窒素酸化物の生体内における動態と作用の診断法開発
Development of a diagnostic method of behavior of nitrogen oxides in vivo
研究代表者

東京大学大学院薬学系研究科

助手

小島宏建

Hirotatsu KOJIMA, Ph.D., Assistant Professor
Graduate School of Pharmaceutical Sciences, The University of Tokyo

和文アブストラクト
大気汚染の元凶物質である窒素酸化物の一種でしかなかった一酸化窒素が、1987 年にわれわれの体内において、血管弛緩作用による血圧調節機能を有する生理活性物質であることが発表された。本発見は 1998 年度ノーベル医学生理学賞が贈られるほど重大な発見であり、これを契機に、一酸化窒素は血管弛緩だけでなく、免疫系や神経系での情報伝達や細胞死の制御など様々な生命活動や疾患とも関わりがあることが報告され、研究領域が拡がった。すなわち、生体内一酸化窒素動態の異常は動脈硬化、高血圧症、虚血疾患、呼吸器疾患、感染・炎症疾患、脳梗塞、痴呆症、アルツハイマー病、発癌など、数多くの疾患と関わっている。
そこで私は一酸化窒素の体内挙動を体外から生体を傷付けずに調べる方法を開発すべく、その光診断薬開発を行ってきており、これまでに当初計画通りの試作分子の開発に成功した。今後、上記疾患の診断に実用化できるよう、試験と改良を重ねたい。
Abstract

Nitrogen oxides (NOx) have been notorious air pollutants. In 1987, it wasrevealed that one of nitrogen oxides, nitric oxide (NO), is a relaxing factor of our bloodvessels. This finding is so important that a Nobel prize was awarded to the threeresearchers in 1998. The production of NO in neuron and immune cells was also
confirmed, and many physiological functions of NO have been reported. Namely,
abnormal production of NO is surely related to various diseases. Therefore, I havebeen developing novel fluorescent indicators for detecting NO from the outside of ourbodies, which should be useful for the diagnosis. I designed and synthesized
fluorescent compounds as the scaffolds last year. I will make them fit for practical use.

が、1987 年にわれわれの体内において、１．研究目的大気汚染の元凶物質である窒素酸化物

血管弛緩作用による血圧調節機能を有すの一種でしかなかった一酸化窒素（NO）る生理活性物質であることが発表された。

-1-

本発見は 1998 年度ノーベル医学生理学

将来性・発展性の観点から蛍光センサー賞が贈られるほど重大な発見であり、こ分子を用いた新しい画像化法を開発するれを契機に、NO は血管弛緩だけでなく、ことを選んだ。従来の画像診断法は形態免疫系や神経系での情報伝達や細胞死のを観察するためのものであるが、私が目制御など様々な生命活動や疾患とも関わ標とする蛍光画像化法は個々の生体物質りがあることが報告され、研究領域がまの動的挙動、すなわち、状態を観察できすます拡がった。すなわち、生体内におる画期的なものである。画像診断法は X

ける NO 動態の異常は動脈硬化、高血圧線撮影のみの時代から、近年の医療技術症、虚血疾患、呼吸器疾患、感染・炎症進歩は目覚ましく、PET や MRI が出現し、疾患、脳梗塞、痴呆症、アルツハイマーそれらの威力が発揮されている。電磁波病、発癌など、数多くの現代成人病と関計測法のうち、X 線などの短波長領域とわっているのである。

MRI に用いる長波長のラジオ波領域が実

そこで私は体内における NO の挙動を用化され、この間の化学や物理で最も広体外から生体を傷付けずに調べる方法をく用いられ、実生活でも非常に馴染みが開発したいと考えた。すなわち、近年、ある紫外～可視～近赤外～赤外領域の光各種画像診断法が開発され、医療の現場は生体を構成する成分に吸収されやすく、でその威力が発揮されていることと併せ、生体組織を透過しにくいため、ほとんどNO を生体内で高感度検出し、画像化で利用されてこなかった。しかし、最近のきる診断法を確立すれば、これら病態のレーザー技術発達による光強度改善や、早期発見や治療に大きく貢献できるもの

コンピューターを利用する画像解析技と考え、NO 画像診断薬の開発を本研究

術・装置の急速な発展により、光を用い目的とした。高齢化社会を迎えている今、る高感度測定が可能になってきた。特に、前述の現代成人病と関わる NO 臨床診断

650～800 nm 付近の近赤外領域はヘムや法の確立は社会的な要請からも、緊急性水による吸収が比較的小さくなっているの高い重要な研究課題である。さらに、ことが知られるため、その波長域で励NO が生成されたまさにその部位で検出起・蛍光検出できるような NO 蛍光セン

できれば、神経伝達や記憶形成におけるサー分子を創製すれば、上記生体内観察

NO の作用機序の解明など、21 世紀の科の目的を達成できるものと考え、研究を学といわれる脳研究への寄与も期待できスタートした。
本研究開始までに私どもは新規 NO 検る。

出法として DAF 類（Kojima et al. Anal.
２．研究経過Chem. 1998, Kojima et al. Angew. Chem. Int.

既存の生体内画像化法には数種類ある

Ed. 1999）、DAR 類（Kojima et al. Anal.

が、放射線被曝のない人体と環境への安Chem. 2001）、DAMBO 類（Gabe et al. J.

全性と空間高分解能、NO 選択性を付与

Am. Chem. Soc. 2004）という蛍光センサするための化学的修飾が可能な点などのー分子の開発に成功している（図 1）。こ-2-

れらは生理的条件下 NO とその選択的な近赤外蛍光が増大する期待通りの性能を捕捉部位である芳香族ジアミンと反応し有していることが判明し、実験動物であて、トリアゾール環を生成し、蛍光スイるラットの摘出腎臓に図 3 の灌流システッチが入るように設計されたセンサー分ムで流したところ、腎臓内部が DAC で子であるが、450～600 nm の可視光域で染まり、簡単に色素を負荷できることがの励起蛍光のため、生体組織透過性が低分かった。

く、生きたままの生物個体に適用することは困難であると判断した。

図 3
図1

ラット摘出腎臓を用いた ex vivo

蛍光イメージングシステム

これまでに開発した NO 蛍光センサ

その後、NO 発生剤やアセチルコリンー分子溶液を同じように灌流し、腎内部におい
そこで私は近赤外域で励起可能で蛍光て NO が生成する条件にすると、生成すを発する蛍光団としてシアニン色素を採る NO を腎臓の外部から蛍光像として用し、NO を選択的に捕捉する芳香族ジ時々刻々と可視化することに成功した。

アミンを結合し、図 2 のジアミノシアニ

さらなる実用化のためには、高感度化ン（DAC）を分子設計し、化学合成するが必要であると判断し、NO を捉える仕ことに成功した。

組みを変更し、化学的に NO を直接捉えるラジカル分子 PTIO を蛍光団に繋いだ分子を設計した。上述のジアミン型分子
は酸素存在下、NO が速やかに酸化を受けて生成する NO+相当種を捉える仕組みで機能しているのに対し、より直接的にNO ラジカル自身と反応するセンサー分子の合成を試みた。合成後、NO と反応図2させたところ、NO との反応で嫌気条件

近赤外 NO 蛍光センサー分子 DAC の下においても、蛍光強度が上昇すること合成が分かり、NO を直接捉えることのできる分子を創製することができた。

DAC と NO を反応させると 790 nm のさらに、図 2 に示した本研究成果であ-3-

る DAC 分子の発展として、分子を改変正しいことがわかり、さらなる研究の推し、生体内で近年その働きが注目されて進による診断薬開発の可能性が現実的といる亜鉛イオンをターゲットとするシアなった。

ニン色素を有するセンサー分子の開発も私の目指す研究の最終目標はヒトのた行った。NO 反応部位を金属キレーター

めの全く新しい光診断法の開発である。に置き換え、DIPCY と名付けた分子を創すなわち、体内における生体分子の動的製した。本分子に亜鉛イオンを添加する

挙動を体外から、体を傷つけることなく、と約 45 nm の極大吸収波長の変化を起こ蛍光観察技術を用いて診断できるようにすため、励起波長変化型の 2 波長測光型したいと考えている。そのためには、生の機能を有することが分かった。2 波長体分子を測定できる近赤外蛍光センサー測光することで、センサー分子の濃度分分子を診断薬として発展させ、提供しな布を補正することが可能になるため、よければならない。しかし、診断薬としてり正確な測定を行うことができる。

完成させるには、センサー分子の感度等の性能や体内動態、安全性を検討する必要がある。
今後、センサー分子の生体内における詳細な性能評価を行い、その評価結果を分子設計にフィードバックして、さらなる感度向上を行い、NO や亜鉛イオンの他、生体内で機能している酵素を含めた重要な分子の機能を可視化できる真に実用的な分子を開発したいと考えている。

図 4 近赤外亜鉛イオンセンサー分子

５．発表論文リスト

３．研究成果

Sasaki, E., Kojima, H., Nishimatsu, H.,Urano, Y., Kikuchi, K., Hirata, Y., Nagano,T.
Highly sensitive near-infrared
fluorescence probes for nitric oxide andtheir application to isolated organs. J.
Am. Chem. Soc., 127, 3684-3685, 2005.

光透過性が高く、生体イメージングに応用が期待される近赤外 NO 蛍光センサ
ー分子および亜鉛イオンセンサー分子、さらに、NO 自身を捉える蛍光センサー分子を創製することに成功した。
４．今後の課題と発展

Kiyose, K., Kojima, H., Urano, Y., andNagano, T.
Development of aratiometric fluorescent zinc ion probe innear-infrared
region,basedontricarbocyanine chromophore. J. Am.
Chem. Soc. 128, 6548-6549, 2006.

近赤外蛍光を利用することで、生体組織の内部の NO を外部から蛍光観察できることが上述のごとく実証できたため、本研究の土台となるアイデアと方向性が-4-