臓器から臓器へと体内を自在に動く分子

東京科学大学* 物質理工学院 応用化学系の田中克典教授（理化学研究所（理研）開拓研究本部 田中生体機能合成化学研究室主任研究員、応用化学系 ライフエンジニアリングコース 主担当）、理研 開拓研究本部 田中生体機能合成化学研究室のチャン・ツンチェ研究員、山田健士郎研修生（研究当時、東京工業大学 物質理工学院 応用化学系博士後期課程3年（研究当時））、向峯あかり特別研究員（研究当時）らの研究チームは、化学反応により体内で糖タンパク質の糖鎖^[用語1]構造を変化させることで、糖鎖の臓器に対する認識を変化させ、臓器から臓器へと分子を移動させることに成功しました。

抗体のように強く特定の細胞や臓器を認識する分子は、いったん、その細胞や臓器にくっつくと引き剝がすことは困難です。一方、これまで田中教授は、複数種類の糖鎖構造を組み合わせて認識させる「糖鎖パターン認識」を用いると、ほんのわずかな糖鎖パターンの違いによって標的となる細胞や臓器の種類が劇的に変化することを見いだしています。

研究チームは、体内での化学反応により糖鎖パターン認識を変更できる糖タンパクを開発し、それを使って、マウス体内で尿排せつから便排せつへ、あるいはがんから腸管へと、分子を移動させることに成功しました。この研究成果は、体内の異なる疾患を1分子でパトロールして治療し、治療終了後には体外へ排出できる分子が実現可能であることを示しています。1966年に公開されたハリウッ ド映画『ミクロの決死圏』の世界の、“未来の技術”の実現に向けた大きな一歩となります。

本研究は、オンライン科学雑誌『Nature Communications』（10月2日付：日本時間10月2日）に掲載されました。

*2024年10月1日に東京医科歯科大学と東京工業大学が統合し、東京科学大学（Science Tokyo）となりました。

糖鎖は「細胞の顔」と呼ばれる分子で、細胞同士がお互いを認識し合う際に不可欠であり、この認識には糖鎖とレクチン（糖鎖を認識するタンパク質）の弱い相互作用が重要な役割を果たしています。これまでに田中教授らは、糖鎖による細胞認識を模倣し、複数種類の糖鎖をアルブミン^[用語2]上にクラスター化した糖鎖アルブミンを作製し、がんへのターゲティング技術を開発してきました。一本の糖鎖とレクチンの相互作用は弱いですが、複数の糖鎖を組み合わせた糖鎖クラスター^[用語1]とすることで、相互作用が増強されます。さらに複数種類の糖鎖から成る「糖鎖パターン」として細胞に提示すると、細胞表面の複数種類のレクチンとの相互作用が全てマッチした場合にのみ強い相互作用が生じるため、選択的な標的認識が可能となります（図1）。この複数種類の糖鎖を介した選択的な認識を、「糖鎖パターン認識」と呼びます。

田中教授らは、糖鎖パターンを持つさまざまな糖鎖アルブミンを開発し、マウス内でのがんや膵臓（すいぞう）、肝臓、あるいは脾臓（ひぞう）を精度よく認識したり、尿排せつや便排せつの経路を制御したりすることに成功してきました^※1～5。糖鎖パターン認識の大きな特徴として、糖鎖クラスターを構成する一部の糖鎖が変化するだけで標的の認識が大きく変化することが挙げられます。もし、糖鎖パターンを動物の体内で変更することができれば、細胞や臓器への認識を体内で自由に切り替えて、細胞から細胞へ、あるいは臓器から臓器へと自在に移動させることができると予想しました。

糖鎖アルブミンの体内移動を実現するためには、刺激に応じて素早く体内で糖鎖パターンを変更する手法が必要です。そこで着目したのが、2022年のノーベル化学賞として話題になったクリック反応^[用語3]です。クリック反応は短時間で進行するシンプルな化学反応であり、細胞内の複雑な環境下で新たな結合を形成する技術です。中でもclick-to-release法^[用語4]は、結合の形成（click反応）・切断（release反応）を一挙に進行させる方法として用いられています。そこで研究チームは、click-to-release反応を利用することで、マウスの体内で糖鎖アルブミン上に新しい糖鎖を導入するとともに、アルブミン上の古い糖鎖を切り離すことができると考えました。すなわちclick-to-release法により、糖鎖アルブミン上のパターン認識を体内で変更し、糖鎖アルブミンを体内で動かすことができると予想しました。

研究チームはまず体外で、click-to-release法による糖鎖付け替え反応を検討しました。click-to-release法では、trans-シクロオクテン基（図2の青で示した構造）に対してテトラジン基（図2のオレンジで示した構造）を反応させ、二つの分子が結合（click反応）した後、元からある分子の切り離し反応（release反応）が進行します（図3）。今回、trans-シクロオクテン基を糖鎖アルブミンに組み込んだ化合物と、新たに導入する糖鎖に対してテトラジンを結合させた化合物をそれぞれ合成し、両者の反応を検討しました。質量分析法で反応を追跡したところ、反応開始10分後には分子量の増加が観測され、click反応により新しい糖鎖がアルブミン上に導入されたことが分かりました。その後、反応開始4時間後には分子量が減少し、もともとアルブミン上に結合していた古い糖鎖が切断されたことが分かりました。これらの結果より、click-to-release反応によってアルブミンの糖鎖が付け替わり、糖鎖パターンを変更できることが明らかとなりました。

続いて研究チームは、この糖鎖付け替え反応を生きたマウス体内で実施し、糖鎖アルブミンを体内で動かすことに挑戦しました。これまでに田中教授らは、シアリル化糖鎖を持つ糖鎖アルブミンは膀胱（ぼうこう）から尿として排せつされるのに対し、ガラクトシル化糖鎖を持つ糖鎖アルブミンは腸管から便として排せつされることを見いだしています。

そこでまず、マウス体内に投与したシアリル化糖鎖アルブミンに対して血中でclick-to-release反応を行い、ガラクトシル化糖鎖へ付け替えることで排せつ経路を尿から便へと切り替えることを計画しました（図4）。ここでは、糖鎖アルブミンに蛍光標識を行うことで、近赤外蛍光イメージング法^[用語5]を用いてマウス体内での糖鎖アルブミンの「動き」を可視化しました。すなわち、シアリル化糖鎖を持つ糖鎖アルブミンをマウス尾静脈から投与したところ、糖鎖アルブミンは迅速に膀胱へと移動し、尿から排せつされることが分かりました。一方で、シアリル化糖鎖を持つ糖鎖アルブミンについて、血中でclick-to-release反応によりガラクトシル化糖鎖に付け替えたところ、糖鎖アルブミンが腸管を経て便から排せつされることが分かりました。このように、マウス体内で化学反応により糖鎖を効率的に付け替えることで、排せつ経路を体内で変更することに成功しました。

次に研究チームは、マウスの腫瘍部位で糖鎖を付け替えることで、糖鎖アルブミンをがんから腸管へと移動させることを試みました（図5）。田中教授らは、シアリル化糖鎖を持つ糖鎖アルブミンはSW620大腸がんを認識し、ガラクトシル化糖鎖は認識しないことを見いだしています。そこで、SW620大腸がんに結合しているシアリル化糖鎖アルブミンに対して、ガラクトシル化糖鎖への付け替えを行うことを計画しました。SW620大腸がんへの結合が弱められて糖鎖アルブミンが乖離（かいり）し、さらにガラクトシル化糖鎖に置き換わった糖鎖アルブミンは腸管へと移動すると予想しました。SW620大腸がんを移植したマウスの腫瘍部位に対して、シアリル化糖鎖を持つ糖鎖アルブミンを直接投与したところ、糖鎖アルブミンはまず腫瘍部位に結合して滞留し、時間とともに尿から排せつされました。一方、シアリル化糖鎖を持つ糖鎖アルブミンに対して、腫瘍部位でclick-to-release反応によりガラクトシル化糖鎖に付け替えたところ、糖鎖アルブミンが速やかに腫瘍部位から腸管部位へと移動しました。このように、腫瘍部位で直接、糖鎖を付け替えることにより、がんから腸管へと糖鎖アルブミンを移動させることに成功しました。

今回、研究チームが開発した「化学反応により体内を動く分子」と生体寛容性の金属触媒反応^※6～10を組み合わせることで、これまでのドラッグデリバリーシステム^[用語6]では成し得ない、画期的な治療技術が夢ではなくなります。例えば糖鎖アルブミンを体内の複数の疾患部位へ順番に移動させ、それぞれの箇所で必要な分だけ必要な薬剤を生体内合成して治療を行った後、体外へ排出させることが可能となります。これは、体内の異なる疾患を1分子でパトロールして治療し、治療終了後には体外へ排出できる分子が「有機合成化学」により実現可能であることを示しています。1966年に公開されたハリウッド映画『ミクロの決死圏』での“未来の技術”の実現に向けた大きな一歩となります。