약물 표적 번역(영어 원본)Drug–target residence time: critical information for lead optimization
Failure due to poor in vivo efficacy is a primary contributor toattrition during the development of new chemotherapeutics.Lead optimization programs that in their quest for efficacyfocus solely on improving the affinity of drug–target binding areflawed, since this approach ignores the fluctuations in drugconcentration that occur in vivo. Instead the lifetime of thedrug–target complex must also be considered, since drugsonly act when they are bound to their targets. Consequently, toimprove the correlation between the in vitro and in vivo activityof drugs, measurements of drug–target residence time must beincorporated into the drug discovery process.
Introduction
A primary source of attrition during drug discovery stemsfrom poor in vivo efficacy [1]. An important factor thatcontributes to this problem is the major disconnect thatexists between in vitro data and our ability to predictefficacy in humans. A detailed understanding of drugmechanism of action is important for improving thesuccess of drug discovery, and we posit that a criticalcontributor to this understanding, and to modulating invivo drug activity, is the lifetime of the drug–targetcomplex. To provide this information the target mustbe known and assays must be available to assess both thethermodynamics and kinetics of drug–target interactions.In order to appreciate how kinetic parameters can modulatedrug activity, it is useful to consider the fundamentaldifference between drug behavior in a closed (in vitro)system and that in an open (in vivo) system [2 ]. In aclosed system drug, target and substrate are at equilibrium,and thus thermodynamic equilibrium constantssuch as Kd or Ki values, or more commonly IC50 values,accurately reflect the concentration of the drug–targetcomplex and are appropriate metrics for differentiatingpotency. A similar argument can be made for whole cellassays, such as standard minimum inhibitory concentration(MIC) measurements of antibacterial activity,where activity is measured at fixed drug concentrations.However, in vivo systems are open systems in which drugconcentration fluctuates with time, and in which theconcentrations of both the endogenous substrate (ligand)for the target and the target itself can vary during normalfunction or in the presence of the drug. Clearly, if drugand target are not at equilibrium, measurements of in vitropotency based only on thermodynamic parameters areunlikely to reflect potency in vivo, and thus prioritizingcompounds based on Kd, Ki or IC50 values is unlikely to besuccessful. Instead, in open systems it is more appropriateto consider the lifetime of the drug–target complex, since adrug will only exert its effect when it is bound to the target.In this case residence time (tR), which is the reciprocal ofthe rate constant for dissociation of the drug–target complex(koff), can be conveniently used to quantify the lifetimeof the drug–target interaction [3 ].The importance of residence time in controlling thepharmacodynamics of drug action is illustrated inFigure 1 (see also [3 ,4 ,5], e.g., see Figure 2 in[3 ]). Key considerations include: (i) the concentrationof drug at the target site (i.e. the pharmacokinetics), (ii)the thermodynamic dissociation constant of the drug–target complex and (iii) the rate constant for dissociationof the drug–target complex (koff). In our analysis we havechosen a hypothetical situation in which the concentrationof drug at the target site decreases exponentiallywith a half-life of 1 h from a Cmax value of 500 nM. Forpimelic diphenylamide 106, which has a dissociationconstant of 14 nM for histone deacetylase [6,7], the Cmaxis sufficient to inhibit 97% of the target, assuming that theconcentration of target is 500 nM and that no substrateis present. The percent inhibition of histone deacetylasehas then been plotted as a function of time assuming thatthe drug does not rebind to the target and using the koffvalue of 0.086 h 1 for this system [6,7], which correspondsto a half-life for the drug–target complex of 8 h(tR = 11.6 h). Thus after 12 h the enzyme target is still37% inhibited even though the free drug concentrationhas decreased by more than 2000-fold and is now wellbelow Kd. Also shown in Figure 1 is a similar analysis fortwo other hypothetical drugs that also have dissociationResidence time, pharmacokinetics and pharmacodynamics. An analysisthat demonstrates how residence time affects the amount of drug–targetcomplex (pharmacodynamics) as a function of time. The drug isassumed to reach a maximum concentration (Cmax) of 500 nM at thetarget site 1 h after dosing, and to have an elimination half-life of 1 h(pharmacokinetics) so that the drug concentration at time t is given byD(t) = Cmax * 2( t/1) (*). The fractional occupancy of the target by thedrug, given as a percentage, is shown for three drugs all of which haveequilibrium dissociation constants of 14 nM for the final drug–targetcomplex (DT for a rapid reversible inhibitor, DT* for a slow-onsetinhibitor) so that at Cmax (500 nM), the target in each case is 97%occupied by drug (500/(500 + 14)). This assumes that the concentrationof target is 500 nM and that no substrate is present to compete forbinding to the target. For the histone deacetylase inhibitor pimelicdiphenylamide 106 [6,7], the percent target occupancy has been plottedas a function of time using a drug–target complex half-life (t1/2) of 8 h (thekoff value for this inhibitor is 0.086 h 1 and tR = 11.6 h) (~). The percenttarget occupancy at time t is then given by %occupancy = 97 * 2( t/8)assuming that the drug does not rebind to the target (i.e. independent ofthe free drug concentration). A similar analysis has been performed for ahypothetical drug with t1/2 = 72 h (tR = 104 h) (^). Also shown is thepercent target occupancy for a rapid reversible (RR) drug calculateddirectly from the Kd value of 14 nM where %occupancy = 97 * (D(t)/(D(t) + Kd) and D(t) is the drug concentration at time t as calculatedpreviously (&). Note that for the rapid reversible inhibitor it is assumedthat drug and target are at equilibrium and thus that free drug can rebindto the target. |
약물 표적 번역(한국어 번역본)약물 표적 잔류 시간: 선도물질 최적화에 관한 중요 정보
체내 효능의 불충분함으로 인한 실패는 새로운 화학요법제의 개발이 중단되는 주요 원인이다. 약물 표적 결합의 친화성 향상에만 중점을 둔 선도물질 최적화 프로그램은 효능 탐구에 적합하지 않다. 왜냐하면 이러한 접근법은 체내에서 발생하는 약물 농도의 변화를 고려하지 않기 때문이다. 약물은 약물의 표적에 결합될 때에만 작용을 하므로 약물 표적 복합체 역시 반드시 고려하여야 한다. 따라서 약물의 체내 및 체외 활성 간의 상관관계를 증진시키기 위해 약물 개발 과정에는 반드시 약물 표적 잔류 시간 측정이 통합되어야 한다.
머리말
약물 개발이 중단되는 주요 원인은 체내 효능의 불충분함에서 비롯된다 [1]. 이러한 문제에 기여하는 중요 요인은 사람에 대한 효능을 예측하는 우리의 능력과 체내 자료 간의 커다란 단절이다. 약물의 작용 기전에 대한 상세한 이해는 약물 개발 성공을 증진시키는데 있어 중요하며, 우리는 이러한 이해와 체내 약물 활성을 조절하는데 도움이 되는 중요한 기여자가 약물 표적 복합체의 수명이라고 가정한다. 이러한 정보를 제공하려면 반드시 표적에 대해 알고 있어야 하며, 분석 시 약물 표적 상호작용의 동역학과 열역학 모두를 평가할 수 있어야 한다.
동력 변수가 약물 활성을 어떻게 조절할 수 있는지를 평가하려면 폐쇄계 (체내)에서의 약물 작용과 개방계 (체외)에서의 약물 작용 간의 기본적인 차이를 고려하는 것이 유용하다 [2••]. 폐쇄계에서는 약물과 표적, 기질이 평형상태에 있으므로 Kd나 Ki 값 또는 보다 일반적으로 IC50 값과 같은 열역학적 평형 상수가 약물 표적 복합체의 농도를 정확하게 반영해 주며, 분화 능력에 적합한 매트릭스이다. 고정된 약물 농도에서 활성을 측정하는 경우, 항균 활성에 대한 표준 최소 억제 농도 (MIC) 측정 같은 전체 세포 분석도 이와 유사하게 주장될 수 있다. 그러나 체내 시스템은 시간에 따라 약물 농도가 변하고, 표적의 내인성 기질 (리간드)과 표적 자체의 농도가 정상적인 기능을 하는 동안이나 약물이 있는 동안 변동될 수 있는 개방계이다. 약물과 표적이 평형상태에 있지 않다면, 열역학 변수만을 근거로 한 체외 능력 측정은 체내 능력을 반영하지 못할 것이며 따라서 Kd나 Ki 값이나 IC50 값을 근거로 화합물의 우선순위를 결정하는 것은 성공적이지 못할 것임이 분명하다. 개방계에서는 약물이 표적과 결합될 때에만 효과가 발휘될 것이므로, 이 대신 약물 표적 복합체의 수명을 고려하는 것이 한층 적합하다. 이러한 경우에는 약물 표적 복합체의 해리 속도 상수 (koff)의 역수인 잔류 시간 (tR)을 이용해 약물 표적 상호작용의 수명을 수월하게 정량화할 수 있다 [3••].
약물 작용의 약력학을 제어하는데 있어 중요한 잔류 시간은 그림 1에 설명되어 있다 ([3•
•, 4••, 5] 참조, 예를 들어, [3••]의 그림 2 참조). 핵심적인 고려 사항들은 다음과 같다. (ⅰ) 표적 부위에서의 약물 농도 (즉, 약동학) (ⅱ) 약물 표적 복합체의 열역학적 해리 상수 (ⅲ) 약물 표적 복합체의 해리 속도 상수 (koff). 분석을 위해 우리는 IC50 값 500 nM에서 1시간의 반감기마다 표적 부위의 약물 농도가 기하급수적으로 감소한다는 가설적 상황을 선택하였다. histon deacetylase에 대한 해리 상수가 14 nM인 pimelic diphenylamid 106의 경우 [6, 7]에는 표적의 농도가 ≪500 nM이고, 기질이 존재하지 않는다고 가정하면, Cmax는 표적의 97%를 억제하기에 충분하다. histon deacetylase의 억제율은 약물이 표적에 재결합되지 않는다고 가정하고, 약물 표적 복합체의 반감기 8h (tR =11.6 h)에 상응하는 이 시스템의 koff 값 0.086h-1 [6, 7]을 이용해 시간 함수로 작성하였다. 그러므로 12시간 후 효소 표적은 유리 약물 농도가 200배 이상 감소해도 여전히 37% 억제되며, Kd 보다 훨씬 낮다. |
