소분자 | 구조 기반 약물 설계 | 신약 개발에서의 Cryo-EM

소분자 신약 개발 및 cryo-EM의 중요성

구조 생물학 및 제약 혁신의 성장은 구조 기반 약물 설계를 위한 극저온 전자 현미경(cryo-electron microscopy, cryo-EM)의 채택을 가속화하고 있습니다. 1980년대부터 시작되어 이후 가속화된 단백질 구조 정보의 활용은 소분자 신약 개발에서 분자를 임상 단계로 진입시키는 데 필요한 시간과 비용을 크게 줄였습니다. 구조 기반 약물 설계(structure-based drug design, SBDD)의 가장 잘 알려진 성공은 최초의 HIV/AIDS 단백분해효소 억제제로, 이후 다양한 분자 표적을 표적으로 하는수많은 암 치료제로 빠르게 이어졌습니다. 생물학적 제제 유형의 성장에도 불구하고, 소분자 치료제는 계속해서 고가치 약물 자산이며 미국 식품의약청(Food and Drug Administration, FDA), 의약품의료기기종합기구(Pharmaceutical and Medical Devices Agency, PMDA), 한국 식품의약품안전처(식약처) 및 기타 규제기관의 신약 승인 대부분을 차지합니다.

오늘날 SBDD 및 단편 기반 신약 개발(fragment-based drug Discovery, FBDD) 접근법은 극저온 전자 현미경(cryo-EM)의 “분해능 혁신”으로 인해 새로운 표적 및 새로운 소분자 유형으로 크게 확장되고 있습니다.

구조 기반 약물 설계

구조 기반 약물 설계(SBDD) 접근법에서 표적 단백질에 결합된 리간드의 3차원 구조를 결정하면 적절한 소분자 리간드를 정의하고 최적화할 수 있습니다. 의약 및 계산 화학자는 구조 생물학자와 함께 X-선 결정학 또는 cryo-EM에서 도출된 구조를 활용하여 약물 분자의 모양, 크기 및 전하를 수정함으로써 약물-표적 상호작용을 개선하는 동시에 ADME 프로파일을 개선할 수 있는 영역을 식별합니다.

치료제 개념부터 최종 약물까지 소분자 신약 개발 일정.

Cryo-EM 워크플로우는 구조 기반 방법에 접근할 수 있는 단백질 공간을 극적으로 확장하여 막 단백질 구조 측정(예: GPCR, 수송체 및 통로) 및 다중 단백질 복합체를 위한 최상의 표준이 되었습니다. 단일 입자 cryo-EM은 막 단백질 및 다중 단백질 복합체와 같은 비결정화 표적 단백질의 고분해능 구조를 밝힐 수 있기 때문에, cryo-EM을 사용한 고처리량 SBDD 워크플로우 자동화가 발전함에 따라 소분자 약물은 점점 더 많이 개발되어 왔고 앞으로도 그러할 것입니다.

Thermo Fisher Scientific은 Carrick Therapeutics, Imperial College London, Institute of Cancer Research와 협력하여 암 표적 CDK 활성화 키나아제를 사용한 고처리량 단일 입자 cryo-EM 워크플로우를 개발하고 공개했습니다. 단 1시간의 자료 수집으로 약 3.5~4.5 Å 분해능에서 약물-단백질 상호작용을 규명하는 것이 가능해졌습니다. 연장된 자료 수집은 이후 최대 1.8 Å의 원자 분해능에서 구조 측정을 지원했습니다.

CDK 표적 화합물을 평가하기 위해 사용된 워크플로우. Thermo Scientific Glacios Cryo-TEM을 사용하여 신속한 샘플 최적화 후 Thermo Scientific Glacios 또는 Krios Cryo-TEM에서 고분해능 데이터를 수집합니다.

이러한 구조는 표적-억제제 상호작용에 대한 자세한 통찰력을 제공했으며 차세대 암 치료제의 합리적인 설계를 위한 기반을 형성합니다. 이 접근법은 자동화된 cryo-EM 워크플로우가 높은 처리량과 재현성을 요구하는 연구 환경에서 구조 기반 약물 설계를 어떻게가속화할 수 있는지를보여줍니다.

단편 기반 신약 개발

단편 기반 신약 개발(Fragment-based drug Discovery, FBDD)은 표적 단백질에 약하게 결합하는 작은 화학적 단편을 식별하고 이를 강력한 선도 화합물 설계를 위한 출발점으로 사용합니다. 전통적으로 X-선 결정학은 이 접근법의 핵심이었지만 막 단백질과 대형 복합체에 대한 한계로 인해 cryo-EM이 점점 더 강력한 보완적 방법이 되었습니다. SPR 또는 ITC와 같은 생물물리학적 방법은 cryo-EM을 사용하여 구조를 규명하기 전에 단편을 사전 스크리닝할 수 있습니다.

이러한 발전을 바탕으로 Astex Pharmaceuticals는 FBDD 단일 입자 cryo-EM 워크플로우를 확립하고 까다로운 단백질 표적에 대해 단편을 스크리닝하여 개념 증명을 생성했습니다. 2.5 Å 미만의 원자 분해능에서 모든 리간드 밀도를 명확하게 식별할 수 있으며 이를 선도 화합물 생성 및 최적화를 위한 빌딩 블록으로 사용할 수 있습니다.

Saur, et. al으로부터의 그림은 Creative Commons 라이선스 하에 사용되었습니다.

표적 단백질 분해

표적 단백질의 20%만이 소분자로 약물화가 가능하다고 여겨집니다. 표적 단백질 분해(Targeted protein degradation, TPD)는 이전에 약물화가 어려웠던 표적에 접근하기 위한 대체 치료 접근법을 제공합니다. 이종이중작용성 단백질 분해제(heterobifunctional protein degrader, PROTAC) 및 분자 글루 분해제(molecular glue degrader, MGD)는 소분자를 사용해 표적 단백질을 E3 유비퀴틴 리가아제에 근접하게 하여 선택적 분해를 유도합니다.

근접 유도 화합물을 통한 표적 단백질 분해. 2가(bivalent) 분자 분해제는 E3 리가아제(분홍색) 및 표적 단백질(파란색)과 삼원 복합체를 형성하여 유비퀴틴 사슬(노란색)의 부착과 그에 따른 프로테아좀 분해를 초래합니다. Radhakrishnan et. al.으로부터의 그림은...

Novartis는 단일 입자 cryo-EM을 사용하여 표적-리가아제 복합체에 결합한 항암 분해제인 인디술람의 구조를 규명함으로써, 그 작용 기전을 밝히고 새로운 분해제의 합리적인 설계에 있어 cryo-EM의 가치를 입증했습니다.

RBM39 및 인디술람에 결합한 인간 DDB1-DDA1-DCAF15 E3 유비퀴틴 리가아제의 구조. PDB 6SJ7로부터 재구성한 구조.

Cryo-EM 기기

Thermo Scientific cryo-TEM은 첨단 cryo-EM에 대한 접근을 그 어느 때보다 쉽도록 하며 사용자 개입을 줄이고 데이터 정리, 보기 및 공유를 단순화합니다. 질문이 있거나 실험실에 적합한 시스템에 대해 논의하고 싶습니까? 양식을 작성하시면 전문가와 연결해드립니다.