生体適合性ドラッグデリバリー剤としての樹状ポリエステル構造の可能性
Dr. Jamie Godfrey1,2, Dr. Michael Malkoch2
1Polymer Factory Sweden AB., 2KTH Royal Institute of Technology
Material Matters, 2020, Vol.15 No.3
はじめに／背景
デンドリマー、デンドロンおよび直鎖・樹状ハイブリッドは、多数の分岐をもち、したがって周縁部に多数の官能基を含む合成高分子群です。これらの分子は層ごとに構築され、各層は「世代（Generation）」と呼ばれます。この合成法では構造を高度に制御できるため、より多くの種類がある超分岐ポリマーとは対照的に、真のデンドリマーは、実質的に構造の欠陥がなく、分子量、周縁官能基の数、およびナノスケールサイズを比類なく制御できます。その結果、他では不可能なほどのバッチ間での一貫性を実現します。これらのユニークな特性は、特にドラッグデリバリーシステム、イメージングプローブおよび標的化部分の導入の設計などの生物医学的応用において、樹状ポリマーを魅力的な候補にしています。このように、デンドリマーおよびデンドロンは、より明確に制御されていない対応するポリマーよりも、以下などのいくつかの利点があります。
- 周縁基の数が大量かつ正確な数であるため、標的となるアミノ酸配列または他の生物活性ユニットに対する薬剤分子の大量かつ正確なペイロード
- バッチ間の一貫性および欠陥のなさによる予測可能かつ再現可能な構造活性相関
- 本質的にモジュール化されたカスタマイズ可能な構造であり、中心部からも周縁からも、生理的条件下での水溶性と分解性を調整可能
- 明確に定義された内部に基づく疎水性または親水性薬物の受動的デリバリー系としての封入
- 同じキャリア中で複数の作用モードを組み合わせる能力、例えば、デリバリーの可視化のための薬物およびイメージングプローブの両方を装填した二官能性ナノキャリア
デンドリマーの種類
Vögtleら1、Newkomeら2およびTomaliaら3は、デンドリマーの合成の先駆者であり、Tomaliaの貢献によって、ポリ(アミドアミン)（PAMAM）デンドリマーは最初の市販されているデンドリマーファミリーになっています。PAMAMデンドリマーは、連続的なアミンおよびアミド結合の形成を経て構築され、最終的に周縁部に表面アミノ基をもつ高分子となります。
PAMAMデンドリマーは、いくつかの細胞株に対してかなりの細胞毒性を示します4-6。また、比較的加水分解に対して安定な内部構造のために体内で適切な時に分解することが困難であり、生体適合性は低くなっています。さらに、合成中の避けられない副反応は、しばしば構造的欠陥をもたらし、分子の分岐構造の純度および精密さを低下させます。例えば、第4世代PAMAMデンドリマーには欠陥の無い生成物は8%しか含まれないこともあります7。
Hultらは1996年にポリエステル骨格を有するデンドリマーの一群を発表しましたが8、それ以来、多機能デンドリマー、デンドロン、および直鎖・樹状ハイブリッドブロックコポリマーの広範なライブラリ(図1)が形成されており、その多くがシグマアルドリッチおよびPolymer Factoryから市販されています。他の広く使用されているデンドリマーとは対照的に、bis-MPAデンドリマー類は、in vitro毒性が低いまたは全く無い、特異的なin vivoでの臓器への蓄積がない、免疫原性プロファイルを示さない、そして生理的条件下で生分解性という特徴があります4,5。これらの分子を生物医学的な応用およびドラッグデリバリーシステムにおいて魅力的にする他の特性には、可能な構造（例えば、対象分子のリンカーおよびシグナル増幅器として2つの直交する機能性を示すデンドロン）の幅広さ、ならびに薬物または生物活性基質で簡単に修飾できる様々な反応性基を有する構造の多様性があげられます。bis-MPAを基盤とするデンドリマーの構造的な完成度の高さは、質量分析のキャリブレーションに用いる標準物質としての使用によりさらに強調され、第5世代まででさえも構造欠陥は検出されませんでした9。ここでは、bis-MPA樹状材料を用いて実現したドラッグデリバリーと関連するアプリケーションのハイライトを紹介します。
図1シグマアルドリッチから市販されている機能性bis-MPAを基盤とする樹状構造の例。
ドラッグデリバリーおよびターゲティングのためのbis-MPA樹状構造体
高分子ドラッグデリバリーシステム（DDS：drug delivery system）は概ね2つのカテゴリーに分けることができます。薬物が疎水性またはイオン相互作用を介してデリバリー担体の内部に物理的に取り込まれる受動的戦略と、および高分子骨格への薬物分子の直接的な共有結合です。
受動的封入によるデリバリー
樹状高分子を用いた受動的カプセル化戦略は、主に次の2つのアプローチのいずれかに基づいています。第一は、両親媒性のbis‐MPA直鎖・樹状ブロックコポリマーに基づくミセルおよび他のナノ構造の形成です。第二は、薬物分子のような非極性の物質を格納するための疎水性内部構造を維持しながら水溶性とする親水性コロナによる樹状構造の修飾です。
NyströmとMalkochのグループは、抗癌剤のミセルキャリアとして、ポリ(エチレングリコール)（PEG）直鎖・樹状ハイブリッドと、それらよりも構造が精密でない超分岐型類似体の両方を評価しました10。著者らは、薬物を封入していないキャリアは、試験した癌細胞株に対して用量依存性の毒性を示しませんでしたが、薬物を封入したミセルは、フリーの薬物よりも有効性が高いこと確認しました。続いて、Malkoch、Hawkerらはこの研究を発展させ、PEG bis-MPA直鎖・樹状ハイブリッドの二つの機能性を利用して、ナノスケールサイズの蛍光標識超分子自己集合体を構築しました11。ナノキャリアに約20 wt.%のドキソルビシン（DOX：doxorubicin）とトリプトリド（TPL：triptolide）を担持したところ、ヒト乳癌細胞株に対する治療効果は、それぞれの薬剤および両者を併用して用いた場合よりも高くなりました。加えて、この直鎖・樹状構造の精密さに基づく蛍光タグは、ナノキャリアの細胞内追跡を可能にし、有効性が改善された機構を細胞レベルで解明しました。Frechetらも、PEG直鎖・樹状ハイブリッドを用いて、弱酸性条件下でミセルが崩壊して放出を誘発するための、疎水性末端にアセタール基を有するDOX担持ミセルを作製しました12。これらのpH応答性ナノキャリアは、腫瘍部位のより酸性な部位で化学療法剤を制御して放出するべく設計されています。
MalmströmとNyströmらは代替のアプローチとして、それにより多官能性樹状開始剤からのオリゴ(エチレングリコール)メタクリラートモノマーの制御ラジカル重合により自発的に形成するコア‐シェルナノ粒子を報告しています13。フッ素化コモノマーを組み込むことで、DOXをはじめとする疎水性薬物を受動的に担持することができ、かつ19F-MRIによるイメージングが可能な二官能性セラノスティックナノ粒子が得られています。これを用いると、薬物放出動態が制御され、樹状疎水性セグメントを変化させることで放出プロファイルを調整できる可能性を示しました。
PAMAMとポリ(プロピレンイミン)（PPI）デンドリマーは、遺伝子治療における非ウイルス性遺伝子送達ベクターの有望な候補として浮上しています。これらの高分子はポリカチオン性であるため、生理的pHで核酸に結合することができます14。しかし、PAMAMおよびPPIデンドリマーは生理的溶液中で非常に安定であり、これらのキャリアは分解されず、体外への安全なクリアランスを妨げます5。Malkochらは、bis-MPAデンドリマーの周縁部をβ-アラニン基でを修飾することで、生物学的に適切な条件下で迅速に分解できるポリエステル内部をもった、PAMAM型と類似のポリカチオン性高分子構造が設計できることを最近報告しました15。このアミン修飾ポリエステルデンドリマーの神経毒性は、中性のbis‐MPA型構造体よりも高かったものの、市販のPAMAMデンドリマーよりも低くなりました。さらに、これらの分子を非ウイルスベクターとするsiRNA送達が評価されています16。12～48個のアミノ末端基を有するG2～G4デンドリマーは、siRNA複合体化およびその後のRNaseによる分解からのsiRNAの保護が可能であり、標的とするタンパク質の発現を20%低下させることができました。
共有結合によるデリバリー
多くの薬剤活性な化合物は疎水性であるために、生体適合性ポリマー構造体に共有結合で融合させることは、水溶性を向上させ、目的の細胞／組織への能動的または受動的標的化を可能とし、放出プロファイルを制御するための魅力的な方法です。bis‐MPAに基づく樹状フレームワークは、薬剤分子の共有結合による担持に向けた汎用性に優れる構造です。これは、効率的な化学的手法により簡便に操作される様々な反応性基をもつものが市販されている、多数の薬剤を担持ないしは付加的なターゲティング／イメージング部分のための複数の周縁基を有している、および二つの機能をもつデリバリーシステムのための直交した反応性基を含むことができる、などの利点をもつためです。多様な薬物を担持する方法が適用できることから、pHまたは細胞の還元電位のような外部刺激によって活性薬物の放出をさらに制御するのに適した結合を選択することもできます。
Fréchetらは、bis-MPA構造で可能な二重機能性を利用して、一方の面にpH感受性結合を、他方に複数のPEG鎖を有する「ボウタイ」型二官能性デンドリマーを構築し、水溶性および最適化された血液循環時間を両立させました17。このデンドリマーを用いたDDSでは、結腸直腸動物モデルにおいて、フリーの薬剤よりも、特異的腫瘍取り込み能が9倍増加しました。SharplessとHawkerらは、同様の二官能性デンドリマー設計に基づくアプローチとして、認識／ターゲティングのための正確な数のマンノースユニットと、蛍光検出のためのクマリンとを共に含有するデンドリマーを作製しました(図2)18。このデンドリマーは、赤血球凝集の阻害に対して240倍の有効性を示しました。二官能性「ボウタイ」型デンドリマーを得るにあたって、機能性デンドロンをカップリングさせることは非常に有用ですが、それは各モジュールをそれぞれ合成するために構造の絶対的な制御が可能なためです。合成方法を最適化することでバッチ間での均質性の差が非常に小さくなり、目的の機能をもつ構造を正確な数で有するキャリアを得ることができます。これは、既存のキャリアに複数の機能ユニットを統計的に導入する方法とは全く対照的です。このような方法では、必然的に十分に制御されていない混合物を生じるため、改正されていく規制に適合せず、臨床に移行する可能性が低くなってしまいます19。
図2認識／検出の２つの目的に対応した二官能性デンドリマーの合成スキーム。許可を得て文献18より転載。copyright 2005 Royal Society of Chemistry
bis‐MPAに基づく二官能性デンドロンは、薬物、診断プローブ、または生物活性分子を連結し、これらの特性を調整または改善する可能性が大いに有ります。二官能性であるがゆえに、コア部では目的の分子を簡単に共有結合で連結可能であり、さらに直交する周縁基には溶解性または他の所望の特性を調整するための広範かつ正確な数の構造を付与することができます。ValliantとAdronovらは、第4～7世代のbis-MPAデンドロンに、99mTcと安定に錯形成できる三座配位子を導入し、放射性標識プローブを作製しました20。このデンドリマーは、ラットの体内から15分以内に排出され、どの臓器にも保持されないことが、in vivo SPECTイメージングから明らかになりました。著者らは、この研究に基づいて、表面官能基化によるターゲティングの研究に進めるであろうことを述べています。Ellis-Daviesらは、同様の戦略を用いて、2光子光神経生物学的な化学プローブに水溶性を付与し、望ましくないGABA受容体拮抗作用を回避しました21。著者らは、第4世代および第5世代のアルキンを中心部に持つデンドロンを、CuAAC「クリック」ケミストリーによって一連のプローブに結合させ、天然状態のGABAレセプターにおけるGABAのシグナル伝達の研究を初めて可能にしました。樹状構造にイメージングプローブを修飾した他の例としては、bis-MPAデンドロンの周縁に蛍光色素を修飾した、イメージング能力を有する二官能性治療薬が検討されています22。第1世代から第3世代のデンドロン表面にCy5色素を正確な数で複数導入したところ、第3世代のデンドロンは低世代のデンドロンおよび対応する単官能構造よりも蛍光シグナルを増幅することを示しました。化学選択的な中心構造が分子内に保持され、活性を損なうことなく抗体の標識が可能となりました。
参考文献
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