HIVプロテアーゼ阻害剤の発見と開発

HIVプロテアーゼは、99アミノ酸からなる2つのモノマーからなるC2対称ホモ二量体酵素である。各モノマーは、触媒作用に不可欠なアスパラギン酸残基、Asp-25およびAsp-25´を提供する。 ^{[ 6 ]} HIVプロテアーゼは、他の哺乳類アスパラギン酸プロテアーゼ酵素間で保存されている配列Asp- Thr - Glyを持つ。フラップとして知られるモノマー上の拡張βシート領域は、疎水性空洞の底にある2つのアスパラギン酸残基とともに、基質結合部位の一部を構成している。^{[ 12 ] [ 16 ] [ 17 ]}各柔軟なフラップには、外側に伸びる側鎖（Met 46、Phe 53）、内側に伸びる疎水性鎖（Ile 47、Ile 54）、およびグリシンに富む領域（Gly48、49、51、52）の3つの特徴的な領域がある。 Ile50はターンの先端に留まり、酵素がリガンドから解放されると、各モノマー上のIle50の骨格に水分子が水素結合を形成する。 ^{[ 17 ]}

HIVプロテアーゼは、高い配列選択性と触媒効率でペプチド結合の加水分解を触媒します。HIVプロテアーゼのメカニズムは、他のアスパラギン酸プロテアーゼファミリーと多くの特徴を共有していますが、この酵素の詳細なメカニズムは完全には解明されていません。^{[ 12 ]}水分子は、フラップの開閉だけでなく、酵素と基質の親和性を高める役割も果たしているようです。アスパラギン酸残基は、ペプチド結合の加水分解に関与しています。^{[ 17 ]}この酵素の好ましい切断部位は、プロリン残基のN末端側、特にフェニルアラニンとプロリンの間、またはチロシンとプロリンの間です。^{[ 6 ] [ 16 ]}

最初のHIVプロテアーゼ阻害剤であるサキナビルは、ペプチド模倣ヒドロキシエチルアミン^{[ 6 ]}であり、1995年に市販された^{[ 18 ]。}これは、プロテアーゼの天然基質の遷移状態アナログである^{[ 6 ]}。HIV-1プロテアーゼがジペプチドTyr-ProまたはPhe-Proを含む配列を切断するという観察が、基本的な設計基準であった^{[ 19 ]} 。デカヒドロイソキノリン（DIQ）基の付加は、サキナビルの発見につながった最も重要な修飾の1つである。この置換基は、阻害剤の立体配座の自由度を制限することにより、水溶性と効力を向上させる^{[ 20 ]} 。サキナビルはHIV-1とHIV-2の両方に有効であり^{[ 5 ]}、通常は忍容性が高いが、高濃度の血清は得られない^{[ 11 ] 。}

ペプチド模倣型HIVプロテアーゼ阻害剤であるリトナビルは1996年に市販された。 ^{[ 18 ]}これはプロテアーゼの結合部位のC2対称性に適合するように設計された。^{[ 6 ]}リトナビルの開発元であるアボット・ラボラトリーズは、ウイルスに対して活性はあるものの生物学的利用能が低い化合物から始めた。いくつかの改良が加えられ、例えば末端のフェニル基が除去され、代わりにピリジル基が導入されて水溶性が増した。これらの改良の最終製品がリトナビルである。^{[ 19 ]}重大な胃腸副作用と錠剤の服用量の多さがリトナビルの主な欠点であり、そのため単剤療法としては使用されない。^{[ 11 ]}しかし、リトナビルはチトクロムP450酵素による代謝の強力な阻害剤であり^{[ 19 ]}、薬物動態の増強のために他のプロテアーゼ阻害剤との併用療法でのみ使用される。^{[ 11 ]}

ペプチド模倣ヒドロキシエチレンHIVプロテアーゼ阻害剤であるインジナビルは、1996年に市場に登場した。^{[ 6 ] [ 18 ]}インジナビルの設計は、分子モデリングと阻害された酵素複合体のX線結晶構造に基づいて行われた。末端のフェニル基は疎水性結合に寄与し、効力を高める。^{[ 19 ]}これは、HIV Gagポリタンパク質のフェニルアラニン-プロリン切断部位のアナログである。^{[ 6 ]}

ネルフィナビルは、ペプチド模倣体ではない最初のプロテアーゼ阻害剤でした。経口投与可能な非ペプチド阻害剤であるネルフィナビルの設計プロセスでは、ペプチド阻害剤の反復タンパク質共結晶構造解析が使用され、阻害剤の一部が非ペプチド置換基に置き換えられました。^{[ 19 ]}ネルフィナビルは新規の2-メチル-3-ヒドロキシベンズアミド基を含み、カルボキシル末端にはサキナビルと同じDIQ基が含まれています。^{[ 19 ]}ネルフィナビルは1997年に販売され^{[ 18 ]} 、小児AIDSに適応のある最初のプロテアーゼ阻害剤でした。 ^{[ 19 ]}

アンプレナビルは1999年に市場に登場しました。^{[ 18 ]}これはN , N-二置換アミノスルホンアミド非ペプチドHIVプロテアーゼ阻害剤^{[ 6 ]}であり、以前のプロテアーゼ阻害剤といくつかの共通点があります。サキナビルと同様のコアを持ちますが、両端の官能基が異なります。一方の端にはテトラヒドロフランカルバメート基があり、もう一方の端にはアミドが付加されたイソブチルフェニルスルホンアミドがあります。この構造によりキラル中心が少なくなり、合成が容易になり、水溶性が向上します。その結果、経口バイオアベイラビリティが向上します。^{[ 19 ]}しかし、プロドラッグであるフォサンプレナビルが多くの点で優れていることが証明されたため、アンプレナビルは2004年に市場から撤退しました。^{[ 6 ]}

ロピナビルは2000年に市販され^{[ 18 ]} 、当初はHIV-1プロテアーゼのVal 82との阻害剤の相互作用を減少させるように設計されました。Val 82は、ウイルスの薬剤耐性株でしばしば変異する残基です^{[ 19 ]} 。ロピナビルはペプチド模倣HIVプロテアーゼ阻害剤^{[ 6 ]}であり、そのコアはリトナビルと同一です。リトナビルの5-チアゾリル末端基の代わりに、ロピナビルはフェノキシアセチル基を持ち、リトナビルの2-イソプロピルチアゾリル基は、アミノ末端に6員環状尿素が結合した修飾バリンに置き換えられました^{[ 19 ]}。

フォサンプレナビルは2003年に市販され^{[ 18 ]}、迅速かつ広範囲にアンプレナビルに代謝されるリン酸エステルプロドラッグである^{[ 21 ] 。溶解性と生物学的利用能はアンプレナビル[ 6 ]}よりも優れており、その結果、1日の錠剤負担が軽減される^{[ 22 ] 。}

アタザナビルは2003年に発売され^{[ 18 ]} 、酵素結合部位のC2対称性に適合するように設計されたアザペプチドプロテアーゼ阻害剤である^{[ 18 ] 。 [ 11 ]}アタザナビルは、以前のHIVプロテアーゼ阻害剤よりも優れた耐性プロファイルを示した^{[ 4 ]} 。酸性環境でのみ吸収されるという点で、他のプロテアーゼ阻害剤とは異なっている^{[ 11 ]。}

チプラナビルは非ペプチド性HIV-1プロテアーゼ阻害剤^{[ 11 ]}であり、2005年に市場に登場した^{[ 18 ]。}市場に出回っている他のHIVプロテアーゼ阻害剤とは異なり、チプラナビルは非ペプチド性クマリンテンプレートから開発され、その抗プロテアーゼ活性はハイスループットスクリーニングによって発見された^{[ 23 ]}。この5,6-ジヒドロ-4-ヒドロキシ-2-ピロンを含むスルホンアミドは、3-置換クマリンとジヒドロピロンのスクリーニングから出現した^{[ 24 ]} 。これは、複数のプロテアーゼ阻害剤耐性HIV-1に対して幅広い抗ウイルス活性を有する^{[ 25 ] 。}

ダルナビルは2006年に市場に登場し^{[ 18 ]}、末端テトラヒドロフラン（THF）基に重要な変更を加えたアンプレナビルの非ペプチド類似体である。ダルナビルは単一のTHF基ではなく、化合物中に融合した2つのTHF基を含み、ビス-THF部分を形成することでアンプレナビルよりも効果が高くなっている。この構造変化により、ビス-THF部分の周囲の立体化学が配向変化をもたらし、アンプレナビルに対する耐性を獲得したプロテアーゼとの結合を継続できる^{[ 26 ] 。}

FDAが承認したプロテアーゼ阻害剤はすべて以下のとおりです。

市販されているすべての HIV プロテアーゼ阻害剤は、ヒドロキシエチレン骨格からなる中心コアモチーフを含んでおり、唯一の例外はクマリン骨格に基づくチプラナビルの中心コアである。^{[ 15 ]} HIV プロテアーゼ阻害剤の非常に重要なグループは、コアモチーフ上のヒドロキシル基であり、結合部位の Asp-25 および Asp-25´ 残基上のカルボン酸と水素結合を形成する。 ^{[ 16 ] [ 27 ]} Ile50 および Ile50' に結合している水分子とペプチド模倣阻害剤のカルボニル基との間の水素結合は、それらをフラップ領域に連結しているように見える。^{[ 19 ]}一方、非ペプチド阻害剤では、四配位水分子を置き換えて酵素のフラップ上の 2 つの Ile50 残基と直接相互作用するプロトン受容体が存在する。^{[ 28 ]} HIVプロテアーゼの結合部位にある特定のポケットは、S1、S1'、S2、S2'と呼ばれることが多く、天然基質上の疎水性アミノ酸を認識します。したがって、これらの領域を補完する疎水性基を持つ阻害剤の効力は増加します。^{[ 29 ]}酵素結合部位の一部の残基は、阻害剤上の親水性基、例えばアンプレナビルやダルナビルのTHF部分と水素結合を形成することができます。ダルナビルはアンプレナビルのような単一のTHF部分ではなく、ビスTHF部分を持つため、より多くの水素結合を形成し、結合エネルギーを増加させることができます。^{[ 26 ]}

立体構造の変化をコードする変異は、HIVのプロテアーゼ阻害剤に対する耐性を促進する。^{[ 26 ]}これらの変異の位置は、主にHIVプロテアーゼ酵素の活性部位と、Gag-Polポリタンパク質前駆体のプロテアーゼ切断部位を含む活性部位外にある。切断部位は非常に多様な配列を持つため、プロテアーゼは基質を配列に基づいてではなく、活性部位に結合したときに基質が共有する保存された3D形状に基づいて認識する。この保存された形状は基質エンベロープと名付けられている。^{[ 30 ]}活性部位の変異は、阻害剤の相互作用を直接変化させることが示されており、主に阻害剤が基質エンベロープを超えたプロテアーゼ残基と接触する位置で発生する。^{[ 31 ]}非活性部位の変異は、二量体の安定性や立体構造の柔軟性に影響を与えるなど、他のメカニズムによって影響を受けると考えられている。^{[ 32 ] [ 33 ]}

100を超える単一遺伝子点変異が報告されており、そのうち少なくとも26はプロテアーゼ阻害剤に特異的である。これらのうち、薬剤活性を変化させるほど重要な主要変異は約15である。^{[ 26 ]} HIV-1プロテアーゼには、薬剤耐性を引き起こす多くの変異残基が見つかっており、例えばLeu33がIle、Val、またはPheに変化したり、Val82がAla、Phe、Leu、またはThrに変化したり、Ile84がValに変化したり、Leu90がMetに変化したりする。^{[ 34 ]}異なる変異は異なるプロテアーゼ阻害剤に影響を与える。例えば、Leu90の変異は明らかにサキナビルとネルフィナビルに影響を与えるが、インジナビルの活性はMet46、Val82、およびIle84の変異によって影響を受け、フォサンプレナビルはIle50がValに変化し、Ile84が変化すると影響を受ける。変異の組み合わせによって高レベルの薬剤耐性が生じる可能性があるが、単一の変異では通常、プロテアーゼ阻害剤に対する薬剤耐性にはつながらない。^{[ 26 ]} 変異は一次変異と二次変異に分類できる。一次変異は耐性にわずかな影響しか及ぼさないことが多い。ほとんどのプロテアーゼ阻害剤の化学構造は非常に似ているため、いくつかの一次変異が同時に複数のプロテアーゼ阻害剤に対する耐性につながることは驚くべきことではない。交差耐性は、プロテアーゼ阻害剤治療における主要な問題の1つである。^{[ 35 ]}プロテアーゼ阻害剤の継続療法中にプロテアーゼに生じる追加の変異は、一般的に二次変異と呼ばれる。これにより、高レベルのプロテアーゼ阻害剤耐性が生じる可能性がある。^{[ 35 ]}

スタンフォードHIV逆転写酵素およびプロテアーゼ配列データベース（「HIV薬剤耐性データベース」とも呼ばれる）は、抗レトロウイルス治療歴が詳細に解析された患者由来のHIV逆転写酵素およびプロテアーゼ配列を用いて1998年に構築され、耐性変異、遺伝子型と治療、遺伝子型と表現型、および遺伝子型と転帰の相関関係を検索するために一般に公開されている。

基質エンベロープは、基質を模倣し、エンベロープ内に留まる阻害剤を設計して、ほとんどの活性部位変異によってもたらされる耐性を回避するという一般的な戦略を提供するが、^{[ 36 ] [ 37 ]}薬剤耐性の問題、特に活性部位から離れた部位による薬剤耐性の問題に対処する一般的な戦略はない。エイズを治療するための新しい治療法の開発に向けた研究は、すでに市販されている薬剤に対する交差耐性を回避することに焦点を当てている。^{[ 12 ]}