Escaping from Flatland: Multiparameter Optimization Leads to the Discovery of Novel Tetrahydropyrido[4,3-d]pyrimidine Derivatives as HIV-1 NNRTIs
J. Med. Chem. | May 2023 | DOI: 10.1021/acs.jmedchem.3c00275
Fsp3を高めたテトラヒドロピリド[4,3-d]ピリミジン骨格でDNNBSポケット適合を改善し、K103N/Y181C等の耐性変異株に幅広く効くNNRTI 10c を発見
(1) 背景と課題:NNRTI耐性とFlatland問題

HIV-1 逆転写酵素を標的とする NNRTI は ART の主軸であるが、ウイルス変異(K103N, Y181C, E138K, Y188L, L100I 及びその複合変異)により急速に活性を失う。第一世代(nevirapine, efavirenz)は平面性が高く Y181C で大幅失活、第二世代(etravirine, rilpivirine)は柔軟性で耐性に対応するも CYP/hERG/溶解性の課題が残る。

第一世代:高い芳香族平面性 → Y181C で活性ロス
第二世代:CYP3A4/2D6阻害・hERG阻害・低水溶性が臨床ボトルネック

→ 本研究の動機:sp3 中心を増やした立体的に豊かな新骨格で耐性変異 + ドラッグライク性を同時に解決する。

(2) 手法の概要:Escape from Flatland x MPO
  • Fsp3向上を狙ってテトラヒドロピリド[4,3-d]ピリミジン環系を新骨格として採用
  • cLogP 3〜4 の疎水性レンジを維持しつつ立体豊富さを付与
  • RTドッキングで結合様式を検証、DNNBSポケットへの深い挿入を確認
  • EC50(WT/変異体)+ 溶解性 + 代謝安定性 + CYP + hERG を同時最適化
  • パネルアッセイ(K103N, Y181C, E138K, Y188L, L100I, 多変異株)で耐性プロファイル評価
MPO 設計フロー 骨格探索 Fsp3↑ RT ドッキング DNNBS 耐性パネル 5変異+多変異 ADMET/Tox CYP/hERG/in vivo → 最終候補 10c 活性・選択性・安全性のバランス取得
(3) 本研究で示したこと
  • WT HIV-1 で EC50 < 10 nM、efavirenz より数倍強い活性
  • K103N/Y181C/Y188L 等で EC50 < 100 nM の幅広い耐性カバー
  • CYP3A4/2D6 阻害が etravirine・rilpivirine より顕著に低減
  • hERG IC50 は efavirenz・etravirine より高値(安全側)
  • ラット 1000 mg/kg 単回 + 28日反復投与で病理変化なし
10c
最終候補化合物(テトラヒドロピリド[4,3-d]ピリミジン骨格)
(4a) 耐性変異株 EC50 プロファイル
10c vs efavirenz: EC50 (nM, log軸) 1 10 100 1000 WT K103N Y181C Y188L L100I 10c (本研究) efavirenz (基準) EC50 (nM) 10c < 100 nM

主要 5 変異株すべてで efavirenz より低い EC50 を維持。Y181C で最大の改善幅。

(4b) Fsp3 と DNNBS 形状適合の関係
Fsp3 vs Y181C 活性 (概念散布) EC50 (Y181C) → Fsp3 (sp3 比率) 0.1 0.3 0.5 10nM 100nM 1uM nevirapine efavirenz etravirine rilpivirine 10c "Escape from Flatland" Fsp3↑ → 立体豊かさ → DNNBS 形状適合

テトラヒドロピリド[4,3-d]ピリミジン環系は cLogP 3〜4 を保ったまま sp3 中心を増やし、ポケット深部への挿入を実現。

(4c) オフターゲット安全性プロファイル
CYP/hERG プロファイル比較 CYP3A4 阻害 CYP2D6 阻害 hERG IC50 10c (低) etravirine (高) 10c (低) rilpivirine (高) 10c (高IC50) efavirenz ← CYP阻害強い | hERG IC50 高い → 10c は CYP低阻害 + hERG高IC50 で安全域広い
(4d) in vivo 毒性試験スコアカード
試験用法結果
急性毒性 (rat)1000 mg/kg 単回 PO死亡なし
反復投与 (rat)28日 PO主要臓器病理変化なし
WT EC50HIV-1 IIIB< 10 nM
K103N EC50変異株< 100 nM
Y181C EC50変異株< 100 nM
Y188L EC50変異株< 100 nM
PASS
活性 + 安全性 MPO 基準を全項目満たす

→ 10c が前臨床候補としての品質を担保。

(5) テイクホームメッセージ
骨格多様化が耐性に効く
Fsp3 を上げた立体豊富骨格は DNNBS ポケット形状への適合性を改善し、Y181C 等の耐性変異活性を維持できる。
"Escape from Flatland" は実証された設計原則
平面性の高い NNRTI スキャフォールドからの脱却が活性 + ドラッグライク性の双方を改善する。
MPO は同時最適化に有効
EC50 + 溶解性 + 代謝 + CYP + hERG の 5 軸を同時に最適化する設計フレームが 10c の発見を導いた。
10c は前臨床品質の候補
ラット急性 1000 mg/kg + 28日反復投与で病理変化なし。臨床移行に向けた基盤データが揃う。
計算化学加速提案(応用補足)
  • lib/molgen: Fsp3 ≥ 0.4 + cLogP 3〜4 + テトラヒドロピリド[4,3-d]ピリミジン骨格を MolgenYaml フィルタ/制約として実装
  • lib/docking: WT + 5 耐性変異 RT のアンサンブル SBVS スコアラを ProLIFCalculator に統合し「耐性パネル平均 IC50」スコアを出力
  • lib/fep: K103N/Y181C/Y188L 変異を導入したアラニンスキャン+FEP で耐性プロファイルを定量予測(DockFEP 拡張)
  • lib/molgen: CYP3A4/2D6/hERG QSAR を MPO スコアラに組み込み、活性+選択性+安全性の同時最適化生成
インパクト
  • NNRTI 耐性問題への明確な構造解:Fsp3 増強骨格
  • MPO フレームを臨床候補レベルまで通せた事例
  • ケムインフォ側で再利用可能な設計原則を提供
残課題:ヒト PK/F% データが限定的、複合変異(E138K+M184I等)未評価、立体異性体活性差未解析