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非ヌクレオシド逆転写酵素阻害剤（NNRTI）は、ヒト免疫不全ウイルス（ HIV）の治療に使用される抗レトロウイルス薬です。NNRTIは、HIVの遺伝物質の複製を制御する酵素である逆転写酵素（RT）を阻害します。RTは、抗レトロウイルス薬開発の分野で最も注目されている標的の1つです。[ 1 ]
NNRTIの発見と開発は1980年代後半に始まり[ 2 ] 、2009年末までに4つのNNRTIが規制当局によって承認され、その他数種類が臨床開発段階にあった。NNRTIを単剤療法として投与すると薬剤耐性が急速に発達するため、NNRTIは常に併用療法、すなわち高活性抗レトロウイルス療法（HAART）の一部として投与される[ 3 ] 。
後天性免疫不全症候群（AIDS）は、世界における主要な死因の一つです。[ 1 ] 1981年に疾患として特定されました。2年後、AIDSの原因ウイルスであるHIVが発見されました。[ 4 ] HIVはレトロウイルスであり、HIV-1とHIV-2という2つの主要な血清型があります。パンデミックは主にHIV-1によるものですが、HIV-2は罹患率が低く、主に西アフリカに限定されています。[ 5 ]
2009年には世界中で4000万人以上がHIVに感染し、その数は増え続けている。[ 6 ] 感染者の大多数は発展途上国に住んでいる。[ 7 ]
HIV治療薬はHIV感染を治癒するものではないが、治療の目的は患者の生活の質を向上させ、死亡率を低下させることである。 [ 8 ]
2009年には、HIV感染症の治療に25種類の抗レトロウイルス薬が利用可能でした。これらの薬は、異なる標的に作用する6つの異なるクラスに属しています。抗レトロウイルス薬開発の分野で最も一般的な標的は、HIV-1逆転写酵素（RT）酵素です。[ 1 ] HIV-1 RT酵素を標的とする薬には、ヌクレオシド/ヌクレオチド逆転写酵素阻害剤（NRTI/NtRTI）と非ヌクレオシド逆転写酵素阻害剤（NNRTI）の2つのクラスがあります。これらのクラスの薬は、HAARTとしてよく知られている高活性抗レトロウイルス療法と呼ばれるHIV併用療法の重要な構成要素です。[ 3 ]
1987年、HIV感染症の治療薬として初めて米国食品医薬品局（FDA）が承認した。これはジドブジンと呼ばれるNRTIであった。1980年代後半、NRTIのさらなる開発中にNNRTIの発見の分野が始まった。NNRTIの開発は1990年代に急速に進歩し、プロテアーゼ阻害剤に続く第3の抗レトロウイルス薬となった。[ 7 ] [ 8 ]
NNRTIはHIV-1に特異的であり、HIV-2や他のレトロウイルスに対しては活性がありません。最初のNNRTIであるネビラピンは、ベーリンガーインゲルハイムの研究者によって発見され、1996年にFDAによって承認されました。次の2年間で、他の2つのNNRTI、 1997年のデラビルジンと1998年のエファビレンツがFDAによって承認されました。 [ 4 ]これら3つの薬剤は、いわゆる第一世代NNRTIです。より優れた耐性プロファイルを持つNNRTIの必要性から、次世代NNRTIの開発が始まりました。ヤンセンス財団とティボテックの研究者は、このクラスの最初の薬剤であるエトラビリンを発見し、2008年にFDAによって承認されました。このクラスの2番目の薬剤であるリルピビリンもティボテックによって発見され、2011年にFDAによって承認されました。これら4つのNNRTIに加えて、他のいくつかのNNRTIが臨床開発中です。[ 7 ]
逆転写酵素（RT）は、 HIVや他のレトロウイルスの遺伝物質の複製を制御する酵素です。 [ 1 ]この酵素には2つの酵素機能があります。まず、ポリメラーゼとして働き、一本鎖RNAゲノムを一本鎖DNAに転写し、その後、相補的なDNA鎖を構築します。これにより、宿主細胞の染色体に組み込まれるDNA二重らせんが形成されます。[ 7 ]次に、リボヌクレアーゼH（RNase H）活性を持ち、ウイルスDNA合成中に形成されるRNA-DNA中間体のRNA鎖を分解します。[ 9 ]
HIV-1 RTは、p66（560アミノ酸）とp51サブユニット（440アミノ酸）からなる非対称な1000アミノ酸ヘテロ二量体である。 [ 1 ] p66サブユニットは、ポリメラーゼとリボヌクレアーゼHの2つのドメインを持つ。ポリメラーゼドメインは、「指」、「手のひら」、「親指」、「接続」と呼ばれる4つのサブドメインを含み、しばしば右手に例えられる。[ 7 ] p66サブユニットの役割は、RTの活性を実行することであり、酵素の活性部位を含んでいる。p51は主に構造的な役割を果たしていると考えられている。[ 9 ]
NNRTIは化学的に多様であるにもかかわらず、すべてRTの同じ部位に結合する。結合は、酵素のp66サブユニット部位のパームドメインにある触媒部位から約10Å離れた疎水性ポケットでアロステリックに起こる。 [ 1 ] [ 7 ] NNRTI結合ポケット（NNIBP）には、p66サブユニットに属する5つの芳香族アミノ酸（Tyr-181、Tyr-188、Phe-227、Trp-229）、6つの疎水性アミノ酸（Pro-59、Leu-100、Val-106、Val-179、Leu-234、Pro-236）、5つの親水性アミノ酸（Lys-101、Lys-103、Ser-105、Asp-132、Glu-224）と、p51サブユニットに属する2つのアミノ酸（Ile-135、Glu-138）が含まれている。[ 7 ]各NNRTIはNNIBPの異なるアミノ酸残基と相互作用する。[ 10 ]
ネビラピンなどの第一世代NNRTIの結合における重要な要素は、蝶のような形状である。化学的多様性にもかかわらず、それらは非常によく似た蝶のような形状をとる。[ 10 ] NNRTIの2つの芳香環は、酵素内で蝶の羽に似た形状に整列する（図2）。蝶の構造は、「本体」としての親水性中心と、羽を表す2つの疎水性部分を持つ。[ 11 ]羽Iは通常ヘテロ芳香環であり、羽IIはフェニルまたはアリル置換基である。羽Iは、アミノ酸Lys-101およびLys-103の主鎖と水素結合を受け入れたり供与したりできる官能基を環の一方の側に持つ。羽IIは、主に芳香族アミノ酸の側鎖によって形成される疎水性ポケットとπ-π相互作用を介して相互作用する。蝶の体には疎水性部分があり、主に Lys-103、Val-106、Val-179 の側鎖によって形成される小さなポケットが満たされています。[ 12 ]しかし、他の多くの NNRTI はさまざまなモードで RT に結合することがわかっています。ジアリルピリミジン (DAPY) などの第 2 世代 NNRTI は、2 つの側方の疎水性翼と中央の極性部分であるピリミジン環を持つ馬蹄形をしています。[ 13 ]
NNIBPは弾性があり、その立体構造はNNRTIのサイズ、特定の化学組成、および結合様式に依存します。RTの全体構造は、結合したNNRTIの性質に応じてセグメントの柔軟性を持ちます。阻害剤が変異標的の改変されたポケットに結合できるように、柔軟性を持つことが重要です。阻害剤の柔軟性は、阻害剤と標的の相互作用に影響を与えない可能性があります。[ 10 ]
NNRTIは、RT酵素に非競合的に結合することによって作用します（図3）。この結合により、酵素の三次元構造に立体構造変化が生じ、NNIBPが形成されます。 [ 6 ] [ 7 ] NNRTIがHIV-1 RTに結合すると、アミノ酸残基Tyr-181とTyr-188の回転異性体構造変化が誘発されるため、p66サムドメインが過度に伸長します。 [ 14 ]これにより、酵素の触媒活性が影響を受け、RTのp66サブユニットのポリメラーゼ活性部位が阻害されることでHIV-1の複製がブロックされます。[ 15 ]さらに、全体的な立体構造変化により、核酸テンプレート上の酵素が不安定になり、ヌクレオチドに結合する能力が低下します。[ 16 ]ウイルスRNAの転写が阻害されるため、ウイルスの複製速度が低下します。[ 6 ]正確な分子メカニズムはまだ仮説の域を出ませんが、複数の研究によりこれが主な作用機序であることが実証されています。
この提案された主要な作用機序に加えて、NNRTIには他の作用機序があり、逆転写酵素反応のさまざまな段階を阻害することが示されている。[ 7 ] NNRTIによる逆転写の阻害は、RT Rnase H活性および/またはテンプレート/プライマー結合への影響による可能性がある。一部のNNRTIは、HIV-1複製の後期段階を阻害することにより、HIV-1 Gag-Polポリタンパク質の処理を阻害する。
次世代NNRTIの開発や薬剤耐性のメカニズムを理解するためには、NNRTIの様々な作用機序を深く理解することが重要である。[ 15 ]
ヌクレオチドおよびアミノ酸配列の多様性が大きいため、効果的な抗HIV薬の開発は困難です。理想的な抗HIV薬は、薬剤耐性変異に対しても有効である必要があります。標的RT酵素とその構造、薬剤作用機序、薬剤耐性変異の結果を理解することは、より効果的なNNRTIを設計するのに役立つ有用な情報を提供します。RT酵素は、NNRTI結合を阻害する可能性のある変異によって変化する可能性があります。[ 10 ]
NNRTIとして最初に同定された2つの化合物クラスは、1-(2-2-ヒドロキシエトキシメチル)-6-(フェニルチオ)チミン(HEPT)とテトラヒドロイミダゾ[4,5,1-jkj][1,4]ベンゾジアゼピン-2(1H)-オンおよび-チオン(TIBO)化合物でした。TIBO化合物の発見は、1980年代後半に予期せずRTを阻害することが発見されたときにNNRTIクラスの定義につながりました[ 2 ]。この発見により、これらの化合物の作用機序に関する研究が始まりました。HEPT化合物はTIBO化合物より前に記述され、当初はNRTIであると考えられていました。後に、TIBO化合物と共通の作用機序を共有していることが発見されました。[ 4 ] [ 7 ] HEPT化合物とTIBO化合物はどちらも、他のRTに対して活性を示さず、非常に特異的で強力なHIV-1 RT阻害剤として最初に同定されました。[ 4 ]これらの化合物は細胞またはミトコンドリアDNA合成を阻害しません。NNRTIのHIV-1に対する特異性は、NNRTI薬剤クラスの特徴と考えられています。[ 7 ]
HEPTとTIBOの発見後、化合物スクリーニング法を用いて、ネビラピンとして一般的に知られる最初のNNRTIであるBI-RG-587が開発されました。HEPTやTIBOと同様に、ネビラピンは非競合阻害（dNTP結合に関して）によってウイルスRT活性を阻害しました。これは、新しいクラスの抗HIV阻害剤が活性部位ではなくRTの活性を阻害しているという考えを裏付けるものでした。多くの分子のスクリーニングと進化を経て、いくつかのNNRTIの分子ファミリーが出現しました。[ 8 ]
第一世代の 3 つの NNRTI 化合物が、HIV-1 感染症の治療薬として FDA によって承認されています。ネビラピンは 1996 年に、デラビルジンは 1997 年に、エファビレンツは 1998 年に承認されました (表 1)。これらの薬剤のうち、ネビラピンとエファビレンツは第一選択 HAART の要となっていますが、デラビルジンは現在ではほとんど使用されていません。[ 7 ] [ 8 ]これら 3 つの薬剤の構造は、HIV-1 RT に対する活性を可能にする環、置換基、および結合の幅広い種類を示しています。この多様性は、なぜこれほど多くの非ヌクレオシドが合成されたのかを示していますが、なぜ 3 つの薬剤しか市場に出回っていないのかを説明するものではありません。主な問題は、これらの化合物が耐性を獲得する可能性が高いことです。[ 8 ]
結晶構造解析により、第一世代NNRTI（例えばTIBO、ネビラピン、α-APA）はHIV-1 RTに「蝶のような」コンフォメーションで結合することが示された。これらの第一世代NNRTIは、Tyr-181CやTyr-188L/Hなどの一般的な薬剤耐性変異に対して脆弱であった。このことから、より効果的な新しいNNRTIを見つける必要性が生じた。有望なNNRTIシリーズであるITU（イミドイルチオ尿素）は、α-APAアナログから出現した（図4）。ITU化合物は、α-APAのアリール側鎖に結合するリンカーを延長することによって得られた。強力なITU化合物であるR100943は、構造活性相関（SAR）に基づいて側鎖の化学組成を配置することによって得られた。HIV-1/R100943複合体の結晶構造は、ITU化合物がα-APA化合物よりも柔軟であることを示した。 ITU化合物は、「ホースシュー」または「U」モードで結合するという明確な結合様式を示した。R100943の2,6-ジクロロフェニル部分は、化学的にはα-APAのウィングII 2,6-ジブロモフェニル部分に対応し、NNIBPのウィングI部分を占める一方、R100943の4-シアノアニリノ部分はNNIBPのウィングII位置を占める。[ 10 ] [ 17 ]
R100943はHIV-1を阻害し、ロビリド（α-APA）およびネビラピンに対する高レベル耐性を引き起こすG190A変異など、多くの重要なNNRTI耐性変異体に対して非常に効果的であった。G190A変異は、蝶型NNRTIのリンカー部分が占めるはずの結合ポケットの一部を占有することで耐性を引き起こすと考えられていた。馬蹄形結合モードのR100943は、G190から約6.0Åの距離に位置している。蝶型に結合するネビラピンおよびロビリドと比較すると、ITU誘導体はTyr-181CおよびTyr-188L変異体に対して活性が向上していることが明らかになった。構造研究では、強力なTIBO化合物が、変異RTの非ヌクレオシド阻害剤結合ポケット（NNIBP）に移動することで、Tyr-181C変異の影響を部分的に補うことができることが示唆された。この文脈において、R100943はNNRTIの立体配座変化を可能にするねじれ自由度を有する。このねじれ自由度は、ITU誘導体が変異したNNIBPに結合するために利用され、それによって耐性変異の影響を補償する可能性がある。しかしながら、R100943のHIV-1耐性変異体に対する効力は、有効な薬剤候補とみなされるには十分ではなかった。さらに、ITU誘導体のイミドイルチオ尿素部分の化学的安定性は、経口薬としては好ましくなかった。[ 10 ] [ 18 ] [ 19 ]
イミドイルチオ尿素錯体の変化により、ジアリルトリアジン（DATA）という新しいクラスの化合物が合成された。これらの化合物では、ITU化合物のチオ尿素部分がトリアジン環に置き換えられている。DATA化合物は、一般的なNNRTI耐性変異株に対してITU化合物よりも強力であった。プロトタイプDATA化合物であるR106168は、比較的容易に合成できた。3つの環すべてと環をつなぐリンカーの異なる位置に複数の置換が行われた。ポケット内では、ほとんどのDATA誘導体が馬蹄形配座をとっていた。R106168の2つの翼（2,6-ジクロロベンジルと4-シアノアニリノ）は、ITU誘導体の2つの翼と同様の位置をポケット内で占めていた。ITU誘導体のチオ尿素基がトリアジン環に置き換えられたDATA化合物の中心部分は、L100とV179の側鎖の間に位置している。これにより、中央部分のねじり自由度がいくつか減少したが、トリアジン環と翼の間の柔軟性は維持された。[ 10 ] [ 20 ]
DATA化合物の3つの芳香環骨格における化学置換または修飾は、活性に大きな影響を与えた。DATAアナログであるR120393は、ポリメラーゼプライマーグリップループの保存されたW229の側鎖との相互作用を拡大するために、ウィングIにクロロインドール部分を持つように設計された。R120393は、ほとんどのNNRTI耐性変異体に対してR106168と同様の効果を示した。クロロインドール部分はポケットの疎水性コアと相互作用し、R120393の結合様式に影響を与え、他のDATAアナログのウィングIの位置と比較してポケットのより深いところまで入り込んだ。結晶構造は、DATA化合物がNNIBPに異なるコンフォメーションで結合できることを示した。複数のモードで結合できる能力により、NNRTIは薬剤耐性変異に対してより強力になった。化学組成、ウィングIのサイズ、および環を連結する2つのリンカーグループを変更すると、阻害剤間の多様性が見られた。トリアジン窒素原子が炭素に置換されると、NNRTIの効力は変化した。 [ 10 ]
研究者らは、耐性プロファイルが優れ、耐性発達に対する遺伝的障壁が高まったNNRTIを設計するために、学際的なアプローチを使用した。[ 10 ] DATA化合物の中央のトリアジン環をピリミジンに置き換えることにより、ジアリルピリミド（DAPY）という新しいクラスの化合物が発見された。この新しいクラスは、対応するDATAアナログよりも薬剤耐性HIV-1株に対して効果的であった。この置換により、中央芳香環の5 位のCH基への置換が可能になった。最初のDAPY化合物の1つであるダピビリン（R1 = 2,4,6-トリメチルアニリノ、R2 = R3 = H、Y = NH）は、薬剤耐性HIV - 1株に対して効果的であることがわかった。新しいDAPY誘導体を見つけるために、 R1、R2 、 R3 、 Yの位置に体系的な化学置換が行われた。これにより、ピリミジン環の5位（R 3）に臭素置換基を持つエトラビリンが発見されました（R 1 = 2,6-ジメチル-4-シアノアニリノ、R 2 = NH 2、Y = O）（図5）。[ 10 ]エトラビリンは、ヤンセン研究財団とティボテックの研究者によって発見され、2008年にFDAによって承認されました。多剤耐性のHIV感染症の治療経験のある成人患者に、他の抗レトロウイルス薬と併用して使用されます。 [ 21 ]
細菌性感染症であれウイルス性感染症であれ、感染症を治療する際には、感染性病原体が薬剤耐性を獲得するリスクが常に存在する。HIV感染症の治療は特に薬剤耐性の影響を受けやすく、これは感染症の化学療法において深刻な臨床上の懸念事項となっている。抗レトロウイルス薬の存在下でウイルスが複製できる場合、薬剤耐性HIV株が出現する。[ 10 ]
NNRTI耐性HIV株は、主にNNIBP内およびその周辺に突然変異を起こし、ポケットのさまざまな領域のサイズ、形状、極性を変化させることによってNNRTI結合に直接影響を与えたり、間接的にポケットへのアクセスに影響を与えたりします。 [ 10 ]これらの突然変異は、主にp66サブユニットのアミノ酸98-108、178-190、または225-238にまたがるドメインで認められます。NNRTIを含む化学療法が失敗した患者から分離されたウイルスで最も頻繁に観察される突然変異は、Lys-103NとTyr-181Cです。NNRTI耐性は、in vitroおよびin vivoで40を超えるアミノ酸置換と関連付けられています。[ 7 ]
抗レトロウイルス薬は、耐性が急速に発達するため、単剤療法では決して使用されません。高活性抗レトロウイルス療法（HAART）は1996年に導入されました。[ 6 ]この治療法は、少なくとも2つの異なるクラスの抗レトロウイルス薬から3つの薬剤を組み合わせたものです。[ 7 ]
エトラビリンが他のNNRTIよりも優れている点は、薬剤耐性の発現に複数の変異が必要であることである。この薬剤は、一般的なNNRTI耐性関連変異および交差耐性変異を有するウイルスに対しても活性を示している。[ 21 ]
NNRTIs のクラスに属する薬剤のうち、5 種類が規制当局によって承認されています。これらは、第一世代 NNRTIs であるネビラピン、デラビルジン、エファビレンツ、および次世代 NNRTIs であるエトラビリン、リルピビリンです。他のいくつかの NNRTIs は臨床開発が行われましたが、薬物動態、有効性、および/または安全性の要因が好ましくなかったため、開発が中止されました。現在、IDX899、RDEA-428、レルシビリンの 4 つの NNRTIs が臨床開発中です (表 2)。
リルピビリンはエトラビリンと同様のDAPY化合物であり、このNNRTIファミリー内でのさらなる最適化が行われた際に発見されました。耐性プロファイルと耐性発現に対する遺伝的障壁は、in vitroでエトラビリンと同等です。リルピビリンのエトラビリンに対する利点は、バイオアベイラビリティが優れていることと、エトラビリンよりも製剤化が容易であることです。エトラビリンは溶解性とバイオアベイラビリティが低いため、広範な化学製剤化作業が必要でした。 [ 7 ]リルピビリンは、2011年5月にエデュラントというブランド名でHIV治療薬としてFDAの承認を受けました。[ 22 ]エデュラントは、治療開始時にウイルス量が100,000コピー/mL以下の治療未経験患者に承認されています。[ 23 ]推奨用量は、他の抗レトロウイルス薬と併用して、1日1回、食事とともに25mgを経口投与することです。[ 24 ] 胃内pHの上昇によりリルピビリンの血漿中濃度が低下し、ウイルス学的反応の喪失や耐性の発現につながる可能性があるため、プロトンポンプ阻害剤との併用は禁忌である。[ 24 ]リルピビリンとエムトリシタビンおよびテノホビルジソプロキシル（TDF）を組み合わせた固定用量製剤は、2011年8月に米国食品医薬品局によりコンプレラという商品名で承認された。[ 25 ]リルピビリンとエムトリシタビンおよびテノホビルアラフェナミド（TAF）を組み合わせた新しい固定用量製剤は、2016年3月にオデフシーという商品名で承認された。
2007年、製薬会社Ardea Biosciencesの研究者らが、新しいトリアゾールNNRTIファミリーを発表しました。スクリーニングの結果、トリアゾールファミリーに属するRDEA806が選ばれました。これは、他の次世代NNRTIと同様に、選択されたNNRTI耐性HIV-1株に対する耐性プロファイルを持っています。[ 7 ]この候補は2009年末に第IIb相臨床試験に入りましたが、[ 26 ]それ以降の試験は開始されていません。Ardeaは2012年にAstraZenecaに売却されました。[ 27 ]
フォスデビリン（IDX899およびGSK-2248761としても知られる）は、Idenix PharmaceuticalsとViiV Healthcareによって開発された次世代NNRTIである。これは3-ホスホインドールファミリーに属する。in vitro試験では、他の次世代NNRTIと同等の耐性プロファイルが示された。[ 7 ] 2009年11月、この候補薬は第II相臨床試験に入ったが、フォスデビリンを投与された35人の被験者のうち5人が遅発性発作を起こしたため、試験およびそれ以降の開発はすべて中止された。[ 28 ]
レルシビリンはピラゾール系に属し、製薬会社ViiV Healthcareが開発した臨床試験中の次世代 NNRTI の一つです。耐性プロファイルは他の次世代 NNRTI と同様です。2009 年末にはレルシビリンは第 IIb 相にありました。[ 7 ] 2013 年 2 月、ViiV Healthcare はレルシビリンの研究を行う開発プログラムの中止を発表しました。[ 29 ]