プロドラッグ変換酵素の臓器特異的発現と代謝モデル細胞系の構築

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K08378
• Research Institution: Chiba Institute of Science
• Principal Investigator: 細川 正清 千葉科学大学, 薬学部, 教授 (70181500)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: カルボキシルエステラーゼ / プロドラッグ / 代謝酵素 / ヒト肝ミクロソーム / ヒト小腸ミクロソーム / アトルバスタチン

Outline of Annual Research Achievements

現在、プロドラッグの開発において生体内の主要な変換酵素であるcarboxylesterase (CES), butyrylcholinesterase (BuChE), arylacetamidodeacetylase (AADAC), cholesterolesterase (CholE)およびparaoxonase (PON)の種差、臓器差が大きな問題となっている。本研究では、この問題を解決するために、それぞれの変換酵素について、ヒトと動物間での基質特異性の差異を調べることにより、変換酵素別のプロドラッグ代謝モデル臓器細胞を作成するとともに、実際にプロドラッグの合成を行うことで、プロドラッグの構造と変換酵素の構造活性相関の検討も試みた。
今年度は、特にプロドラッグの合成を中心に検討した。今回は、リード化合物としてBAが低いことが報告されているアトルバスタチンを用い、生体内の代謝活性化酵素としCESを用いて検討を行った。その結果、種々合成したアトルバスタチンプロドラッグはヒト肝ミクロソームおよびヒト小腸ミクロソーム存在下において構造、あるいは電子密度の違いにより、加水分解活性能が変化することを明らかにした。さらに、これらのエステルは、CES1特異的に代謝活性化されることが明らかとなった。また、BAの上昇を意図したアトルバスタチンプロドラッグは小腸では代謝されず、肝臓で代謝活性化されるようなプロドラッグに成り得るものであることが判明した。以上の結果より, ミクロソーム存在下においてのアトルバスタチンエステルの置換基の違いによる加水分解活性の変化を明らかにし, 構造活性相関に関わる新規の知見を得た。したがって、臨床医薬品開発におけるリード化合物の最適化に伴う構造活性相関の知見として、肝臓もしくは小腸で効率的に代謝活性化されるプロドラッグ設計に関する有用な知見が得られた.

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究では、当初プロドラッグの開発において生体内の主要な変換酵素であるcarboxylesterase (CES), butyrylcholinesterase (BuChE), arylacetamidodeacetylase (AADAC), cholesterolesterase (CholE)およびparaoxonase (PON)について全て同時に検討する予定であった。しかしながら、様々な構造を持つ、新規プロドラッグの合成を行いそれぞれの動物の肝臓及び小腸ミクロソームを用いて変換の差異を調べた方が、効率が良いことが推察されたため、方針を少し変えてプロドラッグの合成に力点を置いて実験を実施した。そのため、当初の計画と比較すると進捗状況は遅れていることとはなるが、実験結果はよりよい方向で得られている。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、当初プロドラッグの開発において生体内の主要な変換酵素であるcarboxylesterase (CES), butyrylcholinesterase (BuChE), arylacetamidodeacetylase (AADAC), cholesterolesterase (CholE)およびparaoxonase (PON)について全て同時に検討する予定であった。しかしながら、様々な構造を持つ、新規プロドラッグの合成を行いそれぞれの動物の肝臓及び小腸ミクロソームを用いて変換の差異を調べた方が、効率が良いことが推察された。そのため、アトルバスタチンの構造に基づいたプロドラッグの検討を実施した後、インドメタシンやその他の薬物をリード化合物として生体内の変換効率と構造についての検討を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Development of a Caco-2 Cell Line Carrying the Human Intestine-Type CES Expression Profile as a Promising Tool for Ester-Containing Drug Permeability Studies. (2018)
  • Author(s): Ishizaki Y, Furihata T, Oyama Y, Ohura K, Imai T, Hosokawa M, Akita H, Chiba K.
  • Journal Title: Biol Pharm Bull Volume: 41 Pages: 697-706
  • DOI: 10.1248/bpb.b17-00880.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular characterization and polymorphisms of butyrylcholinesterase in cynomolgus macaques. (2018)
  • Author(s): Uno Y, Uehara S, Mahadhi HMD, Ohura K, Hosokawa M, Imai T.
  • Journal Title: J Med Primatol. Volume: 47 Pages: 185-191
  • DOI: 10.1111/jmp.12342
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analysis of carboxylesterase 2 transcript variants in cynomolgus macaque liver. (2018)
  • Author(s): Uno Y, Igawa Y, Tanaka M, Ohura K, Hosokawa M, Imai T.
  • Journal Title: Xenobiotica Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1080/00498254.2018.1435927.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical synthesis of an indomethacin ester prodrug and its metabolic activation by human carboxylesterase 1. (2018)
  • Author(s): Takahashi M, Ogawa T, Kashiwagi H, Fukushima F, Yoshitsugu M, Haba M, Hosokawa M.
  • Journal Title: Bioorg Med Chem Lett. Volume: 28 Pages: 997-1000
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2018.02.035.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional analysis of carboxylesterase in human induced pluripotent stem cell-derived enterocytes. (2017)
  • Author(s): Kabeya, T., Matsumura, W., Iwao, T., Hosokawa, M., and Matsunaga, T.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun. Volume: 486 Pages: 143-148
  • DOI: 0.1016/j.bbrc.2017.03.014.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Virtual Clinical Studies to Examine the Probability Distribution of the AUC at Target Tissues Using Physiologically-Based Pharmacokinetic Modeling: Application to Analyses of the Effect of Genetic Polymorphism of Enzymes and Transporters on Irinotecan Induced Side Effects. (2017)
  • Author(s): Toshimoto, K., Tomaru, A., Hosokawa, M., and Sugiyama, Y.
  • Journal Title: Pharm Res. Volume: 34 Pages: 1584-1600
  • DOI: 10.1007/s11095-017-2153-z.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ヒトiPS細胞由来腸管上皮細胞におけるカルボキシルエステラーゼの機能解析 (2017)
  • Author(s): 壁谷 知樹、松村 若菜、岩尾 岳洋、細川 正清、松永 民秀
  • Organizer: 日本薬学会第137年会仙台
• [Presentation] エステル型プロドラッグ消化管吸収評価能の向上に向けたヒト小腸型CES発現Caco-2細胞の樹立 (2017)
  • Author(s): 石崎 裕馬、降幡 知巳、大浦 華代子、今井 輝子、細川 正清、秋田 英万
  • Organizer: 日本薬学会第137年会
• [Presentation] カルボキシルエステラーゼにより代謝活性化されるアトルバスタチンプロドラッグの設計 (2017)
  • Author(s): 堺 早知子、溝井 健太、高橋 正人、巾 正美、細川 正清
  • Organizer: 日本薬学会第137年会仙台
• [Presentation] Species Differences of mouse, cynomolgus monkey ans human carboxylesterase using atorvastatin esters with various steric ans electronic properties (2017)
  • Author(s): Sachiko Sakai, Kenta Mizoi, Masato Takahashi, Masami Haba, Yasuhiro Uno, Teruko Imai, Masakiyo Hosokawa
  • Organizer: he 32nd JSSX Annual Meeting, Tokyo,
• [Book] 医療薬物代謝学第2版 (2018)
  • Author(s): 細川正清他5名（山崎浩史、小沢正吾編集）
  • Total Pages: 116
  • Publisher: テコム出版事業部
  • ISBN: 978-4-86399-412-6
• [Book] 衛生薬学第6版 (2018)
  • Author(s): 細川正清他（永沼章、姫野誠一郎、平塚明編集）
  • Total Pages: 538
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 978-4-621-30178-4
• [Book] 薬学領域の病原微生物学・感染症学・化学療法学 (2018)
  • Author(s): 細川正清他{増澤俊幸、河村好章編集）
  • Total Pages: 497
  • Publisher: 廣川書店
  • ISBN: 978-4-567-52133-8