フラグメント創薬（FBDD）：小さな分子から効率よくリードを育てる

フラグメント創薬（FBDD：Fragment-Based Drug Discovery）は、逆の発想から出発します。まず分子量300前後の非常に小さな断片（フラグメント）を数百から数千個だけ用意し、標的タンパク質に弱くても確かに結合するものを丁寧に拾い上げます。そのうえで、構造情報を頼りに少しずつ大きく育てて、薬らしい親和性まで持ち上げていきます。小さく始めることで、結合の「起点」を正確に押さえ、無駄なく最適化できるのが狙いです。

この記事では、フラグメントとは何か、なぜ弱い結合をわざわざ探すのか、その微弱な結合をどう検出するのか、そして育て方（growing・linking・merging）とベムラフェニブなどの実例までを、順を追って整理します。

フラグメントとは何か、Rule of Three

フラグメントは、薬の「起点」となる、分子量およそ300以下の非常に小さな有機分子です。

一般的な経口薬の候補は、いわゆるLipinskiのRule of Five（分子量500以下など）に収まる程度の大きさを持ちます。フラグメントはそれよりさらに小さく、Congreveらが2003年に提案した目安「Rule of Three（三の法則）」で整理されることが多いです。具体的には、分子量が300未満、水素結合ドナー3個以下、水素結合アクセプター3個以下、計算脂溶性ClogPが3以下、という4つの目安です。

なぜここまで小さくするのでしょうか。小さい分子は原子数が少ないぶん、標的の結合ポケットと「相性の良い形」に当たる確率が、大きく複雑な分子より高くなります。作り込まれた分子は、一箇所でも噛み合わない部分があると全体として弾かれてしまいますが、小さな断片はぶつかる箇所が少なく、素直にはまりやすい、という考え方です。

なぜ「弱い結合」をあえて探すのか：リガンド効率

フラグメントの結合は弱くて当然で、大切なのは絶対的な強さではなく「原子あたりの効き」を見るリガンド効率です。

フラグメントが標的に結合する強さ（解離定数）は、多くの場合マイクロモル（µM）からミリモル（mM）という、薬としてはかなり弱い水準です。それでも価値があるのは、原子1個あたりでどれだけ効率よく結合しているかを評価するからです。この指標がリガンド効率（LE：Ligand Efficiency）で、おおまかには「結合の自由エネルギー ÷ 非水素原子（重原子）の数」で表されます。

小さいのにそこそこ結合するフラグメントは、原子あたりの寄与が大きく、LEが高くなります。LEの高い起点から出発すれば、原子を足して大きくしていっても、薬らしい分子量に達したときに脂溶性が過剰にならず、良好な物性を保ちやすいと期待できます。逆にHTSで見つかる強いヒットは、すでに大きく脂溶性も高いことが多く、LEの観点では改良の余地が乏しい場合があります。

つまりFBDDは、「今どれだけ強いか」より「これからどれだけ効率よく伸ばせるか」を重視する戦略だと言えます。

微弱な結合をどう検出するか：SPR・NMR・X線・熱シフト・native MS

弱い結合は通常の活性アッセイでは見逃されやすく、物理的な結合そのものを捉える生物物理学的手法（biophysics）で検出します。

フラグメントの結合は弱いため、酵素活性の阻害などを見る通常のアッセイでは信号が埋もれがちです。そこでFBDDでは、結合の有無や様式を直接とらえる複数の手法を組み合わせます。主なものを挙げます。

• 表面プラズモン共鳴（SPR）：標的を固定した表面にフラグメントを流し、結合による質量変化を光学的に検出します。少量の試料で多数の断片を一次スクリーニングでき、結合の速さ・強さも見積もれます。
• NMR：溶液中で、タンパク質側またはリガンド側の信号変化から結合を検出します。標的の主鎖信号の変化を追えば、どのあたりに結合したかの見当もつきます。
• X線結晶構造解析：フラグメントを結晶に浸すソーキングなどで、結合したフラグメントの位置と向きを原子レベルで可視化します。次の「育てる」工程の設計図になる、最も情報量の多い手法です。
• 熱シフトアッセイ（示差走査蛍光法、DSF）：結合によりタンパク質の熱的な安定性（融解温度）が変わることを利用した、簡便な一次スクリーニングです。
• native MS（ネイティブ質量分析）：タンパク質の立体構造を保ったまま質量分析にかけ、フラグメントが結合した複合体の質量差から結合を検出します。

フラグメントを薬らしく育てる：growing・linking・merging

弱いフラグメントを実用的な親和性まで高める作業には、大きく分けてgrowing・linking・mergingの3つの戦略があります。

出発点となるフラグメントは弱いので、そのままでは薬になりません。構造情報を手がかりに、原子や官能基を足して結合を強めていきます。代表的な進め方は次の3つです。

• フラグメント・グローイング（成長）：結合したフラグメントを起点に、隣接する空きポケットへ向かって少しずつ官能基を伸ばし、新たな相互作用を稼ぎます。最も広く使われる王道の手法です。
• フラグメント・リンキング（連結）：ポケットの別々の場所に結合する2つのフラグメントを見つけ、適切な長さのリンカーでつなぎます。うまくいけば単独の和を上回る親和性が得られますが、両者の向きを崩さないリンカー設計が難所です。
• フラグメント・マージング（融合）：重なり合って結合する複数のフラグメントや既知リガンドの特徴を、一つの分子に統合します。

いずれの戦略でも、X線結晶構造やNMRから得た「どこにどう結合しているか」という情報が設計の土台になります。この構造ベースの反復こそがFBDDの中核で、闇雲に大きくするのではなく、根拠を持って一手ずつ足していく点がHTS後の最適化と大きく異なります。

HTSとの違いと、使い分け

HTSが「広く数で当てる」のに対し、FBDDは「狭く効率で育てる」手法で、両者は競合ではなく補完の関係にあります。

HTSは数十万〜数百万規模のライブラリを一度に評価し、すでに一定の親和性を持つヒットを直接拾えるのが強みです。設備や自動化への投資は要りますが、当たれば最適化の出発点がすぐ手に入ります。一方で、大きな分子はどこが効いているか分かりにくく、物性が悪化していることもあります。

FBDDが探索する化学空間（chemical space）は、分子が小さいぶん組み合わせが限られ、数百〜数千個という小さなライブラリでも網羅性が高くなります。ヒット率もHTSより高く出やすい一方、弱い結合を確実に捉える生物物理学的手法と、育てるための構造解析・合成が前提になります。

実務では、標的の性質で使い分けます。結合ポケットが浅い、あるいは従来「創薬が難しい（undruggable）」とされてきた標的では、HTSでヒットが出にくく、FBDDが有効なことが多いです。両者を組み合わせ、FBDDで見つけた起点をHTSヒットとマージするような進め方もあります。この考え方は低分子に固有で、抗体・ADC・mRNA-LNP・siRNA/ASO・AAV・細胞治療といった他モダリティは標的認識や送達の原理がまったく異なり、フラグメント探索は主に低分子創薬の文脈で用いられます。

成功例：ベムラフェニブとベネトクラクス

FBDDは概念にとどまらず、承認薬として実績を積み上げています。

代表例がベムラフェニブ（vemurafenib）です。Plexxikon社が、BRAFなどのキナーゼを標的に7-アザインドールという小さなフラグメントを見つけ、X線結晶構造に導かれながらグローイングで育てました。最終的にBRAF V600E変異を持つ悪性黒色腫（メラノーマ）向けの阻害薬となり、2011年に承認されています。FBDD由来として初めて承認に至った薬として知られます。

もう一つの代表例がベネトクラクス（venetoclax）です。こちらはAbbott（現AbbVie）が、Fesikらが1996年にScience誌で報告した「SAR by NMR」というフラグメント連結の考え方を発展させたものです。抗アポトーシスタンパク質BCL-2ファミリーの隣り合うポケットに結合する断片を見つけて連結・最適化し、慢性リンパ性白血病などに用いられる阻害薬として2016年に承認されました。

これらは、弱く小さな起点からでも、構造情報と地道な最適化を積み重ねれば承認薬にたどり着けることを示す好例です。FBDDは「小さく始めて、根拠を持って育てる」という一貫した思想を、実際の成果として体現してきた手法だと言えます。

参考文献

• Congreve M, Carr R, Murray C, Jhoti H. "A 'rule of three' for fragment-based lead discovery?" Drug Discovery Today. 2003. PMID: 14554012
• Shuker SB, Hajduk PJ, Meadows RP, Fesik SW. "Discovering high-affinity ligands for proteins: SAR by NMR." Science. 1996;274(5292):1531-1534. PMID: 8929414
• Hopkins AL, Groom CR, Alex A. "Ligand efficiency: a useful metric for lead selection." Drug Discovery Today. 2004. PMID: 15109945
• Erlanson DA, Fesik SW, Hubbard RE, Jahnke W, Jhoti H. "Twenty years on: the impact of fragments on drug discovery." Nature Reviews Drug Discovery. 2016. PMID: 27417849
• Bollag G, Tsai J, Zhang J, et al. "Vemurafenib: the first drug approved for BRAF-mutant cancer." Nature Reviews Drug Discovery. 2012. PMID: 23060265
• Souers AJ, Leverson JD, Boghaert ER, et al. "ABT-199, a potent and selective BCL-2 inhibitor, achieves antitumor activity while sparing platelets." Nature Medicine. 2013. PMID: 23291630