Target occupancy 의 측정과 활용
Target occupancy 는 약물개발과 임상약리에서 사용하는 중요한 지표입니다.
이것은 약물의 효능과 안전성, 그리고 최적의 투여량에 영향을 줍니다.
Target occupancy 가 의미하는 것은?
주어진 시간에 세포 표면 전체 타겟 중 치료제가 결합한 타겟의 비율이 target occupancy입니다.
예를 들어, target occupancy가 50%라면, 전체 타겟의 절반이 치료제와 결합하고 있음을 의미합니다.
Target occupancy 수준이 낮을 경우 치료제의 효능이 낮거나 없을 수 있습니다.
Target occupancy가 높은 경우 오히려 부작용을 일으킬 수도 있습니다.
Target occupancy를 더 높여도 추가적인 긍정적 효과가 더 나타나지 않고, 오히려 부작용이 증가하는 지점이 있습니다.
이러한 부작용은 약물의 일부분이 목표로 하는 타겟이 아닌 다른 타겟 (off-target)에 결합하여 목표로 하지 않는 반응이 일어나는 것을 의미합니다.
이러한 정보를 약물의 안전성을 예측에 사용합니다.
Target occupancy 계산 방법은?
결합한 타겟 단백질의 수를 총 타겟 단백질의 수로 나누어 계산합니다.
계산하는 공식은 다음과 같습니다.
Target occupancy = (결합한 타겟 단백질의 수) / (총 타겟 단백질의 수)
예를 들어, 세포 표면에 100개의 타겟 단백질이 있고, 약물이 50개의 타겟 단백질에 결합한다면, Target occupancy는 0.5가 됩니다.
Target occupancy = (50) / (100) = 0.5
Target occupancy는 0과 1 사이의 값을 가질 수 있습니다. Target occupancy가 0이면 약물이 결합한 타겟 단백질이 하나도 없다는 것을 의미합니다.
Target occupancy가 1이면 모든 타겟 단백질이 약물과 결합하였다는 것을 의미합니다.
Target occupancy 에 영향을 주는 요인은?
약물 농도 (concentration)
세포 주변에 존재하는 약물의 농도는 얼마나 많은 타겟이 약물과 결합할 수 있는지에 영향을 미칩니다.
약물 농도가 높을수록 약물과 결합한 타겟의 비율이 높아집니다.
약물 결합력 (binding affinity)
약물과 타겟 사이의 결합 강도 (binding strength)는 결합비율에 영향을 미칩니다.
결합력 (binding affinity)이 높은 약물은 다른 생리활성 물질 보다 더 강하게 타겟에 결합합니다.
그러면 결합 경쟁에서 우위에 있게 되어 다른 리간드 분자에 의해 대체될 가능성이 적습니다.
수용체 발현 (expression)
세포 표면에 있는 타겟의 수는 결합비율에 영향을 미칩니다.
더 많은 타겟을 발현하고 있는 세포는 더 많은 약물과 결합할 수 있습니다.
타겟의 발현 수준이 낮은 경우, 약물이 타겟과 결합할 확률이 낮아집니다.
이런 경우 보다 높은 약물 농도를 사용해야 결합비율을 높일 수 있습니다.
이것은 off-target으로 인해 약물의 부작용을 일으키는 원인이 될 수 있습니다.
타겟의 세포내 이동 (internalization)
약물이 타겟에 결합하면 타겟이 세포 내로 이동할 수 있습니다.
이러한 영향으로 세포 표면에 있는 타겟의 수가 줄어들고 약물의 결합률이 감소할 수 있습니다.
타겟 감소 (downregulation)
세포는 약물에 노출된 이후 시간이 지남에 따라 약물 노출에 반응하여 타겟의 발현을 감소시킬 수 있습니다.
이것은 또한 약물 결합률을 감소시키는 원인이 됩니다.
이러한 요소 외에도 세포 유형, 세포가 노출되어 있는 환경의 pH, 온도와 같은 다른 요인들도 타겟 결합률 (target occupancy)에 영향을 미칠 수 있습니다.
약물의 결합률이 항상 약물 효능과 상관관계가 있는 예측 지표는 아닙니다.
어떤 경우에는 약물이 타겟에 결합하기는 하지만 기대와는 다르게 세포를 활성화시키지 않을 수도 있습니다.
Target occupancy 와 Binding kinetics를 동시에 측정
동일한 실험환경에서binding kinetics (ka, kd)를 정량화하고 리간드가 결합할 수 있는 타겟의 개수를 수량화를 동시에 진행할 수는 방법이 있습니다.
이 방법은 LigandTracer®를 사용합니다.
세포 표면의 리셉터와 리간드의 결합을 실시간으로 모니터링하여, binding kinetics 값과 binding site의 개수에 대한 정보를 함께얻을 수 있습니다.
실시간으로 리간드와 타겟의 결합과 해리를 측정하는 실험을 진행합니다.
이 과정에서 세포 표면 리셉터 인접부위에서 나타나는 리간드 depletion 현상을 이용하여 binding site에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
리셉터-리간드 반응이 일어나는 초기에는 리셉터 주변에 충분한 농도의 리간드가 존재합니다.
하지만, 시간의 경과에 따라 리간드가 리셉터에 결합하는 이벤트가 축적됨에 따라 리셉터 인접 부위에서는 리간드의 농도 매우 낮아지거나 없게 됩니다.
이러한 상황을 고려하는 것이 리간드 depletion 1:1 binding 모델입니다. 이 모델을 사용하여 총 binding site를 계산할 수 있습니다.
후보 항체 선별에 사용
이 방법은 살아있는 세포에서 리간드-타겟 상호작용을 실시간으로 측정합니다.
그리고 리간드 소모 (depletion) 현상을 이용하여 binding kinetics와 약물이 결합할 수 있는 binding site의 수를 동시에 정량화 할 수 있는 효율적인 방법입니다. 이는 치료용 항체의 결합 특성과 표적 단백질의 발현 수준을 빠르고 정확하게 평가하는데 도움이 될 수 있습니다.
어떤 방법으로 측정했을까?
보다 자세한 내용은 아래의 링크를 클릭하세요.
참고자료
- Modelling ligand depletion for simultaneous affinity and binding site quantification on cells and tissue, Weber et al., Scientific Reports, 2023, 13:10031.
- LigandTracer Application. https://www.ligandtracer.com/applications/
- Ligand binding affinity package. https://ycluebio.com/ligand-binding-affinity-package/