５-アミノレブリン酸（5-ALA）
志村 優
Institute of Human Genetics, Helmholtz Zentrum München, Munich, Germany

千葉県こども病院 遺伝診療センター 代謝科

第5回ミトコンドリア病研究公開フォーラム, 2021年1月23日 11:00 – 16:10

Outline
1. 5-ALAとは？
-5-ALAの基礎知識-5-ALAの医薬品応用2. ミトコンドリア病に対する5-ALA の効果
3. Leigh脳症に対する医師主導治験2

Outline
1. 5-ALAとは？
-5-ALAの基礎知識-5-ALAの医薬品応用2. ミトコンドリア病に対する5-ALA の効果
3. Leigh脳症に対する医師主導治験
3

ALA（アラ）とは？～生命の根源物質と呼ばれる理由～①

5-アミノレブリン酸を、略称としてALAと称している。

COOH

5-Amino Levulinic Acid (ALA)

H2C
CH2

ALAは36億年前の原始の地球で誕生。
「生命の根源物質」と呼ばれる天然のアミノ酸。
・たんぱく質を構成しない
・血液の素となるヘモグロビンの素・細胞がエネルギーを作るために必須の物質

O C
CH2
H2N

元々、人の体内にあるアミノ酸の一種で、血液や葉緑素の源になる物質。
500種類以上のアミノ酸20種

たんぱく質を構成しない
特別な機能を持つ
5-アミノレブリン酸、タウリン、カたんぱく質を構成する
11種
非必須アミノ酸

体内で合成可ルニチン、オルニチン、シトルリン、GABA、DOPA等
グリシン、セリン、グルタミン、グルタミン酸、プロリン、チロシン、システイン、アラニン、アスパ
ラギン、アスパラギン酸、アルギニン

9種
必須アミノ酸

体内で合成不可
バリン、ロイシン、イソロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、スレオニン、トリプトファン、ヒスチジン

ALA（アラ）とは？～生命の根源物質と呼ばれる理由～②

ALAは、カラダの中で多彩な機能を担う物質。
ALAが起点となって体内で様々な物質の前駆体となる。
カタラーゼ
ラジカルスカベンジャー

動物・ヒト

ヘモグロビン

ビタミンＢ12+Co
ALA+FeUro.

ヘム

シトクロム
human activities

PP IX+Mg

NNNN

NN

植物FeN

N

P450, 肝機能、 解毒

クロロフィル

ALAとミネラルの組み合わせが極めて重要

ヘムとミトコンドリアの関係は？

ヘムはミトコンドリア呼吸鎖複合体II, III, IVおよびシトクロムcを構成
細胞

5-ALA

ミトコンドリア
グリシン

5-ALA

サクシニルCoA

ヘム
4H+

4H+
Q10

e-

ミトコンドリア
呼吸鎖

CI e-

COPROIII

ヘム

CIII

e-

ヘム

2H+
Cyt c

3H+

CV

CIV
ヘム

CII
O2

H2O

ADP

ATP

5-ALA 体内での動態
5-ALA 新規合成
600mg/日

体内食事

血漿中 1mg

1-2 mg/day

生体内5-ALAプール

ヘモグロビン 60g
ヘム酵素
8g
食材

5-ALA 含有量 (mg/kg)

発酵製品

尿中排泄
2 mg/day
ビリルビン排泄5-ALA 含有量 (mg/kg)

タコ

1.0

パン用酵母

140

椎茸

0.60

焼酎粕

70

イカ

0.50

酒粕

9-26

バナナ

0.40

酒類・他

ピーマン

0.23

料理酒

0.3-13

ほうれん草

0.18

みりん

0.4-6

トマト

0.13

酒

0.9-4.5

牛ひき肉

0.13

酢

0-1.5

じゃがいも

0.12

ワイン

1.22-1.4

しょうゆ

0.3

Rodriguez, B.L., et al (2012) Crin Transl Schi, 5, 314-20.

5-ALA 含有量 (mg/L)

7

加齢とALAについて

ALAを生産する能力は年齢に従って減少酸素呼吸に必要なCOX活性(complex IV)も年齢に従い減少する

Amount of ALA Production**75

liverheart
brain

350
300
250

mean±SEM, triplecate of 6 animals

200
150
100
50
0112Age of Rats (month)24

COX activity (nmol/min/mg protein)

nmol ALA formed/h/g protein400

生物が体内でALAを生産する能力は、加齢に伴い減少する

Cytochrome c Oxydase Activity in Fibroblast***502500306090

Donor age (years)

ヘム合成の律速段階であるALAが減少するため、ヘムも欠乏* Atemna et al (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 14807-14812** based on data from Paterniti et al (1978) Arch. Biochem. Biophys. 191, 792-797*** Traced and modified from Jun-Ichi Hayashi et al (1994) J Biol. Chem. 269, 6878-6883

120

加齢によるヘム欠乏による老化の症状

ヘム欠乏は老化の原因の一つ
ヘム欠乏症

加齢／神経変性

Complex IV活性低下

低下

鉄蓄積

蓄積

酸化ストレス上昇

上昇

アミロイド前駆体タンパク質

二量体形成・凝集

二量体形成・凝集NO合成酵素活性上昇

上昇

細胞周期・分化分化・増殖障害

アクソン消失, 神経細胞死

代謝低下（ミトコンドリア）

低下

Ca代謝障害障害

フェロケラターゼ活性上昇

上昇（老化細胞）

ヘム合成能低下低下
H Atamna., et al (2012) PNAS 99, 14807-12

ヘム欠乏症の症状は老化の諸症状と類似している
9

ALA摂取の効果について
ALA欠乏による糖代謝異常

ALA不足は年齢依存的に糖代謝異常を引き起こす
ALA合成能低下マウスに対する糖負荷試験 (ALAS1ヘテロノックアウトマウス)
若齢マウス（8-12週齢）

加齢マウス（18-35週齢）

Saitoh S., et al (2018) PLsS One 13, e0189593

ALA、ヘム合成失調が糖代謝調節に関与している可能性
10

ALAの経口摂取後の体内動態経口投与した5-ALAは上部消化管でほぼ全て吸収され全身に分布、血液脳関門も通過。

外生
5-ALA細胞※ヘムそのものを投与すると、分解酵素が強く誘導され、分解されてしまう。

外生・内生

5-ALA

PEP-T1等のペプチドトランスポーターで細胞内に取り込まれ、ポルフィリン代謝経路を経てミトコンドリアへ送達。
ALAS

内生5-ALA

ヘム

グリシン
サクシニル
CoAFe
ミトコンドリア11

ALAS: アミノレブリン酸合成酵素

ALA摂取の効果について
ALA投与の効果

ALA＋鉄の投与でヘムが増加
ウシ肺動脈細胞に0.1 mM 5-ALA, Feを投与

Organ culture: The bovine pulmonary arteries cultured overnight with the each compound at 37˚C.
※ヘムそのものを投与すると、ヘム分解酵素（ヘムオキシゲナーゼ1）が強く誘導され、分解されてしまう。
12

Mingone, C.J., et al (2006) Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol
291: L337–344

ALA摂取の効果–ミトコンドリア機能を改善-

ALA＋鉄の投与でcomplex IV, ATP産生量が増加
マウスに15週間 10 mg/kg 5-ALAを経口投与

肝 Complex IV 活性

肝 ATP産生量*：Student’s t-test P<0.05
Ogura S, et al (2011) BMC Research Notes, 4: 66

ALA摂取の効果–糖代謝を改善-

ALA経口投与で、耐糖能、インスリン応答性が回復
ALA合成能低下マウス（耐糖能異常）に対してALA（300mg/kg）を1週間投与
糖負荷試験

インスリン負荷試験

Saitoh S., et al (2018) PLsS One 13, e0189593

ヒトにおいてもALA投与により食後血糖値とHbA1cが改善することが報告されている
Yamashita N, et al (2014) Func Foods Heal Dis 4: 415-428
Al-Saber N, et al (2016) J Diabetes Res Article 8294805

その他のALA摂取による効果
脂質代謝

アルツハイマー病

・Complex III, IV, V誘導による脂質代謝能の改善、体重減少

・ミトコンドリア機能維持により、アミロイドβペプチド減少
Omori C., et al (2016) Nutritional neuroscience 20, 538-546

Ota U., et al (2017) BMC Pharmacol Toxicol 18:7

パーキンソン病

・パーキンソン病モデルマウスにおいて神経保護作用あり Hijioka M., et al (2020) J Pharmacol Sci 144: 183-187

老化・運動15・高齢女性において、運動効率を改善。
Masuki S., et al (2016) J Appl Physiol 120, 87-96

HO-1（ヘムオキシゲナーゼ-1）の細胞保護機能

Fe2+Heme

COBiliverdin

HO-1ALA/SFCは、 HO-1発現を誘導
HO-1 expression levels

ヘム分解産物である
CO, Bilirubinは抗酸化、抗炎症作用をもつ
5-ALA

Bilirubin

酸化ストレス炎症
Takeda, T.A. et al. Biochim. Biophys. Acta Gen. Subj. 2017,
1861: 1813-1824

SFC: クエン酸第一鉄ナトリウム
Ito et al. Eur J Pharmacol. 2018,833: 25-33

16

HO-1（ヘムオキシゲナーゼ-1）の細胞保護機能–免疫疾患-

5-ALA/SFCがGVHD誘発性強皮症の発症を抑制
GVHDモデルマウスに5-ALA/SFCを投与※GVHD(移植片対宿主病)：移植された免疫細胞が、患者さんの正常な臓器を攻撃。

Fujino M., et al (2016) Int Immunopharmacol 37: 71-78

ALA (-)ALA (+)
Liu C., et al (2018) Exp Dermatol 27: 1104-1111• HO-1の誘導を介して、TGF-β, 炎症性サイトカイン, I型コラーゲンの産生を抑制し、GVHD誘発性強皮症の発症を抑制した。
17

感染症に対する5-ALAの効果

マラリアの増殖を阻害

SARS-CoV-2の感染抑制効果• 5-ALAとSFC投与によりヘム中間代謝産物 • 細胞を用いた実験で、5-ALAがSARS-CoV-2の感染を阻害。
がマラリアに異常蓄積し、活性酸素を誘導することで、マラリアの成育を阻害。
• ヒトのCOVID-19感染症を対象に特定臨床研究が進められている。
Komatsuya K et al. (2013) J. Biochem. 154: 501-50418がん細胞におけるALAの動態 -光線力学診断・治療外生
5-ALA

がん細胞

COOH
H2C
CH2
O C
CH2
H2N

PP IX

FeFECH
ヘム•

がん細胞では5-ALA投与によりPPIXが蓄積

https://tmdu.tokyo/advanced/pdd.html• ヘムの前駆体であるプロトポルフィリンIXが蓄積し、その光感受性を利用した癌の診断や、光照射により活性酸素を発生させることでがん細胞を死滅させる技術が19実用化されている。

5-ALAの明らかにされている効果• 糖・脂質代謝、神経変性疾患、加齢性変化、ミトコンドリア機能を改善。
• HO-1による細胞保護効果。
• マラリアの増殖抑制、SARS-CoV-2の感染抑制。
• がんの診断・治療薬として有効。
• 既に“サプリメント”として広く利用されている。

ミトコンドリア病に対する効果は？
20Outline
1. 5-ALAとは？
-5-ALAの基礎知識-5-ALAの医薬品応用2. ミトコンドリア病に対する5-ALA の効果
3. Leigh脳症に対する医師主導治験21

ミトコンドリア病の検査依頼症例数

年間約300症例前後の依頼
症例数
400350300

千葉県こども病院
埼玉医科大学250

274 261200

1311000269

175 19315050341 323

33640 61

133812007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019•2021年1月までに、累計2800症例の各種組織、血液、尿サンプル等が送付され、解析が行われている。

ミトコンドリア病の生化学診断数

1159例の臨床情報・生化学・遺伝子診断データ、サンプルが保存
症例数14001159

1200981 178

1000NewExisting

800800 181614 186

600503 111

400200•131293530372007200820092010

290649420675
2011363 1403222864180

201236201320142015201620172018

2019

800症例以上の皮膚線維芽細胞が保存されている。
23

対象 ミトコンドリア病患者プロフィール

発症
年齢5m

臨床診断
IMD

酵素診断

遺伝子

遺伝子変異

Pt25

性別FCI

ACAD9c.811T>G:p.C271G/ c.1766-2A>G

2

Pt27

M

1yLS

CIV

SURF1c.743C>A:p.A248D/ c.743C>A:p.A248D

3Pt67

M0dIMDCINDUFB11c.391G>A:p.E131K (hemizygous)

4Pt100

M8m

ND

CI

NDUFV2c.580G>A:p.E194K/ 2kb deletion

5Pt101M

11 mLSCINDUFAF6c.371T>C:p.I124T/ c.805C>G:p.H269D

6Pt276M

1 y 11 m

MH

CI+IV

MRPS23c.119C>G:p.P40R/ c.119C>G:p.P40R

7Pt346

F

0d

IMD

CI

ECHS1c.176A>G:p.N59S/ c.476A>G:p.Q159R

8Pt1177

F

9m

LS

CI

NDUFV2c.427C>T:p.R143X/ c.580G>A:p.E194K

No.

ID

1IMD; 乳児ミトコンドリア病, LS; Leigh脳症, ND; 神経変性疾患, MH; ミトコンドリア肝症• 正常皮膚線維芽細胞と8例のミトコンドリア病患者由来線維芽細胞を用いて、5-ALAのミトコンドリア機能への効果を検討した。
Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.

24

実験方法

-102468910 days

ALA, SFC, ALA+SFC処理
2x104cells

SFC: クエン酸第一鉄

2x104cells

測定項目
遺伝子発現

タンパク質発現

酸素消費量(MRR)

ATP測定

ATP + D-Luciferin+O2↓ (Luciferase)
Oxyluciferin+AMP+PPi+CO2+LightOXPHOS関連蛋白・遺伝子発現、ミトコンドリア酸素消費量、ATP産生量、HO-1発現、mtDNAコピー数の解析を行った。

正常皮膚線維芽細胞に対する5-ALAの効果 –蛋白発現-

ALA＋SFC投与でNDUFB8 (complex I), UQCRC2 (complex III),MTCO1 (complex IV)の蛋白の発現
SFC
ALAALA+SFC

Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.

26正常皮膚線維芽細胞に対する5-ALAの効果 –遺伝子発現-NDUFB8 (complex I), SDHB (complex II), UQCRC2 (complex III),
COX7A2 (complex IV)遺伝子発現は、ALA+SFCの濃度依存性に増加
**

**

32.5
21.5
18

Relative expression

Relative expression

3.5**

64**

20.500SDHB(Complex II)

NDUFB8(Complex I)
6**

32.5*

21.5
10.50

Relative expression

Relative expression

3.5**
420UQCRC2(Complex III)

Control**

ALA/SFC 50/25 μM

COX7A2(Complex IV)
ALA/SFC 100/50 μM

ALA/SFC 200/100 μM

27

Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.

正常皮膚線維芽細胞に対する5-ALAの効果 –酸素消費量-

酸素消費量は全条件で上昇、ALA+SFCで最も改善

ALA

SFC

ALA+SFC

OCR (pmol/min/2×104cells) OCR (pmol/min/2×104cells) OCR (pmol/min/2×104cells)

Oligomycin

FCCP

Rotenone

Control

ALA

ALA 50 μM

最大酸素消費量(MRR)

ALA 100 μM
ALA 200 μM

Time (min)Control

SFC

SFC 25 μM
SFC 50 μM
SFC 100 μM
Time (min)ALA+SFC

ALA/SFC 200/100μM
Control
ALA/SFC 50/25 μM
ALA/SFC 100/50 μM

ALA/SFC 200/100 μM
Time (min)Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.

正常皮膚線維芽細胞に対する5-ALAの効果 –酸素消費量(MRR), ATP産生量-

MRR, ATP産生量はALA+SFC (200/100μM)で最も増加
正常細胞におけるミトコンドリア酸素消費量（MRR）

正常細胞におけるATP産生量

500

MRR
(% of control values)

**
400
**
**

300
2001000
ALA (µM) 0SFC (µM) 0**

**

**
**

***

*

50 100 200 0 0 0 50 100 2000 0 0 25 50 100 25 50 100
MRR: maximum respiration rate

• 全条件で上昇、 ALA/SFC（200/100μM）
において最も増加した。

• ATP産生量はSFC単独では増加せず、ALA/SFC（200/100μM）において最も増加した。
Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.

患者由来細胞に対する5-ALAの効果 –蛋白発現-

患者由来細胞においてもALA+SFCで呼吸鎖関連蛋白の発現亢進

Lane1234ALA (µM)

050100 200

SFC (µM)

02550100UQCRC 2 (Complex III), MTCO1 (Complex IV)は全ての患者細胞において発現が亢進。NDUFB8(Complex I)は5/8、SDHB (Complex II)は2/8症例で発現が増加した。 Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.

患者由来細胞に対する5-ALAの効果 –酸素消費量(MRR), ATP産生量-

患者由来細胞においてもALA+SFCで酸素消費量, ATP産生量改善

酸素消費量* P < 0.05, ** P < 0.01 vs. Control (Dunnett’s test)

ATP産生量• ALA+SFC含有培地で培養された患者細胞では、全例でMRRの有意な上昇を認めた。ATP産Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.
生量は7/8症例で有意に増加した。

正常皮膚線維芽細胞に対する5-ALAの効果 –HO-1発現 ヘム分解産物である
CO, BilirubinはALA (µM)
抗酸化、抗炎症作用をもつ SFC (µM)

5-ALA

ALA+SFC濃度依存性にHO-1発現亢進
050

100

20050100

200000025501000002550100

HO-1Fe2+β-Actin

COBiliverdin

HO-1

Bilirubin

酸化ストレス
炎症

5.00

HO-1(Relative expression)

Heme

**

4.00
3.00
2.00
1.00

0.00
ALA (µM) 0SFC (µM) 050 100 200
25 50 100

5000 0 025 50 100• ALA+SFC含有培地でHO-1蛋白、遺伝子の発現が亢進した。
Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.

32患者由来細胞に対する5-ALAの効果 –HO-1発現 -患者由来細胞においてALA+SFCでHO-1蛋白発現亢進

Lane

1234

ALA (µM)

050100200

SFC (µM)

02550100• 全ての患者由来細胞において、ALA+SFCの濃度依存性にHO-1蛋白の発現亢進が確認された。
Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.

33

5-ALAのミトコンドリア生合成に対する効果

患者細胞においてALA+SFCでmtDNAコピー数増加
HO-1CO
ミトコンドリア生合成

PGC-1αALA/SFCによるmtDNAコピー数の変化

NRF1

TFAM
TFAM
•
mice•

Hull, et al. JCI Insight 1, 85817 (2016)
Fujii C, et al. Sci Rep 21, 7, 4013 (2017)

HO-1, COはミトコンドリアDNA転写因子であるPGC-1α,NRF1, TFAMの発現を亢進し、ミトコンドリア生合成を促す•

正常細胞ではALA+SFCにより、約3.5倍 mtDNAコピー数が増加。
患者由来細胞では、5/8症例で有意にmtDNAコピー数が増加した。
Shimura M et al., Sci Rep. 2019; 9: 10549.

34

ミトコンドリア病患者由来細胞に対する
5-ALA+SFCの効果のまとめ• ミトコンドリア患者由来細胞において、ミトコンドリア呼吸鎖複合体I～IVの発現亢進。
• ミトコンドリア酸素消費量、ATP産生量を指標としたミトコンドリア機能を改善。
• 抗炎症効果、酸化ストレスの軽減に関与するHO-1の発現亢進。
• ミトコンドリアDNAコピー数が増加。

実際のミトコンドリア病に対する治療効果は？
35

Outline
1. 5-ALAとは？
-5-ALAの基礎知識-5-ALAの医薬品応用2. ミトコンドリア病に対する5-ALA の効果
3. Leigh脳症に対する医師主導治験36

Leigh脳症を対象とした5-ALA+SFCの多施設共同試験••

健常成人を対象とした第I相試験はすでに完了し、安全性および忍容性は確認済。
第II相試験（探索試験；少数の患者さんで有効性、安全性を調べる）は2016年3月で終了しており、現在第III相試験（検証試験；よ37
り多数の患者さんを対象）が進行中。

乳幼児ミトコンドリア病スケール (NPMDS)の経時的変化からみた 5-ALA/SFCの著効⚫ NPMDSスコアの減少は症状・機能の改善を示す。
⚫ 5-ALA/SFC群のスコアは投与開始後、徐々に改善。
（左グラフ オレンジ線、患者5名の平均）⚫ プラセボ群のスコアは12週目まで改善せず、13週目より 5-ALA/SFC を投与、20週目以降に改善。
（右グラフ 青線、患者5名の平均）
54

ベース
ライン
からのス
コ
ア変化

55-ALA/SFC群

4ベース
ライン
からのス
コア変化

32
10-1-2-3-4-5

プラセボ群

3210-1-2-3-4

実薬投与

-5投与前

8週

12週

20週

24週

投与前

治験期間

第II相試験におけるNPMDSの変動

8週

12週

20週

24週

治験期間
遺伝子医学MOOK (2020), 35, 224-233

MRI 画像の経時的変化からみた5-ALA/SFCの著効⚫ 脳幹症状である眼球運動障害が 5-ALA/SFC 投与で著効した症例。
⚫ 脳幹下部両側の橋病変（黄矢印）が著しく改善した。
⚫ 症状、機能改善により確認された 5-ALA/SFC の治療効果が、画像上からも確認された症例。
⚫ Leigh脳症で、両側脳幹病変の画像上での消失報告例は無い。

治験開始前

5-ALA/SFC 投与
4ヶ月後

5-ALA/SFC 投与
18ヶ月後病変を認める

病変部が消失病変部消失が持続5-ALA/SFCの投与後に病状が安定ケース 1： MRI 画像上、脳幹病変が消失した症例「眼振消失」 「歩行機能の改善」 「一人で食事可能」「言葉が増える」 といった臨床評価
ケース 2： 比較的重症だが、病態進行が安定した症例「伝い歩き」 「手の動きが良くなる」「首が据わる」 「発語あり」
といった臨床評価

おわりに• 5-ALA+SFCがミトコンドリア患者由来細胞においても、ミトコンドリア機能を改善することが明らかになった。
• 今回の研究結果は、5-ALAが残存する呼吸鎖酵素を強化することでミトコンドリア機能を改善させる、「酵素強化療法」としての有用性を示唆している。
• Leigh脳症を中心に医師主導型治験が進行しており、その成果が期待される。
41