アミノペプチダーゼ活性解析を可能にする動的核偏極分子プローブの開発と生体応用

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K15396
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 齋藤 雄太朗 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10846281)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 超偏極分子プローブ / アミノペプチダーゼ

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、生体深部の分子計測の有力な手法である核磁気共鳴(NMR/MRI)を用いたアミノペプチダーゼの活性解析法の確立を目指した。NMRにおける最大の欠点は「感度の低さ」であるが、それを克服する動的核偏極 (DNP)を用いることで生体深部での分子観測が可能になる。一方で、 DNP-NMR分子プローブの設計指針は確立されておらず、in vivoでアミノペプチダーゼ活性を検出した例はない。そこで、in vivoで機能するDNP-NMR分子プローブの開発と化学的設計指針の確立を目的として研究を行った。
まず、がんの悪性度や転移、血管新生に深く関わるアミノペプチダーゼN (APN)の活性を検出する分子プローブの開発を行った。酵素反応速度に着目し、ミカエリス定数Kmを小さくする分子設計の指針を得るため、量子化学計算を行った。得られた指針から有機合成によって最適分子構造探索を行い、最終的にAla-[1-13C]Gly-d2-NMe2を分子プローブとして見出した。本分子プローブは非常に大きい酵素反応速度を示し、担がんマウスモデルにおいて生体内APN活性検出に成功した。本分子プローブを用いることで、APN阻害剤によるAPN活性低下の検出や腫瘍内APN活性マッピングに成功した。
さらに開発した分子プローブは、十分に長い高感度化寿命、十分に大きな化学シフト変化、高い水溶性、低毒性などin vivoで用いるDNP-NMR分子プローブとして優れた性能をもっていることが明らかになった。
本研究成果は、人工的に設計されたDNP-NMR分子プローブが生体内で機能することを示すものであり、分子設計の有用性を実証することができたと考えている。この成果はScience advances誌に掲載された。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 国立衛生研究所(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: 国立衛生研究所
• [Journal Article] Structure-guided design enables development of a hyperpolarized molecular probe for the detection of aminopeptidase N activity in vivo (2022)
  • Author(s): Yutaro Saito, Hiroyuki Yatabe, Iori Tamura, Yohei Kondo, Ryo Ishida, Tomohiro Seki, Keita Hiraga, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Keisuke Saito, Nobu Oshima, Hiroshi Ishikita, Kazutoshi Yamamoto, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
  • Journal Title: Science advances Volume: 8 Pages: eabj2667
  • DOI: 10.1126/sciadv.abj2667
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure-based relaxation analysis reveals C-terminal [1-13C]glycine-d2 in peptides has long spin-lattice relaxation time that is applicable to in vivo hyperpolarized magnetic resonance studies (2022)
  • Author(s): Yohei Kondo, Yutaro Saito, Tomohiro Seki, Yoichi Takakusagi, Jumpei Morimoto, Hiroshi Nonaka, Koichiro Miyanishi, Wataru Mizukami, Makoto Negoro, Abdelazim Elsayed Elhelaly, Fuminori Hyodo, Masayuki Matsuo, Natarajan Raju, Rolf Swenson, Murali C. Krishna, Kazutoshi Yamamoto, Shinsuke Sando
  • Journal Title: ChemRxiv Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-tfkk1.
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evaluation of enzymatic and magnetic properties of γ-glutamyl-[1-13C]glycine and its deuteration toward longer retention of the hyperpolarized state (2021)
  • Author(s): Yohei Kondo, Yutaro Saito, Abdelazim Elsayed Elhelaly, Fuminori Hyodo, Tatsuya Nishihara, Marino Itoda, Hiroshi Nonaka, Masayuki Matsuo, Shinsuke Sando
  • Journal Title: RSC advances Volume: 11 Pages: 37011-37018
  • DOI: 10.1039/D1RA07343E.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 複数種のアミノペプチダーゼ活性を検出可能な超偏極分子プローブの設計 (2021)
  • Author(s): 谷田部 浩行・田村 伊織・近藤 洋平・江口晃弘・高草木 洋一・石田 諒・山本 和俊・Murali C. Krishna・齋藤 雄太朗・山東 信介
  • Organizer: 日本化学会第100春季年会
• [Presentation] Development of hyperpolarized molecular probes for in vivo detection of peptidase activities (2021)
  • Author(s): Yutaro Saito, Hiroyuki Yatabe, Iori Tamura, Ryo Ishida, Yohei Kondo, Tomohiro Seki, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Kazutoshi Yamamoto, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 緩和機構の理解に基づく実用的な量子超偏極-核磁気共鳴分子プローブの設計 (2021)
  • Author(s): 谷田部浩行・近藤洋平・田村伊織・石田諒・関智宏・高草木洋一・大嶋野歩・兵藤文紀・松尾政之・山本和俊・Murali C. Krishna・齋藤雄太朗・山東 信介
  • Organizer: 第3回量子生命科学会
• [Remarks] 東京大学工学部プレスリリース
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-03-31-002?hsLang=ja
• [Remarks] 量子科学研究開発機構プレスリリース
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/press/20220331-1.html
• [Remarks] 日本経済新聞オンライン
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGXZRSP629377_Z20C22A3000000/