Spark을 이용한 생물 동배체 치환으로 대사 문제를 다루다

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Anand Balupuri†, Giovanna Tedesco†

†Cresset, New Cambridge House, Bassingbourn Road, Litlington, Cambridgeshire, SG8 0SS, UK

초록

화합물의 대사 안정성은 약물 발견 및 개발에서 중요 요인입니다. 유망한 약리학적 성질을 갖는 화합물 중 일부는 좋지 못한 대사 안정성 특성으로 인하여 약물로서 실패합니다. 생물 동배체 치환(bioisosteric replacement)은 화합물의 성질을 조절하는 강력한 도구입니다. 본 사례 연구는 Cresset의 생물 동배체 치환 및 골격 도약(scaffold hopping) 소프트웨어인 Spark¹를 이용하여 대사 안정성 문제를 다루는 데 있어 생물 동배체 치환이 얼마나 유용할 수 있는지 보여줍니다.

서론

Mitogen-Activated Protein Kinase(MAPK) 경로는 주요 세포 신호 전달 경로입니다. 이 경로의 이상 활성화는 흔히 종양 성장을 촉진합니다.² Extracellular signal-Regulated Kinase 1 및 2(ERK1/2)는 MAPK 경로에서 핵심적인 역할을 수행하며³, 종양 치료를 위한 유망한 표적입니다.

지난 몇 년 동안 유망한 전임상 효능을 갖는 다양한 ERK1/2 저해제가 임상 시험에 진입했습니다.⁴ Isoindolinone은 Astex Pharmaceuticals에서 최근에 보고한 새로운 종류의 ERK1/2 저해제입니다.⁵ 화합물 7(그림 1 – 좌, 표 1)은 대단히 강력한 선택적 ERK1/2 저해제이며 쥐에서 유망한 약동학적 특성을 나타내지만 Cytochrome P450 3A4(CYP3A4)에 의한 산화 대사로 인해 짧은 in-vitro 반감기(5.1분)을 갖습니다.⁶ 대사 산물을 분석한 결과, 화합물 7의 두 말단(tolyl methyl기와 oxan 고리)이 심한 산화 대사를 겪는 것으로 밝혀졌습니다.

그림 1. 좌: 화합물 7은 짧은 반감기를 갖는 대단히 강력한 선택적 ERK1/2 저해제입니다. 우: 최적화된 화합물 15는 향상된 효능과 더 긴 반감기를 보여줍니다.

화합물 7의 대사 안정성을 개선하기 위한 lead 최적화 전략은 더 안정한 동배체(유사체의 SAR 데이터는 표 1에 나와 있음)로 치환하여 취약 부위를 직접적으로 차단하거나, 형태(conformation)를 보다 고정된 형태로 만들거나, 화합물의 전반적인 물리화학적 특성을 조절하는 것입니다. 이러한 노력으로 화합물 15(그림 1 – 우, 표 1)를 찾아 냈습니다. 이 화합물은 CYP3A4 대비 약간 더 높은 효능과 크게 개선된 대사 안정성을 보이며 in-vitro 반감기는 35분입니다. 현재, 화합물 15(ASTX029)는 진행성 고형 악성 종양(advanced solid malignancies) 환자에 대해 I – II 상 임상 시험 중에 있습니다.⁶

표 1. Tolyl moiety 치환체의 SAR 탐색.⁶

Compound	R	ERK2 IC50 (nM)	CYP3A4 T1/2 (min)
7		3.0	5.1
14		1.3	5.5
15		2.7	35
16		43%@1	<5
17		1.8	15

공개된 lead 화합물 7 – ERK2 복합체의 X-선 결정 구조(PDB 코드: 6G9N)에서 화합물 7은 hinge 영역과 secondary pocket을 모두 점유하며(그림 2), 이는 이중 약리적 특성을 끌어내는 데 필요한 것으로 생각됩니다.⁶ Tolyl moiety는 secondary pocket에 결합하며 TYR 64 잔기와 aromatic-aromatic 상호작용을 합니다. Oxan 고리는 근처 hinge 영역에 결합하며 ERK2 활성 부위와 어떠한 특정 상호작용도 하지 않습니다.

그림 2. ERK2 활성 부위에 결합한 화합물 7(PDB 코드: 6G9N)

Spark는 Cresset사의 고유 분자장(molecular field) 기술을 이용하여 생물학적으로 관련 있는 치환체의 리스트를 제안합니다.⁷ Spark는 주어진 starter molecule의 지정된 부분을 정전기적 및 입체적으로 유사한 특성을 갖는 상업용 및 문헌 화합물 라이브러리에서 얻은 fragment로 치환합니다. 유사 툴 대비 Spark의 주요 장점은 치환 fragment만을 별개로 평가하는 것이 아닌 전체 제안 분자를 평가한다는 것입니다. 생성물 중심 접근은 분자 나머지 부분에 대한 치환 fragment의 전자 및 형태 효과를 고려할 수 있습니다. 여기서, 우리는 Spark를 이용하여 대사 문제를 다루면서 ERK2 표적에 대한 활성을 유지하는 tolyl moiety(그림 1 – 좌의 주황색 원)의 대체 R-group을 신속하게 확인해 보고자 합니다.

방법

Lead 화합물 7 – ERK2 복합체의 X-선 결정 구조(PDB 코드: 6G9N)를 본 사례 연구의 시작점으로 이용했습니다. Spark는 다양한 실험을 쉽게 준비할 수 있는 wizard를 제공합니다. 우리는 본 실험을 준비하기 위해 ‘Scaffold Hopping or R-group Replacement’ wizard(그림 3 – 좌)를 이용하였습니다.

그림 3. 좌: Spark의 project wizard. 우: Starter molecule의 치환 선택 영역은 Spark wizard의 2D 및 3D 창에 후광으로 강조 표시됩니다.

PDB 6G9N을 Protein Data Bank에서 Spark로 직접 다운로드 받은 후, ‘Let Spark choose the protonation state’ 옵션을 적용하여 준비하였습니다. 해당 pdb에 함께 결정화된 리간드(화합물 7)를 starter molecule로 선택하였고, 결정 구조상의 모든 물 분자는 제거하였습니다. Tolyl moiety를 starter molecule의 치환 영역으로 선택했습니다(그림 3 – 우).

계산 수행 시, 다음과 같은 설정을 이용하였습니다:

• Calculation method: Accurate but Slow
• Databases to search: ChEMBL_common, Very Common and Common

이들 Spark fragment 데이터베이스에는 R-group 치환 실험을 위한 97,000개 이상의 fragment가 등록되어 있으며, 문헌에 보고된 화합물(ChEMBL 데이터베이스)⁸과 상업적으로 이용 가능한 화합물(VeryCommon, Common)⁹로부터 얻은 것입니다. 

Starter molecule의 물리화학적 특성(MW: 550, SlogP: 4.3, TPSA: 117, Flexibility: 8.5)에 기반하여 유사 약물(druglike) 특성을 갖는 Spark 검색 결과를 얻기 위해 다음과 같은 고급 설정을 이용하였습니다:

• Maximum number of heavy atoms: 50

• Maximum molecular weight: 610

• Calculated lipohilicity (SlogP) range: 3-5

• Calculated Topological Polar Surface Area range: 40-140

결과

상기 Spark 세부 설정을 이용한 lead 화합물 7의 tolyl moiety에 대한 R-group 치환 실험은 Bio-Isostere Factor(BIF%) 값의 범위가 11 ~ 92인 50% field와 50% shape 유사도를 기반으로 순위에 따라 정렬된 1000개의 제안을 생성했습니다. BIF%는 원래 분자의 스코어는 100%이고 치환 부분을 삭제한 스코어는 0이 되도록 스케일링 된 스코어입니다. 양의 값은 양호한 생물 동배체를 나타내며, 음의 값은 원래 분자의 기하학적 구조를 재현할 수 있으나 삭제된 moiety를 잘 모방하지 못한 치환을 나타냅니다. 결과 화합물들은 유사성에 따라 몇 개의 클러스터로 묶이게 되고, 이 중에 몇몇 큰 클러스터들은 phenyl, thiophene, pyridine, furan 골격을 포함합니다. 당연하게도, 대다수 결과(348개)는 가장 스코어가 높은 집단인 phenyl 치환 R-group에 속합니다.

Phenyl 치환 R-group

이 클러스터 내 Spark 결과는 대사 안정성 문제를 해결하기 위해 R-group의 정전기(electrostatic)와 형상(shape)을 조절하는 데 도움을 줄 수 있는 수많은 흥미로운 변형을 포함하며 의약화학 지식을 이용하여 분자를 서열화합니다. 예를 들어, 의약화학자는 대사에 취약한 부분(metabolic soft spot)을 차단하기 위해 흔히 fluorine과 methoxy기를 이용합니다. 이는 C-F 결합이 C-H 결합에 비해 cytochrome P450 공격에 훨씬 더 저항적이기 때문입니다. 또한, 대사 공격 부위에 인접하거나 때론 먼 부위에 fluorine 치환은 약물 대사를 변화시킵니다.^6,10,11 흥미롭게도, Spark 결과는 lead 화합물 7의 최적화에 이용된 R-group 치환체를 포함하여 수많은 fluoro 및 methoxy 치환 결과를 보여줍니다.(표 1과 그림 4)

그림 4. Phenyl 치환 Spark 결과 일부의 tile view. 이 중 Astex Pharmaceuticals가 lead 최적화에 이용한 R-group 치환체를 강조 표시하였다.⁶

그 밖의 헤테로 고리

방향족 계를 더 전자 결핍한 고리계로 치환함으로써 cytochrome P450 매개 산화에 대한 robustness를 개선시킬 수 있습니다. 특히, phenyl 고리를 pyridyl기로 치환하는 것은 대사 문제를 다루는 가장 일반적인 전략입니다.¹² 이 사례에서 Spark는 tolyl moiety를 대체한 많은 흥미로운 헤테로 고리를 제안합니다. 이 중에는 ortho-, meta-, para-pyridine 집단을 포함합니다(그림 5).

그림 5. Spark 결과에서 가장 높은 점수를 받은 클러스터들. 명확성을 위해 2 고리 및 5 원자 헤테로 고리는 배제하였다.

특히, 문헌⁶에 보고된 것과 유사한 40 개의 para-pyridine 치환체의 집단이 Cluster Rank 24에 나타납니다. 이 집단은 표1의 화합물 17을 포함합니다. 낮은 BIF% = 46은 표 1의 다른 화합물에 비해 화합물 7과 정전기적으로 훨씬 덜 유사하기 때문입니다(그림 6).

그림 6. 표1에 나와 있는 화합물의 양(빨강) 및 음(파랑)의 정전기적 표면 비교. 화합물 17이 다른 화합물과 가장 차이를 보이는 영역은 pyridine 질소 원자 앞의 음의 장입니다.

몇 가지 흥미로운 제안

Lead 화합물 7의 tolyl methyl기는 광범위한 산화 대사를 겪습니다.⁶ Methyl기를 cyclopropane 고리로 치환하면 cytochrome P450 매개 대사를 감소시킬 수 있습니다. 이는 산화 대사에 필요한 methyl에 비해 cyclopropane 고리로부터 양성자를 떼어내는 것이 더 어렵기 때문입니다.¹³ Spark 상위권 결과 중 Rank 11에서 cyclopropyl 치환 결과를 찾아볼 수 있습니다(그림 4). 

화합물 14는 tolyl moiety에 anisole이 위치한 것으로, 유사한 대사 안정성을 보입니다(표 1). 그러나 anisole을 difluoroanisole로 치환하면 대사 안정성을 보다 향상시킬 수 있습니다.¹⁴ Difluoroanisole 치환 결과는 Spark 결과 내 Rank 107에 나타납니다(그림 4). 이러한 치환은 이 lead 시리즈의 추가 탐색을 위해 tolyl moiety에 대한 흥미로운 대안을 제공할 수 있습니다.

결론

본 사례 연구에서 Spark는 Astex Pharmaceuticals가 임상 후보 물질 ASTX029 발견에서 이용한 것과 동일하고 매우 유사한 R-group 치환체를 성공적으로 찾아냈습니다.⁶ 이 예는 의약화학적 지식과 함께 Spark를 이용한 생물 동배체 치환이 약물 발견에서 대사 관련 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있음을 시사합니다.

참고문헌

1. http://www.cresset-group.com/spark/ 

2. Samatar A. A. et al., Nat. Rev. Drug Discov. 2014, 13(12), 928-942

3. Pearson G. et al., Endocr. Rev. 2001, 22(2), 153-183

4. Roskoski R. et al., Pharmacol. Res. 2019, 142, 151−168

5. Heightman T. D. et al., J. Med. Chem. 2018, 61(11), 4978−4992

6. Heightman T. D. et al., J. Med. Chem. 2021, 64(16), 12286-12303

7. https://www.cresset-group.com/science/

8. https://www.ebi.ac.uk/chembl/

9. https://www.emolecules.com/info/products-screening-compounds

10.  Shah P. et al., J. Enzyme Inhib. Med. Chem. 2007, 22(5), 527-540

11.  Park B. K. et al., Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2001, 41(1), 443-470

12.  Lazzara P. R. et al., RSC Med. Chem. 2020, 11(1), 18-29

13.  Talele T. T., J. Med. Chem. 2016, 59(19), 8712-8756

14.  Xing L. et al., ChemMedChem 2015, 10(4), 715-726