JP2012524253A - イオン移動度の予測で使用するための分子の断面積を推定する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

イオン移動度の予測で使用するために分子の断面積を推定する方法が、構造的に関連する異性体の分離および特徴付けを提供するために、気相相互作用半径決定および断面アルゴリズム計算を与える。より詳細には、本発明は、所定の抗癌剤の抗癌作用の差と分子構造の差を相関させる方法を、そのような薬物の分子の断面積を予測するための新アルゴリズムを利用することにより提供する。

Description

本発明は、広範な分子種についてイオン移動度の予測で使用するために分子の断面積を推定する方法に関する。

イオン移動度は、気相衝突断面積（Ω）の差に基づき異性体種を分離する可能性を有し、理論モデルとの比較を通してイオン配座に関する価値のある情報を提供することができる。しかしながら、分子の衝突断面積から得られるイオン移動度を分子の構造に正確に関連付けるためには、構成原子の気相半径の予備知識を得る必要がある。

分子断面は分子により投じられる「影」の回転平均面積として近似される。「影」という用語は、任意の平面上への分子、原子、または楕円体の投影を指すために使用される。利用される平面は計算の間中、固定されたままである。

投影近似（ＰＡ）が、イオン移動度の予測で使用される分子の断面を計算する有用な方法であることが示された。投影近似断面を直接計算することはできないが、モンテカルロ（Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ）技法を使用して数値近似を得ることができる。モンテカルロ法は、計算アルゴリズムの結果を計算するために反復ランダムサンプリングに頼り、かつ決定論的アルゴリズムを使って正確な結果を計算することが実行できないまたは不可能であるときに使用されることが多い計算アルゴリズムの部類である。

以下のステップ：
（１）Ａ＝Ｏ、ｎ＝Ｏに設定し、
（２）分子のランダムな配向を選択する
（３）分子の影の境界を定める長方形を選択し、長方形の面積＝ａｒｅａ Ａｂｏｘを計算する
（４）長方形内部の点をランダムに選択する
（５）点が分子の影の内部にある場合、Ａ＝Ａ＋Ａｂｏｘとする
（６）ｎ＝ｎ＋１とする
（７）ｎ＜ｎ_ｍａｘの場合、ＧＯＴＯ ２
（すなわち、次の反復で分子の別のランダムな配向を選択する）
（８）終了。結果はＡ／ｎである
を含むＭｏｂＣａｌ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｄｉａｎａ．ｅｄｕ／〜ｎａｎｏ／Ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｈｔｍｌ）として知られているアルゴリズムを用いて、分子の構成原子の気相半径の予備知識を得ることが知られている。

この手法に伴い少なくとも２つの可能性のある（しかし関連する）問題がある。第一に、ｎ_ｍａｘの選択では、配向の数（ステップ２）が十分かを知ることが不可能でないにしても困難であり、第二に、単純な収束試験が誤りに導く可能性があるほどに収束が遅い状況がある。

上記のアルゴリズムは、配向ごとに２つ以上の選択を可能にするように改善されることができ、改善されたアルゴリズムを与える。

本発明の１つの態様または特徴が、たとえば所定のまたは試料の分子の特性を決定するための分子の断面積を推定する方法を提供し、方法は、以下のステップ：
（１）Ａ＝Ｏ、ｎ＝Ｏに設定し、
（２）分子のランダムな配向を選択する
（３）分子の影の境界を定める長方形を選択し、長方形の面積＝ａｒｅａ Ａｂｏｘを計算する
（４）長方形内部にＫ個の点をランダムに選択する
（５）分子の影の中にある各点に対して、Ａ＝Ａ＋Ａｂｏｘ／Ｋとする
（６）ｎ＝ｎ＋１とする
（７）ｎ＜ｎ_ｍａｘの場合、ＧＯＴＯ ２（次の反復）
（８）終了。結果はＡ／ｎである。

上記の方法は、本明細書で以下に「長方形」法と呼ばれる。

しかしながら、本発明は、Ｍｏｂｃａｌタイプの計算のより効果的実装を作り出してユーザにより指定される精度まで得られる回転平均断面の収束に対する改善された信頼性を提供する、これまで知られているＭｏｂｃａｌアルゴリズムの別の改善形態を含む。

本発明の別の態様が、たとえば所定のまたは試料の分子の特性を決定するために、分子の断面積を推定する方法を提供し、方法は：
Ａ）当該分子の幾何構造を予測するステップと、
Ｂ）前記分子の全体を含む楕円境界を指定するステップと、
Ｃ）指定された楕円境界に含まれる分子を一緒に含む指定された楕円境界の配向をランダムに選択するステップと、
Ｄ）前記ランダムに選択された配向で楕円体の投影により形成される楕円境界により含まれる面積の値を計算するステップと、
Ｅ）楕円境界内部の位置をランダムに選択するステップと、
Ｆ）楕円境界内部の位置がまた、当該分子内部の原子の断面積内部に収まるかどうかを識別するステップと、
Ｇ）前記Ｆ）の基準が満たされる場合、前記配向での分子の前記断面積をＤで計算された楕円境界により含まれる断面積に設定し、前記Ｆの基準が満たされない場合、分子の前記断面積を０に設定するステップと、
Ｈ）すべての前記ランダムに選択された配向全体の平均断面積を計算するステップと、
Ｉ）少なくともＮ回の反復の間、および／または平均断面積のＭ回の独立した計算値がＸ回の反復の間、所定の範囲Ｒ以内に一致するまで、ステップＣ）からステップＨ）を反復するステップとを含む。

上記の方法は、本明細書で以下に「楕円棄却サンプリング（ｅｌｌｉｐｓｏｉｄａｌ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｓａｍｐｌｉｎｇ）」法と呼ばれる。

本発明の特徴によれば、値Ｎは０から５０までの間、たとえば０から３０までの間、または２０から５０までの間、または１０から４０までの間とすることができる。

本発明の別の特徴によれば、値Ｍは１から２０までの間、たとえば１から１０までの間、または１から５までの間、または１０から２０までの間、または１５から２０までの間、または５から１５までの間とすることができる。

本発明の別の特徴によれば、値Ｒは０．１％から２０％までの間、たとえば１％から２０％までの間、または０．１％から１％までの間とすることができる。［Ｒはパーセンテージまたは絶対値とすることができることに留意されたい］

本発明の別の特徴によれば、値Ｘは１から２０までの間、たとえば１から１０までの間、または１から５までの間、または１０から２０までの間、または１５から２０までの間、または５から１５までの間とすることができる。

本発明の別の態様が、一定範囲の分子構造を実験で決定し、分子構造の差をそれらの分子の選択された所定の作用の差と相関させるように上記のいずれかによる推定法により得られる値とその範囲の値を比較するための複合イオン移動度−質量分析（ＩＭ−ＭＳ）技法の使用を含む、所定の分子（たとえば小分子および小タンパク質、ペプチド、オリゴヌクレオチド、ならびにグルカン）の特性を決定する方法を提供する。

本発明のこの態様の特徴によれば、方法は分子構造の差を所定の抗癌剤の抗癌作用の差と相関させることができる。好ましくは、抗癌剤は有機金属ベースの薬物である。好ましくは、有機金属薬物は異性体ルテニウム（Ｒｕ）ベースである。

本発明のこの態様の別の特徴によれば、ＩＭ−ＭＳ技法は進行波（Ｔ波）移動度分離の使用を含むことができる。

本発明の方法は、イオン移動度による構造的に関連する異性体の分離および特徴付けを提供するために、気相相互作用半径決定および断面アルゴリズム計算を与える。

本発明の別の態様が、イオン移動度セルと、質量分析計と、一定範囲の分子構造を実験で決定するように、および分子構造の差をそれらの分子の選択された所定の作用の差と相関させるために上述された方法を評価することにより得られる値とその範囲の値を比較するようにプログラムされるまたは構成されるプロセッサとを含む、所定の分子の特性を決定するためのシステムを提供する。

本発明のさらに別の態様が、上述された方法を実現するための手順をプロセッサに実行させるためのコンピュータ読出可能プログラムコード手段を含むコンピュータプログラム要素を提供する。

コンピュータプログラム要素は、コンピュータ読出可能媒体上で具体化されることができる。

本発明のさらに別の態様が、上述された方法を実現する手順をコンピュータに実行させるためのものである、コンピュータ読出可能媒体上に記憶されるプログラムを有するコンピュータ読出可能媒体を提供する。

ここで、本発明の一実施形態が、添付の図面を参照して例示としてのみ説明される。

本発明の一実施形態によるアルゴリズムを図示するフローチャートである。

本発明の１つのアルゴリズムは、以下の通りである：
Ａ）当該分子の幾何構造を予測する、
Ｂ）前記分子の全体を含む楕円境界を指定する、
Ｃ）指定された楕円境界に含まれる分子を一緒に含む指定された楕円境界の配向をランダムに選択する、
Ｄ）前記ランダムに選択された配向で楕円体の投影により形成される楕円境界により含まれる面積の値を計算する、
Ｅ）楕円境界内部の位置をランダムに選択する、
Ｆ）楕円境界内部の位置がまた、当該分子内部の原子の断面積内部に収まるかどうかを識別する、
Ｇ）前記Ｆ）の基準が満たされる場合、前記配向での分子の前記断面積をＤで計算された楕円境界により含まれる断面積に設定し、前記Ｆの基準が満たされない場合、分子の前記断面積を０に設定する、
Ｈ）すべての前記ランダムに選択された配向全体の平均断面積を計算する、
Ｉ）少なくともＮ回の反復の間、および／または平均断面積のＭ回の独立した計算がＸ回の反復の間、所定の範囲Ｒ以内に一致するまで、ステップＤ）からステップＨ）を反復する。

多くの分子について、この楕円棄却サンプリングアルゴリズムが、言及された従来技術のアルゴリズムの結果よりも速く所望の結果に収束する。

上記のアルゴリズムと共に以下の終了手順が実装される：
（１）Ｎの投影近似計算値をインスタンス生成する（今後オブジェクトと呼ばれる）、
（２）これらのオブジェクトのそれぞれに対して順番に反復を実行し、各オブジェクトに対して面積推定を実行し続ける、
（３）すべてのオブジェクトに対する面積推定がユーザにより指定される（パーセンテージまたは絶対の）許容範囲と一致するとき終端し、これらの推定の全体平均を結果として報告する。

質量分析計のＩＭＳ機器は、ヘモグロビンペプチド混合物、および知られている衝突断面積の別の化合物、たとえばポリグリシン（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｄｉａｎａ．ｅｄｕ／〜ｃｌｅｍｍｅｒ／Ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｈｔｍ）を使用して較正され、次に、較正係数が得られた。各小分子のイオン移動度が測定され、したがって、実験的衝突断面積（ＣＣＳ）が決定された。次に、ＣＣＳアルゴリズムの出力が、分析された小分子のそれぞれの実験で得られたＣＣＳ値とぴったり一致するように、個々の小分子に特有の原子のそれぞれの半径がＣＣＳアルゴリズム内部で「調整」された。そうして、Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｓ、Ｃｌ、Ｆ、Ｎ、およびＲｕに対する最適相互作用半径値（Å^２）が得られた。

ＣＣＳアルゴリズムを最適化するために使用された小分子は、Ｃ６０、Ｃ７０、ピレン、カンフェン、フェナントレン、トリフェニレン、ナフタレン、アンピシリン、スペルミン、ロラゼパム、カフェイン、レセルピン、ラフィノース、ニフェジピン、ニモジピン、デキサメタゾン、ジフェニルヒドラミン、メトプロロール、グルタチオン、システイン、アポモルヒネ、エリスロマイシン、オキシテトラサイクリン、ベラパミル、サルブタモール、アセチルサリチル酸、２０種類の天然の一般的なアミノ酸、アンジオテンシンＩＩ、オキシトシン、テストステロン、イブプロフェン、βシクロデキストリン、および化合物のｒｕ−ｏｒｔｏ（および関連するＨＣｌ中性損失種（ｎｅｕｔｒａｌ ｌｏｓｓ ｓｐｅｃｉｅｓ））、ｒｕ−ｍｅｔａ（および関連するＨＣｌ中性損失種）、ｒｕ−ｐａｒａ（および関連するＨＣｌ中性損失種）を含むルテニウムであった。

ある種の有機金属薬物が癌との戦いで使用されている。たとえば、プラチナベースの薬物、シスプラチン［シス−ジアミンジクロリド白金（ＩＩ）］がこの範ちゅうに入り、癌との戦いで使用される主要な薬物の１つである。ＤＮＡは多くの金属ベースの抗癌剤にとって可能性のある標的であり、ＤＮＡ構造の歪みが抗癌作用と相関関係にあることが多い。別の金属ベースの抗癌剤、たとえばルテニウムベースの抗癌剤が、癌と闘うための代替治療薬として開発されてきている。具体的には、抗癌作用の範囲を広げること、望まれない副作用を低減すること、およびシスプラチンおよび関連する薬物との交差耐性を回避することが目的である。これらの新規のルテニウムベースの薬物の物理的なサイズおよび形状の洞察が、構造−作用関係の解明のため、および重要な相互作用たとえばＤＮＡの中への挿入を最適化するために重要である。３つの新規の異性体ルテニウムベース抗癌剤が、本発明による推定法と共に、複合イオン移動度および質量分析（ＩＭ−ＭＳ）手法を使用して説明された。

独立の技法として、ＭＳは異性体種を分離できない、またはバルク構造配座情報を提供できない。しかしながら、ＩＭは、気相中の異性種の衝突断面積（ＣＣＳ；物理的なサイズおよび形状）の差に基づき異性体種を（ＭＳ取得の時間尺度で）迅速に分離する能力を有し、したがって、イオン構成に関する特有の情報を提供する。ＩＭとＭＳとの組合せが非常に強力な分析手段を提供する。

ＩＭ−ＭＳ技法のあり得る利点を精査するために、「進行波」（Ｔ波）移動度分離に関して基づく器具が、３つの低分子量異性体ルテニウムテルフェニル抗癌複合体（^１０２Ｒｕに基づきｍ／ｚが４２７．１）の混合物を分析するために使用された。形状の個々の差が、形状の個々の差を抗癌作用の差と相関させる取り組みで研究された。分子モデリングも一定範囲の可能な構造を生成するために使用され、これらの構造に対する理論的ＣＣＳが、実験で得られたＴ波値と比較するために計算された。実験で得られたＣＣＳ測定値と理論的に得られたＣＣＳ測定値の間に良好な一致が観測された。

オルト−、メタ−、またはパラ−テルフェニルアレーンリガンド（Ｍｗ４２７．１）およびその後の異性体ＨＣｌ中性損失種（Ｍｗ３９１．１）を含む３つの低分子量異性体有機ルテニウム抗癌複合体の分離および配座分析のために、新しいＣＣＳアルゴリズム、分子モデリング、およびイオン移動度質量分析と組み合わせたイオン移動度により得られる気相相互作用半径が本発明に従って使用された。６つの異性体複合体が、実験衝突断面積が計算され理論値と比較されることができるようにするよく規定された到来時間分布を示した。すべての実験で得られた結果とすべての理論的に得られた結果の間の良好な一致が観測された。より緻密な形状と比較した細長いテルフェニルアレーンの形状の差が、細長い構造の著しくより高い抗癌作用に対する重要な寄与を引き起こすようである。

要約すると、本発明は、Ｈ、Ｃ、ならびにこれまで精査されなかったＯ、Ｓ、Ｃｌ、Ｆ、Ｎ、Ｆｅ、Ｐｔ、およびＲｕに対する推論される気相相互作用半径を報告している。さらに、本発明の方法は、ＣＣＳが９．０Å^２未満だけ異なる異性体ルテニウム（ＩＩ）テルフェニル抗癌複合体が分離され、進行波イオン移動度により特徴付けられることができることを初めて実証している。

極端な一例として、半径Ｒの中空球の表面上に配列される６０の炭素原子からなるＣ６０または「バックミンスターフラーレン」の分子について考えてみる。この分子の投影はほぼ円形である。

各試行の配向に対して長方形境界を使用し、分子の中心を軸として回転を実行するとき、受容率は、ほぼ半径Ｒの円の面積割る半径２Ｒの正方形の面積であり、（πＲ^２）／（４Ｒ^２）＝π／４、すなわち０．７８５である。

適切な楕円境界が半径Ｒの球体であり、この投影は常に半径Ｒの円である。この場合、受容率はほぼ０．９７である。

配向ごとに１０回の測定を伴う一連の１０回の試行では、楕円法は長方形法よりも平均で５回少ない反復で必要とされる精度に収束した。

下記の表は、長方形法および楕円棄却サンプリング法と比較された、Ｍｏｂｃａｌアルゴリズムを使用して得られた結果を示す。

上述の特徴および／または添付図面に示される特徴の任意の数の組合せが、従来技術に対して明らかに有利な点を提供し、したがって、本明細書で説明される本発明の範囲に入ることが当業者により理解される。

Claims (15)

1. 分子の断面積を推定する方法であって、
   Ａ）当該分子の幾何構造を予測するステップと、
   Ｂ）前記分子の全体を含む楕円境界を指定するステップと、
   Ｃ）指定された楕円境界に含まれる分子を一緒に含む指定された楕円境界の配向をランダムに選択するステップと、
   Ｄ）前記ランダムに選択された配向で楕円体の投影により形成される楕円境界により含まれる面積の値を計算するステップと、
   Ｅ）楕円境界内部の位置をランダムに選択するステップと、
   Ｆ）楕円境界内部の位置がまた、当該分子内部の原子の断面積内部に収まるかどうかを識別するステップと、
   Ｇ）前記Ｆ）の基準が満たされる場合、前記配向での分子の前記断面積をＤで計算された楕円境界により含まれる断面積に設定し、前記Ｆの基準が満たされない場合、分子の前記断面積を０に設定するステップと、
   Ｈ）すべての前記ランダムに選択された配向全体の平均断面積を計算するステップと、
   Ｉ）少なくともＮ回の反復の間、および／または平均断面積のＭ回の独立した計算がＸ回の反復の間、所定の範囲Ｒ以内に一致するまで、ステップＤ）からステップＨ）を反復するステップとを含む、方法。
2. Ｎの値が１から５０までの間である、請求項１に記載の方法。
3. Ｍの値が１から２０までの間である、請求項１に記載の方法。
4. Ｒの値が１％から２０％までの間である、請求項１または２に記載の方法。
5. Ｘの値が１から２０までの間である、請求項１に記載の方法。
6. 所定の分子の特性を決定する方法であって、一定範囲の分子構造を実験で決定するため、および分子構造の差をそれらの分子の選択された所定の作用の差と相関させるように請求項１から５のいずれか一項による方法を評価することにより得られる値とその範囲の値を比較するための複合イオン移動度−質量分析（Ｍ−ＭＳ）技法の使用を含む、方法。
7. 分子構造の差を所定の抗癌剤の抗癌作用の差と相関させる、請求項７に記載の方法。
8. 抗癌剤が有機金属ベースの薬物である、請求項８に記載の方法。
9. 有機金属薬物が異性体ルテニウム（Ｒｕ）ベースである、請求項９に記載の方法。
10. ＩＭ−ＭＳ技法が進行波（Ｔ波）移動度分離の使用を含む、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
11. 所定の分子の特性を決定するシステムであって、イオン移動度セルと、質量分析計と、一定範囲の分子構造を実験で決定するように、および分子構造の差をそれらの分子の選択された所定の作用の差と相関させるために請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を評価することにより得られる値とその範囲の値を比較するようにプログラムされるまたは構成されるプロセッサとを含む、システム。
12. 請求項６から１０のいずれか一項に記載の方法を実行するようにさらに構成される、請求項１１に記載のシステム。
13. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法を実現する手順をプロセッサに実行させるためのコンピュータ読出可能プログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム要素。
14. コンピュータ読出可能媒体上に具体化される、請求項１３に記載のコンピュータプログラム要素。
15. 記憶されたプログラムを有するコンピュータ読出可能媒体であって、プログラムが請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法を実現する手順をコンピュータに実行させるためのものである、コンピュータ読出可能媒体。

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