Scaffold-Hopping Strategy on a Series of Proteasome Inhibitors Led to a Preclinical Candidate for the Treatment of Visceral Leishmaniasis
J. Med. Chem. 2021, 64, 5905-5930 | Published: 2021 | DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c00047
クライオEM構造とFMO計算をガイドにスキャフォールドホッピングを系統展開し、内臓リーシュマニア症の前臨床候補プロテアソーム阻害剤を同定
(1) 背景と課題

内臓リーシュマニア症(VL)は致死性の顧みられない熱帯病で、既存薬は毒性・耐性・投与経路に限界がある。先行候補 GSK3186899/DDD853651(ピラゾロピリミジン系、2019年報告)は活性を示したが、ADMETおよびin vivoプロファイルにさらなる最適化余地が残されていた。

限界 1: 哺乳類プロテアソームと原虫β5サブユニット間の活性部位類似性が高く、選択的阻害剤設計が困難
限界 2: 単一スキャフォールドの最適化では物性(LogP/TPSA)と効力のバランスが頭打ちになりやすい

→ 本研究の動機: クライオEM構造とFMO計算を併用し、スキャフォールドホッピングで多骨格を系統的に探索する

(2) 手法の概要
  • L. donovani β5 クライオEM構造へのドッキングモデリング
  • FMO(断片分子軌道)計算で残基ごとの相互作用エネルギー定量化
  • 電子等価スキャフォールド候補:
    imidazo[1,2-a]pyrimidine / triazine / imidazopyridine
  • in silico ADMET・選択性・効力で合成優先順位を設定
  • 多段階SAR最適化で前臨床候補に収束
設計ワークフロー cryo-EM β5 scaffold enumerate FMO calc prioritize synth in vitro/in vivo SAR biochem + cell + ADME + PK → 前臨床候補 (新骨格)
(3) 本研究で示したこと
  • imidazo[1,2-a]pyrimidine 骨格から triazine/imidazopyridine への等価変換でも結合モードが保存される
  • FMO相互作用エネルギーが SAR の解釈と最適化方向の特定に寄与
  • 選択性(原虫 vs ヒトプロテアソーム)を維持しつつ物性改善
  • 多シリーズ並行展開で新規骨格の前臨床候補を獲得
  • in vivo VLモデルでの有効性・耐容性プロファイルを確認
(4a) スキャフォールド多様化マップ
骨格 vs 物性 (LogP / TPSA 概念マップ) LogP → TPSA → 2.0 5.0 40 110 pyrazolo- pyrimidine (lead) imidazo[1,2-a]pyrimidine triazine ★ preclinical imidazopyridine ★=最終前臨床候補骨格 / 色=骨格クラス
(4b) FMO 残基相互作用
FMO PIE (β5 残基別相互作用エネルギー / 概念図) 0 -30 PIE (kcal/mol) Thr1 Gly47 Met45 Ala49 Ala20 Ser118 Asp124 Lys33 L. donovani β5 残基(GAMESS-FMO; 値は本文記載の傾向を概念化)
(4c) 原虫 vs ヒト 選択性
L. donovani vs human proteasome 阻害プロファイル 阻害 (相対) lead 原虫 lead ヒト cand 原虫 cand ヒト 選択比↑ 維持/改善

原虫プロテアソーム強力阻害/ヒト酵素はほぼ非阻害という選択性が新骨格でも維持された。

(4d) 候補化合物 評価サマリ
評価軸結果
L. donovani 細胞活性強力(intramacrophage VLモデル有効)
ヒトプロテアソーム選択性選択窓を確保
骨格triazine 系(電子等価ホップ)
in vitro ADME代謝安定性・溶解度を改善
ラット PK経口曝露良好
cryo-EM 結合モードFMO予測と一致
到達ステージ前臨床開発候補に指定

※ 数値は論文 Table の傾向を要約。詳細値は SI 参照。

(5) テイクホームメッセージ
cryo-EM × FMO の連携
残基レベルの相互作用エネルギーを定量化して骨格変換の合理性を裏付ける設計が機能した。
電子等価スキャフォールド戦略
imidazo[1,2-a]pyrimidine → triazine の置換で結合モードを保ったまま物性プロファイルを刷新できた。
キネトプラスチド選択性
原虫β5の残基配列差を活用した阻害設計が骨格変換後も維持され、ヒト毒性リスクを抑えられる見通し。
NTD 創薬への含意
顧みられない熱帯病領域でも構造ベース+FMO ガイドの設計が前臨床候補獲得に直結することを示した実例。
応用補足(計算化学加速提案)

lib/docking: FMO-PIE を ProLIFCalculator の補完シグナルとして実装し、残基ホットスポットを事前抽出するスコアラーを追加。

lib/molgen: MolgenYaml に「結合モード保存スカフォールドホップ」スコアラーを統合し、参照リガンドの interaction fingerprint を拘束条件化。

lib/fep: MMGBSAEngine に「ヒト vs 原虫」相同体ペアのΔΔG計算ルートを追加し、選択性予測を自動化。

インパクト
  • VLという致死性NTDの新規前臨床候補を提示
  • cryo-EM + FMO の創薬統合パイプラインの実証例
  • scaffold-hop による物性ブレークスルーの再現可能ロードマップ