チアミン（ビタミン B1）及びフルスルチアミン（プロドラッグ型
ビタミン B1）の 11C-標識化とPET イメージングへの展開

土居久志

Doi Hisashi

渡辺恭良

Watanabe Yasuyoshi（理化学研究所ライフサイエンス技術基盤研究センター）

績は日本国内で知られるのみとなってしまった

1 はじめにが，この米糠の抽出物こそが栄養素としてのビビタミンの化学史は，1910 年の東京化学会

タミン B1（チアミン）であった。鈴木は，当例会で，鈴木梅太郎博士により米糠の抽出物と時から，米糠の抽出物には脚気の予防・治療にして報告されたアベリ酸（後にオリザニンと改有効であることを強調し，また，ヒトの生存に名）にさかのぼる。翌 1911 年に，鈴木は東京不可欠な栄養素であることを訴えていた。鈴木

化学会誌に「糠中の一有効成分に就いて」とのは東京帝国大学の教授であったが，理化学研究題目で日本語にて論文報告を行い，続いて，所の設立にも尽力し，理化学研究所の主任研究

1912 年には，ドイツの生化学誌（Biochemische員も務めていた（後に，鈴木は日本農芸化学会Zeitschrift）にドイツ語で論文報告を行ってい初代会長となり文化勲章も受賞）。なお，1920

る。この間，1911 年にポーランドのカシミー

年に英国の生化学者であったジャック・ドラモ

ル・フンクが米糠から同一成分を発表し，翌ンドが，自らが研究していたビタミンにはアミ1912 年には「重要な生命活動をつかさどるアンの性質を持っていないことから“vitamine”ミン」という意味の造語で，これを“ビタミンを“vitamin”に改名することを提案し，現在（vitamine）”と名付けた。当時の地理的かつ言に引き継がれている。

語的要因により，第一発見者としての鈴木の功

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さて，我々ヒトは，なぜビタミンを食事から2016 年 2 月号

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機能の探索分子（プローブ）に標識する事がで摂取しないといけないのであろうか。生物種によっては，ビタミンを自らの生体内で生合成しきれば，PET 法により生体の in vivo 分子情報ている事実もある。例えば，ヒトはビタミン Cが取得できる（PET 分子イメージング）。しか（アスコルビン酸）を食事などによって外部かしながら，PET 放射性条件下における化学は，ら摂取する必要があるが，地球上の多くの動物独自の難しさゆえに従来の有機化学からするとはアスコルビン酸を自らの生体内で生合成して想定外の化学とも言われる。例えば，優れた化いる。すなわち，生物学・医学的観点からする学反応でも，反応濃度や合成時間に制限のあると，なぜヒトはビタミンの生合成機能を持ち合PET 分子プローブの化学合成には適さない場わせていないのか，なぜ生体維持に必要なこの合もある。また，放射線を取り扱うために専用ような微量物質をわざわざリスクのある外部摂の遠隔操作型合成装置を用いて化学合成を行取に頼るのかなど，疑問は尽きない。生命の根う。そして何より，PET 分子プローブは半減期源に関わる自然科学の究極課題でもある。

が短いため作り置きができない。必要があれば，その都度，時間と闘いながら合成する。

筆者らは，我が国で最初に発見されたビタミン B1 の体内動態を，現在の最新の科学技術で高速 C-［11C］メチル化反応の開発の原点は，ある陽電子放射断層画像撮影法（PET）を用いPd（0）錯体の使用下に，ヨウ化メチルとフェニて追跡してみたいと考えた。PET イメージング

ルスズを用いた高速クロスカップリング反応の研究から，ビタミンの謎にアプローチしたいと開発に成功したことに始まる（図 1）1）。最終的考えたわけである。本研究は，鈴木梅太郎博士に，Pd（dba）（o-tolyl）
2
3／P
3／CuCl／K2CO（モル比；3とゆかりの深い理化学研究所と，ビタミン B11：4：4：4）の触媒系を発見するのに，実に，のプロドラッグの開発と販売を行ってきた武田5 年にわたる試行錯誤が必要であった（第一報薬品工業（株）との共同下に，時は正に，ビタミは 1997 年に報告）。本反応は，60℃の温和な条

ン発見 100 周年の節目となる 2010 年から研究件下で，わずか 5 分間で目的とするメチル化体を開始した。

（トルエン）を 90％以上の高収率で与えた。本
件は，過剰量の Pd（0）触媒系を用いた反応では2 PET 分子イメージングと高速 C-［ C］11メチル化法あるが，ヨウ化メチルの sp3 炭素とフェニルスズの sp2 炭素間の迅速カップリングという有機金属化学的にも見事な反応であった 1）。さらに

PET は，極微量の短寿命放射性化合物を使

2 年の歳月を掛けて，実際の PET 放射性条件用して，動物やヒトの体内での分子の動態を高下において，［11C］ヨウ化メチルを用いた高速精度かつ定量的に画像化できる核医学検査法でC-［11C］メチル化反応を実現するに至った 2）。こある。PET は，理・工・薬・医が融合した学の高速 C-［11C］メチル化法による標識部位は，際研究であり，PET 分子プローブの開発に始ま化学結合的に丈夫な炭素─炭素結合であり，結り，続くラット・サルを用いた分子動態イメー

果として，標識部位が生体内における代謝に対ジング研究を経て，最終的にはヒト臨床研究に至る一気通貫型研究である。PET
では，11C（半減期，20.4 分），13N（半減期，9.96 分），15O（半減期，2.04 分），18F（半減期，109.7 分）などの陽電子放出核種を用いる。これらの主要核種は生体構成元素の同位体であるので，薬剤や生命Isotope News

図1

ヨウ化メチルとフェニルスズ基質を用いた高速クロスカップリング反応（高速 C -メチル化法）

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しても安定であることが期待される。事実，本メチル化法により 11C-標識化が実現可能である

標識法による PET 分子プローブの活用により，ともくろんだ。実のところ，本研究計画には，従来よりも説得力のある PET イメージング画

高速 C-［11C］メチル化反応の適用が難しいヘテ像も得られている。近年では，低分子化合物のロ芳香環を含むことや，チアミンは水溶性化合11炭素─炭素結合型 C-標識化法の 1 つとして，物であるために短時間での分離精製が難しいこ

国内外の多くの PET 研究グループに活用されとなど，これまでにない未知の困難が伴うこと

3）が予想された。しかしながら，筆者らは，PETている 。

化学分野に新しい潮流を生み出すべく，あえてこの難しい課題に取り組むこととした。

3 チアミン及びフルスルチアミンのまず，図 3 のように，ヒドロキシエチルチア

11C-標識化ゾールのトリブチルスズ化合物（1）を出発原料

鈴木によるビタミン B1（チアミン）の発見以として，Pd（0）触媒を用いた高速 C-［11C］メチル

来，このチアミンが持つ潜在的な生物活性に注化反応（反応時間 3 分）を応用して，［11C］メチ目が集まり，安定性，体内吸収性，及び薬剤香ル化体（［11C］-2）を 86％の高収率で合成でき気等が改善されたビタミン B1 誘導体が開発さる化学的手法を開発した。次に，ハロゲン化メれてきた。1951 年には，京都大学の藤原元典

チルピリミジン（3）を用いたベンジル化反応

博士らにより世界初の人工のビタミン B1 誘導（反応時間 7 分）により，目的の 11C-標識チア体であるアリチアミンが開発された。これは，ミン（［11C］-4）を得ることに成功した。この

水溶性のチアミンをニンニク成分のアリシンと［11C］-4 を，更に塩基性条件下でテトラヒドロ反応させて脂溶性の誘導体にしたものである。

フルフリルブンテ塩（5）と反応させて（反応時その後も多くの誘導体が開発されたが，その中間 3 分），ジスルフィド基を有する最終目的物

でも商業的に大きな成功を収めたのが，1961の 11C-標識フルスルチアミン（［11C］-6）に変換

年から販売が始まったフルスルチアミンであすることができた。実は，ベンジル化反応並びる。我が国の近代産業・経済を代表する化合物にジスルフィド化反応そのものはオーソドックの 1 つである。なお，フルスルチアミンなどのスな化学反応である。しかし，これらの反応をジスルフィド構造を持つプロドラッグ型ビタミ

遠隔操作によりわずか数分で化学合成することン B1 誘導体は，体内のシステインやグルタチは想像以上に困難を極めた。結果として，有機オンと反応してチアミンに戻る。しかしなが化学的考察に基づいて実験操作に小さな改良をら，ビタミンやその誘導体は，体内のどこに集積み重ねることが問題解決の糸口となった 4）。

積し，どのように効果を発揮するのかなど，固このようにして見事合成できた 11C-標識フル体レベルでの薬物動態や作用機序についてはまスルチアミン（［11C］-6）であったが，驚いただ不明な点が多い。このような背景の下，筆者ことに，［11C］-6 は分解して再び 11C-標識チアらは，是非ともチアミンとフルスルチアミンの 11C-標識体の合成を実現し，それらの体内動態を PET 法によりイメージングしたいと考えた。
チアミン及びフルスルチアミンの11C-標識部位としては，丸で囲んだメチル基を選択した（図 2）4）。これ
らのメチル基は前記の高速 C［11C］4

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図2チアミン，フルスルチアミンの構造式

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図3

高速 C-［11C］メチル化法を用いたチアミン及びフルスルチアミン 11C- 標識体の合成ミン（［11C］-4）に戻ってしまった。非標識体明らかとなった（図 4（b））4）。近い将来，本研のフルスルチアミンではこのような分解は起こ

究はヒト PET 臨床研究へと応用展開し，チアらない。この原因を調査した結果，放射線分解

ミンの体内動態とビタミン B1 欠乏時の諸症状により発生したラジカルが 11C-標識フルスルチの関連性や，フルスルチアミンの疲労回復効果アミンのジスルフィド結合の解離を引き起この解明を進めていく予定である。

し，再び 11C-標識チアミンが生成しているものと考えられた。そこで，ラジカルを捕捉する抗4 おわりに酸化物質であるクエン酸やアスコルビン酸を添加したところ，放射線分解を抑制できることが本研究におけるチアミン及びフルスルチアミ分かった。さらに，水溶性の［11C］チアミンにンの 11C-標識体の合成に当たっては，通常の有対しては HPLC 精製を 2 度行うことし，一方機化学研究では見られない多くの課題に直面しで，［11C］フルスルチアミンに対しては固相抽た。しかしながら，様々な制限のある PET 放出カラムを用いた精製法を取り入れることによ

射性条件下の化学研究といえども，有機化学のり，それぞれ生体投与に向けた高純度溶液の調基本に立ち返って取り組むことが問題解決の糸製法を確立することができた。前記の一連の手口であった。

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順を含めて， C-標識チアミン及び C-標識フPET は，動物のみならずヒトを対象とした

ルスルチアミンの合成時間は，それぞれ 60 分，生体内分子のイメージング法として，生命の理及び 70 分以内であった 4）。

解と探究に対して大きな魅力と可能性を秘めて

次に，これらの 11C-標識 PET プローブをラッいる。事実，PET は，創薬・医療に直結したト静脈に投与し，PET 撮像を行った。その結実学として発展してきた経緯がある。本分野で果，チアミンは速やかに全身に行きわたり，そは，21 世紀に入り，各学問分野の融合，産官の後，肝臓や腎臓からの排泄機構に移行する様学のオールジャパン体制，更には，国際的連携子が観察された（図 4（a））4）。一方，フルスルが着実に進んできた。本分野にまた新しい舞台

チアミンは，投与初期は心臓に集積するなど，が整いつつある。正に，瑞々しいビジョンを持チアミンと異なる体内動態をとることが初めてった科学者の参画と活躍が期待されている。

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（a）11C-標識チアミンの投与結果（b）11C-標識フルスルチアミンの投与結果
図 4 ラット全身の PET イメージング（写真上部の数字は投与後の撮像時間帯）【謝辞】

勝博士と鈴木正昭教授に感謝申し上げます。

本研究を推進するに当たり，化学合成及び動参考文献

物 PET イメージングを担当していただいた理化学研究所の馬渡彩氏と野崎聡博士に感謝申し上げます。また，フルスルチアミンに関する研究指導を賜りました武田薬品工業（株）
ヘルスケ
アカンパニーの二宮伸二氏，秋元浩二氏，北吉正人氏，野村之博氏に感謝申し上げます。本研
究の初期に理化学研究所に在職され，化学合成

1）Suzuki, M., et al., Chem. Eur. J., 3, 2039─2042（1997）
2）Suzuki, M., et al., Trends Anal. Chem., 23, 595─
607（2004）
3）Doi, H., J. Label. Compd. Radiopharm., 58, 73─85（2015）4）Doi, H., et al., J. Org. Chem., 80, 6250─6258（2015）の研究支援並びに研究指導を賜りました金澤奨

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