PREVER framework for specification of related substances based on in silico prediction and forced degradation studies

의약품은 정적인 물체가 아닙니다. 의약품은 음식이 부패하거나 금속이 녹슬 듯이 시간이 흐름에 따라 변할 수 있는 화학적 실체입니다. 약물이 분해되면 불순물 또는 분해 산물이라고 불리는 새로운 물질을 형성할 수 있습니다. 아주 적은 양이라도, 이러한 새로운 화학 물질들은 약이 얼마나 잘 작용하는지를 변화시키거나, 더 심하게는 약을 복용하기에 안전하지 않게 만들 수 있습니다. 신약을 개발하는 과학자들에게 있어 도전 과제는 약이 환자에게 도달하기도 전에 이러한 원치 않는 부산물이 정확히 무엇인지 예측하는 것입니다. 이는 특히 약물이 몇 달 또는 몇 년 동안 어떻게 행동하는지에 대한 실제 세계의 데이터가 아직 충분하지 않은 개발 초기 단계에서 매우 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 컴퓨터 모델과 세심한 테스트를 사용하여 위험을 예측하고 제품의 시작 단계부터 안전성을 구축하는 "설계에 의한 안전 및 지속 가능성(Safe and Sustainable by Design)"이라는 전략에 점점 더 의존하고 있습니다.

브라질의 파르마기뉴스(Farmanguinhos) 연구팀은 전 세계 수백만 명에게 영향을 미치는 기생충 질환인 주혈흡충증 치료에 흔히 사용되는 약물에 이 선제적인 접근 방식을 적용했습니다. 해당 약물은 흔히 600밀리그램 정제로 판매되는 프라지콴텔(praziquantel)입니다. 연구팀은 어떤 불순물이 나타날 수 있는지 정확히 파악하고 그 불순물의 허용 한도를 엄격하게 설정하기 위해 PREVER라는 새로운 프레임워크를 개발했습니다. 그들의 목표는 컴퓨터 예측과 실제 실험을 결합하여, 약물이 유통 기한 내내 순수하고 효과적으로 유지되도록 하는 안전망을 만드는 것이었습니다.

과정은 디지털 예측 단계로 시작되었습니다. 연구진은 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 산, 열 또는 빛에 대한 노출과 같은 다양한 스트레스 조건 하에서 프라지콴텔 분자가 어떻게 분해될 수 있는지를 시뮬레이션했습니다. 이러한 시뮬레이션과 기존 과학 문헌 검토를 바탕으로, 그들은 이론적으로 형성될 수 있는 6가지 잠재적 불순물을 식별했습니다. 여기에는 프라지콴아민(praziquanamine)이라는 물질, 사이클로헥산 카르복실산(cyclohexane carboxylic acid)이라는 화합물, 그리고 특정 화학적 무게를 가진 여러 다른 분자들이 포함되었습니다. 이 단계에서 이것들은 단지 가능성일 뿐이었으며, 만약 약물이 분해된다면 존재할 수도 있는 이론적인 화학적 유령들이었습니다.

이 유령들이 실제인지 확인하기 위해 연구팀은 실험실의 재현 단계로 이동했습니다. 연구진은 실제 프라지콴텔 정제를 가져와 일반적인 약 보관함보다 훨씬 더 빠르게 약이 분해되도록 설계된 극한의 스트레스 조건에 노출시켰습니다. 그들은 강한 산, 염기 및 산화제를 사용하여 정제를 노출시켰고, 높은 온도로 가열했습니다. 첨단 화학 분석 도구를 사용하여, 그들은 예측된 불순물 중 실제로 나타나는 것이 무엇인지 관찰했습니다. 실험 결과, 예측된 물질 중 세 가지가 실제로 형성되었음이 확인되었습니다: 프라지콴아민과 팀이 DP-1 및 DP-2라고 명명한 두 가지 다른 분해 산물입니다. 연구팀은 프라지콴아민과 함께 사이클로헥산 카르복실산이 형성될 것으로 예상했으나, 이는 특정 테스트 장비로 감지할 수 있는 화학적 구조가 부족했기 때문에 실험적으로 검출되지 않았습니다.

실제 불순물 목록을 확보한 후, 연구진은 이것들이 위험한지 결정해야 했습니다. 각 불순물을 동물에게 테스트하는 대신(이는 시간이 많이 소요되고 윤리적 문제를 일으킵니다), 그들은 컴퓨터 기반의 독성 평가를 사용했습니다. 인 실리코(in silico) 테스트라고 알려진 이 방법은 새로운 불순물의 구조를 확립된 안전 프로필을 가진 알려진 화학 물질과 비교합니다. 컴퓨터 모델은 이 불순물들이 유전적 변이나 다른 심각한 건강 문제를 일으킬 가능성이 없다고 예측했습니다. 이러한 안전 계산을 바탕으로, 팀은 각 불순물에 대한 임시 안전 한도를 설정했습니다. 예를 들어, 프라지콴아민은 전체 정제 무게의 0.2%를 초 exceed해서는 안 되며, DP-1은 최대 0.5%까지 허용될 수 있다고 결정했습니다. 이 수치들은 제품이 완성되는 동안 임시적인 안전 가드레일을 제공했습니다.

마지막이자 가장 중요한 단계는 검증이었습니다. 연구팀은 열대 기후의 덥고 습한 조건을 모방한 통제된 환경에서 프라지콴텔 정제를 2년 동안 보관했습니다. 그들은 예측하고 임시로 제한했던 불순물들이 실제 저장 중에 실제로 나타나는지 확인하기 위해 정제를 정기적으로 테스트했습니다. 결과는 놀라울 정도로 깨끗했습니다. 24개월 후에도 그들이 주시해 온 5가지 주요 불순물 중 어느 것도 정제에서 검출되지 않았습니다. 약물은 안정적으로 유지되었으며, 예측된 분해 산물은 실제 저장 조건에서는 형성되지 않았습니다.

장기 연구에서 분해가 나타나지 않았기 때문에, 연구진은 최종 안전 규칙을 조정했습니다. 각 특정 불순물에 대해 서로 다른 한도를 유지하는 대신, 그들은 단일하고 보수적인 규칙을 수립했습니다: 단일 불순물의 총량과 모든 불순물의 합계가 0.2%를 초과해서는 안 된다는 것입니다. 이 결정은 약물이 최악의 시나리오가 시사했던 것보다 더 안정적이라는 사실에 근거했지만, 팀은 여전히 높은 안전 마진을 유지하고자 했습니다. 연구는 PREVER 프레임워크가 컴퓨터 예측과 실험적 증명을 혼합하여 사용하여, 최종 제품이 안전하고 안정적이며, 파괴적인 질병과 싸우기 위해 의존하는 환자들에게 전달될 준비가 되었음을 보장함으로써 의약품 개발을 성공적으로 안내했다고 결론지었습니다.