細胞内の酸化ストレスを調べるプローブ分子（検出薬）の開発

酸化ストレスは、様々な病気や老化の原因の１つと考えられています。酸化ストレスがどの場所でどのくらいかかっているかを測定できれば、酸化的ストレスにともなう生命現象の解明をとおして、病気の予防・治療に役立てることができます。
これまで、どの場所で酸化ストレスがかかっているかを調べるには、生物や細胞をバラバラにして調べる必要がありました。
当研究室では、生きている生物や細胞のなかで、どの場所でどのように酸化ストレスがかかっているかを有機化学の知識と手法を用いて測定することをめざして研究を行いました。

目的とする酸化ストレス測定プローブの分子設計

この目的のため、細胞内の特定の場所で酸化的ストレスを測るための化合物（プローブ分子）を分子設計しました。この分子には、「酸化ストレスをはかる化学構造」、「どの場所をはかっているか目印とするための化学構造」、そして「目的の場所にプローブ分子を行かせるための化学構造」が必要です。これらの構造を併せ持つ化合物を設計し合成することで、脂質膜に特異的に分布して酸化ストレスを測定するプローブ分子の開発に成功しました。

開発した化合物が脂質膜に分布する様子。緑色が化合物の色（蛍光）で主に細胞膜に分布していることがわかる。青色は核を染色したもの。

開発した脂質膜の酸化ストレスを測定するプローブ分子の構造式。右上の部分が緑色の蛍光を発する。

脂質膜への酸化ストレスは、動脈硬化や脳血管疾患と深く関わっています。実際にこの化合物を細胞に作用させると、脂質膜に特異的に分布する様子が観察されました。細胞に炎症を引き起こすと、脂質膜に強い酸化ストレスがかかっている様子を測定できました。

開発した化合物がミトコンドリアに分布する様子。（左）緑色が化合物の蛍光、（中）赤はMitoRed（ミトコンドリア選択的蛍光色素）の色、（右）緑と赤の分布が一致して黄色に見えるので、化合物がミトコンドリアに分布していることがわかる。

開発したミトコンドリアの酸化ストレスを測定するプローブ分子の構造式。

さらに、同じ分子設計の考え方に基づいて、今度はミトコンドリアに特異的に分布して酸化ストレスを計測するプローブ分子を設計しました。ミトコンドリアに正電荷を持つ物質が集まりやすいことに注目して、「目的の場所にプローブ分子を行かせるための化学構造」として、有機カチオン構造を導入しました。これにより、ミトコンドリアの酸化ストレスを測定するプローブ分子の開発に成功しました。

２つのプローブ分子の測定結果から脂質膜でより強い酸化ストレスが生じていることが推測されました。このような化合物は将来的に診断薬としての応用が考えられます。
細胞内の別の重要なオルガネラである細胞核についても、細胞核に特異的に分布する酸化ストレス計測プローブを設計しました。DNAに結合しやすい性質を持つ有機化合物であるピロールポリアミド構造を導入し、細胞核での酸化ストレスを測定するプローブ分子の開発に成功しました。

開発した細胞核の酸化ストレスを測定するプローブ分子

開発した細胞核用のプローブで測定した細胞核内の酸化ストレスを、脂質膜やミトコンドリアの酸化ストレスと比べてみると、いままで予想していなかった酸化ストレスの違いが明らかになりました。感染症のような外来刺激による炎症のモデルで実験を行うと、細胞核では、脂質膜やミトコンドリアに比べて、より強力な活性酸素が発生して酸化ストレスを生じていることが分かりました。細胞核は遺伝情報を担うDNAが存在するオルガネラですが、炎症が起こるとより強い酸化ストレスに曝される危険性があることがわかったので、細胞核を強い酸化ストレスから保護することが重要であると考えられました。

［発表論文］
Bioorg. Med. Chem. Lett., 17, 1451-1454 (2007).
Bioorg. Med. Chem. Lett., 17, 2055-2058 (2007).
Free Radic. Biol. Med., 49, 1792-1797 (2010).
Bioorg. Med. Chem. Lett., 22, 1949-1952 (2012).