多孔性配位高分子を利用した個別化 OTC 医薬品開発
大阪医科薬科大学 薬学部 製剤設計学研究室
かどた

門田かずのり和紀

准教授

調査・研究課題
多孔性配位高分子を利用した
個別化 OTC 医薬品開発
大阪医科薬科大学 薬学部

調査・研究

実施者氏名

門田和紀

【要旨】
金属イオンと有機配位子から構成され、化学組成と細孔構造が他の多孔性物質に比べても類を見ない程の調整可能な特性を有する多孔性配位高分子（porous coordination polymer：PCP）は、近年その多様で柔軟な構造設計性のため、医薬品等を貯蔵させ、運搬する DDSキャリアとして注目されている。本研究では、医薬品に含まれる有効成分に対して、その有効成分の保持、輸送、放出を担うドラッグデリバリー製剤の媒体としての開発の可能性について精査し、その有用性について明らかにした。中でも、PCP の一つであり、近年研究が始められている生分解性のシクロデキストリン (CD) とカリウムによる多孔性金属錯体 (metal-organicframeworks：MOF) の CD-MOF は、シクロデキストリン内に疎水性化合物を、多孔性金属錯体内に親水性化合物を保持することができるため、多成分の OTC 有効成分を含有することが期待できる。CD-MOF の作製方法は通常、蒸気拡散法が知られているが、この作製方法では1 週間程の作製期間を要する。そこで、申請者は噴霧乾燥法を利用したアモルファス－結晶間相転移に着目し、短時間で CD-MOF を作製することに成功した。また、その作製した CD －MOF は、通常の蒸気拡散法と比較し、高含量の薬物を内包することが可能であった。本研究により、薬物の DDS キャリアとして CD-MOF の噴霧乾燥法粒子は、親水性及び疎水性薬物を瞬時に高含量で内包することが可能であり、その結晶構造によっては薬物の放出制御も期待される。本技術は、親水疎水に関わらず薬物を高含量で内包することが期待できるため、OTCの製剤化にとって広く応用されることが期待できる。

１、調査・研究目的
近 年、 金 属イオンと多官 能 性の有 機 配 位子からなる金 蔵 有 機 構造 体 ( Metal-OrganicFramework : MOF) は、細孔の大きさや形を制御できることに加えて、有機－無機のハイブリッド化の特性を有することから従来の多孔性物質とは異なる新たな材料創製の可能性を秘めているとして盛んに研究が行われている [1]。MOF については構造設計性が高く、柔軟な構造をもつために分子貯蔵に優れており、製剤設計においても近年注目を集めている。特にナノキャリアとして DDS 製剤への適用が試みられている [2]。

92MOF の中でも、環状のオリゴ糖であるγ - シクロデキストリン (γ- CD) とカリウムから構成され、生体適合性や生分解性に優れる CD-MOF は、図 1 に示すように 6 個のγ - CD から構成される立方体状の (γ- CD)₆ ユニットが体心立方格子の結晶構造をとる [3]。γ- CD の環状分子構
造の外部は親水的であるのに対して、内部は疎水的であるため、(γ- CD)₆ ユニットの中央部には親水性細孔、ユニット間の接合部には疎水性細孔が形成され、それらが交互に連結している。
この構造により、親水性および疎水性の両薬物を内包できる可能性を秘めている。従来の CDMOF の合成法には蒸気拡散法が採用されていた [4] 。蒸気拡散法ではγ -CD と KOH を [K]/[γ - CD]=8 で調製した水溶液に対してメタノールを蒸気で供給することによって結晶が得られる。
しかし、結晶が析出するまでに数日から数週間に及ぶ比較的長い時間を要する。γ- CD と KOH水溶液に CD-MOF が不溶な溶媒としてエタノールを直接添加する貧溶媒晶析法を用いたとしても、なお 1 日程度の時間を要する [5]。そこで、本研究では初めに比較的短時間で作製できる噴霧乾燥法による CD-MOF の作製法について検討した。その後、噴霧乾燥法を用いて、様々な薬物について噴霧乾燥法により作製し、その結晶構造変化及びその製剤中に含まれる薬物含有量について評価した。

２、調査・研究方法
2-1

蒸気拡散法及び貧溶媒晶析法による CD-MOF 製剤調製
KOH (8.0 mmol) 及びγ- CD (1.0 mmol) を含む 15mL の水溶液に過剰なメタノールを拡散させた。その後 1 週間放置し、生成した CD-MOF 粒子を回収した。また、貧溶媒晶析
法によって CD-MOF を作製するために、KOH (200 mM ) 及びγ- CD (25 mM ) を精製水 60mL に溶解し、その後エタノールを 40 mL 添加し、一日室温で放置した後、生成した CDMOF 粒子を回収した。いずれの方法も、比較的水への溶解性が高いレボフロキサシン、テオフィリンを親水性薬物のモデルとして、水への溶解性が低いケトコナゾールを疎水性薬物のモデルとして使用した。
2-2

噴霧乾燥法による CD-MOF 製剤調製
噴霧乾燥法は連続フロー式の時間分解プロセスのため、合成規模は流量および操作時間に左右される。これまで噴霧乾燥法により MOF 合成に成功した例として、有機系の液体原料（スラリー）を粉末化して凝集体の MOF を得る方法が知られている [6]。ここで、KOH 及びγ- CD を含む前駆溶液を用意し、その溶液を噴霧乾燥させることで CD-MOF の凝集体を得ることとした。この際、エタノール濃度を変化させ、CD-MOF に対して貧溶媒効果として作用させることでスラリー状態とし、噴霧乾燥粒子を作製した。噴霧乾燥条件は入口温度 130℃ 、出口温度 57-67℃、噴霧液速度 5.5 mL/min、噴霧空気量 473 L/h とした。

932-3

物理化学的特性
得られた粒子の粒子形態については走査型電子顕微鏡 ( Miniscope®TM3030) 、結晶性については粉末 X 線回折測定 ( Powder X-ray diffraction patterns: PXRD) を用いて評価した。また、Brunauer-Emmett-Teller ( BET) 法により比表面積測定を行った。さらに、噴霧乾燥粒子の薬物含有量を HPLC により測定した。

３、調査・研究成果
3.1各製法により作製した CD-MOF 粒子
図 1 に各製法（蒸気拡散法、貧溶媒晶析法、噴霧乾燥法）の概略を示す．各製法で作製した SEM により観察された CD-MOF の粒子形態を図 2 に示す。CD-MOF の合成法として、一般的に蒸気拡散法が利用されている。蒸気拡散法ではγ-CD と KOH を [ K]/[γ-CD] = 8 で調製した強塩基性水溶液に対してメタノールまたはエタノールを蒸気で供給することによって白色の結晶が得られる。しかし、この方法では結晶が析出するまでに数日から数週間に及ぶ比較的長い時間を要する。また、CD-MOF 内への薬物含量についても非常に低い。γ-CD と KOH の強塩基性水溶液に CD-MOF が不溶な溶媒としてエタノールを直接添加する貧溶媒晶析法を用いれば、合成時間を相当短縮できるが、それでもなお 1 日程度かかり、薬物含量についても比較的小さい。一方、噴霧乾燥法で作製した CD-MOF粒子は、シングルミクロンの低密度で球形の微粒子となった。それぞれ作製した CD-MOFの粒子形態を比較すると、蒸気拡散法により調製した粒子は多面体、貧溶媒晶析法により調製した粒子は立方体であったのに対し、噴霧乾燥粒子は粒子径が小さく球形構造を示した。これは、噴霧乾燥法では、高圧で微細化された液滴が熱風で乾燥されるため、丸い液滴の表面にシェルが形成されたためと考えらえる。さらに、噴霧乾燥からの液の蒸発によって、所々陥没したリンクル構造を有するものも存在した。
続いて、図 3 に各製法で作製した CD-MOF 粒子の X 線回折結果を示す。薬物なしの場
合、蒸気拡散法及び貧溶媒晶析法により調製した CD-MOF 粒子は高い結晶性を示すのに対して、噴霧乾燥法により作製した CD-MOF 粒子の結晶性は低いことが分かる。これは噴霧乾燥法により作製した粒子は、液滴の蒸発速度が速いため、急速に粒子が析出することで結晶成長時間が極端に短いためであると考えられる。さらに、図 4 に各製法で作製したCD-MOF 粒子の窒素吸脱着等温線による比表面積測定結果を示す。蒸気拡散法および貧溶媒晶析法によって作製した CD-MOF 粒子は薬物有無に関わらず、いずれの表面積も 100m 2/g を越える大きい値となった。一方，噴霧乾燥法により作製した CD-MOF 粒子については 2 つの製法に比べると表面積は小さいことが分かる。さらに、薬物としてレボフロキサシンを含有している CD-MOF 粒子についてその含有量を評価した。結果より、噴霧乾燥法の粒子が多くのレボフロキサシンを封入したことが示唆された。一般的な MOF の特徴とし94

て結晶性を有していることが重要であり、その結晶構造中に薬物を保持する能力があることが知られている。しかし、噴霧乾燥法によって作製した粒子は、結晶性は高くないものの、薬物含有量が高く、一部結晶化あるいは非晶質化状態でありながら薬物を保持していることが確認された。
3.2

エタノール添加の噴霧乾燥粒子 CD-MOF の結晶化
上記で記載したように、噴霧乾燥法で作製した CD-MOF については一部結晶化しているものの他の方法に比べ、結晶化度が低いことが確認できた。一方で、貧溶媒晶析法によって作製した CD-MOF については結晶性も高いことが確認できた。そこで、噴霧乾燥前の前駆溶液にエタノールを添加することで、核生成を促進させそのスラリー状態で噴霧乾燥により CD-MOF を作製した。 図 5 に作製した CD-MOF 粒子の SEM 写真を示す。
エタノールを添加しない場合と比べると、CD-MOF 粒子表面に凹凸が確認され、薬物であるレボフロキサシンを含有した際はより明確な凹凸が観察された。さらに、レボフロキサシン有でエタノール添加した際の粉末 X 線回折結果をエタノールなしの場合と比較する( 図 6 )。エタノール存在下において結晶化が促進していることが粉末 X 線回折結果からも確認できる。

４、考察
CD-MOF については、その構造上の特徴から親水性および疎水性薬物を含有することができる。本検討において、比較的親水性であるレボフロキサシン、テオフィリン、さらに疎水性で水への溶解性が低いケトコナゾールにおいて、噴霧乾燥法により作製することができた。特に、レボフロキサシン無の噴霧乾燥法 CD-MOF に比べると、結晶度が高くなり、薬物が含有することで比表面積も大きくなった。これは、噴霧乾燥法ではアモルファス状態あるいは低結晶性の CD-MOF がレボフロキサシンを内部に含有することで結晶化が促進されたためである。さらに、CD-MOF に対して貧溶媒であるエタノールを添加することで、前駆溶液状態中での核生成を促し、噴霧乾燥法した粒子の結晶化を促進させることにも成功した。他の MOF についても、アモルファス状態で作製し、回収した MOF について結晶成長せることで、密度や表面積を増大させることに成功している例もある [7 ]。一方で、その薬物により結晶化を促進させた例についてはほとんどないため、今回得られた結果は CD-MOF の薬物キャリアとして効果的である。
薬物が CD-MOF 内でどのように存在しているかについては、現在 NMR などにより鋭意検討を進めている。さらに、作製した CD-MOF については KOH を使用した強アルカリ条件下で作製したため、その細胞毒性評価についても現在検討中であり、まとまり次第論文投稿を進める予定である。

95

５、まとめ本研究では、金属イオンと有機配位子から構成される多孔性配位高分子の中でも、生分解性のシクロデキストリン (CD) とカリウムによる多孔性金属錯体 CD-MOF の多成分含有製剤可能性について検討した。親水性および疎水性薬物いずれにおいても、含有することが可能であった。特に、比較的水への溶解性が高いレボフロキサシンについて詳細を検討した結果、レボフロキサシンが存在することで、噴霧乾燥粒子の結晶化を促進させることが分かった。さらに、シクロデキストリン及びカリウムに対して貧溶媒であるエタノールを添加することで、噴霧乾燥 CDMOF の結晶化を促進させることも確認できた。また、薬物含有量も噴霧乾燥法によって作製した CD-MOF が最も高含量となることが分かった。今後は、薬物が CD-MOF 中でどのような状態で存在するかについて確認し、溶出挙動等の制御についても検討する予定である。さらに、複数成分を含有させることが可能な噴霧乾燥法による指針目途が立ったので、実際の OTC 医
薬品複数成分で検討を進めていく。将来的には、本研究で開発した、CD-MOF による複数成分薬物含有技術が、一般用医薬品を含めた様々な医薬品の製剤化技術の一つとして応用されることが期待できる。

６、調査・研究発表（口頭叉は誌上発表）
該当なし（本研究内容について国際学術論文への投稿準備中である）

７、引用文献1. Kitagawa, S.; Uemura, K., Dynamic porous properties of coordination polymers
inspired by hydrogen bonds. Chem. Soc. Rev., 2005, 34, 109-119.
2. Linnane, E.; Haddad, S.; Melle, F.; Fairen-Jimenez, D.; The uptake of metal–organic
frameworks: a journey into the cell. Chem. Soc. Rev., 2022, 51, 6065-6086.
3. Li, H.; Lv, N.; Li, X.; Liu, B.; Feng, J.; Ren, X.; Guo, T.; Chen, D.; Stoddart, J. F.; Gref, R.;
Zhang, J. Composite CD-MOF Nanocrystals-Containing Microspheres for Sustained
Drug Delivery. Nanoscale 2017, 9, 7454 − 7463.
4. Patel, H. A.; Islamoglu, T.; Liu, Z.; Nalluri, S. K. M.; Samanta, A.; Anamimoghadam, O.;
Malliakas, C. D.; Farha, O. K.; Stoddart, J. F. Noninvasive Substitution of K+ Sites inCyclodextrin Metal Organic Frameworks by Li+ Ions. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139,11020 −11023.
5. Lonare, A. A.; Patel, S. R. Antisolvent crystallization of poorly water-soluble drugs.

96Int. J. Chem. Eng. Appl. 2013, 4, 337 − 341.
6. Garzón-Tovar, L.; Cano-Sarabia, M.; Carné-Sánchez, A.; Carbonell, C.; Imaz, I.;
Maspoch, D.; A spray-drying continuous flow method for simultaneous synthesis andshaping of microspherical high nuclearity MOF beads. React. Chem. Eng., 2016, 1,533 − 539.
7. Bennett, T.D.; Cheehan, A.K.; Amorphous metal-organic frameworks. Acc. Chem.
Res., 2014, 47, 1555-1562.

表、図及び写真表、図及び写真

CD-MOFの各製法に関する概略
図 1図 1CD-MOFの各製法に関する概略

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図2

各製法で作製した CD-MOF の SEM 写真(a)薬物なし (b)薬物あり (1) 蒸気拡散法 (2)貧溶媒晶析法 (3)噴霧乾燥法
図22 各製法で作製した各製法で作製した CD-MOFののSEM
写真
図CD-MOFSEM
写真(a) 薬物なし (b) 薬物あり (1) 蒸気拡散法 (2) 貧溶媒晶析法 (3) 噴霧乾燥法(a)薬物なし (b)薬物あり (1) 蒸気拡散法 (2)貧溶媒晶析法 (3)噴霧乾燥法

図3

図3

各製法で作製した CD-MOF の粉末 X 線回折結果(a) 薬物なし (b) 薬物あり
各製法で作製した
CD-MOF の粉末 X 線回折結果(a)薬物なし (b)薬物あり
図 3 各製法で作製した CD-MOF の粉末 X 線回折結果(a)薬物なし (b)薬物あり
98図 4 各製法で作製した CD-MOF の窒素吸脱着等温線
図 4 各製法で作製した CD-MOF の窒素吸脱着等温線(a)薬物なし(b)薬物あり(1) 蒸気拡散法(2)貧溶媒晶析法 (3)噴霧乾燥法
図4 各製法で作製した
CD-MOFの窒素吸脱着等温線(a)薬物なし (b)薬物あり (1) 蒸気拡散法 (2)貧溶媒晶析法 (3)噴霧乾燥法(a) 薬物なし (b) 薬物あり (1) 蒸気拡散法 (2) 貧溶媒晶析法 (3) 噴霧乾燥法

(a)
(a)

(b)
(b)

図5

エタノール添加により噴霧乾燥法で作製した CD-MOF の SEM 写真

図 5 エタノール添加により噴霧乾燥法で作製した CD-MOF の SEM 写真(a) 薬物なし (b) 薬物あり
図 5 エタノール添加により噴霧乾燥法で作製した
CD-MOF の SEM 写真(a)薬物なし (b)薬物あり(a)薬物なし (b)薬物あり99

エタノール添加により噴霧乾燥法で作製した CD-MOFの粉末
X 線回折結果
図図
6 6エタノール添加により噴霧乾燥法で作製した
CD-MOFの粉末
X 線回折結果(a) エタノール添加無(b) エタノール
40% 添加(a) エタノール添加無(b)エタノール
40%添加100