단백질 약물의 생체 내 반감기 연장 기술은 현대 약물 전달 시스템 개발에 있어 핵심적인 과제로 남아있다.
소형 단백질 약물은 치료 효능이 우수함에도 불구하고 신장 여과를 통해 혈액에서 빠르게 제거되어 생체 내 반감기가 짧다는 한계를 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 반감기 연장 기술이 개발되었으며, 그 중에서도 PASylation, XTENylation, 그리고 앨범인 결합 도메인(ABD) 기술이 주목받고 있다.
이들 기술은 단백질 약물의 유체역학적 반경을 확장하거나 혈중 알부민과의 결합을 통해 신장 여과를 회피하게 함으로써 약물의 체내 순환 시간을 연장한다.
HER2 표적 항체 약물 결합체에 이러한 기술들을 적용하여 그 효과를 비교 분석하고, 특히 약물의 반감기 연장뿐만 아니라 종양 내 흡수율과 종양 대 정상 장기 비율을 중점적으로 평가한 내용을 살펴 보겠습니다.
이를 통해 각 기술의 장단점을 파악하고 환자 맞춤형 단백질 약물 전달 시스템 개발에 대해 얻을 수 있는 인사이트를 알아 보겠습니다.
Q1: LigandTracer를 사용한 이유는 무엇인가요?
A: HER2 수용체를 발현하는 세포와 약물-결합체 간의 상호작용을 실시간으로 측정하기 위해 LigandTracer를 사용했습니다. 이 기술로 결합 친화도(Binding Affinity, KD)와 상호작용의 이질성을 정확히 평가할 수 있었으며, 다양한 약물 설계 간의 차이를 비교하는 데 중요한 데이터를 제공했습니다.
Q2: LigandTracer 실험은 어떻게 진행되었나요?
A: LigandTracer를 이용해 [99mTc]Tc로 방사성 동위원소가 표지된 affibody-약물 결합체와 HER2 발현 SKOV3 세포 간의 상호작용을 실시간으로 측정했습니다. 세포를 2×2 MultiDish에 배양한 후, LigandTracer 기기에 장착하고, 약물-결합체를 주입하여 결합 (association) 및 해리 (dissociation) 과정을 관찰했고, 이를 통해 상호작용의 평형 해리 상수(KD)를 산출했습니다. 또한 Interaction Map 분석을 통해 상호작용의 이질성을 평가했습니다.
Q3: 왜 단백질 약물 개발 과정에서 약물의 적절한 약동학적 (pharmacokinetic), 약리학적 (pharmacodynamic) 특성이 중요한가요?
A: 크기가 작은 소형 단백질 약물은 신장의 여과 과정을 통해 혈액으로부터 빠르게 제거됩니다. 그렇기 때문에 우리는 생체 내에서의 반감기를 연장시키는 연구를 종종 수행해야 합니다. 반감기가 연장되면 약물의 생체 이용률이 증가하고 약물 투여 빈도를 낮출 수 있습니다.
Q4: 생체 내 반감기란 무엇인가요?
A: 생체 내 반감기란 약물이 체내에서 농도가 절반으로 감소하는 데 걸리는 시간을 의미합니다. 이는 약물이 신체에서 얼마나 빨리 대사되거나 배설되는지를 나타내는 중요한 지표로, 약물의 효과 지속 시간과 투여 간격을 결정하는 데 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 반감기가 길수록 약물이 체내에 더 오래 유지되며, 투여 빈도를 줄일 수 있어 환자의 편의성을 높이는 장점이 있습니다.
Q5: 생체 내 반감기 연장을 위해 어떠한 기술들이 사용되었나요?
A: 우리는 생체 내 반감기 연장을 위해 PAS300, PAS600과 같은 PAS 폴리펩타이드, XTEN288, XTEN576과 같은 XTEN 폴리펩타이드, 그리고 앨범인 결합 도메인(ABD)을 사용했습니다. 이러한 기술들은 HER2 항체 약물 결합체의 반감기를 연장하면서 HER2에 대한 친화도가 약간 낮아지는 효과를 보여주었습니다.
Q6: PAS 폴리펩타이드란 무엇인가요?
A: PAS 폴리펩타이드는 프롤린(Proline), 알라닌(Alanine), 세린(Serine)의 아미노산으로 구성된 무작위 서열입니다. 이 폴리펩타이드는 전하를 띠지 않으며 높은 용해성과 큰 유체역학적 반경(hydrodynamic radius)을 가집니다. PASylation 기술은 단백질 약물의 생체 내 반감기를 연장하며, 신장 여과의 분자량 한계를 초과하지 않는 여러 단백질에서도 반감기를 연장할 수 있습니다.
Q7: 큰 유체역학적 반경(hydrodynamic radius)의 의미는 무엇인가요?
A: 큰 유체역학적 반경은 분자가 용액 내에서 차지하는 “효과적인 부피”를 나타내는 물리적 개념입니다. 이는 분자의 크기뿐만 아니라 용액에서의 모양, 구조, 및 상호작용에 의해 결정됩니다. PAS 폴리펩타이드는 높은 용해성과 비전하 상태를 가지며, 이러한 특성들이 결합하여 단백질 약물의 유체역학적 반경을 크게 만듭니다. 이로 인해 약물이 신장 여과에 의해 제거되는 속도가 느려지고, 체내 순환 시간이 연장됩니다. 결과적으로, 약물의 생체 내 반감기가 길어지고, 우리는 보다 낮은 투여 빈도로 치료 효과를 지속할 수 있게 됩니다.
Q8: 분자량 한계를 초과하지 않는 단백질이란 무엇인가요?
A: 신장에서 여과될 수 있는 단백질의 크기에는 분자량 한계가 존재합니다. 일반적으로 신장에서 여과되는 단백질의 분자량은 약 60~70kDa 이하입니다. PAS 폴리펩타이드를 이용한 단백질 약물의 경우, 신장 여과의 분자량 한계를 초과하지 않는다는 것은 약물의 결합체가 분자량 한계 이하인 작은 크기의 단백질임에도 불구하고, PASylation을 통해 유체역학적 반경을 확장함으로써 신장 여과를 회피할 수 있다는 것을 의미합니다. 즉, 구조적으로는 작은 단백질이라도 PAS 폴리펩타이드가 약물의 생체 내 순환 시간을 연장하는 데 중요한 역할을 합니다.
Q9: XTEN 폴리펩타이드란 무엇인가요?
A: XTEN 폴리펩타이드는 알라닌(Alanine), 프롤린(Proline), 세린(Serine), 트레오닌(Threonine), 글라이신(Glycine), 글루탐산(Glutamic Acid)의 아미노산으로 구성된 무작위 서열로, 친수성이 높고 음전하를 띱니다. XTEN은 일반적으로 864개의 아미노산으로 구성되어 있지만, 우리는 288 또는 576개의 아미노산을 포함하는 짧은 버전도 사용합니다. XTENylation 또한 단백질 약물의 반감기를 연장하며, 비면역원성과 생분해성을 갖습니다.
Q10: PASylation, XTENylation, ABD 결합의 효과는 무엇이었나요?
A: 우리가 사용한 PAS300 및 PAS600은 반감기를 각각 7.3시간 및 11.6시간으로 연장했습니다. XTEN288 및 XTEN576은 반감기를 각각 7.3시간 및 8.7시간으로 연장했습니다. ABD는 반감기가 9.0시간이었지만, 종양 내 흡수(uptake)가 PAS 및 XTEN 기술을 사용하는 경우보다 60~160% 더 높았습니다.
Q11: 종양 및 정상 장기 비율 비교 결과는 무엇이었나요?
A: 우리가 종양 대 정상 장기 비율을 비교한 결과, ABD-결합체가 전반적으로 가장 우수한 성능을 보여주었습니다.
Q12: 종양 및 정상 장기 비율이란 무엇인가요?
A: 종양 및 정상 장기 비율이란 약물이 종양 조직에 얼마나 선택적으로 축적되는지를 평가하는 지표입니다. 구체적으로, 종양 대 정상 장기 비율은 종양 내 약물 농도와 정상 장기 내 약물 농도를 비교하여 계산합니다. 높은 비율은 약물이 종양에 더 집중적으로 전달되고 정상 조직에는 덜 분포되었음을 의미합니다. 이 비율은 약물의 치료 효율성과 안전성을 평가하는 데 중요한 요소로 사용합니다. 종양에 선택적으로 축적될수록 정상 조직의 손상을 줄이고 부작용을 최소화하면서 효과적인 치료를 가능하게 합니다. 따라서 종양 및 정상 장기 비율은 약물 설계와 개발에서 핵심적인 평가 기준 중 하나입니다.
Q13: PASylation과 XTENylation의 차이점은 무엇인가요?
A: PASylation과 XTENylation 모두 단백질 약물의 생체 내 반감기를 연장하기 위한 기술입니다. 그러나 두 기술은 다음과 같은 주요 차이점이 있습니다:
- 구성:
PASylation은 프롤린(Proline), 알라닌(Alanine), 세린(Serine)으로 이루어진 랜덤 서열의 아미노산으로 구성되어 있습니다.
XTENylation은 알라닌, 프롤린, 세린, 트레오닌, 글라이신, 글루탐산을 포함하는 보다 다양한 아미노산 서열로 이루어져 있습니다.
XTEN은 부분적으로 음전하를 띄는 반면, PAS는 비전하 상태입니다.
- 특징:
PASylation은 높은 용해성과 큰 유체역학적 반경을 가지며, XTENylation은 수용성이 높고 음전하를 띄며 고유한 분해성을 가지고 있습니다.
- 길이:
PAS와 XTEN은 다양한 길이로 사용할 수 있지만, XTEN은 원래 864개의 아미노산으로 구성되어 있으며 우리는 더 짧은 버전(288 또는 576개의 아미노산)도 사용합니다.
- 임상 적용:
두 기술 모두 생체 적합성이 좋고 면역 반응을 거의 일으키지 않지만, 각각의 기술이 약물의 조직 침투 및 종양 축적률에 미치는 영향이 다를 수 있습니다. PASylation은 상대적으로 높은 혈중 안정성을 제공하며, XTENylation은 종양 조직으로의 침투가 더 원활할 수 있습니다.
[참고]
APA 형식 출처: Zhang, J., Bodenko, V., Larkina, M., Bezverkhniaia, E., Xu, T., Liao, Y., Abouzayed, A., Plotnikov, E., Tretyakova, M., Yuldasheva, F., Belousov, M. V., Orlova, A., Tolmachev, V., Gräslund, T., & Vorobyeva, A. (2024). Half-life extension via ABD-fusion leads to higher tumor uptake of an affibody-drug conjugate compared to PAS- and XTENylation. Journal of Controlled Release, 370, 468–478. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2024.04.051
Cell Binding Affinity (KD) & Kinetics (ka, kd). https://ycluebio.com/
LigandTracer: Cell Binding Affinity, Kinetics 분석방법. https://ycluebio.com/ligand-binding-affinity-package/
LigandTracer Applications. https://www.ligandtracer.com/applications/