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

디지털 화학 플랫폼을 활용하면 선택성, 세포 효능 및 독성에 대한 다중 매개변수 최적화를 대규모로 효율적으로 수행할 수 있습니다.

24K

엄격한 물리 기반 모델링을 통해 계산된 화합물

226

합성된 화합물의 총 수

25개월

개발 후보 물질의 발굴

목표
CDC7, 키나아제
프로그램 유형
Schrödinger 독점 프로그램, 소분자
적응증
혈액암 및 고형암

“우리 팀의 디지털 플랫폼을 활용한 대규모 화학적 공간 탐색을 통해, 리드 계열에서 발생할 수 있었던 잠재적 문제점을 비롯한 여러 주요 프로그램 과제를 극복할 수 있었습니다. 신속한 방향 전환을 통해 SGR-2921을 발견하게 되었는데, 이는 현재까지 보고된 것 중 가장 강력한 CDC7 억제제이며 뛰어난 약물적 특성을 갖추고 있습니다.”

아담 레빈슨
의약화학 부문 이사
Schrödinger 치료제 그룹

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.

그림 1: LiveDesign 및 FEP+ 을 활용하여 혁신적이고 강력한 CDC7 억제제를 설계하기 위한 초기 반복적 크라우드소싱 아이디어 도출 과정.
그림 1: LiveDesign 및 FEP+ 을 활용하여 혁신적이고 강력한 CDC7 억제제를 설계하기 위한 초기 반복적 크라우드소싱 아이디어 도출 과정.

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).

CDC7_n-표적 효능.
그림 2: 물리학 기반 분자모델링 전략을 활용한 선도 화합물 계열의 최적화. 특히, 표적에 대한 효능을 유지하면서 키노메 선택성과 투과성을 개선하는 데 중점을 두었다.

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.

CDC7_사례 연구 이미지_종양 부피_그림_3
그림 3: (왼쪽) SGR-2921은 TP53 돌연변이가 발생한 MOLM-16 CDX 모델에서 종양 퇴행을 유도한다; (오른쪽) SGR-2921은 MV-4-11 전이 모델에서 간헐적 투여를 통해 종양 성장을 억제하는 것으로 나타났다.2

 

디지털 기술을 활용하여 신약 발굴 프로그램을 주도하기

FEP+

실험적 방법과 동등한 정확도로 광범위한 화학적 공간 전반에 걸친 단백질-리간드 결합을 예측하는 디지털 어세이 .

IFD-MD

신규 화합물에 대한 정확한 리간드 결합 방식 예측: 표적 및 비표적 대상에 대한 예측.

막 투과성

물리학에 기반한, 정확한 수동적 막 투과성에 대한 예측.

LiveDesign

가상 실험실 및 실습 실험실 프로젝트 데이터와 강력한 계산 기반 예측 결과에 대한 접근을 중앙 집중화하는 협업형 기업 정보학 플랫폼.

참고 문헌

  1. 자유 에너지 계산의 정교화를 통한 신약 개발의 진전.

    Abel 외. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 7, 1625–1632.

  2. AML 모델에서 SGR-2921을 이용한 CDC7 억제는 단독 요법 및 표준 치료제와의 병용 요법 모두에서 DNA 손상 증대와 항백혈병 활성을 나타낸다.

    Tsvetkov 외, ASH 2022.

  3. 세포 주기 역학을 교란시키고 암세포에서 항증식 효과를 나타내는 새로운 CDC7 억제제의 발견.

    Tsvetkov 외, AACR 2021.

  4. Huang X, Mondal S, Ghanakota P, Boyles N, Frye L, Gerasyuto A, Greenwood JR, Tang H, Levinson AM. 고리형 화합물 및 그 사용 방법.

    미국 특허 제 WO/2021/113492호. 2021.

  5. Mondal S, Tang H, Huang X, Levinson AM, Frye L, Bhat S, Bos PH, Konst Z, Ghanakota P, Greenwood JR. 고리형 화합물 및 그 사용 방법.

    미국 특허 제 WO/2022/197898호. 2022년.

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