プロジェクトチーム全体が、ボタンを押すだけで素早く自由エネルギー計算を行える機能により、DMTAサイクルの高速化を実現

要約

FEP+ これは、低分子創薬プログラムを加速するために広く採用されている技術であり、ヒット化合物発見、ヒットからリード化合物への選別、およびリード化合物の最適化といった段階に応用されています。 結合エネルギーの予測を行う計算アッセイとしてのFEP+ の精度と有用性は、広範に検証されており、その予測値は平均して実験値から1.0 kcal/mol以内の誤差に収まっています。1,2 実験室での実験に匹敵する精度を持つFEP+ は、オンターゲットおよびオフターゲットの両方に対するデジタル結合親和性アッセイとして機能し、創薬チームが分子プロファイルを効率的に最適化し、確信を持って新規化学構造の探索を進めることを可能にします。

自由エネルギー計算の実行には計算コストと複雑さが伴うため、その導入は主に計算化学の専門家によって推進されており、彼らは計算結果を手作業でプロジェクトチームと共有している。これらの手法の効果を最大化し、個々のチームメンバーの主体性を高めるためには、医薬品化学者が直接利用できるようにするとともに、従来のバーチャルスクリーニング手法と同等の規模で実行可能にする必要がある。

これらの目標に向けて、自由エネルギー計算の利便性を高める取り組み――特にシングルエッジFEP+ （SE-FEP+ ）――が進展したことで、構造 に基づく分子設計において新たなパラダイムが可能となりました。SE-FEP+ シミュレーションは、フルサイクルクロージャーFEP+ （CC-FEP+ ）シミュレーションに比べてごくわずかな時間で実行でき、実行は「ボタンを押すだけ」と捉えることができます。これにより、クラウドネイティブの共同エンタープライズ設計プラットフォームであるLiveDesign への導入が容易になります。 このワークフローにより、プロジェクトチームの全メンバーがFEP+ を自身の設計ワークフローに統合できるようになり、化学者が化合物 での合成に先立ち、仮説をデジタルで検証し、設計を反復的に改善できる、高度にインタラクティブで完全にインシリコ（in silico）な設計・製造・試験・解析（DMTA）サイクルが実現されます（図1）。

SchrödingerのTherapeuticsグループ 部門にあるある腫瘍学プログラムにおいて、プロジェクトチームは、LiveDesign のFEP+ を用いて、4週間にわたり多くの反復的なin silico DMTAサイクルを実行することで、化合物 活性 を100倍以上向上させることに成功しました。

シングルエッジFEP+ ：

わずかな時間で相対的な結合親和性を正確に予測

ドッキングやMM-GBSA計算と比較して、フルサイクルクロージャー型FEP+ （CC-FEP+ ）シミュレーションは、化合物の順位付けを極めて高精度に行うことができますが、計算負荷が高く、設定も複雑なため、分子モデリングの専門家以外が設定・実行するのは困難です。

シングルエッジFEP+ （SE-FEP+ ）シミュレーションは、高い予測精度を維持することが実証されていますが、自動化された方法で実行することで、CC-FEP+ シミュレーションに比べて約10倍高速に実行できる場合が多く、新しい設計を効率的に選別することができます。 SE-FEP+ モデルが検証されれば、参照化合物化合物 と共通の骨格（すなわち、共通のコアまたは共通の R-グループ ）を持つ新しい設計を、ボタンひとつでテストするために使用でき、多数の候補化合物の効率的な評価が可能になります（図 2）。

LiveDesign などのコラボレーション・プラットフォームを介して導入された場合、SE-FEP+ により、プロジェクトチームは迅速な設計サイクルを実行し、確信を持ってアイデアの優先順位付けを行うことが可能になります。その後、最も有望な設計アイデアについて、完全な CC-FEP+ 計算を実行することで、合成キューの決定に役立つ最も信頼性の高い活性 予測結果を得ることができます。もし化合物 が、計算化学者が SE-FEP+ モデルの実行のために設定した基準を満たさない場合、その分子をキューに追加し、計算化学者がより手動的な設定で完全な CC-FEP+ を実行することができます。

包括的なデジタル分子設計ラボ

LiveDesign これは、創薬チーム全体向けの柔軟でクラウドネイティブな共同作業環境です。このプラットフォームは、医薬化学戦略、高度なケミインフォマティクス、最先端の計算化学ワークフロー、仮想「設計・試験」技術、そしてリアルタイムのプロジェクトデータへの一元的なアクセスを、すべて単一のインターフェース上で統合することで、デジタル設計プロセスを広く利用可能にし、より生産性の高い設計サイクルを実現します。

このプラットフォームは、ボタンひとつで自由エネルギー計算を行えるなど、強力な予測モデリングワークフローへのアクセスを広く開放することで創造性を促進し、チームが最も有望な設計アイデアを効率的に取り入れ、発展させていくことを可能にします。また、「LiveDesign 」は、チームによるコラボレーションと意思決定を一元化し、設計アイデアのクラウドソーシング、インタラクティブなチームベースの設計、社内外のパートナーとのデータ共有を容易にします。

事例研究：

腫瘍学プログラム SCH-01

SchrödingerのTherapeutics部門グループ が主導する初期段階の抗がん剤創薬プログラムにおいて、プロジェクトチームは初期ヒット化合物の系列を特定し、最適化するという設計上の課題に直面していました。このプログラムでこれまでに合成された200種類の化合物のうち、最も活性の高い分子の結合親和性は2.7 μMと控えめなものであり、ヒットからリードへの移行基準を満たすことができませんでした。 従来の設計戦略では、最も有望な化合物群であっても、数ヶ月にわたるDMTAサイクルを経ても、活性 において有意な改善をもたらすことができませんでした。

この有望なシリーズに関する新たな共結晶構造 を入手したチームは、活性 という課題に取り組むため、FEP+ を活用しました。SE-FEP+ モデルが開発され、既知の実験的結合親和性を用いて遡及的に検証されました。その後、SE-FEP+ モデルがLiveDesign に導入され、これにより医薬品化学者は新たなアイデアを設計し、ボタンをクリックするだけで独自にSE-FEP+ 計算を実行できるようになりました。

この検証済みのモデルを用いて、プロジェクトチームは分子を反復的に設計し、現在の最良値であるシリーズA（活性 ）の4 μMから、活性 の阻害能を向上させる能力をデジタルで評価しました。ある4週間の期間中には、約400の設計案が評価され、そのうちの約65％について、医薬化学チームのメンバーがLiveDesign 上でSE-FEP+ を実行・分析しました。 今月は実験的に新規化合物を合成・試験することはなかったが、チームはFEP+ の予測に基づき、化合物 活性  をインシリコで大幅に最適化することができた。毎週、化学チームが作成した設計案の予測活性 が向上し、最終的にスコアが最も高い化合物が合成および実験的プロファイリングの対象として優先された（図3）。

この1か月の期間中、LiveDesign におけるSE-FEP+ の予測結果に基づき、合成対象として24化合物を優先的に選定したことで、プロジェクトチームは合成待ちリストに高活性な設計化合物を大幅に追加することができました。実際、21化合物において、測定された結合親和性が4 μM未満へと改善されました（図4）。この著しい進展を受け、チームはプログラムをヒット同定段階からヒット・トゥ・リード段階へと、極めて短期間で移行させました。

結論：

LiveDesign へのSE-FEP+ の導入は、医薬品化学者のチームが、強力で「ボタンを押すだけで実行できる」FEP+ 計算に広くアクセスできるようにすることで、計算機主導の設計における新たなパラダイムを提示します。これにより、合成前のアイデアのインシリコ試験のハードルが下がるため、化学者はアイデアを設計する際に、より広範かつ創造的に考えることが可能になります。 さらに、このワークフローにより、計算化学の専門家は、化学チームによるFEP+ の使用に適切なガイドラインを設定し、厳選された化合物に対するより複雑なフルサイクルの課題に時間と労力を集中させることができます。

このワークフローは、活性 の迅速な進行、既知のオフターゲットに対する選択性の最適化、および活性 の維持を支援すると同時に、その他の物理化学的特性を最適化することができます。これにより、プロジェクトチームは主要なマイルストーンを迅速に達成し、ターゲット の製品プロファイルを満たす最適な分子を設計できるほか、合成・試験する化合物の数を大幅に削減することができます。

仕組み

LiveDesign への SE-FEP+ の展開を成功させるには、以下の重要な手順に従ってください。

1. FEP+ のトレーニングを受けた科学者が、特定の関心のあるタンパク質—リガンド —の系列について、FEP+ モデルを作成し、その妥当性を検証します。
2. これらの計算は計算負荷が高いため、許可された構造上の変更、ライセンス、および利用可能な演算ハードウェアに基づいて、モデル実行戦略が決定されます。
3. FEP+ モデルはLiveDesign にアップロードされ、ユーザー入力による制約付きモデルとして共有されます。
4. LiveDesign では、共同研究者は参照分子の構造修飾を設計し、ボタンを1回押すだけでSE-FEP+ 計算を実行できます。
5. 結果は、LiveDesign に直接掲載されており、各設計案に対する自由エネルギーの予測変化、シミュレーション統計、およびタンパク質内のリガンド の3D姿勢などが含まれています。
6. 各チームは、同定 の有望な化合物について、引き続きアイデアを出し合い、改良案を検討することができます。その後、最も有望な化合物は次の段階に進められ、CC-FEP+ を用いてさらに評価が行われ、結合親和性の予測精度を最大限に高めます。

ベストプラクティス

LiveDesign にSE-FEP+ を導入する前に考慮すべき重要なポイント：

• SE-FEP+ モデルが、既知の実験的結合親和性を用いて十分に検証されていることを確認してください。
• プロジェクトチームの全メンバーに対し、モデル予測の正確な解釈について教育を行い、SEFEP+ モデルに対する適切な信頼性を確立する。Schrödinger のオンラインコース「創薬のための自由エネルギー計算」は、FEP+ についてさらに学ぶための有用なリソースであり、実践的なケーススタディも含まれている。
• LiveDesign を使用して、SE-FEP+ モデルを用いて、どの構造変更が正常に実行できるかに関する自動的な安全対策を含むテンプレートレポートを開発する。
• 予想されるスループットに基づき、SE–FEP+ シミュレーションを効率的に実行するために、十分なクラスタ演算リソースを確保してください。
• Schrödinger 当社は、ユーザーの皆様と連携し、ベストプラクティスを共有するとともに、ディスカバリープログラムにおけるFEP+ のワークフローを最適化するためのガイダンスを提供できることを嬉しく思います。ご不明な点がございましたら、お近くのSchrödinger チームまでお問い合わせください。