JP4925128B2

JP4925128B2 - 有機ナノチューブの化学的分解方法

Info

Publication number: JP4925128B2
Application number: JP2007317016A
Authority: JP
Inventors: 将青柳; 真澄浅川; 真樹小木曽; 鮎子飯嶋; 敏美清水
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: JP2009138131A

Description

本発明は、有機ナノチューブに関するものであり、特に、生成された有機ナノチューブを、化学的に、且つ安全に分解する方法に関する。

医療、健康、食品、衛生、農業分野においては薬剤、香料、風味成分など有効成分の安定保存、放出濃度制御がきわめて重要な課題である。その解決法として種々の基質を無機材料又は有機材料への内包化し、該基質を徐放させる研究がされ、今日までに数多く実用化されている。
例えば、特許文献１では、多孔性アパタイト誘導体にヒト成長ホルモンおよび水溶性２価金属化合物を含有させることにより、生体内分解性および徐放性能を併せ持つヒト成長ホルモンの徐放性微粒子製剤が得られることが報告されている。
また、特許文献２では、難水溶性の抗腫瘍などの医薬化合物を包接したシクロデキストリンをさらに球状分子集合体の内水相に被包したリポソームと、その医薬化合物の徐放性が報告されている。

本発明者らは、両親媒性化合物の分子が集合してできる有機ナノチューブについても、その一次元内部空孔へ基質が内包できることを見いだし、すでに出願している。
例えば、特許文献３には、糖脂質を有機溶媒中で再沈殿させることにより、カーボンナノチューブに代表される無機ナノチューブにはない特性を持ち、且つシクロデキストリンより約１０倍以上大きい内径と高い軸比を持ち、固相状態にある脂質膜構造からなる中空繊維状有機ナノチューブを簡便且つ大量に合成し、その中空シリンダー内に毛細管現象を利用して金属ナノ粒子やタンパク質を導入したことが記載されている。また、特許文献４では、ペプチド脂質を用いて同様の性質をもつ中空繊維状有機ナノチューブを簡便且つ大量に合成したことが記載されている。

このような有効成分を封入できる材料を分解する場合、シリカやアパタイトなど無機材料からなるナノ多孔質粒子は、物理的、化学的に極めて安定であり、中空構造の分解には強塩基、強酸などの過酷な条件が必要となる。
これに対して、リポソームは、物理的、化学的な刺激による放出が容易に可能であるが、リポソームを構成する脂質膜構造が液晶相にあるため、固相状態にある脂質膜構造からなる有機ナノチューブに比べて安定性が低く、材料としての適用範囲が限定される。

一方、特許文献３，４の有機ナノチューブは、１）相転移点温度（水中で６０度前後）以上に加熱する、或いは２）超音波を照射する、など物理的な刺激を加える手法により、そのチューブ構造が分解される。
しかしながらこのような物理的な刺激を作用させることが困難な状況下での応用を想定した場合、安全で、かつ広範に利用できる化学的な分解法の開発が望まれる。
特開２００５−８５４５号公報特表平８−５０９２３０号公報特願２００６−１６４２６９号特願２００６−１７４７１３号 Nomura Y, Sasaki Y, Takagi M, Narita T, Aoyama Y, Akiyoshi K, "Thermoresponsive controlled association of protein with a dynamic nanogel of hydrophobized polysaccharide and cyclodextrin: Heat shock protein-like activity of artificial molecular chaperone", Biomacromolecules, 2005, 6, 447-452. Chiyoung Park, Im Hae Lee, Sanghwa Lee, Yumi Song, Mikyo Rhue, and Chulhee Kim, "Cyclodextri-covered organic nanotubes derived from self-assembly of dendrons and their supramolecular transformation" Proceedings of the National Academy of United States of America, 2006, 103, 1199-1203 樫野悦子、藤井富美子「シクロデキストリンと油性物質との相互作用」日本家政学会誌2005, 56, 533-539.

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、すでに特許文献３、４において提案している両親媒性分子が集合してできる有機ナノチューブにおいて、安全で広範に利用できる化学的な分解法を提供することを目的とするものである。

これまでに化学物質の添加により、有機ナノチューブを分解できるという報告例がある。
例えば、非特許文献１では、フォスファチジルコリンは、水中で球状分子集合体（リポソーム）を形成するが、コレステロールが混在すると、この球状構造がナノチューブで接続された組織化体を形成すること、ここにβ−シクロデキストリンを加えると、シクロデキストリンがコレステロールを包接し、ナノチューブが消失して、球状分子集合体のみになることが報告されている。
また、非特許文献２では、ピレニル基を含む両親媒性化合物は、水中で自己集合して直径約２５０ｎｍのベシクルを形成すること、この分散液にγ−シクロデキストリンを加え、超音波を照射するとγ−シクロデキストリンがピレニル基を包接し、集合体構造が内径２２ｎｍ外径４５ｎｍのナノチューブに変化すること、さらにγ−シクロデキストリンとより安定な包接錯体を形成するポリプロピレングリコールをナノチューブ分散液に加えるとゲスト交換が起き、再びベシクル構造へと変化することが報告されている。
しかしながら、これらの文献には、それらのナノチューブの内包化能については報告がされていない。

シクロデキストリンが脂肪酸、コレステロールと包接化合物を作ることは知られている。
例えば、非特許文献３には、α、β、γ−シクロデキストリンによる油性物質の包接を検討したところ、α−シクロデキストリンは直鎖脂肪酸を選択的に包接し、β−シクロデキストリンはコレステロールに対して高い包接選択性を示し、γ−シクロデキストリンは脂肪酸、コレステロールともに包接するが、包接による安定化の寄与が小さく包接量は全体的に少なかったことが報告されている。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、シクロデキストリンの添加により、前記の両親媒性分子が集合してできる有機ナノチューブが分解できることという知見を得た。
本発明は、これらの知見に基づいて完成に至ったものであり、以下のとおりのものである。
（１）下記一般式（１）
Ｇ−ＮＨＣＯ−Ｒ¹ （１）
（式中、Ｇは糖のアノマー炭素原子に結合するヘミアセタール水酸基を除いた糖残基を表し、Ｒ¹は炭素数が１０〜３９の不飽和炭化水素基を表す。）で表わされるＮ−グリコシド型糖脂質、又は
下記一般式（２）
Ｒ²ＣＯ（ＮＨ−ＣＨＲ³−ＣＯ）_mＯＨ（２）
（式中、Ｒ²は炭素数６〜２４の炭化水素基、Ｒ³はアミノ酸側鎖、ｍは１〜１０の整数を表す。）で表わされるペプチド脂質、又は
下記一般式（３）
Ｈ（ＮＨ−ＣＨＲ³−ＣＯ）_mＮＨＲ² （３）
（式中、Ｒ²は炭素数６〜２４の炭化水素基、Ｒ³はアミノ酸側鎖、ｍは１〜１０の整数を表す。）で表わされるペプチド脂質
のいずれかからなる両親媒性化合物の分子が集合して形成された有機ナノチューブに、シクロデキストリンを添加することにより、該有機ナノチューブのチューブ構造を化学的に分解する方法。
（２）前記シクロデキストリンが、α−シクロデキストリン、β−シクロデキストリン又はγ−シクロデキストリンのいずれかである（１）に記載の方法。
（３）前記シクロデキストリンの添加量が、有機ナノチューブを形成する両親媒性化合物に対して、１当量以上である（１）又は（２）に記載の方法。

本発明の方法によれば、有機ナノチューブを熱、超音波など物理的刺激ではなく、化学的に室温で分解、構造変化させることができる。また、本発明の方法により、加熱や超音波照射に耐えない、または困難な条件、例えば皮膚のような生体組織、屋外のような大面積などに存在するナノチューブの分解が可能になる。さらに、非特許文献２に挙げたように、従来のシクロデキストリンを用いた形態変化は、その空孔に適合するためにピレニル基など非天然由来の大きな疎水性官能基をあらかじめ導入する必要があるが、本発明の有機ナノチューブは、天然物を出発原料としており、特殊な官能基を導入することなく、天然物であるシクロデキストリンの添加で分解できることは、環境中や生体組織上にもおいて有利である。

本発明の方法は、デキストリンを添加することにより、両親媒性化合物からなる有機ナノチューブを、熱、超音波など物理的刺激ではなく、化学的に室温で分解させて、チューブ構造を変化させるものである。
本発明において、シクロデキストリンの添加によりチューブ構造が分解されるのは、本発明の有機ナノチューブが、脂肪酸由来の分子構造を含むため、シクロデキストリンの添加により脂肪酸部位が包接されて、その集合形態が変化することによるものと考えられる。

本発明において、用いる有機ナノチューブは、疎水基および親水基を有する両親媒性化合物の分子が集合してチューブ構造を形成している。
両親媒性化合物における疎水基としては、直鎖又は分岐型の飽和もしくは不飽和アルキル基が挙げられる。また、親水基としては、単糖、オリゴ糖及びその類縁体、アミノ酸、及びオリゴペプチドやその類縁体などが挙げられるが、特に、両親媒性化合物として、
下記一般式（１）
Ｇ−ＮＨＣＯ−Ｒ^１（１）
（式中、Ｇは糖のアノマー炭素原子に結合するヘミアセタール水酸基を除いた糖残基を表し、Ｒ^１は炭素数が１０〜３９の不飽和炭化水素基を表す。）で表わされるＮ−グリコシド型糖脂質、又は
下記一般式（２）
Ｒ^２ＣＯ（ＮＨ−ＣＨＲ^３−ＣＯ）_ｍＯＨ (２)
（式中、Ｒ^２は炭素数６〜２４の炭化水素基、Ｒ^３はアミノ酸側鎖、ｍは１〜１０の整数を表す。）で表わされるペプチド脂質、又は
下記一般式（３）
Ｈ（ＮＨ−ＣＨＲ^３−ＣＯ）_ｍＮＨＲ^２（３）
（式中、Ｒ^２は炭素数６〜２４の炭化水素基、Ｒ^３はアミノ酸側鎖、ｍは１〜１０の整数を表す。）で表わされるペプチド脂質が、好ましく用いられる。

本発明において用いるシクロデキストリン類は、数分子のＤ−グルコースが、α−１，４グルコシド結合によって結合して環状構造をとった環状オリゴ糖の一種であって、グルコースが５個以上結合したものが知られている。一般的なものは、グルコースが６個から８個結合したものであり、それぞれ６個結合しているものがα−シクロデキストリン、７個結合しているものがβ−シクロデキストリン、８個結合しているものがγ−シクロデキストリンと呼ばれているが、本発明では、α、β、γのいずれでも良く、また１つ以上の水酸基が他の官能基で修飾されていても良い。

本発明において、両親媒性化合物から形成される有機ナノチューブに添加するシクロデキストリンの量は、多ければ多い程分解に必要な時間が短くなるが、該有機ナノチューブを形成する両親媒性化合物に対して、少なくとも１当量以上のシクロデキストリンを添加することが必要であり、好ましくは、４当量以上のシクロデキストリンを添加する。

以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
（実施例１）
下記の構造式１に示す糖脂質分子から形成した有機ナノチューブ（Ｉ）(２２ｍｇ、糖脂質０．０５ｍｍｏｌ）に、それぞれ、１当量（４８．６ｍｇ）、２当量（９７．３ｍｇ）、４当量（１９４．６ｍｇ）、及び８当量（３８９．２ｍｇ）のα−シクロデキストリン（α−ＣＤ）水溶液を加え、さらに水を最終液量が４ｍＬとなるようにそれぞれ添加し、タッチミキサーで５分間撹拌した。この混合物を異なる時間（１０分、２４時間、４日）静置した後、遠心処理（４０００回転、３０分）を行い、残渣に水４ｍＬを加え５分間撹拌した。再度３０分間の遠心処理を行い、残渣を凍結乾燥して粉末状のサンプルを得た。このサンプルについて重量を秤量し、電界放出型走査型電子顕微鏡観（ＦＥ−ＳＥＭ）による形態観察をし、プロトン核磁気共鳴（^１Ｈ−ＮＭＲ）、粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定をおこなった。

各サンプルの回収重量、^１Ｈ−ＮＭＲから算出した組成を下記の表１に示す。
図１ないし図４は、各サンプルの２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真である。
これらの写真から明らかなように、α−ＣＤの添加によってナノチューブ構造から板状構造に変換されていることが観察された。ナノチューブと板状集合体の割合はα−ＣＤの増加にともない板状構造が増加し、４当量以上、２４時間でナノチューブが完全に消失した。また板状集合体は、糖脂質とα−ＣＤがおよそ１：２．７の組成を有し、またＸＲＤから複合体固体中の分子配列は、α−ＣＤ及び有機ナノチューブ（Ｉ）単体とは異なることが分かった。

（実施例２）
β−シクロデキストリン（β−ＣＤ）水溶液（６００ｍｇ／４０ｍＬ）に、４０ｍｇ、８０ｍｇ、及び１６０ｍｇの有機ナノチューブ（Ｉ）を加え、タッチミキサーで５分間撹拌した。この混合物を異なる時間（２４時間、４日間）静置した。その後遠心処理（４０００回転、６０分）を行い、上澄み液を除去した後、残渣に水を４０ｍＬ加え、再度同様の遠心処理を行い、残渣を凍結乾燥して粉末状のサンプルを得た。このサンプルについて重量を秤量し、ＦＥ−ＳＥＭによる形態観察をし、^１Ｈ−ＮＭＲ、ＸＲＤ測定をおこなった。

各サンプルの回収重量、^１Ｈ−ＮＭＲから算出した組成を下記の表２に示す。
図５ないし図７は、各サンプルの、２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真である。
これらの写真から明らかなように、２４時間後のサンプルはナノチューブと板状構造の混合物であったが、４日後のサンプル中に残留するナノチューブはわずかであった。また添加する有機ナノチューブ（Ｉ）の量の増加とともに残留するナノチューブ構造の割合が減少した。

（実施例３）
γ−シクロデキストリン（γ―ＣＤ）水溶液（１３０ｍｇ／４ｍＬ、２６０ｍｇ／４ｍＬ、５２０ｍｇ／４ｍＬ、及び１０４０ｍｇ／５ｍＬ）を調製し、有機ナノチューブ（Ｉ）(４４．４ｍｇ)に加えてタッチミキサーで５分間撹拌した。この混合物を１０分もしくは２４時間静置した。その後遠心処理（４０００回転、３０分）を行い、上澄み液を除去した後、残渣に水を４ｍＬ加え、再度同様の遠心処理を行い、残渣を凍結乾燥して粉末状のサンプルを得た。このサンプルについて重量を秤量し、ＦＥ−ＳＥＭによる形態観察、^１Ｈ−ＮＭＲ、ＸＲＤ測定をおこなった。

各サンプルの回収重量、^１Ｈ−ＮＭＲから算出した組成を下記の表３に示す。
図８ないし図１０は、それぞれ、濃度２６０ｍｇ／４ｍＬのサンプルの１０分間静置で得られた集合体、濃度５２０ｍｇ／４ｍＬのサンプルの１０分間静置で得られた集合体、及び濃度１０４０ｍｇ／５ｍＬのサンプルの２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真である。
これらの写真から明らかなように、γ−ＣＤ濃度が１３０ｍｇ／４ｍＬ、及び２６０ｍｇ／４ｍＬの場合、回収重量は若干減少し、ほぼナノチューブのみであった。γ−ＣＤ濃度が５２０ｍｇ／４ｍＬの場合、回収固体はナノチューブ構造と板状構造体の混合物であった。γ＝ＣＤ濃度が１０４０ｍｇ／５ｍＬ（２４時間、４日間静置）の場合は、いずれの回収固体もγ−ＣＤを主成分とするもので、その集合体形態は板状構造であった。すなわち、γ―ＣＤによるナノチューブの分解はγ―ＣＤ水溶液の濃度依存性がみられた。

（実施例４）
下記の構造式２に示すペプチド脂質から形成した有機ナノチューブ（II）（２３．４ｍｇ、ペプチド脂質０．０６８ｍｍｏｌ）に２６５ｍｇ（０．２７ｍｍｏｌ）／４ｍＬのα―ＣＤ水溶液を加え、タッチミキサーで５分間撹拌した。この混合物を２４時間静置した後、遠心処理（４０００回転、２０分）を行い、残渣に水４ｍＬを加え５分間撹拌した。再度２０分間の遠心処理を行い、残渣を凍結乾燥して粉末状のサンプルを得た。このサンプルについて重量を秤量し、ＦＥ−ＳＥＭによる形態観察、^１Ｈ−ＮＭＲ、ＸＲＤ測定をおこなった。

回収重量は９８ｍｇで、α−ＣＤとペプチド脂質のモル比は１．８３：１であった。電子顕微鏡によりα―ＣＤの添加によってナノチューブ構造からほぼ完全に板状構造に変換されていることが観察された。すなわち有機ナノチューブ（Ｉ）の場合とほぼ同様にα−ＣＤの添加によりチューブ構造を分解可能であることが示された。

本発明において、有機ナノチューブ構造の分解に用いるシクロデキストリンは、天然に存在する物質で、食品としての利用もされており、生体組織のみならず環境への負荷も低い化合物であるため、広範な応用が期待できる。

実施例１における、α−ＣＤ濃度４８．６ｍｇ／４ｍＬのサンプルの、２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例１における、α−ＣＤ濃度９７．３ｍｇ／４ｍＬのサンプルの、２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例１における、α−ＣＤ濃度１９４．６ｍｇ／４ｍＬのサンプルの、２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例１における、α−ＣＤ濃度３８９．２ｍｇ／４ｍＬのサンプルの、２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例２における、β−ＣＤ４０ｍｇのサンプルの２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例２における、β−ＣＤ８０ｍｇのサンプルの２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例２における、β−ＣＤ１６０ｍｇのサンプルの２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例３における、γ−ＣＤ濃度２６０ｍｇ／４ｍＬのサンプルの１０分間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例３における、γ−ＣＤ濃度５２０ｍｇ／４ｍＬのサンプルの１０分間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例３における、γ−ＣＤ濃度１０４０ｍｇ／５ｍＬのサンプルの２４時間静置で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真実施例４で得られた集合体のＦＥ−ＳＥＭ写真

Claims

下記一般式（１）
Ｇ−ＮＨＣＯ−Ｒ¹ （１）
（式中、Ｇは糖のアノマー炭素原子に結合するヘミアセタール水酸基を除いた糖残基を表し、Ｒ¹は炭素数が１０〜３９の不飽和炭化水素基を表す。）で表わされるＮ−グリコシド型糖脂質、又は
下記一般式（２）
Ｒ²ＣＯ（ＮＨ−ＣＨＲ³−ＣＯ）_mＯＨ（２）
（式中、Ｒ²は炭素数６〜２４の炭化水素基、Ｒ³はアミノ酸側鎖、ｍは１〜１０の整数を表す。）で表わされるペプチド脂質、又は
下記一般式（３）
Ｈ（ＮＨ−ＣＨＲ³−ＣＯ）_mＮＨＲ² （３）
（式中、Ｒ²は炭素数６〜２４の炭化水素基、Ｒ³はアミノ酸側鎖、ｍは１〜１０の整数を表す。）で表わされるペプチド脂質
のいずれかからなる両親媒性化合物の分子が集合して形成された有機ナノチューブに、シクロデキストリンを添加することにより、該有機ナノチューブのチューブ構造を化学的に分解する方法。
前記シクロデキストリンが、α−シクロデキストリン、β−シクロデキストリン又はγ−シクロデキストリンのいずれかである請求項１に記載の方法。
前記シクロデキストリンの添加量が、有機ナノチューブを形成する両親媒性化合物に対して、１当量以上である請求項１又は２に記載の方法。