Jpn J Clin Ecol（Vol.31 No.2 2022）

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総説

Carboxylesterase と化学物質の経皮吸収
畑 中 朋 美城西大学薬学部、東海大学医学部

Carboxylesterase and percutaneous absorption ofchemical substances
Tomomi Hatanaka
Faculty of pharmaceutical Sciences, Josai University, School of medicine, Tokai University

要旨

Carboxylesterase（CES）は、内因性のエステル化合物やエステルを含有する薬物および毒物を加水分解する serine hydrolase superfamily の一員である。異物代謝や脂質ホメオスタシスで決定的な役割を担うため、これまでに広範な研究が行われている。本稿では、CES の構造と触媒特性、組織分布と基質特異性、生理機能および遺伝子多型についてまとめる。また、これらの知見に基づき、化学物質の経皮吸収おける CES の役割について考察する。
（臨床環境 31：70－77，2022）《キーワード》カルボキシルエステラーゼ、異物代謝、経皮吸収、化学物質

Abstract
Carboxylesterase (CES1) is a member of serine hydrolase superfamily, and hydrolyzes endogenous
esters, ester-containing drug and toxicants. Because of crucial roles in both xenobiotic metabolism andlipid homeostasis, CES have been extensively studied until now. This review covers the structural catalytic futures, tissue distribution, substrate specificity, biological functions as well as genetic morphisms.
Based on the above knowledge, the role of CES in percutaneous absorption of chemical substances isdiscussed.
(Jpn J Clin Ecol 31 : 70－77, 2022)受付：2023年１月５日 採用：2023年１月13日
責任著者：畑中朋美
城西大学薬学部薬学科〒350-0295 埼玉県坂戸市けやき台1-1
tmmhtnk@josai.ac.jp

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臨床環境医学（第31巻第2号）《Key words》Carboxylesterase, xenobiotic metabolism, percutaneous absorption, chemical substance１．はじめに
我々は、細菌やウイルス、化学物質など、周囲の環境に存在する有害物の攻撃に常に曝されながん性を獲得することが知られており、生体防御の観点から異物代謝の詳細な研究が求められている。

ら生活している。ここ数年にわたる新型コロナウ

Carboxylesterase（CES） は、 異 物 代 謝 第 １

イルス感染症（COVID-19）の蔓延は、この事実相の加水分解を担う酵素で、エステル結合やアミを痛感させられる結果となった。しかし、我々は、ド結合、チオエステル結合を含む薬物や農薬、環これらの外因性の異物や、がん細胞をはじめとす

1 4）
境化学物質の解毒に関与している - 。また、コる自己成分の一部を適切に処理し、個体の恒常性レステロールエステルや中性脂肪等の脂質代謝にを維持する生体防御機構を備えている。実際、も 重 要 な 役 割 を 果 た し て い る 5 6 ）。 本 稿 で は、

COVID-19との戦いの最前線に立つワクチンは、CES の生理機能や異物との相互作用についてのこの防御機構の一つである免疫反応を利用して、これまでの知見をまとめるとともに、化学物質のウイルス感染を予防する医薬品である。生体防御

経皮吸収における役割やその応用について、筆者

機構は、生体への異物の侵入に対する防御機構とらの研究内容を交えて紹介する。

侵入した異物の排除機構に大別される。脂質二重膜からなる細胞膜は典型的な透過障壁で、生体に,２．CES の構造と触媒特性とって有用で、輸送タンパク質に特異的に認識さCarboxylesterase（CES 、E.C. 3.1.1.1） は、れる物質以外、極性物質は細胞内に侵入できな

serine hydrolase superfamily の一員で、エステい。免疫は微生物やタンパク質に対する排除機構

ル、アミド、チオエステル、カルバメート結合をであるが、化学物質に対する排除機構としては異加水分解する酵素である。多くのアイソザイムが物代謝が存在する。

発見され、アミノ酸配列の相同性から５つのグ代謝とは、生体内で生じる全ての化学反応とエループに分類されているが 7 ）、ヒトの異物代謝にネルギー変換を指し、薬物や毒物のような外因性関与する酵素としては human carboxylesterase

物質の代謝反応を異物代謝もしくは解毒代謝と総1（CES 1）と human carboxylesterase 2（CES 2）称する。これらの反応を触媒する酵素は異物代謝が最も広範に研究されている。いずれも細胞内タ酵素と呼ばれ、一般に、対象物質の水溶性や分子ンパク質で、C-末端の HXEL 配列が、小胞体膜量を高め、体外へ排泄されやすい構造に変化させの KDEL 受容体と結合することにより、小胞体る。すなわち、外因性物質は、異物代謝の第１相内腔に局在している（図 1 A）8 ）。CES 1 は基質で、酸化、還元、加水分解等の化学反応によりそに依存して単量体、三量体あるいは六量体を形成の構造に極性の官能基を導入され、第２相で、グするが、CES 2 は単量体として存在している。

ルタチオン、グリシン、グルクロン酸のような電CES 1 の X-線結晶構造解析は、この酵素が触媒荷をもつ内因性物質に結合（抱合）されて高極性ドメイン、ab ドメイン、制御ドメインの３つのの複合体となり、細胞膜を透過できずに体外へ排ドメインから構成されていることを示している泄される。異物代謝の主要器官としては肝臓が挙（図 1 B）。触媒ドメインは、逆平行 b シートの周げられるが、消化管や肺、腎臓、皮膚といった外囲に a ヘリックスを持つ ab hydrolase fold を形界と何らかの接点を持つ臓器は異物代謝能を有し成し、制御ドメインには Z-site と呼ばれるリガており、異物をその侵入直後から速やかに排除す

ンド結合部位が存在する 9るよう機能している。その一方、芳香族アミン等

drolase と 同 様 に、 触 媒 活 性 に 必 須 な Ser221、の多くの発がん性物質は第１相反応によって発がGlu354、His468からなる触媒トライアードを３つ。多くの serine hy-,10）Jpn J Clin Ecol（Vol.31 No.2 2022）

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図１

CES 1の構造 A．細胞内局在と加水分解機構
造（PDB: 5A7G）

B．ヒト肝臓 CES 1の三次元構のドメインの界面に保持するとともに、加水分解ミンを遊離する。第二段階では、元の基質のアル反応の中間体の安定化に寄与する Gly と Gly

143

コール基が水に置き換わる脱アシル化反応がおこで形成されたオキシアニオンホールを持つ。まる。水が Ser 残基と同様の様式でアシル化中間た、主に疎水性のアミノ酸残基からなる大きな活体を攻撃することにより、カルボン酸が遊離する性部位キャビティを持ち、その空間は Ser221にとともに、CES は遊離の Ser 残基を伴う反応前

よ り rigid pocket と flexible pocket に 分 け ら れの状態に戻る。

142ている。
CES は、protease や peptidase、lipase を 含む全ての serine hydrolase に共通である、二段7）

３．CES の組織分布と基質特異性
CES 1 と CES 2 の ア ミ ノ 酸 配 列 の 相 同 性 は階反応により基質を加水分解する 。CES の触47％で、異物代謝における役割や分子特性に共通媒トライアードでは、Glu 残基のカルボキシレー

11）、組織分布や基質特異項は多いものの（表１）

トアニオンが、His 残基のイミダゾール基の水素性は明らかに異なる12,13）。CES 1 は肝臓や脂肪細を引き寄せることにより、イミダゾール基の窒素胞に大量に発現し、腎臓や、単核球、肺、小腸、が Ser 残基のヒドロキシ水素を引き寄せ、ヒド精巣、心臓、マクロファージ中の発現量はやや低ロキシ基が活性化される（図 1 A）
。加水分解のい。一方、CES 2 は 主に小腸や 大腸に発現し、第一段階では、この活性化された Ser 残基のヒ腎臓や肝臓、心臓、脳、精巣には存在しない。まドロキシ基が、基質のカルボニル基を求核攻撃た、ヒトの血液中の加水分解活性は極めて低く、し、遷移状態である四面体中間体を形成し、オキ両アイソザイムとも検出されていない14）。多発性

シアニオンホールの主鎖と水素結合することによ骨髄腫をはじめとするいくつかの腫瘍細胞ではり安定化される。その後、His 残基からプロトンCES 2の過剰発現が報告されており、CES 2 によが外れて四面体中間体は崩壊し、アシル化中間体り活性化される抗がん剤プロドラッグの開発を後を形成するとともに、アルコールやチオール、ア押ししている15）。

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臨床環境医学（第31巻第2号）

表１

図２

CES 1 と CES 2 の分子特性

CES 1 と CES 2 の基質特異性 A．CES 1 の基質であるオセルタミビル
CES 1 と CES 2 の基質であるヘロイン

一般に、CES の基質特異性は低く、生体内外の多くの物質を加水分解するが、CES 1 と CES2 の 基 質 特 異 性 に は 明 ら か な 差 異 が あ る12,13）。

B．

れる。

４．CES の生理機能

CES 1 は、オセルタミビルやメチルフェニデー

CES はこれまで、エステル結合を含む薬物やト、エナラプリルのような、嵩高いアシル基と小毒物の代謝を担う古典的な異物代謝酵素と見なささなアルコール基からなるエステル化合物を加水れてきた。イリノテカンやカペシタビンのような分解するとともに、相対的に小さなアシル基と大抗がん剤、コカインに代表されるオピオイド、イきなアルコール基からなるヘロインやイリノテカ

ミダプリルをはじめとするアンジオテンシン変換ンのような化合物に対しても加水分解活性を示す酵素阻害剤、さらには、抗インフルエンザウイル（図２）。一方、CES 2 は後者の構造特性を持つス薬のオセルタミビル、抗血小板薬クロピドグレ化合物のみを基質とする。前述のように、CESル、ベンゾジアゼピン受容体拮抗薬フルマゼニル

1 には rigid pocket と flexible pocket からなる大と、基質となる薬物名を上げると枚挙にいとまがきな基質結合部が存在するが、CES 2 のアミノない 1 - 4 ）。また、除虫菊の成分であるピレトリン

酸配列には flexible pocket を構成する１つのルーが加水分解されるように、ピレスノイド系殺虫剤プが欠損している16）。CES 2 の基質結合部位の柔の解毒も担っている 2 ）。そのため、CES の活性軟性が低いため、立体障害が起こり、大きなアシが阻害されると、基質の体内動態が変化し、薬理ル基と Ser 残基が結合できない可能性が考えら効果や毒性の強度と持続時間が変化する。例えJpn J Clin Ecol（Vol.31 No.2 2022）

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表２CES 阻害活性を持つ薬物例

ば、イリノテカンは、その代謝物である SN-38に５．CES の遺伝子多型より下痢を引き起こすが、CES 2 阻害剤である

ヒトの肝臓における加水分解活性には数倍からロペラミドを併用すると、副作用が軽減して治療数十倍の個体差があり16）、この個体差には遺伝的効果が向上する17）。CES 阻害活性を有する薬物要因が関与している。CES 1 遺伝子、CES 2 遺は 数 多 く 存 在 し（ 表 ２）
、ラウリル硫酸や伝 子 と も16q13-q22.1に マ ッ ピ ン グ さ れ る が21）、Tween20のような医薬品添加剤、さらにはポリこれまでに多くの一塩基多型（SNP）が報告さフェノールのような天然物にも阻害活性が認められている。酵素活性に影響する SNP の報告例と18,19）。一方、CES の発現を誘導して加水しては、CES 1 のオキシアニオンホールや触媒分解活性を促進する物質も発見されている11）。しトライアードの形成不全に関与する G143E とたがって、多疾患が併存する患者においては、処D260fs があり、これらの変異を有する患者では、方薬の組み合わせや食生活に細心の注意を払う必

プロドラッグであるエナラプリルの加水分解能の要がある。

低下により降圧効果が低下する22, 23）。しかし、これている異物代謝以外の CES の生理機能として近年注の変異の発現頻度には人種差があり、東洋人にこ目されているのは、コレステロールエステルや中の変異は見つかっていない。CES 2 の R34W や性脂肪のような内因性エステル化合物の加水分解

V142M は日本人患者で発見された SNP で、これ6 ,20）。CES 1 は、肝細胞や脂肪細らの患者ではイリノテカンの加水分解能が低下し胞中で大量に発現している serine hydrolase のている24）。SNP とは別に、CES 1 の場合、２種１ つ で あ り、 ２ 型 糖 尿 病 患 者 の 脂 肪 細 胞 中 の類の遺伝子が約30bp 隔てて、inverted duplica-

CES 1 の発現量と酵素活性は著しく上昇していtion 状態で存在していることが、タンパク質のる。CES 2 も、脂 質ホメオス タシスを介し て、発現量に影響を及ぼしている25）。CES 1 をコード

非アルコール性脂肪肝炎や口腔扁平上皮癌に関与する遺伝子には、野生型である CES1A1 の他にへの関与であるすることが報告されている5 ,20）。

３つの遺伝子が存在し、その組み合わせにより４つのハプロタイプと、９つのディプロタイプが存

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図３75

フタル酸エステルの経皮吸収機構在する。全てのディプロタイプで同じ CES 1 タ以下の脂溶性化合物に限定されている27,28）。また、

ンパク質のみが発現するが、実際に翻訳されるの

脂溶性が高い薬物ほど角質層への分配性は高い

は CES1A1 と CES1A2 遺伝子のみで、そのたが、角質層より下層の表皮は水溶性のため、角質め、ディプロタイプにより発現量が異なる。また、層に滞留し、経皮吸収性は低下する29）。

CES1A1 と CES1A2 のプロモーター領域におまた、火傷やケガ、疾患等、何らかの理由で皮ける変異も、タンパク質の発現量や加水分解活性膚バリア能が低下して異物に角質層を突破されてに影響するこが報告されている26）。

も、その直下には免疫担当細胞や異物代謝酵素が６．CES と化学物質の経皮吸収待ち構えている。皮膚には発現量は少ないものの、肝臓に匹敵するほど多くの異物代謝酵素が存

ヒトの体表面を覆う皮膚は、成人では表面積に在する30）。筆者らは、皮膚には CES が比較的多して1.7m2、体重の約 7 ％を占める外界と接する量に存在し、その発現量の個体差は約十倍に上る最大の器官であり、強力な生体防御機構を有してことを見出した。この発現量の多さは、皮膚は透いる。皮膚は重層扁平上皮構造を呈しているが、過バリア形成のための活発な脂質代謝の場であるその最外層である角質層は脱核してケラチン繊維ことが関連してると考えられる。また、これを利に満ちた角化細胞と、その周りを満たすラメラ構用して、皮膚に適用されるいくつかのステロイド造を持つ細胞間脂質からなっている。この角質層剤がエステル型アンテドラッグとして開発されてが異物の侵入に対する鉄壁のバリアとなり、病原いる30）。皮膚で薬理効果を発揮した後、皮膚中の体やアレルゲン、有害物質が皮膚から体内へ侵入

CES や血中の他の esterase により速やかに加水することはほとんどない。実際、臨床使用されて分解されて、他の臓器での副作用発現を防いでいいる皮膚適用製剤に含まれる薬物は、分子量500る。

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一方、皮膚中の異物代謝酵素が生体防御の観点から不利に働く場合もある。内分泌撹乱・生殖毒性物質として知られているフタル酸エステルは、塩化ビニル製品の可塑剤として我々の環境中に多量に存在し、著しく脂溶性が高い低分子であるた

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CES をはじめとする esterase が存在するため、加水分解されて水溶性を増し、角質層の下層へ拡散して血液中に吸収される。この加水分解産物であるフタル酸モノエステルも内分泌撹乱・生殖毒性物質であり、皮膚での代謝活性の差が、シックハウス症候群発症の個体差の原因である可能性がある。現在、筆者らはフタル酸エステルの経皮吸収における CES の役割を解明するべく研究を進めている。もし、皮膚内での CES の加水分解活5） Ruby MA, Massart J, Hunerdosse DM, Schönke M,Correia JC, Louie SM, Ruas JL, Näslund E, Nomura
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素であることが明らかになれば、シックハウス症

liver carboxylesterases targets these enzymes to the候群の診断や治療に利用できると考えられる。

７．おわりにCES は、脂質代謝や異物代謝を通じて生体防御に多大な貢献を果たしている。しかし、フタル酸エステルや芳香族アミンのような物質の加水分解は、生体にとって有害な物質を生み出す結果となっている。また、CES の発現量は遺伝的要因により大きく異なり、加水分解活性、ひいては薬物や毒物の効果に対する個体差を引き起こしている。今後、CES に関する詳細な知見が蓄積されることにより、疾患の正確な診断や理想的な治療薬の開発につながるものと期待している。
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