Pharmacokinetic and pharmacodynamic investigations of novel protein therapeutics: Kinetic modeling of FcRn and target binding = 단백질 치료제의 약물동태학 및 약물동력학 연구: FcRn 및 약리 타겟 결합의 동태학적 모델링

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Biological therapeutics, especially antibodies and recombinant proteins, have transformed modern medicine by providing targeted treatment and minimizing off-target effects. However, their development often faces challenges due to inherent structural complexities and unique pharmacokinetic (PK) issues. These include susceptibility to degradation by proteolytic enzymes, target-mediated drug disposition (TMDD), and the recycling facilitated by the neonatal Fc receptor (FcRn). To design optimal dosing regimens and predict clinical outcomes effectively, it is crucial to understand these elimination pathways mechanistically. This thesis addresses these significant challenges in drug development through three integrated approaches: mechanistic modeling of Fc-fusion kinetics, structural engineering to evade autoantibody responses, and refined modeling of TMDD.
First, to evaluate the kinetic effects of Fc-fusion strategies used for extending the half-life of proteins, we analyzed the plasma pharmacokinetic (PK) profiles of a recombinant fragment of ADAMTS13 (MDTCS) and its Fc-fusion counterpart (MDTCS-Fc) using mechanistic modeling. The study demonstrated that Fc-fusion altered cellular processing, increasing the recycling fraction (FR) by approximately 2.8-fold (0.85 for MDTCS-Fc compared to 0.31 for MDTCS) while predicting a slower rate of endosomal uptake. Additionally, a local sensitivity analysis revealed that the FcRn association rate constant (kon) is a crucial factor influencing the in vivo half-life of the proteins. These findings provide a quantitative framework for understanding how Fc-fusion affects recycling efficiency and cellular uptake kinetics, offering valuable insights for the development of long-acting protein therapeutics.
Second, addressing the immunological hurdle of drug neutralization in immune-mediated thrombotic thrombocytopenic purpura (iTTP), we characterized GC1126A, a novel ADAMTS13 mutein. In iTTP, patient-derived autoantibodies neutralize the ADAMTS13 enzyme, leading to life-threatening thrombosis. GC1126A was engineered to evade these autoantibodies while maintaining intrinsic enzymatic activity. In iTTP-mimic mouse models, GC1126A demonstrated superior therapeutic profiles compared to both recombinant wild-type ADAMTS13 and the standard-of-care, caplacizumab. Specifically, it significantly improved key biomarkers, including platelet counts and lactate dehydrogenase levels, and exhibited a prolonged half-life. Moreover, ex vivo assays using plasma from patients with high autoantibody titers confirmed that GC1126A maintained higher residual activity than the wild-type ADAMTS13, suggesting its potential as a promising next-generation therapeutic option for patients with iTTP.
Finally, a refined TMDD model was developed for MG1113, an anti-tissue factor pathway inhibitor (TFPI) antibody designed for hemophilia treatment. The refined model incorporated dual binding targets, soluble TFPI-α (sTFPI-α) and membrane-bound TFPI (mTFPI), and included a transit compartment to address the delayed absorption observed following subcutaneous administration. By fitting the model to PK/pharmacodynamic (PD) data from cynomolgus monkeys and applying allometric scaling, the study successfully predicted MG1113 profiles in rabbits. When MG1113 was administered subcutaneously once a week at a dosage of 3.3 mg/kg to patients with hemophilia, it was predicted that sTFPI-α concentrations could be suppressed by more than 75%. The study also confirmed that each patient’s basal sTFPI-α concentration influenced the efficacy of MG1113. These findings provide crucial evidence for selecting a customized dose for each patient.
Collectively, this thesis integrates mechanistic PK modeling with molecular engineering to address core challenges in biologics development. By providing quantitative insights into FcRn-mediated recycling, demonstrating a proof-of-concept for autoantibody evasion, and establishing a reliable dose-prediction framework via TMDD modeling, these findings are expected to accelerate the development of safer and more effective biological therapeutics.

국문 초록 (Abstract)

항체 및 재조합 단백질을 포함한 바이오 의약품은 높은 특이성과 효능을 보이며 현대 의학의 패러다임을 변화시켰다. 그러나 항체 및 재조합 단백질 치료제는 단백질 분해 효소에 의한 대사, target-mediated drug disposition(TMDD), 그리고 FcRn-mediated recycling과 같은 복잡한 약물동태학적(PK) 특징을 지니고 있기 때문에 개발 과정에서 약물의 체내 제거 기전을 이해하고 예측하는 것은 최적의 용법 용량을 설정하고 임상적 성공률을 높이는 데 필수적이다. 본 학위 논문에서는 이러한 이해를 높이기 위해 Fc 융합 단백질의 기전 기반 모델링(mechanism-based modeling), 자가항체 회피를 위한 단백질 공학적 설계(protein engineering), 그리고 정교화된 TMDD 모델링(refined TMDD modeling)이라는 세 가지 주제에 관하여 연구하였다.
첫째, 단백질 의약품의 반감기 연장 전략으로 사용하는 Fc 융합(Fc-fusion)이 체내 약물동태에 미치는 영향을 정량화하기 위해, 재조합 ADAMTS13 절편(MDTCS)과 그에 대한 Fc 융합 단백질(MDTCS-Fc)의 PK 프로파일을 모델링을 통해 비교하였다. 연구 결과, Fc 융합은 약물의 FcRn과의 결합을 통하여 재활용 분율(fraction recycled)이 MDTCS 대비 약 2.8배(0.85 vs. 0.31) 증가하는 것으로 나타났으며, 세포 흡수(pinocytosis) 속도 또한 늦추는 것으로 예측되었다. 특히 국소 민감도 분석을 통해 FcRn 결합 속도 상수(kon)가 체내 반감기를 결정하는 핵심 인자임을 확인하였다. 이러한 결과는 Fc 융합이 재활용 분율뿐만 아니라 세포 흡수 속도에도 영향을 미친다는 것을 시사하며, 장기 지속형 단백질 의약품 개발에서 고려가 필요한 여러 주요 사항을 제시한다.
둘째, 면역 매개 혈전성 혈소판 감소성 자반증(iTTP) 치료에 있어서 필수적인 자가항체에 의한 약물 중화 문제를 해결하고자 새로운 ADAMTS13 변이체인 GC1126A를 고안하고 효력을 확인하였다. iTTP 환자 체내의 자가항체는 ADAMTS13 효소를 중화시켜 혈전증을 유발한다. 이에 본 연구에서는 ADAMTS13의 활성은 유지하면서 환자 유래 자가항체를 효과적으로 회피할 수 있도록 GC1126A를 제작하였다. iTTP 질환 모사 마우스 모델 실험에서 GC1126A는 재조합 야생형 ADAMTS13 단백질 및 표준 치료제인 caplacizumab 대비 우수한 반감기 연장 효과와 지속적인 효능을 입증하였으며, 혈소판 수치 및 젖산 탈수소효소(LDH) 수치와 같은 핵심 바이오마커를 유의미하게 개선하였다. 또한, 고역가 자가항체를 보유한 환자의 혈장을 이용한 ex vivo 실험에서도 재조합 야생형 ADAMTS13 단백질 대비 높은 잔존 활성을 보여, 차세대 치료 대안으로써 임상적 가능성을 확인하였다.
셋째, 혈우병 치료를 위해 개발 중인 MG1113의 TMDD 모델을 개선하였다. MG1113은 항-TFPI 항체로써 수용성 TFPI-α(sTFPI-α)와 막 결합형 TFPI(mTFPI)에 결합하여 기능을 억제한다. 본 연구에서는 이러한 이중 표적 결합 특성과 피하 투여 후 관찰되는 흡수 지연 현상을 반영하기 위해 전이 구획(transit compartment)을 포함한 모델을 개발하였다. 원숭이 PK/PD 데이터를 기반으로 구축된 이 모델은 알로메트릭 스케일링 (allometric scaling)을 통해 토끼에서의 프로파일을 성공적으로 예측하였다. 혈우병 환자에게 주 1회 3.3 mg/kg 용량으로 피하 투여 시, sTFPI-α의 농도를 75% 이상 억제할 수 있을 것으로 예측되었으며, 개별 환자의 sTFPI-α 기저 농도가 MG1113 효력에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이는 개별 혈우병 환자의 맞춤 용량 선정에 중요한 근거를 제공하는 결과라고 생각한다.
결론적으로, 본 연구는 바이오 의약품 개발의 핵심 과제인 반감기 연장, 면역원성 극복, 그리고 적정 용량 예측에 대해 기전적 모델링과 단백질 공학을 융합한 해결책을 제시하였다. 본 연구의 결과들은 더 안전하고 효과적인 차세대 바이오 신약을 개발하는 데 이바지할 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• PART 1. Kinetic modeling of the plasma PK profiles of ADAMTS13 fragment and its Fc-fusion counterpart in mice 5
• Introduction 5
• Materials and Methods 7
• Results 16
• Discussion 24
• Supplementary Information 27
• PART 2. GC1126A, a novel ADAMTS13 mutein, evades autoantibodies in iTTP 34
• Introduction 34
• Materials and methods 36
• Results 42
• Discussion 56
• Supplementary Information 59
• PART 3. Refined Target-mediated Drug Disposition Modeling of the Anti-Tissue Factor Pathway Inhibitor Antibody MG1113 in Cynomolgus Monkeys and Rabbits 71
• Introduction 71
• Material and Methods 73
• Results 81
• Discussion 91
• Supplementary Information 96
• Conclusion 116
• Bibliography 118
• 요약 (국문 초록) 128
• 감사의 글 131