Chemical Library Management in Drug Discovery - KIAS

Chemical LibraryManagementin Drug Discovery한국화합물은행 (Korea Chemical Bank)한국화학연구원2007. 2. 12.2 nd Workshop on Molecular ComputationKIAS

Library 골격의 중요성An Analysis of SomeRecently Launched DrugsBoehringer Ingelheim1. most of the drugs areresulted byquite limited modificationof lead2. major part of leadstructure remainsunchanged3. high quality lead isalready closely related tothe final drugBioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2002, 44,

대량 고효율 신약개발 전략제약사 내 용WyethGSKMerckPfizerNovartis• 아일랜드 더블린에 Grange Castle BT 설비구축 ($20억)• ComPILER(TTP), PlateServer (TekCel), PlateTrak(Packard)150만개의 화합물을 50만 개로 축소하여 고품질화• Harlow 본사에 고효율 합성, 화합물 라이브러리 관리설비 구축 ($8천만),•스페인의 Tres Cantos에 대규모 신약개발센터 (Drug Discovery Factory)설립 ($2억), 1일 30만개의 의약스크리닝 수행• REMP 장비 도입, 50만종의 화합물 라이브러리 구축• 전자동 화합물 관리 시스템 (Zeus) 구축• 3백만종 이상의 화합물 라이브러리 확보• TAP사 장비 도입• 영국의 Sandwich에 화합물 라이브러리 관리센터 설립• Zymark, Bodhan사의 자동정량장비(AWRS), Tecan 자동분주장비, RTS와REMP의 플레이트 관리장비 도입• 다단계의 화합물 라이브러리 관리체계 운용• 화합물 라이브러리의 완결성에 관한 연구 집중• LiCONiC StoreXTM 플레이트 저장장비, LabCyte Echo 분주장비,Velocity11 화합물 관리장비 도입• 매년 20만종 이상의 신규 화합물 plate를 제작• 3년 혹은 6년 주기로 화합물 라이브러리의 교체

GSK : Drug Discovery Factory• Estimates cutting two years off from hit to candidate selection stage• Opened ultra HTS facility in Tres Cantos, Spain in 2003• Integrates the entire drug discovery process; moving compoundsfrom storage, to plates, to screening, & extracting data for analysis• 3-Year project requiring US $110 million in three new buildings& US $144 million on new automation tools• Storing 2.8 million samples & performing 300,000 assays a day• Run 10 million datapoints a day

국가 화합물라이브러리 관리체계 (NIH)• NLC (National Library Center)• 샌프란시스코에 위치한 DPI에 National Library Center 설립• 4년간 $24 million 투입하여 50만개 화합물 확보• MLSCN에 제공하여 약효시험 활용• MLSCN (Molecular Libraries Screening CenterNetwork)• NIH 화학유전체 센터 설립 (메릴렌드 주 Bethesda등 9개)• 3년간 $90 million 투입하여 새로운 신약개발 작용점 발굴 및 약효시험• NCBI PubChem Project (ChemInformaticsCenter )• NLC와 MLSCN에서 제공된 화합물 구조, 약효시험결과 DB 구축• 분자설계 및 가상약효시험 실시

국가 화합물 라이브러리 관리체계• 호주• 2005년 국가연구개발인프라구축사업 (NCRIS)• 국가화합물라이브러리 스크리닝체계(NCLSN) 구축AssayPeerreviewCustomizedAssayInvestigatorCheminformatics,PubChem(NCBI)CompoundRepositoryOptimizationChemistryHit ListScreenHit picking, confirmation,secondary screens• 중국• 상해국립의약스크리닝센터; 중국 과학기술부, 중국과학원, 상해시• 2003년 5만종 화합물Library구축, HTS활용• 전국 21개 자치구 산학연에 무료 스크리닝서비스 제공• 프랑스• 2003년 CNRS산하에 National Chemical Library설립• 3만종 화합물Library구축, HTS활용

Price of Druggable Compounds• Price; source, purity, structure & amount• Heterocyclic compound; $25 per mg with 90% purity• Natural products with a single component; $40 per mgSource Amount Number Price CostOrg. Syn. 1mg 285 $26 $7,353Semi-Natural 1mg 13 $39 $503Combi-Lab 1mg 4 $39 $155Shipping + Tax$1,250Total Cost 302 Compounds about 1mg $9,261Price per Compound; $ 31 / mg• Pfizer’s CEO Bill Steere;2 million compounds of Pfizer is the life-blood of Pfizer

Chemical Library WorkflowCompoundMaster Daughter HTSStorage-20CDMSO10mMDMSO500uMWater Uptake ?Freezer-5C

Compound Life Cycle in DMSO• Compound disappears from DMSO solution• What is the explanation?• Chemical integrity in DMSO• keep cold and frozen• avoid oxygen• keep dry• Compound solubility in DMSO• cold and / or frozen is the worst choice possible• avoid freeze thaw cycles

Water Uptake of DMSO• Water absorbs into DMSO Quickly!• 22 ºC, 75% RH• 384-well plate, 30 µL• DMSO/water mixtures have nonideal behavior• Freezing point DMSO is 18 ºC, -73 ºCat 33% w/w water/DMSO• Solubility worse than ideal withadded waterMutz et al, “ DMSO Hydration Monitoring inMicroplates with Ultrasound”, poster ELRIGApril 2005• Keep storage and liquid handlingatmosphere dry!• Low %RH• Low temp• 50% RH @ -20 ºC = 1.6% RH @25 ºC (0.32 g/kg)H O HOSH O H

DMSO – water phase diagramDMSO containing 9% water isunfrozen in the typical labrefrigeratorVery bad practice. Typicalbiology procedure of storingsamples in DMSO in the nonfreezerpart of a lab refrigeratorNature (1969), 220, 1315-1317

Compound Management : Golden Rule

Automation

Automation

Automation

Chemical Library in Korea• 200여개의 신약개발 project에서 연간 3만 ~ 5만종 합성• 화합물 가치에 대한 인식 부족 및 관리인프라 미비로 산재• Commercial Library• LG 생명과학 : 5만종/20만종• SK : 20~30만종국가연구비지원(과기부복지부)

한국화합물은행 설립

한국화합물은행 개요• 2000년 3월 설립 (화학연 일반사업, 03년부터 기본사업 전환)• 국내외 120개 기관에서 기탁된 15만종의 화합물 관리• 120개 기관 240건 약효시험 활용, 2,400개 Hit 도출, 30개 과제화• 약물성 분석시스템을 구축하여 2,000 여건의 연구지원• 2001년 생체기능조절물질개발사업단 화합물 기탁관리 MOU 체결• 2003년 과기부 연구성과물 기탁제 화합물분야 중심기관 선정• 2008년 혁신본부 범국가 연구성과관리 화합물분야 인프라 추진화합물 총 기탁현황연간 약효시험 활용현황

업무 추진체계산학연

화합물 관리 시스템

2D 바코드 및 Well별 관리시스템

화합물 관리 및 보관

화합물정보관리 (CIMS) : 2003• ISIS/Host, Oracle 기반의 인트라넷 시스템• 25만개 화합물과 200개 약효시험으로부터 얻어지는 1천만 point 화학생물 정보의 체계적인 관리• 인터넷 기반으로 전환, 산학연에 화합물 및 약효시험 관련 정보 제공 내용• 화합물 기본정보 (기탁자, 합성일 등)• Purity 정보• ADME/Tox 물성 정보• 작용점별 활성 정보

화합물 기탁현황• 120개 기관에서 15만종 화합물 기탁• 기탁제 이전 8만종, 기탁제로 6만종• 생체기능조절물질개발사업단 등대형사업단 중심으로 기탁• 뉴욕대, BRI(캐나다), Bayer CS 등국외기관 화합물 기탁

기탁대상화합물• 대상 화합물• 유기합성 및 조합기술로 합성되었거나 천연물에서 추출한• 분자량이 100∼1000의 단일성분 유기화합물• 유기화합물(최종화합물 및 중간체까지 포함)• 조합합성물(조합화학으로 합성된 화합물)• 펩타이드, 탄수화물 및 Nucleoside 유도체• 가능한 한 단일성분 천연물(식물, 미생물 등에서 추출)• 화합물 양 : 화합물 당 10mg내외(화합물양은 많을수록 좋음)• 화합물 상태 : 고체나 액체 화합물 모두 가능• 화합물 순도 : 가능한 한 85%이상의 순도를 갖는 단일성분 화합물• 비대상화합물• 인체에 치명적인 독성이 있는 화합물• 무기화합물 혹은 세제 종류• 폭발성이 있거나 강산, 강염기성 화합물• 물에서 불안정한 화합물(예, Acid halide 등)

Chemical Diversity Tripos Sybyl/DiverseSolution Accelrys PipelinePilotChemDiv (60만개) SPEC&BIOSPECS (35만개) Aldrich Library (20만개) IBS사 (26만개)한국화합물은행 (2만개)현재MayBridge (80K)KCB (130K)ChemDiv (640K)LQ (50K)

화합물관리 - 약물성기본적인 약물성보유 화합물에 대한 물성 분포도에서 Lipinski rule과 Veberrule에 따른 drug-likeness를고려하면 대부분의 화합물이 신약으로 개발 가능한 물성을 가지고 있다는 것을 확인할 수 있음.preADME, ACD

화합물 라이브러리 Cleanup (2006)SolubilityPurityMW

골격별 화합물 분류 (PharmaCore)

Focused 라이브러리 구축•Protease•Phosphatase•Kinase•Ox-Red•GPCR•CNS•Cancer

Fragment 라이브러리라이브러리 화합물 수 비 고대표 7,200 골격 다양성을 고려하여 선별, 5mM, LC-MSFragment 1,400 분자량 150-500, 고농도 20mM, LC-MSFocused 6,500 작용점별 (Kinase, Phosphatase, Protease), 1.7mMPharmaCore화합물 중심골격별 선택, 1.7mM

Chemical Library 농도분포대표 (7,200종, 5mM)대표 (640종, 1.7mM)Fragment (1,280종, 20mM)

약물성 연구 현황• 약물은 약효(Efficacy)와 약물성(ADME/Tox) 충족이 필요• 약효는 우수하나 약물성 및 독성문제로 임상진입 후 탈락하는 사례 빈번대형 제약사초기 약물성검증전략In Silico세포신호전달MCELL1990년대2000년대약효작용점약물성흡수 분배대사 배출독성LowAttritionFDA, EMA약물안전성조약 (2000)FDACriticalPath(2004)FDA-제약사PSTC(2005)NIHRAID 사업(2004)국내현황 :• 신약연구기관의 영세성으로 독자적 시스템 구축 어려움• 국가차원의 약물성 연구 인프라 및 공동활용 네트워크 구축 절실

약물성 분석연구• 신약후보물질 도출단계별 필수요소인 화합물의 물성 측정 및 예측 제공• Solubility, pKa, LogP, Permeability, Stability 등GLpKa NEPHELOstar PAMPA Delta-8UPLCLC-MSpKa/LogP Solubility Permeability BBB/SolubPurityMol. W.기 관 분석건수원 내 1417원 외 508항목별 분석현황Permeability 471pKa 367logP 303solubilityNephelo 730cheqsol 40stability 14합 계 1925

약물성 분석 (Validation)ExpSolubilitySolubility-PermeabilityCorrelationRef1210pKa6LogPpKa86LogP442200 2 4 6 8 10 12predict pKa00 2 4 6cLogP

약물성 필터링(HTS팀)Luminescent Cytochrome P450 AssayshERG channel membrane binding assay- 일차 약물대사시스템 검색- 약물상호작용 검색2D61A2B62E13ACYP3A42C192C9Lightfirefly luciferase약물로 인한 심부정맥과 QT연장증후군 유발 가능성 예측화합물은행 대표화합물 3,000종에 대한 CYP 저해도 검색hERG 저해물질에 대한 전기생리학적결과와 막결합 결과의 상관석 분석

약효시험 활용현황• 매년 40건 이상의 약효시험에 활용 (기탁제 이전 20건) :국내 public sector의 HTS의 대부분 (추정)• 2007년 현재 120개 기관에서 240개 약효시험에 활용• Biochemical assay에서 점차 Cell-based assay로• 30여개 이상의 산학연 공동 신약개발 연구 과제 도출연간 40건 x 1만종 x 0.1mg x 1mg 당 5만원 = 15억원 수입대체효과화합물 총 기탁현황연간 약효시험 활용현황

약효시험 진행 절차Active 선정- 골격 유사성 검토- 유도체 화합물 반출- 20~50종HTS기관화합물 제공약효시험 Data(화합물 제공 후 3개월 이내)한국화합물은행(대표, 골격별, 전체)신청Active 평가- 타 작용점 Activity profile- 유도체 구조/Activity 정보- 작용점 개발동향 정보- 특허, 문헌정보 및 물성정보화합물합성기관Hit 선정- 화합물구조 – 약효시험데이터 교환-2~5종공동연구계약- 유효물질 개발기관이후속연구에 참여하는 위탁기관 및 약효시험기관과의 계약- 연구내용, 연구비 투자, 업무 분담 등 논의후속연구진행권리정산- 유효물질 개발기관이후속연구에 참여하지 않는 위탁기관 및 약효시험기관과의권리 배분 계약- 유효물질 개발기관이 한국화합물은행의 비용 정산

약효시험 활용 : 권리분배합성기관 화합물은행 스크리닝 개발기관화합물 기탁유도체 합성화합물관리약물성분석Hit 도출지원HTS 수행Hit 평가선도물질최적화권리분배 Hit 도출선도물질최적화License out (전임상)Hit (10)개발기관 (90)KCB합성(3.5) 1.5 스크리닝(5)

BioChemoInformatics Central합성기관스크리닝화합물구조화합물합성기관 화합물은행 스크리닝데이터합성기관스크리닝합성기관스크리닝ChemistryBiology

Virtual ScreeningProteinProteinStrStrScoringScoringFuncFuncCompoundCompoundDBDBDOCK5GenerateGeneratedockingdockingCheckCheckbumping(backbone,bumpingside(backbone,sidechain)chain)SYBYLGenerateConsensusGenerateConsensusScoringScoringOptimizeConsensusOptimizeConsensusScoringScoringCScore = Score1 + Score2 + Score3+…DockingDockingConsensusConsensusScoringScoringFunctionFunctionClusteringClusteringActiveActiveCompoundsCompounds

Scoring Functions in SYBYL

Docking Study : DPP-4Dock5 Favors Heavy andFlexible CompoundsDOCK Binding EnergyMW

Docking Study : PRL-3

Docking Study : 40 PhosphatasesPDB : 1EW2SAR : Efficacy, Selectivity

감사합니다• 한국화학연구원 신약연구단• 생체기능조절물질개발사업단 (Dr. 유성은)• 운영 & 관리• Dr. 채종학, Dr. 김성수• 화합물관리• 김선호, 정유진• 정보관리 & 대외협력• 김선우, 한미정• 약물성분석• 정선영, 신민혜• 분자설계• Dr. 강남숙, 이길남, 이진희• 연락처 : 042-860-7190• 홈페이지 : http://www.chembank.org/• E-mail : chembank@krict.re.kr