分子を透過させる膜からなる糖鎖ベシクルを開発

ポイント

• オリゴ糖とポリプロピレングリコールからなる両親媒性ポリマーが、物質透過性を示す糖鎖高分子ベシクルを形成することを初めて明らかにした。
• 酵素を封入させた糖鎖高分子ベシクルは、血中投与によりがん組織周囲に集まり、その場で酵素反応により抗がん剤を合成、放出する医療用ナノデバイス（ナノファクトリー）として機能し、抗腫瘍効果をもたらすことをマウスで明らかにした。
• 疾患部位で薬を合成する技術は、より優れた治療効果、低い副作用をもたらす医療技術につながることが期待される。

＜研究の背景と経緯＞

リン脂質からなるリポソームやポリマーからなるポリマーベシクルは、内水相^注８）を持つ中空状の集合体として知られています。生体内の細胞やオルガネラのように内水相空間に酵素などの生体高分子を封入することが可能で、酵素反応場やドラッグデリバリーシステム（ＤＤＳ）における酵素キャリア、さらには人工細胞モデルとして応用研究が進められています。しかし、リポソーム、ポリマーベシクルのいずれも、物質の透過能が著しく低いという欠点があります。そのため、内包された酵素基質やエネルギー源が枯渇すると反応が停止し、長期的に反応を進行させることが困難でした。従って、ポリマーベシクルなどの中空状集合体を酵素反応場として利用する上で、透過能の付与は大きな課題でした。

＜研究の内容＞

（１）物質透過性高分子ベシクルの開発

本研究グループは、新たにオリゴ糖とポリプロピレングリコールからなる両親媒性ポリマーを設計しました（図１Ａ）。このポリマーは、水溶液中で自発的に分子が集合し、糖鎖高分子ベシクルを形成することを電子顕微鏡観察（図１Ｂ）および放射光Ｘ線小角散乱測定^注９）（図１Ｃ）から明らかにしました。また、この糖鎖高分子ベシクルは、分子量の大きなタンパク質・酵素などは内水相に保つことができ、低分子量の化合物は二分子膜を透過する“物質透過性”を持つことを見いだしました。

（２）基質を外部から供給し得る酵素反応場として機能

高分子ベシクルが持つ物質透過性を利用すれば、新たに開発した高分子ベシクルは、外部から基質を供給できる酵素反応場として機能します。実際に、モデル酵素であるβ－ガラクトシダーゼをベシクルに内包させ、加水分解されると蛍光を示す基質を外部から添加すると、基質が二分子膜を透過し、内水相にあるβ－ガラクトシダーゼによって加水分解を受け、蛍光を示すことが分かりました（図２）。この酵素反応場としての機能は、β－ガラクトシダーゼに限らず、生化学実験で汎用的に用いられるα－キモトリプシンやペルオキシダーゼなどの酵素にも適応できるうえ、緩衝液中のみならず、より夾雑な環境下である細胞内でも保たれています。

（３）酵素搭載型新規治療用ナノファクトリーとして機能

従来の抗がん剤治療は、がん組織のみならず正常組織にも作用するため、極めて強い副作用をもたらします。従って、抗がん剤治療において副作用の低減は、喫緊の課題です。そこで、物質透過性高分子ベシクルが持つ酵素反応場としての機能を利用して、がん組織周囲で抗がん剤を合成することに応用しました。がん組織を移植した担がんマウス^注１０）に、酵素内包高分子ベシクルを投与すると、ベシクルががん組織周囲に集積します。その後、抗がん剤であるドキソルビシンのプロドラッグを投与すると、がん組織周囲に集積していた酵素内包高分子ベシクルが、プロドラッグをドキソルビシンへと変換し、優れた抗腫瘍効果をもたらしました（図３）。また、体重減少や臓器毒性などの副作用も検出されないことも分かっています。このことから、今回開発した高分子ベシクルは、薬物をがん組織周囲で合成、放出し得る酵素搭載型新規治療用ナノファクトリー（Ｂｉｏ－ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ Ｎａｎｏｆａｃｔｏｒｙ）として機能することを明らかにしました。ナノファクトリーによる治療の概念は、２００７年のＮａｔｕｒｅ ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ誌で他の研究者グループから提案されていましたが、これまで実際にナノファクトリーとして機能する材料の報告はなく、今回開発した高分子ベシクルが世界で初めてナノファクトリーを実現した材料となります。

＜今後の展開＞

本研究では、オリゴ糖とポリプロピレングリコール鎖からなる両親媒性ポリマーが、物質透過性を持つ高分子ベシクルを形成することを初めて見いだしました。通常の高分子ベシクルは、物質透過性を全く示さないことから、今回開発した高分子ベシクルは、新たな分子集合体として材料科学の発展に寄与することが期待されます。また、酵素は、食品、洗浄、診断薬、医薬品と幅広い分野で用いられています。本研究で開発した物質透過性を持つ高分子ベシクルを利用すれば、酵素をベシクルで保護することができ、酵素反応を長期・安定的に進行させる技術への応用が期待されます。さらに、内包させる酵素を変えることで、様々な基質に対応でき、がんのみならず様々な疾患に対して有効な治療法の開発にもつながると期待できます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 物質透過性

ベシクルの膜が分子を透過させる性質

注２） 糖鎖高分子ベシクル

糖鎖修飾両親媒性ポリマーが、自発的に集合して球状に閉じた膜構造を持つ中空状集合体

注３） プロドラッグ

生体内で代謝されることにより薬効を現すような化学構造をした薬剤

注４） ナノファクトリー

生体内の疾患部位で、薬を産生または、不要な物質を分解・代謝するナノデバイスで、２００７年のＮａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ誌で提案された概念

注５） リポソーム

脂質人工膜の一種で、リン脂質が、水溶液中で自発的に集合し球状に閉じた中空状集合体

注６） 両親媒性ポリマー

親水性のセグメントと疎水性のセグメントが１本のポリマー中で結合した化合物

注７） ドラッグデリバリーシステム

薬剤を患部に選択的に送達することで、副作用を低減しながら治療効果を高める医療技術

注８） 内水相

リポソームやベシクルが持つ、溶媒で満たされた内部空間

注９） 放射光X線小角散乱測定

ＳＰｒｉｎｇ－８やあいちシンクロトロン光センターなどの放射光施設から生み出される高輝度のＸ線を用いて、散乱角が数度以下の散乱Ｘ線を観察することにより、分子集合体のナノスケールの構造情報を得る手法

注１０） 担がんマウス

がん組織を皮下などに移植したマウス

＜付記＞

放射光X線小角散乱による分子集合体の構造解析には、あいちシンクロトロン光センター ＢＬ８Ｓ３およびＳＰｒｉｎｇ－８ ＢＬ４０Ｂ２の最先端設備が活用されています。

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