Natural phosphodiesterase 5 (PDE5) inhibitors: a computational approach
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31140295/
オンライン公開：2019年5月29日
概要
1998年、シルデナフィルは、FDA（米国食品医薬品局）が承認した最初の経口勃起不全（ED）治療薬として発売された。この20年の間に、他の合成ホスホジエステラーゼ5（PDE5）阻害剤の商業化と並行して、様々な化学的クラスの天然分子（フラボノイド、ポリフェノール、アルカロイド全般）をベースにした治療法の増加が見られた。本研究では、科学文献や民間療法でEDに効果があると主張されている30種類の天然化合物を対象に、一連のin silicoツールを用いて研究を行った。まず、薬物動態学的特性を分析して、特定の薬物的特徴を持たない化合物を除外した。次に、PDE5に対する結合エネルギーの推定値と、他のPDEアイソフォームに対する選択性を考慮して、有望な分子を抽出した。最終的に、シルデナフィルと比較してPDEとの相互作用パターンを詳細に構造的に検討し、セットの中で最もパフォーマンスの高い化合物を抽出した。
論文履歴
2019年3月15日受領 2019年5月12日受理
キーワード
PDE5; 勃起不全; フラボノイド; シルデナフィル; ドッキング
1. はじめに
シルデナフィルは、ホスホジエステラーゼ5（PDE5）の阻害を通じて作用する最初の経口薬であり、勃起不全（ED）の治療薬として米国食品医薬品局（FDA）に承認された（Goldstein et al 1998年、Goldstein2000,Yafi et al 2018）。PDE5阻害剤は、陰茎平滑筋の弛緩を促進するcGMPの分解を対比するものであり、基質特異性、速度特性および組織分布が異なる他のPDEに関して、効力および選択性の点で現在ランク付けされている（Bischoff 2004;Ribaudo er al 2016）。PDE5阻害剤の使用に関連する最も一般的な副作用は、顔面紅潮、頭痛、消化不良 背中の痛み、筋肉痛 難聴、視覚障害、プリアピズム、および一部の特定のケースではメラノーマであり、これらはある程度、他のPDEアイソフォーム（既知の11ファミリーのうち、特に1,3,6および11）および他の分子メカニズムへの干渉に起因する（Bischoff 2004; Yafi er al)。） 過去20年間のPDE5阻害剤の実りある開発は、より安全であると認識されがちな自然療法に基づく代替治療の増加と並行して行われた。
2. 結果と考察
異なる化学クラスに属するいくつかの天然化合物は、EDに対する活性を示すことが報告されており、他の分子メカニズムが関与しているかもしれないが、PDE5に対する阻害特性が主張されている（Pavan er al 2015; Abusnina and Lugnier 2017）。
これまでのin silico研究では、ポリフェノールを中心とした単一クラスの天然分子とPDE5との相互作用が調査されている（Srivaniら 2007; Chen 2009; Ribaudoら 2017; Aryaら 2018）。さらに、新規合成PDE5阻害剤を浮き彫りにすることを目的としたコンピュータ支援創薬に関して、Tom€ori€らは、物理化学的パラメータのスクリーニング、2D類似性および3Dドッキングを含む包括的なin silicoアプローチを発表した（Tom€ori€ et al 2012）。
本研究では，8種類のPDEアイソフォームと，様々な植物から抽出した30種類の天然化合物の中から，試験管内試験および生体内試験でEDに有効であると報告されている化合物を検討した。また、伝統的な医学からの治療薬や、より合理的な観点から最近再研究された植物複合体も含まれている。フラボノイド類では、イカリン、アピゲニン、ルテオリン、ナリンゲニン、ケルセチン、オサジン、ポミフェリン、スカンデノン、オーリキュラシン、クラウシアノン2～5を選択した（Pavan er al 2015; Ribaudo er al 2015; Abusnina and Lugnier 2017; Oboh er al 2017）。いくつかのポリフェノール、より具体的には有機酸、すなわちフォルスコリン、レスベラトロール、没食子酸、クロロゲン酸、カフェ酸、エラグ酸、キサントフモール、EGCGが選ばれて紹介されている（Pavan er al 2015; Oboh er al 2017）。この2大クラスに加えて、デルフィニジン、マカ2,オストホール、ジンセノサイドRe、カフェイン、ヨヒンビン、ベルベリン、マカリジン、チラミンなどの他のアルカロイドやアントシアニジンも検討された（West and Krychman 2015; Abusnina and Lugnier 2017; Ribaudo er al 2018）（図1）。シルデナフィルは、in silicoのルーチンを通して参照分子として選択された。
まず、Molinspiration Cheminformaticsソフトウェア（https://www.molinspiration.com）を用いて、天然分子の予測される薬物動態特性をcalcu-latedした。
図1 調査した主な化学クラスに属する化合物の化学構造
ドラッグライクネスに関する最新の報告書のガイドラインによると、TPSA > 140 Å2および/またはMW > 800 Daの化合物（クロロゲン酸、EGCG、エラグ酸、ジンセノサイドReおよびイカリイン）は、予想される細胞伝染性が非常に限られているため、研究の第2段階には認められなかった（Petit er al 2012; Matsson and Kihlberg 2017）。計算されたパラメータの説明、詳細な結果および選択基準は、（表S1）に報告されている。
ドッキング研究に関しては、PDE5に対する予備的な選択性プロファイルを提供するために、RCSB Protein Data Bank（www.rcsb.org）で入手可能なPDEアイソフォームを考慮した。PDE5(2H44)の他に、PDE1(5W6E)、PDE2(4JIB)、PDE4(1XOS)、PDE6(3JWQ)、PDE7(4PM0)、PDE9(3JSW)、PDE10(5K9R)に対して、に記載されているプロトコルに従って化合物をドッキングさせた。結果は表1の通りである。
最も有望な化合物を特定するために、2つの主要な基準を採用した。まず、シルデナフィルのPDE5に対するDG値（10.1kcal/mol）を参考にして、より良い結合エネルギー値を示す分子を選び出した。次に、他のPDEアイソフォームに対する選択性比が1を超える分子を除外した（値はのTable S2参照）。選択性比は、他のPDEアイソフォームの推定DG値をPDE5（2H44）のDG値で割って計算した（Loza-Mejıa er al 2018）。結果として得られたセットの間の交点は、30の天然化合物の元の配列の中で、PDE5に対する最も有望な計算された薬物動態特性、結合エネルギー値および選択性を示す分子の最終グループを提供した。この暫定的なリード化合物群には、アピゲニン、ベルベリン、デルフィニジン、クラウス-シアノン2,3,4,ルテオリン、ナリンゲニン、オサジン、キサントフモールが含まれる。化合物のPDE5阻害作用およびPDE関連血管弛緩作用に関する実験データと計算結果を比較することで，ドッキングプロトコルを予備的に評価した（の表S3参照）。すべての化合物のIC50値が得られていないにもかかわらず、検索されたデータによれば、本プロトコルは、ルテオリン、オサジン、デルフィニジンの潜在的な有効性を予測し、非活性化合物（ケルセチン、ポミフェリンなど）の大部分を正しく識別するのに有効であった。しかし、ナリンゲニンとキサントフモールの挙動の予測はあまり正確ではなかった。ドッキング設定の信頼性は、リガンドとしてバルデナフィル、タダラフィル、アバナフィル、および「Database of Useful Decoys.Enhanced」の構造を用いて同じin silico実験を行うことでも検証された。また、バルデナフィル、タダラフィル、アバナフィル、「Database of Useful Decoy: Enhanced」の構造体をリガンドとして用いて同様のin silico実験を行ったところ（Huang er al 2006; Mysinger er al 2012)推定DG値が全体の半分以上になった（の表S4）。さらに、相互作用モチーフの観点から、共結晶リガンドであるシルデナフィルをPDE5（2H42）に再ドッキングし、計算結果と実験結果のポーズを重ね合わせることで、予測の精度を検証した（の図S1）。
表1. PDEアイソフォームに対する研究対象化合物の推定DG値（kcal/mol）。括弧内はPDB IDを示す
このようにして選ばれた生理活性天然分子の中で、PDE5に対する結合エネルギーが最もよく見積もられたのは、kraussianone 2（図1）であった（-11.9 kcal/mol）。この化合物は、南アフリカの伝統医学で使用されているEriosema kraussianumに含まれており、ズールー族の伝統的な医療従事者がEDに効果があると主張している。さらに、クラウシアノンの血管弛緩作用は、ラットモデルにおいてシルデナフィルと比較して評価されたことがある（Ojewole er al 2006）。Kraussianone 2は、低分子量（420.46 Da）であり、計算上の薬物動態特性も有望である（シルデナフィルと同様に、TPSA¼ 100.13 Å2および体積¼ 376.57 Å3）。さらに詳細なドッキング研究では、PDE5に対するkraussianone 2の3次元結合モチーフをシルデナフィルで計算されたものと比較した。両化合物は同じ部位に結合し、3Dモデルと2D相互作用マップ（の図S2～S7）から観察できるように、クラウシアノン2と合成PDE5阻害剤には共通の相互作用パターンがあり、主に同じ親油性残基（Val782,Phe786,Phe820）と一部の親水性残基（His613,Asn661）に干渉している。
3. 結論
治療効果と副作用は，血漿中や組織中で化合物が到達する有効濃度に関連する高度で相互に関連した分子機構の結果であり，そこにはPDEの複数のアイソフォームが多様に発現している。PDE5を阻害することでEDに効果があると主張する天然分子にとって、薬剤への適合性と選択性プロファイルは重要な要素である。異種多様な分子の中から、化学的な構造が異なり、予測される薬物動態特性を満たし、PDE5に対する選択性が高いと予測される天然化合物のグループに注目した。Kraussianone 2は、評価されたパラメータによれば、これらの化合物の中で最も有望な化合物であることが判明した。