five—where to draw the line" Petit et. al. (2012)에서는 기준을 완화하고 각 규칙에 특정 가중치를 할당하여 예측력을 향상하는 새롭고 심층적인 접근 방식을 제안합니다. ²

리핀스키의 규칙을 세밀하게 조정하면 개발 가능성이 있는 약물을 조기에 불합리하게 폐기하는 일을 방지하여 신약 발견 과정을 개선할 수 있습니다.

특정 억제제 특성에 대한 자세한 내용은 수용체 작용제 및 길항제 문서에서 확인하세요.

연구 목적 외 사용 금지. 진단 절차에 사용 금지.

참고문헌

1. Lipinski CA, Lombardo F, Dominy BW, Feeney PJ. 1997. Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings. Advanced Drug Delivery Reviews. 23(1-3):3-25. https://doi.org/10.1016/s0169-409x(96)00423-1

2. Petit J, Meurice N, Kaiser C, Maggiora G. 2012. Softening the Rule of Five—where to draw the line?. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 20(18):5343-5351. https://doi.org/10.1016/j.bmc.2011.11.064