Transcript retinoic acid - CAMM

計算化学的手法を用いた新薬の創製
関西分子設計研究会
Computer-Aided Molecular Modeling (CAMM)
Research Center Kansai
合田 圭吾
June 2004
1
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Agenda
 新薬の研究開発
 計算化学的手法
新規リガンド分子の複合体構造予測 for SBDD
Virtual Screening
 その他の計算化学的手法
in silico ADME
 CAMM関西の活動
June 2004
2
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
新薬の研究開発の流れ
非臨床試験
（動物試験）
創薬研究
 標的受容体の同定
 スクリーニング試験
 候補化学物質の
最適化
期間
June 2004
5
 薬効薬理試験
 毒性試験
 安全性試験
～
8 年
臨床試験
 第1相試験
 第2相試験
 第3相試験
3～7 年
3
承認申請
審
査
発
売
2～3 年
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
新薬の研究開発： 製薬企業比較
02 01
製薬会社
百万ドル
1
2 グラクソ・スミスクライン （英国）
28,871
2
1 ファイザー （米国）
28,288
2000年産業別研究費の対売上高比率
（ 総務省「科学技術研究調査報告」）
3
3 メルク （米国）
21,446
全産業平均
3.04％
4
7 アベンティス （仏）
18,441
医薬品工業
8.60％
5
4 アストラゼネカ （英国）
17,343
ソフトウエア業
5.79％
6
8 ノバルティス （スイス）
17,175
電気機械工業
5.65％
7
6 ジョンソン・エンド・ジョンソン （米国）
17,151
総合化学・化学繊維工業
3.64％
8
5 ブリストル・マイヤーズスクイブ （米
国）
14,705
自動車工業
4.09％
食品工業
1.01％
9
10
12 ロシュ （スイス）
12,806
9 ファルマシア （米国）
12,037
15
15 武田薬品工業
7,227
22
22 三共
3,743
23
23 エーザイ
3,727
25
24 山之内製薬
3,471
28
30 藤沢薬品工業
June 2004
2,882
4
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
新薬の研究開発における計算化学
 研究開発費コストの削減
 創薬プロセスの効率化
HTS（High Throughput Screening）
創薬研究
 標的受容体の同定
 スクリーニング試験
 候補化学物質の
最適化
→ 大規模な設備が必要
Combinatorial Chemistry
→ 化学反応が特殊
計算化学的手法： 実験技術を補完
HTS → Virtual Screening
CombiChem → Structure-Based Drug Design
June 2004
5
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Structure-Based Drug Design : SBDD
薬物受容体構造に基づいた医薬品設計法
複合体構造予測
新規阻害剤の設計
蛋白－阻害剤
複合体構造解析
新規阻害剤の合成
阻害剤の活性測定
June 2004
6
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
複合体構造予測
⇒ 新規リガンド分子の結合配座・様式の予測
 Molecular Dynamicサンプリング法
AMBER / CHARMm
 Monte Carloサンプリング法
MCMM / BatchMin
 Genetic Algorithm法
AutoDock
June 2004
7
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
AutoDock法
2. リガンド分子の回転可能な二面角を
変数として、grid空間内に配座を発
生させ、配向する。
Morris G. M. et al. （Scripps）
J.Comput.Chem., 19, 1639, 1998.
方法
1. リガンド結合部位に格子（grid）を
設定し、gridの各点上に、リガンド
分子に含まれる原子タイプ（Csp3、
Csp2、Osp3、…）を配置し、各々
の原子タイプごとに蛋白分子との
相互作用エネルギーを計算してお
く。
June 2004
3. リガンド分子の原子に最も近接して
いるgrid点上に計算した各々の原子
タイプの相互作用エネルギーを足し
合せ、分子全体の相互作用エネル
ギーを算出する。
8
4. GA法を用いて、2～3を繰り返し、相
互作用エネルギー値が最小になる
配座を探索する。
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
複合体構造予測： Lipocalin蛋白
Lipocalinファミリ－：bバレル構造、carrier蛋白質
b-lactoglobulin
retinol-binding protein
1KT7: Calderone, et al. J. Mol. Biol. 329, 841, 2003
June 2004
1GX9: Kontopidis, et al. J. Mol. Biol., 318, 1043, 2002
9
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Lipocalin： 目的、方法
目的
Lipocalin蛋白（retinol-BPおよびlactoglobulin）と3種のリガンド分子
の複合体構造を予測し、carrier蛋白としての性質を理解する
方法
AutoDock3.0
↓
Energy-Minimization
蛍光消光法による結合定数（Kd）
retinoic acid
bilirubin
biliverdin
retinol-BP
108 nM
ND
ND
lactoglobulin
122 nM
ND
ND
O
O
O
N
H
NH
O
O
O
O
H
N
bilirubin
June 2004
O
O
HN
retinoic acid
10
O
NH
N
H
H
N
N
O
O
O
O
biliverdin
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Lipocalin： 方法の検証（X線結晶構造の再現性）
June 2004
retinol-binding protein
b-lactoglobulin
X線複合体構造： 青色（retinol）
予測構造： 灰色（retinoic acid）
retinoic acid
X線複合体構造： 赤色
予測構造： 灰色
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Lipocalin： retinol-BP 複合体構造予測
retinoic acid
June 2004
bilirubin
biliverdin
retinoic acid
bilirubin
biliverdin
相互作用E
-152.1 kJ (2)
-161.3 kJ (1)
-94.7 kJ (3)
歪みE
23.8 kJ (1)
99.5 kJ (3)
53.4 kJ (2)
疎水コンタクト
17個(1)
15個(2)
4個(3)
予測
1
2
3
結合定数
108 nM
ND
ND
12
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Lipocalin： b-lactoglobulin 複合体構造予測
retinoic acid
June 2004
bilirubin
biliverdin
retinoic acid
bilirubin
biliverdin
相互作用E
-101.2 kJ (2)
-163.9 kJ (1)
-90.5 kJ (3)
歪みE
52.1 kJ (2)
70.0 kJ (3)
34.0 kJ (1)
疎水コンタクト
18個 (1)
11個 (2)
1個 (3)
予測
1
1
2
結合定数
122 nM
ND
ND
13
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Lipocalin： b-lactoglobulin 複合体構造予測
b-lactoglobulin
retinoic acid
distance 10.7 Å
Kd = 122 nM
June 2004
retinol BP
bilirubin
distance 12.0 Å
Kd = ND
14
retinoic acid
distance 8.6 Å
Kd = 108 nM
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
抗インフルエンザ薬の開発
インフルエンザウイルスの複製模式図
 ノイラミニダーゼ（NA）
出 芽
 1993年、理論的にNA阻
害剤をデザイン
von Itzstein et al. Nature 363,
418, 1993
吸 着
膜 融 合
侵 入
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
抗インフルエンザ薬の開発
1A4G: Taylor, et al. J.Med.Chem. 41, 798, 1998
ザナミビル複合体
ノイラミニダーゼ酵素の立体構造
HO
O
N
H
HO
HO
O
O
H2N
OH
O
O
OH
N
H
O
O
OH
シアル酸（基質）
June 2004
ザナミビル
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
COX2阻害剤の開発
解熱鎮痛消炎剤： 「アスピリンから、スーパーアスピリンへ」
OH
O
CH3
O
O
アスピリン、非ステロイド抗炎症剤
→ 胃腸出血、血小板凝集阻害、腎毒性、肝毒性
アスピリン
炎症などに関連するプロスタグランジンH2を産生する酵素：
COX（シクロオキシゲナーゼ）
COX1： 胃腸粘膜の保護、正常な腎機能、血小板の凝集
COX2： 1990年に発見。炎症状況下で発現。発熱、痛み、腫れ
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
COX2阻害剤の開発
COX1とCOX2の活性部位構造の比較
O
O
S NH
2
NH 2
O S
NH 2
O S
O
O
N N
N
F3C
N
N
CF3
セルブレックス
（スーパーアスピリン）
COX2
June 2004
N
CF3
COX1
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
COX2阻害剤の開発
Gierse, et al. J Biol Chem. 271, 15810, 1996
COX2
COX1
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
複合体構造予測法の問題点
計算上のartifactと思われる構造
 評価系の改良
－静電相互作用
－水和エントロピー効果
－配座エントロピー効果
 蛋白分子の自由度
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Virtual Screening法
創薬研究
VSをHTSの1st screeningとし、
HTSを補完する
 標的受容体の同定
 スクリーニング試験
 候補化学物質の
最適化
方法
 複合体構造予測の拡張
 数万～数十万個の化合物3Dデータベース検索
－ DOCK、FlexX、Glide、FRED
－ 形状の相補性
－ 水素結合の相補性
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
DOCK法
2. sphereの中心点を
docking空間の代表点とし
て用い、リガンド分子を配
向させる
Oshiro, et al. （UCSF, Kuntz）
J Comput Aided Mol Des. 9, 113, 1995
方法
1. 標的蛋白質の表面に球状プロー
ブ（sphere）を配置させて、リガン
ド分子がdockingする空間を定義
する
3. AutoDock法と同様に、docking空間
に設定したgridの各点を、リガンド分
子の原子の代りとして用い、相互作
用エネルギーを計算する
4. GA法を用いて、2～3を繰り返し、相
互作用エネルギー値が最小になる
配座を探索する。
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
FRED法
OpenEye Scientific Software
McGann, et al. Biopolymers 68, 76, 2003
 Systematic conformation search
 Gaussian function screening
 ChemScore screening
他のVS法（FlexX、Glide）との比較
June 2004
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Schulz-Gasch, et al. J. Mol. Model. 9, 47, 2003
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
FRED法： 他のVS法との比較
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
VScreening： Estrogen receptor
Estrogen receptorと、そのアンタゴニスト（OHT）のX線結晶解析構造を
題材にして、virtual screening法を検証する。
- Estrogen receptor
核内受容体、転写因子
抗癌剤（乳癌）、骨粗鬆症治療薬の標的
- Tamoxifen（Aventis)
特異的アンタゴニスト、Kd 2～5nM
N
O
Estrogen receptor a ligand binding
domain - OHT複合体1.9 Å分解能
OH
3ERT: Shiau, et al. Cell 95, 927, 1998
4-hydroxy-tamoxifen (OHT)
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Estrogen receptor： 方法
Tool： DOCK4.0
3D DB： ・購入可能な低分子化合物
ライブラリ
（Maybridge、SALOR等）
OHT + 1000化合物
rigid search
・CORINA2.6で3D構造生成
・約36万3D化合物データセット
のうち、ランダムに選んだ
1000化合物
DOCK 1st screening
flexible search
DOCK 2nd screening
HW
SGI O2 R5000 (180MHz)
OHTのランク？
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Estrogen receptor： DOCK法
1st screening （rigid search）
OHT 354位 / 1000化合物
2nd screening （flexible search）
OHT 58位 / 500化合物
1. BLT00023
2. BR00129
3. BTB00333
-27.0 kcal/mol
-26.6
-26.6
1. BLT00019
2. BTB00244
3. BLT00039
-31.1 kcal/mol
-30.6
-29.8
354. OHT
-12.9
58. OHT
-24.7
CPU 6秒 / 分子
June 2004
CPU 58秒 / 分子
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Estrogen receptor： AutoDockによるRefinement
AutoDock: Top10 from 2nd DOCK with OHT、 LGA (10 runs)
BLT00019
BTB00244
BLT00039
OHT
DOCK
kcal/mol
-31.1
-30.6
-29.8
-24.7
AutoDock
kcal/mol
-7.83
-7.76
-7.37
-9.07
計算構造（緑） vs X線構造（青）
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Estrogen receptor： FRED法
OHT+100cmpds
Compounds Total
Score
1
OHT
-57.2309
2
AW 00945
-52.8231
3
AW 01109
-49.8399
4
AW 01131
-49.6724
5
AW 00944
-49.6356
30 CPU秒 / 化合物
June 2004
ピンク：初期配座
黄色：予測結合構造
緑：X線構造
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
VSreening： P2Y1受容体
平本ら（立命館大理工 藤田研究室）
J. Pharmacol. Sci. 95, 81, 2004
P2Y1受容体： 7回膜貫通G蛋白質結合型受容体、立体構造は未知
ヌクレオチド受容体ファミリー、機能が未知なものが多い
P2Y1・P2Y12アゴニストが血栓症治療薬
 機能と役割を明らかにする
→ 特異的なアゴニスト、アンタゴニストが必要
 ロドプシンX線構造を基に、フーリエ変換へリックスモデリング法と
配列相同性モデリング法により、P2Y1の立体構造を予測
Virtual Screening（AutoDock3.0 ）
P2Y1モデル ＋ 代謝物500化合物
⇒ 新規アゴニスト・アンタゴニストの探索
June 2004
30
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
P2Y： 結果
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
P2Y： 活性値とAutoDockエネルギー値との相関
O
P
HO
O
O
OH
32
OH
P
HO
June 2004
O
OH
O
O
OH
P
OH
O
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
Virtual Screening法の問題点
 評価系の改良
複合体構造予測法の問題点と同じ
 蛋白分子の自由度
 リガンド分子の配座空間の探索
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
その他の計算化学的手法
非臨床試験（動物試験）
 薬効薬理試験
 毒性試験
 安全性試験
薬物の体内動態（ADME）
 吸収（Absorption）
 分布（Distribution）
 代謝（Metabolism）
 排泄（Excretion）
薬物の体内動態シュミレーション（in silico ADME）
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
in silico ADME： 経口薬剤のMW分布
25
全体の割合（%）
20
15
10
5
0
less 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 more
MW
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
in silico ADME： "rule of 5"
Lipinski, et al. Adv.Drug Deliv. Rev., 23, 3, 1997
計算によって、化学物質の性質（物理化学的性質：脂
溶性、溶解性、水素結合能など）を算出し、薬物の体
内動態を予測
例） Lipinski の「rule of 5」
・ 分子量 < 500 （膜透過性）
・ clogp < 5.0 （溶解性）
・ 5個以下の Hbond donors （膜透過性）
・ 10個以下の Hbond acceptors （膜透過性）
↓
経口薬剤となるためには、これらの性質を
満たすこと
June 2004
36
N
H
分子量 = 133.1937
clogp = 2.185
Hbond acceptors = 1
Hbond donors = 1
Keigo Gohda / CAMM-Kansai
今後の課題
 製薬会社では、基盤技術になっている。特に欧米の会社
 この手法を用いて開発された新薬が数多く報告されている
 人材の育成（アカデミアでの教育・指導）
 予測精度・効率の向上を目指して、手法の更なる研究が必要
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
その他のCAMM関西の活動（1）
立体構造予測：
カチオンπ相互作用を持つヘテロ３本鎖コイルドコイルの設計
川口ら（名工大院工 田中研究室）日本化学会2004年年会
L-oligodeoxynucleotide analogs fixed in a low anti glycosyl conformation
浦田ら（大阪薬大）Org. Biomole. Chem. 2, 183, 2004
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai
その他のCAMM関西の活動（2）
 Virtual screening：
kinase、carboxylase
 新規方法論の開発：
配座エントロピー効果
溶媒和エントロピー効果
June 2004
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Keigo Gohda / CAMM-Kansai