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化学者のつぶやき

勃起の化学

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こんにちは。Maitotoxinです。私ごとですが、海外大学院の博士課程を修了し、今年2024年4月から日本で社会人を始めました。関東周辺におりますので、もしお会いすることがありましたら、お声がけいただけますと幸いです。

さて、社会人になるにあたり、パソコンのファイル整理をしておりますと色々懐かしいファイルが見つかりました。日記や勉強ノート。読み返してみるとまだまだ青いなと思う面があったり、意外としっかりしているなと感心する面があったりします。

そんな中、一枚のファイルを見つけました。

「TermPaper_AdvancedMedicinalChemistry_V12_final_truefinal.pdf」

大学院レベルメドケム授業の期末レポートですね。

当時「教授が指定した病気・ターゲットについて、薬の作用機序、薬の開発についてまとめること」がレポートとして課されました。

癌・糖尿病・COVID・HIV・アルツハイマー病・パーキンソン病….様々な病やターゲットが並ぶ中、私に課せられた病気は「勃起不全」でした。

命に関わる病気が続いていた中、少し場違いな気がして最初は面食らいましたが、調べてみますと、これが大勢の男性を苦しめる重要な病気だということがわかりました。また生物的にも化学的にも、その情報は興味深く、一週間研究室で陰茎の画像を見続けました。

シェアする価値があると思ったので、ここに転載します。将来海外大学院を目指す方の英文レポートの参考にもなれば幸いです。

注:薬学部出身でもなく、当時の無知な自分がまとめた文章ですので、英語・内容共に間違いだらけだと思われます。当時本気で頑張ってはおりましたが、あくまで「大学院1年時のMaitotoxinが1週間でこのように理解した」話だとご理解し、ファクトチェックは自身で行なっていただきますようよろしくお願いいたします。

以下、レポートを(ほぼ)そのまま転用+日本語訳 (日本語訳はDeepLによって作成。)

Developments of Phosphodiesterase Type 5 inhibitors for Erectile Dysfunction Treatments: from a detailed understanding of erection. (勃起不全治療のためのホスホジエステラーゼ 5 型阻害剤の開発:勃起の詳細な理解から。)

Abstract

    Erectile dysfunction (ED) is a physical disorder that affects more than 52% of men older than 40 years old. Although it is often regarded as an inevitable part of aging, in fact, many other factors can induce ED. After sildenafil (Viagra) was approved by the FDA in 1998, the oral medication has become the main treatment for ED. Sildenafil is an inhibitor of phosphodiesterase type 5 (PDE5), which involves cGMP hydrolysis in smooth muscle cells at the penis. PDE5 inhibition increases the cellular signaling for smooth muscle cell relaxation induced by sexual stimulation. This relaxation will increase the blood inflow to the penis, and hence erection is triggered. Supported by the successful drug marketing of sildenafil, many other PDE5 inhibitors have been developed. Especially vardenafil (Levitra), tadalafil (Cialis), as well as sildenafil are commonly used all over the world. All of those three inhibitors are developed from natural products with dedicated structural and synthetic optimizations. Although they target the same enzyme, each drug has its specific properties due to their structural variations, pharma kinetics, and selectivity of inhibitions. In this review, firstly, the detailed mechanism of erection will be explained. Based on the mechanism, the biochemical role of PDE5 will be clarified. With a deep understanding of the target, those developments, current research, and future views of PDE5 inhibitors will be discussed.

 

勃起不全(ED)は、40 歳以上の男性の 52%以上を悩ませる身体疾患である。ED は加齢に伴う必然的なものと考えられがちだが、実際には他の多くの要因が ED を誘発 する可能性がある。1998 年にシルデナフィル(バイアグラ)が FDA に承認されて以来、この内服薬は ED の主な治療薬となっている。シルデナフィルは、陰茎の 平滑筋細胞で cGMP 加水分解に関与するホスホジエステラーゼ 5 型(PDE5)の阻害剤 である。PDE5阻害は、性的刺激によって誘発される平滑筋細胞の弛緩のための細胞シグナル伝達を増加させる。この弛緩により陰茎への血液流入が増加し、勃起が誘発され る。シルデナフィルの医薬品販売の成功に支えられ、他の多くの PDE5 阻害剤が開発さ れた。特に、バルデナフィル(レビトラ)、タダラフィル(シアリス)、そしてシルデナフィルは世界中でよく使用されている。これら 3つの阻害剤はすべて天然物から開発され、専用の構造および合成の最適化が施されている。これらは同じ酵素をターゲットとしているが、それぞれの薬物は、その構造的なバリエーション、薬物動態、阻害の選択性により、特異的な性質を持っている。この総説では、まず勃起の詳細なメカニズムについて説明する。そのメカニズムに基づき、PDE5の生化学的役割を明らかにする。 そして、PDE5 阻害薬の標的を深く理解した上で、PDE5 阻害薬の開発状況、現在の研究状況、今後の展望を述べる。

 

Introduction to Erectile Dysfunction

    Erectile dysfunction (ED) is defined as the inability to achieve and maintain an erection which is sufficient for successful vaginal intercourse. Until recently, this malfunction was referred to as “impotent.” However, as this term gained negative connotations that imply general physical and mental misfunction, the more specific term “erectile dysfunction” is preferred nowadays. It is a common age-related clinical disorder that especially affects men older than 50 years old. The prevalence of erectile dysfunction ranges from 1-10% among men younger than 50 years old, 20-40% among 60-69 years old, and 50-100% among older than 70 years old1. Therefore, this disorder is frequently misunderstood as a natural, inevitable aging phenomenon. However, in fact, in many cases, this is a clinical malfunction associated with mental and physical illnesses such as prostatectomy, diabetes, metabolic syndrome, metabolic syndrome, hypoxia, and depression2.

    ED is a cause of not only physical problems of an unsatisfactory sexual relationship between patients and their partners but also mental issues that patients often feel as “broken” and not “real man” to lose their confidence2. Therefore, many treatments are investigated for ED, such as vacuum therapy, intracavernosal injection, and oral prescription therapy. Among them, oral medications are the first choice in the clinical treatment. Therefore, in this paper, developments of oral drugs for ED treatment will be summarized.

勃起不全入門

勃起不全(ED)とは、膣性交を成功させるのに十分な勃起を達成・維持できないことと定義される。最近まで、この機能不全は “インポテント”と呼ばれていたが、この用語が一般的な身体的・精神的機能不全を意味する否定的な意味合いを持つようになったため、現在ではより具体的な “勃起不全 “という用語が好まれている。勃起障害は、特に 50 歳以上の男性を苦しめる、加齢に関連した一般的な臨床疾患である。勃起不全 の有病率は、50 歳未満の男性では 1〜10%、60〜69 歳では 20〜40%、70 歳以上では 50 〜100%である。そのため、この疾患は避けられない自然な老化現象と誤解されがちである。しかし、実際には、前立腺摘出術、糖尿病、メタボリックシンドローム、低酸素症や、うつ病などの精神的・身体的疾患に伴う臨床的機能不全である場合が多い。ED は、患者とパートナーとの性的関係が満足に築けないという身体的な問題だけでなく、患者が自分自身を「壊れている」「本当の男ではない」と感じて自信を失うという精神的な問題も引き起こすことが多い。そのため、EDの治療法としては、バキューム療法、陰茎内注入療法、内服処方療法など多くの治療法が検討されている。その中でも内服薬は臨床治療の第一選択である。そこで本稿では、ED 治療における内服薬の発展についてまとめる。

 

Anatomical Understanding of Erection

    Before focusing on ED medicines, to deeply understand the drug targets and mechanism of action, the details of human penis structures and erection mechanisms will be explained from an anatomical perspective.

(a) Human penis structures

    The human penis is mainly composed of ventral corpus spongiosum and paired dorsal corpora cavernosa. The corpus spongium contains urethra inside and connected to glans penis distally. The corpus spongium is protected by single -ayer tunica albuginea. The corpora cavernosa comprises arterial sinusoids and smooth muscle, surrounded by two layers of tunica albuginea. Blood supply to the penis mainly comes from the internal pudendal artery, which branches to the penile artery and is further divided into the dorsal artery, cavernous artery, urethral artery, and bulbar artery. The cavernous artery passes through the dorsal corpora cavernosa and gives many tortuous branches called the helicine artery. This helicine artery directly opens the sinusoids of the erectile tissue. The dorsal artery contributes to the gran’s engorgement during the erection. Urethral arteries go through the corpus spongium and supply blood to the corpus spongium itself, the urethra, and the glans (Figure 1).

(b) Mechanism of Erection

    The human penis erection process is divided into four steps: flaccid state, tumescence, rigid erection, and detumescence. The flaccid state is the normal penis state without any sexual stimulation. In this phase, blood flow inside the penis is mild, which is sufficient for nutrition delivery but not enough for penile erection. This mild blood flow is achieved by the contraction of smooth muscle cells in the arteries wall to intercept blood inflow. Therefore, if this muscle contraction is inhibited, penile erection will be induced, which will be discussed more in the later part.

    With sexual stimulations, pro-erectile mediators are released, and erectile responses are initiated. This early erection phase is called tumescence. Dilation of arteries and arterioles in the corpora cavernosa is induced to increase the blood inflow. In addition to that, the trabecular smooth muscle is relaxed further to enhance the blood inflow, and the corporal sinusoids expand by blood engorging. This cavernosal expansion compresses the subtunical venules, and blood outflow is blocked. As a result, intracavernosal pressure is increased up to around 100 mmHg, and the penis starts to stand up to the erection position. The corpus spongiosum and glans tumescence are slightly different from the corpora cavernosa. Although arterial flow is increased in the same way as in cavernosa, venules blood outflow is not clogged as much as in cavernosa because of structural differences in the tunica albuginea. Because of that, the corpus spongiosum and glans increase their internal pressure only up to one-third to half of the cavernosa, and they will act as shouts of blood during the tumescence.

    After tumescence, the penis enters the rigid-erection phase. In the corpora cavernosa, the ischiocavernosus muscles shrink to compress the base part, and both inflow and outflow of blood are temporarily terminated. As a result, the inner pressure of the corpora cavernosa reaches several hundred mmHg. In this stage, the corpus spongiosum and glans increase the inner pressure in a similar way as the cavernosa. The contraction of the ischiocavernosus and bulbocavernosus muscles causes insufficient outflow of blood; therefore, both corpus spongiosum and glans get rigidified.

   Lastly, when sexual stimulation has been ended, the erected penis starts to detumescent. In this detumescent stage, neural signaling causes the trabecular smooth muscle contraction and vasoconstriction of penile arteries. This decreases the total blood inflow on the corpora cavernosa, and subsequent physical decompression increases the blood outflow. As a result, blood flow returns to mild again, and the penis will go back to a flaccid state.

Figure 1. A structure of the human penis2.

勃起の解剖学的理解

ED治療薬に焦点を当てる前に、薬剤の標的と作用機序を深く理解するためにヒトのペニスの構造と勃起機序の詳細を解剖学的観点から説明する。

 (a) ペニスの構造

人間の陰茎は主に腹側の海綿体と背側の一対の海綿体から構成されている。海綿体は内部に尿道を含み、遠位で陰茎⻲頭とつながっている。海綿体は単層の被膜で保護されている。海綿体は基本的に動脈洞と平滑筋で構成され、2 層の被膜に囲まれている。 陰茎への血液供給は主に内性陰茎動脈から行われ、この動脈は陰茎動脈に分岐し、さら に背動脈、海綿体動脈、尿道動脈、皮弁動脈に分かれる。海綿体動脈は海綿体背側を通り、蛇行した枝をたくさん出しており、これをヘリシン動脈と呼ぶ。このヘリシネ動脈は直接勃起組織の洞を開く。背動脈は、勃起時の肉芽の充満に寄与する。尿道動脈は海綿体を通り、海綿体自体、尿道、⻲頭に血液を供給する (図1)。

(b) 勃起のメカニズム

人間の陰茎の勃起過程は、弛緩状態、充血、硬直勃起、消退の 4 段階に分けられる。弛緩状態は、性的刺激のない通常のペニスの状態である。この段階では、陰茎内部の血流は穏やかで、栄養の供給には十分だが、陰茎の勃起には十分ではない。この穏やかな血流は、動脈壁の平滑筋細胞が収縮して血液の流入を遮断することによって達成される。したがって、この筋収縮が抑制されれば、陰茎勃起が誘発されるのである

性的刺激により、勃起メディエーターが放出され、勃起反応が始まる。この勃起初期段階は「勃起期」と呼ばれる。海綿体の動脈と細動脈の拡張が誘導され、血液の流入が増加する。さらに、海綿体平滑筋が弛緩して血液の流入がさらに促進され、血液の巻き込みによって海綿体洞が拡張する。この海綿体の膨張が皮下静脈を圧迫し、血液の流出が阻害される。その結果、海綿体内圧力は100mmHg前後まで上昇し、陰茎は勃起位に立ち上がる。海綿体と⻲頭の勃起は、海綿体とは少し異なる。動脈の流れは海綿体と同じように増加するが、静脈の血液の流出は、海綿体のように詰まることはない。 そのため、海綿体や⻲頭は海綿体の 3分の1から半分程度までしか内圧が上昇せず、充血時には血液のシャワーの役割を果たす。

充血後、陰茎は硬直勃起期に入る。海綿体では、海綿体底筋が収縮して基部を圧迫し、血液の流入と流出が一時的に停止する。その結果、海綿体の内圧は数百mmHgに達する。この段階では、海綿体と⻲頭も海綿体と同様に内圧を上昇させる。海綿体筋 と球海綿体筋の収縮によって血液の流出が不十分になり、海綿体も⻲頭も硬直する。

 最後に、性的刺激が終わると、勃起した陰茎は脱力し始める。この消退期では、神経シグナルが海綿体平滑筋の収縮と陰茎動脈の血管収縮を引き起こす。これにより海綿体に流入する血液の総量が減少し、その後の物理的な減圧により血液の流出が増加する。その結果、血流は再び穏やかに戻り、陰茎は弛緩状態に戻る。

 

Biochemical Understanding of Erection

    The macroscopic view of erection has been explained above. In short, controlling blood flow in the penis plays an important role in erection, and this control is regulated by the contraction and relaxation of smooth muscle cells in the walls of arteries, arterioles, and in the corporal trabeculae.  The contraction of them maintains the flaccid state, and relaxation of them induces the erection. Here, the signaling pathway of smooth muscle cells will be discussed.

    During the flaccid state, calcium concentration inside the cell is increased. For Ca2+ to be increased, firstly, sympathetic adrenergic signaling (norepinephrine) and endothelins, prostaglandin F2α from endothelial cells activate the G protein-coupled receptors, respectively. These receptors induce phospholipase C activity to increase the concentration of inositol triphosphate (IP3). IP3 opens the Ca2+ channel at both the Endoplasmic Reticulum and cell membrane, and as a result, Ca2+ concentration increases. After this event, Ca2+ binds to calmodulin, and this enzyme activates myosin light-chain kinase to literary phosphorylate myosin light-chain. As a result of this myosin modification, smooth muscle contraction is induced (Figure 2).

    The decrease in calcium concentration is mediated mainly by the other two pathways. Cyclic AMP (cAMP) and cyclic GMP (cGMP) are the main secondary messengers in these cells’ signaling. Especially when it comes to erection, the cGMP-mediated pathway is activated. The details of this pathway will be explained here. With sexual stimulation, nitric oxide is released from nonadrenergic, noncholinergic neurotransmission, and endothelial cells. This nitric oxide activates guanylyl cyclases to convert GTP to cGMP. cGMP binds to cGMP-specific protein kinase, and this enzyme will close the Ca2+ channel at both the endoplasmic reticulum and cell membrane. As a result, intracellular Ca2+ gets low, and smooth muscle relaxation is achieved by weakening calmodulin signaling (Figure 3).

    Most importantly for later drug development discussion, these cGMP and cAMP-mediated pathways are continuously weakened during and after the erection. Therefore, at the detumescent stage, when the nitric oxide supply has stopped, Ca2+ gets back to high concentration smoothly. This continuous inhibition is mediated by a series of phosphodiesterase (PDE), which catalyze hydrolysis of cyclic nucleoside monophosphates. In particular, phosphodiesterase type 5 (PDE5) is the selective enzyme for cGMP breakdown.

Figure 2. A molecular mechanism of smooth-muscle contraction1

Figure 3. A molecular mechanism of smooth-muscle relaxation1

勃起の生化学的理解

勃起の巨視的な見方は前述した通りである。要するに、陰茎の血流をコントロールすることが勃起に重要な役割を果たし、このコントロールは動脈、細動脈、体幹部海 綿体の壁にある平滑筋細胞の収縮と弛緩によって調節されている。 平滑筋細胞の収縮は弛緩状態を維持し、弛緩は勃起を誘発する。ここでは、平滑筋細胞のシグナル伝達経 路について述べる。

弛緩状態では、細胞内のカルシウム濃度が上昇する。Ca2+ が増加する ためには、まず交感神経のアドレナリンシグナル(ノルエピネフィリン)と内皮細胞からのエンドセリン、プロスタグランジン F2α がそれぞれ G タンパク質共役型受容体を活性化す る。これらの受容体はホスホリパーゼ C 活性を誘導し、イノシトール三リン酸(IP3) 濃度を上昇させる。IP3 は小胞体と細胞膜の両方で Ca2+ チャネルを開き、その結果 Ca2+ 濃度が上昇する。この後、Ca2+ はカルモジュリンに結合し、この酵素がミオシン軽鎖 キナーゼを活性化してミオシン軽鎖をリン酸化する。このミオシン修飾の結果、平滑筋収縮が誘導される (図2)。

カルシウム濃度の低下は、主に他の 2 つの経路によって媒介される。サイクリックAMP(cAMP)またはサイクリック GMP(cGMP)のいずれかが、これらの細胞のシグナル伝達における主要な二次メッセンジャーである。特に勃起時には、cGMPを介する経路が活性化される。この経路の詳細をここで説明する。性的刺激により、非アドレナリン性、非コリン性の神経伝達と内皮細胞から一酸化窒素が放出される。この一酸化窒素はグアニル酸シクラーゼを活性化し、GTPを cGMP に変換する。cGMPはcGMP特異的プロテインキナーゼに結合し、この酵素は小胞体と細胞膜の両方でCa2+チャネルを閉じる。その結果、細胞内Ca2+は低くなり、カルモジュリンシグナル伝達が弱まることで平滑筋の弛緩が達成される (図3)。

このcGMPとcAMPを介する経路は、勃起中も勃起後も弱まり続けている。そのため、一酸化窒素の供給が停止した休止期には、Ca2+はスムーズに高濃度に戻る。この持続的な抑制は、環状ヌクレオシド一リン酸の加水分解を触媒する一連のホスホジエステラーゼ(PDE)によって媒介される。特に、ホスホジエステラーゼ 5 型(PDE5) は、cGMP の分解に選択的な酵素である。

 

Phosphodiesterase type 5

    According to the biochemical mechanism of erection, phosphodiesterase type 5 seems to be a good drug target. If phosphodiesterase type 5 is inhibited, continuous deactivation of the cGMP pathway will be blocked, and decreasing Ca2+ will be easily achieved when sexual stimulation induces NO production. In fact, PDE5 inhibitors are the most commonly used oral drug for ED treatment. Before looking at details of medicines, PDE5 is further investigated here.

    PDE5 is an enzyme found in several tissues, especially in the corpus cavernosum and the retina. PDE5 is composed of an amino-terminal regulatory domain (GAF-A and GAF-B)  and a carboxy-terminal metal-binding catalytic domain3. GAF-A domain has a strong affinity to cGMP; hence, PDE5 can catalyze cGMP hydrolysis about 100 times more selectively than cAMP. Although the cocrystal of cGMP and PDE5 have not been obtained, the mechanism of enzymic activity is proposed by calculation4, and the binding model is estimated from PDE5- Sildenafil cocrystal. According to them, hydroxy anion (OH) is first formed from water inside the catalytic domain, which is stabilized by magnesium and zinc cation. After that, hydroxy anion causes a nucleophilic attack on phosphate in cGMP with an acid catalyst offered by histidine and glutamate moisty in the catalytic domain. As a result, cGMP hydrolysis will be conducted (Figure 4). Although some drugs have a similar structure with cGMP, this mechanism is so far not referred for drug development.

Figure 4. A catalytic mechanism of PDE5.

5 型ホスホジエステラーゼ

勃起の生化学的メカニズムによると、ホスホジエステラーゼ 5 型は良い薬物標的と思われる。もしホスホジエステラーゼ5 型が阻害されれば、cGMP 経路の連続的な不活性化が阻害され、性的刺激によって NO 産生が誘導されたときに、 Ca2+の減少が容易に達成される。実際、PDE5 阻害剤は ED 治療に最もよく使われる内服薬である。

医薬品の詳細を見る前に、本項では PDE5 についてさらに解説する。

PDE5 は、海綿体や網膜をはじめとする様々な組織に存在する 酵素である。 PDE5 は、アミノ末端の調節ドメイン(GAF-A と GAF-B)とカルボキシ末端の金属結合触媒ドメインからなる 3.GAF-A ドメインは cGMP に強い親和性を持つため、PDE5 は cGMP の加水分解を cAMP の約 100 倍選択的に触媒することができる。cGMP と PDE5 の共結晶は得られていないが、計算により酵素活性のメカニズムを提唱している。4PDE5-シルデナフィル共結晶から結合モデルを推定した。それによると、まず触媒ドメイン内で水からヒドロキシアニオン(OH- )が生成し、マグネシウムと亜鉛のカチオンによって安定化される。その後、ヒドロキシアニオンは、触媒ドメイン内のヒスチジンとグルタミン酸の水分が提供する酸触媒によって、cGMP のリン酸に求核攻撃を引き起こす。その結果、cGMP の加水分解が行われる(図 4)。cGMP と類似した構造を持つ薬物もあるが、このメカニズムは今のところ医薬品開発の参考にはされていない。

 

Drugs for Erectile Dysfunction

    The drugs invented in an early stage before the 1990s were Yohebine (competitive antagonist selective for alpha-2 adrenoceptors), Apomorphine (nonselective dopaminergic receptor agonist), and Trazodone hydrochloride (selective inhibitor of serotonin uptake and antagonist of α2-adrenergic receptors)2. As you can see here, the early drugs targeted nerve systems, which are difficult to control. Papaverine is the first PDE inhibitor used for ED treatment. However, papaverine doesn’t have a strong selectivity on PDE types, thereby, it increases both cGMP and cAMP levels in the cell. Prostaglandin E1(Alprostadil) is an activator of the cAMP pathway but is not orally available.

    The trend of ED drugs completely changed in 1998 after FDA approval of Sildenafil (Viagra), a selective PDE5 inhibitor. After that, the oral medication of PDE5 inhibitors became the first line of treatment for ED, and many drugs targeting PDE5 were developed, such as Tadalafil (Cialis), Vardenafil (Levitra), Avanafil (Stendra), Mirodenafil (Mvix), Udenafil (Zydena), and Lodenafil (Helleva). Among them, Sildenafil, Vardenafil, and Tadalafil are used worldwide, whereas others are still limited in regional use. Therefore, the later part of this review will focus on the development of each drug, especially Sildenafil, Vardenafil, and Tadalafil.

 

勃起不全治療薬

1990 年代以前に初期に発明された薬剤は、ヨヘビン(α2 アドレナリン受容体選択的競合的拮抗薬)、アポモルヒネ(非選択的ドパミン受容体作動薬)、塩酸トラゾド ン(セロトニン取り込み選択的阻害薬および α2 アドレナリン受容体拮抗薬)である。ここに見られるように、初期の薬物は神経系を標的としており、その制御は困難である。 パパベリンは ED 治療に使われた最初の PDEs 阻害薬である。しかし、パパベリンは PDE の種類に強い選択性を持たないため、細胞内の cGMP レベルと cAMP レベルの両方を増 加させる。プロスタグランジン E1(アルプロスタジル)は cAMP 経路の活性化剤であるが、経口投与ができない。

1998 年、選択的 PDE5 阻害薬であるシルデナフィル(バイアグラ)が FDA に承認されると、ED 治療薬のトレンドは一変した。その後、PDE5 阻害剤の内服がED治療の第一選択薬となり、タダラフィル(シアリス)、バルデナフィル(レビトラ)、アバ ナフィル(ステンドラ)、ミロデナフィル(エムビックス)、ウデナフィル(ザイデ ナ)、ロデナフィル(ヘルバ)など、PDE5を標的とする多くの薬剤が開発された。これらのうち、シルデナフィル、バルデナフィル、タダラフィルは世界中で使用されているが、その他の薬剤はまだ地域限定的である。したがって、このレビューの後半では、 特にシルデナフィル、バルデナフィル、タダラフィルについて、各薬剤の開発に焦点を当てる。

 

Sildenafil

(a) Development

    Sildenafil was first synthesized by researchers at Pfizer in England in 19965. This drug was originally targeting the treatment of hypertension and angina pectoris, but clinical trials revealed it is not potent enough for the treatment of those symptoms. Instead, during the clinical trial, stimulation of substantial erectile capacity was reported as a “side effect.” Pfizer, therefore, decided to change the target of this drug from angina to ED and patented it in 1996. In March 1998, the FDA approved this drug for ED treatment.

    The development of the chemical structure will be back to the preparation of 2-phenyl-8-azapurin-6-ones library syntheses for antiallergic compounds. This research was motivated by the fact that natural products with methylxanthine structures, such as caffeine or theophylline, inhibit the antigen-induced release of histamine6. From this chemical library, the lead compound Zaprinast was discovered as a selective PDE5 inhibitor. Following structure optimization, pyrazolo[4,3-d]pyfimidin-7-on ([1], Scheme 1) was found to have a stronger binding to PDE5 (IC50 value is 2000 µM for zaprinast and 330 µM for [1]), with higher selectivity. This is rationalized by the calculation that [1] has a similar size, shape, and dipole moment as cGMP. Since cGMP has a bulky ribose on the 3-substituent of heterocycle, researchers had tried putting bulky substitution on 3 position of [1]. As a result, when the propyl chain was added, the compound showed the highest binding with good selectivity to PDE 5 ([2] Scheme 1, IC50 = 27 µM). After that SAR study of 2’ position of [2] were conducted, however original ethoxy group eventually showed the best result. From this study, hydrogen bonding between pyrimidinone NH and alkoxy group’s lone pairs, and the resultant coplanar structure of benzene and heterocycle are suggested as the important point for PDE5 binding. 5’ position of [2] is easily modified by electrophilic attack due to electron-rich ethoxy substituent at the 2’ position.  Also, [2] had a drawback of its low hydrophilicity (Log D = 4.0). Therefore, a SAR study of 5’ position-modified analogs with polar groups was conducted. As a result, when the sulfoxymethyl piperazine group was added, it showed the best binding and hydrophilicity (IC50 = 3.0 µM, Log D = 2.7), and this is the final Sildenafil structure5 (Scheme 1).

Scheme 1. A development scheme of Sildenafil.

 

(b) Synthesis

    The synthetic scheme first proposed by Pfizer is shown in Scheme 2. This synthetic scheme was unfavorable for commercial applications since it is completely linear, and the overall yield is too low (11 steps, 4.2%). Also, chloro-sulfoxylation in the last step will cause the potential toxic intermediate in the reaction mixture. Therefore, the improved synthetic scheme was proposed and used in the commercial field (Scheme 3). The main improvement of commercial synthesis is that chloro-sulfoxylation is conducted in the first step of synthesis to ensure there will be no contamination of the toxic intermediate in the final product. All the reactions can be conducted in ethyl acetate, so the solvent can be efficiently recycled7.

Scheme 2. A first synthetic route of Sildenafil7.

Scheme 3. An industrial synthetic route of Sildenafil7.

 

シルデナフィル

 (a) 開発

シルデナフィルは、1996 年にイギリスのファイザー社の研究者によって初めて合成された。この薬は当初、高血圧と狭心症の治療を対象としていたが、臨床試験の結果、これらの症状の治療には十分な効果がないことが判明した。その代わり、臨床試験中、勃起の誘発効果が副作用として優位に確認された。

そこでファイザー社は、この薬のターゲットを狭心症からEDに変更することを決定し、1996年に特許を取得した。そして1998年3月、この薬はFDA から ED 治療薬として承認された。

化学構造の開発は、抗アレルギー化合物のための 2-フェニル-8-アザプリン-6-オンライ ブラリー合成の調製に戻る。この研究の動機は、カフェインやテオフィリンのようなメ チルキサンチン構造を持つ天然物が、抗原によるヒスタミンの放出を阻害するという事 実にある。この化学ライブラリーから、選択的 PDE5 阻害剤としてリード化合物ザプ リナストが発見された。構造最適化の結果、ピラゾロ[4,3-d]ピフイミジン-7-オン([1]、 スキーム 1)が PDE5 により強く結合し(IC50 値はザプリナストが 2000 μM、[1]が 330 μM)、より高い選択性を有することが判明した。これは、[1]が cGMP と同様のサイズ、 形状、双極子モーメントを持つという計算によって合理化される。cGMP はヘテロ環の3 位に嵩高いリボースを持つため、研究者たちは[1]の 3 位に嵩高い置換を試みた。その 結果、プロピル鎖を付加した場合、PDE5に対する選択性が高く、最も高い結合性を示 した([2] Scheme 1, IC50 = 27 μM)。その後、[2]の 2′ 位の SAR 研究を行ったが、最終的に元のエトキシ基が最も良い結果を示した。この研究から、ピリミジノンのNHとアルコキシ基の酸素対の間の水素結合、その結果生じるベンゼンと複素環の共平面構造が PDE5 結合の重要なポイントであることが示唆された。[2]の 5’位は、2’位の電子リッチなエトキシ置換基により、求電子攻撃により容易に修飾される。 また、[2]は親水性が低 い(Log D = 4.0)という欠点があった。そこで、極性基を有する 5’位修飾類似体の SAR 研究を行った。その結果、スルホキシメチルピペラジン基を付加した場合、最も優れた結合性と親水性を示し(IC50 = 3.0 μM、Log D = 2.7)、これが最終的なシルデナフィル構造である

(b) 合成

ファイザーが最初に提案した合成スキームをスキーム2に示す。この合成スキームは完全に直線的であり、全体の収率が低すぎる(11 工程、4.2%)ため、商業的応用には不向きであった。また、最後の工程でクロロスルホキシル化を行うと、反応混合物 中に有毒な中間体が生成する可能性がある。そこで、改良された合成スキームが提案され、商業分野で使用されている(スキーム 3)。市販の合成法の主な改良点は、クロロスルホキシル化を合成の第一段階で行い、最終生成物に有毒な中間体が混入しないようにしたことである。すべての反応を酢酸エチル中で行うことができるため、溶媒を効率的にリサイクルできる。

 

Vardenafil

(a) Development

    Vardenafil is a PDE5 inhibitor that came on the market in September 2003.8 Vardenafil was comarketed by Bayer Pharmaceuticals, GlaxoSmithKline, and Schering-Plough. Vardenafil has a pretty similar structure as Sildenafil, and the only differences are nitrogen positions in heterocycles and the change of sildenafil’s piperazine ring methyl group to an ethyl group (Scheme 4). Although the developmental procedure of Vardenafil is not clearly reported as Sildenafil, Bayer Pharmaceuticals explained 2-aryl-substituted imidazo[5,1-f][1,2,4]triazin-4(3H)-ones core of Vardenafil is coming from purine base structure of cGMP9,10. cGMP has a guanine base; however, this part can be easily metabolized by Xanthineoxidase. To avoid this metabolic degradation, they change the position of nitrogen inside the heterocycles to find compounds with imidazo[5,1-f] [1,2,4]triazin-4(3H)-one’s core as the selective inhibitor of PDE5 (Scheme 4, [1]). Because of synthetic convenience, structure [1] was prepared.  Next, they conducted the SAR study on the 3’ and 5’ positions of heterocycles and the 2’ position in the phenyl group to find a structure [2] strongly binding with PDE5. Lastly, they conduct an SAR study in the 5’ position on the phenyl group and find the Vardenafil structure is the best candidate for selective PDE5 inhibition. Here, the addition of the polar group on the 5’ position was explained as the hypothesis that this polar group might fill the pocket for the polar cyclic phosphate part of cGMP in PDE5.

Scheme 4. A development scheme of Vardenafil

(b) Synthesis

Synthesis of Vardenafil was originally conducted in scheme 5, and modified synthetic route for commercialization is shown in Scheme 6, the reactions which are not mentioned here is the same as scheme 5. The main difference is the preparation of banzamidine compound A. This is due to the difficulty of using trimethyl aluminum on a large scale. Also, the final three-step reactions are conducted in one pot to increase the synthetic efficiency.

Scheme 5. A first synthetic route of Vardenafil.7

Scheme 6. An industrial synthetic route of Vardenafil.

 

バルデナフィル

 (a) 開発

バルデナフィルは PDE5 阻害薬で、2003 年 9 月に発売された。バルデナフィル はバイエル薬品、グラクソ・スミスクライン、シェリング・プラウによって市販された。 バルデナフィルはシルデナフィルとよく似た構造を持ち、唯一の違いは複素環の窒素の位置とシルデナフィルのピペラジン環のメチル基がエチル基に変わったことである(スキーム 4)。バルデナフィルの開発手順は、シルデナフィルのように明確に報告されて いないが、バイエル薬品は、バルデナフィルの2-アリール置換イミダゾ[5,1-f][1,2,4]トリアジン-4(3H)-オンの核は、cGMPのプリン塩基構造に由来すると説明している。9,10cGMPはグアニン塩基を持つが、この部分はキサンチンオキシダーゼによって容易に 代謝される。この代謝分解を避けるために、PDE5の選択的阻害剤としてイミダゾ[5,1-f] [1,2,4]トリアジン-4(3H)-オンを核とする化合物を見つけるために、複素環内の窒素の位置を変えた(スキーム 4、[1])。合成の都合上、構造[1]を調製した。 次に、ヘテロ環の3’、5’位とフェニル基の2’位についてSAR研究を行い、PDE5と強く結合する構造[2]を見出した。最後に、フェニル基の5’位のSAR 研究を行い、バルデナフィル構造が選択的 PDE5阻害の最良の候補であることを見出した。ここで、5’位へ極性基の付加した理由として、この極性基がPDE5のcGMPの極性環状リン酸部分のポケットを埋めているのではないかという仮説で説明されている。

(b) 合成

バルデナフィルの合成は本来スキーム5で行われる。商業化のために修正された合成ルートをスキーム6に示すが、ここで言及しない反応はスキーム5と同じである。主な違いは、バンズアミジン化合物Aの調製である。これは、トリメチルアルミニウムを大規模に使用することが困難なためである。また、合成効率を上げるため最後の3段階反応をワンポットで行っている。

 

Tadalafil

(a) Development

    Tadalafil got FDA approval in November 2003, the last among three major PDE5 inhibitors8.  Tadalafil was originally called IC351 and was originally developed as a cardiovascular drug2. However, in the middle of cardiovascular testing, Sildenafil showed up on the market as an ED agent. Motivated by its success, IC351 changed its name to Tadalafil and started to be investigated as a potential ED treatment drug.

    The initial development of Tadalafil started from the natural product β-carboline-3-carboxylates, which was extracted from human urine11 (Scheme 7). This compound was originally investigated as an inhibitor of brain benzodiazepine receptors, however in 1983, it was found to be able to increase basal level of cGMP in rat cerebellum12. Soon after that, this result was explained as β-carboline-3-carboxylates’s PDE inhibition activity, and therefore, PDE5 inhibitor development based on β-carboline-3-carboxylates had been started. Based on β-carboline-3-carboxylates, the researchers in GlaxoSmithKline use their undisclosed internal database to develop the lead compound GR30040X (Scheme 7, IC50 = 0.3 µM). Based on the GR30040X structure, SAR analysis of [1] was conducted. Firstly, the R1 position was tested by the -H group or methyl group because of synthetic accessibility. As a result, the -H group showed higher affinity to PDE5 than the methyl group. Next, the R2 group was tested by many aryl groups, and the 4-methoxy phenyl group was found to be the best. Lastly, the R3 group was investigated by changing the length of alkyl chains. The result showed that alkyl chain length does not significantly affect the inhibitory potency of the compounds. As a result of all those SAR analyses, compound [2] was developed as the drug candidate (IC50 = 0.008 µM). However, soon after in vivo analysis, the compound [2] was found to show poor hypotensive activity. Therefore, further development was required. From this time, because of the failure of in vivo application, the compound activity started to be evaluated not only by IC50 value but also by EC50 value, which is the concentration of the compound to give half-maximum increase of cGMP in rat aortic smooth muscle cells. EC50 value of [2] was 0.7 µM. Structural variation was first conducted by the hydantoin ring to other heterocycles. As a result, original hydantoin or piperazine-dione [3] derivatives showed the best IC50 and EC50 values, which shows two carbonyl groups in the ring are important for PDE5 inhibition. Next, SAR on the Phenyl Ring in the C-6 position is investigated again to find [4] the best candidate (IC50 = 0.003 µM, EC50 = 1 µM). Lastly, SAR on the N-Substitution of the 1,4-Piperazinedione has been conducted to discover Tadalafil as the best drug candidate (IC50 = 0.005 µM, EC50 = 0.15 µM).

Scheme 7. A development scheme of Tadalafil.

(b) Synthesis

    The first synthesis of tadalafil was conducted as scheme 8. The synthetic scheme itself is simple, but it is not suitable for commercialization because of the low yield associated with the chiral compound separation. Commercially used large-scale synthesis schemes are shown in scheme 9. The main improvement is the first step. By using HCl salt as the starting material, TFA is no longer required for the reaction. In addition to that, surprisingly, chiral synthesis was achieved by using isopropanol as the solvent. In an isopropanol solution, undesired trans isomers are dissolved but desired cis isomers are precipitated. Since isomers are in the dynamic equilibrium inside the solution, only cis isomers can be obtained.

Scheme 8. A first synthetic route of Tadalafil.7

Scheme 9. An industrial synthetic route of Tadalafil.7

 

タダラフィル

(a) 開発

タダラフィルは2003年11月、3大PDE5阻害薬の中で最後にFDAの承認を取得した。タダラフィルはもともとIC351と呼ばれ、心臓血管薬として開発された。しかし、心血管試験の途中で、シルデナフィルがED治療薬として市場に登場し、その成功に刺激され、IC351はタダラフィルと名前を変え、潜在的なED治療薬として研究され始めた。

タダラフィルの最初の開発は、ヒトの尿から抽出された天然物 β-カルボリン-3- カルボン酸塩から 始まった。この化合物は当初、脳内ベンゾジアゼピン受容体の阻害剤として研究されていたが、1983 年、ラットの小脳においてcGMPの基底レベルを上昇させることができることが判明した。その後すぐに、この結果がβ-カルボリン- 3-カルボン酸塩のPDE阻害活性であると説明され、β-カルボリン-3-カルボン酸塩をベー スとした PDE5 阻害薬の開発が開始された。グラクソ・スミスクライン社の研究者は、 β-カルボリン-3-カルボン酸塩を基に、非公開の社内データベースを用いてリード化合物GR30040Xを開発した(スキーム7、IC50=0.3μM)。GR30040Xの構造に基づいて、 [1]のSAR解析を行った。まず、R1の位置は、合成上のアクセシビリティから、-H基またはメチル基でテストした。次に、R2 位をアリール基の数で検討した結果、4-メトキシフェニル基が最適であった。最後に、アルキル鎖の⻑さを変えてR3基を調べた。 その結果、アルキル鎖の⻑さは化合物の阻害力にあまり影響しないことがわかった。これらのSAR解析の結果、化合物[2]が薬剤候補として開発された(IC50 = 0.008 μM)。 しかし、in vivo解析の結果、化合物[2]は血圧降下作用が乏しいことが判明した。そのため、さらなる開発が必要となった。今回、in vivoでの応用がうまくいかなかったため、化合物の活性をIC50値だけでなく、ラット大動脈平滑筋細胞でcGMP の半分の最大増加を与える化合物の濃度であるEC50値でも評価するようにした。[2]のEC50値 は0.7 μM であった。まず、ヒダントイン環を他の複素環に変換することで構造変化を行った。その結果、オリジナルのヒダントインまたはピペラジンジオン[3]誘導体が最も良好なIC50およびEC50値を示し、環内の2つのカルボニル基がPDE5阻害に重要であることが示された。次に、C-6 位のフェニル環に対するSARを再度検討した結果、[4]が最良の候補となった(IC50 = 0.003 μM, EC50 = 1 μM)。最後に、1,4-ピペラジンジ オンの N-置換に関するSARを実施し、最良の薬剤候補としてタダラフィルを発見した (IC50 = 0.005 μM, EC50 = 0.15 μM)。

(b) 合成

タダラフィルの最初の合成はスキーム8のように行われた。合成スキーム自体は単純であるが、キラル化合物の分離に伴う収率の低さから、商業化には適さないらしい。商業的に使用されている大規模合成スキームをスキーム9に示す。主な改良点は第 一段階である。出発原料に塩酸塩を使用することで、反応にTFAが不要になった。それに加えて、驚くべきことに、溶媒としてイソプロパノールを使用することでキラル合成が達成された。イソプロパノール溶液では、望ましくないトランス異性体は溶解するが、望ましいシス異性体は析出する。溶液内では異性体が動的平衡にあるため、シス異性体のみが得られる。

 

Comparison of three major ED Drugs

    Now, three major oral drugs (Figure 5) for ED treatment have been explained, but how are they different from each other? The main difference between them is selectivity to PDE5. Regarding IC50 value, sildenafil is 80~8500 times more selective to PDE5 than PDE1-4 and 9 times more selective to PDE5 than PDE6. Similarly, vardenafil is 200~1000 times more selective to PDE5 than PDE1-4 and 16 times more selective to PDE5 than PDE6. However, tadalafil is 1000 times more selective to PDE5 than PDE6 and PDE1-4. That means tadalafil is a much more selective PDE5 inhibitor13. Instead, tadalafil has a smaller selectivity to PDE5 when compared to PDE11, the latest isoform of the PDE family. The PD5/PDE11 selectivity of sildenafil, vardenafil, and tadalafil are 1000, 9300, and 40-fold, respectively.  Because of these differences, each drug’s side effects and contraindications are also slightly different. For example, sildenafil may cause altered vision, and tadalafil may cause myalgia as their unique side effects.

    Tadalafil is unique in its pharmacokinetics. The maximum plasma concentration is obtained after 60 min for sildenafil and vardenafil but 2 hours for tadalafil. Also, the half-life times of sildenafil and vardenafil are 3.8 hours and 3.9 hours, respectively, but it is 17.5 hours for tadalafil. Because of those slow acting and excretion properties, tadalafil can be used as the everyday drug to maintain erectile function, instead sildenafil and vardenafil are always needed to take around 1 hours before sexual activities. Moreover, high-fat meal delays and weakens the activity of sildenafil and vardenafil, but not tadalafil2.

Figure 5. Structures of three major ED drugs.

3大ED治療薬の比較

さて、ED治療薬の主な経口薬3種類 (図5) について解説してきたが、それぞれどのように違うのだろうか。主な違いはPDE5に対する選択性である。IC50値で見ると、シルデナフィルはPDE5に対してPDE1〜4より80〜8500 倍、PDE5に対してPDE6より9倍選択性がある。同様に、バルデナフィルはPDE5に対してPDE1-4より200~1000倍選択的であり、PDE5に対してPDE6より16倍選択的である。しかし、タダラフィルは PDE1- 4だけでなく、PDE6に対しても1000倍の選択性を示す。つまり、タダラフィルはより選択的なPDE5阻害剤である。しかし、その代わりに、PDEファミリーの最新のアイソフォームであるPDE11と比較すると、タダラフィルのPDE5に対する選択性は小さい。シルデナフィル、バルデナフィル、タダラフィルのPDE5/PDE11選択性は、それぞれ 1000倍、9300倍、40倍である。 このような違いのため、各薬剤の副作用や禁忌も微妙に異なる。例えば、シルデナフィルは変視症を、タダラフィルは筋痛をそれぞれ特有の副作用として引き起こす可能性がある。

タダラフィルはその薬物動態に特徴がある。最大血漿中濃度はシルデナフィルとバルデナフィルでは60分後に得られるが、タダラフィルでは2時間後である。また、シルデナフィルとバルデナフィルの半減期はそれぞれ 3.8 時間と3.9時間であるが、タダラフィルは17.5時間である。これらの遅効性と排泄特性により、タダラフィルは勃起機能を維持するための日常的な薬として使用することができるが、代わりにシルデナフィルとバルデナフィルは性行為の1時間ほど前に服用する必要がある。さらに、高脂肪食はシルデナフィルとバルデナフィルの活性を遅らせ、弱めるが、タダラフィルはそうではない。

 

Prescription of ED drugs in the real field

     According to the papers, tadalafil seems superior to sildenafil and vardenafil if the side effects and contraindications are ignored, but is it true? To get a real clinical insight, I contacted and interviewed Dr. XXXXXXX, a medical doctor of Urology at XXXXX Hospital, about how those drugs are prescribed in the real clinical field. According to him, the main difference is the same as what is written in the papers: sildenafil is a short-acting and tadalafil is a long-acting drug, and because of that, medication timing is important for sildenafil but not for tadalafil. Therefore, tadalafil is basically superior to the other two, but because sildenafil (Viagra) is a famous drug, some patients prefer using sildenafil to tadalafil. Moreover, even though there are theoretical differences between those three drugs, how those drugs act in the real field is completely different from patient to patient, so tadalafil will never always be the best.

 

医療現場における ED 治療薬の処方

論文によれば、副作用や禁忌を無視すれば、タダラフィルはシルデナフィルやバルデナ フィルより優れているようだが、本当だろうか?実際の臨床の現場を知るために、私は ●●●●病院の泌尿器科医師である●●●●氏に連絡を取り、実際の臨床の現場でこれらの薬がどのように処方されているのかをインタビューした。彼によると、主な違いは論文に書かれていることと同じで、シルデナフィルは短時間作用型、タダラフィルは⻑時間作用型であり、そのためシルデナフィルは投薬のタイミングが重要だが、タダラフィルはそうではない。したがって、基本的にはタダラフィルの方が優れているが、シルデナフィル(バイアグラ)が有名な薬であるため、タダラフィルよりもシルデナフィルを好んで使用する患者もいる。また、この 3つの薬には理論的な違いはあっても、実際の現場でどのように作用するかは患者によって全く異なるため、タダラフィルが常にベストということはないということであった。

 

Other PDE5 inhibitors

    As I mentioned above, Avanafil (Stendra), Mirodenafil (Mvix), Udenafil (Zydena), and Lodenafil (Helleva) are also used as PDE5 inhibitors in some regions. I will briefly summarize the details of those drugs here (Figure 6).

Figure 6. Structures of Avanafil, Udenafil, Mirodenafil, and Lodenafil.

  • Avanafil

    Avanafil is the most commonly used PDE5 inhibitor, except sildenafil, vardenafil, and tadalafil. The FDA approved it in 2012, and it is used in the US, Europe, and Australia14. The advantage of this drug is its very fast onset of action: the average time to maximal plasma concentration is around 30 to 45 minutes, with a terminal elimination lifetime of 5 hours15.

  • Microdenafil

    Mirodenafil is the PDE5 inhibitor only used in Korea. It was developed by SK Chemicals Life Science and launched in Korea in November 2007. Microdenafil has a higher selectivity to PDE5 vs PDE3, PDE1, and PDE11 compared to sildenafil, vardenafil, and tadalafil16.

  • Udenafil

    Udenafil was developed by Dong-A Pharmaceutical and is only used in Korea. It has a relatively short acting time: the time to maximum drug plasma concentration is 0.8-1.3 hours. At the same time, it has a relatively long half-time of 9.9-12.1 hours. Udenafil tends to cross-react with PDE6, and hence, visual adverse effects may be caused by side effects17.

  • Lodenafil

    Lodenafil is a drug developed and used only in Brazil. Lodenafil can be prepared as the carbonate ester dimer prodrug to increase its bioavailability.18

 

その他の PDE5 阻害薬

上述したように、アバナフィル(ステンドラ)、ミロデナフィル(エムビックス)、ウデナフィル(ザイデナ)、ロデナフィル(ヘルバ)も PDE5 阻害薬として一部の地域で使用されている。ここでは、それらの薬剤の詳細を簡単にまとめる (図6)。

  • アバナフィル

アバナフィルは、シルデナフィル、バルデナフィル、タダラフィルを除き、最も一般的に使用されているPDE5阻害薬である。アバナフィルは2012年にFDAによって承認され、米国、欧州、オーストラリアで使用されている。この薬剤の利点は、作用発現が非常に速いことである:血漿中濃度が最大になるまでの平均時間は約30〜45分で、終末排泄寿命は5時間である。

  • ミロデナフィル

ミロデナフィルは韓国でのみ使用されているPDE5阻害薬である。SKケミカルズライフサイエンスによって開発され、2007年11月に韓国で発売された。ミロデナフィルは、シルデナフィル、バルデナフィル、タダラフィルと比較して、PDE3、PDE1、PDE11に対するPDE5の選択性が高い。

  • ウデナフィル

ウデナフィルは東亜製薬によって開発され、韓国でのみ使用されている。作用時間が比較的短く、血漿中濃度が最大になるまでの時間は 0.8〜1.3時間である。また、半減期も 9.9〜12.1時間と比較的⻑い。ウデナフィルは PDE6と交差反応する傾向があるため、視覚的な副作用を引き起こす可能性がある。

  • ロデナフィル

ロデナフィルはブラジルのみで開発・使用されている薬剤である。ロデナフィルは、バイオアベイラビリティを高めるために、炭酸エステル二量体プロドラッグとして調製することができる。

 

Recent study of PDE5 inhibitors

    As explained above, sildenafil, vardenafil, and tadalafil are developed based on the structure of natural products (caffeine, Guanine, and β-carboline-3-carboxylates), with repeating structural optimizations based on SAR studies. This classical drug development strategy is “matured,” and it is getting harder and harder to find new drug structures. Therefore, in recent studies, PDE5 inhibitors have been developed in more rational ways. The structure of the catalytic domain of human phosphodiesterase 5 was reported on 2003, and in the same paper, binding model of sildenafil, vardenafil, and tadalafil were explained.3 Based on this structure, further development of sildenafil was conducted in many ways. For example, based on the cocrystal structure, there is a vacant space from the 5’ position nitrogen of sildenafil to zinc of PDE5, and those two molecules are bridged by two hydrogen molecules (Figure 7.). These two hydrogen molecules are not stable; hence, the binding affinity of sildenafil on PDE5 is decreased. Therefore, researchers have tried adding extra bulk on the 5’ position nitrogen to increase the selectivity of sildenafil (Ref: class slide 11 lead optimization-pharmacokinetics page 5). This kind of rational drug design has further developed into in silico studies of drug structures19,20. Based on the in silico research, the piperazine moiety of sildenafil is found to be not important, and this result rationalizes the previous SAR analysis of sildenafil21. Also, the in silico method has enabled the rational explanation of molecular similarity in 2D and 3D structures, and this similarity investigation is used to find new drugs from existing drug structures22.

Figure 7. Binding mode of sildenafil on PDE5.

PDE5 阻害薬の最近の研究

上記で説明したように、シルデナフィル、バルデナフィル、タダラフィルは天然物(カフェイン、グアニン、β-カルボリン-3-カルボン酸塩)の構造を基に、SAR研究に基づく構造最適化を繰り返しながら開発されている。このような古典的な医薬品開発戦略は “成熟”し、新薬の構造を見つけることが難しくなってきている。そこで最近の研究では、より合理的な方法でPDE5阻害剤が開発されている。2003年にヒトホスホジエステラーゼ5の触媒ドメインの構造が報告され、同じ論文の中でシルデナフィル、バ ルデナフィル、タダラフィルの結合モデルが説明された。この構造に基づいて、シルデナフィルのさらなる開発が様々な方法で行われた。例えば、共結晶構造から、シルデナフィルの5’位の窒素からPDE5の亜鉛までが空いており、この2分子は2つの水素分子で橋渡しされている(図7.)この2つの水素分子は安定ではないため、PDE5に対するシルデナフィルの結合親和性が低下する。そこで研究者は、シルデナフィルの選択性を高めるために、5’位の窒素に余分なバルクを加えることを試みた(参考文献:クラス スライド11リード最適化-薬物動態学5ページ)。このような合理的薬物設計は、さらに薬物構造のインシリコ研究へと発展した。このインシリコ研究により、シルデナフィルのピペラジン部分は重要ではないことが判明し、シルデナフィルのこれまでのSAR解析が合理化された。また、インシリコ法は、2次元および3次元構造における分子の類似性を合理的に説明することを可能にし、この類似性調査は、既存の薬物構造から新薬を発見するために使用される。

 

Future research proposal

    One drawback of PDE5 inhibitors, especially sildenafil and vardenafil, is the short lifetime of the drug activity. Patients need to take the medicine almost 1 hour before sexual activities every time, however it is not always easy to plan the timing of sexual behaviors. If the drug activities last longer, the more convenient the drug will be. Especially if the drug activity lasts more than one day, daily medication will keep patients healthy 24/7. Developing irreversible inhibitors is one of the strategies to achieve these long-lifetime drugs.

    Designing irreversible inhibitors from scratch is too difficult, but converting existing reversible inhibitors to irreversible inhibitors will be easier. This conversion will be conducted by attaching reactive moiety to reversible inhibitors. According to the crystal structure of PDE5 with PDE inhibitors3, there are weakly nucleophilic amino acid side chains near the drug (Figure 7: Tyr612, His 613, Tyr664 for sildenafil, and tyr612 for tadalafil). Here, cyclic diazodicarboxamides react with tyrosine23, and sulfur(VI) fluorides react with both tyrosine and histidine24, 25 in mild conditions. (Figure 9) Therefore, adding these functional groups to the appropriate position of sildenafil or tadalafil should convert them to irreversible inhibitors.

    In this research, a chemical library (Figure 10) of modified sildenafil or tadalafil will first be synthesized, and IC50 values will be measured for each compound. Among the compounds with enough inhibition properties, irreversible inhibitors are screened by western blotting or mass spectroscopy to investigate the molecular weight change associated with the binding of the inhibitor.

Figure 8. The binding pockets of (a) sildenafil and (b)tadalafil on PDE5.

Figure 9. Click reactions selective to tyrosine and histidine moieties.

今後の研究提案

PDE5阻害薬、特にシルデナフィルとバルデナフィルの欠点は、薬効の持続時間が短いことである。患者は性行為のほぼ1時間前に薬を服用する必要があるが、性行為のタイミングを計るのは必ずしも容易ではない。薬効の持続時間が長ければ長いほど便利な薬だと考えられる。特に薬物活動が1日以上続く場合は、毎日服用することで患者は常に性交渉の用意ができる。そこで、不可逆的阻害剤の開発が、⻑寿命薬物を実現するための戦略の一つであると考えた。

不可逆的阻害剤をゼロから設計するのは難しすぎるが、既存の可逆的阻害剤を不可逆的阻害剤に変換するのは比較的簡単である。この変換は、可逆性阻害剤に反応性部位を付加することによって行われる。PDE阻害剤と PDE5 の結晶構造によると 阻害剤近くに弱い求核性基が存在することがわかる(図 7:シルデナフィルはTyr612、His613、Tyr664、タダラフィルはTyr612)。ここで、環状ジアゾジカルボキサミドはチロシン硫⻩(VI)フッ化物はチロシンおよびヒスチジンと反応することが知られている(図 9)。従って、シルデナフィルやタダラフィルの適切な位置にこれらの官能基を付加すれば、不可逆的阻害剤に変換されるはずである。

本研究では、まず修飾シルデナフィルまたはタダラフィルのケミカルライブラリー(図10)を合成し、各化合物についてIC50値を測定する。十分な阻害特性を持つ化合物のうち、不可逆的阻害剤をウェスタンブロッティングや質量分析によりスクリーニングし、阻害剤の結合に伴う分子量変化を調べる。

 

Conclusion

    Here, from the detailed mechanism of erection, the drug development for ED was explained. Among the various therapeutic choices, oral medication is the most convenient cure for ED. However, PDE5 inhibitors are still ineffective in about 22-35% of men2. Therefore, further developments of PDE5 inhibitors and the exploration of new drug targets are still required.

 

結論

ここでは、勃起の詳細なメカニズムから、ED治療薬の開発について解説した。

様々な治療法の選択肢の中で、内服薬は最も簡便なED治療法である。しかし、PDE5阻害薬は約22〜35%の男性に無効である。従って、PDE5阻害薬の更なる開発、そして新たなターゲットの探索が今後も必要である。


5年ぶりに振り返って

以上、5年前のレポートを紹介させていただきました。英語もぐちゃぐちゃですし、最後の方とか力尽きていますが、それなりに頑張っているなと思います。実際お医者さんに電話をしてインタビューさせてもらったり、新テーマを提案したり、新しく入った大学院で求められるレベルがわからないため、出来ることを全て行いました。特に最後の新テーマ提案、SuFExによる不可逆阻害薬の開発。当時クリックケミストリーなんて言葉すらほとんど知らない状態で頭を捻って考えたのを覚えています (もう少しスクリーニング法とか具体的な実験計画を書きなよとは思いますが笑)。

それから4年後、私はクリックケミストリー関連の研究で博士をとりました。博論プロジェクトを考えたときには全く意識はしておりませんでしたが、もしかしたら頭の片隅にこのSuFExアイディアが残っていたのかも知れませんね。

大学院の授業は往々にして研究の邪魔だと手を抜かれがちですが、このようにやった分は力になると思いますので、本気で取り組むことを卑下・揶揄しないでくださいね。頑張る学生さんを応援しています!!

 

参考文献

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学生。高分子合成専門。低分子・高分子を問わず、分子レベルでの創作が好きです。構造が格好よければ全て良し。生物学的・材料学的応用に繋がれば尚良し。Maitotoxinの全合成を待ち望んでいます。

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