Prediction of the Drug Permeability through Quantitative Structure : Permeability Relationship Study

Abstract

신약개발의 초기단계에 있어 약물의 신체내 흡수를 평가하는 것은 신약 후보물질개발에 있어 매우 중요한 과정이다. 이러한 이유로 Caco-2 세포를 이용한 약물의 장관막 투과도와 약물의 구조와의 상관관계(QSPRs) 연구가 수행되어 왔다. 이러한 이론적인 접근은 신약후보물질의 신체내 흡수정도를 예측하고 이를 통해 신약개발에 있어 치명적인 실패요인을 미리 제거할 수 있는 좋은 방법이 된다. 본 연구에서는 Caco-2세포를 사용하여 유사한 구조를 가진 퀴놀론계 항생제의 투과도를 평가하였다. 이러한 연구를 통해 Caco-2 모델을 사용하여 약물의 구조-투과도 상관관계를 평가하는 방법을 확립하게 되었다. 퀴놀론계 항생제는 그람 음성균 및 그람 양성균에 효능이 있는 약물군으로 경구투여된 후 신체내에서 그 흡수율이 매우 놓은 것으로 알려져 있다. 기 연구결과에 따르면 퀴놀론계 항생제와 제산제와의 병용투여로 인해 퀴놀론계 항생제의 용출률과 흡수율이 감소되며 이로 인해 치료효과가 낮아진다는 보고가 있다. 시메티딘은 약물 상호작용이 잘 알려진 약물로서 병용투여로 인해 많은 약물의 약물동태에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 그렇지만 현재까지 시메티딘이 퀴놀론계 항생제의 신체 흡수에 미치는 영향은 연구된 바가 거의 없다. 그러므로 시메티딘과 퀴놀론계 항생제의 병용투여로 인한 약물 상호작용연구는 적절한 임상효과를 얻기 위한 매우 중요한 연구라고 할 수 있다. 따라서 본 연구의 목표는 약물의 구조-투과도 상관관계를 통한 약물의 투과도 예측 시스템 개발과 Caco-2 모델을 이용하여 시메티딘과 퀴놀론계 항생제의 약물상호작용을 연구하는 것이다. 또한 Caco-2 모델을 이용하여 약물 투과도를 평가하기 위하여 FDA 가이드라인 ‘Waiver of In Vivo Bioavailability and Bioequivalence Studies for Immediate-Release Solid Oral Dosage Forms based on the Biopharmaceutics Classification System’을 기초로 하여 biopharmaceutics classification system (BCS)을 확립하였다. 본 연구는 크게 BCS를 통한 약물 평가, 약물의 구조-투과도 상관관계 연구를 통한 약물 투과도 예측 및 시메티딘이 퀴놀론계 항생제의 약물흡수에 미치는 영향 세 부분으로 구성되어 있다. 1) BCS 시스템에 따라 유사한 구조를 지닌 18가지 약물을 분류하기 위하여 18가지 비스테로이드성 항염증제의 용해도와 투과도를 평가하였다. 약물의 용해도는 pH1~7.5인 37℃ 수용액상에서 24시간 동안 용해된 양을 측정하였다. 약물의 용해도 분류는 모든 pH에서 약물의 최고함량을 녹일 수 있는 수용액의 부피를 계산하여 나타내었다. 모든 pH에서 약물의 최고함량을 녹일 수 있는 수용액의 부피가 250mL이하일때 높은 용해도를 가진 약물로 분류하였다. 약물의 투과도는 Caco-2 모델을 사용하여 결정하였다. 약물의 양방향 겉보기투과도계수는 250mL 완충액에 약물 최고함량의 0.1배 농도를 녹인 액을 사용하여 측정하였다. FDA 가이드라인에 따라, 18가지 약물 중 2가지 약물이 높은 용해도를 가진 약물로 분류되었다. 18가지 약물의 양방향 투과도 계수는 농도와 방향에 유의적인 차이를 나타내지 않았으며 모든 약물이 높은 투과도 약물로 분류되었다. 2) 위 연구방법을 토대로 하여 유사한 구조를 지닌 20가지 퀴놀론계 항생제의 약물 구조-투과도 상관관계를 연구하였다. 약물 투과도는 Cao-2 모델을 사용하였고, 약물의 양방향 겉보기투과도계수는 250mL 완충액에 약물 최고함량의 0.1배 농도를 녹인 액을 사용하여 측정하였다. 투과도 시스템 적합성을 평가하기 위하여 FDA 가이드라인 중 19가지 모델 약물의 겉보기투과도계수를 측정하였다. 또한 양방향 수송으로 알려진 로다민123을 이용하여 방출 시스템(e.g., P-gp)의 기능적 발현을 확인하였다. 그리고 partial least square method를 사용한 약물 구조-투과도 상관관계 연구를 통하여 약물의 구조를 통한 투과도 예측이 가능함을 알 수 있었다. 3) P- gp의 기질인 시메티딘은 약물과의 상호작용으로 시메티딘과의 병용투여가 다른 약물의 약물동태에 영향을 줄 수 있다는 것이 잘 알려진 약물이다. 본 연구의 목적은 Caco-2 모델을 이용하여 시메티딘이 퀴놀론계 항생제의 약물 흡수에 미치는 영향을 밝히는 것이다. 9가지 퀴놀론계 항생제를 시메티딘과 병용하여 약물의 겉보기 투과도계수를 측정하였다. 플레록사신을 시메티딘과 병용투여하였을 때 AP-to-BL 겉보기투과도계수는 1.5배 증가하였고, BL-to-AP 겉보기투과도계수는 0.83배 감소하였다. 오플록사신을 시메티딘과 병용투여하였을 때 AP-to-BL 겉보기투과도계수는 0.8배 감소하였고, BL-to-AP 겉보기투과도계수는 0.72배 감소하였다. 가티플록사신, 목시플록사신, 씨프로플록사신 및 루플록사신 또한 시메티딘 병용시 겉보기투과도계수에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 본 연구결과를 통하여 약물의 구조-투과도 상관관계 연구는 약물의 투과도를 예측하는데 있어 매우 유용한 방법임을 확인하였으며, 약물 개발이나 신약 후보물질 평가에 있어 중요한 정보를 제공할 수 있다는 의의가 있다. 또한 본 연구결과는 시메티딘이 퀴놀론계 항생제의 약물동태에 미치는 영향을 확인하였다. 이를 통하여 시메티딘과 퀴놀론계 항생제의 병용투여시 약물의 혈중농도 모니터링과 적절한 용량조절이 필요할 것으로 판단된다.;The estimation of human oral absorption of new drug candidates in the early stage of the drug discovery process is a useful tool in the lead-compound selection. For that reason, quantitative structure-permeability relationships (QSPRs) of the intestinal permeability across Caco-2 cells monolayer have been studied by many researchers. The theoretical approach appears to be good to predict the human absorption of new drug candidates obtained by combinatorial chemistry methodologies, avoiding significant failure in late stage of the drug-discovery process. We used Caco-2 cell model to evaluate the cell permeability of quinolone antibiotics having similar structures. Through this experience, we have come to have interest in applying the model to a broader exploration of structure-permeability relationships. Quinolone antibiotics, extensively prescribed against both Gram-positive and Gram-negative microorganisms, are absorbed well after oral administration (50~95%). Previous study showed that co-administration of quinolone antibiotics with some antacids decreases its dissolution rate and its absorption, which incurred therapeutic failure possibly through chelate formation. Cimetidine is well known drug interacting variety of drugs and results in alteration of pharmacokinetic parameters by concomitant administration. It has not been reported that cimetidine alters the absorption of quinolone antibiotics. Therefore, it is important to study the effect on co-administration of cimetidine and quinolone antibiotics in order to provide a adequate medication information for doctors. Thus, the aim of present study was to predict the permeability of drugs through quantitative structure-permeability relationship study and investigate whether cimetidine affects the transport of quinolone antibiotics in Caco-2 system. In order to determine drug permeability using Caco-2, we established biopharmaceutics classification system (BCS) by ‥Waiver of In Vivo Bioavailability and Bioequivalence Studies for Immediate-Release Solid Oral Dosage Forms based on the Biopharmaceutics Classification System… of FDA guidance. This study was performed in three parts: drug evaluation by biopharmaceutics classification system, prediction of the permeability of drugs through quantitative structure-permeability relationship study and effect of cimetidine on the transport of quinolone antibiotics in Caco-2 cell monolayer. First, our study is to classify 18 drugs with similar structures according to the BCS system. The solubility and permeability of 18 nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) were determined. The solubility (㎍/mL) of 18 drugs was determined after incubation at 37℃ for 24 hr in aqueous media over the pH range of 1~7.5. The solubility class was determined by calculating the volume of an aqueous media sufficient to dissolve the highest dose strength over the pH range of 1~7.5. Drugs were defined as highly soluble when the highest dose strength is soluble in less than 250mL of aqueous media over the pH range of 1~7.5. Permeability classification was determined using the Caco-2 cell in vitro model. The apparent permeability coefficients (Papp) of drugs from both apical to basolateral side and basolateral to apical side were measured at the concentration corresponding to 0.1 times of the highest dose strength dissolved in 250 mL of buffer, and their potential interactions with cellular efflux pumps were investigated. Based on the FDA guidance, 2 of the 18 drugs, ketorolac tromethamine and loxoprofen sodium were classified to highly soluble drugs. The bidirectional permeability coefficients of 18 selected drugs were not significantly different by concentration and direction. All NSAIDs were classified to highly permeable drugs. Second, This study is to research the quantitative structure-permeability relationship of 20 quinolone antibiotics having similar structure. Permeability was determined by using the Caco-2 cell in vitro model. The apparent permeability coefficient (Papp) of each drug both of apical to basolateral side and basolateral to apical side was measured at the concentration corresponding to 0.1 times the highest dose strength of 250mL dissolved buffer. In order to test the permeability system suitability, we measured the Papp of 19 model drugs out of 20 which presented in FDA guidance. Also, we demonstrated the functional expression of efflux systems (e.g., P-gp) by bidirectional transport studies with rhodamine 123. Also, as a result of the study on quantitative structure-permeability relationship by using the partial least square method, it was possible to predict the permeability of drugs from their three dimensional structure. The quantitative structure-permeability relationship provided a cross-validated q2=0.640, a normal r2=0.999. Third, cimetidine, a substrate for P-glycoprotein (P-gp), is a well known drug interacting with a variety of drugs and results in alteration of pharmacokinetic parameters by concomitant administration. The aim of present study was to investigate whether cimetidine affects the transport of various quinolone antibiotics in human colorectal cancer cell line (Caco-2) system which has been typically used to investigate drug transport via P-gp. The apparent permeability coefficients (Papp) value of 9 quinolone antibiotics in the co-treatment with cimetidine was examined. Apical to basolateral (AP-to-BL) transport of fleroxacin in the co-treatment with cimetidine was increased to 1.5-fold (p<0.01) compared with that of fleroxacin alone, whereas basolateral to apical (BL-to-AP) transport of fleroxacin was decreased to 0.83-fold significantly (p<0.05). Ofloxacin was decreased to 0.8-fold (p< 0.01) and 0.72-fold (p<0.01) significantly in AP-to-BL and BL-to-AP direction, respectively by cimetidine cotreatment. The Papp values of gatifloxacin, moxifloxacin, ciprofloxacin and rufloxacin also were changed by cimetidine. Considering all of above results, analysis on this quantitative structure-permeability relationship appears to be a very useful tool to predict the permeability. Also, these results have a potential that cimetidine influences on the pharmacokinetics of quinolone antibiotics. It suggests that careful drug monitoring and dosage adjustment may be necessary during the co-administration of quinolone antibiotics with cimetidine.