低分子 | 構造ベース創薬 | 創薬におけるCryo-EM

‌低分子創薬とcryo-EMの重要性

構造生物学と医薬品開発の発展により、構造ベース創薬におけるCryo-EMの導入が加速しています。 1980年代以降、特に近年では加速していた低分子創薬におけるタンパク質構造情報の利用は、分子の臨床応用までの時間とコストを大幅に削減しました。構造ベース創薬（SBDD）のもっとも有名な成功例は、最初のHIV/AIDSプロテアーゼ阻害剤であり、その後、さまざまな分子標的を対象とする多くのがん治療薬が迅速に開発されました。生物薬剤のモダリティの増加にもかかわらず、低分子治療薬は依然として高価値な薬剤資産であり、米国食品医薬品局（US Food and Drug Administration (FDA)）、日本独立行政法人医薬品医療機器総合機構（Pharmaceuticals and Medical Devices Agency (PMDA)）、韓国食品医薬品安全処（Korean Ministry of Food and Drug Safety (MFDS)）などの規制当局による新薬承認の大部分を占めています。

現在では、クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）における「分解能革命」のおかげで、SBDDとフラグメントベースの創薬（FBDD）のアプローチは、新しい標的と新しい低分子モダリティに大幅に拡大されています。

構造ベース創薬

構造ベース創薬（SBDD）アプローチでは、リガンドが標的タンパク質に結合した三次元構造を決定することで、適切な小分子リガンドの定義と最適化を実現できます。医薬化学者と計算化学者、および構造生物学者は、X線結晶学またはcryo-EMから得られた構造を利用し、薬物分子の形状、サイズ、電荷を修正することで創薬と標的の相互作用を改善し、ADMEプロファイルの向上が可能な領域を特定します。

治療コンセプトから最終製剤化までの低分子創薬タイムライン

Cryo-EMワークフローは、構造ベースの手法が利用可能なタンパク質ターゲットを大幅に拡大し、膜タンパク質（GPCR、トランスポーター、チャネルなど）と多量体タンパク質複合体の構造決定においてゴールドスタンダードとなっています。単粒子cryo-EMは、結晶化が困難な膜タンパク質と多タンパク質複合体の高分解能構造を明らかにできるため、Cryo-EMを利用した高スループットSBDDワークフローの自動化の進歩により、ますます多くの低分子医薬品が開発されてきており、今後も開発される見込みです。

サーモフィッシャーサイエンティフィックは、がん標的CDK活性化キナーゼを利用した高スループット単粒子Cryo-EMワークフローの開発と公開を、Carrick Therapeutics社、Imperial College London、およびInstitute of Cancerと共同で行いました。データ取得はわずか1時間で、約3.5～4.5 Åの分解能で創薬とタンパク質の相互作用を解明できました。その後の拡張データ取得により、最大1.8 Åの原子分解能での構造決定が可能になりました。

CDK標的化合物の評価に用いるワークフローです。 ‌Thermo Scientific Glacios Cryo-TEMで迅速にサンプルを最適化した後、Thermo Scientific GlaciosまたはKrios Cryo-TEMで高分解能データを収集します。

これらの構造は、標的分子と阻害剤の相互作用に関する詳細な知見を提供し、次世代のがん治療を合理的に設計するための基礎となります。このアプローチでは、高スループットと再現性を要求する研究環境において、自動化されたCryo-EMワークフローが構造ベース創薬を加速する方法を示しています。

フラグメントベースの創薬

フラグメントベースの創薬（FBDD）は、標的タンパク質に弱く結合する低分子化学フラグメントを特定し、それらを高活性のリード化合物の設計の出発点として利用します。従来、このアプローチの中心はX線結晶学でしたが、膜タンパク質や高分子複合体への適用の制限から、cryo-EMが強力な補完手法としてますます重要になっています。 ‌SPRやITCなどの生物物理学的な方法は、cryo-EMによる構造決定の前にフラグメントを事前にスクリーニングすることができます。

これらの進歩を基に、Astex Pharmaceuticals社はFBDD単粒子cryo-EMワークフローを確立し、困難なタンパク質標的に対するフラグメントスクリーニングを通じて概念実証を実現しました。 2.5 Å未満の原子分解能では、すべてのリガンド密度を明確に特定し、リード化合物生成と最適化のための構成要素として利用できます。

Saurらによる創用図、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスの下に掲載。

標的タンパク質分解

標的タンパク質のうち、低分子で創薬可能と考えられるのはわずか20%にすぎません。標的タンパク質分解（TPD）は、以前では創薬不可能な標的に作用する代替治療アプローチを提供します。ヘテロ二官能性タンパク質分解剤（PROTACs）と分子接着分解剤（MGDs）は、低分子を用いて標的タンパク質をE3ユビキチンリガーゼの近くに誘導し、分解を選択的に行います。

近接誘導化合物を介した標的タンパク質分解。二価分子分解剤は、E3リガーゼ（ピンク色）と標的タンパク質（青色）と形成する三元複合体を介し、ユビキチン鎖（黄色）の結合を引き起こし、その後プロテアソームによる分解が行われます。 Radhakrishnanらによる図、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスの下に使用。

Novartis社は単粒子cryo-EMを用いて、標的リガーゼ複合体に結合した抗がん分解剤インディスラムの構造を解明することにより、その作用メカニズムを明らかにし、新規分解剤の合理的設計におけるCryo-EMの価値を実証しました。

ヒトDDB1-DDA1-DCAF15 E3ユビキチンリガーゼがRBM39とインディスラムに結合した構造。 ‌PDB 6SJ7から再構成された構造

Cryo-EM装置

Thermo Scientific cryo-TEMは、ユーザー介入の低減とデータの整理、閲覧、および共有の簡素化により、これまで以上に高度なcryo-EMを利用可能にしています。ご質問、または研究室に最適なシステムについてのご相談がありますか？フォームに記入し、当社の担当者にお問い合わせください。