ガス医療への応用を目指す光応答性一酸化炭素放出物質

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ガス医療への応用を目指す

光応答性一酸化炭素放出物質

大阪市立大学大学院理学研究科物質分子系専攻

教授中島洋

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特徴：

・置換基の導入が容易。・配位の交換が簡便。

新たに開発した光応答性CO放出分子

 生体元素である鉄を利用（鉄貯蔵タンパク質との複合化で無毒化が可能）  橙色光（600nm）の吸収でCO放出が可能（鉄錯体として最長の波長）  CO放出量子収率： ~1% CO放出効率： > 80%  高い分子設計の自由度

[Fe-CO]-org

（特許出願案件） CO ・天井からの生活光程度では安定。 ・ LEDディスクライトの直射で定量的な CO放出が可能。 , P(OR)₃ hn (600nm)

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一酸化炭素（Carbon monoxide） CO(Mw: 28.01)．炭素または可燃性炭素化合物が不完 全燃焼するとき発生する．（中略）ニッケルは容易にカルボニル化合物となり，コバルト，その他との分離が可能になるので，ニッケルの精錬に利用される(カルボニル法)．血液中のヘモグロビンと結合してカルボニルヘモグロビンとなり，ヘモグロビンの機能を阻害するのできわ めて有毒であり，空気中 10ppm でも中毒を起こす． 化学辞典(第2版、森北出版)

研究の背景：薬剤としての一酸化炭素（CO）

Mol. Pharmacol., 32, pp497-504 (1987)

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内因性

CO ビリベルジン Fe(III)

CO

sGC 活性化 cG MP 増加外因性

CO

・血管弛緩・血小板凝集抑制・血管平滑筋細胞増殖抑制．．． Aktキナーゼ リン酸化 eNOS活性化 MAPキナーゼ リン酸化・抗炎症作用・免疫抑制・アポトーシス抑制．．．肺より吸入 Hb-CO, Mb-CO （酸素運搬系阻害） シトクロムc 酸化酵素 （CcO） CcO-CO （呼吸鎖阻害）・神経毒性・認知障害・意識消失．．．ヘム酸化酵素 4

研究の背景：薬剤としての一酸化炭素（CO）

R. Motterlini et al. Nat. Rev. 2010, 9, 728.

ヘモグロビン （Hb）

ミオグロビン （Mb）

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内因性

CO

sGC 活性化 cG MP 増加・血管弛緩・血小板凝集抑制・血管平滑筋細胞増殖抑制．．． Aktキナーゼ リン酸化 eNOS活性化 MAPキナーゼ リン酸化肺より 吸入されたCO Hb-CO, Mb-CO Hb-O₂, Mb-O₂ O₂ （呼吸鎖阻害）（酸素運搬系阻害） CcO CcO-CO ・神経毒性・認知障害・意識消失．．．ヘム酸化酵素 5

研究の背景：薬剤としての一酸化炭素（CO）

・抗炎症作用・免疫抑制・アポトーシス抑制．．．

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ICUとCCU 33巻、pp981-5 (2009) 臨床麻酔 39巻、pp855-64 (2015)

研究の背景：薬剤としての一酸化炭素（CO）

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内因性

CO

sGC 活性化 cG MP 増加・血管弛緩・血小板凝集抑制・血管平滑筋細胞増殖抑制．．． Aktキナーゼ リン酸化 eNOS活性化 MAPキナーゼ リン酸化肺より 吸入されたCO Hb-CO, Mb-CO Hb-O₂, Mb-O₂ O₂ （呼吸鎖阻害）（酸素運搬系阻害） CcO CcO-CO ・神経毒性・認知障害・意識消失．．．ヘム酸化酵素 7 ・肺への挿管 ・Hb-CO 等の常時監視 ・ガス濃度の精細な制御 決まった量のCOを確実に 生体に導入できる安全な CO放出物質（CORM）が必要 （~250ppm）

研究の背景：薬剤としての一酸化炭素（CO）

・抗炎症作用・免疫抑制・アポトーシス抑制．．．

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医用CORMに求められる仕様

1. 安定で取り扱いが容易である 2. 生体液類似の水系溶媒に可溶である 3. 望みのタイミングでCOを放出できる（ことが望ましい） 4. 施術後の残留物質が生体に無毒、あるいは素早く排出される

1 1, 2

1, 2, 3, (4)

1, 2, 3, 4

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これまでのCORM（従来技術）

M.A. Write et al. Dalton Trans. 2016, 45, 6801. G. J. L. Bernardes et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9712.

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既存錯体の CO放出 （380~470nm） 生体の窓 （650 ~ 900nm） 200 400 600 1000 2000 Wavelength/nm A bso rbance 800 9 ➢ CO放出光：比較的短波長な可視光 ・低い生体透過性

これまでのCORM（従来技術）

➢ 多量の鉄錯体投与による生体毒性

課題：

水ヘム・錯体分解 Fe2+_生成活性酸素種の生成血中のタンパク質（_{lysozyme… ）} 金属配位性分子（クエン酸_…）等との錯形成 H₂O Fe(OH)₃ 臓器沈着鬱血鉄過剰症 R. Kretschmer et al., J. BioInorg. Biochem. 2011, 105, 6. 鉄錯体として 最長のCO解離波長 （470nm） O₂

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生体の窓 （650 ~ 900nm） 200 400 600 1000 2000 Wavelength/nm A bso rbance 800 ➢ CO放出量子収率： 1×10-3_%₍l = 505nm)

これまでのCORM（従来技術）

課題：

水ヘム K. Klán et al., JACS 2016, 138, 126. ・ CO放出光波長： 300-730nm ・金属元素不使用

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特徴：

新たに開発した光応答性CO放出分子

 生体元素である鉄を利用（鉄貯蔵タンパク質との複合化で無毒化が可能）  橙色光（600nm）の吸収でCO放出が可能  CO放出量子収率： ~1% CO放出効率： > 80%  高い分子設計の自由度 [Fe-CO]-org ・天井からの生活光程度では安定。 ・ LEDディスクライトの直射で定量的な CO放出が可能。 生体の窓 （650 ~ 900nm） 200 400 600 1000 2000 Wavelength/nm A bso rbance 800 水ヘム・分子軌道計算の結果を反映しやすい・合成が簡便 [Fe-CO]-org

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12 基底関数：uB3LYP/6-311+G(d,p) CO解離に関与する軌道の同定 LUMO d_xz(Fe) + 2 s*(PCH₂OH) - p(S) d_xy(Fe) + p(CO) HOMO-9 hn

CO解離光の更なる長波長化に向けた分子設計

[Fe-CO]-org

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13 LUMO d_xz(Fe) + 2 s*(PCH₂OH) - p(S) d_xy(Fe) + p(CO) HOMO-9 HOMO-9の軌道準位は、 配位子の影響を受けにくい LUMOの軌道準位は、 Fe-S結合を弱める、あるいは Fe-P結合を強める、と 下がる可能性がある。 （CO放出光を長波長化） CO放出能に影響を 与えることなく平面配位子への修飾が可能

CO解離光の更なる長波長化に向けた分子設計

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－P(CH₂OH)₃ －P(OCH₂CH₃)₃ －P(OCH₃)₃

配位子円錐角*:

CO解離光波長： 420nm 580nm 600nm

CO解離量子収率： 1 % 2 % 1 %

125º 109º 107º

*Tolman, C. A. Chem. Rev. 1977, 77, 318.

CO解離光の更なる長波長化に向けた分子設計

（[Fe-CO]-org） 配位子円錐角を絞り、配位の立体障害を緩和する

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15

－P(CH₂OH)₃ －P(OCH₂CH₃)₃ －P(OCH₃)₃

配位子円錐角*:

CO解離光波長： 420nm 580nm 600nm

CO解離量子収率： 1 % 2 % 1 %

125º 109º 107º

*Tolman, C. A. Chem. Rev. 1977, 77, 318.

CO解離光の更なる長波長化に向けた分子設計

（[Fe-CO]-org） 配位子円錐角を絞り、配位の立体障害を緩和する

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鉄貯蔵タンパク質フェリチン（Fn）の利用 10Fe2+ フェロキシダーゼ反応

Fe

2+ 12nm 8nm n(5Fe₂O₃ • 9H₂O) ・最大4500個程度の Fe3+_{を蓄積可能} 16 0.4nm

Fe

2+ (PDB:1DAT) (5Fe₂O₃H₂O)

使用済み錯体の無毒化：コンセプト

P.M. Harrrison et al. Adv. Inorg. Chem. 1991, 36, 449.

・水溶性タンパク質

・高い安定性（～80℃, pH 2~10） ・組換え体の生産が容易

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17 [Fe-CO]-org

h

n

CO

錯体の分解鉄コア形成 n(5Fe₂O₃ • 9H₂O)

使用済み錯体の無毒化：コンセプト

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18 タンパク質内部への取込みが錯体を安定化する 300 400 500 0 1.0 2.0 Wavelength / nm Ab so rb a n ce 300 400 500 0 1.0 2.0 Wavelength / nm Ab so rb a n ce

[FeII_-CO] _[FeII_-CO]@L134P

0 min 20 min 0 100 200 -0.15 -0.10 -0.05 0 Time / min

[FeII_-CO] [FeII-CO]@L134P

0 10 20 -0.15 -0.10 -0.05 0 Time / min D A bs. (382 nm ) D A bs. (382 nm ) A bs.

使用済み錯体の無毒化：包摂の効果

A bs.

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フェリチン（Fr） イオンチャンネル Fe3+ , [Fe(CN)₆] 4-イオン、錯体を別に 導入し、Fr内部空間 で架橋、Pbを合成。 フェリチン・プルシアンブルー複合体

Pb

L134P変異体による分子包摂能の応用例

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想定される用途

➢ 医用CORM

 重篤な炎症作用に対するCO導入剤

・敗血症

・臓器不全・虚血性再灌流障害・肺高血圧症

など

ガス吸入の代替（静脈注射、体内散布＋光照射）

 慢性的なアレルギー性皮膚炎に対するCO導入剤

・アトピー・狼瘡

・乾癬

など

ステロイド、非ステロイド系いずれとも異なる外皮治療薬として

セラミドが少なく乾燥し、外部刺激により炎症を起こした表皮

R. Motterlini et al. Nat. Rev. 2010, 9, 728. A. M. Kalergis et al., Immunology 2013, 140, 123. W. D. Docke et al., Exp. Dermatol. 2007, 16, 661.

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2 1

想定される用途

hn 生体ゲル

CO

₌

・患部に貼付 ・光照射でCO放出 ・ゲルから表皮へCO浸透 ガス非透過性フィルム

 慢性的なアレルギー性皮膚炎に対するCO導入剤

・アトピー・狼瘡

・乾癬

など

ステロイド、非ステロイド系いずれとも異なる外皮治療薬として

➢ 医用CORM

 重篤な炎症作用に対するCO導入剤

・敗血症・臓器不全・虚血性再灌流障害・肺高血圧症

など

ガス吸入の代替（静脈注射、体内散布＋光照射）

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想定される用途

➢ NO放出剤への応用

ニトロプルシド（即効性血管拡張剤、血圧降下剤）代替

・ニフェルジピンやニトログリセリン に比べ、速いNO放出速度。 ・不安定で薬効制御が難しい。加水分解 NO放出 投与 sGC活性化 cGMP放出 血管拡張・高い安定性・近赤外光による制御 ・素早いNO放出 K Abe, Anesthesia21century 2008, 10, 41. ニフェルジピンニトログリセリン

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 CO放出光の更なる長波長化（600nmから650~700nm へ）

・軸配位子の配位子円錐角調整

・近赤外領域 LMCT吸収の利用

 フェリチンタンパク質との複合化の完成

 非臨床レベル実験の開始（共同研究の必要あり）

実用化に向けた課題

400 600 800 1000 1200 Wavelength/nm 0 1.0 2.0 A bso rbance LMCT(S−FeIII₎ [Fe-CO]-org

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 非臨床から臨床レベルの実験、薬効の確認

 生体ゲルへのCO放出分子の分散法の開発、あるいは

同様のタンパク質分散技術の開発

 貼付方法の開発

企業の方への期待

外皮貼付型光応答性CO, NO放出剤を目指して

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称

：一酸化炭素放出分子

• 出願番号

：特願2017-038424

• 出願人

：大阪市立大学

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ガス医療への応用を目指す 光応答性一酸化炭素放出物質