(57)【要約】  計算機操作を用いて溶媒内の化合物の溶解度自由エネルギーを計算する為の方法は、（ｉ）計算機モデルを用いて、溶媒内の多数個の化合物分子から構成される凝集体を含む系の初期状態を構築することと、（ｉｉ）計算機モデルを用いて、溶媒内で十分に溶媒和された凝集体に由来し、かつ、変換凝集体から分離された１個の分子を含む系の第１状態を構築することと、（ｉｉｉ）計算機モデルを用いて、変換凝集体を形成する為に、凝集体から化合物の第１分子を取り除き、その第１分子の位置で第１分子を溶媒に置換することによって系を初期状態から最終状態に変換することと、（ｉｖ）化合物の溶解度自由エネルギーを決定する、初期状態と最終状態との間の変換に係る自由エネルギーを計算することとからなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）計算機モデルを用い、溶媒内の多数個の化合物分子の凝集体から構成される系の初期状態を構築することと、
（ｉｉ）計算機モデルを用い、溶媒内で十分に溶媒和された凝集体に由来し、かつ、変換凝集体から分離された１個の分子を含む系の最終状態を構築することと、
（ｉｉｉ）計算機モデルを用い、変換凝集体を形成する為に凝集体から化合物の第１分子を取り除き、その第１分子の位置で第１分子を溶媒に置換することによって初期状態から最終状態へ系を変換することと、
前記化合物の溶解度自由エネルギーを決定する初期状態と最終状態の間の変換に係る自由エネルギーを計算することとからなる、計算機操作によって溶媒内の化合物の溶解度自由エネルギーを計算する方法。
【請求項２】
前記凝集体は、アモルファス固体である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記凝集体は、結晶である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記凝集体は、超冷却液体である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記変換は、
（ｉ）前記化合物の第１分子を凝集体から真空に除去して、その第１分子の位置で第１分子を溶媒に置換することと、
（ｉｉ）第２分子が前記溶媒に十分に溶媒和されるように、前記化合物の第２分子を前記溶媒に導入することと、からなる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記自由エネルギーは、自由エネルギー摂動法を用いて計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記自由エネルギーは、熱力学的積分法によって計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記自由エネルギーは、平均力ポテンシャルを決定することによって計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記自由エネルギーは、Ｂｅｎｎｅｔｔ受容比（ＢＡＲ）法によって計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記自由エネルギーは、Ｚｗａｎｚｉｇ平均によって計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第１ユニットは、前記凝集体と前記溶媒の界面に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記化合物の前記溶解度自由エネルギーを計算することは、複数の異なる位置で、分子に対して工程（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）を繰り返すことと、前記複数の異なる位置で系の初期状態と最終状態の自由エネルギーの平均を計算することからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
初期の系を構築することは、前記凝集体を平衡化することと、その後同凝集体を前記溶媒に導入して凝集体を前記溶媒中で平衡化することからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
系は、分子動力学法を用いてシミュレーションされる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
系は、モンテカルロ法を用いてシミュレーションされる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記溶媒は水である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記化合物は低分子である、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記低分子は、医薬品利用の為の候補分子である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記方法は、前記溶媒内の前記凝集体を可視化することによって新規化合物を設計することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
可視化することと、計算機モデルを用いることと、凝集体が溶媒内の多数個の初期化合物のユニットから構成されることと、初期化合物が溶媒に不溶であることと、
前記溶媒内の前記凝集体を可視化することによって溶解度を低下させる前記初期化合物の分子的特徴を特定することと、
前記初期化合物を可視化することによって複数の異なる候補化合物を構築することと、前記候補化合物の各々の構造が前記初期化合物の変異体であることと、
前記候補化合物の各々の溶解度自由エネルギーを決定する為に請求項１に記載の方法を用いることと、
前記候補化合物の各々の決定した溶解度自由エネルギーに基づいて、合成の為に前記候補化合物のうちの１つ以上を選択することと、
合成した前記候補化合物の各々の実際の溶解度を計測することと、合成した前記候補化合物の何れが前記溶媒に可溶であるかを特定することとからなる、可溶性化合物を特定するための方法。
【請求項２１】
可視化することと、計算機モデルを用いることと、凝集体が溶媒内の多数個の初期化合物のユニットからなることと、前記初期化合物が前記溶媒に不溶であることと、
前記溶媒内の前記凝集体を可視化することによって溶解度を低下させる前記初期化合物の分子的特徴を特定することと、
前記初期化合物を可視化することによって複数の異なる候補化合物を構築することと、前記候補化合物の各々の構造が前記初期化合物の変異体であることと、
前記候補化合物の各々について、系の第１状態と系の第２状態に対する自由エネルギーを計算することによって溶解度自由エネルギーを決定することと、前記系の第１状態は、前記凝集体から前記化合物の第１ユニットを取り除いて、当該第１ユニットの位置で第１ユニットを溶媒に置換することに対応し、第２状態は、第２ユニットが前記溶媒に十分に溶媒和されるように前記溶媒中に前記化合物の第２ユニットを導入することに対応することと、
前記候補化合物の各々の決定された溶解度自由エネルギーに基づいて、合成の為に前記候補化合物のうちの１つ以上を選択することと、
合成した前記候補化合物の各々の実際の溶解度を計測することとからなる、可溶性化合物を特定する為の方法。
【請求項２２】
前記方法は、開発のために、合成された前記候補化合物の少なくとも１つを特定することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物が溶媒に溶解するか否かを予測するため計算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶解度は、製薬、環境および工業用途など様々な用途に対して、化合物の適合性を評価する際の重要な特性である。例えば、水溶性は、経口投与される医薬品に重要な特性である。一般的に、化合物の溶解度を決定する際には、実証的方法が用いられるが、これらは、新規化合物（Ｎｅｗ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｅｎｔｉｔｙ；（ＮＭＥ））の多数の構造的及び化学的変異体が可能な創薬プロジェクトのリード化合物を最適化する段階などにおいては特に、多大なコストと時間を要する作業になりうる。
【０００３】
今日、計算機支援による薬剤設計では、計算機シミュレーションを用いて、ある分子が標的に結合するか否か、また結合する場合にはどの程度の強さで結合するかを予測するなど、化学、生物学上の様々な問題の解決を図るために計算機シミュレーションが活用されている。化合物の溶解度を信頼性高く正確に予測することができる計算方法は、従来の実証的方法に代わる方法、あるいは補完する方法として必要とされている。加えて、その計算方法が、化合物の予測溶解度に対して構造的な説明を与えることができるものであれば、溶解度を改良した変異体の設計が容易になる可能性もある。
【発明の概要】
【０００４】
化合物が溶媒に溶解するか否かを予測する為の計算方法が開示されている。溶媒槽の中の化合物の固体凝集体に係る計算機モデルを考えた場合、正確な予測は、化合物の溶解度の自由エネルギーを、凝集体の１個の分子が凝集体から真空に昇華する際の自由エネルギーと、１個の分子が溶媒槽内にて溶媒和する際の自由エネルギーとの総和として計算することによって可能になりうる。
【０００５】
昇華は、分子を凝集体からアルケミカル的または物理的に取り除くことによって起こる。昇華は、高速拡散する溶媒に包囲された凝集体で実施される。これは、溶媒分子が凝集体の系を再平衡化させることなく昇華される分子と置換するためであり、さもなければ、空孔が、純粋固体の熱変動によって埋められるには長い時間を要するであろう。液体の緩和時間は、シミュレーションの時間スケールと同じオーダー若しくはそれより速いオーダーであるため、昇華自由エネルギーを計算機的に効率良く正確に計算することができる。一般的に、昇華分子は、凝集体と溶媒の界面から選択される。溶媒和は、化合物分子を溶媒槽に導入することによって起こる。
【０００６】
これらの計算は、医薬品として利用する際には水溶性化合物が所望されるといった、理論的な薬剤の設計、最適化、および製剤設計に有利に用いられうる。このような解析は、製剤の設計過程において、薬剤候補分子の水溶性を向上させる為に、共媒材や添加剤を選択する際にも役立つ可能性がある。
【０００７】
第１の態様において、本発明は、計算機操作によって溶媒中の化合物の溶解度自由エネルギーを計算することを含む方法に関する。方法は、（ｉ）計算機モデルを用い、溶媒内に多数個の化合物分子からなる凝集体を含む系の初期状態を構築することと、（ｉｉ）計算機モデルを用い、溶媒に十分に溶媒和された凝集体に由来し、かつ、変換凝集体から分離される１個の分子を含む系の最終状態を構築することと、（ｉｉｉ）計算機モデルを用いて、変換凝集体を形成する為に凝集体から化合物の第１分子を取り除いて、第１分子の位置において第１分子を溶媒に置換することによって系を初期状態から最終状態に変換することと、（ｉｖ）化合物の溶解度自由エネルギーを決定する、初期状態と最終状態との間の変換に係る自由エネルギーを計算することとからなる。
【０００８】
上記方法の実行には、以下の１つ以上の特徴を含むことができる。例えば、凝集体は、アモルファス固体、結晶、または超冷却液体が可能である。
前記変換には、（ｉ）凝集体から化合物の第１分子を真空中に取り除いて、その第１分子の位置で第１分子を溶媒に置換することと、（ｉｉ）化合物の第２分子を溶媒に導入して第２分子を溶媒に完全に溶媒和させること、とからなる工程が含まれる。
【０００９】
自由エネルギーは、自由エネルギー摂動法、熱力学的積分法を介して計算でき、平均力ポテンシャルを決定すること、Ｂｅｎｎｅｔｔ受容比（ＢＡＲ）法、Ｚｗａｎｚｉｇ平均のうちの少なくともいずれか１つを用いて計算することができる。
【００１０】
第１ユニットは、凝集体と溶媒との間の界面に配置されることができる。
化合物の溶解度自由エネルギーを計算することは、多数の異なる位置で、分子に対して上記工程（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）を繰り返すことと、多数の異なる位置で、系の初期状態と最終状態の自由エネルギーの平均を計算することとからなる。
【００１１】
いくつかの実施形態において、初期状態の系を構築することには、凝集体を平衡化することと、その後、凝集体を溶媒に導入して溶媒内で凝集体を平衡化することとが含まれる。
【００１２】
系は、分子動力学法またはモンテカルロ法の少なくともいずれか一方を用いてシミュレーションしうる。
溶媒は、水である場合がある。化合物は、低分子である場合がある。いくつかの実施形態では、低分子は、医薬品の候補分子である。
【００１３】
方法は、溶媒内の凝集体を可視化することによって新規化合物を設計することを含むことができる。
別の実施態様では、本発明は、可溶性化合物を特定する為の方法に関し、方法は、可視化することと、計算機モデルを用いることと、凝集体が溶媒内の多数個の初期化合物のユニットからなることと、初期化合物が溶媒に不溶であることと、溶媒内の凝集体を可視化することによって化合物の溶解度を低下させる初期化合物の分子的特徴を特定することと、初期化合物を可視化することによって複数の異なる候補化合物を構築することと、候補化合物の各々の構造が初期化合物の変異体であることと、本発明の第１の態様に係る方法を用いて、各候補化合物の溶解度自由エネルギーを決定することと、決定した各候補化合物の溶解度自由エネルギーに基づいて合成する候補分子を１つ以上選択することと、合成した各候補化合物について実際の溶解度を計測することと、合成した候補化合物の何れが溶媒に可溶であるかを特定すること、とからなる。
【００１４】
さらに別の態様では、本発明は、可溶性化合物を特定する方法に関し、その方法は、可視化することと、計算機モデルを用いることと、凝集体が溶媒内の多数個の初期化合物のユニットからなることと、初期化合物が溶媒に不溶であることと、溶媒中の凝集体を可視化することによって溶解度を低下させる初期化合物の分子的特徴を特定することと、初期化合物を可視化することによって複数の異なる初期化合物を構築することと、各候補化合物の構造が初期化合物の変異体であることと、各候補化合物について系の第１状態と第２状態の自由エネルギーを計算することによって溶解度自由エネルギーを決定することと、系の第１状態が凝集体から化合物の第１ユニットを取り除いて第１ユニットの位置で第１ユニットを溶媒に置換することに対応することと、系の第２状態は、第２ユニットが溶媒に十分に溶媒和されるように溶媒中に化合物の第２ユニットを導入することに対応することと、各候補化合物の決定した溶解度自由エネルギーに基づいて合成する候補化合物を１つ以上選択することと、合成した各候補化合物について実際の溶解度を計測すること、とからなる。
【００１５】
上記方法は、開発を目的として、例えば医薬品用途あるいは他の用途のための候補として合成された複数の候補化合物の中から少なくとも１つの候補化合物を特定することを含むことができる。
【００１６】
１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の詳細な説明で説明する。その他の特徴及び有利な点は、詳細な説明、図面および特許請求の範囲の記載から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】溶解度自由エネルギーが昇華自由エネルギーと溶媒和自由エネルギーとの総和に分解されるフェロジピンのアモルファス凝集体についての熱力学サイクルを示す略式図。
【図２】化合物の溶解度自由エネルギーを計算する為の方法の例における工程を示すフローチャート。
【図３】ニフェジピン分子の凝集体を可視化した図。
【図４】溶解度自由エネルギーの計算を取り入れた理論的薬剤設計方法の例における工程を示すフローチャート。
【図５】クロロホルムを高速拡散溶媒として用いてアセトアミノフェンの昇華を計算する自由エネルギー摂動法から取得したスナップショット。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面中の類似の表示は、類似要素を示すものとする。
平衡溶解度とは、過剰量の固体性化合物に接する溶液中の化合物平衡濃度のことを指し、一般的には、ｍｏｌ／Ｌ、またはｍｇ／Ｌで表される。溶液から固体状態に戻ろうとする化合物の割合と、固体を出て溶媒和される化合物の割合とが等しくなった時に、物理過程は平衡に達する。動的溶解度（Ｋｉｎｅｔｉｃ  Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ）とは、一般的には、実証研究で計測される溶解度のことであり、沈殿が現れ始めた時の溶液中の化合物濃度のことを意味する。
【００１９】
溶解度自由エネルギー、
【００２０】
【数１】
2018522205.tif 000003
は、溶媒内の物質の溶解に関連するエネルギー変化を示す熱力学的特性である。溶解度自由エネルギーは、一般的に、ｋｃａｌ／ｍｏｌの単位で与えられ、ある溶媒に対してその化合物の溶解がエネルギー的に有利であるか否か、並びにどのくらい有利であるかを示すものであるため、化合物の溶解度について有益な洞察を与えてくれる。
【００２１】
ｍｏｌ／Ｌの単位で表される溶解度（Ｓ）は、
【００２２】
【数２】
2018522205.tif 000004
で計算しうる。ここで、ｋＢは、ボルツマン定数であり、Ｔは、温度である。
【００２３】
図１において、系の溶解度自由エネルギーを計算する為の１の方法は、溶解度自由エネルギー、
【００２４】
【数３】
2018522205.tif 000005
を、昇華自由エネルギー、
【００２５】
【数４】
2018522205.tif 000006
と、溶媒和自由エネルギー、
【００２６】
【数５】
2018522205.tif 000007
との和、つまり、
【００２７】
【数６】
2018522205.tif 000008
のように分解することである。
【００２８】
多数個の化合物分子からなる凝集体（例えば、固体凝集体）から構成される系について、昇華自由エネルギーとは、化合物の固体凝集体から１個の化合物分子を真空に取り除いた際に生じる系の自由エネルギー変化のことである。
【００２９】
昇華自由エネルギーおよび溶媒和自由エネルギーは、凝集体／溶媒系の計算機シミュレーションによって決定することができる。分子相互作用の計算機シミュレーションは、長年に亘り、分子構造、エネルギー、電荷分布、反応性等の分子の特性を決定する為に用いられている。
【００３０】
一般的に、昇華自由エネルギーと、溶媒和自由エネルギーと、溶解度自由エネルギーとを決定する際には様々な計算機技術を使用しうる。これらの技術は、以下に限定されるものではないが、自由エネルギー摂動（ＦＥＰ）法、熱力学的積分（ＴＩ）法、Ｂｅｎｎｅｔｔ受容比（ＢＡＲ）法、平均力ポテンシャル決定法、重みづけヒストグラム解析法（ｗｅｉｇｈｔｅｄ  ｈｉｓｔｏｇｒａｍ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｍｅｔｈｏｄｓ  （ＷＨＡＭ））、Ｚｗａｎｚｉｇ平均が含まれる。加えて、これらの自由エネルギー推定法を用いる際に必要となるデータは、分子動力学（ＭＤ）シミュレーションやモンテカルロ（ＭＣ）シミュレーションを用いて計算しうる。
【００３１】
いくつかの実施形態において、計算の異なる部分に対して、複数の計算機技術を組み合わせて用いることもできる。例えば、系は、１つの技術を用いて平衡化されるが、自由エネルギーは、別の技術で計算されるなどである。後に説明する実施例から分かるように、ＭＤ法を用いて系を平衡化し、平衡化した後に、ＦＥＰ法を用いて自由エネルギーを決定することが可能である。
【００３２】
凝集体は、互いに近接する多数個の化合物分子を、計算機モデルによって構築された空間座標系内に配置し、かつ、これらの分子を適当な圧力（大気圧など）と温度（室温、または体温など）条件下に配置することによって構築される。
【００３３】
系の計算機モデルの中には、様々な分子内相互作用および分子間相互作用のモデルを組み込みうる。一般的には、凝集体を構成する分子は、ファンデルワールス力および静電力で互いに結合しており、その他の相互作用（イオン結合、または共有結合など）は必ずしも必要ではないが、所望の場合には含めてもよい。
【００３４】
凝集体から分子を取り除く過程は、アルケミカル過程、即ち非物理学的な過程である。
昇華自由エネルギーを計算する為に分子を選択する場合には、凝集体と溶媒の境界にある分子が、アルケミカル消滅の為に選択される。昇華させるのに適当な分子を選択する際には、様々な技術を使用することが可能である。いくつかの実施形態において、その位置は、可視化および手作業によって選択することができる。可視化は、ニューヨークのシュレディンガー社から入手可能なＭａｅｓｔｒｏやＰｙＭＯＬ、またはイリノイ大学とベックマン研究所によって独自に開発されたＶｉｓｕａｌ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ  （ＶＭＤ）などの市販ソフトウェアを用いて実行することができる。可視化することにより、使用者は、凝集体の構造を見ることができ、かつ、凝集体の表面にある分子を特定することができる。代替的にまたは追加的に、アルゴリズムを使用して昇華用の分子を選択することもできる。例えば、アルゴリズムを用いて水素原子以外の重原子の溶媒暴露を計算することができ、どの分子が最も溶媒に暴露されているか、および、どの分子が少なくとも閾値量の溶媒に暴露されているかのうちの少なくとも一方に基づいて分子を選択することができる。また、幾何学的考察に基づいて溶媒暴露を決定するアルゴリズムを用いてもよい。例えば、溶媒暴露表面積（Ｓｏｌｖｅｎｔ  Ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｒｅａ；ＳＡＳＡ）技術を用いるアルゴリズムがあり、これを用いてもよい。
【００３５】
計算を目的として、昇華過程で消滅される分子によって形成される空隙を素早く埋めるために「高速拡散する」溶媒が用いられる。これは、シミュレーションの時間スケールと同程度またはそれよりも速い時間スケールの緩和時間を有する溶媒を選択することによって行われ、これにより分子をアルケミカル消滅させたあと凝集体を含む系が再平衡する際に必要な長時間スケールの凝集体の再配置を回避することができる。室温や体温の水に顕著であるが、多くの溶媒は、室温と圧力で高速拡散することが知られており、このことは計算機的に効率の高い方法を構築することに役立っている。
【００３６】
溶解和自由エネルギーは、系の溶液内の１個の化合物分子を真空から溶媒和させる際の自由エネルギーの変化のことである。溶解度自由エネルギー、
【００３７】
【数７】
2018522205.tif 000009
は、分子動力学法等のモデル系を進化させることによって直接計算するよりも、昇華自由エネルギー、
【００３８】
【数８】
2018522205.tif 000010
と、溶媒和自由エネルギー
【００３９】
【数９】
2018522205.tif 000011
とを別々に計算して、これらを足し合わせることによって求めることができることを、上述の方程式は示している。
【００４０】
ある実施形態において、固体凝集体は、アモルファス凝集体である。これは、凝集体を形成する分子間に長距離性の配向性秩序や並進性秩序が無いことを意味する。アモルファス凝集体を計算機的にモデル化することは比較的容易である。互いに近接する多数個の化合物分子を特定し、適当な圧力と温度条件下で（例えば、アニーリング法を用いて）それらをシミュレーションすることによって計算機的にモデル化することが可能である。アモルファス凝集体を得る際のサンプリングを改良する為に、シミュレーテッドアニーリング等の改良型サンプリング法を用いることが可能である。これに対し、結晶凝集体を計算機的にモデル化することは困難である。これは、正確な結晶形は、予測することが難しいためである。加えて、アモルファス凝集体については多くの実証研究が存在するため、アモルファス凝集体で行った計算機シミュレーションは、実証研究に対して正確な予測を提供することができると期待される。例えば、創薬プログラムで広く用いられる動的溶解度計測（ｋｉｎｅｔｉｃ  ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ）では、化合物のほとんどはアモルファス状態にあるため、アモルファス凝集体に基づく計算は、実証研究を正確に予測しうると考えられる。動的溶解度は、熱力学というよりはむしろ準安定状態にある化合物の溶解度のことであり、創薬研究において、リード化合物の最適化段階で使用される一般的な計測法である。文献でよく見かける「熱力学的溶解度」計測されたものの中にも、無視できないアモルファス不純物を含む固体が多数存在すると考えられる。これに加えて、薬の中には、溶解性を高めるためにアモルファス物質として製剤されるものもある。
【００４１】
アモルファス凝集体が有利ではあるが、本明細書で開示した方法は、これに限定されるものではなく、その他の固体形式も可能である。例えば、ある実施形態では、凝集体は、結晶であってもよい。結晶性の凝集体は、凝集を形成する分子間に長距離性の配向性秩序と並進性秩序の両方を備える。中間的な秩序を有する凝集体も可能である。例えば、ある実施形態においては、凝集体は、準結晶または液晶である。
【００４２】
昇華自由エネルギー及び溶媒和自由エネルギーの少なくとも一方は、系の１の例から計算される場合もあれば、多数の反復（ｒｅｐｌｉｃａｔｅｓ）から計算される場合もある。例えば、昇華自由エネルギーは、系の複数の反復の各々から異なる１個の分子をアルケミカル消滅させる際の自由エネルギーを計算することと、昇華自由エネルギーを求めるために複数個の値を平均することによって求められる。例えば、２〜１０（例えば、５または６）の反復が用いられる。いくつか例では、多数の反復（例えば、約１５、約２０、約３０、またはそれ以上など）が用いられる。一般的に、反復の数は、計算機能力に依存する。
【００４３】
多数の反復を用いて行った計算結果は、計算した溶解度の収束性を確認する目的にも用いうる。言い換えれば、複数の反復の異なるサブセットに対して計算された溶解度自由エネルギーは、各値が平均値の許容範囲に入ることを確認する為に比較することができる。収束性の欠如は、ある特定の化合物についての計算情報を削除または無視する際に用いうる。
【００４４】
多くの場合において、興味のある溶媒は水である。しかしながら、一般的には、本発明に係る計算方法は、様々な溶媒に対して用いることができる。例えば、アルコールアセトン、クロロホルム、トルエン、ＤＭＳＯ、エタノール、プロピレングリコール、ジメチルアセトアミドなどの有機溶媒が用いられ、これらのうちのいくつかは、水溶性の乏しい薬の候補を検討する際に重要となる。いくつかの実施形態において、溶媒は、非物理的な溶媒であって、如何なる物理的溶媒にも対応しない計算機上の溶媒である場合もある。例えば、整数でない電荷を有する溶媒を用いることもできる。
【００４５】
さらには、これらの計算方法を用いて様々な化合物を調べることが可能である。多くの場合には、化合物は、低分子有機化合物などの有機化合物である（例えば、９００ダルトン以下の比較的低分子量の分子であり、生体内の反応を制御するのに役立ちうるものである）。小さな分子は、医薬品の候補分子になる場合がある。
【００４６】
化合物の例には、クロトリマゾール、クロザピン、フェロピジン、インドメタシン、ケトコナゾール、エファビレンツ、リトナビル、ロラタジンなどが含まれる。
図２は、フローチャートの形式で、水中の化合物について溶解度自由エネルギーを計算する為の方法２００の例を示したものである。
【００４７】
第１工程２１０は、水中の化合物の凝集体からなるシステムの初期状態を構築する工程を含む。この工程は、まず始めに凝集体の構造、つまり分子の化学的構成と分子の数を決定し、分子を構成する各原子に対して暫定的な座標を割り当てることを含む。初期状態（温度、体積および圧力など）も設定される。温度と圧力は、温度が約２０℃〜５０℃の範囲内で、圧力が約１気圧であるなど、研究室内とほぼ同じ値に設定してよい。シミュレーション空間についての境界条件（周期的境界条件、剛体壁境界など）も構築される。この目的には、従来のＭＤシミュレーション技術が使用されうる。
【００４８】
初期状態の系を構築することには、溶媒に導入する前に凝集体を平衡化することが含まれる。例えば、系の開始パラメータを一旦定義すれば、系を平衡化する為に最小化法及び分子動力学シミュレーションの少なくとも一方を系に対して実行することができる。最小化法は、千から数千のステップ（２０００ステップなど）で実行される。いくつかの実施形態では、多数の連続工程が実行される。例えば、ある実施形態では、各回異なる条件下で、ＭＤシミュレーションが繰り返し実行される。例えば、定容ＭＤシミュレーションが実行されたあと、続いて定圧ＭＤシミュレーションが実行される場合もある。
【００４９】
ＭＤシミュレーションの長さは、変更することができる。一般的に、シミュレーションは、適切に平衡化する為に十分な時間をかけて実施される。ある実施形態では、シミュレーションは０．１ｎｓから１００ｎｓかけて実施される。
【００５０】
初期平衡化の後、凝集体は、溶媒分子と共に固定容積の中に配置される。箱の容積は、凝集体と容積境界との間に幾らかバッファができるように、凝集体よりも大きくなるように選択される。例えば、バッファ長は、約０．５ｎｍから約５ｎｍの間で指定されうる。いくつかの実施形態では、剛体壁境界条件は、例えば、周期的境界条件との比較で選択される。
【００５１】
一般的に、溶媒分子の形状は、多様である。いくつかの実施形態では、溶媒分子は球体として取り扱われる。別の実施形態では、溶媒分子に対してより複雑な分子構造が指定される場合もある。
【００５２】
溶媒分子の数は様々であり、ある温度と圧力において、溶媒の密度が正しくなるように、つまり実際の溶媒の密度に対応するように選択される。したがって、選択された溶媒に対して正しい液体密度を保つ為の適切な含有溶媒分子の数は、バッファがどのように設定されるかによって多くなる場合もあれば少なくなる場合もある。代替的にまたは追加的に、シミュレーション中に液体密度が適切に形成されるように、計算中に圧調整器が用いられる場合もある。
【００５３】
凝集体を溶媒内に配置した後、系はＭＤシミュレーションを用いるなどして再度平衡化される。
工程２２０では、系の最終状態が構築される。最終状態は、溶媒に十分に溶媒和されて変換凝集体から分離された１個の化合物分子と、溶媒体積内の凝集体の変換型（以下で説明する）とからなる。
【００５４】
工程２３０では、計算機モデルを用いて、アルゴリズムは、凝集体から化合物分子を取り除いて、取り除いた分子の位置でその分子を溶媒分子に置換することによって系を初期状態から最終状態に変換する。取り除いた分子は、真空に除去される。残りの凝集体は、上記工程２２０で説明した変換凝集体に対応する。別の化合物分子は、分子が溶媒内に十分に溶媒和されて最終状態に変換するように溶媒に導入される。
【００５５】
工程２４０では、アルゴリズムは、初期状態と最終状態の間の変換に係る自由エネルギーを計算する。いくつかの実施形態においては、この計算は、自由エネルギー摂動法を用いて実行される。計算を実行する際には、市販のソフトウェア（例えば、シュレディンガー社から入手可能なＦＥＰ＋など）を使用することができる。
【００５６】
また、別の計算技術を用いることも可能である。例えば、いくつかの実施形態では、自由エネルギーは、熱力学的積分法を用いて計算される。代替的に又は追加的に、自由エネルギーは、平均力ポテンシャルを決定することによって計算される。また、いくつかの実施形態では、変換に係る自由エネルギーは、Ｂｅｎｎｅｔｔ受容比（ＢＡＲ）法を用いて決定される。
【００５７】
化合物の溶解度自由エネルギーを計算することには、凝集体の多数の異なる位置で、分子に対して工程（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）を繰り返して、初期状態から各々の最終状態までの変換に係る自由エネルギーの平均を計算することが含まれうる。
【００５８】
化合物の溶解度自由エネルギーは、その後、初期状態から最終状態までの変換に係る自由エネルギーから決定される。これは、計算で求めた昇華自由エネルギーと溶媒和自由エネルギーとを合計した後、溶解度自由エネルギーを適当な単位に変換することによって行われる。溶解度は、上述の式を用いて決定し得る。
【００５９】
計算によって求めた溶解度自由エネルギーは、化合物の溶解度に関する洞察を得るために様々な方法で解析しうる。例えば上述の式などを用い、計算で求めた自由エネルギーを用いて化合物の溶解度を計算することが可能である。また、計算で求めた溶解度を、同一又は類似の化合物についての実証的溶解度データと比較することも可能である。
【００６０】
溶解度に関する情報は、溶解度自由エネルギー自体から得られる場合がある。例えば、類似するが同一ではない化合物の自由エネルギーの値を比較することによって、これらの化合物のうちのいずれが他の化合物と比較してより高い溶解度を有するかが分かる場合がある。このような比較は、予測溶解度が十分に高いかどうかに基づいて、ある変異体の合成の優先順位付けをする際に役に立つ場合がある。
【００６１】
溶解度自由エネルギーの値は、化合物が十分に可溶か否かについての洞察も提供し得る。一般的に、医薬品に使用する場合、閾値は、食糧医薬品局の生物薬剤学分類システム（Ｂｉｏｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃｓ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＣＳ）の取り決めにしたがって、または前検討の段階においては、特別な医薬品プログラムの要請にしたがって決定されうる。したがって、この閾値と計算で求めた溶解度自由エネルギーとを比較することによって、溶解度について要件を具備しないもののなかから、要件を具備する候補を特定することが可能である。
【００６２】
これに加えて、対応する凝集体を可視化することと並行して溶解度自由エネルギーの計算結果を用いることによって、溶解度に関する有益な物理学上の洞察を得ることが可能である。例えば、図３は、計算機を用いて可視化したニフェジピン分子３１０の凝集体３００を示したものである。隣接する分子の複数個のニトロ基が、有極性の相互作用ネットワーク３２０中に含まれていることが分かる。可視化した図から明らかであるが、これらの相互作用があることによって、ニフェジピンの昇華自由エネルギーは、類似構造を有するフェロジピンなどと比較して、より大きくなっていると考えられる。
【００６３】
上記方法は、ＮＭＥｓなどの化合物の溶解度の改良を目的とする構造に基づく設計戦略で用いることができる。例えば、図４は、上述の溶解度自由エネルギー計算法を用いる可溶性化合物を設計する為のアルゴリズム４００を示すフローチャートである。このフローチャートには、計算機モデルを用いて、多数の化合物（初期化合物）のユニットからなる凝集体を可視化する工程が含まれている。凝集体は、凝集体のみ、または初期化合物が溶けないことが分かっている溶媒の存在下で可視化される。
【００６４】
次の工程４２０では、溶媒内の凝集体を可視化することによって、凝集体の溶解度を低下させる初期化合物の分子的特徴を特定する。図３に示したニフェジピンの例を用いるために、本工程には、他の化合物に比べて凝集体を安定化しうる、初期化合物内の所定の官能基間の相互作用を特定することが含まれている。これは、ニフェジピンは、分子内にニトロ基を含む分極性の相互作用ネットワークによって安定化されている為に、その凝集体は、比較的高い昇華自由エネルギーを有することが示唆されるからである。
【００６５】
工程４３０では、初期化合物を可視化することによって異なる候補化合物が構築される。これらの候補物質のそれぞれの構造は、初期化合物の変異体である。例えば、分子の１つ以上の官能基、例えば、ニフェジピンにおけるニトロ基などは、別の官能基と置換しうる。理想的には、この置換は、本来的な目的から（ある受容体分子に有利に相互作用することができるようになるなど）、初期化合物の安定性を減ずることなく、分子の溶解性を向上させるものである。
【００６６】
次の工程４４０では、候補化合物の各々に対して、溶解度自由エネルギーが決定される。この工程は、上述の方法を用いて実施される。溶解度自由エネルギーの決定後、工程４５０では、決定された溶解度自由エネルギーに基づいて候補化合物から１つ以上の化合物が合成の為に選択される。工程４６０では、合成の後、合成された各候補化合物の実際の溶解度が実証的に計測され可溶性化合物が特定される。
【００６７】
実施例１
６４分子のフェロジピンを用いて、初期無秩序系を形成した。系は、２０００ステップの最小化法と、次いで０．５ｎｓのＮＶＴ  ＭＤシミュレーションと、最後に５ｎｓのＮＰＴ  ＭＤシミュレーションとを実行することによって平衡化した。シミュレーションは、周期性境界条件下、興味のある温度（今回は３７℃の体温）およびＮＰＴ  ＭＤシミュレーションについては１気圧の圧力で実施した。
【００６８】
平衡化した凝集体（周期性イメージなし）は、１０Å（オングストローム；０．１ｎｍ）のバッファ長の水が入った箱の中に配置して、２０００ステップの最小化法と、０．５ｎｓの分子動力学シミュレーションと、５ｎｓのＮＰＴ  ＭＤシミュレーションとによって再平衡化した。
【００６９】
シミュレーションの最終フレームからリガンドの凝集体を分離して、自由エネルギー計算の入力として用いた。リガンド１分子は、重原子が少なくとも部分的に溶媒に暴露されるように、計算機アルゴリズムを用いて、凝集体表面上で選択した。
【００７０】
この入力構造からスタートしてＦＥＰ計算を実行して、上記で選択した分子を凝集体から真空にアルケミカルに変換した。ＦＥＰ計算は、昇華自由エネルギーを求める為のものであるが、高速拡散する水分子が、消滅されるリガンドと置換して凝集体の孔を埋めることができるように、水槽内の凝集体に対して実行した。
【００７１】
アルケミカル法は、表面の不均質性および統計学上のエラーを考慮して、同一の入力構造から始めて表面の異なる５個の分子に対して実施した。昇華自由エネルギーは、平均によって、具体的には５個の自由エネルギーの値の中央値として得た。
【００７２】
水和自由エネルギーを計算する為に、各リガンドについても、真空から十分に溶媒和された状態へとアルケミカルに変換した。
凝集体から十分に溶媒和された状態に分子を変換する際の全自由エネルギーは、昇華自由エネルギーと水和自由エネルギーを合計することによって得た。
【００７３】
フェロジピンについては、３７℃で、昇華自由エネルギーは、１９ｋｃａｌ／ｍｏｌ、水和自由エネルギーは、−１２．１ｋｃａｌ／ｍｏｌと計算された。したがって、全溶解度自由エネルギーは、６．９ｋｃａｌ／ｍｏｌとなり、変換すると計算溶解度８．６μＭとなった。これは、実験計測値の「平衡」溶解度２．５μＭ（Ｉｌｅｖｂａｒｅ  ａｎｄ  Ｔａｙｌｏｒ  ２０１３参照）および「アモルファス」溶解度２２．１μＭと比較して遜色のない値である。計算機的に求めたデータと実験で求めたデータのいずれも、低溶解度（ＢＣＳ  Ｃｌａｓｓ  ＩＩ／ＩＶ）に対応している。
【００７４】
実施例２
６４分子のアセトアミノフェンを用いて、初期無秩序系を形成した。アセトアミノフェンは、タイレノールのような薬の鎮痛性成分であり、かつ、有効性成分である。系は、２０００ステップの最小化法と、０．５ｎｓのＮＶＴ  ＭＤシミュレーションと、最後に５ｎｓのＮＰＴ  ＭＤシミュレーションとを行うことによって平衡化した。シミュレーションは、周期性境界条件下で、室温（２５度）およびＮＴＰ  ＭＤシミュレーションについては１気圧の圧力で実施した。
【００７５】
平衡化した凝集体（周期性イメージなし）は、バッファ長１０Å（１ｎｍ）のクロロホルムが入った箱の中に配置して、２０００ステップの最小化法と、０．５ｎｓのＮＶＴ  ＭＤシミュレーションと、５ｎｓのＮＰＴ  ＭＤシミュレーションとでさらに平衡化した。
【００７６】
前記シミュレーションの最終フレームからリガンドの凝集体を分離して、自由エネルギー計算の入力として用いた。リガンド１分子は、重原子が少なくとも部分的に溶媒に暴露されるように、表面上でアルゴリズムを用いて選択した。
【００７７】
この入力構造からスタートしてＦＥＰ計算を実施して、上記で選択した分子を凝集体から真空にアルケミカルに変換した。ＦＥＰ計算は、昇華自由エネルギーを求めるためのものであるが、高速拡散するクロロホルムが、消滅されるリガンドと素早く置換して凝集体の孔を埋めることができるように、クロロホルム槽内の凝集体に対して実施した。
【００７８】
アルケミカル法は、表面の不均一さと統計学的なエラーを考慮して、同一の入力構造からスタートして異なる５個の表面分子に対して実施した。昇華自由エネルギーは、平均によって、具体的には５個の自由エネルギーの値の中央値として得た。
【００７９】
水和自由エネルギーを計算する為に、各リガンドについても、真空から水中に十分に溶媒和された状態へとアルケミカルに変換した。
分子を凝集体から十分に溶媒和された状態に変換することに係る全自由エネルギーは、昇華自由エネルギーと水和自由エネルギーとを合計することによって得た。
【００８０】
アセトアミノフェンについては、２５℃で、昇華自由エネルギーは、１７．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ、水和自由エネルギーは、−１５．５ｋｃａｌ／ｍｏｌと計算された。したがって、全水溶解度自由エネルギーは、１．９ｋｃａｌ／ｍｏｌとなり、変換すると計算溶解度４００００μＭになった。これは、ＮＩＨ  Ｐｕｂｃｈｅｍデータベース（ｈｔｔｐｓ：／／ｐｕｂｃｈｅｍ．ｎｃｂｉ．ｎｌｍ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｃｏｍｐｏｕｎｄ／ａｃｅｔａｍｉｎｏｐｈｅｎｓｈａ−ｐｕｓｅｃｔｉｏｎ＝ＭｅＳＨ−Ｓｙｎｏｎｙｍｓ）で公開されている水溶解度１４０００ｍｇ／Ｌ（〜３６０００μＭ）と遜色のない値である。計算機的に求めたデータおよび実験で求めたデータのいずれも、高溶解度（ＢＣＳ  Ｃｌａｓｓ  Ｉ／ＩＩＩ）に対応している。
【００８１】
図５は、アセトアミノフェンの昇華を計算する為に自由エネルギー摂動法で得たスナップショットである。ここでは、高速拡散する溶媒としてクロロホルムが使用されている。この特定の摂動法で消滅されるアセトアミノフェンの分子は、ファンデルワールスで強調して示している。
【００８２】
実施例１及び２に加えて、以下の表１には、多数の分子の溶解度の例が示され、実験的に得られた溶解度と比較されている。溶解度は、実験的に溶解度を計測した溶媒と温度とを用いて、実施例１についての上述の方法を使用して計算されている。
【００８３】
【表１】
2018522205.tif 000012
一般的に、上記方法の実施は、計算機システムを用いて計算機ソフトウェア製品として実行される。これらのプログラムは、様々な信号を生み出すメディア上に含まれうる。信号を生み出すメディアの例には、（ｉ）書き込みができない保存メディア（ＣＤまたはＤＶＤディスクなど）に永久的に保存される情報と、（ｉｉ）書き込み可能なメディア（ディスクドライブ内のフロッピーディスクまたはハードディスクドライブなど）に保存される変更可能な情報と、（ｉｉｉ）無線通信など通信ネットワークによってコンピュータに伝達される情報と、がある。具体的には、後者には、インターネットやその他のネットワーク上で入手可能な情報も含まれる。本発明に係る方法を実施する為のコンピュータで読み取ることができる指示書を伝達する、上記のような信号を生み出すメディアは、本発明の実施形態を表している。
【００８４】
実施形態は、入手可能な如何なる計算機システムを使用することによっても実施することができ、既存またはこれから開発される計算機プラットフォームやハードウェアの両方に対応させることができると考えられる。したがって、上述の方法は、単一ユーザーのワークステーションから、クライアントサーバーネットワーク、ピアツーピア技術を用いる大規模配給システム、またはクラスター化グリッドシステムに至る多様な計算機システム上で実施できるように構成されたソフトウェアアプリケーションによって実行されうる。さらには、本方法の実施に用いられる計算機システムは、ネットワークを用いて、地域や国の境界を越えて地理的に拡散させることが可能である。つまり、一の場所である分子について作成されたデータは、既知のデータ保存技術と情報伝達技術とを用いて別の場所に伝達され、この別の場所において、予測を実証的に検証することも可能である。例えば、計算機システムは、一の国に配置され、分子のある選択されたグループについての興味のある特性について予測データが生成される。このデータは、その後、別の場所または国に伝達、または転送されて、予測データの実証、あるいは追加的な計算機シミュレーションなどによってさらに解析することが可能である。
【００８５】
多数の実施形態を説明したが、本発明の主旨及び範囲を逸脱しない範囲で、様々な変更が可能であることが理解できるであろう。したがって、以下の特許請求の範囲には、その他の実施形態も含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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