強紫外光が照射された部位選択的な治療を可能とする分子システムの開発
大阪薬科大学

平野智也

Methods utilizing the irradiation of light are powerful tools for various fields of scientific research, as well as in industry
and in medical application, because they enable non-invasive and spatio-temporal control. In those methods, the molecules,
whose functions such as emission of light and cleavage of covalent bonds have been utilized. Coumarin has been utilized
as a core structure of those photofunctional molecules, such as fluorescent sensors and photoremovable protecting groups.
Here, we have developed photoremovable protecting groups that could function under a specific condition, that is, a specificrange of pH or the presence of hydrogen peroxide, respectively, derived from coumarin-based fluorescent sensors. Thosegroups could potentially be utilized in photo-releasing a drug selectively around diseased tissues.

1.

緒

言

光は植物における生合成だけでなく、ヒトにおいても活性型ビタミン D の生合成などの生理機能において必須であ

２．特定の pH 領域で機能する光分解性保護基の開発
2. 1. 方法る。その一方で、過剰な光、特に紫外線の照射は活性酸素

特定の環境選択的な光分解性保護基としてまず、特定の種の産生を引きおこし、皮膚への障害、シミなどだけでなpH 領域で機能する光分解性保護基の開発を行った。生体く、がんなどの疾患の要因にもなる。そのため、有害な量内における pH は、エンドソーム、リソソーム、ミトコンの紫外光を防ぐ、もしくは障害を予防、治癒する機能を持ドリアなどの細胞内小器官ごとに異なるだけでなく、がんつ分子は有用となる。一方、光分解性保護基とは、特定の組織近傍においては弱酸性になるなど、細胞、組織の状態波長の光照射により共有結合の切断がおこる分子団である。に応じても変化する。そのため、特定の pH 選択的に機能光分解性保護基を cAMP、グルタミン酸などの生理活性分する光分解性保護基は、生理機能解析および、図 1 に示す子に導入した分子は Caged 化合物と呼ばれる。Caged 化合分子システムの構築に有用となる。

物は任意の部位、タイミングでの光照射によって、生理活

図 2 に示す Bhc は、光分解性保護基として汎用されてい性分子を生成させることを可能とするため、様々な生物学る分子団である。我々はこれまで、Bhc の母核であるクマ研究において用いられてきた。本研究では、こうした光分リン骨格を持つ、様々な蛍光センサーを開発してきた 1）。

解性保護基の光分解反応を制御することにより、弱酸性やその結果、pH の変化に伴い、蛍光強度が OFF-ON-OFF

活性酸素種存在下などの特定の環境選択的に機能する光分と変化する蛍光センサー 1 などを開発した 2 , 3）。pH の変化

解性保護基の開発を行った。開発した光分解性保護基を、に伴い、蛍光強度が OFF-ON と変化する蛍光センサーは生理活性、治療効果がある分子と組み合わせた Caged 化

これまで数多く開発され、様々な生理機能解析に応用され合物は、疾患組織選択的に活性分子を光放出する分子シスてきた。その一方で、OFF-ON 型のセンサーは、例えばテムとなる（図 1）。例えば、強紫外光によって活性酸素がpH 6 以下の環境を検出することはできるものの、pH がさ生成している部位選択的に機能する光分解性保護基は、光らに低下した環境とを識別することができない。一方、1による障害がおきている部位選択的な治療、保護を可能となどの OFF-ON-OFF 型の変化を示し、特定の pH 領域をする分子システムになりえる。

検出する蛍光センサーはこうした問題を解決した有用なセンサーとなりえる。我々は、センサーの機能を光分解性保護基に付与することができれば、特定の pH 領域で機能する光分解性保護基になりえると考えた。具体的には図 2 に示すように、センサー 1 と Bhc の構造要素を組み合わせたDevelopment of molecular system forthe treatment of the area irradiated bystrong ultraviolet light
Tomoya Hirano

化合物群 2 をデザインした。これらの化合物を合成し、pH を変化させた際の光分解反応効率を HPLC により解析した。

Osaka University of PharmaceuticalSciences− 36 −

強紫外光が照射された部位選択的な治療を可能とする分子システムの開発

図１

図2

本研究で開発を目指す分子システムの概要

特定の pH 領域選択的に機能する光分解性保護基のデザイン

2. 2. 結果と考察が進行すると考えられる。また、モノアニオン型が存在す合成した 2 の機能を解析した結果、いくつかの化合物にる pH は、二つの水酸基の pKa を変化させるハロゲン原子

お い て、pH が 増 大 す る の に 伴 い、 光 分 解 反 応 効 率 がによって調整される。すなわち、2 a では pH 9、2 e ではOFF-ON-OFF と変化することが明らかとなった 。例えpH 6 と、光分解反応がおこる pH が変化したと考えられる。

ば、2 a は pH 3、pH 6 で は 光 分 解 反 応 が お こ ら な い が、開発した光分解性保護基の中でも 2 e は、pH 6 というがんpH 9 では反応が進行し、pH 12 では進行しない（図 3）。さ組織近傍で見られる環境で光分解反応がおこるため、がんらに光分解反応がおこる pH は、導入したハロゲン原子の選択的に治療薬を光放出する分子システムに応用できると数、位置に応じて変化することも明らかとなった。すなわ

考えられる。

4）

ち、2 つの塩素原子と 1 個の臭素原子を有する 2 e では、pH 3 では光分解反応がおこらないが、pH 6 では進行し、pH 9 ではおこらなかった。図 2 に示すように蛍光センサ
ー 1 の蛍光強度変化は、二つの水酸基の脱プロトン化によ３．活性酸素種存在下で機能する光分解性保護基の開発
3. 1. 方法

る制御される。すなわち、7 位の水酸基が脱プロトン化さ活性酸素種は、生体に対して障害を与える因子としてだ

れたモノアニオン型で強い蛍光を持つが、6 位に導入したけでなく、生体内でのシグナル伝達分子として機能するなフェノール性水酸基も脱プロトン化され、ジアニオン型とど多様な作用を持つ。そのため、活性酸素種存在下で機能なると蛍光を失う。化合物群 2 においても同様の脱プロトする光分解性保護基は、生理作用解析のみならず、図 1 にン化がおこり、モノアニオン型となったときに光分解反応示したような、活性酸素が関与する疾患の治療、保護に有− 37 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 29, 2021

図3

図4化合物 2 の機能解析

過酸化水素存在下で機能する光分解性保護基のデザイン用な分子システムに用いることができる。我々は、活性酸その機能を解析した。

素種の中でも過酸化水素に着目し、2 節で述べた研究と同様の戦略、すなわち蛍光センサーと Bhc の構造要素を組み3. 2. 結果と考察合わせることによって、過酸化水素存在下で機能する光分種々の活性酸素存在下における、化合物 4 の光分解反応解性保護基の開発を行った。これまでに報告されている過効率を解析した結果を図 5 に示す。検討した活性酸素種の酸化水素を検出する蛍光センサーにおいては、ボロン酸ピ中で、過酸化水素存在下において、水酸基への構造変化とナコールエステルが過酸化水素により水酸基へと変換され光分解反応によって生成する化合物 6 が、最も高収率で得る反応が利用されている。我々は本反応をクマリン骨格にられた。選択性において改善の余地があるものの、化合物

応用することにより、過酸化水素を検出する蛍光センサー

4 は過酸化水素存在下で機能する光分解性保護基になりえ3 を開発していた（図 4）。そこで、この蛍光センサーと光ることが明らかとなった。

分解性保護基の構造要素を組み合わせた化合物 4 を合成し、− 38 −

強紫外光が照射された部位選択的な治療を可能とする分子システムの開発

図5４．総化合物 4 の機能解析

versatile scaffolds for fluorescent sensors. New J Chem

括39: 8389-8396, 2015

本研究により我々は、蛍光センサーの構造とクマリン骨2） Shiraishi T, Saito T, Kagechika H, Hirano T:

格を基に、特定の pH 領域または過酸化水素存在下で機能Development of a novel fluorescent sensor to detect aする光分解性保護基の開発に成功した。蛍光センサーの開specific range of pH. Tetrahedron Lett 55: 6784-6786,

発は現在、世界中で爆発的に進行しており、多種、多様の2014センサーが報告されている。本研究の戦略にこうしたセン

3） Hirano T, Noji Y, Shiraishi T, Ishigami-Yuasa M,

サーを用いることによって、個々の疾患特有の環境選択的Kagechika H: Development of an ‘OFF-ON-OFF’に機能する光分解性保護基の開発は可能になると考えられfluorescent pH sensor suitable for the study ofる。こうした研究成果は、光を利用した治療、予防を行う

intracellular pH. Tetrahedron 72: 4925-4930, 2016
4） Kato D, Shiraishi T, Kagechika H, Hirano T:

ための新たな分子システム開発の基盤となる。

6-Arylcoumarin as a Scaffold of Photofunctional（引用文献）

Molecules with OFF-ON-OFF Type Regulation. J Org1） Shiraishi T, Kagechika H, Hirano T: 6-Arylcoumarins:− 39 −Chem 86: 2264-2270, 2021