역합성 소프트웨어로 항바이러제 공급망 강화

항바이러스제

2020년 코로나바이러스 전염병으로 인한 글로벌 혼란은 의약품을 포함한 많은 제품의 공급망을 압박했습니다. COVID-19에 대한 여러 약물 용도 변경 연구가 현재 진행 중입니다. 만약 성공적인 치료제가 나온다면, 기존의 의약품 재고나, 심지어 그것을 합성하는 데 필요한 화학 원료조차 필요한 양만큼 구할 수 없을 것입니다. 여기에서 우리는 역합성 소프트웨어를 사용하여 항바이러스제 umifenovir와 11개의 다른 항바이러스제 및 항염증제에 대한 대체 화학 공급망에 도달합니다. 우리는 umifenovir에 대한 4가지 경로와 bromhexine에 대한 1가지 경로를 실험적으로 검증했습니다. umifenovir에 대한 한 경로에서 소프트웨어는 6개의 C-H 결합을 C-C 결합 또는 작용기로 변환합니다. 검색 결과에서 알려진 출발 물질을 제외하기 위해 적용하는 전략은 예를 들어 기존 공급망에 대한 스트레스를 완화하기 위해 고유한 출발 물질을 식별하는 데 사용할 수 있습니다.

자동화된 역합성 소프트웨어로 매개변수 탐색 용이

2020년에 코로나바이러스의 재앙은 다양한 공급망의 취약성을 강조하여 손 소독제, 화장지 및 제약 출발 물질의 전 세계 파이프라인에 영향을 미쳤습니다. 기존 의약품이 COVID-19에 대한 용도로 재사용될 수 있다는 희망에서 다양한 항바이러스제 및 항염증제가 조사되었습니다. 전염병의 규모는 제약 공급망에 부담을 주기 쉽습니다. 예를 들어, 우리 연구 당시 COVID-19 치료를 위한 긴급 사용 승인을 받은 유일한 약물은 remdesivir였습니다. 그 생산자인 Gilead Sciences, Inc.는 remdesivir의 생산량을 크게 늘렸지만 발병이 시작되었을 때 remdesivir의 5000도즈만 사용할 수 있었습니다. 우리는 유망한 합성 치료제에 대한 대체 출발 물질의 가용성이 공급망에 대한 압력을 완화할 수 있음을 깨달았습니다. 우리는 우리가 연구를 시작할 때 임상적으로 그리고 전임상적으로 연구되었던 다양한 화학 물질을 분석하는 데 현대적인 역합성 소프트웨어를 사용할 수 있다고 추론했습니다. 준비를 위해 우리는 여러 치료 합성 표적을 동시에 고려하기로 결정했습니다. 비록 많은 사람들이 결국 COVID-19와의 전쟁과 관련이 없는 것으로 판명될지라도 말입니다. 우리는 SARS-CoV1에 대해 사용되었고 SARS-CoV에 대해 in vitro9에 효과적인 umifenovir에 실험적 관심을 집중했습니다. 자동화된 역합성은 이미 코로나19 연구 치료제인 하이드록시클로로퀸 및 렘데시비르에 대한 비상 계획을 설계하는 데 사용되었습니다. 이 반응 중심 연구는 새로운 시퀀스를 계산적으로 식별했지만 경로는 알려진 출발 물질로 시작하거나 경로 길이나 시약 비용에 크게 추가된 출발 물질에서 시작합니다. 우리는 여기에서 12가지 연구용 COVID-19 약물의 출발 물질 중심 역합성 분석을 제시합니다. 우리는 비용이 비슷하고 12개의 다양한 표적에 대한 알려진 경로와 비슷한 길이의 경로를 특징으로 하는 고유한 원자재를 식별합니다. 우리의 관점에서, 전체 경로가 경쟁력 있는 단계 수를 갖고 비슷하거나 더 나은 가격의 별개의 출발 물질로 시작되는 한, 선택된 약물에 대해 확립된 합성 경로를 가로채는 것은 해롭지 않았습니다. 확립된 원료의 사용을 우회하는 다양한 표적에 대한 다단계 예비 경로의 동시 설계는 현대 컴퓨터 지원 합성 계획 소프트웨어의 좋은 테스트가 될 상당한 데이터 처리 문제를 제시합니다. 우리는 SYNTHIATM 역합성 플랫폼을 사용하여 출발 물질의 가용성, 가격 및 신규성, 경로 간결성, 화학, 위치 및 입체 선택성 문제, 경로 시각화, 문서화, 공유 등 필수 매개변수 탐색을 용이하게 했습니다. 우리는 출판되거나 특허 받은 합성에 사용된 것과 다른 출발 물질로 가능한 한 자주 시작하는 12가지 다양한 COVID-19 치료 후보에 대한 예측된 역합성 경로를 여기에서 제시합니다. 최신 레트로합성 소프트웨어에 대한 연구는 실험적으로 경로를 검증하는 경우가 거의 없으므로 계산된 경로 중 일부를 실현하는 것이 중요했습니다.

크라우드 소싱 데이터 수집 및 자동화 된 역합성

우리 연구는 우리 연구실의 각 구성원이 약물 중 하나에 대한 모든 공개 및 특허 합성 경로를 수집하는 크라우드 소싱 접근 방식으로 시작되었습니다. 그런 다음 경로는 단순화된 분자 입력 라인 입력 시스템(SMILES)을 통해 인코딩되었습니다. 이 데이터 세트에서 우리는 기존 경로 검토를 용이하게 하기 위해 http://covidroutes.cernaklab.com21에서 무료로 사용할 수 있는 대화형 경로 시각화 도구를 구축했습니다. 각 표적에서 출발 물질 SMILES의 연결된 목록은 각 역합성 검색에서 제외 기준으로 사용되었습니다. 이 접근 방식을 통해 우리는 새로운 출발 물질을 빠르게 탐색할 수 있었습니다. 각 검색 결과에는 50개의 경로 제안이 포함되었으며 사용자 정의 검색 휴리스틱은 일반적으로 시작 재료 비용을 최소화하도록 설정되었습니다. 단일 검색 휴리스틱은 대부분의 대상에 대해 작동했지만 때때로 비용 최소화 시약에 대한 선호로 인해 원하는 것보다 더 많은 반응 단계가 있는 제안된 경로가 생성되었습니다. 이러한 경우 시약 비용에 대한 선호도를 완화하고 소프트웨어의 빔 검색 폭을 늘려 검색 휴리스틱을 수정했습니다. 예를 들어 극저온 냉각 또는 발화성 시약의 사용을 최소화하는 경로로 편향함으로써 예측된 경로는 단계 수, 합성 가능성 및 제안된 반응의 수 킬로그램 규모 실행 용이성을 위해 수동으로 검토되었습니다. 각 대상에 사용된 최종 휴리스틱은 보충 정보에 표시됩니다. 고려 중인 소분자는 remdesivir(1), umifenovir(2), bromhexine(3), galidesivir(4), ritonavir(5), cobicistat(6), ribavirin(7), camostat (8), 다루나비르(9), 넬피나비르(10), 파비피라비르(11) 및 바리시티닙(12)으로 12가지입니다. 대부분의 경우 제안된 경로는 설정된 경로와 동일한 수 또는 더 적은 수의 단계를 가지며 별개의 출발 물질에서 시작합니다. 우리의 분석은 1~12에 대한 대체 출발 물질 제안을 산출했으며 이는 정밀 화학 공급망에 대한 압력을 완화할 수 있습니다. 갈리데시비르(4)를 예로 사용하여, 소프트웨어는 알킨 13의 트랜스 수소화요오드화, 18을 형성하기 위한 에반스 알킬화, 19를 형성하기 위한 울만 커플링, 22를 제공합니다. 소프트웨어는 후자의 반응 혼합물이 현장에서 염산에 노출되어 원 포트 작업에서 Boc보호기를 제거할 수 있다고 제안했습니다다. 22의 디하이드록실화는 4의 합성을 완료할 것입니다. 예시적인 출발 물질 23~25는 4에 대한 공개된 경로에서 SMILES 문자열의 출현을 기반으로 검색에서 제외되었습니다. 알고리즘은 5개의 확립된 pyrrolopyrimidine 출발 물질 주위를 성공적으로 탐색하여 21에 도달했습니다. 확립된 핵염기 공급원과 비용 경쟁력이 있습니다. 생산 규모에서 모든 출발 물질 가격은 경쟁 입찰을 기반으로 맞춤화될 가능성이 높지만 어쨌든 21이라는 높은 정가는 현재 특허에 기술된 출발 물질 유사체와 비슷합니다. 18을 생산하기 위해 제안된 Evans 보조 사용은 강력한 화학 물질을 선택하려는 소프트웨어의 욕구를 강조하지만 이 단계는 필요한 경우 대규모 생산을 위한 보조 사용을 피하기 위해 촉매 프로토콜로 대체될 수 있습니다. 실제로 전체 경로는 다양한 촉매 작업을 제안합니다. 1~12를 대규모로 생산하기 위해 극저온 조건, 발화성 시약 또는 값비싼 촉매의 사용을 최소화하는 경로를 찾을 수 있었는데, 이는 경로 길이와 시작 재료 비용을 넘어 답변 세트에 대한 수동 검토에서 부과된 주요 편향이었습니다. 1의 경우 새로운 출발 물질이 확인되었지만 경로는 알려진 경로와 매우 유사하여 이 표적에 대한 Grzybowski 연구실의 자동화된 역합성 결과를 반영합니다. 소프트웨어가 키랄 인 원자와 같은 난해한 기능으로 인해 어려움을 겪었지만 위에서 논의된 4로의 예상 경로와 아래에서 논의된 2 및 3으로의 경로는 일반적인 출력을 나타냅니다.

부롬헥신의 원스텝 합성

우리는 COVID-19에 대한 5개의 임상 시험에서 조사되고 있는 막횡단 프로테아제, 세린 2(TMPRSS2) 억제제인 3을 살펴보았습니다. SYNTHIATM 검색은 알려진 경로와 비슷한 길이의 새로운 반응 시퀀스를 제공하여 알려진 출발 물질 56~59 등을 탐색하여 55를 새로운 출발 물질로 식별했습니다. 예측된 경로는 벤질 메틸 그룹의 C-H 산화를 유발하여 아마도 더 저렴한 출발 물질에 도달했으며, 이는 61로 환원성 아민화를 위해 60을 준비했습니다. 제안된 경로는 62를 63으로 N-메틸화하여 3의 합성을 완료했습니다. 대신 3은 섬유 산업에서 사용되며 쉽게 구할 수 있는 2,4,6-tribromoaniline(64, $0.51/g)에서 N,N-dimethylcyclohexylamine(65, $0.10/g)과 함께 합성될 수 있다고 생각했습니다. 최근 Shirakawa에 의해 보고된 직접 CH 기능화를 통해 정유에 사용되는 화학 물질. 이 수동으로 설계된 경로는 소프트웨어의 기능 자체에 대한 테스트 역할을 하지 않지만, 여기에서 우리의 동기는 주로 합성 화학자로서 팬데믹 기간 동안 잠재적으로 유익한 약의 생산을 지원하기 위해 할 수 있는 일을 하는 것이었습니다. 핵심 반응은 SYNTHIATM 데이터베이스에 추가되어 후속 검색에 대한 일반적인 솔루션으로 표시되었으며 실제로 이 경로는 3에 대한 후속 검색에서 최고 히트를 기록했습니다. 이 한 단계 경로를 실험적으로 실현하기 위해 우리는 다음을 발견했습니다. 64는 tert-부틸퍼옥사이드34의 존재하에 65를 초과하여 가열되어 3을 41% 수율로 생성할 수 있습니다. 상업적 생산을 위해서는 반응 조건의 추가 최적화(수율 개선, 3의 정제 용이성 및 대규모 과산화물 사용 위험 해결)가 필요합니다. 그럼에도 불구하고, 이 전략적 단절은 상업적 사용에 비해 상당히 저렴한 출발 물질로 한 단계에서 3을 줄입니다. 이 작업에서 우리는 크라우드 소싱과 역합성 소프트웨어의 합병을 통해 12개 약물에 대한 저렴한 시약으로 약물의 분리를 보여줍니다. 수동으로 설계되었지만 향후 사용을 위해 소프트웨어 데이터베이스에 추가된 2로 가는 4개의 예측 경로와 3으로 가는 1개의 경로는 실험적으로 검증되었습니다. 독특하고 저렴한 출발 물질에 도달하기 위해 12개의 별개의 합성 표적을 향한 경로의 조합 폭발을 탐색하는 것은 자동화된 역합성을 통해서만 탐색할 수 있는 데이터 처리 문제였습니다. 우리의 작업은 2020년 봄에 발병하는 전염병을 배경으로 9주에 걸쳐 수행되었습니다. 전체 공정 개발에는 더 긴 일정이 필요하지만(예: 과산화물과 같은 시약이 상업적 규모의 생산을 위해 대체될 가능성이 있음) 우리의 결과는 자동화된 역합성 예측이 의약품에 대한 대체 출발 물질 공급망을 빠르게 강조할 수 있음을 보여줍니다.