합성마약류의 의존성 평가를 위한 구조활성상관(QSAR) 모델 적용
윤 재 석#
식품의약품안전처, 식품의약품안전평가원, 의약품규격연구과
(Received November 8, 2013; Revised December 21, 2013; Accepted December 23, 2013)
Quantitative-Structure Activity Relationship (QSAR) Model for Abuse-liability Evaluation of Designer Drugs
Jaesuk Yun#
Pharmaceutical Standardization and Testing Research Division, National Institute of Food and Drug Safety Evaluation, Ministry of Food and Drug Safety, Chungbuk 363-700, Korea
Abstract — In recent, the abuse of newly-emerging psychoactive drugs, ('designer drugs') is a rapidly increasing problem in Korean society. Quantitative-structure activity relationship (QSAR) is an alternative method to predict bioactivities of new abused compounds. In this study, cathinone-related new designer drugs, 4-methylbuphedrone and 4-methoxy-N,N-dim- ethylcathinone were tested for prediction of the bioactivity with QSAR model. The bioactivity of 4-methylbuphedrone and 4-methoxy-N,N-dimethylcathinone was similar to those of methylone. These results suggest that the prediction with QSAR model may provide scientific evidences for regulatory decision.
Keywords □ designer drug, QSAR, bioactivity, regulation, addiction
최근 사회적으로 신종마약류의 남용이 문제가 되고 있다. 이 현상은 국내뿐 아니라 유럽 및 일본의 경우에도 유사하게 나타 나고 있으며, 새로운 약물들에 대한 의존성 평가와 규제를 위한 과학적인 근거 확보가 중요한 사안으로 자리 잡고 있다.1)국내 에서도 임시마약류지정제등이 도입된 후로 많은 합성마약류 (Designer drugs)가 규제되고 있다. 특히 JW-018 같은 합성칸나 비노이드류 및 cathinone류의 불법 유통이 증가하는 추세이다.2) 그러나 의존성 평가대상이 되는 디자이너 드럭은 새롭게 합성되 어 남용되고 있으며, 따라서 그 약물에 대한 약리독성 프로파일 이 충분하지 않는 경우가 많다. 국민보건을 위해 신종마약류는 규제 결정이 빠르게 이루어지는 것이 필요하기 때문에, 신속한 신종마약류의 생리활성평가법이 필요하다. 국내 의약품 등의 의 존성평가 지침에 따른 시험관내 실험 및 동물시험의 수행에는 많
은 시간과 특히 다량의 표준품 확보가 필수이다.3) Mice나 rats 을 이용한 자가투여(self-administration) 혹은 조건장소선호도 (conditioned place preference) in vivo 시험에서는 반복투여 등 이 필요하므로 더욱 다량의 신종화합물의 확보가 우선되어야 한 다. 이에 신속한 평가를 위한 동물 대체 시험법의 개발이 요구되 고 있다. 본 연구에서는 cathinone의 유사체를 대상으로 활성치
#Corresponding Author Jaesuk Yun
Pharmaceutical Standardization and Testing Research Division, National Institute of Food and Drug Safety Evaluation, Ministry of Food and Drug Safety, Osongsaengmyeong2-ro Osong Cheong- won Chungbuk 363-700, Korea
Tel.: 043-719-4607 Fax.: 043-719-4600 E-mail: [email protected]
종설
Fig. 1− 시험약물의 구조.
킹시험을 수행하기가 어렵다. 그러므로, ligand와 활성치의 정보 를 이용한 예측법이 필요하고, QSAR는 화합물의 구조와 약리독 성학적 활성 관계를 정량적으로 예측 가능하게 할 수 있다.4)이 에, 4-methylbuphedrone 및 4-methoxy-N,N-dimethylcathinone (Fig. 1)의 의존성 평가를 위한 생물학적 활성예측을 QSAR(정량 적구조활성상관관계)를 이용하여 측정하였다.
실험방법
QSAR 모델은 EasyQSAR5)를 이용하였으며, QSAR모델 두 가 지를 제시하였다. 우선 기존 방법4)을 수정하여 QSAR 모델을 구 하였고, 사람의 남용 용량 추정치6)를 이용하여 두 번째 모델을 제시하였다. 더불어, 두 가지 모델에서 사용한 활성치의 상관관 계를 조사하였다. 자세한 방법은 다음과 같다. 첫 번째 QSAR 모델 (RatDOSE model, rat generalization test dose model;
1 mg의 (+)-amphetamine을 분별(discriminate)하는 rat을 이용하 여 amphetamine유사 반응(generalization)을 일으키는 각 약물의 ED50용량7)을 활용한 QSAR 모델)로 4-methylbuphedrone 및 4- methoxy-N,N-dimethylcathinone의 활성 예측을 실시하였다. 활성
이 기존에 보고된 화합물로 amphetamine, methamphetamine, dimethylamphetamine, cathinone, methcathinone, ethcathinone, propylcathinone, 3,4-methylenedioxyamphetamine(MDA), 3,4- methylenedioxymethamphetamine(MDMA, ecstasy), methylone (Fig. 2)7)을 참고 하였다.
활성치는 각 약물들의 ED50 값을 사용하였다(Table I).7) EasyQSAR의 모델에서 사용한 기술자(descriptors)는 Mold2 molecular descriptors for QSAR를 이용하였다.8) Mold2의 777 개의 모든 기술자를 이용하여 QSAR모델을 구하고 EasyQSAR 의 모델식 평가 기준에 따라, QSAR모델식의 R2(상관계수의 2 승)가 가장 높게 구해지며, Adjusted R2와 차가 적고, F statistics
Fig. 2− QSAR 모델(RatDOSE) 확립에 사용된 남용약물 구조.
01 Amphetamine 0.71
02 Methamphetamine 0.49
03 Dimethylamphetamine 2.92
04 Cathinone 0.71
05 Methcathinone 0.37
06 Ethcathinone 0.77
07 Propylcathinone 2.03
08 MDA 2.29
09 MDMA 1.64
10 Methylone 2.36
가 Critical F보다 크게 나타나는 기술자를 선별하였다. 더불어 교차검정(Cross-validation, leave one out)을 실시하여 교차검정 의 상관계수의 2승(Q2)도 계산하였다.
두 번째 QSAR모델(RecDOSE model, human recreational dose model; 사람이 통상적으로 1회 사용하는 각 약물의 용량6)을 활용한 QSAR 모델)을 이용하여 RatDOSE model에 기술한 것과 동일하게 활성치 예측을 실시 하였으며, RecDOSE model 특이적 인 사항은 다음과 같다. 사람의 남용량 추정치가 보고된 화합물 로 MDMA, 3,4-methylenedioxyphenyl-N-methyl-2-butanamine (MBDB), 3,4-methylenedioxy-N-ethylamphetamine(MDEA), methylone, butylone, ethylone, amphetamine, methamphetamine, cathinone, methcathinone, mepedrone, flephedrone, pyrovalerone, 3,4-methylenedioxypyrovalerone(MDPV), naphyrone(Fig. 3)6) 을 참고하였다. 활성치는 사람에서의 1회 남용량(recreational dose, 추정치)6)을 이용하였다(Table II).
MDMA, methylone, amphetamine, methamphetamine,
cathinone, methcathione의 rat ED50와 사람의 남용량의 상관관 계는 Pearson correlation방법을 이용하여 구하였다.
Fig. 3− QSAR 모델(RecDOSE) 확립에 사용된 남용약물 구조.
Table II− 남용약물의 활성치(Human recreational dose)
연번 남용약물명 활성 실측치(Recreational dose, mg)
01 MDMA 100
02 MBDB 200
03 MDEA 125
04 Methylone 150
05 Butylone 150
06 Ethylone 175
07 Amphetamine 030
08 Methamphetamine 030
09 Cathinone 050
10 Methcathinone 059
11 Mepedrone 150
12 Flephedrone 200
13 Pyrovalerone 020
14 MDPV 005
15 Naphyrone 025
RatDOSE QSAR 모델에 의한 생물활성 예측
QSAR 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 자세한 QSAR식의 결과는 R2=0.998, Adjusted R2=0.993, F statistics=215.08, Critical F=3.37, Q2=0.955로 구해졌다. QSAR식은 Fig. 4에 표시되어 있다. 이 QSAR식을 이용하여 4-methylbuphedrone 및 4- methoxy-N,N-dimethylcathinone의 활성치를 예측한 결과 각각 2.26, 4.29 mg/kg이었다(Fig. 5).
RecDOSE QSAR 모델에 의한 생물활성 예측
QSAR 결과는 Fig. 6에 나타내었다. 자세한 QSAR식의 결과는
Fig. 4− QSAR 모델식(RatDOSE) 및 기술자.
Fig. 6− QSAR 모델(RecDOSE) 및 기술자.
Fig. 7− QSAR 모델식(RecDOSE)에 의한 시험약물의 활성 예측.
Fig. 5− QSAR모델식(RatDOSE)에 의한 시험약물의 활성 예측.
있다. 이 QSAR식을 이용하여 4-methylbuphedrone 및 4- methoxy-N,N-dimethylcathinone의 활성치를 예측한 결과 각각 205.92, 166.85 mg이었다(Fig. 7).
Rat ED50와 사람의 남용량의 상관관계
두 가지 모델에서 이용한 활성치중 비교 가능한 MDMA, methylone, amphetamine, methamphetamine, cathinone, meth- cathione의 rat ED50와 사람의 남용량의 상관관계를 Pearson correlation방법을 이용하여 구하였다.
신종마약류의존성 평가에 있어서의 활용
신종마약류의 활성치를 예측 평가하기 위한 QSAR 모델을 구 하는 연구를 수행하였다. 더불어 이 모델을 사용하여 최근 들어 남용이 증가하고 있는 합성마약류 중 cathinone유사체의 활성치
를 평가하였다. 본 연구에서 확립한 RatDOSE 모델의 식은 Kurihara4)의 그 것과 비교하여 더 높은 R2 및 Q2 치를 보여주었 다. RecDOSE 모델은 RatDOSE 모델보다 R2및 Q2의 값이 낮 으나, QSAR식의 허용한계 통계치로 여겨지는 R2>0.6 과 Q2>0.5
기준9,10)을 충족하고, R2및 Q2의 값의 차이가 3 미만으로 활성
치 예측에 사용 가능함11)을 검증하였다. 한편, 두 모델의 QSAR 식을 구하기 위해 각각 다른 기술자들을 활용하였는데, RatDOSE 식의 기술자를 이용하여 사람의 1회 남용량 및 기타 활성치6) (DAT(dopamine transporter) inhibition; DAT IC50, NET (noradrenaline transporter) inhibition; NET IC50, SERT(5-HT transporter) inhibition; SERT IC50 및 DAT/SERT IC50 ratio) 에 대한 QSAR식을 구하면 각 식의 R2값은, 각각 0.745, 0.358, 0.657, 0.378, 및 0.906이다. 그 중 가장 R2가 큰 DAT/SERT IC50 ratio의 QSAR식 교차 검증의 Q2값은 0.127으로 만족스럽 지 못한 결과를 보인다. 이를 통해 기타 활성치를 이용한 QSAR 식을 확립하기 위해서는 RatDOSE와는 별도의 기술자가 필요한 것을 알 수 있다. 그리고 Rat ED50와 각 활성치와의 correlation coefficient를 구하면, 사람의 1회 남용량과 Rat ED50의 값이 0.939(p<0.01)로 높게 나타났으며, 두 활성치 간의 유의한 상관 관계가 있음을 알 수 있었다. 이를 통해 RecDOSE QSAR식이 RatDOSE QSAR식과 상호 보완적으로 활용될 수 있는 것으로 사료된다.
RatDOSE 모델을 활용하여 신종마약류의 활성치를 계산한 결 과, 4-methylbuphedrone은 마약류로 규제되고 있는 MDA와 methylone과 비슷한 수준의 활성치를 보였다. RecDOSE QSAR 모델을 활용하여 신종마약류의 활성치를 계산한 결과, 4- methylbuphedrone은 MBDB, flephedrone과 비슷한 수준의 활성 치를 보였으며, 4-methoxy-N,N-dimethylcathinone은 methylone, butylone, ethylone 및 mephedrone과 비슷한 수준의 활성치를 나타내었다. QSAR 결과는 임시마약류 규제를 위한 타당한 과학 적 근거로 받아들여지고 있으며,12) 국내에서도 신종마약류의 표 준품 확보의 어려움 및 시급한 규제결정을 위한 근거자료 필요 등 제반 여건을 고려 하였을 때, QSAR법을 신종마약류의 규제 에 활용하는 것이 필요하다고 사료된다.
이해관계해명
이 논문은 저자의 개인적인 연구에 의한 결과물이며, 저자의 소속기관의 정책 및 입장과는 관계가 없음을 알려드립니다.
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