2021 Fiscal Year Annual Research Report
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20H02863
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
田邉 一仁 青山学院大学, 理工学部, 教授 (40346086)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 低酸素細胞 / 人工核酸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核酸医薬は核酸を標的とし、遺伝子を制御することができるため、筋ジストロフィーなどの難治性疾患の治療を可能にし、次世代の治療薬として注目されている。一方、核酸は、細胞を選ばずに細胞に取り込まれるため、疾患に選択的な細胞への取り込みの実現と機能発現が課題とされてきた。
本研究では、固形癌に発現する低酸素細胞に着目した。固形がんでは、細胞増殖と血管新生の不均衡による供給酸素量の不足により低酸素細胞が形成される。2021年度は、こうした病的な低酸素状態の細胞に選択的に蓄積し、機能する人工核酸の開発を目指した。
ニトロ基還元酵素（NR）は低酸素細胞内で活性化することが報告されている。我々は、NRの基質となる官能基をODNに組み込むことで、低酸素細胞の中でODNの機能を選択的に制御できると考えた。具体的には、我々の研究グループで報告してきた両親媒性ODNsから成る会合体の高い細胞膜透過性を活用することとした。NR応答部としてチミジン塩基部分にアルキル鎖を備えたニトロベンジル基をもつチミジン誘導体（dNBT）を合成し、さらにDNA自動合成法を用いることでDNA鎖の中に組み込んだ。得られたN-ODNをNRと混合し、疎水部の脱離反応が進行するかを高速液体クロマトグラフィー（HPLC）により追跡した。その結果、低酸素環境下で疎水部の脱離反応が効率よく進むことを確認した。また、蛍光色素を備えたN-ODNを別途合成し、その挙動を蛍光顕微鏡を用いて追跡した。その結果、N-ODNは会合体形成を形成し、ヒト肺がん細胞A549に速やかに取り込まれた。細胞内の酸素濃度を変えたところ、低酸素細胞にN-ODNが選択的に蓄積することを明らかにした。
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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
本研究では、低酸素細胞内で駆動する診断薬および治療薬の創出を目的として機能性分子の開発研究を進めている。2021年度は、次世代の細胞制御因子として期待される機能性DNAオリゴマーやRNAオリゴマーを低酸素細胞内で駆動させるべく、DNAオリゴマーの化学修飾を進めた。その結果、ニトロリダクターゼの基質となるニトロベンジル基を備えた人工核酸(N-ODN)の合成に成功した。また、N-ODNは高い選択性を持って低酸素細胞に蓄積した。得られたN-ODN以下のメカニズムで低酸素細胞に蓄積すると考えられる。ニトロベンジル基を備えた核酸塩基dNBTは疎水性を示すことから、得られたODNs（N-ODN）は両親媒性を示し、水溶液中で疎水部を中心とした会合体を形成する。会合体は高い細胞膜透過性をもつため、N-ODNから成る会合体は細胞内に蓄積する。会合体が低酸素細胞内に取り込まれるとNRによりdNBTが活性化され、アルキル鎖とニトロベンジル基が除去された無置換鎖が生成する。その結果、N-ODNsは両親媒性を失い、会合体が不安定化する結果、低酸素細胞内に会合体が残留する。一方、会合体が有酸素細胞に取り込まれても、会合体は安定に形成し続けるため、しばらくすると細胞から排出される。
このN-ODNを用いて、低酸素細胞選択的な遺伝子制御が可能となる上、DNA部に蛍光色素などの情報発信分子を導入することによって分子イメージングが可能になると期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
得られた人工核酸N-ODNの配列を多種変更することによって、低酸素細胞での遺伝子発現抑制を検討する予定である。すなわち、低酸素細胞の治療薬としての開発を進める予定である。また、フルオレセイン等の蛍光色素や19F分子を導入することによって、蛍光法やMRIによって低酸素細胞を検出する診断薬としての機能を調べていく。得られたデータを分子設計にフィーd－バックし、より効率よく低酸素細胞に蓄積して機能する人工核酸を開発していく予定である。
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