小腸におけるエステラーゼ発現レベルと代謝能の 定量的解析に関する研究
2006 眞﨑 賢治
QUANTITATIVE EVALUATION OF THE ACTIVITY AND EXPRESSION OF ESTERASE IN THE RAT SMALL INTESTINE
Kenji Masaki
QUANTITATIVE EVALUATION OF THE ACTIVITY AND EXPRESSION OF ESTERASE IN THE RAT SMALL INTESTINE
Kenji Masaki
Intestinal metabolism plays an important role in the bioavailability of oral drugs and activation of prodrugs. Most drug-metabolizing enzymes in the liver are also found in the small intestine but the enzyme expression level is generally lower in the small intestine than the liver.
Carboxylesterase (CES) effectively catalyzes not only the hydrolysis of xenobiotics and numerous endogenous compounds but also that of ester-type prodrugs in the small intestine and liver. For ester-containing drugs, such as prodrugs, intestinal hydrolysis is one of the major determinants of their pharmacokinetics and pharmacodynamics.
In this study, the in situ single-pass perfusion method was preferentially used for pharmacokinetic analysis of the intestinal first-pass hydrolysis, because this method could maintain the intestinal architecture with respect to metabolism, absorption, and exsorption. The major enzyme involved in intestinal hydrolysis was identified in the in situ single-pass perfusion experiment. In addition, the effect of aging on the hydrolyzing capacity and expression level of rat intestinal CES isozymes in the jejunum and the ileum was investigated.
1) Rat jejunum and intestinal blood vessels were perfused simultaneously in order to evaluate the first-pass hydrolysis of O-Isovaleryl-propranolol (Isovaleryl-PL), a model ester-compound.
When Isovaleryl-PL was absorbed from the jejunal lumen, more than 90% of compound permeated into the blood vessel as PL. In addition, the estimated hydrolysis clearance from the in vitro hydrolysis study was 3.43 mL/min/10 cm jejunum, which was 25-fold greater than the observed CL
deg(0.14 ± 0.02 mL/min/10 cm jejunum). Isovaleryl-PL was almost completely hydrolyzed to PL and Isovaleric acid (IVA) in the epithelial cells at a rate limited by its uptake.
Subsequently, PL and IVA were transported into both vascular (pH 7.4) and luminal sides (pH 6.5) of the cells according to a mechanism based on pH-partitioning. Therefore, intestinal hydrolysis led to an increase of the permeability coefficient (P
eff) of Isovaleryl-PL due to preferential efflux of PL from epithelial cells into the vascular and luminal sides rather than Isovaleryl-PL.
2) An enzyme involved in the first-pass hydrolysis of Isovaleryl-PL was determined under the
single-pass perfusion experimental condition that in the presence of Bis-p-nitrophenyl
phosphate (BNPP), a specific CES inhibitor. Pre-treatment with BNPP (400 μM, 40 min) could
specifically inhibit CESs without any effect on the Aminopeptidase activity and the membrane
transport activity. When Isovaleryl-PL was perfused into the jejunal lumen under BNPP treatment condition, its absorption clearance was increased and hydrolysis clearance was decreased in comparison with control. CES was responsible for about 85% of the intestinal first-pass hydrolysis of Isovaleryl-PL which was calculated by percent of decrease of hydrolysis clearance. P
effof Isovaleryl-PL was lower than that of the control, but still higher than that of PL due to the 23% remaining hydrolase activity.
3) The extent of contribution of CES in the in situ hydrolysis (85%) is consistent with the results from the studies of in vitro BNPP inhibition in mucosal S9 fraction (90% and 84% for Valeryl- and Isovaleryl-PL, respectively). Hydrolysis of 11 PL ester derivatives showed slightly higher activity in the jejunal S9 than in the ileal S9, with the same substrate specificity between the jejunal and ileal S9. V
maxvalues for Valeryl-PL and p-Nitrophenyl acetate (PNPA) in the jejunal S9 fraction were 1.7–1.8 fold higher than that in the ileal S9, which agreed with the jejunum/ileum ratio (about 1.5-fold) of mRNA expression levels for the CES2 isozymes, AB010635 and AY034877. The proximal-to-distal gradient of decreasing CES activity was less steep than that of CYP2B activity for 16β-hydroxylation of Testosterone, which was three-fold higher in rat jejunum than ileum.
4) In the jejunal S9 fraction prepared from each group of rats of different ages (8, 46 and 90 weeks), V
maxvalues for PNPA in 90 weeks were slightly higher than that in 8 and 46 weeks with similar K
mvalues. In the ileal S9, V
maxvalues gradually increased with aging. Hydrolysis of 11 PL derivatives showed same substrate specificity in different aged rat intestine. Moreover, mRNA expression level of both major CES2 isozymes increased with aging in rat small intestine, and the similar elevation of mRNA of CES2 isozyme was observed in rat liver. In contrast, mRNA level of a major hepatic CES1 iszymes (Hydrolase A and Hydrolase B/C) decreased with aging. However, no correlation could be observed between mRNA expression of CES2 isozymes and kdel receptor isozymes, which are important proteins for retaining CES isozymes at their C-terminal tetra-peptide (HXEL), in the intestine and liver.
These findings indicate that the intestine markedly contributes to first-pass hydrolysis of prodrug and CESs mainly involves in the hydrolysis in the jejunum and ileum as well as liver.
The expression level of CES isozymes is slightly varied according to age and intestinal region.
Design of an orally administrated prodrug will be successful by controlling the CES mediated
intestinal hydrolysis.
小腸におけるエステラーゼ発現レベルと代謝能の定量的解析に関する研究
生命薬科学専攻 病態薬効解析学分野 眞﨑 賢治
生理活性既知の薬物に, 薬理不活性な置換基を導入して, 親薬物の持つ問題点を克服す る分子修飾法としてプロドラッグ化がある. 経口投与されたプロドラッグは, 小腸や肝臓の初 回代謝によって完全に復元されることが望ましく
,
幅広い基質認識性を示すCarboxylesterase
(CES)
が, エステル型プロドラッグの生体内変換に関与することが多い. しかしながら, 小腸加水分解における
CES
の寄与率やエステル型プロドラッグの腸管吸収時における変換を定量 的に解析した例はない. そのため, 親薬物への変換部位とその速度をコントロールしたプロ ドラッグデザインはなされていないのが現状である.
そこで本研究では, ラット空腸in situ
single-pass
腸管灌流実験を行い, 小腸吸収過程のエステル含有薬物の加水分解に関与する水解酵素を同定し, 吸収動態について速度論的に解析した. また, ラット空腸および回腸での 水解活性の差異を明らかにし, 加齢による基質特異性および
mRNA
発現レベルの変動につい て肝臓と比較した. 以下に本研究で得られた知見を要約する.1)
モデルエステル化合物としてIsovaleryl-PL
をラット空腸に単回灌流すると, 小腸粘膜内の 加水分解活性が高く, 血管腔に出現した薬物の90%以上が代謝物の PL
であった. また, 粘膜 内で加水分解生成した代謝物 (PL およびIVA)
は, 粘膜内に高濃度に存在し, それぞれの物 性に従って, 受動拡散により血管腔や腸管腔に移行した. すなわち, 塩基性化合物であるPL
は, 血管腔よりもpH
の低い腸管腔側へ移行しやすく, 酸性化合物であるIVA
は, 血管腔へ移 行しやすいことを明らかにした. また, 加水分解クリアランス (CLdeg)
は, 140 μL/minであり,in vitro
加水分解実験で得られたK
m, V
max 値より見積もった加水分解クリアランス (3.43mL/min/10 cm
空腸) の1/25
に相当した. 一方, Isovaleryl-PLの小腸からの吸収率 (Peff)
はPL
よりも7
倍も大きく, 腸管上皮細胞へのIsovaleryl-PL
の取り込みが律速となって加水分解が 進行すると考えられた. さらに, 細胞内濃度と血管腔濃度の比較により, 細胞内から血管腔 への移行性について調べたところ, PLはIsovaleryl-PL
に比べ, 細胞から排出されやすいこと が示された. 以上のことから, 小腸粘膜に取り込まれたIsovaleryl-PL
は, Esteraseによって加水 分解されてPL
に変換することで, 細胞から外に排出されやすくなり, 結果的にIsovaleryl-PL
の吸収率が増大したものと推察された.2)
吸収過程の加水分解におけるCES
の寄与を見積もるため, in situ single-pass灌流法におけるCES
阻害条件を検討した. CES特異的阻害剤であるBis(p-nitrophenyl) phosphate (BNPP)
を400
μM
で40 min
予め灌流することで, 非エステル化合物の膜輸送やAminopeptidase
に全く影響を及ぼさずに
CES
活性のみを十分に抑制することを明らかにした. BNPP 前処理条件で,Isovaleryl-PL
のsingle-pass
灌流を行なったところ, Isovaleryl-PLとしての吸収クリアランスは 増大し, 加水分解クリアランスは減少した. 加水分解クリアランスの減少率から, 小腸初回 加水分解の約85%が CES
の寄与によると推察された. また, 細胞から排出されやすいPL
の生成が減少するため, Peffは低下した. しかしながら, BNPP処理においても加水分解活性が
23%
残存するため, 細胞内取り込み→加水分解→細胞外排出の一連の流れは維持され, もともと 吸収率の高い
PL
自身のP
effよりも3.5
倍大きい値を示した. すなわち, 加水分解は粘膜内にプ ロドラッグと親化合物の2
分子の存在を可能にし, 本質的にプロドラッグの膜透過性を増大 させるものと推察された.3)
空腸および回腸S9
でのBNPP
による阻害実験から, Valeryl-PLおよびIsovaleryl-PL
の加水 分解には, CESがそれぞれ90%と 84%寄与することが示された.
興味深いことに, in situ灌流実 験により見積もられたCES
の寄与率 (85%) と類似し, in vitro阻害実験からin vivo
吸収過程に 寄与する酵素を見積もることが可能と考えられた. また, 空腸と回腸S9
における加水分解の エナンチオ選択性やアシル基の構造要求性は類似し, 酵素速度論的な解析の結果, 両部位に おけるK
m値には変化はなく, Vmax値が空腸で1.7-1.8
倍大きいことが示された. RT-PCR解析の 結果, CES2分子種 (AB010635, AY034877) の発現レベルは回腸よりも空腸で1.5-1.6
倍だけ高 く, V
max 値の変動と一致した. 一方, 空腸および回腸S9
でのCYP2B
活性に起因するTestosterone 16β-水酸化活性は,
回腸よりの空腸で約3
倍高い値を示し, 水解活性の小腸部位差は, CYP2B活性の変動幅よりも小さいことが明らかとなった.
4)
加齢による酵素活性の変動について, 8週, 46週および90
週齢ラット空腸および回腸S9
を 用いて検討した. その結果,p-Nitrophenyl acetate (PNPA)
のK
m値は加齢により変動せず,V
max値が若干増大した. また, 一連の
PL
エステル誘導体 (11 種) を基質としたとき, アシル基の 構造要求性およびエナンチオ選択性は加齢によって変化しなかった. さらに, RT-PCR 解析に より, CES2 アイソザイムmRNA
発現レベルは, 両部位で加齢により増大傾向を示した.しか しながら, 活性変動とmRNA
の変動とは必ずしも一致しておらず, 他の因子の関与が考えら れた. そこで, CESの膜結合レセプターであるkdel
レセプターの発現レベルとの相関を検討し たが, mRNAレベルではCES
発現との相関は認められなかった. 一方, ラットの肝臓におけるCES1
およびCES2
アイソザイムmRNA
発現レベルは, 2つの主CES2
アイソザイム (AB010635および
AY034877)
の mRNAの発現レベルは増大傾向を示したが, 発現量の少ないCES2
アイソザイム
D50580,
およびCES1
アイソザイム (Hydrolase AおよびB/C)
のmRNA
発現レベル は減少した. Native-PAGE活性染色においてCES1
および2
のバンド強度は, mRNA発現レベ ルの変動に対応する結果を示した. また, kdel レセプター mRNA の発現レベルは, 肝臓CES
アイソザイムのmRNA
レベルにも相関せず, 小腸と同様にCES
発現には影響しないものと考 えられた.以上のように, 本研究では, エステル型プロドラッグの小腸での加水分解および吸収挙 動を明らかにし, さらに吸収時の加水分解に寄与する主な酵素として
CES
を同定した. また,CES
活性の小腸部位差および年齢差は, CYP 活性に比べ変動が小さいため, プロドラッグの 加水分解には影響しないことが示唆された. これらの知見は, プロドラッグのみならず, エ ステル含有化合物の吸収動態の解明およびCES
の発現調節機構解明への一指針になるととも に, 効率的なドラッグデザインを企図する上で重要な基礎資料になるものと考えられる.目次
第
1
章 緒言……….……. 1
第
2
章 ラット小腸におけるIsovaleryl-PL
の小腸初回加水分解……….…..……… 8
2-1
序………..……… 8
2-2
モデル薬物Propranolol (PL)
のラット小腸粘膜内挙動……..………..……… 8
2-3 Single-pass
灌流におけるPropranolol
の吸収動態………..…….….…..…….…….. 10
2-4 Single-pass
灌流におけるIsovaleryl-PL
の吸収動態………..…….……… 12
2-4-1 Pro-moiety
であるIsovaleric acid
の小腸内動態……….…..……… 15
2-4-2
小腸粘膜内で生成した加水分解産物の膜輸送に関する考察…..……….. 16
2-5
定常状態におけるPL
およびIsovaleryl-PL
の小腸内動態……… 18
2-6
小括………..… 21
第
3
章 ラット空腸におけるIsovaleryl-PL
のin situ
小腸初回加水分解に関する酵素の同定……….…………. 22
3-1
序………..…… 22
3-2
ラット空腸single-pass
灌流におけるBis(p-nitrophenyl)-phosphate (BNPP)
前処理条 件の検討……….. 22
3-3 BNPP
灌流後の小腸Esterase
とAminopeptidase
の活性の変動……….…. 25
3-4 BNPP
灌流による粘膜輸送の影響………..………. 26
3-5 Isovaleryl-PL
の小腸初回加水分解におけるCES
の寄与………..… 27
3-6
小括………..… 29
第
4
章 ラット空腸と回腸におけるCES
の活性および発現レベル………..… 31
4-1
序………..… 31
4-2
空腸, 回腸S9
のにおけるin vitro
加水分解におけるCES
の寄与率..……… 314-3
空腸,
回腸S9
におけるCES
活性およびP-450
活性………...… 33
4-4
空腸, 回腸S9
におけるValeryl-PL
およびPNPA
の加水分解の酵素速度論的解析……….. 35
4-5
空腸,
回腸におけるCES
アイソザイムの発現レベル………..…… 37
4-6
ラットおよびヒトの小腸に発現するCES2
ファミリー分子………..……. 39
4-7
小括………...… 41
第
5
章 ラット小腸および肝臓におけるCES
発現レベルの加齢による影響…….…………. 42
5-1
序……….. 42
5-2
加齢に伴うラット小腸における水解活性およびP-450
活性の変動………... 43
5-3 PL
エステル誘導体を用いた基質構造要求性の加齢による影響……….………… 45
5-4
小腸でのCES
分子種における発現レベルの年齢差………. 47
5-5
小腸におけるKDEL
レセプター分子の発現レベルの加齢による発現変動... 49
5-6
肝臓でのCES
分子種における発現レベルの年齢差….………..……. 51
5-7
肝臓でのKDEL
レセプター分子種における発現レベルの年齢差………. 53
5-8 CES
発現変動のメカニズムに対する考察……….………. 55
5-9
小括………..……… 56
第
6
章 小腸加水分解とプロドラッグの吸収動態….………..………… 58
6-1
序………..………. 58
6-2
プロドラッグの小腸粘膜内への取り込み…………...……… 58
6-3
プロドラッグの小腸Esterase
による加水分解……….…..……….…….….. 60
6-4
小腸上皮細胞内で加水分解生成した親薬物の排出……….. 61
6-5
小腸CES
アイソザイムの基質特異性……… 62
6-6
小腸粘膜加水分解とプロドラッグの体内動態………. 64
6-7
小括………..………… 65
第
7
章 総括……….……. 67
実験の部………...…… 70
謝辞
………..…… 84
参考文献………..….... 85
本論文で使用した略号一覧表
AP Apical
AUC
bArea under the concentration curve of a drug in the mesenteric vein AUC
lArea under the concentration curve of a drug in the luminal loop BL Basolateral
BNPP Bis-p-nitrophenyl-phosphate CES Carboxylesterase CL
appApparent absorption clearance CL
degApparent degradation clearance
FD-4 Fluorescein isothiocyanate dextran 4000
GAPDH Glyceraldehyde-3-phosphate-dehydrogenase HEPES N-2-Hydroxyethylpiperazine-N’-2-ethansulfonic acid HPLC High performance liquid chromatography
IVA Isovaleric acid K
mMichaelis constant Leu-p-NA L-Leucyl-p-nitroanilide
MES 2-(N-Morpholino) ethanesulfonic acid P
appApparent permeability coefficient in in vitro P
effApparent permeability coefficient in in situ PAGE Polyacrylamide gel electrophoresis
PL Propranolol PNPA p-Nitrophenyl acetate
Q
lFlow rate of luminal perfusate Q
bFlow rate of vascular perfusate
v
1Appearance rate of a drug in the mesenteric vein
v
2Disappearance rate of a drug in the jejunal lumen
v
3Appearance rate of drug in the jejunal lumen
V
maxMaximum velocity
本論文は, 学術雑誌に掲載された次の論文を基礎とするものである.
1) First-pass hydrolysis of a propranolol ester derivative in rat small intestine Drug Metabolism and Disposition, 34, 398-404 (2006)
Kenji Masaki, Megumi Taketani, and Teruko Imai
2) Intestinal first-pass metabolism via carboxylesterase in rat jejunum and ileum Drug Metabolism and Disposition, submitted for publication.
Kenji Masaki, Mitsuru Hashimoto, and Teruko Imai
3) The effect of age on carboxylesterase activity and expression International Journal of Pharmacetics, in preparation
Kenji Masaki, Kayoko Ohura, Mitsuru Hashimoto, and Teruko Imai
第1章 緒言
生理活性既知の薬物 (親薬物) に, 薬理不活性な置換基 (pro-moiety) を導入して, 親薬物の持つ問題点を克服する分子修飾法としてプロドラッグ化がある. 例えば, 薬物 の溶解や膜透過に起因する吸収性
,
組織移行性あるいは代謝が原因となって体内動態 に問題のある薬物,
または胃粘膜障害などの副作用が問題になる薬物の適当な官能基 に遊離基を導入して,
分子全体の特性を制御することにより治療効果を増大させよう とするものである.
また,
近年,
コンビナトリアルケミストリーおよびハイスループッ トスクリーニング(HTS)
によって探索された薬理活性物質の中には,
製剤学的あるい は薬物動態学的に欠点を持つものが多く,
医薬品開発においてプロドラッグ化が見直 される傾向にある.
プロドラッグは
,
薬理活性発現部位に到達するまでに化学的あるいは酵素的に親 薬物に変換して,
親薬物本来の薬理活性を発揮しなければならない.
したがってプロド ラッグの変換速度は,
親薬物の体内動態や薬理活性発現に大きく影響する.
また,
プロ ドラッグの物理化学的特性は親薬物と異なるため,
親薬物への変換(
置換基の遊離)
が 遅いと,
予期しない代謝が起こり副作用を発現する場合がある.
プロドラッグの生体内変換速度が
,
親薬物の体内動態にどのような影響を与える のかは,
以下のように説明できる. Scheme 1
のモデルに従って,
プロドラッグが親薬物 および代謝物に変換する時,
プロドラッグを投与後の活性薬物(
親薬物)
の十分な量を 生体内で得るためには,
プロドラッグから親薬物への生成速度k
1は代謝物A
の生成速 度k
2および親薬物の代謝速度k
3よりも著しく速くなければならない.
これは理想的な プロドラッグであり, Fig. 1A
の血中濃度プロファイルで示される. Figure 1B
およびC
は,
プロドラッグとして不適切なものであり, Fig.1Bは親薬物の代謝速度k
3がプロドラッグ の変換速度を上回る場合に得られ,
例として,
親薬物が初回通過代謝を受けやすい場合 や持続性プロドラッグとして設計された場合に見られる. さらに, 親薬物の代謝速度k
3より速い変換速度を保つように設計されたものの中にも, 予期せぬ速い速度でプロド ラッグが代謝されることがあり, Fig. 1Cのようなプロファイルを描くことがある. この ように, プロドラッグの設計においては, 親薬物への変換速度が他の代謝速度に比べて 速いことが重要であり, 初回通過代謝のような速い速度で親薬物に復元されるプロド
ラッグが理想的なプロドラッグと言える
.
プロドラッグが初回代謝のような速度で効率よく親薬物に変換するためには
,
生 体内に多く存在する水解酵素(Hydrolase)
の活性を利用することが効率的である.
その ため, 一般的に親薬物に対する遊離基の導入はヒドロキシル基 (OH), カルボキシル基(COOH),
アミノ基(NH
2)
などが利用され,
エステル結合やアミド結合が用いられる.
したがって, プロドラッグの生体内変換にはこれらの結合様式を広く認識し, 加水分解 を触媒する
Carboxylesterase (CES)
が関与することが多い.CES
は, 肝臓をはじめとして小腸上皮細胞, 腎臓, 肺, 鼻粘膜, 脳, 脂肪組織, 筋肉, 血漿など生体を構成する多くの臓器に発現しており, 生体内の脂質代謝にも重要な役 割を果たすと考えられている 1, 2).
中でも肝臓において最も高い活性が認められるが,Scheme 1 Typical Disposition of Prodrug Prodrug
Metabolite A
Parent Drug Metabolite B
k
1k
2k
3Scheme 1 Typical Disposition of Prodrug Prodrug
Metabolite A
Parent Drug Metabolite B
k
1k
2k
3Prodrug
Prodrug
Metabolite A Metabolite A
Parent Drug Metabolite B
Parent Drug
Parent Drug Metabolite B Metabolite B k
1k
2k
3Fig. 1 Simulation Curve of Blood Concentration after Oral Administration of Prodrug A: k
1>>k
2, k
1>>k
3(Ideal prodrug), B: k
1>k
2, k
3>k
1, C: k
2>k
1, k
1>k
3Fig. 1 Simulation Curve of Blood Concentration after Oral Administration of Prodrug
A: k
1>>k
2, k
1>>k
3(Ideal prodrug), B: k
1>k
2, k
3>k
1, C: k
2>k
1, k
1>k
3小腸上皮細胞など肝臓以外の組織における活性も比較的高いことから
CES
の基質特異 性がプロドラッグの体内動態に大きく影響を与える. CES は, ヒトCES1
酵素のhCE1
(CES1A1, HU1) のアミノ酸配列に基づく相同性から,
大きく5
つのグループに分けられる. その系統樹を
Fig. 2
に示す. CES4ファミリーは, CAUXINと呼ばれる蛋白質で, ネFig. 2 Phylogenetic Tree of the Carboxylesterase Superfamily
Human CES1A1/Hu1a Human CES1A2/Hu1b Monkey CES1 Human PlacentaCES Rabbit CES1 Rat BC078681 Rat ES-10 Mouse CES MH1 Mouse TGH Hamster AT31 Felica CES1 Felica CESK1 Dog CESD1 Pig CES Pig CES1
Mouse ES22 (Egasyn) Rat ES-3 (Egasyn) Bovine-REH Mouse EST1 Mouse EST-N Rat CES 60KDa Rat HydrolaseC Rat CES RL1 Rat ES-4/HydrolaseB Mouse ES-4 Bovine CES2 Human CES2/hCE2 Rabbit CES2 Hamster AT41 Mouse BC022148 Rat CES5 Mouse BC015286 Mouse mCES2 Rat BC097486 Rat CES RL4 Rat SICES Hamster AT51 Rat CES6 Dog CAUXIN Felica CAUXIN Mouse CAUXIN Rat CAUXIN Human AcylCoA Human hCE3 Mouse ES31 Mouse AADAC Rat AADAC Human AADAC
Trival name
L07765/AB119995 AB119996 AB10633 MN016280 AF036930 BC078681 X51974 AB023631 AF378751 D50578 AB094147 AB114676 AB023629 X63323 AF064741 S8091 X81395 AY369075 Y12887 M57960 M20629 U10698 AB023630 X81825 BC013479 NM001034260 U60553 P14943 (protein) D50577 BC022148 XM341636/D50580 BC015286 BC031170/BC015290 BC097486 AB010635/AB191005 AB010632 D28566
NM144743/AY034877 AB186392 AB045377 AB186393 AF479659 AK056109 XM016735 S64130 BC054823 BC088143
NM001086 CES5A
CES5B CES3A CES4C CES4B CES4A CES2A CES1H CES1G CES1E CES1F CES1D CES1C CES1B CES1A Genebank
Fig. 2 Phylogenetic Tree of the Carboxylesterase Superfamily
Human CES1A1/Hu1a Human CES1A2/Hu1b Monkey CES1 Human PlacentaCES Rabbit CES1 Rat BC078681 Rat ES-10 Mouse CES MH1 Mouse TGH Hamster AT31 Felica CES1 Felica CESK1 Dog CESD1 Pig CES Pig CES1
Mouse ES22 (Egasyn) Rat ES-3 (Egasyn) Bovine-REH Mouse EST1 Mouse EST-N Rat CES 60KDa Rat HydrolaseC Rat CES RL1 Rat ES-4/HydrolaseB Mouse ES-4 Bovine CES2 Human CES2/hCE2 Rabbit CES2 Hamster AT41 Mouse BC022148 Rat CES5 Mouse BC015286 Mouse mCES2 Rat BC097486 Rat CES RL4 Rat SICES Hamster AT51 Rat CES6 Dog CAUXIN Felica CAUXIN Mouse CAUXIN Rat CAUXIN Human AcylCoA Human hCE3 Mouse ES31 Mouse AADAC Rat AADAC Human AADAC
Trival name
L07765/AB119995 AB119996 AB10633 MN016280 AF036930 BC078681 X51974 AB023631 AF378751 D50578 AB094147 AB114676 AB023629 X63323 AF064741 S8091 X81395 AY369075 Y12887 M57960 M20629 U10698 AB023630 X81825 BC013479 NM001034260 U60553 P14943 (protein) D50577 BC022148 XM341636/D50580 BC015286 BC031170/BC015290 BC097486 AB010635/AB191005 AB010632 D28566
NM144743/AY034877 AB186392 AB045377 AB186393 AF479659 AK056109 XM016735 S64130 BC054823 BC088143
NM001086 CES5A
CES5B CES3A CES4C CES4B CES4A CES2A CES1H CES1G CES1E CES1F CES1D CES1C CES1B CES1A Genebank
コの尿中に見出された分泌型の
CES
であり3),
最近, 数種の動物種の腎臓における発現 が認められている. これらの中で, プロドラッグの生体内変換に関わるのは, 主にCES1
およびCES2
ファミリーである4).
プロドラッグを経口投与した場合, 全身循環で高い親薬物濃度を得るためには, 肝 臓および小腸における初回代謝が重要である
(Fig. 3).
これまで,
肝臓初回代謝に関し ては,
定量的な解析が多数なされてきたが5),
小腸代謝に関する定量的解析の報告例は 少ない.
現在臨床応用されているプロドラッグの中には,
セフジトレンピボキシル,
セ フカペンピボキシル,
セフポドキシムプロキセチル等の様に,
腸管粘膜壁において完全 に変換して全身循環に移行すると謳われているものがある.
しかしながら,
小腸におい てどのような速度で,
またどの酵素によって代謝されるのか明らかではない.
さらに,
小腸粘膜でプロドラッグが変換されると加水分解生成物は,
粘膜内に高濃度で存在す ることになるため,
吸収方向である血管腔へも分泌方向である腸管腔へも移行でき,
吸 収をどの程度増大できるのか疑問である.
それゆえ,
エステル型プロドラッグの腸管吸 収時における変換を定量的に解析することは重要である.
Fig. 3 A Model for First-pass Hydrolysis of Orally Administered Ester-type Prodrug by Hydrolase in Gastrointestinal Mucosa and Liver.
P and M represent ester-type prodrug and the metabolite (parent drug), respectively. E and T represent enzyme (hydrolase) and transporter, respectively.
Oral Administration
E E
Fig. 3 A Model for First-pass Hydrolysis of Orally Administered Ester-type Prodrug by Hydrolase in Gastrointestinal Mucosa and Liver.
P and M represent ester-type prodrug and the metabolite (parent drug), respectively. E and T represent enzyme (hydrolase) and transporter, respectively.
Oral Administration
E
E
小腸は, 管腔の粘膜に多数の輪状ヒダ, さらにその上に無数の絨毛を突出した形態 を有している. この粘膜上の突出した絨毛は, 一層の円柱上皮細胞で覆われ, この細胞 の管腔に面した側に存在する微絨毛が, 刷子縁膜を形成することで, 広大な表面積を得 ることができ, 栄養物や薬物の吸収に適した構造となっている. 小腸上皮細胞は, 隣接 細胞と密着帯あるいは細胞間接合部
(Tight junction)
によって強固に結合しているため,
薬物の透過は,
細胞内経路(Transcellular pathway)
あるいは細胞間隙経路(Paracellular
pathway)
のいずれかによって行われる.
エステル型プロドラッグのように疎水性の増大や取り込みトランスポーターへの認識性を改善した化合物は
,
細胞内経路によって 吸収される.
それゆえ,
プロドラッグは腸管吸収時に,
まず刷子縁膜上の酵素によって 代謝され,
細胞内に移行すると,
サイトゾールおよびミクロソーム画分に存在する酵素 によって代謝される.
一般に
,
小腸を含む標的組織における代謝を評価する場合,
簡易的かつ安価な方法 としてin vitro
実験がある. Table 1
に示すように,
種々の酵素が混在するS9
画分が,
組織 全体での代謝を見積もるときに利用される.
しかしながら,
細胞構造を破砕しているた め,
薬物の膜透過を考慮した酵素活性の見積もりには不向きである. In vitro
における別 の薬物の消化管膜透過性の評価方法として,
ラット,
ウサギなどの摘出消化管粘膜を利 用する方法やヒト大腸癌由来のCaco-2
やHT-29
などの細胞単層膜を利用する方法があ る.
しかしながら,
培養細胞では,
代謝酵素やトランスポーターの発現レベルが低いこ とから,
腸管吸収時の代謝の評価は難しい.
また,
絨毛構造を有する摘出消化管粘膜を 用いた場合,
薬物の透過は粘膜固有層の拡散まで含むため,
上皮細胞層透過後,
速やか に毛細管に入るin vivo
とは大きく異なる.
一方
in vivo
やin situ
は,
小腸本来の構造および酵素の局在性を保持しており,
さらにトランスポーターや蠕動運動などの機能および臓器血流も加わるため, 小腸での代 謝および膜透過性を同時に評価することができる
.
しかしながら, in vivo
においては,
一個体での薬物代謝能として評価するため, 小腸における初回代謝だけを求めること はできない. それゆえin situ
実験だけが, 小腸での代謝および吸収をin vivo
に近い状態 で評価するのに適した方法と言える.現在, in situ法は, 目的および薬物の特性の違いによって, closed loop法, recirculating 灌流法および
single-pass
灌流法の3
種の方法が使い分けられている. Table 1に示すように, closed loop法は腸管腔内に一定容量の薬液を投与する方法, recirculating 灌流法は何 度も薬液を灌流する方法, single-pass 灌流法は一度だけ灌流する方法である. いずれの 方法も一定時間での吸収率もしくは灌流前後での薬物濃度比を求めることにより, 膜 透過性を推定する. エステル型プロドラッグの腸管吸収時における加水分解を評価す るには
,
血管腔内に達したプロドラッグおよび親薬物の量を測定する必要がある.
この 場合, closed loop
法およびrecirculating
灌流法では,
腸管粘膜への接触回数および接触時 間が長く,
加水分解の寄与を過大評価する懸念がある. Single-pass
灌流法は,
この問題 点を克服できることに加え,
血管腔内も緩衝液で灌流することができる.
この利点は,
in vitro experiments Metabolism
S9 ER, Cytoplasm
Microsome ER Cytosol Cytoplasm Membrane permeability
Everted sac Ussing chamber
Caco-2 cell monolayer
in vivo experiments Oral administration Intravenous injection
in situ experiments Closed loop
Recirculating perfusion Single-pass perfusion
S9: homogenate 9,000g supernatant, ER: Endoplasmic reticulum
Merit Convenient and inexpensive method Determination of activity in each fractions
Demerit Independent functions (metabolite/membrane transport) Delocalization of metabolic enzymes
Merit Convenient and inexpensive method Demerit Low correlativeness
(absorbed fraction in human / permeability led to these technique) Merit High correlativeness
(absorbed fraction in human / permeability led to this technique) Hold cell construction
Demerit Spend much time due to culture cells.
Low expression level (Enzymes and transporters) Absence of mucin
Merit Hold original tissue construction Evaluation of whole body metabolism
Multiple functions (several transporters and enzymes) Demerit Present of species differences
NOT lead to evaluate metabolism in a organ.
Merit Hold original tissue (intestine) construction
Lead to evaluate absorption and metabolism in the intestine.
Multiple functions (several transporters and enzymes) Demerit Technical difficulties
Closed loop Recirculating perfusion Single-pass perfusion Table 1 Characteristics of Techniques for Investigation of Absorption and Metabolism in vitro experiments
Metabolism
S9 ER, Cytoplasm
Microsome ER Cytosol Cytoplasm Membrane permeability
Everted sac Ussing chamber
Caco-2 cell monolayer
in vivo experiments Oral administration Intravenous injection
in situ experiments Closed loop
Recirculating perfusion Single-pass perfusion
S9: homogenate 9,000g supernatant, ER: Endoplasmic reticulum
Merit Convenient and inexpensive method Determination of activity in each fractions
Demerit Independent functions (metabolite/membrane transport) Delocalization of metabolic enzymes
Merit Convenient and inexpensive method Demerit Low correlativeness
(absorbed fraction in human / permeability led to these technique) Merit High correlativeness
(absorbed fraction in human / permeability led to this technique) Hold cell construction
Demerit Spend much time due to culture cells.
Low expression level (Enzymes and transporters) Absence of mucin
Merit Hold original tissue construction Evaluation of whole body metabolism
Multiple functions (several transporters and enzymes) Demerit Present of species differences
NOT lead to evaluate metabolism in a organ.
Merit Hold original tissue (intestine) construction
Lead to evaluate absorption and metabolism in the intestine.
Multiple functions (several transporters and enzymes) Demerit Technical difficulties
Closed loop Recirculating perfusion Single-pass perfusion
Table 1 Characteristics of Techniques for Investigation of Absorption and Metabolism
実験動物として齧歯類を用いるときに懸念される血漿中での加水分解6, 7) を回避し, 小 腸粘膜のみでの加水分解を評価することを可能にする.
医薬品開発において, 目的に応じたプロドラッグのデザインは, 親薬物への変換部 位とその速度をコントロールすることで達成されるが, この変換速度のコントロール は非常に難しく
,
変換に関わる酵素を限定し,
その酵素の特徴を明確に把握する必要が ある.
そこで,
本研究では,
小腸におけるプロドラッグの初回代謝について定量的な解 析を行うとともに,
小腸代謝に寄与する酵素を同定し,
小腸上部から下部領域での発現 パターン,
さらに加齢による活性変動を検討し,
プロドラッグの小腸内挙動を理解する ための基礎的知見を得た.
以下に検討事項を記述する.
すなわち,
第2
章では,
ラット 空腸in situ
実験によりモデルエステル化合物であるIsovaleryl-propranolol (Isovaleryl-PL)
の空腸粘膜単回通過時における加水分解および膜透過性を速度論的に解析した.
第3
章 では,
ラット空腸におけるIsovaleryl-PL
のin situ
小腸初回加水分解に寄与する酵素とし て,
カルボキシルエステラーゼ(CES)
を同定した.
第4
章では, CES
の活性およびmRNA
発現レベルを空腸および回腸で比較し,
さらに吸収過程に寄与する主な水解酵素を
in vitro
実験でも評価できる可能性を示した.
第5
章では,
初回代謝臓器である小腸および肝臓に存在する
CES
アイソザイム発現レベルおよび活性の加齢による影響を検 討した.
さらに,
第6
章では,
エステル型プロドラッグの体内動態に小腸代謝がどのよ うな影響を及ぼすのか研究内容をふまえて考察した.
第7
章は,
以上の知見を総括した ものである.
第2章 ラット小腸における
Isovaleryl-PL
の小腸初回加水分解2-1
序経口投与されたプロドラッグが効率良く代謝されて親薬物に変換されるためには, 消化管あるいは肝臓で
,
初回代謝される必要がある.
一般的に肝臓は,
初回代謝にとっ て最も重要な臓器として認識されているが,
小腸もまた重要な代謝臓器である8).
肝臓 に比べて発現量は少ないものの,
小腸にもPhase I, Phase II
酵素など多くの薬物代謝酵 素が発現している9).
さらに,
経口投与された薬物分子は必ず小腸上皮細胞を経由して 体内に取り込まれるため,
小腸における初回代謝はプロドラッグの体内動態に大きく 寄与する.
臨床研究において小腸に発現するシトクロムP-450
が,
ミダゾラム10, 11) やシ クロスポリン12),
ニフェジピン13) などの薬物の初回代謝に大きく寄与するという報告 もある.
そこで本章では,
吸収過程における消化管での代謝の寄与を定量的に検討する ため,
腸管および血管を同時に灌流するsingle-pass
単回灌流法を用いて,
小腸粘膜単回 通過時の小腸粘膜における初回通過効果を調べた.
2-2
モデル薬物Propranolol (PL)
のラット小腸粘膜内挙動本研究では
,
エステル含有化合物のin vitro
加水分解とin situ
吸収動態との関係を 明らかにするため, β-
遮断薬Propranolol (PL)
のβ-
水酸基に炭素数2-7
の直鎖,
分岐鎖の アシル基をエステル結合させたプロドラッグをモデル化合物として用いた(Table 2).
PL
は,
高血圧,
不整脈,
狭心症の治療に用いられており,
弱塩基性(pKa 9.44),
疎水性(logD 0.38 (1.002); 1-Octanolol/pH4.0 (pH7.0) Phosphate buffer)
の化合物である14, 15).
薬物 の疎水性と吸収性の間には, Fig. 4
に示すような良好な相関があり16-18), PL
は消化管か らほぼ完全に吸収される薬物である19-21).
一方, 肝臓においては速やかに代謝される典 型的な肝血流律速型の高固有クリアランス薬物であり,
肝初回代謝のために吸収率の 低い薬物として知られている22).
ラットにおけるPL
の代謝は, CYP2Dによるナフタレン環の
4, 5, 7
位の水酸化, CYP1A1, 1A2によるN-脱イソプロピル化が主代謝経路である
ことが報告されている23)
.
しかしながら, ラット小腸では, これらの代謝はほとんど惹 起されず, PLとして吸収される22).
このようにPL
は小腸で代謝されず, 疎水性に依存 した良好な吸収性を示すことから, 受動拡散のマーカーとしてCaco-2
細胞単層膜を用いた経細胞輸送実験24) や
in vivo
吸収実験15) に用いられてきた. また, PLは, 排出トラ ンスポーターの基質となるという報告もあるが25),
その寄与は極めて低く, 膜透過性の 良い化合物である21, 26).
したがって, 小腸粘膜透過時におけるエステル誘導体から親薬 物への加水分解の寄与を評価するために, PL は好ましい小腸動態特性を有する化合物 と考えられた.Compound Propranolol (PL) O-Acetyl-PL O-Propionyl-PL O-Butyryl-PL O-Valeryl-PL O-Caproyl-PL O-Enantyl-PL O-Isobutyryl-PL O-Isovaleryl-PL
O-2-methyl-n-valeryl-PL O-3-methyl-n-valeryl-PL O-Isocaproyl-PL
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
R H
COCH 3 COCH 2 CH 3 COC 2 H 4 CH 3 COC 3 H 6 CH 3 COC 4 H 8 CH 3 COC 5 H 10 CH 3 COCH(CH 3 ) 2 COCH 2 CH(CH 3 ) 2 COCH(CH 3 )C 2 H 4 CH 3 COCH 2 CH(CH 3 )CH 2 CH 3 COC 2 H 4 CH(CH 3 ) 2
* : Asymmetrical carbon
O N
H O
* R
. HCl
Table 2 Structure of PL Ester Derivatives
Compound Propranolol (PL) O-Acetyl-PL O-Propionyl-PL O-Butyryl-PL O-Valeryl-PL O-Caproyl-PL O-Enantyl-PL O-Isobutyryl-PL O-Isovaleryl-PL
O-2-methyl-n-valeryl-PL O-3-methyl-n-valeryl-PL O-Isocaproyl-PL
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
R H
COCH 3 COCH 2 CH 3 COC 2 H 4 CH 3 COC 3 H 6 CH 3 COC 4 H 8 CH 3 COC 5 H 10 CH 3 COCH(CH 3 ) 2 COCH 2 CH(CH 3 ) 2 COCH(CH 3 )C 2 H 4 CH 3 COCH 2 CH(CH 3 )CH 2 CH 3 COC 2 H 4 CH(CH 3 ) 2
Compound Propranolol (PL) O-Acetyl-PL O-Propionyl-PL O-Butyryl-PL O-Valeryl-PL O-Caproyl-PL O-Enantyl-PL O-Isobutyryl-PL O-Isovaleryl-PL
O-2-methyl-n-valeryl-PL O-3-methyl-n-valeryl-PL O-Isocaproyl-PL
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
R H
COCH 3 COCH 2 CH 3 COC 2 H 4 CH 3 COC 3 H 6 CH 3 COC 4 H 8 CH 3 COC 5 H 10 CH 3 COCH(CH 3 ) 2 COCH 2 CH(CH 3 ) 2 COCH(CH 3 )C 2 H 4 CH 3 COCH 2 CH(CH 3 )CH 2 CH 3 COC 2 H 4 CH(CH 3 ) 2
* : Asymmetrical carbon
O N
H O
* R
. HCl HCl
.
Table 2 Structure of PL Ester Derivatives
2-3 Single-pass
灌流におけるPropranolol
の吸収動態本研究で用いた血管および空腸ループの同時灌流による
single-pass
実験スキームをFig. 5
に示す.
空腸(10 cm)
の管腔内に薬液を0.3 mL/min
で灌流した.
また,
腸管ルー プに供給される血管を確保し,
腸間膜動脈側から3.0 mL/min
で3% BSA
を含むKrebs-Henseleit bicarbonate
緩衝液を灌流し,
門脈側から経時的に血管灌流液を採取することによって
,
空腸ループから吸収された薬物を全量回収した.
したがって,
腸管か らの薬物減少および腸間膜静脈に達した薬物量を同時に定量できるため,
小腸におけ る初回通過効果を定量的に解析することができる. Isovaleryl-PL は加水分解されると, 親薬物であるPL
へ変換される.
そこで,
まず親薬物であるPL
自身の吸収動態を把握す るために, single-pass法を用いてPL
の吸収動態を検討した.経時的に各サンプルを回収し, 腸間膜静脈での