（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 令和 4 年度 TSUBAME 利用 成果報告書

利用課題名 計算化学による薬物とトリメチル化シクロデキストリンの相互作用評価
英文：Evaluation of Interaction between Drug and Tri-Methyl Cyclodextrin
by Computational Chemistry
利用課題責任者 東 顕二郎
First name Surname Kenjirou Higashi
所属 千葉大学大学院薬学研究院製剤工学研究室
Affiliation Laboratory of Pharmaceutical Technology, Graduate School of Pharmaceutical Sciences,
Chiba University
URL http://www.p.chiba-u.jp/lab/seizai/index.html
邦文抄録（300 字程度）
難水溶性薬物の溶解性改善手法として、過飽和溶液の調製が広く研究されている。一方、過飽和溶液は熱力学的に不安定であるため、その安定化を目的として結晶化抑制剤が用いられている。シクロデキストリン類は薬物をその空洞内に包接することで、みかけ溶解度を改善する可溶化剤として知られている。近年我々はトリメチル化シクロデキストリンが可溶化作用に加えて、強い結晶化抑制作用を有することを見出した。本課題では、トリメチル化シクロデキストリンの結晶化抑制メカニズムを明らかにすることを目的として、計算化学（主に分子動力学シミュレーション）を用いて、過飽和溶液中の薬物とトリメチル化シクロデキストリンの相互作用を評価した。
英文抄録（100 words 程度）
The drug-supersaturation formulations are developed to overcome the solubility issue of poorly
water-soluble drugs. However, the supersaturated drugs are subject to crystallization due to their
thermodynamic instability. The addition of excipient that can inhibit drug crystallization and stabilize
drug supersaturation is of high importance. Cyclodextrin (CD) and its derivatives are widely employed
as solubilizers to increase drug apparent solubility through inclusion complex formation. Our group
found a new function of permethylated CD as effective crystallization inhibitor. In this study, we aimed
to investigate the crystallization inhibition mechanism of permethylated CD. The MD simulation wasconducted to unravel the interaction mode between drug and permethylated CD.

Keywords: シクロデキストリン、過飽和製剤、結晶化抑制作用、MD シミュレーション
背景と目的れている。一方、CD 誘導体による薬物の結晶化抑制

難溶性薬物の溶解性や経口吸収性改善技術として、作用に関する研究は未だ十分な検討が行われていな

薬物過飽和製剤が広く研究されている 。薬物過飽和製い。我々の先行研究において、12 種類の CD 誘導体に剤は、経口投与時に、消化管において薬物過飽和状態よる薬物結晶化抑制作用を評価した結果、疎水性の高を形成することにより、難溶性薬物の経口吸収性を改いメチル化 CD がより強い薬物結晶化抑制作用を示す善する。しかし、過飽和状態は熱力学的に不安定であことを見出した (Fig. 1)。しかしながら、その結晶化抑り、薬物の結晶化により、時間経過に伴い過飽和状態制機構は不明であった。

は失われる。そのため、薬物結晶化を抑制または遅延させ、より長時間薬物過飽和状態を維持することが、過飽和製剤を利用した吸収性改善には重要となる。
近年の研究において、環状オリゴ糖であるシクロデキストリン(CD)の誘導体の一部が薬物結晶化抑制作用を示すことが報告されている。CD は、生体適合性を有する添加剤として古くから医薬品、食品、化粧品など様々な分野で応用されており、内部の疎水性空洞内にFig. 1. Comparison of solubilization and crystallization

薬物を包接することで可溶化作用を示すことが報告さ

inhibition ability of CD derivatives.

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そこで、本研究では、モデル薬物としてクロルタリドン

結果および考察(CLT)を用い、分子動力学(MD)シミュレーションによる(a)(b)CD 誘導体の結晶化抑制メカニズム解明を試みた。

概要
MD シミュレーションによる薬物と CD 誘導体の相互作用評価
6 分子の CLT(Fig.2a)及び、1 分子の β-CD またはトリメチル-β-CD (TM-β-CD)(Fig. b)を 81.0 Å3 の体積の立方体セルに配置し、水分子を 18555 分子加え、エネル

Fig. 4. Snapshots of (a) β-CD and (b) TM-β-CD with
CLT molecules from MD simulation at 50 ns.
1.

可溶化作用ギーを極小化したものを初期構造とした(Fig. 3)。全て

MD シミュレーションの結果、β-CD は CLT 分子を空の分子について第一原理計算を行い、各原子の電荷洞内に包接したのに対して、TM-β-CD は CLT 分子を空を補正した。AMBER14: EHT 力場を用い、25ºC (298洞内に包接しなかった (Fig. 4)。実験的手法による可K)で 50 ns の平衡過程を設定し、NAMD プログラムに溶化作用試験の結果では、β-CD は TM-β-CD と比較しより MD シミュレーションを実行した。て強い CLT 可溶化作用を示しており、これは各 CD による CLT 包接能の違いによることが明らかとなっている。

O(a)すなわち、MD シミュレーションの結果は実験的に求め

NH
HONH2O
SOた可溶化作用の強さを支持しするものであり、CD 空洞内における薬物との相互作用が可溶化作用の主な駆Cl(b)

動力であることが確認された。

RO

2.
O
ORO
OR

β-CD: R=H
TM-β-CD: R=CH3

結晶化抑制作用MD シミュレーションの結果、β-CD 及び TM-β-CD はいずれも外側の官能基を介して CLT と相互作用を形成した(Fig. 4)。実験的手法による結晶化抑制作用試験のFig. 2. Chemical structure of (a) CLT and (b) β-CD or

結果では、TM-β-CD は β-CD よりも強い CLT 結晶化抑TM-β-CD.

制作用を示した。これは各 CD 空洞外の置換基と CLTの相互作用の強さの違いを反映しており、疎水性の高いメチル基が CLT と強く相互作用を形成するためと考えられている。すなわち、今回の MD シミュレーションの結果と実験的に求めた結晶化抑制作用の強さは一致しておらず、本 MD シミュレーション条件では各 CD による CLT 結晶化抑制作用を適切に評価できていないと考えられた。

CLT: Blue β-CD: Pink

CLT: Blue

TM-β-CD: Pink

まとめ、今後の課題
MD シミュレーションにより、各 CD の可溶化作用評

Fig. 3. Initial structures of CLT-supersaturated

価は達成できたが、結晶化作用評価は困難であった。

solution containing 1 molecule of β-CD (left) or

今後は、薬物結晶化機構のうち核成長に焦点を絞り、TM-β-CD (right). The water molecules are hidden for

MD シミュレーションを用いた検討を行う。具体的には、

the convenience of observation.

CLT 結晶界面への各 CD の吸着挙動を評価することで、各 CD の CLT 核成長抑制機構の解明を行う。