ダルナビル等に対するHIV高度耐性の分子力学的解析と新規プロテアーゼ阻害剤開発

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26293239
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 満屋 裕明 熊本大学, 大学院生命科学研究部, 教授 (20136724)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: HIV-1 / 新規抗HIV-1剤開発 / 薬剤耐性 / 構造解析

Outline of Annual Research Achievements

平成27年度は、種々の化合物 (GRL-084-13, GRL-085-13, GRL -087-13 & KU-241) の結合様式を詳細に検討した (Amano, Aoki & Mitsuya, unpublished data)。特に、化合物の構造中にフッ素原子を含み、過去に例を見ない程強力な抗HIV-1効果とHIV-1の薬剤耐性獲得に極めて高い抵抗性を発揮する化合物、KU-241及びその誘導体 (KU-100 & KU-300) についての詳細な解析を行う事で、(1) HIV-1が薬剤耐性を獲得する機序を検討すると共に、(2) 薬剤耐性を獲得したPR (PRMDR) に対して阻害効果を発揮する為に必要な化合物の種々の部分構造とその作用機序を解明した (Ghosh & Mitsuya, J Med Chem. 58, 6994-7006, 2015; Amano & Mitsuya, Antimicrob Agents Chemther, 59, 2625-2635 2015)。更に予備的な結果ではあるが、(3) 得られた結果を基に、新規化合物を設計、HIV-1に対する多剤併用療法 (ART) に用いられる複数の薬剤に対して耐性を獲得したHIV-1変異株 (HIV-1DRVRP51) に対してもHIV-1野生株と同等の阻害活性を有する化合物 (GRL-057 & -058) の同定に成功した (Aoki & Mitsuya, unpublished data)。
本研究成果は、より強力で薬剤耐性を生じ難い新規化合物の設計・開発の基盤となる重要な成果であり、本研究で得られた化合物群は、臨床応用への候補化合物に資すると強く期待できる事から、本年度の研究実績は抗HIV剤開発の分野の発展と社会的有用性という点において極めてインパクトのある成果であると言える。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究は、薬剤耐性誘導試験と結晶構造解析を組み合わせ、HIV-1が薬剤耐性を獲得する過程を構造的に解析、更に結晶構造を基に分子動力学計算を行う事で、HIV-1に変異が導入される過程で生じた構造変化が薬剤との相互作用に与える影響を検討、得られた結果を基により強力でHIV-1の薬剤耐性獲得に抵抗性を示す薬剤の設計・開発を行う事を目的とする。
上述のように平成27年度までに、(1) 耐性メカニズムの解析、(2) 薬剤耐性HIV-1変異株に対して阻害活性を発揮する為に必要な部分構造の同定、(3) 得られた結果を基に、複数の抗HIV剤に対して耐性を獲得したHIV-1変異株 (HIV-1DRVRP51) に対してもHIV-1野生株と同等の阻害活性を有する化合物 (GRL-057 & -058) の設計・開発・同定に成功した。研究成果項目第1項関しては、研究成果をまとめ、論文として国際雑誌に発表した。研究成果項目第3項に関しては、予備的なデータである事から、平成28年度により詳細な検討が必要となるが、平成27年度終了時において、既に全体の研究目的の90%以上を達成していると考えている。また、得られた化合物群の中には、臨床応用への候補化合物に資する有用な化合物を含む事から。研究目的以上の成果を挙げたと考えている。以上の理由から、本年度は、「当初の研究計画以上に進展している」という評価が妥当であると判断した。

Strategy for Future Research Activity

【推進方針】　平成28年度は、平成27年度までに得られた化合物を更に発展させた化合物の設計・合成と、全く異なる基本骨格を有する抗HIV剤の開発を試みる。また、平成27年度に同定した化合物、GRL-057 & -058の抗HIV効果の検討と、KU-100及びKU-300の結晶構造解析を行う。更に、表面プラズモン法を用いた抗HIV剤とPRの結合・解離における動的なパラメーター (結合速度、解離速度 etc.) の解析を行う。
【研究を遂行する上での課題と対応策】　研究計画当初に懸念されていたPRの大量発現・精製に関しても、培地の改良と液体クロマトグラフィーを用いた精製法を確立した事により、高純度の活性型PRが得られるようになった。これにより、より大きな単結晶を得やすくなり解像度の高い結晶構造が得られると期待できる。結晶構造解析における課題は、結晶化したサンプルから得られる構造が、タンパク質の結晶化し易い構造を反映している可能性があり、PRと化合物の結合・解離の過程で取り得る全ての構造を反映している訳ではないという事にある。この問題に対する対応として表面プラズモン法を用いた結合・解離における動的なパラメーターの測定とその解析を考えており、既に実験系の確立を開始している。
【当初の計画からの変更点と理由】　臨床応用候補化合物になり得る有用な化合物の相互作用を詳細に検討し、その作用機序を解明する研究の方がより研究目的である新規抗HIV剤の開発に合致していると考え、当初の計画で予定していたlopinavir (LPV) や saquinavir (SQV) といった既存の抗HIV剤に対して抵抗性を獲得したPRの結晶化を行わず、新規化合物群とPRの複合体の結晶構造解析を優先する事とする。

Research Products

• [Journal Article] The C5-substituted tetrahydro- pyrano-tetrahydofuran-derived protease inhibitors (PIs) exert potent inhibition of the replication of HIV-1 variants highly resistant to various PIs including darunavir. (2015)
  • Author(s): Aoki, M., Hayashi, H., Yedidi, R., Martyr, C., Takamatsu, Y., Aoki-Ogata, H., Nakamura, T., Nakata, H., Das, D., Yamagata, Y., Ghosh, AK. and Mitsuya, H.
  • Journal Title: J. Virol. Volume: 90 Pages: 2180-94
  • DOI: 10.1128/JVI.01829-15.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of HIV-1 Protease Inhibitors with Amino-bis-tetrahydrofuran Derivatives as P2-Ligands to Enhance Backbone-Binding Interactions: Synthesis, Biological Evaluation, and Protein-Ligand X-ray Studies. (2015)
  • Author(s): Ghosh, AK., Martyr, CD., Osswald, HL., Sheri, VR., Kassekert, LA., Chen, S., Agniswamy, J., Wang, YF., Hayashi, H., Aoki, M., Weber, IT., and Mitsuya, H.
  • Journal Title: J Med Chem Volume: 58 Pages: 6994-7006
  • DOI: 10.1021/acs.jmedchem.5b00900.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Novel Tricyclic Ligand-Containing Nonpeptidic HIV-1 Protease Inhibitor, GRL-0739, Effectively Inhibits the Replication of Multidrug-Resistant HIV-1 Variants and Has a Desirable Central Nervous System Penetration Property In Vitro. (2015)
  • Author(s): Amano, M., Tojo, Y., Gómez, PMS., Parham, GL., Nyalapatla, PR., Das, D., Ghosh, AK., and Mitsuya, H.
  • Journal Title: Antimicrob. Agents Chemother. Volume: 59 Pages: 2625-2635
  • DOI: 10.1128/AAC.04757-14.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure-based design, synthesis, X-ray studies, and biological evaluation of novel HIV-1 protease inhibitors containing isophthalamide-derived P2-ligands. (2015)
  • Author(s): Ghosh, AK., Takayama, J., Kassekert, LA., Ella-Menye, JR., Yashchuk, S., Agniswamy, J., Wang, YF., Aoki, M., Amano, M., Weber, IT., and Mitsuya, H.
  • Journal Title: Bioorg Med Chem Lett. Volume: 25 Pages: 4903-4909
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2015.05.052.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of gem-Difluoro-bis-Tetrahydrofuran as P2 Ligand for HIV-1 Protease Inhibitors to Improve Brain Penetration: Synthesis, X-ray Studies, and Biological Evaluation. (2015)
  • Author(s): Ghosh, AK., Yashchuk, S., Mizuno, A., Chakraborty, N., Agniswamy, J., Wang, YF., Aoki, M., Gomez, PMS., Amano, M., Weber, IT. and Mitsuya, H.
  • Journal Title: ChemMedChem. Volume: 10 Pages: 107-115
  • DOI: 10.1002/cmdc.201402358.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel protease inhibitors, which bind to protease’s flap region, strongly inhibit multi-drug resistant HIV-1 variants including darunavir-resistant variants (2015)
  • Author(s): Hironori Hayashi、Manabu Aoki、Ravikiran S. Yedidi、Hirotomo Nakata、Debananda Das、Teruya NakamuraKazuya Hasegawa、Yuriko Yamagata、Arun K. Ghosh、Hiroaki Mitsuya
  • Organizer: 第29回日本エイズ学会学術集会・総会
  • Place of Presentation: 東京ドームホテル（東京都）
  • Year and Date: 2015-11-30 – 2015-12-01
• [Presentation] In vitro evaluation of the genotoxic potential of the novel anti-HIV protease inhibitor, KU-241, which is potent against multi-PI-Resistant HIV-1 variants (2015)
  • Author(s): Nobuyo Higashi-Kuwata、Manabu Aoki1、Shinichiro Hattori、Hiromi Ogata-Aoki、Hironori Hayashi、Kenji Maeda、Arun K. Ghosh、Hiroaki Mitsuya
  • Organizer: 第29回日本エイズ学会学術集会・総会
  • Place of Presentation: 東京ドームホテル（東京都）
  • Year and Date: 2015-11-30 – 2015-12-01
• [Presentation] 新規HIV-1 プロテアーゼ阻害剤KU-241 の同定と抗HIV 活性の検討 (2015)
  • Author(s): 服部 真一朗、青木 学、鍬田 伸好、青木 宏美、林 宏典、Arun K. Ghosh、前田 賢次、満屋 裕明
  • Organizer: 第29回日本エイズ学会学術集会・総会
  • Place of Presentation: 東京ドームホテル（東京都）
  • Year and Date: 2015-11-30 – 2015-12-01
• [Presentation] Novel protease inhibitors, which bind to the flap region of HIV-1 protease, strongly inhibit multi-drug resistant HIV-1 variants including darunavir- resistant variants. (2015)
  • Author(s): Hironori Hayashi, Manabu Aoki, Ravikiran S. Yedidi, Hirotomo Nakata, Debananda Das, Teruya Nakamura, Kazuya Hasegawa, Yuriko Yamagata, Arun K. Ghosh and Hiroaki Mitsuya
  • Organizer: 第16回熊本エイズセミナー
  • Place of Presentation: 阿蘇ホテルグランビリオ（熊本県阿蘇市）
  • Year and Date: 2015-10-07 – 2015-10-09
• [Presentation] Modified P1-Moiety Enhances Antiviral Activity against Drug-Resistant HIV-1 Variants and Central Nervous System (CNS) Penetration Effectiveness of Newly-Generated HIV-1 Protease Inhibitors In Vitro. (2015)
  • Author(s): Masayuki Amano and Hiroaki Mitsuya
  • Organizer: 第16回熊本エイズセミナー
  • Place of Presentation: 阿蘇ホテルグランビリオ（熊本県阿蘇市）
  • Year and Date: 2015-10-07 – 2015-10-09
• [Presentation] 新規HIV-1プロテアーゼ阻害剤開発と構造解析 (2015)
  • Author(s): 林 宏典、青木 学、Yedidi Ravikiran、中田 浩智、Debananda Das、中村 照也、長谷川 和也、山縣 ゆり子、Arun K Ghosh、満屋 裕明
  • Organizer: 第17回白馬シンポジウム in 米子
  • Place of Presentation: 鳥取大学医学部（鳥取県米子市）
  • Year and Date: 2015-06-19 – 2015-06-20
• [Patent(Industrial Property Rights)] HIV-1 PROTEASE INHIBITORS AND USES THEREOF (2014)
  • Inventor(s): GHOSH A, RAO V, MITSUYA H
  • Industrial Property Rights Holder: Purdue U. & Kumamoto U.
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: US61/994,462
  • Filing Date: 2014-05-16
  • Acquisition Date: 2015-05-15
  • Overseas