약물 개발 시 intrinsic clearance에 대한 정확한 예측하기

제약산업의 공통의 목표는 약물의 반감기를 연장하기 위해 천천히 대사되는 신약을 개발하는 것이다. 이는 투여하는 횟수가 줄어들 수 있고, 만성 질환으로 고통받는 환자의 삶의 질에 큰 영향을 미칠 것이기 때문이다(la Hultman et al. 2016). 하지만, low-clearance 화합물로 알려진 종류의 약물이 체내에서 얼마나 빨리 제거되는지 정확하게 파악하지 못해서 임상에서 어려움을 겪고 있다. 또한 종종 low-clearance 화합물의 clearance가 과대평가되어, 임상에서 약물의 반감기가 과소평가되어 약물의 초기 사용의도와 다르게 평가될 수 있다. 따라서 약물의 clearance를 정확하게 측정하는 방법은 약물 개발 및 안전하고 정확한 약물투여를 위해 필수적이다.

약동학은 약물이 신체를 통해 어떻게 이동하는지에 대한 연구이며, 약물이 체내에서 얼마나 빨리 제거되는지 이해하는 데 중요하다. 약동학은 흡수, 분포, 대사, 배설의 4가지 과정으로 구성된다. 약물대사는 간에서 일차적으로 발생하며 약물이 체내에서 제거되는 주요 메커니즘이다. 간을 통과할 때 약물이 손실되는 것을 hepatic clearance 라고 하며, 이는 약물이 체내에 얼마나 오래 머무는지, 결과적으로 약효가 지속되는 기간을 결정하는 데 중요한 요소이다(Zhang et al. 2012).


이미지는 "Digestive system without labels" 로부터 발췌하였음: LadyofHats / Wikimedia Commons / Public Domain
Hepatic clearance은 두 가지 요인, 즉 간 혈류 속도 (간으로의 약물 전달을 반영)와 약물이 혈액에서 얼마나 효율적으로 제거되는지에 의해 영향을 받는다. 간 추출 비율(hepatic extraction ratio)은 혈액에서 약물 제거 효율성을 나타낸다(Clarks 2013). 추출 비율은 1) 간 효소와 자유롭게 상호작용할 수 있는 약물의 분율 및 2) 자유롭게 이용 가능한 약물을 대사하는 간 효소의 능력, 즉 intrinsic clearance (CLint)로 알려진 특성에 따라 달라진다. 높은 추출 비율을 갖는 약물은 high-clearance 약물로 알려져 있으며, 체내에서 빠르게 제거된다. 반면, 추출 비율이 낮은 약물은 low-clearance 약물로 알려져 있으며, 이러한 약물을 대사하고 배설하는 간의 내재적 능력이 낮기 때문에 체내에서 천천히 제거된다.


Low-clearance 약물에 대한 intrinsic clearance 예측의 어려움
in vitro 모델의 데이터를 기반으로 약물의 in vivo clearance를 예측하는 것은 어렵다. 이러한 예측은 낮은 CLint 값까지 검출하기엔 감도가 부족하거나 기존 in vitro 시스템 및 assay의 한계로 low-clearance 약물의 경우 더욱 검출이 어렵다. 예를 들어, CLint 값을 결정하는 가장 일반적인 방법은 부유 간세포(suspension hepatocyte) clearance assay다. 부유 간세포는 4시간 후에 효소 활성과 생존력을 급격히 잃기 때문에 clearance assay에서 배양 시간은 최대 4시간으로 제한된다. 하지만 제거율이 낮은 약물은 긴 배양이 필요하므로 해당 assay는 low-clearance 약물의 CLint 값을 결정하는 데 사용이 적합하지 않다.

low-clearance 약물에 대한 CLint 값을 결정하기 위한 몇 가지 새로운 접근법이 개발되었다. 예를 들어, relay method의 경우 부유 간세포를 4시간 동안 약물과 함께 배양한 다음 약물 상등액을 새로 해동된 부유 간세포로 옮긴다. 이를 5회 반복하면 약물 상등액은 20시간동안 부유 간세포에 노출이 된 것으로 간주될 수 있다. 다른 방법으로는 장기간동안 간 효소 활성을 유지할 수 있도록 개발된 세포주 및 배양 시스템을 이용하는 것이다. 여기에는 냉동보존된 일차 간세포 또는 HepaRG 세포의 단층 배양, HepatoPac 또는 HuREL과 같은 공동 배양 간세포 시스템 및 3D 스페로이드(Di and Obach 2015)에서 배양된 일차 간세포가 여기에 포함된다. 그러나, 이러한 접근법은 복잡하고 시간이 많이 소요되며 비용이 많이 들 수 있거나 in vivo clearance 예측성이 떨어질 수 있다. 따라서, low-clearance 약물에 대한 intrinsic clearance 예측을 위한 사용자 친화적이고 신뢰할 수 있는 모델 시스템이 여전히 필요하다.

intrinsic clearance 예측을 위한 Cellartis Power Primary HEP Medium
당사에서는 오버레이나 샌드위치 배양 없이 기존의 2D 배양에서 최대 4주 동안 건강하고 기능적인 인간 일차 간세포 (human primary hepatocytes)를 유지하는 완전한 배지인 Cellartis^® Power Primary HEP Medium(Code Y20020)를 개발했다. 세포는 정상적인 형태와 안정적인 알부민 분비뿐만 아니라 안정적인 CYP 활동과 유도성 CYP 발현을 가지고 있다. 더 중요한 것은 인간의 일차 간세포를 배지 교체 없이 최대 10일 동안 Cellartis^® Power Primary HEP Medium에서 배양할 수 있다는 것이다. 이를 이용하면 순차적인 배지 변경이나 복잡한 세포 배양 시스템 없이, low-clearance 화합물의 intrinsic clearance를 보다 정확하게 연구하고 측정할 수 있다. 더 정확한 in vitro 시스템을 통해 보다 정확한 in vivo 예측을 할 수 있으며, 이는 환자에게 약물 안전성과 효능을 결정하고 임상에서 low-clearance 화합물을 발전시키는 데 중요하다.

AstraZeneca의 적용 데이터
AstraZeneca와 공동으로 Cellartis^® Power Primary HEP Medium에서 배양된 일차 간세포가 intrinsic clearance를 예측하는 세포 모델로서 사용될 수 있는지 평가하기 위한 실험을 수행했다. 첫 번째 실험에서 low-intrinsic clearance로 알려진 화합물인 quinidine이라는 약물을 사용했다. 이 약물은 주로 CYP3A4에 의해 대사된다. 본 연구에서는 quinidine의 농도를 0,1,3,5시간과 1,2,3,5,7,9,10 일에 분석되었다. 계산된 in vivo CLint 값을 기반으로 예측된 in vitro CLint 값은 관찰된 in vivo CLint 값과 매우 일치했다 (2배 차이 이내).