ヌクレオシドおよびヌクレオチド逆転写酵素阻害剤の発見と開発

ヌクレオシドおよびヌクレオチド 逆転写酵素阻害剤（NRTIおよびNtRTI） の発見と開発は、エイズ が西洋社会を襲った1980年代に始まりました。NRTIは、ヒト免疫不全ウイルス（ 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。最初のNRTIはジドブジンで、1987年に米国食品医薬品局（FDA）によって承認され、HIV治療への第一歩となりました。その後、6つのNRTI薬剤と1つのNtRTIが開発されました。NRTIとNtRTIは、内因性の2'-デオキシヌクレオシドとヌクレオチドの類似体です。薬剤耐性ウイルスは、HIV-1が抗HIV薬に長期間さらされると必然的に生じます。

1981年の夏、後天性免疫不全症候群（AIDS）が初めて報告されました。^[1] 2年後、 AIDSとの病因的関連としてヒト免疫不全ウイルス（HIV）が特定されました。 [ ^{2] [3]} HIVの特定以来、効果的な抗レトロウイルス薬の開発とHIV研究における科学的成果は膨大です。^{[3] [4]} HIV感染症の治療のための抗レトロウイルス薬は、ヌクレオシドおよびヌクレオチド逆転写酵素阻害剤、非ヌクレオシド逆転写酵素阻害剤、プロテアーゼ阻害剤、侵入阻害剤、共受容体阻害剤、およびインテグラーゼ阻害剤の6つのカテゴリーに属します。^[4] HIV-1の逆転写酵素は、抗HIV薬開発の主な基礎となっています。^[5] in vitroで抗HIV活性を示した最初のヌクレオシド逆転写酵素阻害剤はジドブジンでした。^[6] 1987年にジドブジンが承認されて以来、6つのヌクレオシドと1つのヌクレオチド逆転写酵素阻害剤（NRTI）がFDAに承認されています。^{[6] FDAに承認されているNRTIは、ジドブジン、}ジダノシン、ザルシタビン、スタブジン、ラミブジン、アバカビル、エムトリシタビンであり、承認されている唯一のヌクレオチド逆転写酵素阻害剤（NtRTI）はテノホビルです（表4を参照）。^{[4] [6]}

標準的なHIV薬物療法のほとんどは、HIV-1ウイルスやその他のレトロウイルスがそのライフサイクルを完了するために必要な酵素である逆転写酵素（RT）を阻害することを中心に展開されています。^[5] RT酵素には2つの重要な機能があります。まず、ポリメラーゼ活性を介してウイルスの遺伝物質の複製を制御します。ウイルスの一本鎖RNAを統合可能な二本鎖DNAに変換します。その後、生成されたDNAは宿主細胞の核に移行し、レトロウイルスインテグラーゼによってゲノムに組み込まれます。RTのもう1つの役割は、 RNAがDNAとヘテロ二本鎖になっている場合にのみRNAを分解するリボヌクレアーゼH活性です。^{[7] [8]}

HIV-1 RTは、1000アミノ酸長の非対称ヘテロ二量体で、2つのサブユニットで構成されています。大きい方のサブユニットp66は560アミノ酸長で、RTのすべての酵素活性を示します。^{[8] p51と呼ばれる小さい方のサブユニットは440アミノ酸長で、ヘテロ二量体を安定化させると考えられていますが、} tRNAプライマーの結合にも関与している可能性があります。p66サブユニットには、ポリメラーゼとリボヌクレアーゼHの2つの活性部位があります。ポリメラーゼには、右手に例えられていることから「指」、「親指」、「接続」、「手のひら」と名付けられた4つのサブドメインがあります。^{[7] [8] [9]}

ヌクレオシドおよびヌクレオチド逆転写酵素阻害剤の活性化は、主に受動拡散またはキャリア媒介輸送による細胞内への侵入に依存しています。NRTIは親水性が高く、膜透過性が限られているため、このステップは非常に重要です。NRTIは、内因性の2'-デオキシヌクレオシドおよびヌクレオチドの類似体です。それらは親形態では不活性であり、連続的なリン酸化を必要とします。^[6]

ヌクレオシドは三リン酸化される必要があり、一方、１つのホスホン酸基を有するヌクレオチドは二リン酸化される必要がある。^[10]この段階的な活性化プロセスは細胞内で起こり、一連の酵素の協調によって媒介される。^[11]最初の、そしてしばしば律速段階であるリン酸化ステップ（ヌクレオシド類似体の場合）は、最も一般的にはデオキシヌクレオシドキナーゼによって触媒される。ヌクレオシド一リン酸類似体への２番目のリン酸基の付加は、ヌクレオシド一リン酸キナーゼ（NMPキナーゼ）によって完了する。ヌクレオシド二リン酸キナーゼ（NDPキナーゼ）、ホスホグリセリン酸キナーゼ、ピルビン酸キナーゼ、クレアチンキナーゼなど、さまざまな酵素がNRTIの最終リン酸化ステップを触媒することができ、その結果、それぞれ抗ウイルス活性のある三リン酸類似体が形成される。^[6] それぞれの三リン酸型では、NRTIと利用可能な唯一のNtRTIは、対応する内因性デオキシヌクレオチド三リン酸（dNTP）と競合して、新生DNA鎖への組み込みをめぐって競合します（図1を参照）。^{[6] dNTP基質とは異なり、NRTIは}デオキシリボース部分に3'-ヒドロキシル基を欠いています。DNA鎖に組み込まれると、通常は次の核酸と5'-から3'-リン酸エステル結合を形成する3'-ヒドロキシル基がないため、RTによるDNAのさらなる伸長がブロックされ、連鎖終結因子として機能します。^{[10] [12]}

1964年、ミシガン癌財団のホロウィッツがジドブジン（AZT）を合成した。チミジンのデオキシリボース環の3'ヒドロキシル基がアジド基に置き換えられ、ジドブジンが生まれた。^[13]逆転写中に成長するDNA鎖の次のヌクレオチドの結合点となる3'ヒドロキシル基がないため、ジドブジンは絶対連鎖終結因子となる。ジドブジンはチミジンの代わりに組み込まれ、HIV複製の極めて強力な阻害剤である。^{[14]この化合物は1964年に潜在的な}抗癌剤として調製されたが、効果がないことが示された。^[15] 1974年、ジドブジンはレトロウイルスに対して活性があると報告され、その後、1980年代半ばに西洋社会でエイズが流行した際に抗ウイルス薬として再検査された。^{[13] [15]}しかし、ジドブジンは細胞酵素によって三リン酸に変換され、感染していない細胞でも活性化されるため、比較的毒性が強い。 ^[14]

ジデオキシヌクレオシドは、糖環に2'-ヒドロキシル基と3'-ヒドロキシル基の両方が欠けているヌクレオシドの類似体です。^{[9]ジドブジンの}合成から3年後、ジェローム・ホロウィッツとシカゴの同僚は、現在ザルシタビン（ddC）として知られる別のジデオキシヌクレオシドを調製しました。^[16]ザルシタビンは、デオキシシチジンと構造的に関連している合成ピリミジンヌクレオシド類似体で、リボース糖部分の3'-ヒドロキシル基が水素で置換されています。^[17]ザルシタビンは、1992年6月にFDAによってHIV-1の治療薬として承認されました。^{[3] [18]}

2’,3’-ジデオキシイノシンまたはジダノシンは、生体内でジデオキシアデノシンに変換されます。その開発には長い歴史があります。^[19] 1964年に、ザルシタビンの対応するアデノシン類似体であるジデオキシアデノシンが合成されました。ジデオキシアデノシンは腎臓に障害を引き起こすため、ジダノシンはジデオキシアデノシンから酵素酸化によって調製されました（表1を参照）。腎臓に障害を引き起こすことなく、HIVに対して活性があることがわかりました。^[16]ジダノシンは、1991年10月にFDAによってHIV-1の治療薬として承認されました。^[18] ザルシタビンとジダノシンはどちらも必須の連鎖停止剤であり、抗HIV治療用に開発されました。残念ながら、どちらの薬剤も選択性がなく、副作用を引き起こします。^[14]

ジデオキシ骨格のさらなる改変により、2’,3’-ジデヒドロ-3’-デオキシチミジン（スタブジン、d4T）が開発されました。スタブジンの活性はジドブジンの活性と類似していることが示されましたが、リン酸化パターンは異なります。 ジドブジンのチミジンキナーゼ（最初のリン酸化を担う酵素）に対する親和性はチミジンの親和性と類似していますが、スタブジンに対する親和性は700倍弱いです。^[9]

2',3'-ジデオキシ-3'-チアシチジン（ラミブジン、3TC）は ベルナール・ベローによって発見されました。歴史

ラミブジンの歴史は、ベルナール・ベローが糖誘導体を研究していた1970年代半ばにまで遡ります。ラミブジンはザルシタビンの硫黄類似体として開発されました（表2を参照）。^{[16]当初は}ラセミ混合物（BCH-189）として合成され、分析の結果、BCH-189（2',3'-ジデオキシ-3'-チアシチジン）の正および負の両エナンチオマーがHIVに対してin vitro活性を示した。ラミブジンは負のエナンチオマーであり、ピリミジンヌクレオシド類似体である。2'-デオキシシチジンのリボース環の3'炭素は、正のエナンチオマーよりも抗HIV活性が高く毒性が低いため、硫黄原子に置き換えられました。^{[16] [20] [21]}

次に登場したのは、ラミブジンの構造相同体である2',3'-ジデオキシ-5-フルオロ-3'-チアシチジン（エムトリシタビン、FTC）である。構造上の違いは、ラミブジンの塩基部分の5-フルオロ修飾である。これはラミブジンと多くの点で類似しており、HIV-1とB型肝炎ウイルス（ HBV ）の両方に対して活性である。^{[21] [22]}

ジデオキシアデノシンの炭素環式類似体の抗HIV活性が調査された。最初は最小限の活性が観察された。多くのヌクレオシド類似体が調製され、検査されたが、有意な活性を示し、臨床使用の要件を満たしたのは1つだけだった。それはジデオキシアデノシンの2',3'-ジデヒドロ類似体であった。アデニン環の6アミノ窒素にシクロプロピル基を挿入すると親油性が高まり、脳への浸透性が向上した。結果として得られた化合物はアバカビルとして知られている（表3を参照）。^[16]アバカビルは、1998年12月にFDAによってHIV-1感染症の治療薬として承認された。^[20]

この薬は、生体内でグアノシン類似体として活性を示す唯一の承認済み抗レトロウイルス薬です。まず、アデノシンホスホトランスフェラーゼによって一リン酸化され、次に一リン酸がカルボビル 3'-一リン酸に変換されます。その後、完全にリン酸化され、カルボビルは RT によって DNA 鎖に組み込まれ、連鎖終結剤として機能します。カルボビルは、経口バイオアベイラビリティが低いため臨床開発から撤退した、関連するグアノシン類似体です。^[19]

ヌクレオチド類似体はリン酸化ステップが2段階のみであるのに対し、ヌクレオシド類似体は3段階を必要とする。リン酸化要件の低減により、薬物をより迅速かつ完全に活性代謝物に変換できる可能性がある。このような考慮から、テノホビルなどのホスホネートヌクレオチド類似体が開発された。テノホビルジソプロキシルフマル酸塩（テノホビルDF）はテノホビルのプロドラッグである。テノホビルは非環式アデノシン誘導体である。この化合物の非環式性およびそのホスホネート部分は、承認されたNRTIの中ではユニークな構造的特徴である。^[21]テノホビルDFは酵素的に加水分解されて抗HIV活性を示すテノホビルになる。^{[23] [24]これは、2,3-ジヒドロキシプロピルアデニンの合成と}広範囲の抗ウイルス活性によって開発されました。^[24]テノホビルDFは、2001年10月にFDAによってHIV-1感染症の治療薬として承認された最初のヌクレオチド逆転写酵素阻害剤であった。^{[18] [23]}

ここに何も書かれていないのに、なぜ表が次のセクションの見出しを飲み込んでしまうのでしょうか?

現在、薬剤耐性ウイルスの出現は、HIV-1が抗レトロウイルス療法に長期間さらされることの必然的な結果である。薬剤耐性はウイルス感染症の治療において深刻な臨床的懸念事項であり、特にHIVの治療においては難しい問題である。^[25]承認されているすべてのNRTIにおいて耐性変異が知られている。^[26]

NRTI薬剤耐性を引き起こす主なメカニズムとして、NRTIの取り込みの妨害と取り込まれたNRTIの除去の2つが知られています。^{[26] [27]}取り込まれたNRTIの妨害には、RTのp66サブドメインの変異が関与しています。 ^[27]この変異により立体障害が発生し、ラミブジンなどの特定の薬剤が逆転写中に組み込まれなくなります。取り込まれたNRTIが除去される場合、耐性酵素は阻害剤をDNA鎖への組み込みの基質として容易に受け入れます。^[27]その後、RT酵素は重合ステップを逆転させることで、取り込まれたNRTIを除去できます。除去反応にはピロリン酸供与体が必要で、RTはこれを3'プライマー末端でNRTIに結合させ、プライマーDNAから切り出します。^[27] 患者におけるHIV-1複製の効率的な阻害を達成し、薬剤耐性ウイルスの出現を遅らせたり予防したりするために、薬剤の組み合わせが使用されます。HAARTは、高活性抗レトロウイルス療法としても知られ、NRTI、NtRTI、非ヌクレオシド系逆転写酵素阻害剤、プロテアーゼ阻害剤などの抗ウイルス薬の組み合わせで構成されています。^[28]

現在、臨床および前臨床開発のさまざまな段階にあるNRTIがいくつかあります。HIV-1に対する新しいNRTIの探索を続ける主な理由は、毒性を低減し、耐性ウイルスに対する効率を高め、抗HIV-1治療を簡素化することです。^{[6] [26] [29]}

アプリシタビンはデオキシシチジン類似体です。構造的にはラミブジンと関連しており、酸素と硫黄の位置が基本的に逆になっています。 ^[21]アプリシタビンは他のNRTIに比べてin vitroでの効力が少し劣りますが、NRTI耐性変異を持つHIV-1変異体の広範囲に対してその活性を維持しています。アプリシタビンはNRTI経験患者の治療のための臨床開発の最終段階にあります。^[6]

エルブシタビンは、ジドブジンやラミブジンを含むいくつかの他のヌクレオシド類似体に耐性のあるHIVに対して活性を持つデオキシシチジン類似体です。^[22]これは、細胞内で三リン酸代謝物の細胞内濃度が高くなるためです。 ^[6]エルブシタビンの臨床試験は、一部の患者で骨髄抑制が見られ、投与開始後2日でCD4 +細胞数が減少するため、一時停止されています。 ^{[22] [29]}

アムドキソビルは、バイオアベイラビリティに優れたグアノシン類似体NRTIプロドラッグです。^{[6] [22] [29]}アデノシンデアミナーゼによって細胞内で脱アミノ化され、ジオキソラングアニン（DXG）になります。この薬剤の活性型であるDXG三リン酸は、DAPD三リン酸よりも活性が強いです。^[22]アムドキソビルは現在、フェーズII臨床試験中です。^{[24] [29]}

ラシビルは、エムトリシタビン（FTC）の2つのβ-エナンチオマー、（-）-FTCと（+）-FTCのラセミ混合物です。ラシビルは経口バイオアベイラビリティに優れ、1日1回の服用で済むという利点があります。ラシビルは2つのNRTIと組み合わせて使用​​​​することも考えられ、組み合わせて使用​​した場合の有望な抗ウイルス活性を示しています。ラシビルは現在、第II相臨床試験中です。^{[6] [22] [29]}

開発中のNRTIは他にもいくつかあります。スポンサーが治験薬（IND）申請を提出しているか、申請がFDAに承認されているか、または薬が臨床試験のさまざまな段階にあります。開発中のNRTIの中には、さまざまな魅力的な薬理学的特性を示すものがあり、新しい薬剤を必要とする患者の治療に適している可能性があります。^{[6] [22] [29]}

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