2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of porphyrin photosensitizers for photodynamic therapy
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17H03086
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
平川 和貴 静岡大学, 工学部, 教授 (60324513)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村上 浩雄 浜松医科大学, 医学部附属病院, 助教 (10432212)
金山 尚裕 浜松医科大学, 医学部, 副学長 (70204550)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光線力学的療法 / ポルフィリン / 活性制御 / 電子移動 / タンパク質損傷 / 一重項酸素 / 細胞毒性 / がん細胞選択性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
がん細胞選択的に治療効果を示す光増感剤を創成することを目標に研究を進めた。光増感剤の注射と内視鏡による可視光照射でがんを治療する光線力学的療法は、活性酸素によるがん細胞の酸化を原理としているため、低酸素状態のがんには効果が限られている。
そこで、酸素がなくても電子移動で酸化ダメージを与える光増感剤を設計し、メソ位のベンゼン環をメトキシ基で置換したポルフィリンのリン錯体を合成した。およそ650 nmの可視光照射でタンパク質のアミノ酸残基を電子移動で酸化損傷することを確認した。また、ヒト皮膚由来の培養細胞には、ほとんど光毒性を示さず、ヒト子宮頚部がんと肺がんに由来する細胞には、顕著な光毒性を示した。さらに、動物実験でも従来薬以上の抗腫瘍効果を確認した。昨年度、これらのポルフィリンの置換基を替えたポルフィリンを合成し、吸収波長と酸化還元電位（光酸化力）との関係を実験で明らかにした。また、軸配位子にエトキシ基をもつポルフィリンとそのフッ素導入化合物の自己凝集を利用したがん細胞選択性の制御を分光学的測定とタンパク質の光酸化損傷の評価で明らかにした。
引き続き、上記リンポルフィリンとカチオン性のフリーベースポルフィリンに電子ドナーを導入し、pHで活性制御可能となる光増感剤を設計・合成した。がん細胞内は、正常細胞内よりもわずかに酸性（低pH）であることを利用し、がん選択性を実現するアプローチである。昨年度合成した光増感剤では、実際のがん細胞と正常細胞の境界に近いpH 5～7付近で活性酸素生成作用や電子移動を引き起す作用を制御できることを励起状態の寿命測定、一重項酸素由来の発光測定で明らかにした。これらのポルフィリンでは、高pH（中性付近）において、分子内電子移動による励起状態の失活が完全ではないが、電子移動速度定数や量子収率等の今後につながる物理化学的な物性値を明らかにできた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の目的は、長波長可視光を吸収し、低酸素でも有効な電子移動で作用するがん光線力学的療法用光増感剤の創成である。
昨年度、培養細胞におけるがん細胞選択性と、マウスを用いた実験で従来薬以上の抗腫瘍効果を示す光増感剤を報告した。当該年度、そのポルフィリン光増感剤を基に新たな光増感剤を合成し、自己凝集により活性がOFFとなり、ターゲットとなるタンパク質に結合すると活性をONにできることを明らかにした。また、これらの光増感剤は、ヒトの皮膚に由来する不死化細胞（正常細胞モデル）に対し、暗所毒性を示さず、光照射下でのみ細胞毒性を示すことを明らかにした。この光毒性のメカニズムは、細胞内DNA損傷ではないため、正常細胞をがん化する可能性は低く、安全性が期待される。
さらに、リンポルフィリンの吸収波長と酸化還元電位における置換基効果、ポルフィリン多量体の物性を分光学および電気化学的測定で評価し、今後につながる分子設計の指針を得た。
また、引き続き、電子ドナーを結合したポルフィリン光増感剤の改良型を合成し、がん細胞内のわずかな低pH環境を利用した活性制御を検討した。フリーベース型ポルフィリンでは、pH 5付近での活性制御が可能なことを確認し、リンポルフィリンでは、pH 7付近での活性制御を確認した。いずれも電子移動を利用した活性のOFF→ON制御であり、がん細胞内のpH付近で活性制御が可能となる原理を確認できた。しかし、中性領域でも活性が完全にOFFにすることができず、今後、電子移動を利用した励起状態の完全な失活を目指して研究する必要がある。
本研究の最終的な目標に向かって得られた成果は、査読付き論文や著書、学会で発表し、順調な進捗状況といえる。現在、電子移動を利用した活性制御では改良の余地があり、以上の成果は、「おおむね順調に進展している」と自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の目標は、さらに長波長域の可視光に応答して電子移動機構で作用する、より治療効果が高い光増感剤を創成することである。さらに、腫瘍（がん）選択性を向上した光増感剤を開発する。昨年度までの研究で、リンポルフィリンの置換基による、吸収波長と光酸化力への効果を明らかにした。そこで、現在までの知見で最も長波長に応答し、電子移動酸化が可能と考えられるリンポルフィリン誘導体とカチオン性のフリーベースポルフィリンを基にして、活性制御を研究する。また、基礎研究のため、ハロゲンを導入した亜鉛ポルフィリンを合成し評価する。
昨年度、単量体だけでなく、がん細胞への取込促進が期待できる三量体や五量体を合成したが、励起状態の短寿命化が課題であった。長寿命化が期待できる二量体と三量体の設計を進めており、今年度合成する。
また、積極的ながん選択性実現のため、pH応答性を利用した活性制御を引き続き推進する。これまでの研究で、電子ドナーを利用した活性制御を試みてきた。活性が切り替わるpHは、順調に制御できているが、活性のOFFの状態が不完全なため、さらに分子内電子移動を促進して効率的に消光できる電子ドナーの導入を行う。そこで、電子ドナーには、これまでのピリジンに替え、置換基をもつピリジンやアニリン誘導体を利用する。昨年度、計算機シミュレーションによる物性予測を高精度で行えるようにしており、これを活用して効率的に設計を進める。合成した光増感剤の評価は、タンパク質の酸化損傷、酵素活性の失活評価や活性酸素の定量を中心に行う。
昨年度までと同様に、分子レベルで優れた作用を確認できた光増感剤は、培養細胞レベルで評価する。細胞レベルでは、活性制御を決める因子が複雑になるため、基礎物性との相関の解析やシミュレーションによる研究も併用する。これらの研究で、効果が確認できた光増感剤を用い、動物実験による評価へつなげる。
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