암, 뇌졸중 등 중증 환자를 위한 약물 선별에 활용 예정
‘표면질량분석기반 약물 후보물질 확인 기술’
표준연, 표면질량분석기반 약물 후보물질 확인 기술 개발
국내 연구진이 효소의 활성을 측정하고 억제여부를 분석하여 특정한 중증 질병의 약물 후보물질을 빠르고 정확하게 선별할 수 있는 기술을 개발하였다.
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열) 나노바이오측정센터 이태걸 박사팀은 ‘표면질량분석기반 약물 후보물질 확인 기술’을 개발하였다.
효소는 생명 활동의 핵심이 되는 생체 촉매로서 효소의 역할에 따라 질병을 일으키는 핵심요소로 작용하기도 한다. 따라서 신약을 개발하기 전 약물 후보물질 선별단계에 있어 효소 활성의 억제 여부에 대한 판별 기술은 필수적이다.
인산화효소의 경우 과다하게 활성화되면 암이나 백혈병과 같은 다양한 질병을 유발한다. 기존에는 이러한 인산화효소의 활성화를 확인하기 위하여 형광물질 기반의 약물 후보물질 스크리닝을 사용하였다. 하지만 이 방법은 형광물질 자체의 화학적 영향 등으로 효소의 활성을 정확히 측정할 수 없었다.
연구팀은 약물 후보물질 스크리닝에 형광물질을 사용하지 않아도 되는 비표지적 방법인 표면질량분석기술을 개발하여 효소의 활성화를 측정하였다. 표면질량분석기술은 단백질 인산화효소와 이에 반응하는 기질인 펩타이드의 반응을 유도한 후, 펩타이드만 선택적으로 금 코팅된 실리콘 기판에 흡착시켜 그 결과를 분석하는 방법이다.
◦ 펩타이드가 효소에 의해 인산화되면 원래보다 질량 80 Da*이 증가한다. 따라서 후보물질의 효소 활성 억제 효율은 질량이 변하지 않은 펩타이드와 질량이 증가한 펩타이드의 상대적인 양을 분석하여 확인할 수 있다.
*Da : dalton, 질량의 단위(atomic mass unit), 1 Da=1.661x10-24 g
◦ 인산화효소, 펩타이드, 후보물질로 이루어진 반응액을 금 코팅 위에 떨어트린 후 물로 씻어내면 펩타이드만 접착제 역할을 하는 싸이올기(-SH)를 지니고 있어 금 위에 흡착된다. 이 펩타이드의 질량을 분석함으로써 후보물질의 효율을 시험하였다.
이 과정에서 효소의 활성을 억제할 수 있는 13,727 가지의 후보물질을 시험하였고 그 중 일곱 가지가 효소의 활성을 50% 이상 억제할 수 있음을 확인하였다. 연구팀은 향후 본 기술을 바탕으로 다양한 효소의 활성을 평가할 수 있는 방법을 추가적으로 연구해 나갈 예정이다.
KRISS 이태걸 박사는 “하나의 기판 위에 다수의 물질을 검사할 수 있으며, 비표지 질량분석법을 도입하여 기존 스크리닝 분석법의 부정확성으로 인한 잘못된 후보물질의 도출을 배제할 수 있다”며 “이와 같은 신속‧정확한 기술을 통해 중증 질병에 대한 다양한 신약 후보물질들 중에서 사용 가능한 약물을 선별할 수 있다”라고 말했다.
산업부 및 산기평 나노융합산업핵심기술개발사업의 지원을 받은 이번 연구 결과는 분석화학분야의 국제 저널인 애널리티컬 케미스트리(Analytical Chemistry) 1월호에 게재되었다.
□ 연구 배경
최근 몇 년 동안 효소 활성에 대한 효과적인 연구를 위하여 효소의 활성을 억제할 수 있는 약물을 신속하고 정확하게 확인할 수 있는 기술의 개발의 필요성이 대두되고 있다. 하지만 형광물질을 투입하는 기존의 검사 기법들은 표지가 필수적이기 때문에 신속성과 정확도 면에서 많은 한계를 가지고 있다. 따라서 약물 선별의 효율을 높이기 위한 대안으로서 질량분석기술이 큰 주목을 받고 있다.
하지만 현재 사용되고 있는 질량분석기술들은 이온에 의한 간섭이나 저분자량 범위에서의 포화상태와 같은 단점들이 존재하여 기존의 검사 방식들을 완전하게 대체하지 못하고 있다.
기존에는 표지자를 이용하여 발색반응을 통하는 등 간접적인 방법으로 신약 후보물질들을 검출해 왔다. 본 기술은 비표지 기술로 직접적으로 해당 기질의 질량 변화를 측정하므로 측정으로 인한 신호의 에러를 현저하게 줄일 수 있는 빠르고 정확한 분석법으로 의의가 있다.
□ 연구내용
금 박막 표면에 흡착 된 펩타이드에 의하여 생성되는 인산화된 기질과 탈인산화된 기질의 상대적 신호 세기의 변화를 통해 질량분석을 실시하였다. 이를 통해 효소가 활성화되기 전과 후 기질의 질량적 특성을 확인할 수 있었으며, 활성화 억제 약물이 기질에 미치는 영향을 확인하였다.
위 방식을 이용하여 13,727 가지의 화학 물질 후보군을 시험하였고 그중 일곱 가지가 효소의 활성을 50% 이상의 효율로 억제할 수 있음을 보였다.
1. 이미지 결과에 표기된 이미지 스팟의 실제 스펙트럼
2. 약물 후보물질로 선정 된 KR135861의 화학 구조식과 그 농도에 따른 효소 활성 억제 효과를 보여주는 그래프
☞ 약물 후보 물질의 활성 정도를 실시간으로 확인할 수 있음
