ミトコンドリアとDDS研究

ミトコンドリア標的型ナノカプセルの開発

 近年、ミトコンドリアと様々な疾患との関連が明らかとなってきており、本細胞内小器官を標的とした薬物治療が注目されています。ミトコンドリアは非常に多様な機能を有した細胞内小器官であり、その機能の欠損によって、疾患が発症する事が報告されています。例えば、エネルギー産生の中核となる電子伝達系の機能低下による糖尿病、アポトーシスの制御異常による癌、心筋梗塞、ミトコンドリアDNAの変異によるミトコンドリア遺伝病などが挙げられます。これらの疾患治療を実現させるためには、ミトコンドリアへタンパク質、核酸などの高分子薬物を送達させる必要があります。そのため、世界中の研究者が、今までは未開の地であったミトコンドリアを標的とした薬物送達研究を展開させています。

ミトコンドリア標的型ナノカプセル(MITO-Porter)の送達戦略

 当研究室では、『膜融合を介してミトコンドリアへの送達を可能とするリポソーム“MITO-Porter“』を基盤としたミトコンドリア標的型薬物送達システムの開発を行っています。MITO-Porterを用いた戦略は、薬物を封入したナノカプセルが膜融合を介してミトコンドリア内へ薬物を送達するため、薬物の種類やサイズによらない送達が可能となります。わたしたちはこれまでに、MITO-Porterが高分子(タンパク質、核酸、ナノ粒子、など)を生細胞のミトコンドリアへ送達する事を確認しています。現在は、ミトコンドリアを標的とした薬物療法、遺伝子を目標として研究を展開しています(詳細は事項参照)。

 近い将来に、わたしたちの創製した薬物送達システムが、ミトコンドリア関連疾患で苦しむ多くの患者さんの助けになる事を願い、今後も精力的に研究を続けていきたいと思います。ミトコンドリア標的型DDSおよび関連する分野に興味のある皆さん、我々とともに世界中の人たちを幸せにするための研究を結実させましょう!! (連絡先: 山田勇磨 [u-ma@pharm.hokudai.ac.jp(@を小文字にしてください)])。

ミトコンドリアを標的とするナノ医薬品の創製

 ミトコンドリアDDSによる疾患治療のProof of Concept (POC)を取得するため、in vivo適応型DDSの開発、病態モデルを用いた研究を進めています。ここでは、「虚血再灌流障害モデルを用いたミトコンドリア治療戦略の検証」について紹介します。虚血再灌流障害モデルマウスの肝臓ではミトコンドリア由来の活性酸素が過剰発生しており、肝臓を傷害し肝臓障害マーカーalanine aminotransferase (ALT)値が高値となると予想されます。そのため、ミトコンドリアに抗酸化分子を送達した場合には、活性酸素が除去されミトコンドリア障害が軽減される治療効果が得られると期待しました。本実験では、抗酸化分子Coenzyme Q10 (CoQ10)を搭載したMITO-Porter (CoQ10-MITO-Porter)を構築し、肝臓集積・ミトコンドリア移行の評価および肝臓障害保護効果の検証を行い、MITO-Porterの薬物治療用キャリアとしての有用性を検証しました。

In vivo 適応型MITO-Porterの構築・治療効果の検証

 蛍光標識を施したCoQ10-MITO-Porterをマウスに尾静脈投与し、肝臓を摘出し、肝臓組織切片を蛍光観察した結果、本キャリア由来の蛍光シグナルが肝臓細胞内で多数観察されました。さらに、ラジオアイソトープ(RI)標識を施したキャリアをマウスに尾静脈投与した後に、肝臓摘出、ミトコンドリア単離を行い、肝臓ミトコンドリアへのRI集積を定量的に評価した結果、CoQ10-MITO-Porterは肝臓および肝細胞ミトコンドリアへ効率的に移行する事が確認されました。CoQ10-MITO-Porterの肝障害保護効果を検証するために、CoQ10-MITO-Porterを投与し、虚血再灌流障害時のALT値を測定しました。その結果、MitoQ(既存薬)およびCoQ10分子単独投与ではALT値の減少は確認されませんでしたが、CoQ10-MITO-Porterの投与は肝障害時のALT値を有意に減少させる事を確認しました。以上より、MITO-Porterがミトコンドリアを標的とした薬物治療用キャリアとして有用である事』を示しました。

 今後は、ミトコンドリア創薬を加速させる研究を展開していきたいと考えています。そのためには、異分野連携を加速させる必要であると考えており、ミトコンドリアDDSの製剤化・情報提供・ラベル包装・配送方法を整備し、多くの皆さんに『使っていただけるDDS』を目指して、共同研究を拡大しています。国内外への送付が可能なのでご興味ある方は是非ご連絡下さい(連絡先: 山田勇磨 [u-ma@pharm.hokudai.ac.jp(@を小文字にしてください)])。

ミトコンドリア遺伝子治療の実現を目指した研究

 有用なキャリアが多数開発されている核・細胞質を標的とした遺伝子治療研究では、目的遺伝子を導入する遺伝子送達療法、またはオリゴ核酸を用いた遺伝子修復治療やアンチセンス治療、などの多数の実施例が報告されています。これらのコンセプトはミトコンドリアへの適応も可能ですが疾患治療に関する報告は皆無であり、遺伝子治療を実現するミトコンドリアDDSの開発に大きな期待が寄せられています。このような背景のもとわれわれは、ミトコンドリアを標的とした遺伝子発現制御システムの構築を目標に研究を展開してきました。ここでは、「培養細胞ミトコンドリアRNAを標的とした核酸送達およびノックダウン効果の検証」に関する研究を紹介します。

ミトコンドリアを標的とした遺伝子治療戦略の検証

 本実験では、ミトコンドリア膜電位維持に関連するCOX2タンパク質をコードするミトコンドリア内因性のmRNAを標的とするアンチセンスオリゴRNA(ASO)をMITO-Porterに封入し培養細胞ミトコンドリアへの送達を試みました。ミトコンドリア内部にASOが導入された場合には、ミトコンドリアmRNAのノックダウン、標的タンパク質の発現量の低下、それに引き続く膜電位の低下が予想されます。標的mRNAを定量的逆転写PCR法を利用して定量したところ、未処理群・対照配列群と比較しMITO-Porterによる標的ASO導入は、標的とするCOX2 mRNAを有意に減少させました。さらに、ミトコンドリア膜電位をJC-1蛍光色素を用いて評価しました。JC-1は、ミトコンドリアの膜電位が維持している場合には赤色の蛍光がミトコンドリアに集積しますが、ミトコンドリアの膜電位が低下すると細胞質で緑色蛍光を発します。評価の結果、未処理細胞群・対照配列群ではミトコンドリアで赤色の蛍光が観察されましたが、標的配列を用いた群では、細胞質中で緑色蛍光が観察されるミトコンドリア膜電位が低下するミトコンドリア機能の制御に成功しました。

 今後は、ヒトを対象とした臨床応用へと発展させていきたいと考えています。その一環として2014年より、自主臨床研究「ミトコンドリア病に対する薬物治療法確立に向けた検討」に着手しています。本プロジェクトでは、患者由来の疾患細胞を用いてミトコンドリア治療戦略の有効性を示す事を到達目標とし、北海道大学薬学部、北海道大学病院、市立札幌病院の3施設で連携し、精力的に研究を進めています。

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