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Bio리포트 학회참관기
ACS Fall 2023 학회 참석 후기
곽승화(Ambagon Therapeutics)
목 차
1.프로그램
1.1. Discovery of a substituted triazolopyrimidine as a potent and selective dual antagonist of the A2A and A2B receptors for the treatment of cancer
1.2. Merging CNS and kinase “drug-like” properties: A case study in LRRK2 inhibitor drug discovery
1.3. Insights for molecular design from Genentech’s database
1.4. Beyond rule-of-5 compounds and apoptosis
1.5. Evolution of small molecule hit finding at Genentech
1.6. Discovery and characterization of JNT-517, an inhibitor of SLC6A19 for the treatment of phenylketonuria
1.7. Discovery and characterization of benzothiophene difluoromethyl phosphonates (DFMP) as potent PTPN2/N1-dual inhibitors through structure-based drug design (SBDD)
1.8. The Development of GDC-2394 – A potent and selective NLRP3 inhibitor
1.9. Discovery of MK-4688: Chemistry optimization enables rapid development of a novel alpha helix mimetic that inhibits the HDM2-p53 PPI
1.10. Discovery and optimization of novel CRBN-medicated molecular glue
2. 총평
3. 참고문헌
미국 San Francisco에서 개최된 ACS Fall meeting은 2023년 8월 13일부터 17일까지 다섯 날 동안 화려하게 펼쳐졌다. 이번 학회에는 전 세계 각지에서 화학의 다양한 분야에서 깊은 연구를 펼치고 있는 학계 및 산업계의 전문가들이 모여, 그들의 최신 연구 성과와 통찰력을 나누었다. 매년 열리는 ACS의 행사 중에서도 이번 Fall meeting은 특히 큰 규모와 활기를 뽐냈으며, 그것을 증명하듯 회장 곳곳에서는 열띤 토론과 깊은 통찰을 나누는 참석자들의 모습을 쉽게 찾아볼 수 있었다. 필자에게는 이번 학회가 특별히 의미 있었다. 그 이유는 과거의 추억과 현재의 삶을 잇는, 예전 회사 및 학교의 동료들을 만나 근황과 연구에 대한 이야기를 나누었기 때문이다. 필자는 현재 집중하고 있는 의약화학 분야에 맞춰서, Medchem 세션의 발표들에 주로 참석하였다. 이 세션에서는 세계적인 전문가들의 연구 결과와 그들의 고민, 그리고 해결방안에 대한 다양한 아이디어들을 들을 수 있어, 개인적으로 많은 영감과 새로운 시각을 제공받았던 것 같다.
ACS Fall meeting badge registration place
1. 프로그램
1.1. Discovery of a substituted triazolopyrimidine as a potent and selective dual antagonist of the A2A and A2B receptors for the treatment of cancer
Merck 연구팀은 암 치료를 위해 A2A와 A2B 수용체를 동시에 타깃 하는 dual antagonist를 개발함. A2A와 A2B를 dual targeting 하는 항알레르기제를 이용해 lymphoid와 myeloid cells을 면역 억제 상태에서 벗어날 수 있게 함. 현재 연구가 진행되고 있다고 알려진 약물로는 Ciforadenant, Imaradenant, Etrumadenant, 그리고 Inupadenant와 같은 A2A 수용체 항알레르기제가 단독 혹은 체크포인트 억제제와 결합하여 2상 임상 시험 중임. Merck는 이전에 Preladenant라는 아데노신 A2A 수용체 전용 항알레르기제를 개발했었는데, 이는 2상 임상시험에서는 좋은 결과를 보였지만, 3상에서는 Placebo에 비해 큰 효과를 보이지 못해 2013년 중단되었음. A2A 수용체를 더 효과적으로 표적으로 삼기 위한 새로운 전략을 세우기 위해, Merck 연구팀은 molecule을 hybridization approach로 디자인함. 이를 통해 Triazoloquinazolines 구조를 중심으로 한 화합물 2를 만들었음. 또한 화합물 2를 기반으로 triazolopyrazine 라이브러리를 만들어 구조-활성 관계 연구를 진행하였음. 이러한 방법으로 화합물 5, 10, 11, 그리고 12를 발견했는데, 12번 화합물은 합성 과정에서 수율이 낮은 문제를 가지고 있었음. 이 문제를 해결하기 위해 Flow 화학 기술을 도입하여 수율을 17%에서 81%로 상승시켰고, triazolopyrimidine 구조의 다양한 화합물을 제조할 수 있었음. 최종적으로 화합물 20이 이 중 주요 화합물로 확인되었지만, 높은 PGP 값 때문에 중추신경계에 대한 효과를 기대하기 위해서는 추가 최적화 작업이 필요한 상태임.
1.2. Merging CNS and kinase “drug-like” properties: A case study in LRRK2 inhibitor drug discovery
Merck 연구팀은 LRRK2 억제제의 개발에 주력하고 있음. LRRK2는 주로 파킨슨병과 관련이 있는 단백질 kinase로 몇몇 LRRK2의 변이는 파킨슨병의 상당한 위험을 증가시키는 것으로 알려져 있음. 이러한 변이는 LRRK2의 kinase 활성을 증가시키는 원인이 되기도 하며, 이는 뉴런의 기능과 생존에 영향을 줄 수 있음. 이에 따라 LRRK2는 파킨슨병의 원인 및 치료 방안을 연구하는 중요한 대상이 되었음. 최근에는 다양하게 LRRK2를 조절하거나 억제하는 약물들이 연구되고 있으며, 이는 파킨슨병 치료의 새로운 전략이 될 수 있어 많은 대형 제약회사들이 연구하고 있는 분야임. Merck 연구팀은 뇌 내에서 Ctrough 수치에 따라 50%의 pSer935 억제 효과를 낼 수 있는 독창적이며 선택적인 Type I (ATP 경쟁) LRRK2 억제제를 찾기 위한 연구를 진행함. 이러한 목표를 달성하기 위해, 그들은 쥐와 NHP에서 뇌와 PBMD 사이에 강한 PK/PD 연관 관계를 분석함. 핵심 화합물인 MLi-2는 굉장히 효과적이며, CNS에 쉽게 침투하는 성질을 가지고 있음. 하지만 MLi-2는 PK와 안전성 면에서 문제가 있었음. 이에 따라 연구팀은 MLi-2의 구조를 다양화시키고 core 구조 교체 전략을 도입하여 PK를 개선하고 안전 문제를 줄이려고 노력했음. 이 과정에서 그들은 화합물 14를 찾아냈는데, 이 화합물은 평면적인 형태(flat geometry)를 갖고 있다는 단점이 있었음. 평면적인 구조의 화합물은 투과성이 약해질 수 있고, 결합 위치에 제대로 들어맞지 않을 위험이 있어 late stage optimization이 필요함. 이를 해결하기 위해 화합물 25에 spiro그룹을 넣어서 상당한 개선을 이루었음. 하지만 PK/PD와 안전성과 관련한 문제는 여전히 있었음. 이를 해결하기 위해 GNE-7915 (Genentech)와 AZD-3759 (AstraZeneca)라는 두 화합물의 구조를 기반으로 새로운 화합물을 설계하기로 결정함. 결과적으로 MK-1468이라는 화합물을 발견했고, 이는 현재 전임상 시험 단계의 후보물질로 선정되었음 (J. Med. Chem., 2022, 65, 1, 838–856).
1.3. Insights for molecular design from Genentech’s database
의약화학에서 Matched molecular pair (MMP) 분석은 매우 중요함. 이 분석을 통해 약물 설계 계획을 세울 수 있기 때문임. 뿐만 아니라 LogD 또한 화합물 설계 시 약물 화학자들이 반드시 고려해야 할 핵심 요소임. 발표자는 아래 두 논문의 내용에 기반하여 리뷰형식의 발표를 진행함.
Chem. Res. Toxicol., 2020, 33, 7, 1950–1959
ACS Med. Chem. Lett., 2022, 13, 4, 727–733
1.4. Beyond rule-of-5 compounds and apoptosis
BCL-2는 세포의 생존을 조절하는 단백질의 하나로, 세포사멸(apoptosis) 억제 활성을 가짐. BCL-2 단백질은 특히 암세포에서 과발현 되어 있을 때 암의 진행에 기여를 하게 되는데 이는 암세포가 자연적인 세포사멸 과정을 피하게 해서 암이 성장하고 확산될 수 있게 하는 것임. BCL-2 억제제는 이 단백질의 기능을 특이적으로 억제하는 물질을 의미하는데 이러한 억제제들은 암세포를 자연적인 세포사멸 과정으로 유도하여 암의 성장과 확산을 방지하거나 지연시키는 데 사용될 수 있음. BCL-2 억제제 중 가장 잘 알려진 Venetoclax는 선도적인 BCL-2 선택적 억제제로 만성 림프구성 백혈병 및 급성 골수성 백혈병 치료를 위해 승인되었음. 흥미롭게도 Venetoclax는 Rule of 5 기준을 초과하지만 승인을 받은 약물임. 하지만 유효 약물 성분(API)의 관점에서 Venetoclax는 용해성에 문제가 있었음(Mol. Cancer Ther., 2021, 20, 999-1008 & J. Med. Chem., 2018, 61, 2636-2651).
용해성 문제를 해결하기 위해 AbbVie 연구팀은 prodrug 전략을 선택하였음. Prodrug 전략을 진행하기 위해서는 기본적으로 갖추어야 할 점들이 있는데 (1) 최적의 parent 화합물이 필요하다는 것과 (2) 합성이 용의 해야 한다는 점 그리고 (3) 용해성 및 안정성이 좋아야 한다는 점 등임. AbbVie 연구팀이 연구를 개시할 당시에는 BRo5 화합물에 prodrug 접근법이 효과적일지 확신이 없었다고 함. 다양한 문헌 조사를 통해 그들은 parent 화합물에 인산 기를 도입하는 것을 생각해냄.
Venetoclax의 protein binding을 살펴보면 P4 바인더 부분은 Lys과 상호 작용할 수 있는 key factor이며, tail 부분은 solvent에 노출된 부분으로 이 두 부분을 modify 할 결정을 내리게 되었음. 결과적으로 그들은 tail modification을 진행해 다양한 ammonium prodrugs를 만들었으며 다음과 같은 lesson을 얻음.
(1) 분자상에서 용해화 그룹의 위치가 매우 중요함
(2) 분자에서 먼 치환기는 prodrug의 안정성에 영향을 줄 수 있음
(3) Rule of 5를 갖추지 못한 prodrug의 바이오 전환 속도는 최적이 아닐 수 있음
1.5. Evolution of small molecule hit finding at Genentech
약물 발견 과정에서 initial hit을 찾는 것은 매우 기본적이고 중요한 단계임. 타깃의 특성이 계속적으로 진화하기 때문에, 이러한 과정에 유연하게 대처할 수 있어야 함. 발표자는 몇 가지 구체적인 예를 들며 왜 initial hit finding이 중요한지 자세히 이야기함. (1) 지속적으로 새로운 생물학적 지식이 발견되고 있으며, 질병의 분자적 원인에 대한 깊은 연구가 이루어지고 있기 때문임 또한 (2) 새로운 target protein이나 target 클래스들이 점점 많아지기 때문에 좀 더 효과적으로 hit 물질을 정확하게 찾아야 함 (3) 하지만 이런 target protein들을 어떻게 효과적으로 제어할지에 대한 정보가 부족할 때도 많기 때문에 이 부분에 대한 구체적이고 심도 있는 연구가 필요함. 즉 이렇게 변화하는 환경을 고려할 때, 초기 연구 대상 발견의 방법도 함께 진화해야 하는 것임. 이를 위해 (1) 약물 개발의 변화하는 요구를 충족시켜야 하며 (2) 최신 실험 및 계산 기술을 적극적으로 도입해야 함. (3) 또한 연구자들에게 제공되는 화학적 공간도 확대되어야 함. 만약 HTS가 효과적이지 않다면, 조각 기반의 연구 방법을 활용할 수 있음. 이 방식의 특징은: (1) 대체적으로 100 µM 이상의 높은 affinity (2) chemical 자체에 rotation bond가 적어 protein에 binding 하는 conformation이 일정함 (3) 또한 조각의 단순한 구조로 인해 더 효과적인 상호 작용이 이루어질 가능성이 있음. 이렇게 다양한 조각들의 데이터를 활용한 최적화 과정을 통해 Genentech 연구진들은 ROCS 방식에 따라 K-Ras에 결합하는 새로운 구조를 설계했음. 이외에도, 약물 특성과 3D docking을 가상 스크리닝에 활용하였음.
1.6. Discovery and characterization of JNT-517, an inhibitor of SLC6A19 for the treatment of phenylketonuria
SLC6A19은 우리 혈액의 Phe 수준을 관리하는 데 있어 중요한 역할을 함. 특히나 다양한 종류의 중성 아미노산들을 운반하는 역할을 하게 되는데 이 운반체는 소장에서 많이 발견되며, 식품에서 섭취된 아미노산들의 흡수에 중요한 역할을 함. SLC6A19의 기능 장애는 아미노산 흡수에 문제를 일으킬 수 있으며, 이는 특정한 질병 상태와 연결될 수 있음. 특정 돌연변이로 인해 SLC6A19이 제대로 작동하지 않으면 아미노산이 과도하게 배출되는 Hartnup 증후군(SLC6A19 변이에 의해 발생하는 희귀한 유전질환이며, 이 질병에서는 중성 아미노산들의 흡수가 제대로 이루어지지 않아 다양한 증상을 보일 수 있음)을 유발한다고 알려져 있음. 흥미롭게도 PKU 마우스 모델에서 SLC6A19의 기능을 완전히 제거하거나 줄이면 혈장 Phe 수준이 약 60-70% 감소함. Jnana 연구진들은 RAP 프로브를 사용하여(Front Bioeng Biotechnol., 2021, 9, 766411). 핵심 화합물을 발굴하였고, 이를 통해 두 개의 다른 시리즈, JN-1 (Hit to lead 단계: stereochemistry가 중요함. 또한 N-cyclopropyl 그룹이 활성에 매우 중요함. 하지만 CYP3A4 저해, PPB, hClint 그리고 hERG를 개선해야 하는 문제점이 있음) 및 JN-170 (Hit to lead 단계: stereochemistry 가 중요하며 CF3도 활성에 중요함. hERG, basic amine그리고 poteny를 개선해야 하는 문제점이 있음)을 개발하였음.
특히, 시리즈 1과 시리즈 2는 마우스 연구에서의 약리학 데이터에서 큰 차이를 보인다는 흥미로운 결과를 보임. Lead 화합물 개발을 위해 연구진들은 각 시리즈의 화합물에 대한 최적화 과정을 시행함. 더불어 JN-29의 결정 구조를 결정한 후에는 결정학적 정보를 활용하여 더욱 강력한 화합물을 디자인할 수 있었고, 이를 통해 더욱 세밀한 최적화를 진행하였음. 결론적으로, JNT-517은 현재 phase 1 단계 연구 중에 있음.
1.7. Discovery and characterization of benzothiophene difluoromethyl phosphonates (DFMP) as potent PTPN2/N1-dual inhibitors through structure-based drug design (SBDD)
PTPs는 타깃 하기 어려운 protein 중 하나 임. PTPs는 포스포타이로신을 식별하고 탈인산화하는 기능을 가지고 있는데, 특히 PTPN1은 2형 당뇨병(Type II Diabetes, T2D) 치료제로서의 가능성을 가지고 있다고 알려져 있음. 게다가, PTPN1을 대상으로 한 T2D의 임상 시험은 유망한 결과를 보이지 못했음. 화합물 2가 initial 화합물로 선택됨. 그러나, 수송체 식별에 대한 약리학적 접근법에는 한계가 있었음. 이를 해결하기 위해 연구팀은 CRISPR/Cas9 기술을 사용하여 engineer 된 cell line을 구축하고 구조-활성 관계(SAR) 연구를 기반으로 Merck 연구팀은 화합물 3을 얻었음.
그들은 -Br의 존재가 화합물의 활성에 매우 중요하다는 사실을 알게 됨. 그러나, 그 위치의 SAR은 크게 유동성을 보이지 않아 potency를 boost up하기에는 한계가 있었음. 또한 Core 구조를 바꾸거나 (compound 3 8), 추가적인 interaction을 위해 다양한 chain system을 도입하였지만 크리스탈 구조를 얻기 전에 그들은 분자의 활성을 향상시키는 데 어려움을 겪었음. 하지만 크리스탈 구조를 얻은 뒤 디자인 실패와 관련된 위험이 크게 감소됨을 확인 함. 이를 기반으로 potency를 dramatic 하게 improve 시킬 수 있었음. 이번 ACS 회의에서는 효능 데이터에 대해 다루지 않았지만 improved 된 물질을 PK/PD 상관관계를 다루었음.
1.8. The Development of GDC-2394 – A potent and selective NLRP3 inhibitor
90년대 말, Pfizer는 IL-1B 생성을 대상으로 한 phenotype screening을 통해 CP-456,733 (MCC950)을 발견하였음. 그러나 poor PK, 높은 protein binding, 그리고 작용 메커니즘(MOA)을 밝혀내지 못한 이유로 이 화합물의 개발은 중단되었었음. 하지만 Genentech에서 이 물질 연구를 이어감. 그 후로도 2015년까지 그 메커니즘이 알려지지 못했지만, 나중에 작용 메커니즘이 NLRP3 inflammasome이라는 것이 밝혀졌음. NLRP3는 미토콘드리아 손상과 같은 다양한 위험 신호에 응답하는 세포 내 수용체임. 이 수용체는 NLRP3 inflammasome의 일부로서, 이 inflammasome은 시토카인 IL-1β와 IL-18의 활성화와 분비를 매개함. 또한 NLRP3의 과도한 활성화는 다양한 질병 상태와 연결되게 됨. 이로 인해 만성 염증, metabolic 증후군, 관절염, 알츠하이머 병 및 기타 질병의 발병 및 진행에 기여할 수 있음.
NLRP3 억제제는 NLRP3 inflammasome의 활성화를 억제하여 위에서 언급한 질병의 발병과 진행을 방지 또는 완화하는 데 도움을 주게 됨. 이러한 억제제는 NLRP3 단백질의 활성을 중단하거나 inflammasome의 조립을 방해하는 방식으로 작동할 수 있음. Genentech 연구자들이 이 물질 연구를 시작한 초기에는 화합물의 crystal 구조가 없어 ligand-based drug discovery 전략을 통해 SAR을 진행하였음. 이를 통해 기존 화합물인 MCC950과 유사한 profile을 보이는 GNE-7209를 개발할 수 있었음. 또한 체외 실험에서 GNE-7209는 깨끗한 안전 프로필을 보였음. 하지만 원숭이 실험에서 신장독성과 용해성과 관련된 문제를 보임. 이 문제들을 화합물을 다시 디자인/develop 하여 매우 좋은 PK와 안정성을 보이는 GDC-2394를 발굴하게 되었음. 더불어 밝혀진 crystal 구조로 화합물이 4개의 인터페이스에 결합함을 알게 됨.
1.9. Discovery of MK-4688: Chemistry optimization enables rapid development of a novel alpha helix mimetic that inhibits the HDM2-p53 PPI
Dr. Reutershan은 현재 MOMA에서 근무하고 있으며 그는 Merck에서 진행했었던 연구를 발표함.
p53는 세포주기 진행과 세포 사멸을 중요하게 조절하는 역할을 가지고 있음. 흥미롭게도 p53는 자신의 억제제인 HDM2의 전사를 촉진한다고 알려짐. 다양한 종류의 암에서 HDM2가 과발현 되어 있으며 HDM2와 p53 간의 상호 작용을 억제함으로써 암세포의 사멸을 유도할 수 있다고 알려짐. Merck의 연구팀은 M.W가 작은 PPI 억제제 개발에 관심을 가지고 있었음. 하지만 보통의 PPI 저해제들은 광범위한 소수성의 인터페이스를 차단해야 하는데, 이는 종종 화합물의 lipophilicity를 높이게 된다는 risk 가 있었음.
Initial hit compound를 얻은 뒤 crystal 구조로부터 얻은 정보를 이용하여, 그들은 카복실산 그룹이 His96과의 상호작용을 하며 potency에 매우 중요한 요소라는 것을 알아냄. 추가적인 화합물 개발을 위해, 그들은 위의 그림 가운데에 표시된 것처럼 His 96, Phe19, Leu26, 및 Trp23 부분으로 나누어 SAR을 진행함. 또한 보라색 부분에 싸이클로헥실 그룹을 도입함으로써(MK-4688), 활성을 높이는 것뿐만 아니라 분자량도 감소시킬 수 있었음. 또한 MK-4688은 좋은 PK 결과도 보여줌.
1.10. Discovery and optimization of novel CRBN-medicated molecular glue
암은 우리 몸의 면역 체계에 대해 저항 기전을 가지고 있는데 특히나 조절 T 세포는 이 균형을 유지하는데 중추적인 역할을 한다고 알려짐. 이러한 세포들은 면역 체계의 반응을 억제하는데 중요한 역할을 하여 암이 감지되는 것을 회피하게 돕게 됨. 전사 인자 IKZF2는 이러한 조절 T 세포가 제대로 기능하고 안정되게 하는데 결정적인 역할을 함.
Novartis 연구팀은 IKZF2 분해제를 개발하고자 하였음. 그들은 molecular glue degraders와 recruiters를 식별하기 위해 NanoBIT 분석법을 사용하였음. 이는 광시스템과 함께 사용되는 분자 상호 작용을 실시간으로 모니터링하는 기술임. 이 기술은 두 부분으로 나뉜 Luciferase를 기반으로 함. 이 두 부분은 별도의 발광 활성이 없지만, 서로 상호 작용하여 결합할 때 Luciferase의 활성 형태를 형성하게 됨. 보통 NanoBIT 기술은 세포 내에서의 단백질-단백질 상호 작용을 실시간으로 감지하는 데 사용되는데 이 기술은 높은 감도와 동적 범위, 그리고 낮은 배경 신호의 장점을 가지고 있음. 초기 연구단계에서 연구진들은 잘 알려진 화합물인 pomalidomide를 사용하여 효능을 향상시키기 위한 SAR 연구를 수행하였음(Cell Chemical Biology, 2023, 20, 235-247). 그들의 SAR 분석을 통해, basic amine 구조가 수소 결합 네트워크에 기여하며, 효능에 있어 중요하다는 것을 발견함. 이러한 연구내용을 기반으로, 그들은 현재 임상 시험 중인 NVP-DKY709를 개발했음.
2. 총평
이번 학회에서는 개인적으로 관심을 가지고 있던 다양한 물질들의 개발 스토리를 깊이 있게 들을 수 있었고, 그로 인해 많은 통찰력을 얻을 수 있었다. 특히나 다른 연구 기관 및 회사들이 새롭게 도입하고 있는 화학 기술들에 대한 설명, 예를 들면 flow chemistry나 photo chemistry 같은 현대적인 접근법들에 대한 세세한 내용을 들으면서 연구에 대한 새로운 시각과 방향성을 가질 수 있었다. 회사에서 동료나 상사와의 대화 중 종종 그들의 이전 회사나 연구 경험에 관한 이야기를 듣게 되는데, 이를 통해 다양한 연구 플랫폼과 기술들에 대한 정보를 얻을 수 있었다. 그런 이야기들을 바탕으로 이번 학회에서 배운 내용을 연결시켜 보니, 현재 내가 진행하고 있는 연구를 어떻게 더 발전시키고, 새로운 방향으로 나아갈 수 있을지에 대한 구체적인 아이디어와 방향성을 얻을 수 있었던 것 같다. 또한, 현재 화학과 의약화학 분야에서 주목받는 ADC, PPI 연구뿐만 아니라, 다양한 새로운 타깃에 관한 최신 연구 동향도 접하면서 더 넓은 시야를 갖게 된 것 같다. 이번 학회는 기존의 지식을 넘어서 새로운 연구 트렌드와 기술들을 깊게 이해하고 습득할 수 있는 아주 소중한 기회였던 것 같다.
3. 참고문헌
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