2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of novel methods for analysis and treatment of central nervous system based on protective groups controllable with photon and biomolecule
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18K06547
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| Research Institution | Osaka University of Pharmaceutical Sciences |
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Principal Investigator |
平野 智也 大阪薬科大学, 薬学部, 教授 (20396980)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光分解性保護基 / 蛍光 / 疾患治療薬 / がん / 中枢神経系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳の高次機能の礎となる中枢神経ネットワークの解析は、生理機能解析だけでなく疾患治療においても重要となる。こうした解析に用いられてきた蛍光センサーによるバイオイメージングや、オプトジェネティクスなどの従来の手法には根源的な問題がある。そこで本研究では、光を利用する従来の手法の、根源的な問題を解決した新たな手法の開発を行う。さらに得られた成果、分子ツールを疾患治療へと展開することも目指す。
本年度は、活性酸素種に応答する光分解性保護基の開発を行った。生体内において、過酸化水素、ヒドロキシラジカルなどの活性酸素種は、障害を引き起こす因子としてだけでなく、シグナル伝達分子としても機能することが報告されている。そのため、こうした活性酸素種を検出する蛍光センサーが開発され、その生理機能解析に応用されてきた。こうした活性酸素種が存在する環境選択的に機能する光分解性保護基は、生理機能解析だけでなく、活性酸素が過剰に存在する組織選択的に、疾患治療薬を放出する分子システムとなりえる。具体的には、過酸化水素によるアリールボロン酸エステルがフェノール類縁体へと変換される反応、ヒドロキシラジカルによるビフェニルエーテル構造がフェノール類縁体へと変換される反応を参考に、これらの活性酸素種存在下で機能する光分解性保護基をデザイン、合成した。合成した化合物の機能を解析した結果、活性酸素種と光照射という条件選択的に、光分解反応が進行し、望みの機能を持つことが明らかとなった。
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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
前項「研究実績の概要」に記したように、本年度は活性酸素種の存在する環境選択的に機能する光分解性保護基の開発に成功した。前年度に開発した、特定のpH領域にある環境選択的に機能する光分解性保護基と合わせて、特定の環境で機能する光分解性保護基群を開発に成功している。これらの分子の機能を光化学的に解析することにより、光誘起電子移動などの、蛍光を変化させる機構が、光分解性保護基の機能制御にも応用できることを見出した。こうした知見は、現在開発を進めている、金属イオンに応答する光分解性保護基だけでなく、様々な酵素、疾患特異的な外部環境変化に応答する光分解性保護基の開発にもつながる重要な知見となる。
さらに、昨年度、天然物由来の蛍光物質の誘導体から得られた新規環境応答型蛍光物質の生理機能解析の応用にも成功している。開発した蛍光物質は、溶媒の極性に応じて二波長の蛍光強度の比が変化する、水中でも強い蛍光を持つなどの有用な機能を有していた。この蛍光物質をアミノ酸側鎖に導入した分子を合成した。合成した蛍光アミノ酸誘導体を用いて、蛍光ラベル化ペプチドの合成法を確立した。その結果、例えば、カルシウムイオン存在下でカルモジュリンと相互作用するC5ぺプチドに導入した蛍光ペプチドを合成した。合成したペプチドは、カルモジュリン、カルシウムイオンがともに存在する環境選択的に二波長の蛍光強度比が変化し、望みの機能を持つことが明らかとなった。
こうした、光分解性保護基、蛍光物質という分子群の開発に成功していることから、本研究はおおむね順調に進行していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
疾患組織では癌における低pH、低酸素、興奮性中枢神経疾患における高濃度の金属イオンなど、健常組織と比較して異なる環境となることが多い。今後は、開発した光分解性保護基を治療薬等に導入することにより、以下に示す分子システムの構築と応用を行う。
低pHの環境選択的に機能する光分解性保護基に関しては、我々がこれまでに開発した、新たなメカニズムの乳がん治療薬となりえるヒストンメチル化酵素Set7/9阻害剤と組み合わせることにより、これまでにない治療効果が期待できる分子システムを構築する。
活性酸素種が存在する環境選択的に機能する光分解性保護基に関しては、強い紫外光が照射された環境選択的に、治療薬を放出する分子システムへと応用する。例えば、強力な紫外光が照射された皮膚は、活性酸素種と紫外光が共存する環境となる。そのような環境選択的に皮膚の保護作用を示す抗酸化剤や治療薬を放出する分子システムを構築する。
金属イオンに応答する光分解性保護基を用いて、新たな光機能性分子である蛍光インテグレーターの開発を行う。蛍光インテグレーターとは「カルシムイオンなどの測定対象」と「光照射」とが同時に存在する条件において光反応が起こり、不可逆的な蛍光変化が起こる分子である。特定の刺激により活性化する神経細胞を検出したい場合には、蛍光インテグレーターを導入した個体に対し、刺激と光照射を同時に行う。その瞬間に活性化し、高濃度のカルシウムイオンが存在する神経細胞中で光反応が起こり、不可逆的な蛍光変化が起こる。すなわち、一過性のカルシウムイオン濃度増大後も蛍光変化が持続するため、刺激と光照射を与えた瞬間に活性化していた神経細胞を蛍光によって写真のように保存することが可能となる。そのため十分な測定時間による、広範囲かつ高分解能な解析が可能となる。
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