바이오 효능 평가는 결합력인 KD(또는 Ki)에서 시작하여, 저해능인 IC50을 거쳐, 생물학적 활성인 EC50으로 완성됩니다. KD와 Ki는 실험 환경에 독립적인 약물의 고유 결합 상수인 반면, IC50과 EC50은 기질 농도나 세포 환경에 따라 변동하는 상대적 지표이므로 Cheng-Prusoff 수식을 통한 정확한 보정이 필수적입니다.
실험실에서 밤늦게까지 데이터와 씨름하는 바이오 대학원생이나 벤처 연구원이라면 한 번쯤 이런 고민에 빠집니다. “KD 값은 1 nM로 아주 훌륭한데, 왜 세포 실험에서의 EC50은 100 nM 단위로 튈까?”
표적 단백질에 잘 붙는다고 해서 반드시 약효가 뛰어난 것은 아닙니다. KD, Ki, IC50, EC50은 서로 긴밀하게 연결되어 있으면서도 전혀 다른 물리적 의미를 가집니다. 이를 정확히 구분하지 못하면 후보 물질 최적화 단계에서 잘못된 결정을 내릴 수 있습니다.
1. KD & Ki: 약물의 고유한 결합력 (Affinity)
KD와 Ki는 약물이 표적 단백질에 얼마나 강력하게 붙어있는지를 나타내는 열역학적 상수입니다. 실험 환경이 바뀌어도 변하지 않는 약물의 ‘지문’과 같습니다.
- KD (Dissociation Constant): 단백질과 약물이 물리적으로 결합하고 해리되는 상수를 의미합니다. SPR(표면 플라즈몬 공명) 기기 등으로 직접 측정합니다.
- Ki (Inhibition Constant): 효소 반응 시스템에서 저해제가 결합하는 상수입니다. 본질적으로는 저해제의 KD와 같은 의미를 가지며, 효소 저해 맥락에서 정의됩니다.
이론적으로 동일 조건이라면 약물의 SPR 기반 KD와 효소 실험 기반 Ki는 일치해야 합니다. 만약 이 수치들이 크게 다르다면 비특이적 결합이나 실험 조건의 오류(pH, 완충액 농도 등)를 의심해봐야 합니다.
2. IC50: 반응을 절반으로 저해하는 농도 (Inhibition)
IC50(Half Maximal Inhibitory Concentration)은 효소 활성이나 신호 전달을 50% 억제하는 데 필요한 농도입니다. 하지만 IC50은 실험 시 사용한 기질(Substrate) 농도에 따라 변하는 ‘상대적’ 지표입니다.
이를 절대값인 Ki로 변환하여 객관성을 확보하기 위해 Cheng-Prusoff 수식을 사용합니다.
[Cheng-Prusoff Equation]
- • [S]: 실험 시 사용된 기질(Substrate)의 농도
- • Km: 해당 효소의 마이클리스-멘텐(Michaelis-Menten) 상수
3. EC50: 생체 내 효능의 척도 (Efficacy)
EC50(Half Maximal Effective Concentration)은 약물이 유도할 수 있는 최대 반응의 50%를 나타내는 농도입니다. 주로 세포 기반 실험(Cell-based assay)에서 약물의 실제 세기(Potency)를 평가할 때 사용합니다.
KD가 좋아도 EC50이 나쁠 수 있는 이유는 약물이 세포막을 통과하지 못하거나, 세포 내에서 빠르게 분해되기 때문일 가능성이 큽니다. 벤처 팀장님들이 후보 물질을 결정할 때 KD보다 EC50을 더 중요하게 보는 이유도 여기에 있습니다.
4. KD vs Ki vs IC50 vs EC50 비교 요약
| 지표 | KD (또는 Ki) | IC50 | EC50 |
|---|---|---|---|
| 핵심 개념 | 절대적 결합력 (Affinity) | 상대적 저해능 (Inhibition) | 생물학적 효능 (Efficacy) |
| 지표 성격 | 물리적/열역학적 상수 | 조건부 측정치 (기질 의존적) | 복합적 결과치 (세포 환경) |
| 실험 단계 | 단백질 수준 (In vitro) | 효소/바이오 어세이 | 세포주/생체 (In vivo) |
🤔 자주 묻는 질문 (FAQ)
Q1. KD와 IC50이 일치하지 않는 이유는 무엇인가요?
A. IC50은 실험 시 사용한 기질 농도에 따라 변하기 때문입니다. Cheng-Prusoff 식을 통해 기질 농도 영향을 제거한 Ki 값을 구하면 KD와 유사한 경향성을 확인할 수 있습니다.
Q2. 신약 후보 물질 스크리닝에서 무엇을 먼저 보나요?
A. 초기 단계에서는 결합력(KD)을 우선적으로 확인하지만, 실제 치료제로서의 가능성은 EC50을 통해 검증합니다. “Binding is necessary, but not sufficient for efficacy”임을 기억하세요.
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KD 분석 전문가에게 문의하기참고문헌
- • Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2015). Biochemistry (8th ed.). W. H. Freeman and Company.
- • Burlingham, B. T., & Widlanski, T. S. (2003). An intuitive look at the relationship of Ki and IC50: A help for the pharmacological chemist. Journal of Chemical Education, 80(2), 214.
- • Cheng, Y., & Prusoff, W. H. (1973). Relationship between the inhibition constant (K1) and the concentration of inhibitor which causes 50 per cent inhibition (I50) of an enzymatic reaction. Biochemical Pharmacology, 22(23), 3099-3108.
