리간드 효율이 높고 특성이 최적화된, 새로운 고효능 CDC7 억제제 개발 후보물질 설계

디자인 과제

세포 분열 주기 7 관련 단백질 키나아제(CDC7)는 복제 스트레스 반응에서 핵심적인 역할을 하는 세포 주기 키나아제입니다. CDC7 억제는 혈액암과 고형 종양을 표적으로 삼기 위해 오랫동안 추구되어 온 전략입니다. CDC7 소분자 억제제 개발에 초점을 맞춘 신약 개발 노력은 20년 이상 이어져 왔으나, 대부분이 성공적인 임상 개발에 필요한 특성을 갖추지 못해 초기 1상 또는 2상 임상시험( Phase ) 단계를 넘어선 사례는 없습니다.

CDC7이 천연 기질인 ATP에 대해 매우 높은 친화성을 보이는 점을 고려할 때, 가장 큰 과제는 기질 경쟁성을 갖추면서도 선택성과 기타 약물적 특성을 적절히 조화시킬 수 있는, 이상적으로는 피코몰(pM) 수준의 고효능 억제제를 개발하는 것입니다. 전반적으로, 이 프로그램의 목표는 동급 최고의 특성을 지닌 새로운 화학 유형을 발굴하는 것이었습니다.

크라우드소싱을 통한 아이디어 도출과 물리 기반 모델링을 통한 더 나은 설계

고품질의 아이디어와 분석을 신속하게 반복 검토하기 위해, 팀은 14명의 디자이너를 대상으로 LiveDesign, 모델링 기능이 탑재된 실시간 디자인용 협업형 기업 정보학 플랫폼을 활용하여 14명의 디자이너로부터 아이디어를 모았습니다. 방대한 기존 구조 및 활동 데이터를 바탕으로, 설계안들은 FEP+, 자유 에너지 섭동 기술을 활용한 반복적 워크플로우를 통해 평가되었습니다(그림 1). 분자의 상대적 결합 에너지를 예측하는 계산적 어세이 로서 FEP+ 의 정확성과 유용성은 광범위하게 검증되었으며, 평균적으로 실험값과 1.0 kcal/mol 이내의 오차 범위로 예측 결과를 산출합니다.¹ 이를 통해 전체 팀은 진정한 디지털 어세이 를 확보하게 되어, 효능에 대한 신뢰할 수 있는 예측과 전례 없는 수준의 처리량을 달성할 수 있었습니다.

프로젝트 착수 후 4개월 만에 연구팀은 생화학적 분석에서 낮은 나노몰 수준에서 피코몰 수준에 이르는 높은 친화력을 지닌, 리간드 효율이 뛰어난 4가지의 서로 다른 화합물 계열을 확인했습니다. 이러한 화합물 계열은 효능 및 약동학(PK) 특성의 추가 최적화를 위한 출발점이 되었습니다.

차세대 모델링 기법을 통한 선택성 및 약동학적 한계 극복

키나아제 패밀리 내에 내재된 구조적 유사성을 고려할 때, 오프타겟 효과를 완화할 수 있을 만큼 충분한 선택성을 확보하는 것은 대부분의 키나아제 신약 개발 프로그램이 직면한 핵심 과제입니다. 연구팀은 새롭고 유망한 화학적 출발점을 성공적으로 규명했으나, 1차 설계 단계 이후에도 오프타겟에 의한 독성 문제는 여전히 해결되지 않은 채 남아 있었습니다. 이러한 선택성 문제를 해결하기 위해 연구팀은 실험적 구조가 없는 상태에서도 매우 정확한 리간드 결합 포즈를 생성하는 Schrödinger의 최첨단 유도 적합 도킹 엔진인IFD-MD를 활용하여 오프타겟 결합에 대한 구조적 가설을 수립했다. IFD-MD를 통해 도출된 포즈는 CDC7과의 효능 비교를 위해 FEP+ 를 통해 평가되었다. 결국, 연구팀은 이 전략을 활용하여 해당 비표적에 비해 CDC7에 대해 10,000배의 선택성을 보이는 개념 증명 화합물을 확인했다.

선택성은 향상되었으나, 생화학적 효능에서 세포 기반 효능으로의 편차가 크고 변동성이 컸는데, 이는 주로 막 투과성이 최적 수준에 미치지 못한 데 기인한 것으로 보인다. 수동적 막 투과성(Membrane Permeability)에 대한 물리 기반 모델은 실험에서 관찰된 불일치를 설명해 주었으며, 이를 통해 연구팀은 생화학적 효능에서 세포 효능으로의 편차가 일관되게 낮은 설계를 우선적으로 선정할 수 있었다. 목표 제품 프로파일(TPP)을 충족하는 데 필요한 모든 요소를 고려한 결과, 연구팀은 리드 계열의 우선순위를 낮추고, FEP+ 에서 식별한 새로운 백업 후보 물질 스캐폴드 을 선택했는데, 이 물질은 안전성을 포함한 여러 특성에서 뛰어난 균형을 보여주었다(그림 2).

결국, 연구팀의 노력은 SPR에서 약 10 pM의 결합 친화도와 0.6 이상의 리간드 효율을 보이는 SGR-2921의 발견으로 결실을 맺었습니다. SGR-2921은 단독 요법 및 표준 치료제와의 병용 요법 모두에서 여러 급성 골수성 백혈병(AML) 이종 이식 모델에 걸쳐 생체 내에서 강력한 항종양 활성을 나타냅니다(그림 3). 또한, SGR-2921은 표준 치료제에 내성을 보이는 AML 환자 유래 검체에서도 강력한 항종양 활성을 나타냅니다.