(57)【要約】【課題】電子的要素による基質反応性のモデルによって予測された値を修正する到達性補正因子を計算する。【解決手段】補正因子の多くは基質到達性に対する立体または方向効果に関する。補正因子は、基質構造の一つ以上の「記述子」から導出される。記述子および関連する補正因子のそれぞれのグループは、基質上の特定の部位に関する。そのような記述子の例としては、極性、突出、部分表面積、部分電荷などがある。しばしばこの補正因子は複数の記述子の関数である。この関数は、複数の項がなっており、それぞれは特定の記述子の重み付けされた寄与を表現する。他の実施形態においては、補正因子は単に記述子そのものか、または係数、またはその他の関数で積をとられた記述子である。【選択図】図４
2004504819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子上の反応部位の代謝されやすさを予測する方法であって、前記方法は、
ａ）前記部位について反応性への電子的寄与の値を受け取ること、
ｂ）前記部位について到達性補正因子を計算すること、
ｃ）前記到達性補正因子を初期活性化エネルギー値に適用して、前記部位の新しい反応性の値を生成すること、および
ｄ）前記部位について前記新しい反応性の値を出力すること、
を備えた方法。
【請求項２】
前記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）が基質分子上の複数の反応部位について繰り返される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の反応部位のどれが最も代謝されやすいかを決定することをさらに備えた請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記分子到達性補正因子はシトクロムＰ４５０酵素について計算される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記到達性補正因子は、代謝酵素内で前記分子がそれ自身をどのくらい方向づけられるかを反映する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記到達性補正因子は、前記部位の前記到達性についての立体制約条件を反映させる請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記到達性補正因子を初期活性化エネルギー値に適用することは、前記到達性補正因子および前記初期活性化エネルギーを総和することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記到達性補正因子は一つ以上の到達性記述子の関数である請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記一つ以上の到達性記述子は、方向到達性記述子およびその組み合わせからなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記一つ以上の到達性記述子は、立体到達性記述子およびその組み合わせからなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記到達性補正因子を初期活性化エネルギー値に適用することは、以下の表現
【数１】
2004504819.tif 000026
を用いることを含み、ここでＥＡｃｏｒｒは前記部位についての前記新しい反応性の値であり、ＥＡ０は前記部位についての反応性への電子的寄与であり、ＣｉおよびＣｊはそれぞれ立体および方向記述子の係数であり、ＫｉおよびＫｊは立体および方向記述子である請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記到達性補正因子は、前記分子によって顕在化された両性効果を反映する請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記両性効果は、
ａ）前記分子上のそれぞれの原子の表面積を計算すること、
ｂ）前記分子上のそれぞれの原子の部分電荷を計算すること、
ｃ）両性モーメントを計算すること、
ｄ）前記分子上の前記反応部位に参照点からベクトルを引くこと、
ｅ）両性補正因子を出力すること、
によって計算される請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における表面積到達性を補正する請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記表面積到達性補正因子を計算することは、
ａ）探索半径を選ぶこと、
ｂ）前記反応部位において原子の露出した表面積を決定すること、
ｃ）前記露出した表面積を参照値と比較すること、および
ｄ）表面積補正因子を出力すること、
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記探索半径は、溶媒分子の半径である請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記参照値は、脂肪鎖上のメチル基内の水素の表面積である請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記参照値は、芳香族内の炭素の表面積である請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における放物線カーブ効果を反映する請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
放物線カーブ到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位内の原子群のうちの一つの上、または近傍の点を同定すること、
ｂ）前記反応部位内の前記原子から約１０オングストロームオングストロームの範囲内である原子の一つの上、または近傍の点を用いて、少なくとも一つの放物線をパラメータ化すること、および
ｃ）放物線カーブ補正因子を出力すること、
を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における突出到達性効果を反映する請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記突出到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位内の原子を選ぶこと、
ｂ）前記分子上の基準点から前記原子にベクトルを引くこと、
ｃ）前記ベクトルにスコアを割り当てること、および
ｄ）突出到達性補正因子を出力すること、
を含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における伸展到達性効果を反映する請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記伸展カーブ到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位内の原子を選ぶこと、
ｂ）前記分子上の基準点から前記原子にベクトルを引くこと、
ｃ）前記ベクトルにスコアを割り当てること、および
ｄ）伸展到達性補正因子を出力すること、
を含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における極性領域への距離の効果を反映する請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記極性領域への距離の効果の到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記分子上のそれぞれの原子の前記極性を計算すること、
ｂ）前記反応部位からの少なくとも一つの距離範囲を同定すること、
ｃ）それぞれの範囲内の極性の量を決定すること、
ｄ）それぞれの範囲について極性領域への距離の補正因子を出力すること、
を含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記極性領域への距離の効果の補正因子は、前記範囲内の原子群の突出によって重み付けされる請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記到達性補正因子は、前記分子の前記反応部位における疎水性効果を反映する請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記疎水性効果の到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位における反応性原子を同定すること、
ｂ）前記反応性原子に結合された原子を同定すること、
ｃ）前記結合された原子のうちの少なくともいくつかの原子の表面積を計算すること、
ｄ）前記結合された原子のうちの少なくともいくつかの原子の部分電荷を計算すること、
ｅ）疎水性効果の補正因子を出力すること、
を含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記到達性補正因子は、前記分子の前記反応部位における帯電した原子への距離の効果を反映する請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
前記帯電した原子への距離の効果の到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位における反応性原子を同定すること、
ｂ）前記分子上の原子群の部分電荷を計算すること、
ｃ）閾値電荷を同定すること、
ｄ）前記分子上の前記反応性原子からの距離を計算すること、
ｅ）前記反応性原子への閾値距離または前記反応性原子への結合性の程度の閾値を同定すること、
ｆ）帯電した原子の効果の到達性補正因子を出力すること、
を含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
コンピュータで読み取り可能な媒体と、前記コンピュータで読み取り可能な媒体を介して与えられるプログラム命令とを備えたコンピュータプログラム製造物であって、前記プログラム命令は、分子上の反応部位の代謝されやすさを予測する命令を含み、前記命令は、
ａ）前記部位について反応性への電子的寄与の値を受け取ること、
ｂ）前記部位について到達性補正因子を計算すること、
ｃ）前記到達性補正因子を初期活性化エネルギー値に適用して、前記部位の新しい反応性の値を生成すること、および
ｄ）前記部位について前記新しい反応性の値を出力すること、
を記述するコンピュータプログラム製造物。
【請求項３３】
前記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）が基質分子上の複数の反応部位について繰り返される請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項３４】
前記分子到達性補正因子はシトクロムＰ４５０酵素について計算される請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項３５】
前記到達性補正因子は、代謝酵素内で前記分子がそれ自身をどのくらい方向づけられるかを反映する請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項３６】
前記到達性補正因子は、前記部位の前記到達性についての立体制約条件を反映させる請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項３７】
前記到達性補正因子は一つ以上の到達性記述子の関数である請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項３８】
前記一つ以上の到達性記述子は、方向到達性記述子、立体到達性記述子およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項３９】
前記到達性補正因子を初期活性化エネルギー値に適用することは、以下の表現
【数２】
2004504819.tif 000027
を用いることを含み、ここでＥＡｃｏｒｒは前記部位についての前記新しい反応性の値であり、ＥＡ０は前記部位についての反応性への電子的寄与であり、ＣｉおよびＣｊはそれぞれ立体および方向記述子の係数であり、ＫｉおよびＫｊは立体および方向記述子である請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４０】
前記到達性補正因子は、分子によって顕在化された両性効果を反映する請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４１】
前記両性効果は、
ａ）前記分子上のそれぞれの原子の表面積を計算すること、
ｂ）前記分子上のそれぞれの原子の部分電荷を計算すること、
ｃ）両性モーメントを計算すること、
ｄ）前記分子上の前記反応部位に参照点からベクトルを引くこと、
ｅ）両性補正因子を出力すること、
によって計算される請求項４０に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４２】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における表面積到達性を補正する請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４３】
前記表面積到達性補正因子を計算することは、
ａ）探索半径を選ぶこと、
ｂ）前記反応部位において原子の露出した表面積を決定すること、
ｃ）前記露出した表面積を参照値と比較すること、および
ｄ）表面積補正因子を出力すること、
を含む請求項４２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４４】
前記探索半径は、溶媒分子の半径である請求項４３に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４５】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における放物線カーブ効果を反映する請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４６】
放物線カーブ到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位内の原子群のうちの一つの上、または近傍の点を同定すること、
ｂ）前記反応部位内の前記原子から約１０オングストロームオングストロームの範囲内である原子の一つの上、または近傍の点を用いて、少なくとも一つの放物線をパラメータ化すること、および
ｃ）放物線カーブ補正因子を出力すること、
を含む請求項４５に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４７】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における突出到達性効果を反映する請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４８】
前記突出到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位内の原子を選ぶこと、
ｂ）前記分子上の基準点から前記原子にベクトルを引くこと、
ｃ）前記ベクトルにスコアを割り当てること、および
ｄ）突出到達性補正因子を出力すること、
を含む請求項４７に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項４９】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における伸展到達性効果を反映する請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項５０】
前記伸展カーブ到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位内の原子を選ぶこと、
ｂ）前記分子上の基準点から前記原子にベクトルを引くこと、
ｃ）前記ベクトルにスコアを割り当てること、および
ｄ）伸展到達性補正因子を出力すること、
を含む請求項４９に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項５１】
前記到達性補正因子は、前記分子上の前記反応部位における極性領域への距離の効果を反映する請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項５２】
前記極性領域への距離の効果の到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記分子上のそれぞれの原子の前記極性を計算すること、
ｂ）前記反応部位からの少なくとも一つの距離範囲を同定すること、
ｃ）それぞれの範囲内の極性の量を決定すること、
ｄ）それぞれの範囲について極性領域への距離の補正因子を出力すること、
を含む請求項５１に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項５３】
前記極性領域への距離の効果の補正因子は、前記範囲内の原子群の突出によって重み付けされる請求項５１に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項５４】
前記到達性補正因子は、前記分子の前記反応部位における疎水性効果を反映する請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項５５】
前記疎水性効果の到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位における反応性原子を同定すること、
ｂ）前記反応性原子に結合された原子を同定すること、
ｃ）前記結合された原子のうちの少なくともいくつかの原子の表面積を計算すること、
ｄ）前記結合された原子のうちの少なくともいくつかの原子の部分電荷を計算すること、
ｅ）疎水性効果の補正因子を出力すること、
を含む請求項５４に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項５６】
前記到達性補正因子は、前記分子の前記反応部位における帯電した原子への距離の効果を反映する請求項３２に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項５７】
前記帯電した原子への距離の効果の到達性補正因子を計算することは、
ａ）前記反応部位における反応性原子を同定すること、
ｂ）前記分子上の原子群の部分電荷を計算すること、
ｃ）閾値電荷を同定すること、
ｄ）前記分子上の前記反応性原子からの距離を計算すること、
ｅ）前記反応性原子への閾値距離または前記反応性原子への結合性の程度の閾値を同定すること、帯電した原子の効果の到達性補正因子を出力すること、
を含む請求項５６に記載のコンピュータプログラム製造物。
【請求項５８】
化合物の反応部位の不安定性を予測するモデルをつくる方法であって、前記方法は、
ａ）化合物のトレーニングセットについての構造表現を得ること、
ｂ）前記化合物のそれぞれについて、モデルに関係する一つ以上の反応部位を同定すること、
ｃ）前記反応部位のそれぞれについて、
（ｉ）代謝が実験的に観測されるかを決定すること、および、
（ｉｉ）前記反応部位を、複数の化学記述子の値で特徴づけること、を行い、この際、前記記述子は、前記化合物が代謝酵素の結合部位に到達することに影響を与える立体および／または方向効果を反映する構造的特徴を表現するために選ばれており、
ｄ）全ての前記反応部位について、代謝情報および化学構造記述子の値の前記部位を用いて不安定性の表現を得ること、
を備えた方法。
【請求項５９】
前記構造表現は、少なくとも結合長さおよび結合角を含む３次元記述である請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
モデルに関係する反応部位を同定することは、前記トレーニングセットの前記化合物上で酸化反応が起こりうる部位を同定することを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６１】
前記一つ以上の化学記述子は、前記トレーニングセット化合物の電子的反応性を特徴づける記述子をさらに備えている請求項５８に記載の方法。
【請求項６２】
代謝情報および化学構造記述子の値の前記部位を用いて不安定性の表現を得ることは、データフィッティングの手法を用いることを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６３】
前記データフィッティングの手法は、部分最小二乗法、主成分分析法、後方伝搬ニューラルネットワーク、および遺伝的アルゴリズムからなるグループから選択される請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
代謝情報および化学構造記述子の値の前記部位を用いて不安定性の表現を得ることは、線形表現方程式を計算することを含み、それぞれの記述子は係数を有し、前記方法は、回帰手法を用いることによって前記係数と前記回帰方程式とを計算することを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項６５】
前記方法は、それぞれの反応部位の相対原子安定性を計算するための信頼度スコアを導出すること、および前記モデルによって予測される前記結果のための信頼度スコアを導出することをさらに備えており、前記方法は、ａ）前記方程式を用いて、分子の組の前記反応部位についての不安定性の予測を得ること、
ｂ）それぞれの反応部位についての相対原子安定性を計算すること、および
ｃ）前記反応部位の前記相対原子安定性から信頼度スコアを導出すること、
を備えた請求項５８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本特許出願は、米国法典第３５巻第１１９条（ｅ）に基づき、米国仮出願第６０／２１７，２２７号、「Ａｃｃｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ Ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ Ｐ４５０ Ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ」の優先権を主張しており、この特許出願は、米国特許出願第０９／６１３，８７５号、「シトクロムＰ４５０代謝の相対速度」の一部継続出願であり、いずれも２０００年７月１０日に出願された。この出願は、Ｋｏｒｚｅｋｗａらによって１９９８年８月５日に出願された米国特許出願第０９／３６８，５１１号、「Ｕｓｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｄａｔａ ｔｏ Ｍｏｄｅｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ Ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ Ｐ４５０ Ｍｅｄｉａｔｅｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｏ Ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌｓ」、およびＥｗｉｎｇらによって２００１年３月１５日に出願された米国特許出願第０９／８１１，２８３号、「Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ Ｍｅｔａｂｏｌｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｄｒｕｇ Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ」に関連する。上の特許出願のそれぞれは、その全体が全ての目的のために参照によって援用される。
【０００２】
本発明は一般的には、特に薬剤における、分子の反応部位を分析するシステムおよび方法に関する。より具体的には本発明は、基質、とりわけシトクロムＰ４５０酵素によって代謝される基質の代謝の電子モデルに対する到達性補正因子を生成するシステムおよび方法に関する。これらの補正因子は、基質の代謝特性をモデリングし、予測するためのプロセスの一部として用いられるとともに、所望の代謝特性を得るために基質をデザインするためにも用いられる。
【０００３】
【発明の背景】
一つの薬剤を市場に出すコストは約５億ドルから１０億ドルであり、開発期間は約８年から１５年になる。薬剤開発は、典型的には、最終的に市場に受け入れられるような一つまたはいくつかの薬剤に結びつくような、いくつかの化合物クラスにわたって分散した１０００から１００，０００の候補化合物を同定することを伴う。
【０００４】
これら数千の候補化合物が、研究者が求める薬理学的特性を持つかを評価するために、さまざまな生化学的指標に関してスクリーニングされる。このスクリーニングプロセスによって、ある程度の所望の特性を呈するずっと少ない数の「ヒット」（おそらく５００あるいは１０００）が得られ、これらは、より有効なさらに少ない「リード」（おそらく５０あるいは１００）へと絞り込まれる。この時点で典型的には、このリード化合物はそのＡＤＭＥ／ＰＫ（吸収、分布、代謝、排泄／薬物動態学）特性を評価分析される。これらは、その実際のｉｎ　ｖｉｖｏのＡＤＭＥ／ＰＫ特性を評価するために、ヒト血清アルブミン結合のような生化学的評価、ｐＫＡや溶解度試験のような化学的評価、およびヒト肝の小胞体による代謝のようなｉｎ　ｖｉｔｒｏ生物学的評価を用いてテストされる。これら化合物のほとんどは、受け入れられないＡＤＭＥ／ＰＫ特性のために廃棄される。
【０００５】
さらに、これらの試験を通り、研究用新薬（ＩＮＤ）としてＦＤＡの臨床試験に供される最適化されたリードでさえもときには、実際に動物およびヒトで試験されると好ましくないＡＤＭＥ／ＰＫ特性を呈する。この段階での最適化されたリードの廃棄または再デザインは著しくコストがかかる。というのもＦＤＡトライアルは、当該化合物の生成、製造、および広範な試験を要求するからである。
【０００６】
受け入れられないＡＤＭＥ／ＰＫ特性をもつ化合物を開発することは、このように薬剤開発の全体的なコストに大きく影響する。もし開発の初期の段階（早ければ早いほど良い）で化合物が廃棄されたり再デザインされるようなプロセスがあれば、費用と時間の大きな節約が達成される。現在の技術はこれができるような包括的な方法を提供しない。
【０００７】
ヒトおよびほとんど全ての生物におけるすべての薬物代謝の多くの部分は、シトクロムＰ４５０酵素によっておこなわれる。シトクロムＰ４５０酵素（ＣＹＰ）は、植物、バクテリア、および動物の種に存在する７００以上のアイソザイムを含む、ヘム含有酵素を総称したものである。Ｎｅｌｓｏｎ ｅｔ ａｌ．、Ｐｈａｒｍａｃｏｇｅｎｅｔｉｃｓ１９９６　６、１−４２。それらは一原子酸素添加酵素である。Ｗｉｓｌｏｃｋｉ ｅｔ ａｌ．、Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ Ｂａｓｉｓ ｏｆ Ｄｅｔｏｘｉｆｉｃａｔｉｏｎ （Ｊａｋｏｂｙ， Ｅｄ．）、１３５−８３、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、ニューヨーク、１９８０。ヒトは同一のいくつかのＣＹＰアイソザイムを共通に持つが、これらのアイソザイムは個人によって若干異なり（対立遺伝子）、個人のアイソザイムプロファイルも、存在するそれぞれのアイソザイムの量に関してある程度異なる。
【０００８】
ヒトにおいては、全ての薬剤の５０％が部分的にはＰ４５０酵素によって代謝され、薬剤の３０％が主にこれらの酵素によって代謝される。薬剤代謝において最も重要なＣＹＰ酵素はＣＹＰ３Ａ４、ＣＹＰ２Ｄ６およびＣＹＰ２Ｃ９アイソザイムである。ＣＹＰ以外の酵素による基質代謝予測するモデリングの技術は存在はするが、ＣＹＰ酵素による代謝をモデリングするじゅうぶんに正確な技術は存在しない。その他の酵素についてモデリングする技術が利用可能な範囲においては、それらＣＹＰ酵素のモデリングは、酵素と基質との相互作用か、一連の基質の共通な特性かのいずれかを分析することによって、機能する。例えば以下を参照されたい。Ｓｃｈｒａｍｍ、「Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｔｅｓ ａｎｄ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ａｎａｌｏｇ ｄｅｓｉｇｎ」、Ａｎｎｕ Ｒｅｖ Ｂｉｏｃｈｅｍ、１９９８；　６７：６９３−７２０。Ｈｕｎｔｅｒ、「Ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｄｒｕｇ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ； ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎｔｉｐａｒａｓｉｔｅ ｄｒｕｇｓ」、Ｐａｒａｓｉｔｏｌｏｇｙ、１９９７；　１１４　Ｓｕｐｐｌ：Ｓ１７−２９。Ｇｅｓｃｈｗｅｎｄ ｅｔ ａｌ．、「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｏｃｋｉｎｇ ｔｏｗａｒｄｓ ｄｒｕｇ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ」、Ｍｏｌ Ｒｅｃｏｇｎｉｔ、１９９６　Ｍａｒ−Ａｐｒ；９（２）：１７５−８６。
【０００９】
これらのモデリング技術はいくつかの酵素については部分的には効果的だが、ＣＹＰ酵素についてはしばしば非効果的でる。これはそれらのモデリングが、対象となる酵素の結合特性に非常に重きを置いているからである。ＣＹＰ酵素については、基質の「固有の」電子的反応性が、その結合特性よりも重要となる。ＣＹＰ酵素は、他のほとんどの酵素を特徴づける、結合に関する高い特異性を持たないのである。ＣＹＰ３Ａは結合の点からほとんど完全に非特異であり、いっぽうでＣＹＰ２Ｄ６やＣＹＰ２Ｃ９は、ある程度だけ特異である。ある基質の立体的および静電的特性の全体をとっても、ＣＹＰ酵素による代謝に副次的な影響を有するにすぎない。
【００１０】
基質代謝の効果的な量子力学および構造記述子に基づくモデリングを提供するシステムおよび方法は、米国特許出願第０９／３６８，５１１号、米国特許出願第０９／６１３，８７５号、および米国特許出願第０９／８１１，２８３号に開示されている。ある結合部位への到達性（アクセス可能性）の効果はＣＹＰ酵素については他の酵素よりもより限定的ではあるが、到達性は、基質代謝、特にあるクラスの基質においては一定の役割を果たしている。到達性を量子力学モデリングに適応させることの潜在的優位性は、例えば、Ｋｏｒｚｅｋｗａらの「Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ Ｐ４５０ Ｍｅｄｉａｔｅｄ Ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｏｆ Ｘｅｎｏｂｉｏｔｉｃｓ」、Ｐｈａｒｍａｃｏｇｅｎｅｔｉｃｓ（１９９３）ｖ．３，ｐ．１−１８、および米国特許出願第０９／６１３，８７５号で議論されている。
【００１１】
上述のことを考慮すると、特にＣＹＰ酵素との相互作用のような酵素基質相互作用における、到達性効果をモデリングする技術は、これらの相互作用を量子力学モデリングと併せて非常に有用であろう。
【００１２】
【発明の概要】
本発明は、到達性補正因子を生成する方法、プログラム、および装置を提供することによってこの要望に応える。これらの因子は、電子的要素による基質反応性のモデルによって予測された値を修正するのに用いられうる。またこれらの補正因子は、吸収および毒性のように到達性因子が重要な他のＡＤＭＥＴ／ＰＫ特性をモデリングするのにも用いられうる。
【００１３】
本発明のある局面においては、本発明によって生成された複数の別個の補正因子が、基質反応性の電子的要素を補正するのに用いられる。ここで記載された補正因子の多くは、基質到達性に対する立体または方向効果に関する。ときによっては、基質は、ありうる反応部位を立体的に妨げるような箇所や部分を含み、それによってある特定の反応部位が実際に反応する尤度を低減する。立体補正因子は、この立体的な妨げの物差しを提供する。ときによっては、基質は、タンパク質活性部位内、またはタンパク質活性部位上で反応が許されるようには方向づけられえないような潜在的な反応部位を持つ。これは、基質分子上の物理化学的グループの全体の形状や配列がタンパク質結合部位とのなめらかな連結を妨げるからである。方向補正因子は、この方向的な妨げの物差しを提供する。
【００１４】
本発明と用いられる補正因子は、多くの異なる方法で導出される。ある好ましい実施形態においては、それらは基質構造の一つ以上の「記述子」から導出される。記述子および関連する補正因子のそれぞれのグループは、基質の特定の部位に関する。そのような記述子の例には、極性、突出、部分表面積、部分電荷などがある。しばしば補正因子は、複数の記述子の関数である。この関数は、複数の項からなる表現であり、それぞれはある特定の記述子の重み付けされた寄与を表現する。他の実施形態においては、補正因子は単に記述子か、または係数やその他の関数で積をとられた記述子かである。
【００１５】
一般に、本発明のモデルは、ある反応部位の反応性、または与えられた基質上の他の部位と比較してのある部位の相対的反応性を予測する。基質上のそれぞれの部位について、反応性は電子的つまり固有の要素と、到達性要素とを有し、ＥＡ＝ＥＡ０＋到達性補正であり、ここでＥＡ０は電子的要素である。反応性は例えば活性化エネルギーまたは速度定数のかたちをとりうる。上述のように、到達性補正は、しばしば立体および方向要素を持つ。よってモデルはより詳細なかたちに書き換えられうる。
【００１６】
【数３】
2004504819.tif 000003
【００１７】
この表現において、ＣｉおよびＣｊは、それぞれ立体および方向記述子のための係数である。そしてＫｉおよびＫｊは、立体および方向記述子である。
【００１８】
このＫｉは立体到達性記述子であり、これらは表面積、放物線カーブ、突出および伸展の記述子を含む。Ｋｊは方向記述子であり、これらは極性領域への距離、突出で重み付けされた極性領域への距離、両性モーメント、疎水性、および帯電電子への距離を含む。
【００１９】
本発明の他の局面は、分子上の反応部位の代謝の受けやすさを予測する方法に関する。この方法は以下の手順によって特徴づけられうる。すなわち、（ａ）その部位について反応性への電子的寄与の値を受け取ること、（ｂ）その部位について到達性補正因子を計算すること、（ｃ）その到達性補正因子を初期活性化エネルギー値に適用して、その部位の新しい反応性の値を生成すること、および（ｄ）その部位についてその新しい反応性の値を出力することである。好ましくは、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）は基質分子上の複数の反応部位について繰り返され、それにより複数の反応部位のうちどの部位が最も代謝を受けやすいか、またはどの程度、分子全体が代謝を受けやすいかを決定できる。
【００２０】
本発明の他の局面は、立体到達性補正因子を計算する方法に関しており、この方法は、それぞれの反応部位について立体到達性記述子を生成すること、それぞれの記述子について係数を生成すること、およびそれぞれの部位について立体到達性補正因子を出力することを含む。本発明の他の局面は、方向到達性補正因子を計算する同様の方法に関するが、これは方向到達性補正因子を生成するために方向到達性記述子が用いられる点が異なる。
【００２１】
本発明の他の局面は、異物代謝に対する表面積立体効果を計算する方法に関しており、この方法は、探索半径を選ぶこと、その反応部位において原子の露出した表面積を決定すること、露出した表面積を参照値と比較すること、および表面積補正因子を出力することを含む。この方法は典型的には全ての反応部位について補正因子を生成するために、分子のそれぞれの反応部位について繰り返される。
【００２２】
本発明の他の局面は、異物代謝に対する放物線カーブ立体効果を計算する方法に関しており、この方法は、反応部位内の原子群のうちの一つの上、または近傍の点を同定すること、反応部位内の原子から約１０オングストロームオングストロームの範囲内である原子の一つの上、または近傍の点を用いて、少なくとも一つの放物線をパラメータ化すること、および放物線カーブ補正因子を出力することを含む。この方法は典型的には全ての反応部位について補正因子を生成するために、分子のそれぞれの反応部位について繰り返される。
【００２３】
本発明の他の局面は、異物代謝に対する突出立体効果を計算する方法に関しており、この方法は、反応部位内の原子を選ぶこと、分子上の基準点から原子にベクトルを引くこと、ベクトルにスコアを割り当てること、および突出到達性補正因子を出力することを含む。この方法は典型的には全ての反応部位について補正因子を生成するために、分子のそれぞれの反応部位について繰り返される。
【００２４】
本発明の他の局面は、代謝に対する伸展立体効果を計算する方法に関しており、この方法は、反応部位内の原子を選ぶこと、分子上の基準点から原子にベクトルを引くこと、ベクトルにスコアを割り当てること、および伸展到達性補正因子を出力することを含む。この方法は典型的には全ての反応部位について補正因子を生成するために、分子のそれぞれの反応部位について繰り返される。
【００２５】
本発明の他の局面は、代謝に対する極性領域の位置の方向効果を計算する方法に関しており、この方法は、分子上のそれぞれの原子の極性を計算すること、極性領域への距離の方向到達性補正因子を出力することを含む。この方法は典型的には全ての反応部位について補正因子を生成するために、分子のそれぞれの反応部位について繰り返される。
【００２６】
本発明の他の局面は、異物代謝に対する両性効果を計算する方法に関しており、この方法は、分子についての両性モーメントを計算すること、分子内の参照点から反応部位にベクトルを引くこと、両性モーメントとベクトルとの内積を計算すること、および両性補正因子を出力することの操作を含む。この方法は典型的には全ての反応部位について補正因子を生成するために、分子のそれぞれの反応部位について繰り返される。
【００２７】
本発明の他の局面は、代謝に対する疎水特性方向効果を計算する方法に関しており、この方法は、反応性炭素に結合された全ての水素の部分電荷および部分表面積を計算すること、および疎水補正因子を出力することを含む。この方法は典型的には全ての反応部位について補正因子を生成するために、分子のそれぞれの反応部位について繰り返される。
【００２８】
本発明の他の局面は、代謝に対する帯電した原子への近接方向効果を計算する方法に関しており、この方法は、それぞれの原子の部分電荷を計算すること、それぞれの原子から反応部位への距離を計算すること、および帯電した原子への近接補正因子を出力することを含む。この方法は典型的には全ての反応部位について補正因子を生成するために、分子のそれぞれの反応部位について繰り返される。
【００２９】
さらに本発明の他の局面は、上述の方法の一部または全ての部分を実現するプログラム命令が記憶されている機械読み取り可能な媒体を含むコンピュータプログラム製造物に関する。本発明の方法のいずれも、全体としてまたは部分的に、そのようなコンピュータ読み取り可能な媒体上に提供されるプログラム命令として表現できる。さらに本発明は、ここに記載されたように生成され、記憶され、かつ／または用いられるデータのさまざまな組み合わせに関する。また本発明は、全体としてまたは部分的に、上記方法が実行されうる装置にも関する。
【００３０】
本発明のこれらの、および他の特徴は本発明の詳細な説明において、以下の図面を参照しながら以下に詳述される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明は添付の図面中の図を用いて例示的に説明されており、これは限定的なものではなく、ここで同様の参照符号は同様の要素を示すものとする。
以下の本発明の詳細な説明においては、本発明を完全に理解を促すために、多くの特定の実施形態が述べられている。しかし当業者には明らかになるように、本発明は特定の詳細を用いることなく、または、代替の要素やプロセスを用いて実施されうる。他の場合においては、本発明の局面を不必要にぼやかせないように、よく知られたプロセス、手続き、および要素は詳細には記載されていない。
【００３２】
様々な化学的および技術的用語が本発明には関係しており、明細書中にわたって現れる。ここで示される用語および概念を理解するのに役立つよう、以下の簡単な説明が提供される。本発明の技術的範囲は、以下の例によって必ずしも限定されるべきではない。
【００３３】
ここでいう「代謝酵素」とは、異物代謝に関与するいかなる酵素をもいう。多くの代謝酵素は、外来化合物の代謝に関与する。代謝酵素は、ＣＹＰ酵素、ウリジン二リン酸グルクロン酸グルクロノシルトランスフェラーゼおよびグルタチオントランスフェラーゼのように薬剤を代謝する酵素を含む。
【００３４】
ここでいう「異物代謝」とは、同化および異化代謝を含む、生体内で起こるいかなる、かつすべての異物分子の代謝をいう。
【００３５】
ここでいう「反応部位」とは、酵素による代謝および／または触媒作用を受けやすい基質分子上の部位をいう。これは、触媒作用に関与する酵素の部分である「活性部位」とは区別されることに注意されたい。
【００３６】
ここでいう「反応速度」とは、化学反応または化学反応の単一段階の動力学的速度をいう。この反応速度は、遷移状態をモデル化することによって、または基質および中間体の自由エネルギーの差から活性化エネルギーを評価することによって予測できる。「反応ｖｅｌｏｃｉｔｙ」という語は、「反応ｒａｔｅ」と交換可能に用いられる。
【００３７】
ここでいう「代謝速度」とは、薬剤の非反応体への代謝にどの反応部位が関与しているかに関わらず基質の代謝の全体的な速度をいう。よって全ての反応部位の反応速度は、代謝速度を決定するのに関与する。
【００３８】
ここでいう「活性」とは、化合物の重要な特性の一つである。ある意味では、活性度は、化合物の「特質」のようなものである。しかし本発明の文脈においては、活性度は、ある化合物の生化学的、生物学的、および／または治療学的振る舞いである。また化合物の活性は、通常は予測できる特性である。しばしば活性は、独立変数である記述子に関連した従属変数としてはたらく。本発明のモデルは、記述子の値から活性を予測する。基質の部位特異的な反応性は、本発明によって予測される活性の例である。
【００３９】
どのようにモデルが構築されるかによって、活性は、特定の数値（例えばＥｉ）、または閾値またはフィルタ（例えば結合したり、しなかったり）のかたちをとりうる。
【００４０】
「複合体」とは、その基質／薬剤の代謝に結びつく、または結びつかない、共有結合およびその他の結合によって構成された酵素基質複合体である。
【００４１】
「触媒回路」とは、酵素によって触媒が作用されたり、そうでなければ促進される一連の基質反応段階をいう。ここでの一つの例は、ＣＹＰ触媒回路である。
【００４２】
「記述子」とは、特定の化合物の特性を表現する変数または数値をいう。この特質は、化合物全体、化合物のある領域または一部、または化合物の個々の原子に関する。記述子は、特質の定量的または文字による表現であるみてもよい。それらはある特定の化合物の「活性」を予測するための式またはモデルとみえる。潜在的に無限の数の記述子が化合物を特徴づけうる。多変量モデルは、２以上の記述子を用いて化合物の活性を予測する。
【００４３】
「到達性（アクセス可能性）」とは、分子の立体的および方向的特性が、その代謝速度および活性化エネルギーに与える影響の程度をいう。「到達性補正因子」とは、これらの特性を定量化する因子である。
【００４４】
「方向到達性」とは、酵素の活性部位について分子の方向が、代謝速度および／または分子または分子上の特定の部位の活性化エネルギーに与える影響の程度をいう。「方向到達性記述子」は、これらの特性を定量化するために用いられる。方向到達性記述子は、酵素の活性部位上またはその中で分子がそれ自身を方向付け、特定の部位での反応を起こりやすくする能力に影響を与える構造パラメータである。
【００４５】
「立体到達性」とは、分子の立体的特性が、代謝速度および／または分子または分子上の特定の部位の活性化エネルギーに与える影響の程度をいう。「立体到達性記述子」は、これらの特性を定量化するために用いられる。しばしば立体到達性記述子は、分子のある領域（例えば反応部位）が、酵素の反応部位にきれいに接触することを妨げるか、遮断する。この妨げは、その分子上の他の部分または領域による「混み具合」から生じる。
【００４６】
「補正因子」とは、活性エネルギーまたは相対速度を補正することによって、立体および方向到達性の効果を反映させる変数または数値をいう。補正因子は、もっとも簡単な場合なら係数によってスケーリングされた記述子であってもよく、または補正因子の組み合わせであってもよい。ある例では、「両性補正因子」は、係数によってスケーリングされた「両性記述子」であり、「方向到達性補正因子」は、全ての方向到達性補正因子の線形結合である。
【００４７】
「モデル」とは、ある物理的および／または化学的関係の数学的または論理的表現である。モデルは、物理的および／または化学的特質の一つ以上の記述子から活性を予測しうる。よって、モデルは、それ自体が数学的または論理的関係である。
【００４８】
モデルは、多くの異なる形態をとりうる。それらは、ルックアップテーブルのような非常に簡単なフォーマットや、酸化メカニズムの量子化学表現のようなより複雑なフォーマットをとりうる。モデルの論理表現の例には、線形および非線形数学表現、ルックアップテーブル、ニューラルネットワークなどが含まれる。ある好ましい実施形態においては、モデルの形態は、係数と変形された記述子との積が合計される線形加算モデルである。別の好ましい実施形態においては、モデルの形態は、様々な変形された記述子の非線形積（例えば多次元ガウス表現）である。
【００４９】
モデルは、離散的なイベントまたは連続したものとして活性を予測できる。クラス化モデルは、結合のようなある離散イベントが起こるかどうかを予測できる。他のモデルは、そのイベントが起こるかどうかの可能性や、そのイベントの強さ（例えば酵素基質結合のＫｉ）を予測するだろう。
【００５０】
モデルは典型的には、モデリングされる根底の物理的／化学的関係をよく表現するような化合物または他の物質のトレーニングセットから発展される。活性および記述子は、トレーニングセットを形成し、活性および記述子の間の数学的／物理的関係を発展させるのに用いられる。この関係は、典型的には新しい化合物の活性を予測するのに用いられる前に検証される。
【００５１】
背景として、図１は、哺乳類ＣＹＰ酵素の酸化的ヒドロキシル化触媒回路を示す。図の上部は、一般的な出発基質（ＲＨ）および一般的な生成物（ＲＯＨ）を示す。このヒドロキシル化反応は、しばしば外来化合物代謝において最初の段階であり、薬剤非活性化／代謝におけるＣＹＰ酵素の重要性を部分的に説明する。ヒドロキシル化された産物だけがＣＹＰ酵素によって生成される起こりうる酸化産物ではないことに注意されたい。つまりここでは説明のために提示されているだけである。さらに記載された触媒回路は、一般に受け入れられたメカニズムではあるが、異なるＰ４５０酵素の中には差異も起こりうる。
【００５２】
触媒回路１０１の最初の段階１は、基質の、酵素のヘム鉄原子への初期結合を示しており、これはヘム鉄の平衡スピン状態を低から高へと変える。これは鉄の還元電位を低下させ、よって第２の段階２、１０２においてＮＡＤＰＨからシトクロムＰ４５０還元酵素を介して鉄原子へ電子が伝達することを促進する。第３の段階３、１０３において、酸素分子が鉄原子に結合する。第４の段階４，１０４において、結合した酸素は１電子によって還元され、鉄は２価状態から３価状態へと酸化される。この時点で、酸素は、非代謝反応においてスーパーオキシドとして酵素から脱離しえて、よって第１０の段階１０、１１０において酵素基質複合体を初期状態へ戻す。そうでなければ、酸素は、第５の段階５、１０５においてもう１つの電子によって還元され、よって酵素基質複合体により過酸化物中間体を形成する。ここでは、分岐経路段階１１１に示されるように過酸化水素脱離反応が起こりえて、これは酵素基質複合体を初期状態へと戻す（段階１０１の産物として再び示される）。
【００５３】
そうでなければ、第６の段階１０６において、過酸化物は異方性分解を経て、１酸素が複合体から水分子として離れ、他の１酸素は反応性酸素原子として鉄原子に配位する。分岐経路１１２として示される２水素イオンおよび２電子の追加を伴う水脱離反応は、酵素基質複合体を初期状態に戻しうる。そうでなければ反応性の酸素が基質へ転移し、酸化生成物（ＲＯＨ）を形成し、これが第７の段階１０７である。それからこの産物ＲＯＨは酵素から解離し、これが第８の段階１０８である。
【００５４】
スーパーオキシド脱離反応１１０、過酸化水素脱離反応１１１および水脱離反応１１２は全て、基質を、酵素と複合化している元のかたちへ戻すことに注意されたい。よってこれらの経路は基質の代謝速度を減少する。もしいずれかの脱離経路がＣＹＰ触媒回路において優勢であれば、そのときはおそらく基質は急速には代謝されないであろう。
【００５５】
これら反応経路の存在のための実験的証拠および中間体は、Ｋｏｒｚｅｋｗａらによる米国特許出願第０９／３６８，５１１号（弁護士事件番号：ＣＡＭＩＰ００１）に記載されている。この特許出願は、ＣＹＰ酵素−基質相互作用のメカニズムについて補足する内容をも含む。
【００５６】
この証拠はまた、ＣＹＰ触媒回路の最後の段階、段階１０７および１０８が、触媒回路の中で最も遅い段階ではないという意味において、典型的には律速段階ではないことを示す。しかしこれらは、しばしば「産物を決定する」段階である。律速段階は、ふつう産物生成の速度を決定する段階であると考えられているが、もしより速い産物生成段階と競合するような代替経路が存在するなら、その代替経路は、産物生成の速度をアンマスクしうる。
【００５７】
したがって本発明の相対速度分析は、触媒回路のこれらの最終段階に適用されるが、基質代謝について有用で、かつしばしば最も重要な反応速度情報を提供する。基質代謝の完全で絶対的な速度を決定するためには、ＣＹＰ触媒回路内の他の反応速度の少なくともいくつかが測定される必要がある。ある好ましい実施形態においてこのモデルはまた、脱離反応１１０および１１１のいずれか、または双方を説明する。例えば過酸化物脱離段階１１１は、ある程度、基質依存のようである。したがってこのモデルによってある基質特性を利用して、この脱離反応がどの程度、代謝の絶対的速度に影響を及ぼすかを予測することができる。
【００５８】
図２は、ＣＹＰ酵素代謝のためのいくつかの反応部位２０１〜２０５をもつ基質分子の簡略化された概念図である。これらの部位のそれぞれがＣＹＰ代謝の支配的な酸化部位としてはたらく。またこれらの部位のそれぞれは、図１で述べられた脱離反応のうちの一つに関わる。いずれの場合も、部位が代謝中に反応する可能性は、その酵素の反応部位におけるその部位固有の反応性と、その部位の酵素の反応部位への到達性と、対応する脱離反応の相対速度との関数である。
【００５９】
薬剤候補について最もよくあるＡＤＭＥ／ＰＫ問題の一つは、速く代謝されすぎることである。多くの場合、理想的な薬剤は、１日に１度投与されうるようにじゅうぶんゆっくりと代謝される。現在の技術では、もし薬剤候補が毎日の投与のためにはあまりにも速く代謝されるなら、薬剤の設計者は、典型的には最も反応性の高い部位をよりかなり安定させるように変更することによって、薬剤を再デザインする。
【００６０】
しかしこの最も反応性が高い部位を変更することは、それを非常に安定か非反応性にすらすることによってでさえも、薬剤の代謝速度を評価可能なだけ減少させることにつながるかもしれないし、つながらないかもしれない。結果は、現在の技術による方法によっては、実質的に予測不可能である。薬剤設計者にとって、反応部位へのより微少な変更が薬剤の代謝にどのような影響を及ぼすかを予測することは、さらに難しくなる。例えば、部位２０３が最も反応性が高い部位であると認められるかもしれない。それから薬剤設計者は、その部位をより安定にするか、または非反応性にすらするかして、基質の全体的な代謝速度を減少させようとするかもしれない。いくつかの例では、これは成功するかもしれないし、しかしもし基質が比較的、高い反応速度を同様にもつ一つ以上の反応部位を有するなら、これらの部位は、しばしば基質の代謝を「引き継ぎ」、全体としての代謝速度は実質的に変化しないだろう。
【００６１】
したがって薬剤設計者は実質的に当て推量で、ある部位を再デザインする時間のかかるプロセスを経て、ＡＤＭＥ／ＰＫ特性を再テストし、それからその部位を再デザインし、かつ／または一つ以上の他の反応部位をさらなる当て推量で試みることになっていた。このプロセスを薬剤の大部分の、または全ての反応部位についておこなったあとで設計者は、所望のＡＤＭＥ／ＰＫ特性を達成するのは実質的に不可能であること、特にその薬剤の所望の薬理学的特性を弱めたり、または失わせたりすることなしには不可能だと気づくかもしれない。薬剤の再デザインをすればするほど、薬剤の薬理学的特性を変更する可能性も高まる。
【００６２】
ある薬剤候補の代謝速度を遅くすることが、薬剤設計者が影響を及ぼそうと試みる唯一のＡＤＭＥ／ＰＫ特性というわけでは決してない。逆に設計者は、薬剤の代謝速度を速めるように試みるかもしれない。さらに一般的には薬剤は、一つ以上の非活性経路および／または反応部位をもつことが好ましく、それにより主代謝経路が閉鎖されることによって薬剤の有害な相互作用の可能性が最小限に抑えられる。またＣＹＰ酵素は誘導が起きやすく、そのためある薬剤が他の薬剤のより速い代謝を誘導することもある。複数の反応部位がしばしば望ましいという事実は、これらの双方の理由により、薬剤のデザインをより複雑にしている。
【００６３】
電子モデルおよび到達性補正：
既述のように、本発明のモデルは、一般的に反応部位の反応性、または既知の基質上の他の部位に比較したある部位の相対的反応性を予測する。このように、このモデルは、基質上のある与えられた部位がその基質の代謝に寄与する尤度を予測できる。
【００６４】
基質上のそれぞれの部位について、反応性は、電子的なつまり固有の要素と、到達性の要素とをもつ。すなわちＥＡ＝ＥＡ０＋到達性補正であり、ここでＥＡ０は、電子的要素である。反応性は、例えば活性化エネルギーまたは速度定数のかたちをとりうる。ＥＡ０は多くの方法のいずれでも算出されうる。しばしば、必須ではないが、量子力学モデル（非経験的および／または経験的な形式）が電子的要素の値を与える。構造記述子ベースのモデル（原子、部位、または断片レベルの記述子）、Ｈａｍｍｅｔｔ型線形自由エネルギーモデル、物理化学的特質ベースのモデルなど、他のタイプのモデルもこの目的のために用いられうる。それぞれの場合においてモデルは、到達性基準によって全く、あるいは部分的に妨げられることなく、部位反応性の電子の寄与を説明する。
【００６５】
到達性補正因子の様々なタイプが以下に述べられる。この時点では、部位特異的反応性の電子的要素および到達性要素の双方を予測する全体モデルの一例が記載される。図３Ａ〜図３Ｅは、この例を示す。これらは本発明に適用可能であるが、基質反応性を予測する唯一の手段ではない。説明される特定のモデルは、基質の固有反応性を予測するために量子力学技法を用いていることに注意されたい。米国特許出願第０９／８１１，２８３号に記載されているタイプの構造記述子ベースのモデルのような他のモデルを用いて固有反応性を予測することもできよう。いずれの場合も固有反応性は、本発明の一つ以上の到達性補正因子を用いて補正される。
【００６６】
図３Ａおよび図３Ｂは共に、ある基質分子についての相対速度曲線および関連した情報を発生するための高レベルのある好ましいプロセス３０１を示すフローチャートを構成する。最初に操作３０３において、基質の分子構造が受け取られる。分子構造は、有機化学原子列、２次元構造、ＩＵＰＡＣ標準名、３Ｄ座標マップ、または他の一般に使われる表現でありうる。もしすでに３Ｄの形でないなら、ＣｏｒｉｎａやＣｏｎｃｏｒｄのような幾何学構造プログラムを用いて分子の３Ｄマップが生成される。３０３を参照。３Ｄ構造発生器のＣｏｒｉｎａは、カリフォルニア州、サンディエゴのＭｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ， Ｉｎｃ．およびドイツ、アーランゲのＭｏｌｅｃｕｌａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ＧｍｂＨから入手可能である。Ｃｏｎｃｏｒｄは、ミズーリ州、セントルイスのＴｒｉｐｏｓ， Ｉｎｃ．から入手可能である。Ｃｏｒｉｎａは、局所エネルギーを最小にするよう最適化される近似幾何学的３Ｄ構造を生成するために、分子結合および機能グループの立体配置についての直接的な規則を用いる。例えばもしアミン類が見つかったらそれは、そのグループが通常存在する平面構造に配置されるだろう。Ｃｏｎｃｏｒｄも同様の方法を適用し、しかし、その３Ｄ構造を求めるために分岐角、張力およびねじれを含む限定されたセットの分子力学的規則を用いる。
【００６７】
この近似３Ｄ幾何学構造はそれから、典型的にはＡＭ１のような、より洗練されたモデリングツールで最適化される。ＡＭ１は、与えられた３Ｄ構造を局所エネルギーを最小にするように最適化する半経験的、量子化学モデリングプログラムである。３０７を参照。それは近似された分子軌道から電子密度分布を計算する。それはまた、分子のエンタルピー値も計算する。ＡＭ１は、インディアナ州、ブルーミントンのインディアナ大学化学部のＱｕａｎｔｕｍ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｅｘｃｈａｎｇｅから入手可能な、パブリックドメインのソフトウェアパッケージＭＯＰＡＣの一部として入手可能である。ＭＯＰＡＣのＭＯＰＡＣ−２０００バージョンは、オレゴン州、ポートランドのＳｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ， Ｉｎｃ．から入手できる。
【００６８】
プロセスはそれから分子上のそれぞれの代謝反応部位を同定する。３０９を参照。好ましい実施形態において、反応部位は、アルキル基炭素および芳香族炭素を含む。これらの部位は、ＣＹＰ酵素が一般的にこれらの部位で基質分子を酸化するので選ばれる。他の反応部位は、他の実施形態では酵素および／または注目基質のクラスに応じて考慮されえる。本発明を用いて分析されうる酸化されやすい官能基の例としては、Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｃ、Ｃ≡Ｃ、Ｃ＝Ｃ、Ｃ＝Ｏ、Ｃ−Ｎ、Ｃ＝Ｎ、−Ｓ−、−Ｎ−、−Ｎ＝、−ＣＨＯ、−ＯＨ、および−Ｃ−ＯＨがある。
【００６９】
プロセスは、操作３１１および３１３から始めてそれぞれの反応部位を分析する。ここでシステムは、考慮される反応部位の個数に等しい変数Ｎを設定し（３１１）、そしてそれらの部位について反復する（３１１）。反復ループ操作３１３は、初期状態ではインデックス値「ｉ」を１に設定する。それからそれは現在のｉの値がＮより大きいかを決定する。もしそうでなければ、それは様々な操作をおこなって、その部位における活性化エネルギー（ＥＡ）を決定する。
【００７０】
操作３１５において、プロセスは、反応部位がアルキル基炭素または芳香族炭素部位であるかを決定する。もしアルキル基炭素部位であるなら、プロセスは、その部位からコンピュータ上で水素イオンを除去する。３１７を参照。この状態の分子は、分子がステップ１０８の酸化反応に入る遷移状態を近似するために用いられる、分子の中間体である。それからプロセスは、新しいＡＭ１計算を中間体の分子におこない、その３Ｄマップおよびエンタルピーを決定する。３２１を参照。基本となる分子３Ｄマップおよびエンタルピーは、３０７において計算されることに注意されたい。それからプロセスは、その分子の中間体と基本形とのエンタルピー差を決定する。ＣＹＰ酸化が起こる条件としてよい仮定である、ΔＳがゼロに近いことを仮定すれば、プロセスは、その反応部位についての活性化エネルギー値（ＥＡ）のよい近似を生成する。イオン化ポテンシャルのようなそのラジカルの他の特性もＥＡを予測するのに用いられうる。もし反応部位が芳香族炭素であるなら、プロセスは、メトキシ基を分子に付加し、中間体ラジカルを形成する。３１９を参照。新しいＡＭ１計算をおこなう３２１、およびＥＡを決定する３２３の操作は、水素イオン除去部位についてのそれと同様である。
【００７１】
図３Ｃは、脂肪族および芳香族反応部位の双方を有するアニソール分子３５１を示し、水素除去およびメトキシ付加の双方を示すのに用いられる。アニソールの脂肪族反応部位は、末端メチル基３５３である。水素イオン（プロトン）がこの基から除去されるとき、結果としてできる中間体は、反応性炭素上に余分な電子を一つ持つ。３５５を参照。芳香環は、オルト、メタ、パラの位置で反応しえ、メトキシ基がこれらの位置に付加することで中間体３５７、３５９、および３６１がそれぞれ生じる。この付加は、自由電子を環に残す。
【００７２】
ｉがＮより大きいときは、すべての反応部位が分析されたことを意味し、プロセスは、それぞれの反応部位の相対不安定性および活性化エネルギーを示す位置選択性テーブルまたは他のデータ表示を出力する。３２５を参照。そのような位置選択性テーブルの概略例は、図３Ｄに示される。活性化エネルギーは、反応部位を相対速度曲線にマッピングするのに用いられる。３２７を参照。そのような相対速度曲線の概略例は、図３Ｅに示される。反応部位はそれから、それらの相対速度に基づいて分類される。３２９を参照。反応部位は、典型的には、３つのカテゴリーに分類される。すなわち不安定、比較的不安定、および安定である。
【００７３】
不安定性のこの概念は、典型的には酵素触媒回路内の脱離経路について特定される。ＣＹＰ酵素の場合、脱離経路は、段階１１０、１１１、および１１２として示されており、それらは酸素、過酸化水素、および水の脱離経路である。これはこれらの脱離経路が未反応基質を再生成するからである。これらの脱離反応と競合し、かつより速く進行する代謝経路をもつ基質反応は、かなりより速い代謝を提供する。好ましい実施形態の相対速度データは、特にＣＹＰ触媒回路の最終代謝段階である段階１０７および１０８に最も直接的に適用するが、これはそれらが水脱離の速度と比較されるからである。
【００７４】
最後の操作は、到達性補正操作である。３３１を参照。前述のように、ＣＹＰ酵素、特に３Ａ４は、他の酵素がそうであるように同じ結合特異性を持たない。しかしある場合においては、反応部位が基質分子の奥深くに埋もれていて、または強く好まれる結合方向を持っていて、その結果、反応部位の相対速度が遅れたり、加速されたりする。そのような場合、ユーザは、以下に述べるように到達性補正因子を導入したいかもしれない。また、操作３３１の到達性補正因子が計算されるとき、位置選択性テーブルおよび速度曲線を出力するための操作３２５および３３１を繰り返す必要がある。好ましい実施形態においては、操作３２５および３３１は、しばしば操作３３１のあとまで遅らせられて、データが２度出力されることを防ぐ。
【００７５】
いずれにしても相対速度および立体補正を決定するコアプロセスは一般的に、薬剤代謝ＣＹＰ酵素を参照することなく実行されることは注目に値する。研究されている酵素が同様のメカニズムで代謝をおこなう限り、相対速度のある分析からのデータは、多くの酵素に有用に適用できる。いくつかの理由により、方向補正はしばしば特にＣＹＰ酵素の一部にだけ適用される。ＣＹＰ３Ａ４は、一般に疎水性生体異物のための主要な代謝酵素として知られる。ヒトＣＹＰ酵素の３次元構造は現在は知られていないが、ＣＹＰ３Ａ４の活性部位は、小さいものから非常に大きい化合物まで効率的に代謝するために一般に疎水性でかつ柔軟であると考えられる。強く極性を持つ基を疎水性化合物に付加することは、近傍の部位での代謝を減少させ、末端部位での代謝を増加させる傾向にあることがわかってきている。これはＣＹＰ３Ａ４の活性部位が親水性領域を含むことを示唆する。ＣＹＰ２Ｄ６は、正に荷電した化合物の基質選択性を持ち、そのために研究者たちはＣＹＰ２Ｄ６の活性部位には負に荷電した領域が存在していなければならないと提案している。ＣＹＰ２Ｃ９は、芳香官能基とともに負電荷を持つ化合物の基質選択性を持つ。これはＣＹＰ２Ｃ９活性部位に芳香族で、かつ負電荷の領域がおそらくは存在することを示唆する。
【００７６】
記述子および補正因子：
上述のように、本発明の補正因子は、様々な方法および表現によって得られる。記述子の複雑さと範囲の程度は、それぞれの因子によって大きく異なる。以下の議論においては、まず比較的簡単な補正因子の組が述べられる。この組は、それぞれの補正因子について単一の記述子しか含まない。あとでより詳細な組の補正因子が述べられる。それぞれは複数の項の積を含む。それぞれの項は、係数と一つ以上の記述子との積である。
【００７７】
簡単なモデルでは、ＥＡの補正された値は、以下の式によって計算される。
【００７８】
【数４】
2004504819.tif 000004
【００７９】
ここでＥＡ（ｎｅｗ）は、活性化エネルギーの補正された値であり、ＥＡ（ｏｒｉｇｉｎａｌ）は、活性化エネルギーの電子的要素であり、ＫＳＡは、その部位の表面積の記述子であり、ＫＰは、反応部位における放物線カーブのための記述子であり、ＫＲは、反応部位での突出のための記述子であり、ＫＡは、反応部位での両性モーメントのための記述子である。Ｃの値は、それぞれの記述子のための係数である。ｆＳＡは、表面積のための記述子を変更する関数である。
【００８０】
より複雑なモデルにおいては、補正された活性化エネルギーの表現は、以下のかたちをとりうる。
【００８１】
【数５】
2004504819.tif 000005
【００８２】
この表現で、ＣｉおよびＣｊは、それぞれ立体および方向記述子のための係数である。そしてＫｉおよびＫｊは、立体および方向記述子である。
【００８３】
図４は、より簡単なモデルのための到達性補正因子を生成し適用するプロセス４０１を高レベルから示す。ブロック４０３において、単一の反応部位、またはより典型的には基質分子全体または基質分子の組についての固有反応速度データが受け取られる。この時点では活性化エネルギー（ＥＡ）の最終的な計算は、絶対に必要というわけではない。なぜなら補正因子は、典型的には定数補正因子として計算されるからである。もちろん補正因子をＥＡに適用し、新しいＥＡを計算するためには固有反応速度が必要である。しかし、ＡＭ１によって計算された基質分子の３Ｄ座標マップと同定された反応部位とが必要であり、この情報は、典型的にはＥＡと共に受け取られる。
【００８４】
ある例においては、反応部位は、アルキル基炭素および芳香族炭素を含む。既述のように、ＣＹＰ酵素は、一般的にはこれらの部位において基質分子を酸化する。硫黄または窒素を含む部位のような他の反応部位は、酵素および／または考慮されている基質のクラスに応じて、他の実施形態において考慮されうる。好ましい実施形態においては、このプロセスは、他の記述子に移る前に、その分子中の全ての部位の記述子の一つのタイプを決定する。
【００８５】
操作４０５において、第１の立体到達性記述子、表面積が計算される。この操作は、図５を参照しながらより詳細に記載される。ブロック４０７において、第２立体到達性記述子の放物線カーブが計算される。これは図６を参照して詳述される。操作４０９において、第３立体到達性記述子である突出度が計算される。これは図７Ａおよび７Ｂを参照しながら詳述される。操作４１０においては、第４立体到達性記述子である伸展度が計算される。これは図８Ａおよび８Ｂを参照しながら詳述される。操作４１１においては、方向到達性記述子が計算される。これは図９を参照しながら詳述される。全ての記述子が決定された後で、補正因子が操作４１２において生成される。補正因子は、反応部位についての新しいＥＡを計算するために用いられる。４１３を参照。
【００８６】
再び、新しい活性化エネルギーの表現は、以下のかたちをとる。
【００８７】
【数６】
2004504819.tif 000006
【００８８】
方程式の右側の第２項および第３項は、それぞれ立体到達性補正因子および方向到達性補正因子である。補正因子は、活性化エネルギーと同じ単位であり、元のＥＡに対する正または負の加算補正を表現する。ｆＳａ（ＫＳａ）は、簡単な相対的な寄与／スケーリング関数である。他もそのような関数でスケーリングされうるが、好ましい実施形態においては、それらは線形定数でスケーリングされる。好ましい実施形態においては、ｆＳａ（ＫＳａ）はおおよそ−ｌｎ（ＫＳａ）であり、ＣＰは、ほぼ８から１０、ＣＲは、ほぼ０から１、そしてＣＡは、ほぼ０から０．５である。スケーリング関数／定数を含めて、補正プロセスによって新しいＥＡに寄与されるエネルギーは、典型的には、表面積についてほぼ０から５ｋｃａｌ／ｍｏｌ、放物線カーブについて０から５ｋｃａｌ／ｍｏｌ、突出について−１から１ｋｃａｌ／ｍｏｌ、そして両性について−０．２から０．２ｋｃａｌ／ｍｏｌである。強く両性である分子については、両性について−２．０から２．０ｋｃａｌ／ｍｏｌの値が典型的である。
【００８９】
図５は、表面積記述子ＫＳＡを生成する好ましいプロセスを示す。５０１を参照。表面積到達性は、基質の表面上にさらされる反応性原子の表面積の量（選ばれた参照原子の環境と比較しての）である。参照原子と比較するとたいていの実際の原子がいくらかは隠れているように、この因子は、典型的には反応部位の補正されない電子ＥＡにエネルギーのペナルティを課す。計算されたＫＳＡは典型的には０から５ｋｃａｌ／ｍｏｌの値を持つ。
【００９０】
関数ＫＳＡ＝ｆ（Ｓ（ｒ））を計算するために、プロセスは、探索半径ｒを選ぶ。これは典型的には溶媒分子の半径であり、通常は、水（ほぼ１．４オングストロームオングストローム）またはより大きい溶媒（ほぼ１．４から５オングストロームオングストローム）である。５０３を参照。それからプロセスは、この探索半径に基づいて到達可能な原子表面を計算する。５０５を参照。もし反応部位が脂肪族であれば、原子は反応性水素である。５０７を参照。もし反応部位が芳香族であれば、原子は反応性炭素である。５０９を参照。到達可能な表面はそれから参照状態と比較される。この参照状態は、脂肪族については、長い脂肪族鎖の末端のメチル基の水素であり、芳香族については、芳香環のパラ位の炭素である。５１１を参照。簡単な変更定数または関数と共に、これが最終のＫＳＡ＝ｆ（Ｓ（ｒ））を生成する。５１３を参照。原子のファンデルワールス半径だけを用いて原子の表面積を計算する、より簡単な方法も用いられうる。
【００９１】
図６Ａは、放物線カーブ記述子ＫＰを生成する好ましいプロセスを示す。放物線カーブは、その反応部位の形状がその反応性に及ぼす影響である。もし部位が表面において凸面であれば、その部位は、より反応性が高く、補正因子は、電子モデルで与えられるＥＡを減少させるだろう。もし部位が表面において凹面であれば、その部位は、より反応性が低く、補正因子は、電子モデルで与えられるＥＡを増加させるだろう。この好ましい実施形態においては、反応部位の３次元放物面を近似するために２次元放物線が用いられる。より複雑にはなるが３次元放物面を代わりに用いてもよい。
【００９２】
まずプロセスは、反応部位におけるＣＨ軸の数を決定する。６０３を参照。それぞれのＣＨ軸について、プロセスは、炭素から水素へ向かうベクトルに沿って分子をデカルト平面上で方向付ける。６０５を参照。分子のＣＨベクトルは、Ｙ軸を決定し、デカルト平面の原点は、反応性炭素のファンデルワールス半径に設定される。図６Ｂは、このプロセスにしたがって方向づけられたトリアゾラム分子６５１を示しており、ここで反応部位は塩素原子６５５とオルト位にある炭素６５３である。次に原点からある距離内（典型的には５から７オングストロームオングストローム）の全ての原子を用いて、一般的な放物線方程式ｙ＝ｃｘ２にしたがって定数値を生成する。６０７を参照。それぞれの原子についての（ｘ，ｙ）点は、原子のファンデルワールス半径に設定され、ＣＨベクトルの向きに沿って、定数ｃを計算する。この放物線定数の組から、全体のカーブが計算される。６０９を参照。好ましい実施形態においては、この値は、全ての定数の最大値である。
【００９３】
図６Ｂは、塩素原子を用いて生成された放物線を示す。６５７を参照。塩素原子の（ｘ，ｙ）点も示されている。６５９を参照。放物線は、わずかに凹型であり、塩素原子がこのＣＨ軸についての最大の凹の度合いを規定するので、この放物線は、その凹の度合いのためにその部位がわずかに到達しにくくなり、かつ正のＫＰ補正因子が生じることを示す。
【００９４】
もし一つより多いＣＨ軸が反応部位に存在すれば、操作６０５〜６０９はそれらのそれぞれについて繰り返される。いったん全ての軸についてのカーブ値が操作６１１で計算されると、別の全体のカーブ値が計算される。６１３を参照。好ましい実施形態においては、この値が再び最大値になる。これは大局的放物線カーブ値であり、これ自身も放物線記述子ＫＰを計算するために用いられる。好ましい実施形態においては、プロセスはまた、局所および半局所カーブ値も導出する。６１５を参照。局所値は、大局値と同じ方法で導出されるが、使用される原子が選ばれた距離内の原子だけであること、および原点に関して立体配置的に厳格であることが異なる。半局所値も同様に導出されるが、使用される原子が選ばれた距離内の原子であること、および回転可能な結合一つぶん原点から離れたところに位置することが異なる。
【００９５】
柔軟な分子に到達可能なコンフォメーションを探す多くの技術が存在する。非常に柔軟な分子については、到達可能な低エネルギーコンフォメーションを全て見つけることは、計算処理上、手に負えなくなりうる。後述する突出補正因子分析についてと同じように、修正されたシステマチックな探索アルゴリズムは、このコンフォメーション分析にも有用である。単一の探索の中で全ての回転可能な結合を同時に探索するよりも、回転可能な結合のサブセットが処理される複数の探索が実行されうる。これらのサブセットは、相互隣接に基づいて選択される。もし分子連結グラフにおいて非回転結合だけで隔てられるなら、二つの回転可能な結合は隣接するとみなされる。特定の数を上限とする隣接する回転可能な結合、典型的には５個の回転可能な結合の、全てのありうるサブセットが列挙される。隣接する回転可能な結合を考慮することの利点は、協同性効果がよりよく反映されることである。直鎖状に延びた分子については、この手法はコンパクトな折りたたみコンフォメーションを素速く生成することができる。分枝分子についてもこの手法は有用である。なぜなら１個の分枝の動きは、他の分枝の到達可能な空間に大きく影響するからである。
【００９６】
これでプロセスは放物線カーブ記述子ＫＰを導出するために必要な値を全て有することになる。ここでＫＰ＝ＸＧＰＧ＋ＸＳＰＳ＋ＸＬＰＬである。６１７を参照。全体の大局的、半局所的、および局所的放物線カーブ値は、それぞれＧ、Ｓ、およびＬである。好ましい実施形態においては、ＸＧが１．０であり、他の変更定数はゼロである。典型的な得られるＫＰ値は、末端メチル水素およびパラ・芳香水素については−０．４ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、脂肪族六員環の軸部位および芳香環のオルト部位については０．０ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、第三級の置換された脂肪族部位については−０．４ｋｃａｌ／ｍｏｌである。
【００９７】
図７Ａは、突出記述子ＫＲを生成する好ましいプロセスを示す。７０１を参照。突出度は、反応性原子が分子の全体表面から内向きに、または外向きに位置する程度である。まずベクトルｖｉが分子の参照点から反応性炭素へと引かれる。７０３を参照。
【００９８】
【数７】
2004504819.tif 000007
【００９９】
参照点は、典型的には分子の重心点である。ベクトルの大きさは炭素原子のファンデルワールス半径だけ増加させられる。７０５を参照。それから操作７０７および７０９とともに、参照点から分子の他の全ての原子へのベクトルがこれと比較される。ここでシステムは、変数Ｎを原子数と等しくセットし（７０７）、これらの部位について反復する（７０９）。反復ループ操作７０９は、初期状態ではインデックス値「ｉ」を１に等しくセットする。それから現在のｉの値がＮの値よりも大きいかどうかを決定する。もしそうでなければ、システムはその原子についての複数のベクトルを比較するためにさまざまな操作を実行する。
【０１００】
プロセスは、参照点から原子にベクトルを引く。７１１を参照。このベクトルの反応性炭素のベクトルに沿った成分がそれから決定される。７１３を参照。考慮されている原子のファンデルワールス半径が、反応性炭素に沿ったこのベクトルの大きさにそれから加えられる。７１５を参照。図７Ｂは、参照点７５０、反応性炭素７５１、この反応性炭素へのベクトル７５３、原子７５５、およびこの原子へのベクトル７５７を示す。
【０１０１】
全ての原子がこのように分析された後で、分子の残りの部分にある原子群が反応部位を到達不可能にする程度を反映させるために、全体的な値が計算される。７１７を参照。好ましい実施形態においてこの値は、単に、反応性炭素ベクトルに沿ったベクトル成分の最大値である。本質的には、これは、反応性炭素ベクトルに沿った最も大きい成分を持つベクトルが、その反応部位の到達不可能性を示すと解されることを意味する。もしこの最大値が反応性炭素ベクトルの大きさよりも大きいなら、負の突出値が生じる。もしこの最大値が反応性炭素ベクトルの大きさよりも小さいなら、正の突出値が生じる。
【０１０２】
これが大局突出値ＲＧであり、以下のように表現される。ここでＶｉは反応性炭素ｉから参照原子へのベクトルであり、ｖｊは原子ｊから参照点へのベクトルであり、ｒｉは原子ｉのファンデルワールス半径であり、ｒｊは原子ｊのファンデルワールス半径である。
【０１０３】
【数８】
2004504819.tif 000008
【０１０４】
大局突出値は、突出補正ＫＲを計算するのに用いられうる。好ましい実施形態においては、プロセスはまた、局所および半局所突出値を導出する。７１９を参照。局所値は、大局値と同じ方法で導出されるが、使用される原子が選ばれた距離内の原子だけであること、および原点に関して立体配置的に厳格であることが異なる。半局所値も同様に導出されるが、使用される原子が選ばれた距離内の原子であること、および回転可能な結合一つぶん原点から離れたところに位置することが異なる。そしてこれら３つの突出値は、負の突出が正のＥＡの増加を表すように符号が逆にされる。
【０１０５】
これでプロセスは突出カーブ補正因子ＫＲを導出するために必要な値を全て有することになる。ここでＫＲ＝ＹＧＲＧ＋ＹＳＲＳ＋ＹＬＲＬである。全体の大局的、半局所的、および局所的突出カーブ値は、それぞれＲＧ、ＲＳ、およびＲＬである。これらの値の相対的な寄与は、定数ＹＧ、ＹＳ、およびＹＬによって変更されうる。好ましい実施形態においては、ＹＧが１．０であり、他の変更定数はゼロである。
【０１０６】
図８は、方向補正因子ＫＡ、好ましい実施形態においては両性補正因子を生成する好ましいプロセスを示す。８０１を参照。両性相互作用は基質および酵素の双方に特異であるので、特定の酵素についてプロセスをパラメータ化する必要がある。この実施形態においては、プロセスは、ＣＹＰ酵素、特にＣＹＰ３Ａ４についてパラメータ化されるが、このプロセスは他の酵素に対応することもできる。ＣＹＰ３Ａ４の反応部位は、その活性部位において高極性環境を有し、しかし活性部位の近傍領域においては疎水性環境を有すると一般に特徴づけられる。したがって、もし基質分子が強い両性モーメントを有し、その結果、片方が全体に極性があり、もう一方が疎水性であるなら、それはＣＹＰ３Ａ４（極性−極性および疎水性−疎水性）の活性部位において一方向に向く傾向にあるだろう。もし対象の反応部位がそのような分子の疎水性末端に位置するなら、その反応性は消えるだろう。もし反応部位が極性端に位置するなら、その反応性は増すだろう。したがって両性補正因子を決定することは、二つの大きなステップを含む。すなわち、分子の両性モーメントを決定することと、それからその反応部位のベクトル軸に沿ったモーメントの成分を決定することである。
【０１０７】
まず操作８０３および８０５に始まり、分子の両性モーメントが計算されなければならない。ここでシステムは、変数Ｎを原子数と等しくセットし（８０３）、これらの部位について反復する（８０５）。反復ループ操作８０３は、初期状態ではインデックス値「ｉ」を１に等しくセットする。それから現在のｉの値がＮの値よりも大きいかどうかを決定する。もしそうでなければ、システムは両性モーメントを生成するためにさまざまな操作を実行する。分子中のそれぞれの原子について、プロセスは参照点から原子へベクトルを引くが、参照点は、典型的には分子の重心点である。８０７を参照。このベクトルは、部分電荷ｆ（ｑｉ）から導かれた関数によって、かつ原子ｓｉの表面積によって積をとられて、両性モーメントを出す。ｆ（ｑｉ）の最も簡単な表現は、単に絶対値｜ｑｉ｜である。８０９および８１１を参照。到達可能な表面積を決定するために用いられる探索半径は、典型的には水のような溶媒分子のそれである。代わりに表面積は、その原子のファンデルワールス半径からだけで決定されうる。操作８０３から８１１までのプロセスは、以下の数式によっても要約されうる。ここでｍは両性モーメントであり、ｖｉは原子へのベクトルである。
【０１０８】
【数９】
2004504819.tif 000009
【０１０９】
軌道エネルギーのＧａｓｔｅｉｇｅｒ−Ｍａｒｓｉｌｉの部分等価を用いれば、得られる典型的な大きさは、非両性分子の０から１００オングストロームの電荷から、強い両性分子については４５０オングストロームの電荷である。これらの数の単位は、オングストローム×電荷であり、１個の電荷は約６ｘ１０−１９クーロンである。
【０１１０】
そして反応部位のベクトルが参照点から反応性炭素へと引かれる。８１３を参照。このベクトルと両性モーメントとの内積をとると、その反応部位の両性値になる。８１５を参照。これは定数およびパラメータで変更されてＫＡ両性補正因子を出しうる。８１７を参照。
【０１１１】
【数１０】
2004504819.tif 000010
【０１１２】
例えば大きな分子は両性モーメントが強調される傾向にあることがわかっているが、この影響を最終的なＫＡの計算に含ませることができる。
【０１１３】
到達性補正のためのより複雑なモデルへと議論をうつすことにする。このモデルでは上述のように、それぞれの部位における補正された活性化エネルギーの表現は以下の形をとる。
【０１１４】
【数１１】
2004504819.tif 000011
【０１１５】
ＣｉおよびＣｊは、立体および方向記述子ＫｉおよびＫｊのための係数である。係数Ｃｉの計算は、図１５、図１６Ａ、および図１６Ｂを参照しながら以下に詳述される。
【０１１６】
図９は、方向到達性記述子Ｋｊを生成するための一つの一般的なプロセス９００を示す。まず基質分子のそれぞれ原子ｉの部分電荷ｑｉおよび部分表面積Ｓｉが操作９０１において生成される。そして、それぞれの原子の親水性つまり極性ｐｉ、部分電荷の関数および部分表面積が操作９０３において生成される。いったん極性が計算されると、方向到達性記述子が操作９０５において生成される。モデル化されるアイソザイムに依存して、これらの記述子は、極性領域への距離、突出によって重み付けされた極性領域への距離、両性モーメント、疎水性、帯電した原子への距離、およびアイソザイムによる代謝への基質方向の効果を記述するのに役立つその他の記述子を含んでもよい。方向到達性記述子は、それぞれのありうる反応部位について生成される。そして操作９０５は、基質のそれぞれのコンフォメーションについて繰り返される。９０７を参照。さまざまなコンフォメーションから、基質全体を表現するために記述子の組が選択される。
【０１１７】
記述子の組の選択は多くのよく知られた方法によってなされうる。記述子は、ボルツマン重み付けのような統計的な方法によって平均化されうる。好ましい実施形態においては、それぞれの原子記述子の最大値が記述子の組について選択される。コンフォメーションがより到達性が高く、かつ反応性がある部位に対応し、計算の規模がより小さいことを分子が前提としていることを、この方法は前提としている。
【０１１８】
それぞれの原子の部分電荷は、多くの知られた量子力学的または経験的な方法によって計算されうる。例えば、静電電位フィッティング、またはＭｕｌｌｉｋｅｎ電荷のような、原子の部分電荷をその電子密度から推測する量子力学的手法が用いられうる。あるいは、原子の部分電荷を、その原子の電気陰性度およびイオン化ポテンシャルのような経験的データに基づいて生成する方法が用いられうる。そのような方法の例には、Ｇａｓｔｅｉｇｅｒ法、Ｇａｓｔｅｉｇｅｒ−Ｍａｒｓｉｌｉ法、Ｈｕｃｋｅｌｌ法、およびＧａｓｔｅｉｇｅｒ−Ｈｕｃｋｅｌｌ法が含まれる。好ましい実施形態においては、Ｇａｓｔｅｉｇｅｒ−Ｍａｒｓｉｌｉ法を用いてソフトウェアのルーチンが部分電荷を生成する（Ｇａｓｔｅｉｇｅｒ， Ｊ．， Ｍａｒｓｉｌｉ， Ｍ．， Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｐａｒｔｉａｌ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｏｒｂｉｔａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｅｇａｔｉｖｉｔｙ − Ａ ｒａｐｉｄ Ａｃｃｅｓｓ Ｔｏ Ａｔｏｍｉｃ Ｃｈａｒｇｅｓ， Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ Ｖｏｌ ３６ ｐ３２１９ １９８０）。好ましい実施形態においては、ＭＯＥソフトウェアパッケージで実現されているＧａｓｔｅｉｇｅｒ−Ｍａｒｓｉｌｉ法が用いられる。ＭＯＥソフトウェアは、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ， １０１０ Ｓｈｅｒｂｒｏｏｋｅ Ｓｔ． Ｗｅｓｔ， Ｓｕｉｔｅ ９１０， Ｍｏｎｔｒｅａｌ， Ｑｕｅｂｅｃ， Ｃａｎａｄａ， Ｈ３Ａ ２Ｒ７から入手可能である。部分電荷は電子電荷の単位で表現され、典型的には−１から１の範囲である。
【０１１９】
極性もまた、原子の部分表面積の関数である。その原子および隣接原子群のファンデルワールス半径および共有結合長だけの関数であるファンデルワールス表面積か、または、溶媒が到達可能な表面積、原子のファンデルワールス半径の関数、探索原子の半径、および分子の３次元コンフォメーションかのいずれかが用いられうる。溶媒が到達可能な表面積は上述のように決定される。好ましい実施形態においては、ファンデルワールス表面積が用いられ、ＭＯＥソフトウェアを用いて生成される。部分表面積は、絶対的な数値、または分子の全表面積に対する分数として表現されうる。原子の部分表面積は、立体到達性記述子の以前の計算から格納されていてもよく、この場合は再計算されるのではなくメモリから取り出されうる。
【０１２０】
それぞれの原子ｉの部分電荷ｑｉおよび部分表面積Ｓｉを生成した後に、極性ｐｉが操作９０２によって生成される。この目的のためにＵｎｉｔｅｄ Ａｔｏｍ Ｍｏｄｅｌが非極性水素群について好ましくは用いられる。つまりこれらは、極性が計算される前に連結原子上にひとまとまりにされる。他の実施形態においては、非極性水素を含む全ての原子が別個に考慮される。上述のように、立体到達性記述子とは異なり、方向到達性記述子は、アイソザイムに特異なものである。これが明らかにされる一つの方法は、極性の計算である。例えば、２Ｃ９酵素は負に帯電した基質を好むため、２Ｃ９酵素による代謝のモデルにおいては、負に帯電した原子だけが極性があるとみなされる。よって基質上の原子ｉの極性ｐｉは、２Ｃ９の代謝ついては以下の表現によって与えられる。
【０１２１】
【数１２】
2004504819.tif 000012
【０１２２】
ここで
【数１３】
2004504819.tif 000013
である。
【０１２３】
２Ｄ６による代謝についても同様に、正電荷だけが極性の計算には含まれる。
【０１２４】
【数１４】
2004504819.tif 000014
【０１２５】
ここで
【数１５】
2004504819.tif 000015
である。
【０１２６】
３Ａ４による代謝については、正および負に帯電した原子が極性があるとみなされ、以下のようになる。
【０１２７】
【数１６】
2004504819.tif 000016
【０１２８】
正および負の電荷が考慮されるときは、３Ａ４酵素のように、それぞれの基質原子の極性を計算する代替の方法は、原子のｌｏｇ　Ｐへの寄与を見つけるために分子のパーティション係数、ｌｏｇ　Ｐを分解することである。そのような一つの方法は、Ｗｉｌｄｍａｎ， Ｓ．Ａ．， Ｃｒｉｐｐｅｎ， Ｇ．Ｍ．によるＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｂｙ ａｔｏｍｉｃ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ， Ｊ． Ｃｈｅｍ． Ｉｎｆ． Ｃｏｍｐｕｔ． Ｓｃｉ．， ３９（５）， ８６８−８７３ （１９９９）に記載されており、ＭＯＥソフトウェアにおいて実現されている。
【０１２９】
それぞれのありうる反応部位の極性がわかったところで、さまざまな方向型の記述子が計算されうる。多くの記述子は、考慮されている反応部位からある距離だけ離れて位置づけられたいくつかのパラメータの重み付けされた平均を表現する。図１０は、極性部位１０２０、１０３０、および１０４０を持つ、反応部位１０００から距離１０１０のところに位置するシェルの断面を示す。ある実施形態においては、基質上の反応部位の位置と極性部位の位置との関係を記述するために用いられる少なくとも４組の記述子がある。すなわち、反応部位から極性領域への距離についてだけ考慮する２組（極性領域への距離の記述子）と、極性領域の立体到達性も考慮する２組（突出重み付けされた極性領域への距離の記述子）とである。極性領域への距離の記述子Ｋｄｔｐの第１の組は、反応部位から一定の距離だけ離れて位置する殻群の中の極性の絶対量をとらえる。例えば、２オングストローム記述子の値は、反応部位から距離２オングストロームに中心を持つ殻の中に含まれる極性の量である。この２オングストローム記述子Ｋｄｔｐ，２Ａは、次の数式で表現されうる。ここでｐｉは、原子ｉの親水性つまり極性であり、ｗ２Ａは重み付け因子であり、原子ｉから反応部位への距離の関数である。
【０１３０】
【数１７】
2004504819.tif 000017
【０１３１】
好ましい実施形態においては、重み付け因子ｗは、反応部位からの距離で中心づけられたガウス関数であり、その値は殻の中心から約１．５オングストロームの距離においてゼロに近づく。よって２オングストローム記述子は、反応部位から約１オングストロームから３オングストロームの間の極性をとらえ、殻の末端よりも殻の中心でより重み付けされている極性を持つ。好ましい実施形態においては、この組は、そのような記述子７組からなっており、それぞれ２オングストローム、４オングストローム、６オングストローム、８オングストローム、１０オングストローム、１２オングストローム、１４オングストロームにおいて中心づけられている。ガウス関数以外のさまざまな殻の重み付け関数が用いられうる。例としては、２乗殻、三角殻などがある。
【０１３２】
極性領域への距離の記述子Ｋｎｄｔｐの第２の組は、反応部位から一定の距離だけ離れて位置する殻群の中の極性の正規化された量をとらえる。例えば２オングストローム記述子は、次の数式で与えられる。
【０１３３】
【数１８】
2004504819.tif 000018
【０１３４】
好ましい実施形態においては、この組はそれぞれ２オングストローム、４オングストローム、６オングストローム、８オングストローム、１０オングストローム、１２オングストローム、１４オングストロームにおいて中心づけられている。
【０１３５】
図１１は、反応部位１１００、極性部位１１１０、および極性部位１１２０を有する基質分子の簡略化された概略図を示す。１１１０および１１２０が共に極性を有するが、いくつかの酵素については、反応部位１１００に比較して１１１０の部位の突出のために、極性部位１１１０が極性部位１１２０よりも代謝をより助ける。極性部位が代謝の助けになるためには、それは、反応部位とともに到達可能でなければならない。部位１１００から部位１１２０に向かうベクトル１１４０に沿った疎水性領域は、部位１１２０の到達性を弱め（ある酵素については）、疎水性領域の代謝効果を減少させる。好ましい実施形態においては、２個の突出重み付けされた極性領域への距離の記述子の組が、これらの部位の極性部位への距離と、立体到達性とを共に考慮することによって、この効果を反映させる。第１の組Ｋｐｗｄｔｐは、反応部位から一定の距離に位置する殻の中の突出到達性によって重み付けされた極性の絶対量をとらえる。よってそれぞれの記述子は、次の数式によって与えられる。ここでｐｉは原子ｉの極性であり、ｗ２Ａは重み付け因子であり、ｐｒｉ，ｒは反応部位ｒに関する原子ｉの突出度である。
【０１３６】
【数１９】
2004504819.tif 000019
【０１３７】
突出度ｐｒｉ，ｒは、参照点としての原子ｉについて上述のように計算される。好ましい実施形態においては、再び重み付けｗは、反応部位から考慮されている距離だけ離れたところに中心づけられたガウス関数であるが、他の重み付け関数が用いられてもよい。ある実施形態においては、好ましい実施形態において７個のそのような記述子があり、それぞれ２オングストローム、４オングストローム、６オングストローム、８オングストローム、１０オングストローム、１２オングストローム、１４オングストロームにおいて中心づけられている。
【０１３８】
記述子の密接に関連した組は、極性領域への正規化された突出重み付けされた距離を記述し、それと共に反応部位からの距離も記述する。例えば、２オングストローム記述子は以下の数式によって与えられる。
【０１３９】
【数２０】
2004504819.tif 000020
【０１４０】
追加の方向到達性記述子も用いられうる。一つのそのような記述子は両性モーメント記述子である。この記述子は、その両性モーメントと関連してことによっての反応部位がどこにあるかをとらえる。両性モーメント記述子の計算は図８を参照して上述された通りである。
【０１４１】
他のありうる方向到達性記述子は、疎水性記述子、および帯電した原子への近接性を測る記述子を含む。疎水性記述子ＫＨｒは、共有結合で反応性炭素に結合された全ての水素原子の部分電荷および部分表面積を考慮することによって、反応性炭素ｒの疎水性特質を測る。記述子ＫＨｒは、全ての結合された水素群についての以下の総和によって表現でき、ここでＳｊは水素ｊの部分表面積であり、ｑｊは水素ｊの部分電荷であり、βは方程式において電荷が優勢であるときを決定するパラメータである。
【０１４２】
【数２１】
2004504819.tif 000021
【０１４３】
βは、その原子がもはや疎水性ではないとみなされる閾値部分電荷において、ガウス関数ｅｘｐ（−βｑｊ２）がゼロになるように設定される。好ましい実施形態においては、この閾値はほぼ±０．３である。よって−０．３＜ｑｊ＜０．３については、ガウス関数、および水素ｊの疎水性への寄与はゼロになる。部分電荷が低いとき、ガウス関数は１になり、水素ｊの疎水性への寄与は水素ｊの部分表面積に比例する。この特定の実施形態においては、疎水性酵素が２Ｃ９モデルのために用いられるが、これは他のアイソザイムにも用いられうる。
【０１４４】
好ましい実施形態においては、帯電した原子への近接性記述子ＫＣｒが２Ｃ９酵素モデルによる代謝において用いられる。この記述子は、ありうる反応部位ｒに最も近い隣接原子ではない（つまり共有結合で結合されている）全ての負に帯電した原子を対象にする。これは以下の表現で与えられ、ここでｑｉは原子ｉの部分電荷であり、ｑｔは、これ未満では原子が負に帯電しているとみなされる閾値電荷であり、ｄｒ−ｉはありうる反応部位ｒから原子ｉまでの距離であり、ｎは反応部位ｒの最も近い隣接原子である。
【０１４５】
【数２２】
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【０１４６】
好ましい実施形態においては、ｑｔは−０．１電子単位に等しい。さらに、最も近い隣接原子を総和から除外するために結合性に頼らずに、閾値距離ｄｒ−ｉが特定されてもよい。典型的には、ｄｒ−ｉがほぼ２オングストロームより大きいと特定すれば、最も近い隣接原子は除外される。この特定の実施形態では、２Ｃ９酵素による代謝に用いられてはいるが、帯電した原子への近接性の記述子は他の酵素について適用されてもよい。
【０１４７】
図１２は、立体到達性記述子ＫｉＳを生成する一つの一般的なプロセスを示す。まず、操作１２０１において立体到達性記述子がそれぞれの反応部位について生成される。これらの記述子は表面積記述子ＫＳＡ、放物線カーブ記述子ＫＰ、突出記述子ＫＲ、および伸展記述子ＫＥを含んでもよい。操作１２０３において、これらの記述子が基質のそれぞれのコンフォメーションについて生成される。さまざまなコンフォメーションから、操作１２０５において、基質全体を表現するために記述子の組が選択される。
【０１４８】
記述子の組の選択は、多くのよく知られた方法で行われうる。記述子は、ボルツマン重み付けのような統計的な方法によって平均化されうる。好ましい実施形態においては、それぞれの原子記述子の最大値が記述子の組について選択される。コンフォメーションがより到達性が高く、かつ反応性がある部位に対応し、計算の規模がより小さいことを分子が前提としていることを、この方法は前提としている。
【０１４９】
表面積記述子ＫＳＡの生成は図５を参照して上で詳述されている。放物線カーブ記述子ＫＰの生成は図６Ａおよび６Ｂを参照して上述されている。突出記述子ＫＰの生成は図７Ａおよび７Ｂを参照して上述されている。
【０１５０】
この複雑なモデルで用いられている重要な追加の立体到達性補正因子は、伸展到達性である。これは、分子において原子が参照点から離れている伸展度を、他の原子の伸展度と比較することにおいて、突出度と関係している。伸展記述子ＫＥは、以下のように数式化されている。ここでｖｉは反応性炭素ｉから参照原子へのベクトルであり、ｖｊは反応性炭素ｊから参照原子へのベクトルであり、ｒｉは原子ｉのファンデルワールス半径であり、ｒｊは原子ｊのファンデルワールス半径である。
【０１５１】
【数２３】
2004504819.tif 000023
【０１５２】
上の方程式が示すように、好ましい実施形態においては、反応性炭素および最も伸展された原子のベクトルおよび半径だけが伸展記述子の最終的な計算で用いられる。図１３は、参照点１３５０、反応性炭素１３５１、反応性炭素１３５３へのベクトル、原子１３５５、および原子１３５７へのベクトルを持つ分子を示す。
【０１５３】
記述子から補正因子を生成：
本発明のこの局面は、化合物上の反応部位の不安定性を予測するにおいて、到達性パラメータを説明するモデルを作る方法と見ることができよう。この方法は以下の手順によって特徴づけられる。まず、実現するシステムは、化合物のトレーニングセットについての構造表現を得なければならない。次に、これらの化合物のそれぞれについて、システムはモデルに関係する一つ以上の反応部位を特定する。それからこれらの反応部位のそれぞれについて、システムは（ｉ）それぞれの部位における代謝が実験的に観測されるかを決定し、（ｉｉ）その反応部位を、複数の化学構造記述子の値で特徴づける。これらの記述子は、上述の立体および方向記述子と共に電子反応性を含む。最後に全ての反応部位について、システムは代謝情報および化学構造記述子の値の部位を用いて、それぞれの化学構造記述子からの寄与の総和をとる不安定性の表現を得る。
【０１５４】
図１４は、本発明のある実施形態によるモデルを生成するために用いられるうる典型的な操作を表すプロセスフロー図を示す。示されるように、プロセス１４０１は、有機分子を特徴づける構造記述子の適切な組を選ぶことから始まる。１４０３を参照。例えば、記述子の組はある特定のタイプまたはクラスの反応（例えば芳香族酸化）を記述するのに用いるために選ばれる。これは異なるクラスの反応は到達性因子によって非常に異なって影響を受けるかもしれないからである。
【０１５５】
関連する記述子が選ばれると、次のプロセス操作は、有機分子の適切なトレーニングセットについての情報を得ることを伴う。１４０５を参照。これらの分子は、そのモデルが実際に遭遇する可能性が高い構造的特性および反応性のタイプの意味のあるサンプルを提供するために選ばれる。このトレーニングセットのそれぞれのメンバーについて、全てのありうる反応部位が同定される。これらのそれぞれの部位について（トレーニングセットのそれぞれの分子上の）、プロセスは、それぞれの部位が代謝されるかどうかについての実験に基づく情報を得る。１４０７を参照。
【０１５６】
実験的部位反応性は、本発明のモデルを構築するために用いられるそれぞれのデータポイントの一つの要素をなす。他の要素は記述子の値である。１４０３で同定された記述子の組を適用することによって、プロセスは、トレーニングセット化合物上のそれぞれの部位についてのこれらの記述子の実際の値を得る。１４０９を参照。例えば、ある記述子は、反応部位から２オングストローム離れた重み付けされた極性でありうる。この記述子の値は、その部位における重み付けされた極性の実際の数値である。プロセスはこれらの記述子の値を、トレーニングセットのメンバーの簡単な３次元化学構造を解析することによって得てもよい。
【０１５７】
記述子の値がいったん計算されると、トレーニングセットのそれぞれのメンバーのそれぞれの関連する部位は、こんどは記述子の値の組、および反応性の信用できる測定値によって表現される。そしてこれらのデータポイントを用いて、プロセスは、反応性を記述子と結びつける実際のモデルを生成する。１４１１を参照。このモデルは、それぞれの記述子の値についての係数を含む簡単な表現のかたちをとってもよい。プロセスを生成するモデルの詳細な例は後述される。
【０１５８】
モデルが得られたので、プロセスはこのモデルを分子の特定のテストセット（またはいくつかの実際のフィールドテスト分子）に対してテストする。１４１３を参照。テストに用いられる分子はあらかじめ代謝の部位を知っていなければならない。これらの部位を正確に予測するモデルの能力によって、モデルが改良を必要とするかどうかが決定される。１４１５を参照。このモデルが代謝の部位をよく予測できるとすれば、プロセス１４０１は完了である。モデルが改良を必要とするなら、修正されたトレーニングセット、つまり記述子のリストが選ばれる。１４１７を参照。そこからプロセスの制御は１４０７または１４０９の適当なものに戻る。修正されたセットつまりリストは、モデルに困難を呈した分子のタイプまたは構造的特徴を扱うために選ばれる。
【０１５９】
モデルを発達させるあいだ、トレーニングセットは注意深く選ばれなければならない。構造的に多様な化合物の多くの集まりが用いられなければならない。一般的に、トレーニングセットのメンバーは、合成されて、特徴づけられた代謝部位を有するどんな化合物であってもよい。トレーニングセットのために選ばれた特定の化合物は、モデルに関連する化学構造空間にも注目される。よって有用なトレーニングセットは、そのモデルで最終的にスクリーニングされる化合物の活性に関連する活性を有する化合物からなっていてもよい。例えば、もしモデルが薬剤代謝に関するなら、トレーニングセットの化合物は、既知の薬剤および／または薬剤のような化合物または他の生物活性化合物であってもよい。
【０１６０】
トレーニングセットのサイズは、グループのメンバーの多様性の量に部分的には依存する。本発明の分脈での構造的「多様性」とは、そのセットの化合物が幅広い異なる官能基および官能基環境を持つことを意味する。そのような多様性は、幅広い「骨格」および「かたまり」および／または幅広い環系、代替物などで得ることができよう。
【０１６１】
本発明は、ある化合物上の様々な部位の反応性を予測するモデルに関するので、表現されている反応部位の構造について多様性を呈する必要がある。上述のように、部位の「構造」は、その部位における特定の原子または部分を含むだけではなく、その部位の化学的かつ物理的環境をも含む。よって多様なトレーニングセットを開発する目的で、部位の構造の多様なセットは、隣接する原子、環系などの多様性を含んでもよい。
【０１６２】
トレーニングセットは、そのような化合物および構造が存在する範囲において、幅広い範囲の活性化エネルギーを呈する化合物および反応部位構造のグループを強く強調してもよい。そのような部位の反応性は、わずかな、かつ微妙な構造的変化によっても大きく影響を受ける可能性があるため、これらの部位はモデリングするのに困難をきたす。よってトレーニングセットは、数多くの同様な、しかしわずかに異なる化学構造を要求するかもしれない。
【０１６３】
トレーニングセットを特定する一つのアプローチにおいては、化合物のグループがランダムに、またはかたまり、骨格などに基づいて系統立てて選ばれる。予備的にそのような化合物のグループを分析してから、それらの官能基は、元のトレーニングセットの中で官能基グループの分布を特定するために分類されうる。興味ある官能基グループの集まりに、あるとしても少ししか貢献しないような化合物は、廃棄されうる。
【０１６４】
部位反応性の表現（例えば活性化エネルギー）は、適当なデータフィッティング手法から得られる。一般に、この表現は部位反応性を特定の構造記述子に関連づけることによって得られる。関連づけは、二つの変数グループ間の関係を見いだそうとする試みを表す。変数の一つの組は、従属変数の組であり、これらは独立変数の組である他の組の関数である。本発明においては、従属変数は、それぞれの部位が酸化反応を経る程度であり、独立変数は構造記述子の値である。
【０１６５】
本発明と用いられるデータフィッティング手法の例は、様々な回帰手法、部分最小二乗法、主成分分析法、後方伝搬ニューラルネットワーク、および遺伝的アルゴリズムを含む。主成分分析法は、Ｐ． ＧｅｌａｄｉによるＡｎａｌ． Ｃｈｉｍ． Ａｃｔａ， １９８６， １８５， １に記載されており、ここで参照により援用される。
【０１６６】
線形回帰方程式は、独立および従属変数に関連している（Ｙ＝ＸＢ＋ｅであり、ここでＹはベクトルで表現される従属変数（つまりトレーニングセットメンバーの部位の反応性）であり、Ｘは行列で表現される従属変数（つまり構造記述子）であり、Ｂはベクトルで表現される回帰係数であり、ｅは残差である）。ＰＬＳ（潜在構造への投影または部分最小二乗法）回帰分析は、本発明と最もよく使われるが、それはそれがオーバーフィッティングのリスクを最小化しながらも多くの相関する記述子を処理できるからである。
【０１６７】
実際には、トレーニングセットのそれぞれのメンバーを分析することになる。それぞれのメンバーについて、ありうる反応部位のリストを考慮することになる。明らかに興味のある部位は、手持ちのモデルの反応を経ることができるものに限られる。
【０１６８】
図１５は、原子記述子と原子活性との間の関係を示す。記述子には３つのタイプがある。すなわち電子反応性記述子ＥＡ０、立体到達性記述子、および方向到達性記述子である。このモデルを完成するためには、記述子の係数を決定することが必要である。これは原子のトレーニングセットからの経験的データを用いてなされ、ｘ（記述子）およびｙ（活性）変数について代入される。好ましい実施形態においては、それぞれの活性変数ｙｉは、１または０の値を与えられ、１は非代謝状態に対応し、０は代謝された部位に対応する。これは非代謝および代謝部位の間の均一なエネルギー差を前提としている。もしじゅうぶんなデータが入手可能であれば、相対的活性値が用いられうる。そして係数が適当な手法で決められる。好ましい実施形態においては、部分最小二乗法（ＰＬＳ）回帰法が用いられるが、他の適当な回帰法またはフィッティング法も用いられうる。
【０１６９】
図１５のｘ行列は、トレーニングセットの全ての基質の記述子の組からの全ての記述子によって埋められている。ｎ行のそれぞれは原子を表し、ここでｎはトレーニングセットの原子の総数である。ｍ列のそれぞれは記述子を表し、ここでｍは記述子のタイプの総数であり、すなわち電子反応性記述子ＥＡ０と立体到達性記述子と方向到達性記述子との和である。よってそれぞれのｘｉ，ｊは、原子ｉの記述子ｊを表す。
【０１７０】
図１６Ａは、記述子係数を決定する好ましいプロセスを表す。記述子の相対値が計算される。例えば、電子反応性記述子については、ＥＡ０の全ての値がＥＡ０の最も小さい値によって減じられる。よって最も電子的に反応性が高い部位に対応する、分子上で最も低いＥＡ０は、ゼロに設定される。このプロセスは操作１６０１および１６０２においてそれぞれの記述子について繰り返され、最も大きい到達性に対応する値に関連して、それぞれの立体および方向記述子の値も作られる。そして操作１６０３においてＰＬＳ回帰を改良するためにトレーニングセットデータが調節される。そして係数が操作１６０４においてＰＬＳ回帰から見つかる。いったん係数がＰＬＳ回帰から計算されると、全ての係数は係数ＥＡ０によって除されて、それにより操作１６０５においてＥＡ０係数に相対的なものとして再スケーリングする。これは全ての項をエネルギー単位に変換する効果を持つ。
【０１７１】
図１６Ｂは、ＰＬＳ回帰からよい結果を産むために必要かもしれないトレーニングセットデータへの調節を示す。まず操作１６０６においてＥＡ０記述子の値が任意の因子によってスケールアップされる。これはＰＬＳ回帰にＥＡ０を最初の潜在変数として受け入れさせることになり、ＰＬＳ回帰はデータの分散に敏感であるために必要なことである。もしデータ間に高い相互線形性があれば、ＰＬＳ法はそれをとらえる。ＰＬＳ法のこの局面は、ＥＡ０のような単一の記述子を無視する効果を持つ。ＥＡ０をスケールアップすることは、ＰＬＳ回帰が充分にＥＡ０記述子を考慮することを確実にする。このスケールアップ因子は、典型的には、さらなる増加が回帰の結果に影響を与えないくらい充分に大きくなければならない。好ましい実施形態においては、スケーリング因子は典型的には５から１０のオーダーである。
【０１７２】
代謝された部位に対応するデータは、操作１６０７において調節される。これはサンプル数が少ないデータの重要性を増すことによって、それが無視されないようにするために必要である。これはサンプル数が少ないデータの観測点の数を充分に増やすことによって行われる。分子上のこれらの部位のほとんどは代謝されないので、トレーニングセットデータ中には代謝される部位よりも代謝されない部位のほうがずっと多く存在する。よってトレーニングセットデータは、代謝される部位の観測点の数を充分に増やすように調節されなければならない。これは、観測点の重み付けをするソフトウェアによって、または望ましい観測点を繰り返し入力することによって行われる。このデータはまた操作１６０８において、全ての代謝メカニズムに等しい表現を与えるために調節されるか、または重み付けされる。
【０１７３】
部位反応性を近似するためのモデルの使用：
一般に、本発明のこの局面は、化合物上の反応部位の代謝の尤度を予測する方法としてみることができよう。そのような方法は、以下のように特徴づけられる。まず、実現するシステムは化合物上の反応部位を同定する。次にシステムは、その反応部位についての複数の化学構造記述子の値を同定する。これらの記述子は上述の記述子である。第三に、システムは表現の項の和をとることによって反応部位の代謝尤度値を計算するが、ここでこれらの項は化学構造記述子を含むか、またはそれらから導出される。始めの３つの操作は、化合物の他にもある反応部位についてさらに繰り返される。最後にシステムは、化合物上の反応部位について計算された代謝尤度値を出力する。このシステムは、化合物上の全ての反応部位についての計算された代謝尤度値を同時に表示してもよい。
【０１７４】
本発明のモデルは、より厳密な量子力学化学モデルと共に用いられてもよく、またそれを補ってもよい。量子力学モデルは、例えば部位反応性の電子的要素の値を与えてもよい。
【０１７５】
図１７は、３Ａ４酵素によって代謝される基質についての相対原子安定度のグラフの例を示す。それから相対原子安定性は、経験的結果と比較される。それからこの情報は、モデルによって予測された結果についての信頼度スコアを導くために用いられてもよい。原子ｉの相対原子安定性は、次の表現で与えられる。
【０１７６】
【数２４】
2004504819.tif 000024
【０１７７】
【数２５】
2004504819.tif 000025
【０１７８】
よってその基質上で最も安定でなく、かつ最も反応しやすい部位は、このモデルで予測されるように、最も低い相対原子安定性を有することになる。図１７のそれぞれのｘ軸の単位は基質を表現する。それぞれの点は基質上のありうる反応部位を表現し、ｙ軸の値は相対原子安定性に対応する。経験的データはグラフ上に例えばデータ点の色によって表現される。つまり赤い点が代謝の主要な部位を示し、黄色い点が代謝のそれほど主要ではない部位を示し、灰色の点が非代謝の部位を示すなどのように。図１７のデータは、このモデルによって予測されるように、最も低いｘ値において、最も反応しやすい部位と次に反応しやすい部位とのエネルギー差が最も大きい基質を用いて整理されている。モデルによって返されたＥＡ，ｃｏｒｒ値は、１（非代謝の状態）および０（代謝の状態）の間の値をとりうるので、部位が代謝されるとみなされるＥＡ，ｃｏｒｒの閾値が選ばれうる。図１７からは、与えられた閾値について、代謝されると誤って予測された部位の数（偽陽性）、および代謝されないと誤って予測された部位の数（偽陰性）が容易に相対部位安定性データからわかる。それからこの情報は、予測された結果についての信頼度スコアを導出するのに用いられうる。図１７からは、閾値が増すにつれて、擬陽性が増え、偽陰性が減ることがわかる。
【０１７９】
ハードウェアおよびソフトウェア：
一般的には、本発明の実施形態は、一つ以上のコンピュータシステムに格納されるか、またはそれを介して伝送されるさまざまなプロセスを利用する。本発明の実施形態はまた、これらの操作を実行する装置にも関する。プロセスは上述のようであり、例えば、到達性記述子および補正因子を生成したり、反応性の電子的要素を生成したり、化合物の部位特異的な反応性を予測したり、部位反応性の電子的および到達性の両方の要素を記述するモデルを生成したりする。この装置は、必要とされる目的のために特別に構築されていてもよく、あるいは汎用のコンピュータを選択的に利用したり、コンピュータに格納されたコンピュータプログラムおよび／またはデータ構造によって再構築されてもよい。ここで提示されたプロセスは特定のコンピュータや他の装置に黙示的にであれ関連したものではない。特に様々な汎用マシンがここで開示された手法で書かれたプログラムと共に用いられうるし、あるいはより簡便には、より特定化された装置を用いて必要な方法ステップを実行してもよい。これらのマシンのさまざまな特定の構造は以下の記載からわかるだろう。
【０１８０】
さらに本発明の実施形態は、本発明によってコンピュータで実現されうる様々な操作を実行するプログラム命令および／またはデータ（データ構造を含む）を含むコンピュータで読み取り可能な媒体を持ったコンピュータプログラム製造物にも関連する。プログラム命令は、到達性記述子および補正因子を生成したり、反応性の電子的要素を生成したり、化合物の部位特異的な反応性を予測したり、部位反応性の電子的および到達性の両方の要素を記述するモデルを生成したりする、上述の様々な操作および手続きを特定してもよい。コンピュータで読み取り可能な媒体の例としては、これらに限られるものではないが以下のものがある：ハードディスク、フロッピーディスク、および磁気テープのような磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭおよびホログラフィックデバイスのような光媒体、光磁気媒体、半導体メモリデバイス、および読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、およびときには特定アプリケーション向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能なロジックデバイス（ＰＬＤ）のようなプログラムコードを記憶し実行できるように特別に構成されたハードウェアデバイス、およびローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワークおよびインターネットのようなコンピュータで読み取り可能な命令を送るための信号伝送媒体。本発明によるデータおよびプログラム命令は搬送波または他の伝送媒体上で実現されてもよい。プログラム命令の例としては、コンパイラによって生成されるような機械語、およびインタープリータを用いて実行されるより高レベルなコードを含むファイルがある。
【０１８１】
図１８Ａおよび１８Ｂは、本発明の実施形態を実現するのに適したコンピュータシステム１８００を示す。図１８Ａは、そのようなコンピュータシステムの一つの可能な物理的形態を示す。もちろんコンピュータシステムは、集積回路、プリント基板、および小型の携帯機器から大きなスーパーコンピュータまで、実施形態の処理の要件に応じて多くの物理的形態をとりえる。コンピュータシステム１８００は、モニタ１８０２、ディスプレイ１８０４、筐体１８０６、ディスクドライブ１８０１８、キーボード１８１０およびマウス１８１２を含む。ディスク１８１４は、コンピュータシステム１８００から、かつコンピュータシステム１８００へデータを転送するために用いられるコンピュータで読み取り可能な媒体である。
【０１８２】
図１８Ｂは、コンピュータシステム１８００のブロックダイアグラムの例である。システムバス１８２０には様々なサブシステムが設けられている。（単一または複数の）プロセッサ１８２２（中央処理装置、ＣＰＵとも呼ばれる）は、メモリ１８２４を含む記憶装置に結合される。メモリ１８２４は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）およびリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を含む。この技術分野ではよく知られているように、ＲＯＭは、典型的にはデータおよび命令を単一方向にＣＰＵへ転送するために用いられ、ＲＡＭは、典型的にはデータおよび命令を双方向に転送するために用いられる。これらのタイプのメモリはいずれも後述する、コンピュータで読み取り可能な媒体のいかなるものを含んでもよい。固定ディスク１８２６も双方向でＣＰＵ１８２２と結合され、追加のデータ記憶容量を提供し、やはり後述する、コンピュータで読み取り可能な媒体のいかなるものを含んでもよい。固定ディスク１８２６は、プログラム、データなどを記憶するのに用いられ、典型的には主記憶より遅い２次記憶媒体（ハードディスクなど）である。固定ディスク１８２６に保持された情報は、適切な場合にはメモリ１８２４中の仮想記憶に標準的なかたちで展開されうることがわかるだろう。リムーバブルディスク１８１４は、後述する、コンピュータで読み取り可能な媒体のいかなるかたちをとってもよい。
【０１８３】
ＣＰＵ１８２２は、ディスプレイ１８０４、キーボード１８１０、マウス１８１２、およびスピーカ１８３０のような様々な入力／出力装置にも結合されている。一般に、入力／出力装置は、以下のいずれであってもよい：ビデオディスプレイ、トラックボール、マウス、キーボード、マイク、タッチパネルディスプレイ、トランスデューサ・カードリーダー、磁気または紙テープリーダー、タブレット、スタイラス、音声または文字認識装置、生体情報リーダー、または他のコンピュータ。ＣＰＵ１８２２は、必須ではないが、ネットワークインタフェース１８４０を用いて他のコンピュータや電気通信ネットワークに結合されていてもよい。そのようなネットワークインタフェースがあれば、上述の方法による操作を実行するときにＣＰＵは、ネットワークからの情報を受け取ったり、またはネットワークに情報を出力することができる。さらに本発明の方法の実施形態は、ＣＰＵ１８２２だけで実行されてもよいし、またはインターネットのようなネットワーク上において、処理の一部をシェアするリモートＣＰＵと共に実行されてもよい。
【０１８４】
図１９は、本発明のインターネットベースの実施形態の概念図である。１９００を参照。ある特定の実施形態によれば、クライアント１９０２が例えば薬剤開発場所で、有機分子を特定するデータ１９０８を処理サーバー１９０６にインターネット１９０４を介して送る。有機分子は、単に、本発明によってクライアントが分析したい分子である。処理サーバー１９０６において、対象の分子はモデル１９１２によって分析され、本発明によって部位ごとにその反応性を予測される。分析が終わると、計算されたＡＤＭＥ／ＰＫ特性１９１０がインターネット１９０４を介してクライアント１９０２に送り返される。図１８Ａおよび１８Ｂに示されたコンピュータシステムは、クライアント１９０２および処理サーバー１９０６の双方に適している。ある実施形態においては、クライアント１９０２および処理サーバー１９０６の間で通信するために、ＴＣＰ／ＩＰのような標準的な伝送プロトコルが用いられる。ＳＳＬ（セキュア・ソケット・レイヤ）、ＶＰＮ（仮想プライベートネットワーク）および暗号化方法（例えば公開鍵暗号化）のような標準的なセキュリティ手段も用いられうる。
【０１８５】
様々な詳細は簡潔さのために省略されているが、明らかな設計上の代替物も用いられうる。したがって、これらの例は、例示的であって限定的ではなく、本発明は、述べられた詳細なものに限定されることなく、添付の特許請求の範囲で決まる範囲内で改変されうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非代謝の脱離反応を含む哺乳類シトクロムＰ４５０の触媒回路の概念図である。
【図２】いくつかの反応部位をもつ基質分子（薬剤）の概念図である。
【図３Ａ】基質分子の構造からスタートして基質分子の相対反応速度を決定するフローチャートである。
【図３Ｂ】基質分子の構造からスタートして基質分子の相対反応速度を決定するフローチャートである。
【図３Ｃ】脂肪族および芳香族の両方の反応部位をもつアニソール分子を示す図である。
【図３Ｄ】基質分子の反応部位の相対速度を説明するために生成された位置選択性テーブルの概念図である。
【図３Ｅ】位置選択性表からの結果とともに相対速度カーブをプロットした概略図である。
【図４】到達性補正因子および、これらから補正されたＥＡを生成するあるプロセスの高レベルフローチャートである。
【図５】表面積記述子を生成するプロセスを示すフローチャートである。
【図６Ａ】放物線カーブ記述子を生成するプロセスを示すフローチャートである。
【図６Ｂ】分子トリアゾラム上の反応部位についてどのように放物線を生成するかを概念的に示す図である。
【図７Ａ】突出記述子を生成するプロセスを示すフローチャートである。
【図７Ｂ】どのように突出記述子が反応部位について生成されるかを概念的に示す図である。
【図８】両性モーメント記述子を生成するプロセスを示すフローチャートである。
【図９】方向到達性記述子を生成する一般的なプロセスを示すフローチャートである。
【図１０】基質の反応部位およびいくつかの極性部位を概念的に示す図である。
【図１１】突出がどのように方向到達性に影響するかを概念的に示す図である。
【図１２】立体到達性記述子を生成する一般的なプロセスを示すフローチャートである。
【図１３】どのように伸展記述子が反応部位について生成されるかを概念的に示す図である。
【図１４】本発明の実施形態によって、モデルを生成するために用いられうる典型的な操作を示すフローチャートである。
【図１５】原子記述子および補正されたエネルギー値の関係を表現する図である。
【図１６Ａ】記述子係数を決定するプロセスを示すフローチャートである。
【図１６Ｂ】記述子係数を決定するプロセスを示すフローチャートである。
【図１７】相対原子安定性のグラフである。
【図１８Ａ】本発明の実施形態を実施するのに適したコンピュータシステムを示す図である。
【図１８Ｂ】本発明の実施形態を実施するのに適したコンピュータシステムを示す図である。
【図１９】本発明のインターネット・ベースの実施形態を示す概念図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004504819.tif 000129
【国際調査報告】
2004504819.tif 000130
2004504819.tif 000131
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