JW중외제약은 어떻게 STAT 신약 개발 난제를 극복했나

[이데일리 김지완 기자] JW중외제약(001060)이 세계 최초 STAT(스탯) 신약 개발에 시동을 걸고 있다. 이 과정에서 JW중외제약은 여러 기술적 난제를 극복한 것으로 파악됐다.

STAT 치료제 개발에 일본 다이니폰스미토모 제약, 오츠카 제약 등이 도전장을 내밀었으나 임상 1상 중 실패, 약효 및 독성 문제 등으로 진전이 없는 상태다. JW중외제약이 글로벌 제약바이오 업계에서 STAT 치료제 개발 최선두권에 서 있단 얘기다.

STAT 단백질의 비정상적 활성화는 암, 면역질환을 비롯한 다양한 질병을 야기한다. STAT 단백질은 STAT1~4, STAT5A, STAT5B, STAT6로 이뤄져 있다. (제공=JW중외제약)

JW중외제약은 STAT3 표적 항암제 JW2286를 비롯해 STAT3 아토피치료제, STAT5 표적항암제(혈액암), STAT3-ADC 항암치료제(고형암) 치료제를 개발 중이다. JW2286은 현재 서울대병원에서 70명 대상으로 임상 1상을 진행 중이다.

이외에도 JW중외제약 자회사인 C&C신약연구소는 미국 인공지능(AI) 신약개발 기업인 크리스탈파이(XtalPi)와 STAT6 표적 치료제 개발 공동연구를 진행 중이다. 크리스탈파이는 지난 2015년에 메사추세츠(MIT) 공과대학의 양자물리학 전문가들에 의해 설립된 AI 신약 연구개발 기업이다.

STAT 단백질은 STAT1~4, STAT5A, STAT5B, STAT6 등 기능이 서로 다른 7가지로 구성돼 있다. STAT 단백질이 비정상적으로 과발현이나 과활성될 경우 다양한 질환이 발생한다. 구체적으로 암세포 성장, 증식, 전이에 영향을 주고 약제 내성에도 영향을 주는 것으로 알려졌다. 특히, 아토피 피부염과 같은 염증성 질환과 자가면역질환을 유발하기도 한다.

하지만 지금까지 세계 어떤 제약사도 STAT 단백질을 직접 표적하기 보단 STAT 단백질 상위에 있는 JAK 억제제를 이용했다. JAK 억제제를 통해 7종의 STAT 단백질 신호 활성을 모두 차단하는 방식이었다. JAK 억제제는 정상 STAT 단백질까지 차단하면서 많은 문제를 야기한다. 누전에 메인 차단기가 내려가면 냉장고 음식이 상하는 것과 같은 이치다.

실제 JAK 억제제에 대해 미국 식품의약국(FDA)은 지난 2018년 경고 문구를 부착토록 했고, 유럽의약품청(EMA) 안전위원회(PRAC)는 지난 2022년 사용제한 권고 조치를 내렸다. 그만큼 STAT 표적 억제제 미충족 수요가 크다는 얘기다.

이데일리는 지난 9일 JW중외제약 신약연구센터를 STAT 치료제 개발 관련 기술 난제를 극복했는 지 단독 취재했다. 다음은 일문일답.

▲STAT3를 억제하면 정상세포 생존과 기능에도 악영향을 미치는 것으로 안다. 이 같은 문제를 JW2286에선 어떻게 해결했나.

-항암제를 개발하면서 정상조직에 대한 안전성 확보가 가장 중요한 목표다. 우리 치료제는 STAT3가 과활성화된 암세포 표적을 목적으로 개발됐다. 연구 결과에 따르면 암세포는 정상 세포에 비해 STAT3의 인산화 수준이 훨씬 높다. STAT3 과활성은 암세포 대사 과정에서 과인산화(OXPHOS) 되기 때문이다. JW2286은 STAT3 과활성에 따른 인산화 수준이 높은 암세포를 표적한다.

▲실험 결과에서도 높은 암세포 표적성향이 확인됐나.

-여러 실험에서 JW2286이 정상 세포에 영향은 최소화면서 암세포를 강력 억제하는 효능이 확인됐다. JW2286의 높은 암세포 표적성 때문에, 동물실험에서 적은 농도(미량)의 약물 투약에도 암세포가 사멸했다. 또 소량의 투약에서 암세포 성장, 전이 등이 강력하게 억제되는 것을 여러 실험으로 증명했다.

GLP 독성 시험에서도 JW2286이 안전하다는 것을 확인했다. 구체적으로 암을 치료하는 데 필요한 유효 용량과 비교했을 때, 안전 용량을 최소 10배 이상 확보할 수 있음을 입증했다. 결론적으로 JW2286은 매우 안전하면서 효과적인 항암제다.

▲STAT 단백질 표면이 평평하고 결합 부위가 명확하지 않다. 이 문제를 어떻게 해결했나.

-현재 대부분의 STAT 단백질 억제제는 SH2 도메인을 표적으로 삼고 있다. 하지만 JW중외제약은 이와는 다른 접근법을 사용했다.

먼저, STAT3 리포터 분석(reporter assay) 실험을 통해 다양한 구조를 가진 화합물을 선별했다. 그런 다음 각기 다른 STAT3 도메인을 가진 단백질을 사용해 이 화합물들이 어떤 도메인(결합부위)에 결합하는지를 확인했다.

이 실험들에서 다양한 도메인에 결합할 수 있는 소분자 화합물들을 찾아냈다. 이중 JW2286이라는 화합물이 STAT3의 N-말단 도메인(N-terminal domain)에 결합해 STAT3를 억제할 수 있다는 것을 발견했다. JW2286은 이 발견을 바탕으로 개발돼 현재 임상 1상에 진입했다.

▲STAT 단백질은 단백질 간 유사성이 높다. STAT3 표적 억제제를 시도하다 여타 STAT 단백질도 차단할 수 있는 것으로 안다. JW2286에선 이런 문제를 어떻게 해결했나.

-우리는 STAT 단백질의 다양한 유형을 대상으로 하는 리포터 분석 시스템을 구축했다. 이 시스템을 통해 JW2286이 주로 STAT3에 선택적으로 작용한다는 것을 확인했다. 비슷한 종류의 STAT 단백질인 STAT5에도 부분적인 저해 효과가 나타났지만, 주된 표적은 STAT3임이 명확했다.

구조적으로 보면, STAT3 말단 부위에 특정 화합물이 결합할 수 있는 포켓(결합 부위)이 존재한다. 이 포켓은 STAT1과 비교했을 때, STAT3만의 독특한 아미노산으로 구성돼 있다.

연구팀은 컴퓨터 기반 설계 분석을 통해 JW2286이 이 특정 아미노산들과 결합하는 것을 확인했다. 그리고 돌연변이 실험을 통해 이러한 결합이 실제로 일어난다는 것을 증명했다.

▲STAT 세포 내 약물 전달에 어려움은 없었나.

-JW2286은 세포질에서 STAT3 활성을 억제한다. 그 이유는 STAT3가 활성화되려면 인산화된 후 두 개의 STAT3 분자가 결합해 핵으로 이동해야 한다. JW2286은 지방 친화적(lipophilic) 성질을 가지고 있어서 세포막을 쉽게 통과할 수 있다. 이를 통해 JW2286은 세포질에서 이 결합 형성을 차단한다.