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의약화학

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목차

1. 개요

의약화학은 새로운 약물 개발 과정과 관련된 학문으로, 신약 후보 물질을 발견하고 최적화하며, 대량 생산을 위한 공정을 개발하는 과정을 다룬다. 신약 개발은 발견, 리드 최적화, 공정 화학 및 개발 단계를 거치며, 유기 합성, 구조 분석 등의 분석 방법을 활용한다. 의약화학자는 유기화학 및 생물학적 지식을 바탕으로 효과적인 치료제를 설계하며, 관련 교육 과정과 진로 정보를 제공한다.

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관련 용어약물 발견
약물 개발
약물 표적
구조-활성 관계 (SAR)
정량적 구조-활성 관계 (QSAR)
조합 화학
고처리량 스크리닝 (HTS)
분자 모델링
가상 스크리닝
합리적 약물 설계
생체 내
생체 외
임상 시험
신약 허가
시판 후 조사
주요 내용
주요 내용질병 치료 또는 완화를 위한 약물 설계 및 합성
약물과 생체 분자 간의 상호 작용 연구
약물의 흡수, 분포, 대사, 배설 (ADME) 과정 연구
약물의 독성 및 부작용 연구
새로운 약물 표적 발굴 및 검증
약물 개발 과정 최적화
제약 산업
생명공학 산업
학계
정부 규제 기관
추가 정보
추가 정보약물 개발 및 연구 분야에서 중요한 역할을 수행하며, 화학, 생물학, 약학 등 다양한 분야의 지식을 융합하여 새로운 치료법 개발에 기여한다.

2. 신약 개발 과정

신약 개발은 새로운 치료제를 시장에 출시하기까지 거치는 길고 복잡한 과정이다. 이 과정은 일반적으로 여러 단계로 구성되며, 각 단계마다 전문적인 지식과 기술이 요구된다. 주요 단계로는 새로운 활성 화합물을 찾아내는 '발견' 단계, 발견된 화합물의 효능과 안전성을 개선하여 신약 후보 물질로 발전시키는 '리드 최적화' 단계, 그리고 최종적으로 대량 생산 및 임상시험을 준비하는 '공정 화학 및 개발' 단계가 있다. 각 단계는 상호 유기적으로 연결되어 성공적인 신약 개발을 목표로 진행된다.

2. 1. 발견 (Discovery)

의약화학에서 '발견' 단계는 종종 "히트(hit)"라고 불리는 새로운 활성 화합물을 확인하는 과정이다. 이러한 히트는 일반적으로 원하는 생리 활성을 나타내는 화합물을 검정(시험)을 통해 찾아낸다.[15]

히트 화합물을 얻는 방법은 여러 가지가 있다.

  • 기존에 사용되던 약물을 새로운 질병 치료에 적용하는 과정(약물 재창출)에서 발견될 수 있다.[16]
  • 박테리아, 균류[17], 식물[18] 등에서 얻은 새로운 또는 기존의 천연물이 나타내는 생물학적 효과를 관찰하여 찾을 수도 있다.
  • 효소나 수용체와 같은 치료 표적에 결합하는 작은 분자인 "프래그먼트(fragment)"의 구조를 관찰하고, 이를 시작점으로 삼아 합성을 통해 더 복잡한 구조의 화합물을 개발하는 과정에서도 히트를 얻을 수 있다. 이는 프래그먼트 기반 신약 개발(FBDD)의 핵심 원리이다.
  • 생화학적 분석이나 화학단백질체학 분석 방법을 사용하여, 수많은 화합물들을 대상으로 특정 생물학적 표적에 대한 효과를 대량으로 검사(스크리닝)하여 히트를 찾아내기도 한다. 이때 사용되는 화합물들은 특정 성질(예: 키나제 억제 활성, 구조적 다양성, 약물로서의 적합성)을 가지도록 새롭게 합성된 화학 라이브러리에서 가져오거나, 조합 화학 기법으로 만들어진 기존의 화합물 컬렉션 또는 라이브러리에서 유래할 수 있다.


히트 화합물의 확인 및 개발에는 다양한 접근 방식이 존재하지만, 가장 성공적인 방법은 새로운 치료제 발견을 목표로 오랜 기간 엄격한 연구를 수행하며 팀 환경 속에서 길러진 화학적, 생물학적 직관에 기반하는 경향이 있다.

2. 2. 리드 최적화 (Hit to Lead and Lead Optimization)

초기 신약 개발 과정에서 발견된 '히트(hit)' 화합물들을 평가하여 유망한 '리드(lead)' 화합물로 발전시키고, 이를 최종 신약 후보 물질로 최적화하는 단계이다. 이 과정에서는 먼저 장기적인 개발 가능성이 낮거나 적절한 구조-활성 상관관계(SAR) 및 화학적 특성을 보이지 않는 화합물들을 선별하여 제외한다.

이후 남은 히트 시리즈를 대상으로 추가적인 화학적, 분석적 연구를 진행한다. 목표는 단순히 원하는 1차 생리 활성을 높이는 것뿐만 아니라, 2차 활성 및 전반적인 물리화학적 특성을 개선하여 실제 환자에게 투여했을 때 효과적이고 안전한 약물이 될 수 있도록 하는 것이다.

구체적인 최적화 과정은 다음과 같다:

  • 표적 친화력 향상: 화학적 변형을 통해 후보 화합물이 표적 단백질 등을 더 잘 인식하고 강하게 결합하도록 분자 구조(파마코포어)를 개선한다.
  • 약동학/약력학(PK/PD) 프로파일 개선: 약물이 체내에서 흡수, 분포, 대사, 배설되는 과정(약동학)과 약효(약력학)를 최적화한다. 예를 들어, 대사 과정에서 쉽게 분해되지 않도록 안정성을 높인다.
  • 독성 감소: 약물 개발에서 중요한 고려 사항인 독성 문제를 해결한다. 유전독성, 간독성, 심장독성 등이 없는 안전한 화합물을 만드는 것을 목표로 한다.


이러한 리드 최적화 과정을 통해 최종적으로 동물 실험 및 인체 임상시험에 적용할 수 있는 안전하고 효과적인 신약 후보 물질을 도출하게 된다.

2. 3. 공정 화학 및 개발 (Process Chemistry and Development)

최종 합성 화학 단계는 대규모 동물 실험과 이후 인체 임상시험을 진행하기에 충분한 양과 질의 주요 화합물을 생산하는 과정이다. 이 단계에서는 대량 산업 생산을 위한 합성 경로를 최적화하고 가장 적합한 약물 제제를 발견하는 것이 중요하다. 합성 경로 최적화는 의약 화학의 영역에 속하며, 특히 수백 킬로그램 이상의 산업 규모 합성을 위한 합성 경로의 적용 및 최적화를 목표로 하는 전문 분야를 공정 합성이라고 한다. 공정 합성은 대규모 반응의 특성(예: 반응 열역학, 경제성, 안전성)을 고려하여 실제 생산에 적용 가능한 합성 방법에 대한 포괄적인 지식을 요구한다. 반면, 최적의 제제를 찾는 것은 물리 화학, 고분자 화학, 재료 과학 등을 포함하는 제제 과학의 전문 분야이다. 이 단계에서는 원료 물질의 조달, 취급, 그리고 화학 공정 전반에 걸쳐 더욱 엄격해진 GMP 요구 사항을 준수하는 것이 매우 중요하다.

3. 의약화학 분석

의약화학 분석은 신약 후보 물질의 특성을 파악하고 개발 가능성을 평가하는 중요한 과정이다. 이 분석은 크게 두 가지 측면, 즉 합성 분석과 구조 분석으로 나누어 진행된다. 합성 분석에서는 후보 물질을 효율적이고 안전하게 대량 생산할 수 있는 유기 합성 경로를 탐색하며, 시약의 안전성과 독성 등을 고려한다. 구조 분석에서는 화합물의 화학 구조가 약효, 안정성, 체내 흡수 및 분포 등에 미치는 영향을 평가한다. 이를 위해 립인스키 규칙과 같은 경험적 규칙뿐만 아니라, 키랄성, 분자의 형태 등 다양한 구조적 특징을 NMR, GC/MS 등의 실험적 방법과 계산 화학적 방법을 통해 분석한다.

3. 1. 합성 분석 (Synthetic Analysis)

의약화학에서 사용되는 합성 방법론은 일반적인 유기 합성과는 다른 제약을 받는다. 의약품의 대량 생산 가능성을 염두에 두어야 하므로 안전성이 최우선 고려 사항이기 때문이다. 또한, 사용되는 시약의 잠재적 독성 역시 합성 방법 선택에 영향을 미친다.[5][10][14][19]

3. 2. 구조 분석 (Structural Analysis)

의약품의 구조는 효능, 안정성, 접근성을 예측하는 수단으로서 다양한 방법으로 평가된다. 립인스키 규칙은 수소 결합 주개 및 받개 수, 회전 가능한 결합 수, 표면적, 친유성에 중점을 둔다. 의약화학자가 화합물을 평가하거나 분류할 때 고려하는 다른 매개변수에는 합성 복잡성, 키랄성, 평탄성, 방향족 고리 수 등이 있다.

리드 화합물의 구조 분석은 실제 합성에 앞서 계산 방법을 통해 수행되는 경우가 많다. 이는 시간과 비용 절약 등 여러 이점이 있기 때문이다. 목표 리간드가 실험실에서 합성된 후에는 TLC, NMR, GC/MS 등 전통적인 방법을 사용하여 분석이 이루어진다.[5][14]

4. 의약화학 교육 및 진로

의약화학은 유기화학과 생물학 지식을 바탕으로 새로운 치료제를 개발하는 학제 간 과학 분야이다. 이 분야의 전문가들은 주로 제약 산업에서 신약 개발 연구팀의 일원으로 활동하며, 효과적인 약물을 설계하고 합성하는 역할을 담당한다.

전문가가 되기 위한 교육 과정은 일반적으로 길고 심도 깊은 학문적 훈련을 요구하며, 박사 학위가 선호되는 경향이 있다. 졸업 후에는 제약 회사뿐만 아니라 학계나 정부 연구 기관 등 다양한 분야로 진출할 수 있다. 의약화학 분야의 구체적인 교육 과정과 다양한 진로에 대해서는 아래 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.

4. 1. 교육 과정

의약화학은 본질적으로 여러 학문 분야가 겹치는 학제 간 과학이다. 이 분야의 전문가는 유기화학에 대한 탄탄한 배경 지식을 갖추어야 하며, 이를 바탕으로 세포의 신약 표적과 관련된 폭넓은 생물학적 개념을 이해해야 한다. 의약화학 연구자는 주로 산업계에서 활동하며, 화학 원리, 특히 합성 능력을 활용하여 효과적인 치료제를 설계하는 학제 간 팀의 일원으로 일한다.

교육 과정은 상당히 긴 편이다. 일반적으로 4년제 학사 학위를 마친 후, 유기화학 분야에서 4~6년 과정의 박사 학위를 취득하는 경우가 많다. 여기에 더해 화학 박사 학위 취득 후 2년 이상의 박사후 연구원(포스트닥) 과정을 거치는 경우가 대부분이어서, 총 교육 기간은 10년에서 12년에 달한다. 하지만 제약 산업에서는 석사 학위 소지자를 위한 취업 기회도 있으며, 박사 학위 소지자는 학계나 정부 기관에서 더 많은 기회를 찾을 수 있다. 특히 학계나 연구 기관에 종사하는 많은 의약화학자는 Pharm.D(약학 박사) 학위를 함께 가지고 있기도 하며, 이들 중 일부는 등록 약사(RPh) 자격을 보유하고 있다.

의약화학 대학원 프로그램은 전통적으로 약학대학의 의약화학 또는 약학 관련 학과나 일부 화학과에서 찾아볼 수 있다. 그러나 실제로 현장에서 활동하는 의약화학자 대부분은 의약화학보다는 유기화학 분야의 학위(석사, 특히 박사)를 가지고 있다.[20] 이들의 주요 활동 무대는 신약 발견 연구 분야로, 가장 폭넓은 합성 관련 연구가 이루어지는 곳이다.

저분자 치료제 발견 연구에서는 광범위한 합성 경험과 실험실 연구(bench work)의 속도를 높일 수 있는 교육이 중요하게 여겨진다. 예를 들어, 박사 과정이나 박사후 연구원 과정에서 순수 유기 합성이나 천연물 합성을 전공한 인력이 선호된다. 반면, 화학 라이브러리 설계 및 합성이나 상업적으로 실행 가능한 합성을 목표로 하는 공정 화학과 같은 의약화학 내 다른 전문 분야(일반적으로 기회가 적은 편)에서는 교육 경로가 더 다양하며, 물리유기화학이나 라이브러리 관련 합성 등에 중점을 둔 교육을 받기도 한다.

이러한 배경 때문에, 특히 미국에서는 의약화학 분야에 처음 진입하는 인력 중 상당수가 공식적인 의약화학 교육을 받지 않은 경우가 많다. 대신 제약 회사에 입사한 후, 회사가 치료 프로젝트의 실제 합성에 참여시키는 과정에서 필요한 의약화학 및 약리학적 배경을 제공받아 전문가로 성장하는 경우가 많다. 이는 계산 의약화학 분야에서도 어느 정도 나타나는 현상이지만, 합성 분야만큼 일반적이지는 않다.

4. 2. 진로

의약화학은 본질적으로 여러 학문 분야가 융합된 학제 간 과학이며, 이 분야에서 일하려면 유기화학에 대한 탄탄한 배경 지식과 더불어 세포의 신약 표적과 관련된 생물학적 개념에 대한 폭넓은 이해가 필요하다. 의약화학 연구자들은 주로 제약 산업 분야에서 활동하며, 화학적 원리와 합성 능력을 활용하여 효과적인 치료제를 설계하는 학제 간 팀의 일원으로 일한다.

의약화학 분야의 전문가가 되기 위한 교육 과정은 상당히 길다. 일반적으로 4년제 학사 학위를 마친 후, 유기화학 분야에서 4~6년간의 박사 학위 과정을 거치는 경우가 많다. 여기에 더해 화학 박사 학위 취득 후 2년 이상의 박사후 연구원(포스트닥) 과정을 이수하는 경우도 많아, 총 교육 기간은 10년에서 12년에 달하기도 한다. 하지만 석사 학위 소지자도 제약 산업에서 일할 기회가 있으며, 석사 및 박사 학위 소지자는 학계나 정부 기관에서도 활동할 수 있다. 특히 학계나 연구 기관에 종사하는 의약화학자 중에는 약학 박사(Pharm.D) 학위를 함께 가지고 있는 경우도 있으며, 이들 중 일부는 등록 약사(RPh) 자격을 갖추고 있기도 하다.

의약화학 관련 대학원 프로그램은 전통적으로 약학대학의 의약화학 또는 약학 관련 학과나 일부 화학과에서 찾아볼 수 있다. 그러나 실제로 현장에서 활동하는 의약화학자 대부분은 의약화학보다는 유기화학 분야의 대학원 학위(석사, 특히 박사)를 가지고 있으며,[20] 주로 신약 발견 연구 분야에서 활동한다. 이 분야는 연구 범위가 가장 넓고 다양한 합성 연구가 이루어지는 곳이다.[11]

저분자 치료제 발견 연구에서는 광범위한 합성 경험과 실험실 연구(벤치 워크)의 속도를 높일 수 있는 훈련이 중요하게 여겨진다. 예를 들어, 박사 학위나 박사후 연구원 과정에서 순수 유기 합성이나 천연물 합성을 연구한 경험이 도움이 된다. 반면, 화학 라이브러리 설계 및 합성이나 상업적 생산을 위한 공정 화학과 같은 전문 분야(상대적으로 기회가 적은 분야)에서는 요구하는 교육 배경이 더 다양하며, 물리유기화학이나 라이브러리 관련 합성 등에 대한 심도 있는 훈련이 포함될 수 있다.

따라서 특히 미국에서는 의약화학 분야에 처음 진입하는 연구자 중 상당수가 공식적인 의약화학 교육을 받지 않은 경우가 많다. 이들은 제약회사에 입사한 후, 회사가 진행하는 치료제 개발 프로젝트의 실제 합성 연구에 참여하면서 필요한 의약화학 및 약리학적 지식을 습득하게 된다. 계산 의약화학 전문 분야에서도 어느 정도 유사한 경향이 있지만, 합성 분야만큼 두드러지지는 않는다.

참조

[1] 서적 The Handbook of Medicinal Chemistry Royal Society of Chemistry
[2] 서적 Medicinal Chemistry: Fundamentals Elsevier
[3] 논문 Editorial: New Strategies in Design and Synthesis of Inorganic Pharmaceuticals 2020-05-28
[4] 논문 Metallodrugs are unique: opportunities and challenges of discovery and development 2020-11-01
[5] 논문 The medicinal chemist's toolbox: an analysis of reactions used in the pursuit of drug candidates 2011-05-01
[6] 논문 Principles of early drug discovery 2011-03-01
[7] 논문 Repurposing of approved drugs from the human pharmacopoeia to target Wolbachia endosymbionts of onchocerciasis and lymphatic filariasis 2014-12-01
[8] 논문 Natural products in drug discovery 2008-10-01
[9] 논문 Natural products: A continuing source of novel drug leads 2013-06-01
[10] 논문 Analysis of the reactions used for the preparation of drug candidate molecules 2006-06-01
[11] 논문 Careers for 2003 and Beyond: Medicinal Chemistry http://pubs.acs.org/[...] 2003-01-01
[12] 서적 Handbook of Medicinal Chemistry: Principles and Practice Editors Royal Society of Chemistry
[13] 서적 Medicinal Chemistry: Fundamentals Elsevier
[14] 논문 The Medicinal Chemist's Toolbox: An Analysis of Reactions Used in the Pursuit of Drug Candidates https://figshare.com[...]
[15] 논문 Principles of early drug discovery 2011-03-01
[16] 논문 Repurposing of approved drugs from the human pharmacopoeia to target Wolbachia endosymbionts of onchocerciasis and lymphatic filariasis 2014-12-01
[17] 논문 Natural products in drug discovery 2008-10-01
[18] 논문 Natural products: A continuing source of novel drug leads 2013-06-01
[19] 논문 Analysis of the Reactions Used for the Preparation of Drug Candidate Molecules https://semanticscho[...]
[20] 논문 Careers for 2003 and Beyond: Medicinal Chemistry http://pubs.acs.org/[...]


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