JP2007302569A - Recombinant human serum albumin-metalloporphyrin complex, artificial oxygen carrier containing the same and erythrocyte substitute - Google Patents

Recombinant human serum albumin-metalloporphyrin complex, artificial oxygen carrier containing the same and erythrocyte substitute Download PDF

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英俊 土田
Teruyuki Komatsu
晃之 小松
Masato Nakagawa
晶人 中川
Stephen Curry
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a recombinant human serum albumin-metalloporphyrin complex capable of adjusting its oxygen affinity. <P>SOLUTION: This recombinant human serum albumin-porphyrin metal complex is obtained by coordinate-bonding a metalloporphyrin with the recombinant human serum albumin to which histidines capable of coordinate-bonding with the metalloporphyrin are introduced by substituting 142 isoleucine, 185 leucine, 138 tyrosine, 115 leucine and/or 139 leucine in the sub-domain IB which is a hem-bonding site of the human serum albumin by a gene recombinant technology, also introducing a key amino acid at another position from the above and further substituting 161 tyrosine with another hydrophobic amino acid different from the tyrosine. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体、並びにその組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体を含有する人工酸素運搬体および人工赤血球代替物に関する。   The present invention relates to a recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex, and an artificial oxygen carrier and artificial red blood cell substitute containing the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex.

ヒト血清アルブミン(HSA)は、人間の体内において血液、皮膚、細胞間液など多くの場所に分布する分子量66,500の単純蛋白質であり、17個のジスルフィド結合を含む585個のアミノ酸から構成されている。血中ではコロイド浸透圧の維持のほか、各種内因性物質・外因性薬物を運搬、貯蔵、分配する重要な役割を担っている。アルブミンに関する研究は古くから行われているが、X線結晶構造解析によりその三次元構造の全容が明らかにされたのは1989年のことであった(非特許文献1)。その後、1998年には、カリーらにより、脂肪酸が7分子結合したアルブミン−脂肪酸複合体の結晶構造が詳細に解明された(非特許文献2)。HSAは三つのドメイン(I、II、III)からなり、それらはさらに二つのサブドメイン(A、B)から構成されている。   Human serum albumin (HSA) is a simple protein having a molecular weight of 66,500 distributed in many places such as blood, skin, and intercellular fluid in the human body, and is composed of 585 amino acids including 17 disulfide bonds. ing. In addition to maintaining colloid osmotic pressure in blood, it plays an important role in transporting, storing, and distributing various endogenous substances and exogenous drugs. Although research on albumin has been conducted for a long time, it was in 1989 that the entire three-dimensional structure was revealed by X-ray crystal structure analysis (Non-patent Document 1). Thereafter, in 1998, Kary et al. Elucidated the crystal structure of an albumin-fatty acid complex in which seven molecules of fatty acid were bound (Non-patent Document 2). HSA is composed of three domains (I, II, III), which are further composed of two subdomains (A, B).

もし、血清アルブミンにヘモグロビン(Hb)のような酸素輸送能を付与することができれば、人工酸素運搬体(赤血球代替物)としての利用価値はきわめて高く、例えば救急医療現場における救命措置に汎用されれば、人類の医療福祉に大な貢献をもたらすことは間違いない。   If serum albumin can be given oxygen transporting ability such as hemoglobin (Hb), its usefulness as an artificial oxygen carrier (replacement of red blood cells) is extremely high. For example, it is widely used for lifesaving measures in the emergency medical field. There is no doubt that it will greatly contribute to the medical welfare of mankind.

血漿中には、ヘミン(鉄(III)プロトポルフィリン)を自発的に取り込んで、ヘム蛋白質を構成するヘモペキシンという糖蛋白質も存在する。酸化したHb(メトHb)から遊離したヘミンは細胞毒性があるため、このヘモペキシンにより速やかに捕捉され、肝臓へと運ばれる(非特許文献3)。ヘモペキシンに取り込まれたヘミン分子は、2つのヒスチジン残基との軸配位結合及びアミノ酸残基との多重水素結合により、非常に強く固定されている(K>1012-1)(非特許文献4)。しかし、ヘモペキシンの血中濃度は<17μMと低いため、これが飽和した際には、血清アルブミンがその機能を代替する(アルブミンとヘミンの結合定数は約108-1、非特許文献5参照)。ごく最近、カーターらと本発明者らの研究グループは、独立に、アルブミン−ヘミン−ミリスチン酸錯体のX線結晶構造解析に成功した(非特許文献6、非特許文献7)。ヘミンはアルブミンのサブドメインIBに取り込まれ、161チロシンとの軸配位結合、及び3つの塩基性アミノ酸(リジン190、ヒスチジン146、アルギニン114)残基とプロピオン酸側鎖との間の静電的相互作用により固定されている。ヘミン結合サイトを取り囲む分子環境は、疎水性アミノ酸残基のみから構成されており、ミオグロビン(Mb)のヘムポケットとの構造類似性がある。窒素雰囲気下でHSA−ヘミン錯体水溶液に亜二チオン酸ナトリウム水溶液を添加し、ヘミンを鉄(II)プロトポルフィリン錯体(プロトヘム)へ還元すると、可視吸収スペクトルは161チロシンが配位した鉄(II)5配位高スピン錯体を形成する。しかし、そこへ酸素を通気しても中心鉄(II)は瞬時に酸化されてしまい、安定な酸素錯体を得ることはできない(非特許文献8)。 In plasma, there is also a glycoprotein called hemopexin that spontaneously incorporates hemin (iron (III) protoporphyrin) and constitutes a heme protein. Since hemin liberated from oxidized Hb (meth Hb) is cytotoxic, it is quickly captured by this hemopexin and transported to the liver (Non-patent Document 3). The hemin molecule incorporated into hemopexin is very strongly fixed by an axial coordination bond with two histidine residues and a multiple hydrogen bond with amino acid residues (K> 10 12 M −1 ) (non-patented) Reference 4). However, since the blood concentration of hemopexin is as low as <17 μM, when it is saturated, serum albumin substitutes for its function (the binding constant of albumin and hemin is about 10 8 M −1 , see Non-Patent Document 5). . Most recently, Carter et al. And our research group independently succeeded in X-ray crystal structure analysis of albumin-hemin-myristic acid complex (Non-patent Documents 6 and 7). Hemin is incorporated into the subdomain IB of albumin, the axial coordination bond with 161 tyrosine, and electrostatic between three basic amino acid (lysine 190, histidine 146, arginine 114) residues and the propionic acid side chain It is fixed by interaction. The molecular environment surrounding the hemin binding site is composed only of hydrophobic amino acid residues and has structural similarity to the heme pocket of myoglobin (Mb). When a sodium dithionite aqueous solution is added to an HSA-hemin complex aqueous solution under a nitrogen atmosphere and hemin is reduced to an iron (II) protoporphyrin complex (protoheme), the visible absorption spectrum shows iron (II) coordinated with 161 tyrosine. Forms a five-coordinate high spin complex. However, even if oxygen is passed therethrough, the central iron (II) is instantly oxidized and a stable oxygen complex cannot be obtained (Non-patent Document 8).

他方、本発明者らの研究グループは、4つの疎水性置換基と軸塩基配位子を分子内に共有結合した鉄(II)テトラフェニルポルフィリンがアルブミンに効率よく包接され、得られたアルブミン−ヘム複合体が生理条件下(生理塩水中、pH7.3、37℃)でHbやMbと同じように酸素を吸脱着できることを明らかにしている(特許文献1、特許文献2)。また、本発明者らの研究グループは、赤外吸収、共鳴ラマン、磁気円偏光二色性スペクトルなどから、アルブミン−ヘム複合体の酸素配位錯体の電子状態を詳細に解析(非特許文献9)し、アルブミン−ヘム複合体が生体内でも酸素を運搬できる血清ヘム蛋白質として機能することを動物実験から定量的に実証している。   On the other hand, the research group of the present inventors found that albumin obtained by efficiently including iron (II) tetraphenylporphyrin in which four hydrophobic substituents and an axial base ligand are covalently bonded in the molecule was included in albumin. -It has been clarified that the heme complex can adsorb and desorb oxygen in the same manner as Hb and Mb under physiological conditions (physiological saline, pH 7.3, 37 ° C) (Patent Documents 1 and 2). In addition, the research group of the present inventors analyzed in detail the electronic state of the oxygen coordination complex of albumin-heme complex from infrared absorption, resonance Raman, magnetic circular dichroism spectrum, and the like (Non-Patent Document 9). And animal experiments have demonstrated quantitatively that the albumin-heme complex functions as a serum heme protein capable of transporting oxygen even in vivo.

しかしながら、これらのアルブミン−ヘム複合体において酸素配位活性中心として作用する合成ヘムは、4つの疎水性置換基と軸塩基配位子を分子内に共有結合した特殊な立体構造を有する鉄(II)テトラフェニルポルフィリンに限定されていた。この種のヘム誘導体の合成方法は多段階からなることは言うまでもなく、量産が難しいなどの欠点があるばかりか、生体内へ投与した後の合成ヘム誘導体の代謝分解過程についても未だ不明な点が多いのも現状であった。天然の金属ポルフィリン、例えば鉄(II)プロトポルフィリン、またはその誘導体を血清アルブミンに固定して得たアルブミン−金属ポルフィリン錯体がHbやMbと同じような酸素配位能を発現することができれば、その生体適合性、生産性は大幅に向上し、極めて有用な材料となるものと考えられる。   However, synthetic hemes acting as oxygen-coordinating active centers in these albumin-heme complexes are iron (II) having a special steric structure in which four hydrophobic substituents and an axial base ligand are covalently bonded in the molecule. ) Limited to tetraphenylporphyrin. It goes without saying that this type of heme derivative synthesis method has multiple steps, not only is it difficult to mass-produce, but also the metabolic degradation process of the synthetic heme derivative after in vivo administration remains unclear. There were many current situations. If an albumin-metal porphyrin complex obtained by immobilizing natural metal porphyrin, for example, iron (II) protoporphyrin, or a derivative thereof on serum albumin can express oxygen coordination ability similar to Hb and Mb, Biocompatibility and productivity are greatly improved, and it is considered to be an extremely useful material.

そこで、本発明者らは、軸塩基を金属ポルフィリンの分子内に共有結合させなくとも、アルブミンのポルフィリン結合サイトであるサブドメインIBに、近位塩基として作用するヒスチジンを遺伝子組換え技術により導入すれば、金属ポルフィリンに、そのヒスチジンのイミダゾール基が軸配位して、5配位錯体が得られ、そこへ酸素を通気することによりHbやMbに見られる酸素配位錯体が生成するはずであると考えた。   Therefore, the present inventors introduced a histidine that acts as a proximal base into the subdomain IB that is the porphyrin-binding site of albumin by gene recombination technology without covalently bonding the axial base into the metalloporphyrin molecule. For example, the imidazole group of the histidine is axially coordinated to the metal porphyrin, and a five-coordinate complex is obtained, and oxygen coordination complexes found in Hb and Mb should be formed by aeration of oxygen therethrough. I thought.

カーターらは、ヒト血清アルブミンに遺伝子組換え技術により、親水性アミノ酸(ヒスチジンまたはグルタミン)を導入して、プロトヘムを配位固定させた組換えアルブミン−プロトヘム錯体を調製し、その酸素結合反応を検討している(特許文献3)。しかし、用いた酸素配位活性中心はプロトヘムのみであり、しかも酸素結合定数など、酸素配位能に関する定量的な解析は行っていない。さらに、本発明者らの研究グループは、永年にわたる合成ヘムを利用した人工酸素運搬体に関する研究の結果から、酸素配位座近傍に親水性基が存在すると、プロトンを媒介する中心金属(II)の酸化反応が促進され、酸素錯体の安定度が低下することを実証している(非特許文献10)。   Carter and colleagues prepared a recombinant albumin-protoheme complex in which protoheme was coordinated by introducing a hydrophilic amino acid (histidine or glutamine) into human serum albumin by genetic recombination technology, and examined its oxygen binding reaction (Patent Document 3). However, protoheme is the only oxygen coordination active center used, and quantitative analysis of oxygen coordination ability such as oxygen binding constant has not been performed. Furthermore, our research group has shown that, based on the results of research on artificial oxygen carriers using synthetic heme for many years, when a hydrophilic group exists in the vicinity of the oxygen coordination site, the central metal (II) that mediates protons. It has been demonstrated that the oxidation reaction of oxygen is promoted and the stability of the oxygen complex decreases (Non-patent Document 10).

このような背景の下、本発明者らの研究グループは、アルブミンのポルフィリン結合サイトであるサブドメインIB内に、近位塩基として作用するヒスチジンを遺伝子組換え技術により導入し、さらに酸素配位座側に結合している161チロシンを遺伝子組換え技術により、疎水的なアミノ酸に置換し、人工のヘムポケットを構築すれば、その内部へ金属ポルフィリン錯体が軸配位結合して、安定な酸素錯体を生成するばかりか、活性中心はプロトヘムのみならず、広く多くの金属ポルフィリンで普遍化できるのではないかと考え、組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体を調製し、酸素の可逆的な結合解離を初めて明らかにした(非特許文献8、特許文献4)。   Under such circumstances, our research group introduced histidine acting as a proximal base into subdomain IB, which is the porphyrin-binding site of albumin, by means of genetic recombination technology, and further, oxygen coordination locus If 161 tyrosine bound to the side is replaced with a hydrophobic amino acid by gene recombination technology and an artificial hem pocket is constructed, a metal porphyrin complex is axially coordinated and stable oxygen complex In addition to protoheme, the active center is thought to be able to be universalized by a wide variety of metalloporphyrins, and a recombinant human serum albumin-metalloporphyrin complex was prepared to reversibly bind oxygen. First revealed (Non-Patent Document 8, Patent Document 4).

しかしながら、実際にこれら組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体の水溶液を人工酸素運搬体として実用化する場合には、酸素親和性などの酸素結合パラメータをそれぞれの使用条件、臨床上の適応にあわせて調整することが必要となってくる。前述した4つの疎水性置換基と軸塩基配位子を分子内に有する複雑な立体構造を有する金属テトラフェニルポルフィリンの場合、置換基構造や軸塩基配位子の化学構造を調節することにより、酸素親和性を調整できることが明らかにされている(非特許文献10)。   However, when practically using these aqueous solutions of recombinant human serum albumin-metalloporphyrin complexes as artificial oxygen carriers, oxygen binding parameters such as oxygen affinity should be adapted to the respective use conditions and clinical indications. It will be necessary to adjust. In the case of the metal tetraphenylporphyrin having a complex steric structure having the above-described four hydrophobic substituents and an axial base ligand in the molecule, by adjusting the chemical structure of the substituent structure and the axial base ligand, It has been clarified that the oxygen affinity can be adjusted (Non-patent Document 10).

すなわち、組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体については、酸素配位能を調節するための新しい技術の確立が待たれていた。
D. C. Carter et al., Science 244: 1195-1198 (1989) S. Curry et al., Nature Struct. Biol. 5: 827-835 (1998) E. Tolosano et al., DNA Cell Biol., 21: 297-306 (2002) M. Paoli et al., Nature Struct. Biol. 6: 926-931 (1999) P. A. Adams et al., Biochem. J. 191: 95-102 (1980) M. Wardell et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 291: 813-819 (2002) P. A. Zunszain et al., BMC Struct. Biol. 3: 6 (2003) T. Komatsu et al., J. Am. Chem. Soc. 127: 15933-15942 (2005) E. Tsuchida et al., Bioconjugate Chem. 10: 797-802 (1999) T. Komatsu et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 74: 1695-1702 (2001) 特開平8−301873号公報 特開2003−40893号公報 特表2002−500862号公報 特開2006−45172号公報
That is, regarding the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex, establishment of a new technique for adjusting the oxygen coordination ability has been awaited.
DC Carter et al., Science 244: 1195-1198 (1989) S. Curry et al., Nature Struct. Biol. 5: 827-835 (1998) E. Tolosano et al., DNA Cell Biol., 21: 297-306 (2002) M. Paoli et al., Nature Struct. Biol. 6: 926-931 (1999) PA Adams et al., Biochem. J. 191: 95-102 (1980) M. Wardell et al., Biochem. Biophys. Res. Commun. 291: 813-819 (2002) PA Zunszain et al., BMC Struct. Biol. 3: 6 (2003) T. Komatsu et al., J. Am. Chem. Soc. 127: 15933-15942 (2005) E. Tsuchida et al., Bioconjugate Chem. 10: 797-802 (1999) T. Komatsu et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 74: 1695-1702 (2001) JP-A-8-301873 JP 2003-40893 A Special Table 2002-200282 JP 2006-45172 A

従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、酸素親和性を調整できる遺伝子組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体、並びにこの遺伝子組換えアルブミン−金属ポルフィリン錯体を含有する人工酸素運搬体および赤血球代替物を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention eliminates the above-mentioned problems of the prior art, and can provide a recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex that can adjust oxygen affinity, and an artificial oxygen carrier containing this recombinant albumin-metal porphyrin complex. And to provide a red blood cell substitute.

酸素配位能を金属ポルフィリンに付与するための重要な要件は、軸塩基配位子となるイミダゾールがポルフィリン中心金属の第5配位座に結合されていることである。他方、酸素親和性は、酸素が結合する第6配位座近傍の分子環境に大きく影響を受ける。天然ヘム蛋白質であるMbの場合、配位酸素分子の酸素原子から2.77〜2.95Åの距離に位置するヒスチジン64のN原子が、プロトンを介して配位酸素と水素結合を形成し、酸素錯体の安定化、及び酸素親和性の増大に寄与している(S. E. Phillips and B. P. Schoeborn, Nature 292:81-82 (1981))。シュプリンガーらは、遺伝子組換え技術を駆使して、Mbのヒスチジン64を他のアミノ酸に変換した組換えMbを合成し、その酸素配位能を詳細に解析して、天然型であるヒスチジン64の構造の時、最も酸素親和性が高くなることを明らかにした(B. A. Springer et al., Chem. Rev. 94:699-714 (1994))。   An important requirement for imparting oxygen coordination ability to a metalloporphyrin is that imidazole as an axial base ligand is bound to the fifth coordination site of the porphyrin center metal. On the other hand, oxygen affinity is greatly influenced by the molecular environment in the vicinity of the sixth coordination site to which oxygen is bound. In the case of Mb which is a natural heme protein, the N atom of histidine 64 located at a distance of 2.77 to 2.95 km from the oxygen atom of the coordination oxygen molecule forms a hydrogen bond with the coordination oxygen via the proton, It contributes to stabilization of oxygen complexes and increased oxygen affinity (SE Phillips and BP Schoeborn, Nature 292: 81-82 (1981)). Springer et al. Synthesized recombinant Mb in which Mb histidine 64 was converted to other amino acids using gene recombination technology, analyzed its oxygen coordination ability in detail, and developed natural histidine 64. It was clarified that the oxygen affinity was highest when the structure was formed (BA Springer et al., Chem. Rev. 94: 699-714 (1994)).

本発明者らは、組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体の酸素親和性を制御するための分子環境設計と機能発現について鋭意研究を重ねた結果、アルブミンのポルフィリン結合サイトであるサブドメインIBに、金属ポルフィリンの近位塩基として作用するヒスチジンを遺伝子組換え技術により導入するとともに、それとは別の位置(特に配位酸素と相互作用し得る距離の位置)に、鍵アミノ酸を導入することにより、HbやMbに見られる酸素配位錯体の生成が可能となるばかりか、鍵アミノ酸の位置と構造の調節により、組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体の酸素親和性を制御できることを見いだし、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies on molecular environment design and functional expression for controlling the oxygen affinity of the recombinant human serum albumin-metalloporphyrin complex, the present inventors have determined that subdomain IB, which is the porphyrin-binding site of albumin, By introducing histidine that acts as a proximal base of metalloporphyrin by gene recombination technology, and introducing a key amino acid at a position different from that (particularly at a position where it can interact with coordinated oxygen), Hb It has been found that the oxygen affinity complex of the recombinant human serum albumin-metalloporphyrin complex can be controlled by adjusting the position and structure of the key amino acid. It came to be completed.

すなわち、本発明の第1の側面によれば、ヒト血清アルブミンのヘム結合サイトであるサブドメインIBにおいて、金属ポルフィリンと配位結合するヒスチジンが遺伝子組換え技術により、前記アルブミンの142イソロイシン、185ロイシン、138チロシン、115ロイシンまたは139ロイシンを置換して導入され、またその導入位置とは別の位置に鍵アミノ酸が遺伝子組換え技術により少なくとも一つ導入され、さらに161チロシンがチロシン以外の疎水性アミノ酸で置換された組換えヒト血清アルブミンに、金属ポルフィリンを配位結合させた組換えヒト血清アルブミン−ポルフィリン金属錯体が提供される。   That is, according to the first aspect of the present invention, in subdomain IB that is a heme binding site of human serum albumin, histidine coordinated with metalloporphyrin is transformed into 142 isoleucine and 185 leucine of albumin by gene recombination technology. 138 tyrosine, 115 leucine or 139 leucine is introduced, and at least one key amino acid is introduced by a genetic recombination technique at a position different from the introduction position, and 161 tyrosine is a hydrophobic amino acid other than tyrosine. A recombinant human serum albumin-porphyrin metal complex in which a metalloporphyrin is coordinated to a recombinant human serum albumin substituted with a protein is provided.

本発明の第2の側面によれば、本発明の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体を含有する人工酸素運搬体が提供される。この場合、金属ポルフィリンは、中心金属として鉄(II)またはコバルト(II)を有する。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an artificial oxygen carrier containing the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex of the present invention. In this case, the metal porphyrin has iron (II) or cobalt (II) as a central metal.

また、本発明の第3の側面によれば、本発明の組換えヒト血清アルブミン-金属ポルフィリン錯体を含有する赤血球代替物が提供される。この場合、金属ポルフィリンは、中心金属として鉄(II)またはコバルト(II)を有する。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a red blood cell substitute containing the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex of the present invention. In this case, the metal porphyrin has iron (II) or cobalt (II) as a central metal.

本発明に係る組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体は、遺伝子組換え技術によりポルフィリン結合サイトであるサブドメインIBへ導入されたヒスチジンに中心金属が軸配位結合することにより、金属ポルフィリンがアルブミン内部に固定されて5配位高スピン錯体を形成し、酸素の通気により安定度の高い酸素配位錯体を形成することができるばかりか、配位酸素近傍に鍵アミノ酸が遺伝子組換え技術により導入されているため、酸素親和性の調節ができる特徴を有する。さらに、本発明の組換えヒト血清アルブミンは、Hbの酸素結合部位であるプロトヘムはもちろん、合成の金属ポルフィリンでさえも、その内部に軸塩基配位を介して固定し、酸素結合能を発現させることができる上、鍵アミノ酸の種類及び位置の選定により、酸素親和性を制御することができる。また、本発明の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体を含有する人工酸素運搬体は、生体内に投与する場合も安全度の高い輸血用血液の代替物として利用できる。加えて、本発明の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体は、移植臓器または組織の保存液、組織培養液、腫瘍の抗癌治療増感剤、術前血液希釈液、人工心肺など体外循環回路の補填液、移植臓器の灌流液、虚血部位への酸素供給液(心筋梗塞、脳梗塞、呼吸不全など)、慢性貧血治療剤、液体換気の環流液、として利用でき、またガス吸着剤、酸化還元触媒、酸素酸化反応触媒、酸素添加反応触媒としても有用なものである。   In the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex according to the present invention, the metal porphyrin is bound to the inside of albumin by the axial coordination bond of the central metal to histidine introduced into the subdomain IB that is a porphyrin binding site by gene recombination technology. In addition to forming a five-coordinate high-spin complex that is anchored to oxygen and forming a highly stable oxygen-coordination complex by oxygen aeration, a key amino acid is introduced in the vicinity of the coordinating oxygen by genetic recombination technology. Therefore, it has the characteristic that oxygen affinity can be adjusted. Furthermore, the recombinant human serum albumin of the present invention can fix not only protoheme, which is the oxygen binding site of Hb, but also synthetic metalloporphyrins through the axial base coordination to express oxygen binding ability. In addition, oxygen affinity can be controlled by selecting the type and position of the key amino acid. Moreover, the artificial oxygen carrier containing the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex of the present invention can be used as an alternative to highly safe blood for transfusion even when administered in vivo. In addition, the recombinant human serum albumin-metalloporphyrin complex of the present invention is an extracorporeal circuit such as a preservation solution of a transplanted organ or tissue, a tissue culture solution, an anticancer therapeutic sensitizer for a tumor, a preoperative blood dilution solution, an artificial cardiopulmonary lung, etc. Can be used as a filling fluid, transplanted organ perfusion fluid, oxygen supply fluid to ischemic sites (myocardial infarction, cerebral infarction, respiratory failure, etc.), chronic anemia treatment agent, liquid ventilation reflux fluid, gas adsorbent, It is also useful as a redox catalyst, oxygen oxidation reaction catalyst, and oxygen addition reaction catalyst.

本発明のアルブミン−金属ポルフィリン錯体は、ヘム結合サイトであるサブドメインIBにおいて、金属ポルフィリンと配位結合するヒスチジンを遺伝子組換え技術により所定の位置に導入し、またそれとは別の位置に鍵アミノ酸を遺伝子組換え技術により少なくとも一つ導入し、さらに161チロシンをチロシン以外の疎水性アミノ酸で置換した組換えヒト血清アルブミンに、金属ポルフィリンを軸配位により結合させることにより得られる。   The albumin-metal porphyrin complex of the present invention introduces a histidine coordinated with a metal porphyrin into a predetermined position in a subdomain IB, which is a heme binding site, by a genetic recombination technique, and a key amino acid at another position. Can be obtained by binding metal porphyrin by axial coordination to recombinant human serum albumin in which 161 tyrosine is substituted with a hydrophobic amino acid other than tyrosine.

使用する組換えヒト血清アルブミンは、サブドメインIBにおいて、142イソロイシン、185ロイシン、138チロシン、115ロイシンまたは139ロイシンがヒスチジンで置換され(これらの位置のいずれか1つに導入されたヒスチジンは金属ポルフィリンに対し軸配位子として作用する)、その導入位置とは別の位置に鍵アミノ酸が導入され(これらの鍵アミノ酸が配位性アミノ酸で、前記ヒスチジンの導入位置のうち、実際にヒスチジンが導入された位置以外の位置に導入された場合、金属ポリフィリンに軸配位することもあり得る)、しかも161チロシンが非配位性の疎水性アミノ酸で置換されている組換えアルブミンである。   The recombinant human serum albumin used has 142 isoleucine, 185 leucine, 138 tyrosine, 115 leucine or 139 leucine replaced with histidine in subdomain IB (histidine introduced at any one of these positions is a metalloporphyrin). The key amino acid is introduced at a position different from the introduction position (these key amino acids are coordinating amino acids, and histidine is actually introduced among the introduction positions of the histidine). When introduced at a position other than the position indicated, it may be axially coordinated to the metal porphyrin), and 161 tyrosine is a non-coordinating hydrophobic amino acid substituted recombinant albumin.

上記鍵アミノ酸としては、極性アミノ酸、特にアスパラギン、グルタミン、リジン、ヒスチジン、アルギニンまたはプロリンが好ましい。また、161チロシンを置換するヒスチジン以外の非配位性の疎水性アミノ酸としては、グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、トリプトファン、またはフェニルアラニンを好適に使用することができる。   The key amino acid is preferably a polar amino acid, particularly asparagine, glutamine, lysine, histidine, arginine or proline. In addition, glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, proline, tryptophan, or phenylalanine can be suitably used as a non-coordinating hydrophobic amino acid other than histidine that substitutes 161 tyrosine.

金属ポルフィリンは、好ましくは、金属プロトポルフィリン、金属デューテロポルフィリン、金属ジアセチルデューテロポルフィリン、金属メソポルフィリン、金属ジホルミルポルフィリン、金属テトラフェニルポルフィリン、金属オクタエチルポルフィリンである。また、その中心金属は。鉄またはコバルト、特に鉄(II)またはコバルト(II)が好ましい。   The metal porphyrin is preferably metal protoporphyrin, metal deuteroporphyrin, metal diacetyl deuteroporphyrin, metal mesoporphyrin, metal diformyl porphyrin, metal tetraphenylporphyrin, metal octaethyl porphyrin. And what is its central metal? Iron or cobalt, particularly iron (II) or cobalt (II) is preferred.

本発明の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体の分子表面にポリエチレングリコール基を共有結合することにより、表面修飾組換え血清アルブミン−金属ポルフィリン複錯体が得られる。好ましくは、ポリエチレングリコール基がチオエーテル結合で導入されており、特に、血清アルブミンの分子表面に存在するリジン残基のアミノ基をイミノチオランでチオレート基に変換し、それに末端マレイミド基を有するポリエチレングリコールを反応させることによりポリエチレングリコール基をチオエーテル結合で導入して得た表面修飾組換え血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体が望ましい。   A surface-modified recombinant serum albumin-metal porphyrin double complex can be obtained by covalently bonding a polyethylene glycol group to the molecular surface of the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex of the present invention. Preferably, a polyethylene glycol group is introduced by a thioether bond, and in particular, the amino group of a lysine residue present on the surface of serum albumin is converted to a thiolate group with iminothiolane, and then reacted with polyethylene glycol having a terminal maleimide group. Thus, a surface-modified recombinant serum albumin-metal porphyrin complex obtained by introducing a polyethylene glycol group through a thioether bond is desirable.

本発明の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体は、水中でHbやMbのように酸素を結合解離できるので、完全合成系の人工酸素運搬体として機能する。もちろん体内へ投与した場合には、赤血球代替物としての役割を果たすばかりでなく、この組換えアルブミン−金属ポルフィリン錯体の水溶液中に、移植に適した臓器または組織を保存することで、移植前の臓器または組織の安全かつ長期の保存が可能となる。また、この組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体は組織の増殖を促進させる培養液として作用することもできるし、腫瘍の低酸素部位へ投与すれば、赤血球の進入できない細い毛細管内を通過できるので、腫瘍低酸素部位の酸素化が可能で、その後直ちに患部へ放射線を照射することにより、腫瘍を縮小または治癒することができる。   Since the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex of the present invention can bind and dissociate oxygen like Hb and Mb in water, it functions as a fully synthetic artificial oxygen carrier. Of course, when administered into the body, it not only serves as a substitute for red blood cells, but also stores organs or tissues suitable for transplantation in an aqueous solution of this recombinant albumin-metal porphyrin complex, so that It enables safe and long-term storage of organs or tissues. In addition, this recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex can act as a culture medium that promotes tissue growth, and if it is administered to the hypoxic site of a tumor, it can pass through fine capillaries where red blood cells cannot enter. The tumor hypoxic site can be oxygenated, and then the tumor can be reduced or cured by irradiating the affected area with radiation immediately.

人工酸素運搬体の適用として、出血ショックの蘇生液(輸血用血液の代替物)はもちろんのこと、術前血液希釈液、人工心肺など体外循環回路の補填液、移植臓器の灌流液、虚血部位への酸素供給液(心筋梗塞、脳梗塞、呼吸不全など)、慢性貧血治療剤、液体換気の環流液、さらに、稀少血液型患者への利用、宗教上の理由による輸血拒否患者への対応、動物医療への応用が期待されている。人工酸素運搬体は、本発明の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体を生理食塩水に分散させることによって得られる。組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体の濃度は、その用途によって異なるが、赤血球代替物としては、ヘム濃度で9.2mM程度、その他では、それ以上の濃度で用いることができる。   Artificial oxygen carriers can be used for resuscitation of hemorrhagic shock (replacement of blood for transfusion), preoperative blood dilution, extracorporeal circulation such as cardiopulmonary bypass, perfusion of transplanted organs, ischemia Oxygen supply fluid to the site (myocardial infarction, cerebral infarction, respiratory failure, etc.), chronic anemia treatment, liquid ventilation fluid, use for rare blood type patients, response to transfusion refusal patients for religious reasons Application to animal medicine is expected. The artificial oxygen carrier is obtained by dispersing the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex of the present invention in physiological saline. The concentration of the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex varies depending on its use, but as a red blood cell substitute, it can be used at a heme concentration of about 9.2 mM, and at other concentrations.

加えて、金属ポルフィリンが例えば第4〜5周期に属する金属イオンの錯体である場合、酸化還元反応、酸素酸化反応または酸素添加反応の触媒としての付加価値も高い。従って、本発明のポルフィリン金属錯体は、人工酸素運搬体のほか、ガス吸着剤、酸化還元触媒、酸素酸化反応触媒、酸素添加反応触媒としての特徴を持つ。   In addition, when the metal porphyrin is, for example, a complex of metal ions belonging to the 4th to 5th periods, the added value as a catalyst for the oxidation-reduction reaction, oxygen oxidation reaction, or oxygen addition reaction is also high. Therefore, the porphyrin metal complex of the present invention has characteristics as a gas adsorbent, a redox catalyst, an oxygen oxidation reaction catalyst, and an oxygen addition reaction catalyst in addition to the artificial oxygen carrier.

本発明の組換えヒト血清アルブミンは、サブドメインIBにヒスチジンを置換または挿入すること、またそれとは別の位置に鍵アミノ酸を置換または挿入すること、さらには161チロシンを非配位性の疎水性アミノ酸で置換することによって得られる。特定位置へのアミノ酸の導入は、アルブミンにおけるかかる組換えを達成するために現在知られている種々の慣用手段によって達成される。さらに、本発明の組換えアルブミンの調製は、アルブミンをコードするDNAを慣用の部位特異的突然変異誘発を使用して変異させることによって行うことができる。本変異は、アルブミン本来の立体構造、物性、特徴に影響を及ぼさない程度の小さな変異である。また、遺伝子組換えアルブミンは、酵母を利用した慣用の培養法を使用して産生できる。例えば、変異導入はQuick Change XL Site-Directed Mutagenesis Kit(STRATAGENE社)を用いて行うことができ、発現はPichia Expression Kit(Invitrogen社)を使用して、C. E. Peterson et al., Biochemistry, 36, 7012-7017 (1997)に記載された方法に従って行うことができる。得られた組換えヒト血清アルブミンは、慣用の方法、例えばブルーセファロース6ファーストフローを充填したカラムクロマトグラフィー、続いて、SUPERDEX pg75を充填したカラムクロマトグラフィーにより精製することができる。   The recombinant human serum albumin of the present invention has a substitution or insertion of histidine in the subdomain IB, a substitution or insertion of a key amino acid at a different position, and a non-coordinating hydrophobicity of 161 tyrosine. Obtained by substitution with an amino acid. Introduction of an amino acid at a specific position is accomplished by various conventional means currently known to achieve such recombination in albumin. Furthermore, the preparation of the recombinant albumin of the present invention can be carried out by mutating the DNA encoding albumin using conventional site-directed mutagenesis. This mutation is a small mutation that does not affect the original three-dimensional structure, physical properties, and characteristics of albumin. In addition, the recombinant albumin can be produced using a conventional culture method using yeast. For example, mutagenesis can be performed using the Quick Change XL Site-Directed Mutagenesis Kit (STRATAGENE), and expression can be performed using the Pichia Expression Kit (Invitrogen), CE Peterson et al., Biochemistry, 36, 7012. -7017 (1997). The resulting recombinant human serum albumin can be purified by conventional methods, for example, column chromatography packed with Blue Sepharose 6 Fast Flow, followed by column chromatography packed with SUPERDEX pg75.

組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体の分子表面をポリエチレングリコール基で修飾することは、例えば特開2006−45173号公報に記載の方法により実施できる。アルブミン1分子当りのポリエチレングリコールの平均結合本数は1〜15が好ましく、ポリエチレングリコールの平均分子量は2,000〜5,000が好ましい。   Modification of the molecular surface of the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex with a polyethylene glycol group can be carried out, for example, by the method described in JP-A-2006-45173. The average number of polyethylene glycol bonds per albumin molecule is preferably 1 to 15, and the average molecular weight of polyethylene glycol is preferably 2,000 to 5,000.

本発明の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体は、例えば前述のT. Komatsu et al., J. Am. Chem. Soc. 127: 15933-15942 (2005)に記載の通常の方法により調製することができる。なお、金属ポルフィリンが鉄(III)錯体の形を有する場合は、適当な還元剤(亜二チオン酸ナトリウム、アスコルビン酸など)を用い、常法により中心金属を3価から2価へ還元すれば、酸素結合活性が付与できる。いずれの場合も酸素と接触すると速やかに安定な酸素錯体を生成する。また、これらの錯体は酸素分圧に応じて酸素を吸脱着できる。この酸素結合解離は可逆的に繰り返し行うことができ、酸素運搬体として作用する。   The recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex of the present invention should be prepared by the usual method described in, for example, the aforementioned T. Komatsu et al., J. Am. Chem. Soc. 127: 15933-15942 (2005). Can do. If the metal porphyrin is in the form of an iron (III) complex, an appropriate reducing agent (sodium dithionite, ascorbic acid, etc.) can be used to reduce the central metal from trivalent to divalent by a conventional method. , Oxygen binding activity can be imparted. In any case, when it comes into contact with oxygen, a stable oxygen complex is rapidly formed. Further, these complexes can adsorb and desorb oxygen according to the oxygen partial pressure. This oxygen bond dissociation can be repeated reversibly and acts as an oxygen carrier.

酸素以外にも、金属に配位性である気体の場合、相当する配位錯体を形成できる(例えば、一酸化炭素、一酸化窒素、二酸化窒素など)。これらの理由から、本発明の組換えアルブミン−金属ポルフィリン錯体は、特に鉄(II)またはコバルト(II)錯体の場合、人工酸素運搬体として上記した多くの用途に有効な機能を発揮することはもちろん、均一系、不均一系での酸化還元反応触媒、およびガス吸着剤としての応用が可能となる。   In addition to oxygen, in the case of a gas that is coordinated to a metal, a corresponding coordination complex can be formed (for example, carbon monoxide, nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, etc.). For these reasons, the recombinant albumin-metal porphyrin complex of the present invention, especially in the case of an iron (II) or cobalt (II) complex, exhibits an effective function for many uses described above as an artificial oxygen carrier. Of course, application as a redox reaction catalyst and gas adsorbent in homogeneous and heterogeneous systems is possible.

以下、この発明を実施例により詳細に説明する。なお、本発明が実施例のものに限定されないことは、言うまでもないことである。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. Needless to say, the present invention is not limited to the examples.

例1
本発明の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体の酸素結合反応を観測することを目的として、ヒト血清アルブミンの142イソロイシンをヒスチジンに置換し、161チロシンをロイシンに置換し、さらに185ロイシンをアスパラギンに置換した組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161L/L185N)を慣用の部位特異的突然変異誘発とピキア酵母を用いた慣用の培養法により産生した。すなわち、変異導入は、Quick Change XL Site-Directed Mutagenesis Kit(STRATAGENE社)を用いて実施し、発現はPichia Expression Kit(Invitrogen社)を使用し、C. E. Peterson et al., Biochemistry, 36, 7012-7017 (1997)に記載された方法に従って行った。
Example 1
For the purpose of observing the oxygen binding reaction of the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex of the present invention, 142 isoleucine of human serum albumin is replaced with histidine, 161 tyrosine is replaced with leucine, and 185 leucine is replaced with asparagine. Substituted recombinant human serum albumin (I142H / Y161L / L185N) was produced by conventional site-directed mutagenesis and conventional culture using Pichia yeast. That is, mutagenesis was performed using Quick Change XL Site-Directed Mutagenesis Kit (STRATAGENE), expression was performed using Pichia Expression Kit (Invitrogen), CE Peterson et al., Biochemistry, 36, 7012-7017. (1997).

得られた組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161L/L185N)をブルーセファロース6ファーストフローを充填したカラムクロマトグラフィーにより、続いて、SUPERDEX pg75を充填したカラムクロマトグラフィーにより精製した。この組換えアルブミン(I142H/Y161L/L185N)(20μM、50mMリン酸緩衝水溶液)へ鉄(III)プロトポルフィリン(0.266mM、DMSO溶液)をポルフィリン/アルブミンのモル比が1.1/1になるように添加し、12時間、暗所で回転攪拌しながら混合した。得られた混合溶液を限外濾過装置(限外分子量:10kDa)で洗浄し、DMSO濃度が0.1%以下になるまで、50mMリン酸緩衝水溶液で濃縮・希釈を繰り返した。得られた水溶液の紫外可視吸収スペクトルを図1に示す(Fe3+として示す)。 The obtained recombinant human serum albumin (I142H / Y161L / L185N) was purified by column chromatography packed with Blue Sepharose 6 First Flow, followed by column chromatography packed with SUPERDEX pg75. This recombinant albumin (I142H / Y161L / L185N) (20 μM, 50 mM phosphate buffered aqueous solution) to iron (III) protoporphyrin (0.266 mM, DMSO solution) has a porphyrin / albumin molar ratio of 1.1 / 1. And mixed with rotary stirring in the dark for 12 hours. The obtained mixed solution was washed with an ultrafiltration device (ultramolecular weight: 10 kDa), and concentrated and diluted with a 50 mM phosphate buffer aqueous solution repeatedly until the DMSO concentration became 0.1% or less. The ultraviolet-visible absorption spectrum of the obtained aqueous solution is shown in FIG. 1 (shown as Fe 3+ ).

この水溶液をアルゴンで十分に置換して脱酸素した後、亜ニチオン酸ナトリウム水溶液を添加して、中心鉄を鉄(II)に還元して、組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161L/L185N)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体を調製した。この水溶液の紫外可視吸収スペクトルはλmax:425、532、559nmを示し、これがMbのデオキシ型のスペクトルパターンとよく類似したことから、Fe(II)5配位高スピン錯体の形成が明らかとなった(図1、Fe2+として示す)。142ヒスチジンのイミダゾール基が軸塩基として中心鉄に配位し、デオキシ体が得られたものと考えられた。そこへ酸素を通気すると、直ちに酸素錯体型のスペクトルへ移行(λmax:411、537、576nm)し(図1、Fe2+(O2)として示す)、一酸化炭素を通気すると安定な一酸化炭素錯体(λmax:419、537、564nm)が得られた(図1、Fe2+(CO)として示す)。 This aqueous solution was sufficiently substituted with argon and deoxygenated, and then an aqueous sodium thionite solution was added to reduce the central iron to iron (II), and recombinant human serum albumin (I142H / Y161L / L185N) − An iron (II) protoporphyrin complex was prepared. The UV-visible absorption spectrum of this aqueous solution showed λmax: 425, 532, and 559 nm, and this was very similar to the deoxy-type spectral pattern of Mb, which revealed the formation of a Fe (II) 5-coordinated high spin complex. (FIG. 1, shown as Fe 2+ ). It was considered that the imidazole group of 142 histidine was coordinated to central iron as an axial base, and a deoxy form was obtained. When oxygen is bubbled there, it immediately shifts to an oxygen complex type spectrum (λmax: 411, 537, 576 nm) (shown as Fe 2+ (O 2 ) in FIG. 1), and when carbon monoxide is bubbled, stable monoxide is obtained. Carbon complexes (λmax: 419, 537, 564 nm) were obtained (FIG. 1, indicated as Fe 2+ (CO)).

例2
例1で調製した組換えアルブミン(I142H/Y161L/L185N)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体水溶液に、レザーフラッシュ(ND:YAGレーザー、532nm、パルス幅6ns)を照射し、瞬時に起こる非平衡状態から平衡状態への可視吸収スペクトル変化の時間分解解析から、酸素親和性(P50)及び酸素結合解離速度定数(kon、koff)を算出した。実際の測定は前記Komatsu et al., J. Am. Chem. Soc. 2005, 176, 30552-30265に記載の方法で行った。その結果、酸素の結合反応には二成分存在することがわかり、ヘムポケット内における鉄(II)プロトポルフィリンの配向構造が二つ存在する(I型とII型)ことが明らかとなった。I型のP50は1Torr(22℃)で、L185Nを持たない組換えアルブミン(I142H/Y161L)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体に比べて1/18と低く(酸素親和性は18倍高いことになる)、Mbの値に近い。konは1.3×107-1-1、koffは21s-1であり、これらの値もMbの値(kon:1.4×107-1-1、koff:12s-1)と類似した。また、II型のP50は14Torr(22℃)であり、Mbの値に比べ27倍高かった(酸素親和性は1/27低いことになる)。これは、軸塩基配位子の歪みに基づく大きなkoff値(290s-1)に起因するものと推測された。
Example 2
The recombinant albumin (I142H / Y161L / L185N) -iron (II) protoporphyrin complex aqueous solution prepared in Example 1 was irradiated with a leather flash (ND: YAG laser, 532 nm, pulse width 6 ns), and a non-equilibrium state occurred instantaneously. From the time-resolved analysis of the change in the visible absorption spectrum to the equilibrium state, the oxygen affinity (P 50 ) and the oxygen bond dissociation rate constants (k on , k off ) were calculated. Actual measurement was performed by the method described in Komatsu et al., J. Am. Chem. Soc. 2005, 176, 30552-30265. As a result, it was found that there are two components in the oxygen binding reaction, and two orientation structures of iron (II) protoporphyrin in the heme pocket were found (type I and type II). Type I P 50 at 1 Torr (22 ° C.), recombinant albumin (I142H / Y161L) having no L185N - iron (II) as low as 1/18 compared to protoporphyrin complex (oxygen affinity be 18 times higher Is close to the value of Mb. k on is 1.3 × 10 7 M −1 s −1 , k off is 21 s −1 , and these values are also Mb values (k on : 1.4 × 10 7 M −1 s −1 , k off : similar to 12 s −1 ). Also, P 50 of the II type is 14Torr (22 ℃), it was 27 times higher than the value of Mb (oxygen affinity will be 1/27 low). This was presumed to be due to a large k off value (290 s −1 ) based on the distortion of the axial base ligand.

例3
例1において、ヒト血清アルブミンの161チロシンをロイシンに置換する代わりにフェニルアラニンに置換した組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161F/L185N)を慣用の部位特異的突然変異誘発とピキア酵母を用いた慣用の培養法により産生した以外は、同様の手法に従い、組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161F/L185N)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体を調製した。この水溶液の紫外可視吸収スペクトルはλmax:425、532、559nmを示し、これがMbのデオキシ型のスペクトルパターンとよく類似したことから、Fe(II)5配位高スピン錯体の形成が明らかとなった。142ヒスチジンのイミダゾール基が軸塩基として中心鉄に配位しているものと考えられた。そこへ酸素を通気すると、直ちに酸素錯体型のスペクトルへ移行(λmax:411、540、579nm)し、一酸化炭素を通気すると安定な一酸化炭素錯体(λmax:419、539、566nm)が得られた。
Example 3
In Example 1, a recombinant human serum albumin (I142H / Y161F / L185N) in which 161 tyrosine of human serum albumin was replaced with phenylalanine instead of leucine was subjected to the conventional site-directed mutagenesis and the conventional method using Pichia yeast. A recombinant human serum albumin (I142H / Y161F / L185N) -iron (II) protoporphyrin complex was prepared in the same manner except that it was produced by a culture method. The UV-visible absorption spectrum of this aqueous solution showed λmax: 425, 532, and 559 nm, and this was very similar to the deoxy-type spectral pattern of Mb, which revealed the formation of a Fe (II) 5-coordinated high spin complex. . It was considered that the imidazole group of 142 histidine was coordinated to central iron as an axial base. When oxygen is passed there, it immediately shifts to an oxygen complex type spectrum (λmax: 411, 540, 579 nm), and when carbon monoxide is passed, stable carbon monoxide complexes (λmax: 419, 539, 566 nm) are obtained. It was.

例4
例2において、組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161L/L185N)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体の代わりに、組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161F/L185N)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体を用いた以外は、全く同様な方法に従って、酸素親和性(P50)及び酸素結合解離速度定数(kon、koff)を算出した。その結果、酸素の結合反応には二成分存在することがわかり、ヘムポケット内における鉄(II)プロトポルフィリンの配向構造が二つ存在する(I型とII型)ことが明らかとなった。I型のP50は2.3Torr(22℃)で、Mbに比べて4.5倍高かった(酸素親和性は1/4.5低い)。
Example 4
In Example 2, instead of the recombinant human serum albumin (I142H / Y161L / L185N) -iron (II) protoporphyrin complex, the recombinant human serum albumin (I142H / Y161F / L185N) -iron (II) protoporphyrin complex is used. Except for the above, oxygen affinity (P 50 ) and oxygen bond dissociation rate constants (k on , k off ) were calculated in exactly the same manner. As a result, it was found that there are two components in the oxygen binding reaction, and two orientation structures of iron (II) protoporphyrin exist in the heme pocket (type I and type II). Type I P 50 is 2.3 Torr (22 ° C.), it was 4.5 times higher than in Mb (oxygen affinity is 1 / 4.5 lower).

例5
例1において、ヒト血清アルブミンの185ロイシンをアスパラギンに置換する代わりに182ロイシンをヒスチジンに置換した組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161L/L182H)を慣用の部位特異的突然変異誘発とピキア酵母を用いた慣用の培養法により産生した以外は、同様の手法に従い、組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161L/L182H)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体を調製した。この水溶液の紫外可視吸収スペクトルはλmax:426、532、557nmを示し、これがMbのデオキシ型のスペクトルパターンとよく類似したことから、Fe(II)5配位高スピン錯体の形成が明らかとなった。142ヒスチジンのイミダゾール基が軸塩基として中心鉄に配位しているものと考えられた。そこへ酸素を通気すると、直ちに酸素錯体型のスペクトルへ移行(λmax:412、540、576nm)し、一酸化炭素を通気すると安定な一酸化炭素錯体(λmax:419、539、565nm)が得られた。
Example 5
In Example 1, instead of replacing human serum albumin 185 leucine with asparagine, recombinant human serum albumin (1822H / Y161L / L182H) with 182 leucine replaced with histidine was used for conventional site-directed mutagenesis and Pichia yeast. A recombinant human serum albumin (I142H / Y161L / L182H) -iron (II) protoporphyrin complex was prepared according to the same procedure except that the complex was produced by the conventional culture method. The UV-visible absorption spectrum of this aqueous solution showed λmax: 426, 532, and 557 nm, and this was very similar to the deoxy-type spectral pattern of Mb, which revealed the formation of a Fe (II) 5-coordinated high spin complex. . It was considered that the imidazole group of 142 histidine was coordinated to central iron as an axial base. When oxygen is bubbled there, it immediately shifts to an oxygen complex type spectrum (λmax: 412, 540, 576 nm), and when carbon monoxide is bubbled, stable carbon monoxide complexes (λmax: 419, 539, 565 nm) are obtained. It was.

例6
例1において、ヒト血清アルブミンの185ロイシンをアスパラギンに置換する代わりに186アルギニンをヒスチジンに置換し、161チロシンをロイシンに置換する代わりにフェニルアラニンに置換した組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161F/R186H)を慣用の部位特異的突然変異誘発とピキア酵母を用いた慣用の培養法により産生した以外は、同様の手法に従い、組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161F/R186H)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体を調製した。この水溶液の紫外可視吸収スペクトルはλmax:426、533、558nmを示し、これがMbのデオキシ型のスペクトルパターンとよく類似したことから、Fe(II)5配位高スピン錯体の形成が明らかとなった。142ヒスチジンのイミダゾール基が軸塩基として中心鉄に配位しているものと考えられた。そこへ酸素を通気すると、直ちに酸素錯体型のスペクトルへ移行(λmax:411、541、577nm)し、一酸化炭素を通気すると安定な一酸化炭素錯体(λmax:419、538、566nm)が得られた。
Example 6
In Example 1, recombinant human serum albumin (I142H / Y161F / R186H) in which 185 arginine was replaced with histidine instead of 185 leucine in human serum albumin with asparagine, and phenylalanine was substituted with 161 tyrosine in place of leucine Is produced by conventional site-directed mutagenesis and a conventional culture method using Pichia yeast according to the same procedure, except that recombinant human serum albumin (I142H / Y161F / R186H) -iron (II) protoporphyrin complex Was prepared. The UV-visible absorption spectrum of this aqueous solution showed λmax: 426, 533, and 558 nm, and this was very similar to the deoxy-type spectrum pattern of Mb, which revealed the formation of a Fe (II) 5-coordinated high spin complex. . It was considered that the imidazole group of 142 histidine was coordinated to central iron as an axial base. When oxygen is bubbled there, it immediately shifts to an oxygen complex type spectrum (λmax: 411, 541, 777 nm), and when carbon monoxide is bubbled, a stable carbon monoxide complex (λmax: 419, 538, 566 nm) is obtained. It was.

例7
例1において、ヒト血清アルブミンの161チロシンをロイシンに置換する代わりにバリンに置換し、185ロイシンをアスパラギンに置換する代わりに182ロイシンをアルギニンに置換した組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161V/L182R)を慣用の部位特異的突然変異誘発とピキア酵母を用いた慣用の培養法により産生した以外は、同様の手法に従い、組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161V/L182R)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体を調製した。この水溶液の紫外可視吸収スペクトルはλmax:427、534、557nmを示し、これがMbのデオキシ型のスペクトルパターンとよく類似したことから、Fe(II)5配位高スピン錯体の形成が明らかとなった。142ヒスチジンのイミダゾール基が軸塩基として中心鉄に配位しているものと考えられた。そこへ酸素を通気すると、直ちに酸素錯体型のスペクトルへ移行(λmax:411、540、576nm)し、一酸化炭素を通気すると安定な一酸化炭素錯体(λmax:419、537、565nm)が得られた。
Example 7
In Example 1, recombinant human serum albumin (I142H / Y161V / L182R) in which 161 tyrosine of human serum albumin was replaced with valine instead of leucine and 182 leucine was replaced with arginine instead of 185 leucine with asparagine Was produced by conventional site-directed mutagenesis and a conventional culture method using Pichia yeast according to the same procedure, except that recombinant human serum albumin (I142H / Y161V / L182R) -iron (II) protoporphyrin complex Was prepared. The UV-visible absorption spectrum of this aqueous solution showed λmax: 427, 534, and 557 nm, and this was very similar to the deoxy-type spectrum pattern of Mb, which revealed the formation of a Fe (II) 5-coordinated high spin complex. . It was considered that the imidazole group of 142 histidine was coordinated to central iron as an axial base. When oxygen is bubbled there, it immediately shifts to an oxygen complex type spectrum (λmax: 411, 540, 576 nm), and when carbon monoxide is bubbled, stable carbon monoxide complexes (λmax: 419, 537, 565 nm) are obtained. It was.

例8
例1において、ヒト血清アルブミンの142イソロイシンをヒスチジンに置換する代わりにリジンに置換し、161チロシンをロイシンに置換する代わりにアラニンに置換し、185ロイシンをアスパラギンに置換する代わりにヒスチジンに置換した組換えヒト血清アルブミン(I142K/Y161A/L185H)を慣用の部位特異的突然変異誘発とピキア酵母を用いた慣用の培養法により産生した以外は、同様の手法に従い、組換えヒト血清アルブミン(I142K/Y161A/L185H)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体を調製した。この水溶液の紫外可視吸収スペクトルはλmax:426、535、557nmを示し、これがMbのデオキシ型のスペクトルパターンとよく類似したことから、Fe(II)5配位高スピン錯体の形成が明らかとなった。185ヒスチジンのイミダゾール基が軸塩基として中心鉄に配位しているものと考えられた。そこへ酸素を通気すると、直ちに酸素錯体型のスペクトルへ移行(λmax:412、541、578nm)し、一酸化炭素を通気すると安定な一酸化炭素錯体(λmax:419、536、568nm)が得られた。
Example 8
In Example 1, the human serum albumin 142 isoleucine was replaced with histidine instead of histidine, 161 tyrosine was replaced with alanine instead of leucine, and 185 leucine was replaced with histidine instead of asparagine Recombinant human serum albumin (I142K / Y161A) was prepared according to the same procedure except that recombinant human serum albumin (I142K / Y161A / L185H) was produced by conventional site-directed mutagenesis and a conventional culture method using Pichia yeast. / L185H) -iron (II) protoporphyrin complex was prepared. The UV-visible absorption spectrum of this aqueous solution showed λmax: 426, 535, and 557 nm, and this was very similar to the deoxy-type spectral pattern of Mb, which revealed the formation of a Fe (II) 5-coordinated high spin complex. . It was considered that the imidazole group of 185 histidine was coordinated to central iron as an axial base. When oxygen is bubbled there, it immediately shifts to an oxygen complex type spectrum (λmax: 412, 541, 578 nm), and when carbon monoxide is bubbled, a stable carbon monoxide complex (λmax: 419, 536, 568 nm) is obtained. It was.

例9
例1において合成された(I142H/Y161L/L185N)−鉄(III)プロトポルフィリン錯体(アルブミン濃度:0.1wt%)のリン酸緩衝水溶液(pH7.0)にイミノチオラン(ピアスケミカル製、イミノチオラン/アルブミン:20(モル/モル))を加え、室温でゆっくりと4時間攪拌した。続いてアルブミンに対して小過剰モルの片末端マレイミド片末端メチル−ポリオエチレングリコール(サンブライトメマール50−H、Mw:5,000、日本油脂製)を添加し、同条件で2時間反応させた。得られた混合物を限外濾過装置(アドバンテック製、UHP−76K、限外分子量膜:5kDa)を用い、1Lのリン酸緩衝水溶液で濃縮・洗浄を繰り返し、所望の濃度に調整した。得られた赤色の表面修飾組換えヒト血清アルブミン−鉄(III)ポルフィリン錯体水溶液を0.45μmの除菌フィルター(アドバンテック製、DISMIC 25CS045AS)を通過させて最終調整した。
Example 9
Iminothiolane (manufactured by Pierce Chemical Co., Ltd., iminothiolane / albumin) was synthesized in the phosphate buffer solution (pH 7.0) of (I142H / Y161L / L185N) -iron (III) protoporphyrin complex (albumin concentration: 0.1 wt%) synthesized in Example 1. 20 (mol / mol)) was added and the mixture was slowly stirred at room temperature for 4 hours. Subsequently, a small excess molar one-side maleimide one-end methyl-polyethylene glycol (Sun Bright Memar 50-H, Mw: 5,000, manufactured by NOF Corporation) is added to albumin and reacted for 2 hours under the same conditions. It was. The obtained mixture was repeatedly concentrated and washed with 1 L of an aqueous phosphate buffer solution using an ultrafiltration device (manufactured by Advantech, UHP-76K, ultramolecular weight membrane: 5 kDa), and adjusted to a desired concentration. The obtained red surface-modified recombinant human serum albumin-iron (III) porphyrin complex aqueous solution was passed through a 0.45 μm sterilization filter (manufactured by Advantech, DISMIC 25CS045AS) for final adjustment.

得られた表面修飾組換えヒト血清アルブミン−鉄(III)ポルフィリン錯体のマトリックス支援レーザー脱離イオン化法−質量分析(MALDI−TOFMS)(島津製作所製、KRATOS AXIMA−CFR)により、分子量を測定したところ、アルブミン表面に結合したポリエチレングリコール鎖の本数は平均6本であることがわかった。   When the molecular weight was measured by the matrix-assisted laser desorption / ionization mass spectrometry (MALDI-TOFMS) (manufactured by Shimadzu Corporation, KRATOS AXIMA-CFR) of the obtained surface-modified recombinant human serum albumin-iron (III) porphyrin complex The number of polyethylene glycol chains bound to the albumin surface was found to be 6 on average.

この水溶液をアルゴンで十分に置換して脱酸素した後、亜ニチオン酸ナトリウム水溶液を添加して、中心鉄を鉄(II)に還元、表面修飾組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161L/L185N)−鉄(II)プロトポルフィリン錯体を調製した。この水溶液の紫外可視吸収スペクトルはλmax:425、532、559nmを示し、これがMbのデオキシ型のスペクトルパターンとよく類似したことから、Fe(II)5配位高スピン錯体の形成が明らかとなった。142ヒスチジンのイミダゾール基が軸塩基として中心鉄に配位し、デオキシ体が得られたものと考えられた。そこへ酸素を通気すると、直ちに酸素錯体型のスペクトルへ移行(λmax:412、537、576nm)し、一酸化炭素を通気すると安定な一酸化炭素錯体(λmax:419、536、564nm)が得られた。   This aqueous solution was sufficiently replaced with argon and deoxygenated, and then an aqueous sodium nitrite solution was added to reduce the central iron to iron (II), and surface-modified recombinant human serum albumin (I142H / Y161L / L185N) − An iron (II) protoporphyrin complex was prepared. The UV-visible absorption spectrum of this aqueous solution showed λmax: 425, 532, and 559 nm, and this was very similar to the deoxy-type spectral pattern of Mb, which revealed the formation of a Fe (II) 5-coordinated high spin complex. . It was considered that the imidazole group of 142 histidine was coordinated to central iron as an axial base, and a deoxy form was obtained. When oxygen is bubbled there, it immediately shifts to an oxygen complex type spectrum (λmax: 412, 537, 576 nm), and when carbon monoxide is bubbled, a stable carbon monoxide complex (λmax: 419, 536, 564 nm) is obtained. It was.

例10
例1において、鉄(III)プロトポルフィリンの代わりに、鉄(III)デューテロポルフィリンを用いた以外は、同様の手法に従い、組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161L/L185N)−鉄(II)デューテロポルフィリン錯体を調製した。この水溶液の紫外可視吸収スペクトルはλmax:413、517、546nmを示し、これはMbのデオキシ型のスペクトルパターンとよく類似したことから、Fe(II)5配位高スピン錯体の形成が明らかとなった。142ヒスチジンのイミダゾール基が軸塩基として中心鉄に配位し、デオキシ体が得られたものと考えられた。そこへ酸素を通気すると、直ちに酸素錯体型のスペクトルへ移行(λmax:401、528、563nm)し、一酸化炭素を通気すると安定な一酸化炭素錯体(λmax:409、528、556nm)が得られた。
Example 10
In Example 1, recombinant human serum albumin (I142H / Y161L / L185N) -iron (II) due to the same procedure except that iron (III) deuteroporphyrin was used instead of iron (III) protoporphyrin. A teloporphyrin complex was prepared. The ultraviolet-visible absorption spectrum of this aqueous solution shows λmax: 413, 517, and 546 nm, which is very similar to the deoxy-type spectral pattern of Mb, and thus the formation of a Fe (II) 5-coordinated high spin complex is clarified. It was. It was considered that the imidazole group of 142 histidine was coordinated to central iron as an axial base, and a deoxy form was obtained. When oxygen is bubbled there, it immediately shifts to an oxygen complex type spectrum (λmax: 401, 528, 563 nm), and when carbon monoxide is bubbled, a stable carbon monoxide complex (λmax: 409, 528, 556 nm) is obtained. It was.

例11
例1において、鉄(III)プロトポルフィリンの代わりに、コバルト(II)プロトポルフィリンを用いた以外は、同様の手法に従い、組換えヒト血清アルブミン(I142H/Y161L/L185N)−コバルト(II)プロトポルフィリン錯体を調製した。この水溶液の紫外可視吸収スペクトルはλmax:406、558nmを示し、これはコバルトMbのデオキシ型のスペクトルパターンとよく類似したことから、Co(II)5配位高スピン錯体の形成が明らかとなった。142ヒスチジンのイミダゾール基が軸塩基として中心鉄に配位し、デオキシ体が得られたものと考えられた。そこへ酸素を通気すると、直ちに酸素錯体型のスペクトルへ移行した(λmax:426、539、578nm)。
Example 11
Recombinant human serum albumin (I142H / Y161L / L185N) -cobalt (II) protoporphyrin was prepared in the same manner as in Example 1 except that cobalt (II) protoporphyrin was used instead of iron (III) protoporphyrin. A complex was prepared. The ultraviolet-visible absorption spectrum of this aqueous solution showed λmax: 406, 558 nm, which was very similar to the deoxy-type spectral pattern of cobalt Mb, and thus the formation of a Co (II) 5-coordinated high spin complex was clarified. . It was considered that the imidazole group of 142 histidine was coordinated to central iron as an axial base, and a deoxy form was obtained. When oxygen was bubbled there, it immediately shifted to an oxygen complex type spectrum (λmax: 426, 539, 578 nm).

例1で得た種々の形態にある組換えヒト血清アルブミン−鉄プロトポルフィリン錯体の紫外可視吸収スペクトル。UV-visible absorption spectra of recombinant human serum albumin-iron protoporphyrin complex in various forms obtained in Example 1.

Claims (8)

ヒト血清アルブミンのヘム結合サイトであるサブドメインIBにおいて、金属ポルフィリンと配位結合するヒスチジンが遺伝子組換え技術により、前記アルブミンの142イソロイシン、185ロイシン、138チロシン、115ロイシンまたは139ロイシンを置換して導入され、またその導入位置とは別の位置に鍵アミノ酸が遺伝子組換え技術により少なくとも一つ導入され、さらに161チロシンがチロシン以外の疎水性アミノ酸で置換された組換えヒト血清アルブミンに、金属ポルフィリンを配位結合させた組換えヒト血清アルブミン−ポルフィリン金属錯体。   In subdomain IB, which is the heme-binding site of human serum albumin, histidine that coordinates with metalloporphyrin replaces 142 isoleucine, 185 leucine, 138 tyrosine, 115 leucine or 139 leucine of albumin by genetic recombination technology. Recombinant human serum albumin introduced with at least one key amino acid introduced by genetic recombination technology at a position different from the introduction position and 161 tyrosine substituted with a hydrophobic amino acid other than tyrosine, metalloporphyrin Recombinant human serum albumin-porphyrin metal complex coordinated with. 前記鍵アミノ酸が、極性アミノ酸であることを特徴とする請求項1に記載の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体。   The recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex according to claim 1, wherein the key amino acid is a polar amino acid. 前記金属ポルフィリンが、金属プロトポルフィリン、金属デューテロポルフィリン、金属ジアセチルデューテロポルフィリン、金属メソポルフィリン、金属ジホルミルポルフィリン、金属テトラフェニルポルフィリンおよび金属オクタエチルポルフィリンからなる群の中から選ばれる少なくとも1種の金属ポルフィリンであることを特徴とする請求項1または2に記載の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体。   The metal porphyrin is at least one selected from the group consisting of metal protoporphyrin, metal deuteroporphyrin, metal diacetyl deuteroporphyrin, metal mesoporphyrin, metal diformyl porphyrin, metal tetraphenylporphyrin and metal octaethylporphyrin. The recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex according to claim 1, which is a metal porphyrin. 前記組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体の分子表面に、ポリエチレングリコール基が共有結合されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体。   The recombinant human serum albumin-metal porphyrin according to any one of claims 1 to 3, wherein a polyethylene glycol group is covalently bonded to the molecular surface of the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex. Complex. 前記金属が、鉄またはコバルトであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体。   The recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal is iron or cobalt. 前記金属が、鉄(II)またはコバルト(II)であることを特徴とする請求項5に記載の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体。   6. The recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex according to claim 5, wherein the metal is iron (II) or cobalt (II). 請求項6に記載の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体を含有する人工酸素運搬体。   An artificial oxygen carrier containing the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex according to claim 6. 請求項6に記載の組換えヒト血清アルブミン−金属ポルフィリン錯体を含有する赤血球代替物。   An erythrocyte substitute containing the recombinant human serum albumin-metal porphyrin complex according to claim 6.
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