ハロゲン結合を介した野生及び多剤耐性HIV-1株を強力に阻害する抗HIV剤の開発

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H04222
• Research Institution: National Center for Global Health and Medicine
• Principal Investigator: 満屋 裕明 国立研究開発法人国立国際医療研究センター, その他部局等, 研究所長 (20136724)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: HIV-1 / 阻害剤開発 / ハロゲン結合

Outline of Annual Research Achievements

化合物のフッ素化は(1)代謝による薬剤の不活性化を遅延させる(2)化合物の脂溶性を向上、細胞膜透過性を増大させ良好な経口吸収率が得られる傾向があるといった利点の他に(3)フッ素が標的タンパク質とハロゲン結合を形成する事で化合物と標的タンパクの結合力・親和性を向上させるとされる。本研究では上述の特性を有するハロゲン元素の導入を主軸とした合成展開を行い、より良好な薬物動態を示しハロゲン結合を介してHIV野生株及び 多剤耐性HIV変異株を強力に阻害する新規抗 HIV阻害剤の開発を目的とする。
本年度は過去に我々が同定・開発したHIVプロテアーゼ阻害剤であるGRL-085及びKU-241を基にハロゲン元素を有する新規化合物群の合成・開発を行い、得られた化合物群の抗HIV活性の測定、結晶構造解析を用いた作用機序の解明を行った。野生株及び多剤耐性変異株に対する抗HIV活性を測定した結果、GRL-085を基本骨格とした場合一定の修飾を付したTp-THF構造及びCp-Abt構造を有する化合物(GRL-079)が野生株及び多剤耐性変異株に対して高い阻害効果を発揮し、更にこれらの部分構造を持つ化合物にフッ素を修飾した化合物(GRL-01516A)は多剤耐性変異株に対する活性が更に向上する事が明らかとなった。GRL-079及びGRL-01516Aの結晶構造解析の結果、Tp-THFに修飾されたグループがHIVプロテアーゼ(PR)のGly48と水素結合を、フッ素原子がGly49とハロゲン結合を形成している事が明らかとなった。Gly48又はGly49と相互作用する化合物は多剤耐性HIV変異株に高い阻害活性を有する事から、GRL-079及びGRL-01516Aに関してもこれら２つの相互作用(水素結合及びハロゲン結合)が重要な役割を果たしていると考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、化合物のハロゲン化を主軸とした合成展開を行い、より良好な薬物動態を示し、 ハロゲン結合を介してHIV-1野生株及び 多剤耐性HIV-1変異株を強力に阻害する新規抗 HIV-1阻害剤の開発を目的としている。平成29年度における当初の研究計画は、(1) KU-241 の基本骨格を用いた新規ハロゲン化プロテアーゼ阻害剤の設計・合成、(2) 新規化合物のHIV-1野生株及び多剤耐性HIV-1変異株に対する抗HIV-1活性の測定、(3) 両方に高い活性を有する化合物が得られた場合、その化合物と PR の相互作用様式の解析を行う (4) また、高い活性を有する化合物が得られなかった場合、KU-241以外の基本骨格を用いて誘導体を作成、その活性を評価する予定であった。KU-241を基に米国Purdue大学のGhosh教授と共同でフッ素化を中心とした新規化合物のデザイン・合成・開発を行った化合物に関しては、目的の化合物は得られなかったが、GRL-085を基本骨格とする事で、結晶構造解析を用いてHIV-1野生株及び多剤耐性HIV-1変異株に高い活性を有する新規化合物 (GRL-079及びGRL-01516A) の同定に成功、結晶構造解析を用いてその作用機序を解析した。解析結果から、化学構造中にフッ素原子を含むGRL-01516Aが、フッ素化された化合物の特徴の一つであるハロゲン結合を形成している事が明らかとなった。一方で、GRL-079及びGRL-01516Aの抗HIV-1活性は、KU-241よりも弱く、更なる改良もしくは、全く別の基本骨格を有する新規化合物の開発の必要性が生じた。この問題に関しては、平成30年度の解決課題となるが、少なくとも当初計画していた4項目に関しては全て成果を挙げている事から、研究進度は100%であり概ね順調に進行していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究方針 (下記参照) は、当初の予定と大きく変わらないが、平成29年度に得られたGRL-01516Aを基に、その抗HIV-1活性を更に高める為の化合物の設計方針を下記第三項目に追加した。
(1) 新規ハロゲン化プロテアーゼ阻害剤の開発： 平成29年度とは別の基本骨格を有する化合物を基にその誘導体を設計・開発する。新規化合物の合成に関しては全研究期間を通して米国 Purdue 大学の Ghosh教授と共同で行う事とする。また、 得られた化合物に関しては平成 29年度同様、HIV-1野生株及び多剤耐性HIV-1変異株に対する阻害活性を確認し、有望な化合物が得られた場合は結晶構造解析を行い相互作用様式の解明を行う。
(2) 化合物の細胞内移行性の測定： 平成 30 年度にKU-241を凌駕する抗HIV-1活性を有する化合物が得られた場合、化合物の細胞内移行性をLC/MSを用いて測定する。得られた結果を基に、化合物の細胞内への移行性にハロゲン元素が果たす役割を検討する。
(3) 平成 29 年度に得られた有望化合物の更なる最適化： 平成 29 年度に新たに同定されたGRL-01516Aは野生株だけでなく多剤耐性株に対しても高い抗HIV-1活性を発揮したが、その活性はKU-241には及ばなかった。この点を解決する為に、(1) GRL-01516Aにフッ素以外のハロゲン元素を導入する、(2) フッ素以外の部分構造や修飾部位を種々に変化させるという２つの方針で新規化合物の合成を行う。
(4) 生体内での新規有望化合物の薬物動態の測定： 平成 29 年度、30 年度に得られた化合物の中から有望であると判断できる化合物を用いて生体内 (ラットを使用予定) でのpharmacokinetics を測定、血中半減期などにハロゲン元素がどのように影響しているかを検討する。

Research Products

• [Journal Article] Design of Highly Potent, Dual-Acting and Central-Nervous-System-Penetrating HIV-1 Protease Inhibitors with Excellent Potency against Multidrug-Resistant HIV-1 Variants. (2018)
  • Author(s): Ghosh AK, Rao KV, Nyalapatla PR, Kovela S, Brindisi M, Osswald HL, Sekhara Reddy B, Agniswamy J, Wang YF, Aoki M, Hattori SI, Weber IT, Mitsuya H.
  • Journal Title: Chem Med Chem. Volume: 13(8) Pages: 803-815
  • DOI: 10.1002/cmdc.201700824.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] HIV-1 with HBV-associated Q151M substitution in RT becomes highly susceptible to entecavir: structural insights into HBV-RT inhibition by entecavir. (2018)
  • Author(s): Yasutake Y, Hattori SI, Hayashi H, Matsuda K, Tamura N, Kohgo S, Maeda K, Mitsuya H.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 8(1) Pages: 1624
  • DOI: 10.1038/s41598-018-19602-9.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GRL-079, a novel P2-Tp-THF-C5-alkylamine- and P2' -Abt-containing HIV-1 protease inhibitor, is extremely potent against multi-drug-resistant HIV-1 variants including HIVDRVRp51 and has a high genetic barrier against the emergence of resistant variants. (2018)
  • Author(s): Delino NS, Aoki M, Hayashi H, Hattori SI, Chang SB, Takamatsu Y, Martyr CD, Das D, Ghosh AK, Mitsuya H.
  • Journal Title: Antimicrob Agents Chemother. Volume: 62(5) Pages: 02060-17
  • DOI: 10.1128/AAC.02060-17.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanism of Darunavir (DRV)'s High Genetic Barrier to HIV-1 Resistance: A Key V32I Substitution in Protease Rarely Occurs, but Once It Occurs, It Predisposes HIV-1 To Develop DRV Resistance. (2018)
  • Author(s): Aoki M, Das D, Hayashi H, Aoki-Ogata H, Takamatsu Y, Ghosh AK, Mitsuya H.
  • Journal Title: MBio. Volume: 9(2) Pages: e02425-17
  • DOI: 10.1128/mBio.02425-17.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design and Development of Highly Potent HIV-1 Protease Inhibitors with a Crown-Like Oxotricyclic Core as the P2-Ligand To Combat Multidrug-Resistant HIV Variants. (2017)
  • Author(s): Ghosh AK, Rao KV, Nyalapatla PR, Osswald HL, Martyr CD, Aoki M, Hayashi H, Agniswamy J, Wang YF, Bulut H, Das D, Weber IT, Mitsuya H.
  • Journal Title: J Med Chem. Volume: 60(10) Pages: 4267-4278
  • DOI: 10.1021/acs.jmedchem.7b00172.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of novel HIV-1 protease inhibitors incorporating isophthalamide-derived P2-P3 ligands: Synthesis, biological evaluation and X-ray structural studies of inhibitor-HIV-1 protease complex. (2017)
  • Author(s): Ghosh AK, Brindisi M, Nyalapatla PR, Takayama J, Ella-Menye JR, Yashchuk S, Agniswamy J, Wang YF, Aoki M, Amano M, Weber IT, Mitsuya H.
  • Journal Title: Bioorg Med Chem. Volume: 17 Pages: 30731-9
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2017.04.005.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GRL-09510, a Unique P2-Crown-Tetrahydrofuranylurethane -Containing HIV-1 Protease Inhibitor, Maintains Its Favorable Antiviral Activity against Highly-Drug-Resistant HIV-1 Variants in vitro. (2017)
  • Author(s): Amano M, Miguel Salcedo-Gomez P, Yedidi RS, Delino NS, Nakata H, Venkateswara Rao K, Ghosh AK, Mitsuya H.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 25 Pages: 12235
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12052-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design, synthesis, X-ray studies, and biological evaluation of novel macrocyclic HIV-1 protease inhibitors involving the P1'-P2' ligands. (2017)
  • Author(s): Ghosh AK, Sean Fyvie W, Brindisi M, Steffey M, Agniswamy J, Wang YF, Aoki M, Amano M, Weber IT, Mitsuya H.
  • Journal Title: Bioorg Med Chem Lett. Volume: 27(21) Pages: 4925-4931
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2017.09.003.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel central nervous system-penetrating protease inhibitor overcomes human immunodeficiency virus 1 resistance with unprecedented aM to pM potency. (2017)
  • Author(s): Aoki M, Hayashi H, Rao KV, Das D, Higashi-Kuwata N, Bulut H, Aoki-Ogata H, Takamatsu Y, Yedidi RS, Davis DA, Hattori SI, Nishida N, Hasegawa K, Takamune N, Nyalapatla PR, Osswald HL, Jono H, Saito H, Yarchoan R, Misumi S, Ghosh AK, Mitsuya H
  • Journal Title: Elife Volume: 6. Pages: e28020
  • DOI: 10.7554/eLife.28020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design, Synthesis, Biological Evaluation, and X-ray Studies of HIV-1 Protease Inhibitors with Modified P2' Ligands of Darunavir. (2017)
  • Author(s): Ghosh AK, Fyvie WS, Brindisi M, Steffey M, Agniswamy J, Wang YF, Aoki M, Amano M, Weber IT, Mitsuya H.
  • Journal Title: ChemMedChem. Volume: 12(23) Pages: 1942-1952
  • DOI: 10.1002/cmdc.201700614
  • Peer Reviewed
• [Presentation] P2-Tp-THF-C5-alkylamine and P'2-Abt contribute to the potency of newly-generated protease inhibitors against a wide spectrum of HIVMDRS including HIVDRVRP51 (2017)
  • Author(s): Nicole S. Delino, Manabu Aoki, Hironori Hayashi, Haydar Bulut, Shin-ichiro Hattori, Simon B. Chang, Yuki Takamatsu, Cuthbert D. Martyr, Debananda Das, Arun K. Ghosh, and Hiroaki Mitsuya
  • Organizer: 第27回抗ウイルス療法学会学術集会・総会
• [Presentation] P1-phenylにフッ素原子を導入したHIVプロテアーゼ阻害剤は強力な抗ウイルス活性を発揮する (2017)
  • Author(s): 服部真一朗、林宏典、青木学、Debananda Das、青木宏美、鍬田伸好、高松悠樹、Yedidi Ravikran、長谷川和也、Arun K Ghosh、前田賢次、満屋裕明
  • Organizer: 第27回抗ウイルス療法学会学術集会・総会
• [Presentation] GRL-079, a novel P2-Tp-THF-C5-alkylamine- and P2’-Abt-containing HIV-1 protease inhibitor, is extremely potent against a wide spectrum of HIVMDRs including HIVDRVRp51 with a high genetic barrier against the emergence of resistant variants (2017)
  • Author(s): Nicole S. Delino, Manabu Aoki, Hironori Hayashi, Shin-ichiro Hattori, Simon B. Chang, Yuki Takamatsu, Cuthbert D. Martyr, Debananda Das, Arun K. Ghosh, and Hiroaki Mitsuya
  • Organizer: 第19回白馬シンポジウムin仙台
• [Presentation] 多剤耐性HIV変異株に対して強力な抗ウイルス活性を発揮する新規HIVプロテアーゼ阻害剤、GRL-001～004の同定と構造・活性相関 (2017)
  • Author(s): 服部真一朗、林宏典、青木学、長谷川和也、青木宏美、鍬田伸好、Haydar Bulut、Debananda Das、前田賢次、Arun K. Ghosh、満屋裕明
  • Organizer: 第19回白馬シンポジウムin仙台
• [Presentation] GRL-079, a novel P2-Tp-THF-C5-alkylamine- and P2’-Abt-containing HIV-1 protease inhibitor, is extremely potent against a wide spectrum of multi-drug-resistant HIVs including HIVDRVRp51 and has a high genetic barrier against the emergence of resistant variants (2017)
  • Author(s): Nicole S. Delino, Manabu Aoki, Hironori Hayashi, Shin-ichiro Hattori, Simon B. Chang, Yuki Takamatsu, Cuthbert D. Martyr, Debananda Das, Arun K. Ghosh, and Hiroaki Mitsuya
  • Organizer: 第18回熊本エイズセミナー
• [Presentation] GRL-079, a novel P2-Tp-THF-C5 alkylamine and P2’-Abt-containing HIV-1 protease inhibitor, is extremely potent against a wide spectrum of HIVMDRs, including HIVDRVRp51, with a high genetic barrier against the emergence of resistant variants (2017)
  • Author(s): Nicole S. Delino, Aoki Manabu, Hayashi Hironori,Hattori Shin-ichiro, Simon B. Chang, Takamatsu Yuki, Cuthbert D. Martyr, Debananda Das, Arun K. Ghosh, and Mitsuya Hiroaki
  • Organizer: 第31回日本エイズ学会学術集会・総会
• [Presentation] 多剤耐性HIV変異株にも強力な抗ウイルス活性を発揮する新規HIVプロテアーゼ阻害剤の同定 (2017)
  • Author(s): 服部真一朗、林宏典、青木学、長谷川和也、Haydar Bulut、Debananda Das、Arun Ghosh、満屋裕明
  • Organizer: 第31回日本エイズ学会学術集会・総会