薬 剤 学, 73 (6), 366‑372 (2013)≪若手研究者紹介≫

酸化ストレスおよび骨疾患を対象とした新規 DDS の開発

勝 見 英 正*Hidemasa Katsumi

京都薬科大学薬剤学分野の発症ひいてはその病態の悪化の要因となる．した

1．は じ め にがって，活性酸素種の産生や酸化還元バランスを制

筆者は現在，京都薬科大学，薬剤学分野（山本昌

御する NO や活性酸素種を消去する抗酸化剤を体外教授主宰）において，「酸化ストレスおよび骨疾患をから投与することによるこれら疾患治療が期待され対象とした新規ドラッグデリバリーシステム（DDS）

る．筆者は，化学修飾アルブミンなどの高分子キャの開発」をテーマとして掲げ，DDS 研究に取り組んリアを利用した NO や還元型チオールなどの抗酸化でいる．すなわち，酸化ストレス疾患を対象とした剤の体内動態制御や，最近では，微粒子性の抗酸化DDS 開発は，京都大学大学院薬学研究科，薬品動態剤であるプラチナナノ粒子の各種投与経路からの体制御学分野（橋田充教授主宰）における大学院時代内動態解析や疾患治療への応用について検討を行っから一貫して取り組んでいる研究テーマであり，一ている．

酸化窒素（NO）や抗酸化剤を用いた効率的な疾患

一方，骨疾患を対象とした DDS 開発は，京都薬治療を目指して，化学修飾や微粒子化などの各種製科大学に着任（2006 年度）以降に開始した研究テー

1〜3）

．

マであり，骨粗鬆症治療薬であるビスホスホネート

生体内で産生される活性酸素種はその産生系，消去の新規投与形態の開発やビスホスホネートを利用し系により常にその量が調節され，低濃度の活性酸素た薬物の骨ターゲティングなどについて精力的に取種は代謝，細胞の増殖，エネルギー産生に関わり，り組んでいる 4, 5）．人口の高齢化に伴って，近年，生体のホメオスタシス維持に重要な役割を担ってい骨疾患治療の重要性が高まってきているが，既存のる．しかしながら，生体の内因的または外因的要因

薬物は吸収性や骨移行性などの点において課題があにより多量の活性酸素種が産生されると，生体内抗り，こうした欠点を克服する革新的な DDS 開発が酸化物質の枯渇などにより生体内の酸化還元状態の望まれている．筆者は，吸収性や服用性に難点があバランスが崩れ，過剰な活性酸素種による生体内成る骨粗鬆症治療薬ビスホスホネートの新たな投与形

分の酸化および炎症性細胞の活性化などが引き起こ態（パッチ製剤，マイクロニードル，吸入剤）の開され，これが脳梗塞，高脂血症，糖尿病，劇症肝炎，発や，ビスホスホネートを骨ターゲティング素子と虚血再灌流障害および癌転移など様々な疾患・障害して利用した高分子薬物の骨ターゲティングならび剤技術によるこれらの DDS 開発を進めているに骨ターゲティング型微粒子性キャリアの開発を試*2002 年大阪薬科大学卒業，2004 年京都大学大学院薬学研究科修士課程医療薬科学専攻修了，2006 年同大学
院博士後期課程医療薬科学専攻中退，同年 4 月より京都薬科大学薬剤学分野助教（着任時は助手）．2010 年
博士（薬学）（京都大学）取得．2012 年度日本薬学会
近 畿 支 部 奨 励 賞 受 賞． 研 究 テ ー マ： 生 物 薬 剤 学，DDS．連絡先：〒607–8414 京都市山科区御陵中内町 5E-mail: hkatsumi@mb.kyoto-phu.ac.jp366366-372̲12̲若手̲念.indd 366

みている．
本稿では，大学院時代から研究を進めてきた NOおよび抗酸化剤の DDS 開発，ならびに最近検討を行っている骨疾患を対象とした DDS 開発（とくに経皮吸収製剤の開発）について紹介させて頂く．

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2．酸化ストレス疾患を対象とした新規 DDS 開発

ィド結合の形成を抑制する必要があった．筆者らは，水溶性ポリマーである PEG を血清アルブミンに導還元型チオールの抗酸化効果増強を目指し入することでこの問題を解決し血清アルブミン 1 分た還元型チオール修飾アルブミンの開発

子当たりに約 10 個の還元型チオールを導入するこ

活性酸素種による生体分子の酸化は，劇症肝炎なとに成功した．PEG は，PEG-interferon に代表さど多くの病態の発症および進行に関与していることれるように，PEG 周辺に水和層を形成することによから，生体分子の酸化還元反応は生体機能を制御すりタンパク性医薬品の血中滞留性を向上させる機能る上で重要である．なかでも，タンパク質中システ性ポリマーであることが知られている．したがって，イン残基のチオール基の酸化還元反応に伴う活性調

血清アルブミンに導入した PEG が形成する水和層節機構（レドックス制御）は，生体のホメオスタシの立体障害によりチオール基導入時の凝集体形成がス維持に大きく寄与している．したがって，還元型抑制されたものと推察される．これまでのところ，チオールを含む化合物を医薬品として体外から投与

還元型チオール修飾 PEG 化アルブミンの血中滞留することが，活性酸素種により惹起される疾患・障性は，血清アルブミンと比較して顕著に高いこと，害に対する有効な治療法として期待される．しかし活性酸素がその病態に関与する劇症肝炎に対して優ながら，システインやグルタチオンなどの低分子チれた治療効果を示すことが確認されている．

2.1

オールは体内からの消失が速く，これらを投与して2.2還元型チオール修飾アルブミンを利用したも十分量のチオールが疾患部位に供給されない．一一酸化窒素の DDS 開発による肝臓虚血再灌方，高分子で比較的血中滞留性が高い血清アルブミ

流障害の抑制ンは，分子内に遊離チオールを有しており，生体内血清アルブミンの遊離チオールには，上述のようの活性酸素種のスカベンジャーや生体分子を還元すな活性酸素のスカベンジャーや生体分子のレドックるレドックス制御としての役割が報告されている．

ス制御としての機能だけでなく，NO などの生理活

しかしながら，血清アルブミンには遊離チオールが性物質やカプトプリルやブシラミンなどのチオールひとつしか存在しないこと，遊離チオールの反応性含有薬物のリザーバーとしての機能が知られていが分子表面への露出度や静電気ポテンシャルなどのる．血清アルブミンの遊離チオールと NO が反応しミクロ環境により大きく変動することから，還元型て生成する S-ニトロソアルブミンは循環血中で可逆

チオールの送達効率および機能性は十分とは言い難的に NO を放出する NO 供与体として生理学的な研い．

究を中心とした検討が行われており，血清アルブミ

筆者らは，還元型チオールの抗酸化効果増強を目的として，血清アルブミンにポリエチレングリコーンの内因性 NO トラフィックタンパク質としての機能に注目が高まっている．

ル（PEG）を導入した PEG 化アルブミンにチオー

NO は，血管弛緩作用に加えて，血小板の凝集，ル基を多数導入した還元型チオール修飾 PEG 化ア

免疫系の活性化などを制御する細胞間情報伝達物質

1）ルブミンの開発を試みている ．血清アルブミンへとして，生体のホメオスタシス維持に多彩な役割をの還元型チオールの導入に用いた N-succinimidyl果たしている．生活習慣病や虚血・再灌流障害など

S-acetylthioacetate（SATA）試薬は，チオール基がの酸化ストレス疾患・障害では，体内の NO レベルアセチル基で保護された構造を有しており，SATAの低下が活性酸素種の産生に関与していることかをタンパク質のアミノ基に結合させた後，中性条件

ら，NO を医薬品として体外から投与することが，で脱アセチル化処理を行うだけの単純な操作でタン

これら疾患・障害に対する有効な治療法として期待

パク質に還元型チオールが導入でき，タンパク質のされている．これまでに生体内で NO を放出するニ立体構造への影響が少ないなどの利点を有する．しトログリセリン等の NO 供与体が開発され，狭心症かしながら，一般に，還元型チオールは反応性が高を対象疾患として，経口剤，経皮吸収製剤，注射剤

く，容易に分子間でジスルフィド結合を形成するこなどが開発され，臨床で使用されている．しかしなとが知られている．したがって，1 分子に多数の還がら，いずれの製剤においても，体内に吸収された元型チオールを導入するには，分子間でのジスルフ後の NO 供与体の体内からの消失ならびに NO 放出薬 剤 学 Vol. 73, No. 6 (2013)366-372̲12̲若手̲念.indd 36736713/10/02 11:04

図 1 化学修飾アルブミンを利用した一酸化窒素の体内動態制御
PEG-BSA-SNO；PEG 化 NO 結合アルブミン，Gal-BSA-SNO；ガラクトース修飾 NO 結合アルブミン，Man-BSA-SNO；マンノース修飾 NO 結合アルブミン PEG-BSA-SNO には BSA1 分子あたり約 10 分子の S-nitrosothiol が結合している．Man-BSA-SNO，Gal-BSA-SNO には BSA1分子あたり約 5 分子の S-nitrosothiol が結合している．

が速すぎるため，NO を必要とする疾患部位に十分NO 放出を制御する，2）標的に速やかにデリバリー量の NO を供給できないことが，狭心症以外の疾患・可能なシステムを構築する，のいずれかで解決でき障害治療への応用における大きな障壁となっているものと考えられた．また，血清アルブミンには NOる．従って，NO 供与体の NO 放出速度や体内動態を導入可能な遊離チオールが少ないことも効率的なを制御し，疾患部位に効率よく NO をデリバリーすNO デリバリーには問題であることが見出された．

ることができれば，既存の NO 供与体では不可能な

そこでまず，NO 放出を制御する方法での解決を目

疾患治療に応用可能な DDS が開発できるものと考的に，PEG 修飾による NO 放出の抑制，ならびに上えられる．

述の化学修飾を利用した新たな遊離チオール導入に

筆者らはこれまでに，NO デリバリーによる疾患よる NO 結合数の増加を試みた．その結果，S-ニト治療の実現を目指して，種々の機能性分子を導入しロソアルブミンと比較して，NO 導入数は約 13 倍とた還元型チオール修飾アルブミンに NO を結合さなり，また NO 放出の徐放化も実現可能であった 1）．

せ，NO 放出速度および体内動態を制御可能な高分

一方，図 1 に示すように，標的部位へのデリバリー

子型 NO 供与体としての新規 NO トラフィックタン

に関しては，肝細胞が有するアシアロ糖タンパク質パク質の開発を試みてきた

1〜3）．研究を開始するにレセプターをはじめとする糖鎖認識機構を利用した

当たり，NO デリバリーに有用であることが報告さ糖修飾（ガラクトースあるいはマンノース修飾）をれている S-ニトロソアルブミンを血清アルブミンと利用することで肝臓中の NO 濃度増大を実現した 2）．

亜硝酸ナトリウムを反応させることにより合成し，さらに筆者らは，マウスを用いて徐放型および肝臓マウスに静脈内投与したところ，生体内での NO 放

ターゲティング型 NO 結合アルブミンの静脈内投与

出が非常に速やかで，目的とする NO の体内動態がにより肝臓虚血再灌流障害が顕著に抑制されること得られないことが明らかとなった．この問題は，1）も明らかにしている 2, 3）．

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優れた抗酸化効果を有するプラチナナノ粒

後，腹部不快感や消化性潰瘍などの上部消化管粘膜子の体内動態解析および疾患治療への応用障害が重大な問題となっている．こうした点から，最近，筆者らは，ナノ技術を利用した新しい抗酸ビスホスホネートによる上部消化管粘膜障害を予防化剤の開発にも取り組んでいる．近年，溶液中にプするため，服用後 30 分間は座位を保つ必要がある

ラチナを安定に分散させたプラチナナノ粒子は，が，座位の保持は骨粗鬆症患者の約 70% を占める高様々な種類の活性酸素種を持続的に消去可能な新し齢者には大きな負担となっている．さらに，寝たきい抗酸化剤として注目を集めている．筆者らはこうりの高齢者には経口投与が困難であり，患者のコンしたユニークな特性を有するプラチナナノ粒子に着プライアンス・QOL を著しく低下させている．した

目し，各種投与経路からの体内動態解析や疾患治療がって，利便性と安全性の観点からビスホスホネーへの応用を試みている．プラチナナノ粒子の抗酸化トのパッチ製剤が開発できれば，患者のコンプライ作用は，製法，粒子径および保護剤の種類に左右さアンスや QOL が著しく改善できると考えられる．

れるが，筆者らはこれまでに，塩化白金イオンを還しかしながら，ビスホスホネートは，上述のように元することにより物性が異なる様々な種類のプラチ

高極性で水溶性の高い薬物であることから，消化管ナナノ粒子を調製することに成功し，各種活性酸素と同様，一般的な投与方法では皮膚からの吸収も困種を効率よく消去可能であること，静脈内投与後の難である．また，脂溶性の高い既存の粘着剤に水溶肝臓選択的な体内動態を確認している．その他，肝性の高いビスホスホネートは溶解しにくいため，一臓虚血再灌流障害や肝転移治療においても良好な結

般的なパッチの調製方法では，ビスホスホネートの果が得られていることから，プラチナナノ粒子は酸パッチ製剤化は難しい．

2.3

化ストレス疾患を対象とした抗酸化剤として有望であると考えられる．

そこで，筆者らは水溶性薬物を高濃度に溶解可能な新規親水性粘着剤を用いて代表的なビスホスホネートであるアレンドロネートをパッチ製剤化し，粘3．骨疾患を対象とした新規 DDS 開発

着剤中に高濃度に溶解させたビスホスホネートの濃新規親水性パッチ製剤を用いた骨粗鬆症治

度勾配を駆動力とした経皮吸収改善を試みた．パッ

療薬ビスホスホネートの経皮吸収改善

チ製剤は，アクリル系の新規親水性粘着剤およびグ

上述のように，筆者らは酸化ストレス疾患を対象リセリンを用いて作製し，アレンドロネート 0.1 mgとした DDS 開発を進める一方で，骨粗鬆症などのあるいは 1 mg を含有する直径 10 mm のパッチ製剤

骨疾患治療を目的とした各種 DDS 開発を試みてい4）を得た（図 2A）．

3.1

る．すなわち，筆者らは最近，吸収性と服用性に難

図 2B に示すフランツ型の拡散セルを用いたラッ点がある骨粗鬆症治療ビスホスホネートの新規経皮ト皮膚透過試験の結果，貼付 24 時間で投与量の約吸収製剤の開発を精力的に進めており，新規親水性30% のアレンドロネートが皮膚を透過することが明

粘着剤を利用することで水溶性薬物の溶解性を高めらかとなった 4）．アレンドロネートの皮膚透過量とた親水性パッチ製剤を新たに開発し，高極性で水溶パッチ製剤のアレンドロネート含量に線形性が認め性が高く皮膚からの吸収が困難な骨粗鬆症治療薬ビられたこと，本パッチ製剤に使用した親水性粘着剤4）

スホスホネートの経皮吸収改善に成功している ．

は水溶性薬物に対する拡散性が優れていることなど

ビスホスホネートは，PCP の骨格を有する化合物から，本パッチ製剤によるアレンドロネートの皮膚の総称であり，骨吸収を行う破骨細胞の機能を強力透過機構には，粘着剤中に溶解した高濃度のアレンに抑制することから，骨粗鬆症治療の第一選択薬とドロネート層が皮膚表面上に存在することにより形して汎用されている．しかしながら，ビスホスホネ成される濃度勾配が寄与しているものと考えられた．

ートは，高極性で分配係数（Log Ko/w）が−4 以下

また，ラットにおけるアレンドロネートの bioavail-の水溶性薬物であるため，経口投与した場合，消化ability は 8.3% を示し（図 2D），骨粗鬆症モデルラ

管上皮細胞膜に分配しにくく，吸収率が 1〜2% と極ットに対しても高い治療効果を示した．さらに，フめて低いことが知られている．また，ビスホスホネ

ランツ型の拡散セルを用いたヒト皮膚透過試験におートは粘膜刺激性を有していることから，経口投与いて，貼付 24 時間で投与量の約 10% のアレンドロ薬 剤 学 Vol. 73, No. 6 (2013)366-372̲12̲若手̲念.indd 369

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図 2 （A）アレンドロネートの構造とパッチ製剤，ラット（B）およびヒト（C）皮膚におけるアレンドロネートの透過性とラット体内動態（D）ネートが皮膚を透過することが示され（図 2C），302

マイクロニードルを利用したアレンドロネートの経〜60 cm のパッチ面積で市販のアレンドロネート皮吸収システムの開発を試みている 5）．マイクロニ

経口投与製剤（週 1 回投与）と同等の治療効果が期

ードルは痛みを感じさせない長さ数百ミクロンのア4）待できることも明らかとなっている ．

レイ状微細針を皮膚に適用することにより，微細針ラットを用いた皮膚刺激性試験では，パッチ製剤に表面塗布または内部に含有された薬物を皮膚内で貼付後，アレンドロネートによる遅延性の軽度の皮放出させる経皮投与法であるが，本手法を利用する膚紅班が観察されたが，抗酸化剤ブチルヒドロキシことにより，適用時にアレンドロネートを真皮に直トルエン（BHT）をパッチ製剤に添加することによ接注入することが可能となり，アレンドロネートがり皮膚紅班は完全に抑制された．さらに，BHT をパ真皮から血中に速やかに移行することで，1）注射

ッチに加えた際のアレンドロネートの皮膚透過性おと同等の高い吸収性，2）アレンドロネートによるよび薬理効果は，無添加のアレンドロネートパッチ皮膚刺激の回避などが期待できる．の場合とほぼ同等であり，BHT はパッチの機能に影

筆者らは生体由来成分であるヒアルロン酸で構成響を与えることなく，アレンドロネートによる皮膚された長さ 800 mm の微細針にアレンドロネートを

4）紅班を抑制することが明らかとなった ．

搭載させたマイクロニードルを作製した（図 3A）5）．

3.2 溶解型マイクロニードルを利用したビスホ

本マイクロニードルは，皮膚に適用後，主にヒアルスホネートの経皮吸収促進と刺激性回避ロン酸で構成される微細針が体液により速やかに膨以上のように，筆者らは新規親水性パッチ製剤を潤，溶解される「自己溶解型」であるのが特徴であ利用することによりアレンドロネートを皮膚から効る（図 3C）．また，マウスを用いた体内動態試験で率よく吸収させる経皮吸収製剤を開発した．一方で，は，皮下注射とほぼ同等のアレンドロネートの血中アレンドロネートを注射のように皮膚から速やかか濃度推移が得られ（図 3B），bioavailability も約 90%つ効率的に吸収させる製剤が開発できれば，パッチを示したことから，本マイクロニードルを利用する製剤とは別に有効な経皮吸収システムが構築できることで，アレンドロネートを皮膚から速やかかつ効ものと考えられる．そこで筆者らは最近注目を集め率的に送達可能であることが実証された．さらに，ているアレイ状微細針，マイクロニードルに着目し，本マイクロニードルは骨粗鬆症モデルラットを用い

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図 3 アレンドロネート搭載溶解型マイクロニードルの顕微鏡写真（A），各種投与方法におけるアレンドロネートの体内動態（B）および皮膚適用後のマイクロニードルの溶解性（C）た薬理試験においても著効を示した．また，皮膚刺トレスおよび骨疾患の効率的治療の実現を目指し激性の評価において，アレンドロネートによる皮膚て，高分子・微粒子性キャリア，経皮および経肺な紅班が観察されたが，上述のパッチ製剤（BHT など

ど様々な DDS 開発に取り組んできたが，これらのの刺激防止剤を添加していないパッチ製剤）の場合研究を進める中で，多くの諸先生方からご指導をいと比較してその程度は軽微であった 5）．さらに，最ただくことができた．また，京都薬科大学に着任後

近，アレンドロネートを微細針の先端部のみに搭載

は，基礎研究のみならず多くの企業と共同研究をささせることで，真皮の血管により近いところで薬物せていただき，実用化を意識した研究を行う機会にが放出され速やかに血中に移行させることが可能とも恵まれた．こうした諸先生方に巡り合えたこと，なり，アレンドロネートによる皮膚刺激が完全に回研究の機会を与えていただいたことに感謝しつつ，避できることも確認されている．以上の結果は，マ今後もこうした経験を活かして，DDS 研究に邁進しイクロニードルを利用することにより，アレンドロていきたいと考えている．また，本年秋よりカナダ

ネートの有効かつ安全な経皮吸収システムが構築でのブリティッシュ・コロンビア大学（Pieter Cullisきる可能性を示すものと考えられる．現在，研究結教授の研究室）に研究留学する予定であり，研究者果に基づき実用化を目指して，より有効性および安としての視野を広げるとともに，英語スキルや国際全性に優れたビスホスホネートの経皮吸収製剤の開性を高めたいと考えている．

発を進めている．
本稿でご紹介した研究成果は，京都大学大学院薬4．お わ り に学研究科 橋田充教授，山下富義准教授，西川元也准

本稿では，筆者が大学院から現在まで取り組んで教授，川上茂講師（現 長崎大学大学院医歯薬学総合

きた研究の一端を紹介した．筆者はこれまで酸化ス研究科教授），京都薬科大学薬剤学分野 山本昌教授，

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坂根稔康准教授，草森浩輔助教，京都薬科大学代謝分析学分野 安井裕之教授，大阪薬科大学 掛見正郎
教授，京都大学大学院工学研究科 小山宗孝准教授，
コスメディ製薬株式会社 神山文男博士，権英淑博士，Teikoku Pharma, USA, Inc．日比徹博士（現Pharma Seeds Create CMC Consultant 代表），米戸邦夫博士（現 リタファーマ株式会社代表取締役），セラフト株式会社 佐野昌隆代表取締役をはじめとした多くの先生方のご指導ご鞭撻の所産であり，ここに深謝するとともに，研究に御協力頂きました学生の方々に御礼申し上げます．
引 用 文 献1) H. Katsumi, M. Nishikawa, F. Yamashita, M.
Hashida, Development of polyethylene glycolconjugated poly-S-nitrosated serum albumin, anovel S-Nitrosothiol for prolonged delivery of nitric oxide in the blood circulation in vivo, J. Pharmacol. Exp. Ther., 314, 1117–1124 (2005).

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2) H. Katsumi, M. Nishikawa, H. Yasui, F. Yamashita,
M. Hashida, Prevention of ischemia/reperfusion
injury by hepatic targeting of nitric oxide in mice,
J. Control. Release, 140, 12–17 (2009).
3) H. Katsumi, M. Nishikawa, F. Yamashita, M.
Hashida, Prevention of hepatic ischemia/reperfusion injury by prolonged delivery of nitric oxide tothe circulating blood in mice, Transplantation,
85, 264–269 (2008).
4) K. Kusamori, H. Katsumi, M. Abe, A. Ueda, R.
Sakai, R. Hayashi, Y. Hirai, Y. S. Quan, F. Kamiyama, T. Sakane, A. Yamamoto, Development of anovel transdermal patch of alendronate, a nitrogen-containing bisphosphonate, for the treatmentof osteoporosis, J. Bone Miner. Res., 25, 2582–2591 (2010).
5) H. Katsumi, S. Liu, Y. Tanaka, K. Hitomi, R.
Hayashi, Y. Hirai, K. Kusamori, Y. S. Quan, F.
Kamiyama, T. Sakane, A. Yamamoto, Development of a novel self-dissolving microneedle arrayof alendronate, a nitrogen-containing bisphosphonate: evaluation of transdermal absorption, safety, and pharmacological effects after applicationin rats, J. Pharm. Sci., 101, 3230–3238 (2012).

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