Phenotypic Profiling의 필요성
임상 시험에 들어가기 전에는 예측하기 어려운 피부 이상 반응은 약물 개발 과정에서 가장 흔히 볼수 있는 약물 부작용 입니다. 국제 생명과학 연구소의 연구에 따르면 임상 시험에서 64%의 화합물이 의도하지 않은 피부 반응을 유발하는 것으로 조사되었고 이런 부작용은 상당수의 약물이 결국 실패하는 원인이 됩니다.
최근 Pfizer는 영장류 독성 연구 중에 발견된 피부 이상 반응으로 인해 파킨슨병에 대한 후보물질을 육성하기 위한 프로그램을 중단했습니다. 3가지 후보 물질의 실패는 유망한 mGluR5 NAM (all negative allosteric modulators) 개발의 중단으로 이어졌습니다.
부작용 뒤의 메커니즘을 이해하기 위해 Pfizer 연구팀은 BioMAP Diversity PLUS 패널을 이용하여 in vivo를 재현하는 in vitro 모델로 phenotypic profiling을 진행하였고, 후보 물질 및 기타 화합물을 평가하여 피부 독성의 생물학적 근거에 대한 중요한 면역 관련 반응과 강력한 가설을 찾았습니다 (그림1). 이 작업을 통해 연구팀은 피부 이상 반응과 관련될 가능성이 있는 피부 자극 신호를 포함한 바이오마커 활동을 확인했습니다.
약물 발견 및 개발 툴 킷의 구성요소로 phenotypic profiling 도구를 사용하면 전임상 개발 초기에 이러한 반응을 테스트 할 수 있으므로 비용이 많이 드는 영장류 모델 연구 또는 인간 시험에 도입하기 전에 후보 물질을 검증함으로써 수백만 달러를 절감할 수 있습니다.
그림 1. BioMAP Diversity PLUS 패널 개요
BioMAP Diversity PLUS 패널은 생리학적으로 관련된 질병 설정을 모델링하는 인간 1차 세포 co-culture를 제공합니다(상단). mGluR5 NAM PF-06297470의 프로필이 표시되며 주요 변조 바이오마커가 주석으로 표시됩니다(가운데). PF-06297470은 혈관 투과성 및 면역 세포 활성화와 관련된 염증 관련 바이오마커를 조절합니다. 지질다당류-반응 유사성(LPS), T 세포 의존성 B 세포 증식, 활성화 및 클래스 전환(BT) 및 대식세포(/Mphg) 연구에서 관련성이 있는 것으로 확인된 BioMAP 시스템이 설명되어 있습니다(하단).
Phenotypic Profiling으로 약물 효과 예측
BioMAP® Phenotypic Profiling 플랫폼은 in vitro에서 표준화 화합물과 테스트 화합물에 대한 인간 세포 환경의 반응을 이해하기 위해 세포 기반 데이터 분석을 제공하여 생리학적으로 접근할 수 있는 결과를 제공합니다. Eurofins Discovery에서 서비스로 제공되는 이 플랫폼은 인간의 1차 세포를 사용하여 다양한 조직 및 질병 생물학을 모델링 합니다. BioMAP은 후보약물 분자의 효능, 안전성 및 작용 메커니즘을 신속하게 결정하도록 도움으로써 신약개발 파이프라인이 문제없이 진행되도록 지원합니다.
Diversity PLUS® panel은 여러 조직 및 질병 상태에 대한 약물 효과를 예측 모델링하는 12개의 개별 BioMAP 인간 1차 세포 기반 in vitro co-culture 모델로 구성됩니다. Diversity PLUS는 인간 질병의 포괄적인 in vitro 내 모델 역할을 하도록 설계되어 신약개발시 후보 약물에 대한 더 많은 통찰력을 제공합니다. 또한 Diversity PLUS에는 148개의 임상적으로 관련된 biomarker 판독값이 포함되어 있습니다. 강력하고 예측 가능한 분석을 위해 4500개 이상의 화합물에 대한 포괄적인 reference database의 정보를 통합하여 패널을 광범위하게 적용할 수 있도록 합니다.
영장류 연구에서 심각한 피부 반응을 일으킨 3가지 화이자 후보 약물은 T 세포와 관련된 면역 반응인 IV형 피부 과민증을 유발했습니다. Pfizer의 mGluR5 NAM 프로그램이 이러한 문제로 인해 중단된 동안, 이 후보 약물들에 의해 영향을 받은 GPCR은 중추신경계의 많은 기능을 매개하고 신경계 질환의 약물 발견을 위한 매력적인 표적으로 남아 있습니다. 연구원들은 이 화합물의 일부를 구하기 위해 피부 반응을 담당하는 생물학적 메커니즘을 이해하는 것을 목표로 했습니다.
2017년 Cell Chemical Biology에 발표된 이 연구를 위해 Eurofins Discovery와 Pfizer의 연구팀은 실패한 3가지 후보약물의 phenotypic profile을 피부 병변의 이상없이 임상 시험에 성공적으로 진행한 다른 Roche 및 Novartis의 2가지 약물 mGluR5 NAM의 phenotypic profile과 비교했습니다.
5가지 화합물 모두 BioMAP® Diversity PLUS® 패널을 사용하여 인간 1차 세포 기반 in vitro 분석을 한 결과 불합격 후보 약물 중 다양한 면역 체계 구성 요소에서 상당한 반응이 나타남을 확인하였습니다. 특히, 피부 자극과 관련된 단핵구 활성화 관련 혈관 염증 모델에서 바이오마커 활성의 하위 집합과 T 세포 의존적 B 세포 활성화 모델에서 추가 활성을 확인했습니다. 플랫폼의 예측 분석 도구를 사용하여 피부 자극과 관련된 활동에 대한 심층 조사에 따르면 이 신호는 레티노산 수용체(RAR) 및 레티노이드 X 수용체(RXR) 또는 비타민 D 수용체(VDR)를 포함한 핵 호르몬 수용체 표적을 통해 촉발될 수 있습니다. 이는 증가된 프로스타글란딘 E2(PGE2) 및 TNFα 생산의 감소로 이어져 더 많은 혈관 투과성, 변경된 콜라겐 비율, 백혈구 모집의 증가 및 장벽 기능의 손상을 유발할 수 있습니다. 이러한 핵 호르몬 수용체에 대한 분석은 Pfizer의 off-target safety panel에 포함되지 않았습니다.
피부 자극과 관련된 것으로 확인된 바이오마커 활동은 다른 후보에 대한 전임상 연구에서 피부 독성에 대한 신호로 작용할 가능성이 있습니다.
다른 약물에서도 관련 반응이 나타나는지 확인하기 위해 연구팀은 BioMAP 참조 데이터베이스에 있는 3,400개 이상의 화합물에 대해 유사성 검색 분석을 수행했습니다.
테스트한 시그니처와 관련된 화합물은 29개에 불과했습니다. 인체 실험에서 평가된 18가지 화합물 중 하나를 제외하고 모두 피부 이상 반응을 일으키는 것으로 보고되었습니다.
이 연구는 또한 과학자들이 피부 과민증이 mGluR5로 인한 것이 아님을 명확히 하는 데 도움이 되었습니다. 여러 이전 연구 결과가 이미 이를 제안했지만 BioMAP® 정보는 이 화합물 클래스의 추가 개발 작업을 위한 길을 열어 개념을 검증하는 데 도움이 되었습니다.
1차 인간 조직 모델의 Phenotypic profiling은 바이오마커에 대한 독성 메커니즘을 영장류 연구와 연결지어 판단하는데 있어 필수적이었습니다.
문제를 정확히 찾아내는 표현형 프로파일링의 능력은 연구자에게 전임상 개발 초기에 유해 반응을 식별할 수 있는 강력한 수단을 제공합니다.
그림 2. BioMAP 프로파일링을 통해 확인된 피부 자극으로 이어지는 생물학적 과정
A. RAR/RXR 및/또는 VDR 작용제로 시작된 PF-06297470 유도 과민증에 대한 이상 반응 및 결과 경로
B. BioMAP 표현형 프로파일링을 통해 확인된 피부 자극의 활성제(굵은글씨) 및 주요 다운스트림 결과
증가된 PGE2 및 변경된 콜라겐 III/I 비율은 궁극적으로 손상된 내피 세포 장벽 기능, 증가된 혈관 투과성 및 염증으로 이어짐을 확인하였습니다.
Phenotypic Profiling으로 후보 약물의 우선순위 선정
인간 조직 및 시스템의 정확한 모델링은 치료 전략을 안내하고, 후보의 우선 순위를 정하고, 안전성과 독성을 평가하기 위한 가장 효과적이고 신뢰할 수 있는 방법입니다.
BioMAP Diversity PLUS® 패널을 포함한 BioMAP 표현형 프로파일링은 과학자들이 다운스트림, 값비싼 영장류 연구 또는 인간 임상 시험에서 부작용을 최소화하는 것을 목표로 전임상 개발 중에 실행 가능한 데이터를 생성하는 데 도움이 됩니다.
이 서비스는 후보약물의 우선순위 선별하여 가장 유망한 후보 약물 개발에 집중할 수 있도록 도와줍니다.
BioMAP 표현형 프로파일링은 또한 기존 화합물에 대한 새로운 적응증을 식별하기 위한 포괄적이고 편견 없는 접근 방식을 제공하여 약물 용도 변경에 의한 새로운 기능을 찾는데에도 도움을 줍니다.
BioMAP 서비스 문의 : 고마바이오텍(주) (02-579-8787)
