JPWO2013073480A1 - 細胞内動態を改善したカチオン性脂質 - Google Patents

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Abstract

核酸送達キャリアとして使用した場合に、高い細胞内発現効率を達成できるカチオン性脂質を提供すること。
式(1)

(式中、X及びXは独立して、X又はXであり;

sは1又は2であり、
は炭素数1〜6のアルキル基を表し、
及びnは独立して、は0又は1であり、
1a及び及びR1bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
2a及びR2bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
及びYは独立して、エステル結合、アミド結合、カーバメート結合、エーテル結合又は尿素結合を表し、
3a及びR3bは独立して、ステロール残基、脂溶性ビタミン残基又は炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基を表す)で示される化合物。

Description

本発明は細胞内動態を改善したカチオン性脂質、これを含む脂質膜構造体、及びこれらの用途に関する。
核酸治療を実用化するために、効果的で安全な核酸送達キャリアが求められている。ウイルスベクターは、発現効率のよい核酸送達キャリアであるが、安全性の観点から実用上問題がある。そのため、より安全に使用できる非ウイルス核酸送達キャリアの開発が進められており、そのなかでもカチオン性脂質を用いたキャリアは、現在最も一般的に使用されている非ウイルス核酸送達キャリアである。
カチオン性脂質は大別してアミン部位と脂質部位から構成されており、カチオン性を示すアミン部位とポリアニオンである核酸が静電的に相互作用し、正に帯電したリポソーム又は脂質膜構造体を形成することで、細胞への取り込みを促進し、核酸を細胞内へ送達するものである。
一般に広く用いられている公知のカチオン性脂質としてはDOTAPやDODAPが挙げられる。これらの公知のカチオン性脂質はリン脂質と組み合わせることによって、正に帯電したリポソーム又は脂質膜構造体を形成し、核酸と静電的に相互作用することで、標的細胞に核酸を送達し得る(非特許文献1)。
また、特許文献1に、細胞への取り込み量を増加させる目的でアミノ基を多く含有したカチオン性脂質が記載されている。このカチオン性脂質は細胞への取り込み能が高く、細胞膜組成が異なる種々の細胞に作用することが、この文献で主張されている。
一方で、カチオン性脂質を用いた核酸送達キャリアが生体内で実用的な効果を発揮するためには、体内動態が良いこと、具体的には血中での安定性が高いこと、腫瘍等の標的への集積性が高いことなどの要件を満たす必要がある。この課題に対し、WheelerらはpKaを中性付近に調整したカチオン性脂質を含む脂質膜構造体が静脈内注射後に長い血中寿命を示すこと、腫瘍部位に集積すること、かつこれら腫瘍部位での核酸の発現を媒介できることを示している(非特許文献2)。
このように体内動態を改善したカチオン性脂質が開発されているが、一般的に外来物質を細胞内に導入するという核酸送達キャリアの性質上、少ない取り込み量で大きな効果を発揮することが望まれている。即ち、脂質膜構造体を発現ベクターの細胞内への送達キャリアとして用いた場合、細胞内に取り込まれた単位脂質膜構造体当たりの発現量を高め、細胞内での発現効率を高めることが求められている。細胞内での発現効率を高めるためには、体内動態の他、取り込み過程、エンドソームなどからの脱出、核膜透過などの細胞内動態についても改善する必要がある。さらに細胞内における転写を促進する上では、核酸をキャリアから解離させ、転写因子の結合性を高める必要があることがわかっている(非特許文献3)。
細胞内での核酸の脂質膜構造体からの解離を促進させた例として、1つのアミン部位と2つの脂質部位をジスルフィドを介して結合させた化合物(特許文献2)や1つのアミン部位に対して二つの脂質部位をそれぞれジスルフィド結合を介して結合させた化合物がある(特許文献3)。これらの化合物は、細胞内でジスルフィド結合が切断されることを利用し、アミン部位と相互作用している核酸を脂質膜構造体から解離させる効果を有することが主張されている。
しかしながら、当該分野での進歩にも関わらず、従来のカチオン性脂質を用いた核酸送達キャリアにより達成される細胞内での発現効率は十分に満足できるものではない。
特開2011−121966号公報 国際公開第99/58152号 国際公開第2010/154405号
Biomaterials 29(24-25):3477-96,2008 Gene Therapy 6:271-281,1999 Molecular Therapy 13(4):786-794,2006
カチオン性脂質を用いた核酸送達キャリアは外来物質を細胞内に導入するという性質上、少ない取り込み量で大きな効果を発揮すること、即ち細胞内に取り込まれた単位脂質膜構造体当たりの発現量を高め、細胞内における発現効率を高めることが求められている。本発明の目的は、核酸送達キャリアとして使用した場合に、高い細胞内発現効率を達成できるカチオン性脂質を提供することである。
本発明者らは上記課題に鑑み鋭意検討した結果、特許文献2の化合物では、ジスルフィド結合が切断された後も脂質部位を2つ有する構造が維持されるため、細胞内において脂質膜構造体が崩壊されず、内封された核酸などの化合物が細胞質中に効率的に放出されないことを見出した。また、特許文献2の化合物を核酸導入に用いた場合、核酸がアミン部位と相互作用した状態で細胞内に放出させるため、転写因子の核酸へのアクセス及び結合が妨げられる可能性がある。
更に、特許文献2や3の化合物を用いた場合、細胞内においてジスルフィド結合が切断されると、生成される残基が極性基であるアミン部位と非極性基である脂質部位とに別れるため、残基が界面活性能を失う。このような界面活性能の消失は、細胞内での脂質膜構造体の崩壊を誘導する上では有利であるが、エンドソーム膜の不安定化、及びそれに伴うエンドソーム脱出促進効果は期待できない。
そこで、これらの新たな技術的な問題点に着目して更に検討を進めた結果、アミン部位と脂質部位とをジスルフィド結合で結合する代わりに、アミン部位と脂質部位とを細胞内で切断され難い安定な結合様式で結合し、得られる2分子の界面活性化合物をジスルフィド結合で結合することにより、これらの問題点を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、以下の内容を包含する。
[1]式(1)
(式中、X及びXは独立して、X又はXであり;
sは1又は2であり、
は炭素数1〜6のアルキル基を表し、
及びnは独立して、0又は1であり、
1a及びR1bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
2a及びR2bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
及びYは独立して、エステル結合、アミド結合、カーバメート結合、エーテル結合又は尿素結合を表し、
3a及びR3bは独立して、ステロール残基、脂溶性ビタミン残基又は炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基を表す)で示される化合物。
[2]X及びXが独立して、Xである[1]記載の化合物。
[3]R3a及びR3bが独立して、脂溶性ビタミン残基又は炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基である[1]又は[2]記載の化合物。
[4]R3a及びR3bが独立して、脂溶性ビタミン残基である[1]〜[3]のいずれかに記載の化合物。
[5]R3a及びR3bが独立して、炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基である[1]〜[3]のいずれかに記載の化合物。
[6][1]〜[5]のいずれかに記載の化合物を膜の構成脂質として含む脂質膜構造体。
[7][1]〜[5]のいずれかに記載の化合物、又は[6]記載の脂質膜構造体を含む核酸導入剤。
[8]生体外において、核酸を内封した[6]記載の脂質膜構造体と細胞とを接触させることを含む、当該核酸を当該細胞内へ導入する方法。
[9]核酸を内封した[6]記載の脂質膜構造体を、標的細胞へ送達されるように、生体へ投与することを含む、当該核酸を当該細胞内へ導入する方法。
本発明は、2つの三級アミノ基と2つの脂質部位、そして生分解性基であるジスルフィド結合を有する化合物、またそれを含む脂質膜構造体に関するものである。本発明の化合物は、リポソームなどの安定な脂質膜構造体を形成することが出来、脂質膜構造体としてのpKaを中性付近に調整できる。さらに、本発明のカチオン性脂質を用いて遺伝子導入を行うと、細胞内の還元的環境においては本発明のカチオン性脂質に含まれるジスルフィド結合が切断され、脂質膜構造体の不安定化により内包物(核酸)の放出が促進される。そのため、送達遺伝子の細胞内での発現効率、即ち細胞内に取り込まれた単位脂質膜構造体当たりの発現効率を高めることができるだけでなく、送達核酸を介した効率的な遺伝子ノックダウンを達成することができる。
本発明の化合物、またはそれを含む脂質膜構造体を用いて、遺伝子導入を行うと、血清成分による核酸の分解が抑制されるので、血清存在下での遺伝子導入や、生体内での遺伝子導入に有利である。
還元剤存在下における各種脂質膜の崩壊性を示す図である。 B−2、B−2−1、DODAP、DOTAPから調製される各種MENDの細胞内取り込みの相対値を示した図である。 B−2、B−2−1、DODAP、DOTAPから調製される各種MENDの遺伝子導入活性を示した図である。 B−2、B−2−1、DODAP、DOTAPから調製される各種MENDの遺伝子発現活性(図3)を細胞内取り込み量(図4)で規格化した値を示した図である。 B−2及びその誘導体(B−2−2、B−2−3)の遺伝子導入活性を示した図である。 B−2、B−2−1、DODAP、DOTAPから調製される各種MENDにより導入された遺伝子のエンドソームからの脱出を評価した図である。 B−2、B−2−1、DODAP、DOTAPから調製される各種MENDにより導入された遺伝子のエンドソームからの脱出効率を示すグラフである。 B−2、B−2−1、DOTAPから調製される各種MENDにより導入された遺伝子の脱被覆化効率を評価した図である。 B−2、及びカチオン性脂質から調製されるMENDの静脈内投与後の肝臓における遺伝子発現活性を示した図である。 B−2、及びカチオン性脂質から調製されるMENDの遺伝子発現の臓器特異性を示した図である。 B−2、B−2−1、DODAP、DOTAPから調製される各種MENDの遺伝子発現活性への、エンドソーム、ライソソーム酸性化阻害の影響を示すグラフである。 B−2、DOTAPから調製される各種MENDの試験管内翻訳反応に対に対する影響を示すグラフである。 血清による核酸分解に対する、B−2から調製されるMENDの耐性効果を示す図である。 B−2から調製されるMEND、R8/GALAから調製されるMEND、及びin vivo JetPEI−Galの静脈内投与により肝臓へ導入された発現ベクター(CpG(+)又はCpG(−))の遺伝子発現活性の経時的変化を示す図である。 B−2から調製されるMEND及びR8/GALAから調製されるMENDの肝臓内挙動を示す写真である。 発現ベクター(CpG(+)又はCpG(−))を含む、B−2から調製されるMEND又はR8/GALAから調製されるMENDの投与後の、サイトカインの血中濃度推移を示すグラフである。 B−2、B−2−4から調製される各種MENDの電子顕微鏡写真である。 B−2、B−2−4、B−2−5から調製される各種MENDにより導入された遺伝子の発現活性を示すグラフである。 B−2、B−2−4、DOTAPから調製される各種MENDの細胞内取り込みの経時的変化を示すグラフである。白丸はB−2を、黒丸はB−2−4を、白四角はDOTAPを、それぞれ示す。 B−2、B−2−4、DOTAPから調製される各種MENDの遺伝子導入活性を示すグラフである。 ローダミン標識されたpDNAを封入した、B−2から調製されたMEND及びB−2−4から調製されたMENDの細胞内動態を示す写真である。 B−2、B−2−4から調製された各種MENDにより導入された遺伝子のエンドソーム脱出効率を示すグラフである。 B−2、B−2−4から調製された各種MENDで処理された細胞のエンドソーム量を評価した写真である。 B−2、B−2−4から調製された各種MENDで処理された細胞の相対的エンドソーム量を示すグラフである。 B−2、B−2−4から調製される各種MENDにより導入された遺伝子の脱被覆効率を評価した写真である。 B−2、B−2−4から調製される各種MENDにより導入された遺伝子の脱被覆効率を示すグラフである。 B−2、B−2−4から調製される各種MENDの細胞内取り込みへのシュクロース、アミロライド及びフィリピンの影響を示すグラフである。 B−2、B−2−4から調製される各種MENDの遺伝子発現活性へのシュクロース、アミロライド及びフィリピンの影響を示すグラフである。 B−2、B−2−4から調製される各種MENDの遺伝子発現活性への、エンドソーム酸性化阻害の影響を示すグラフである。 B−2、B−2−4から調製される各種MENDの遺伝子発現活性へのレチノイン酸の影響を示すグラフである。 ローダミン標識されたpDNAを封入した、B−2から調製されたMEND及びB−2−4から調製されたMENDの細胞内動態を示す写真である。 B−2、B−2−4から調製される各種MENDの遺伝子発現活性へのGAの影響を示すグラフである。 B−2、B−2−4、B−2−5から調製される各種MENDによる、FVIIに対するsiRNA導入の効果を示すグラフである。 B−2−5から調製される各種MENDにより導入されたFVIIに対するsiRNAの、遺伝子ノックダウン効果の持続性を評価したグラフである。
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明は、式(1)で表される化合物を提供するものである。
式(1)中、X及びXは独立して、以下に示すX又はXであり、好ましくはXである。
中のRは炭素数1〜6のアルキル基を表し、直鎖状であっても分岐状であっても環状であっても良い。該アルキル基の炭素数は、好ましくは1〜3である。炭素数1〜6のアルキル基としては、具体的にはメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、t−ペンチル基、1,2−ジメチルプロピル基、2−メチルブチル基、2−メチルペンチル基、3−メチルペンチル基、2,2−ジメチルブチル基、2,3−ジメチルブチル基、シクロヘキシル基等を挙げることができる。Rは好ましくはメチル基、エチル基、プロピル基又はイソプロピル基であり、最も好ましくはメチル基である。
中のsは1又は2である。sが1のときXは好ましくはピロリジニウム基であり、sが2のときXは好ましくはピペリジニウム基である。
はXと同一であっても異なっていてもよいが、好ましくは、XはXと同一の基である。
及びnは独立して、0又は1であり、好ましくは1である。nが1の場合、R3aはY及びR2aを介してXと結合し、nが0の場合にはR3a−X―R1a―S−の構造を呈する。同様に、nが1の場合、R3bはY及びR2bを介してXと結合し、nが0の場合にはR3b−X―R1b―S−の構造を呈する。
はnと同一であっても異なっていてもよいが、好ましくは、nはnと同一である。
1a及びR1bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、直鎖状であっても良く、分岐を有していても良いが、好ましくは直鎖状である。炭素数1〜6のアルキレン基としては、具体的にはメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、イソプロピレン基、テトラメチレン基、イソブチレン基、ペンタメチレン基、ネオペンチレン基等を挙げることができる。R1a及びR1bは、好ましくはメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、イソプロピレン基又はテトラメチレン基であり、最も好ましくはエチレン基である。
1aはR1bと同一であっても異なっていてもよいが、好ましくは、R1aはR1bと同一の基である。
2a及びR2bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、直鎖状であっても良く、分岐を有していても良いが、好ましくは直鎖状である。炭素数1〜6のアルキレン基としては、R1a及びR1bの炭素数1〜6のアルキレン基の例として列挙したものを挙げることができる。R2a及びR2bは、好ましくはメチレン基、エチレン基、トリメチレン基、イソプロピレン基又はテトラメチレン基であり、最も好ましくはトリメチレン基である。
2aはR2bと同一であっても異なっていてもよいが、好ましくは、R2aはR2bと同一の基である。
及びYは独立して、エステル結合、アミド結合、カーバメート結合、エーテル結合、尿素結合であり、好ましくはエステル結合、アミド結合、カーバメート結合であり、最も好ましくはエステル結合である。Y及びYの結合の向きは制限されないが、Yがエステル結合の場合、好ましくは、R3a−CO−O−R2a−の構造を呈し、Yがエステル結合の場合、好ましくは、R3b−CO−O−R2b−の構造を呈する。
はYと同一であっても異なっていてもよいが、好ましくは、YはYと同一の基である。
3a及びR3bは独立して、ステロール残基、脂溶性ビタミン残基又は炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基を表し、好ましくは脂溶性ビタミン残基又は炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基であり、最も好ましくは脂溶性ビタミン残基である。
ステロール残基としては、例えばコレステリル基(コレステロール残基)、コレスタリル基(コレスタノール残基)、スチグマステリル基(スチグマステロール残基)、β−シトステリル基(β−シトステロール残基)、ラノステリル基(ラノステロール残基)、及びエルゴステリル基(エルゴステロール残基)などが挙げられる。ステロール残基は、好ましくはコレステリル基又はコレスタリル基である。
脂溶性ビタミン残基としては、脂溶性ビタミン由来の残基の他、脂溶性ビタミン中の官能基である水酸基、アルデヒド、カルボン酸を他の反応性官能基に適宜変換した誘導体由来の残基を用いることができる。例えば水酸基を有する脂溶性ビタミンについてはコハク酸無水物やグルタル酸無水物などを反応させることにより、水酸基をカルボン酸に変換できる。脂溶性ビタミンとしては、レチノイン酸、レチノール、レチナール、エルゴステロール、7−デヒドロコレステロール、カルシフェロール、コルカルシフェロール、ジヒドロエルゴカルシフェロール、ジヒドロタキステロール、トコフェロール、トコトリエノール等を挙げることができる。脂溶性ビタミンは好ましくはレチノイン酸又はトコフェロールである。
炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基は、直鎖状であっても、分岐を有していても良いが、好ましくは直鎖状である。当該脂肪族炭化水素基は、飽和であっても不飽和であっても良い。不飽和脂肪族炭化水素基の場合、当該脂肪族炭化水素基に含まれる不飽和結合の数は通常1〜6個、好ましくは1〜3個、より好ましくは1〜2個である。不飽和結合には炭素−炭素二重結合及び炭素−炭素三重結合が含まれるが、好ましくは炭素−炭素二重結合である。当該脂肪族炭化水素基に含まれる炭素数は、好ましくは12〜18であり、最も好ましくは13〜17である。脂肪族炭化水素基には、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基等が含まれるが、好ましくはアルキル基又はアルケニル基である。炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基としては、具体的にはドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、イコシル基、ヘンイコシル基、ドコシル基、ドデセニル基、トリデセニル基、テトラデセニル基、ペンタデセニル基、ヘキサデセニル基、ヘプタデセニル基、オクタデセニル基、ノナデセニル基、イコセニル基、ヘンイコセニル基、ドコセニル基、デカジエニル基、トリデカジエニル基、テトラデカジエニル基、ペンタデカジエニル基、ヘキサデカジエニル基、ヘプタデカジエニル基、オクタデカジエニル基、ノナデカジエニル基、イコサジエニル基、ヘンイコサジエニル基、ドコサジエニル基、オクタデカトリエニル基、イコサトリエニル基、イコサテトラエニル基、イコサペンタエニル基、ドコサヘキサエニル基、イソステアリル基等を挙げることができる。炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基は、好ましくはトリデシル基、テトラデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ヘプタデカジエニル基又はオクタデカジエニル基であり、特に好ましくはトリデシル基、ヘプタデシル基、ヘプタデカジエニル基である。
一態様において、炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基は脂肪酸、脂肪族アルコール、又は脂肪族アミンに由来するものが用いられる。R3a(又はR3b)が脂肪酸由来の場合、Y(又はY)はエステル結合、又はアミド結合であり、脂肪酸由来のカルボニル炭素はY(又はY)に含まれる。例えば、リノール酸を用いた場合、R3a(又はR3b)はヘプタデカジエニル基である。
3aはR3bと同一であっても異なっていてもよいが、好ましくは、R3aはR3bと同一の基である。
一態様において、XはXと同一であり、nはnと同一であり、R1aはR1bと同一であり、R2aはR2bと同一であり、R3aはR3bと同一であり、YはYと同一である。
一態様において、
及びXは独立して、Xであり、
は炭素数1〜3のアルキル基を表し、n及びnは1であり、
1a及びR1bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
2a及びR2bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
及びYはエステル結合を表し、
3a及びR3bは独立して、炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基を表す。
一態様において、
及びXは、Xであり、
は炭素数1〜3のアルキル基を表し、n及びnは1であり、
1a及びR1bは、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
2a及びR2bは、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
及びYはエステル結合を表し、
3a及びR3bは、炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基を表し、
はXと同一であり、
1aはR1bと同一であり、
2aはR2bと同一であり、
3aはR3bと同一である。
一態様において、
及びXは、Xであり、
はメチル基を表し、n及びnは1であり、
1a及びR1bはエチレン基を表し、
2a及びR2bはトリメチレン基を表し、
及びYは−CO−O−を表し、
3a及びR3bは独立して、炭素数13〜17のアルキル基又はアルケニル基を表す。
一態様において、
及びXは、Xであり、
はメチル基を表し、n及びnは1であり、
1a及びR1bはエチレン基を表し、
2a及びR2bはトリメチレン基を表し、
及びYは−CO−O−を表し、
3a及びR3bは、炭素数13〜17のアルキル基又はアルケニル基を表し、
3aはR3bと同一である。
一態様において、
及びXは独立して、Xであり、
は炭素数1〜3のアルキル基を表し、n及びnは1であり、
1a及びR1bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
2a及びR2bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
及びYはエステル結合を表し、
3a及びR3bは独立して、脂溶性ビタミン残基(例、レチノイン酸残基、トコフェロール残基)を表す。
一態様において、
及びXは、Xであり、
は炭素数1〜3のアルキル基を表し、n及びnは1であり、
1a及びR1bは、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
2a及びR2bは、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
及びYはエステル結合を表し、
3a及びR3bは、脂溶性ビタミン残基(例、レチノイン酸残基、トコフェロール残基)を表し、
はXと同一であり、
1aはR1bと同一であり、
2aはR2bと同一であり、
3aはR3bと同一である。
一態様において、
及びXは、Xであり、
はメチル基を表し、n及びnは1であり、
1a及びR1bはエチレン基を表し、
2a及びR2bはトリメチレン基を表し、
及びYは−CO−O−を表し、
3a及びR3bは独立して、脂溶性ビタミン残基(例、レチノイン酸残基、トコフェロール残基)を表す。
一態様において、
及びXは、Xであり、
はメチル基を表し、n及びnは1であり、
1a及びR1bはエチレン基を表し、
2a及びR2bはトリメチレン基を表し、
及びYは−CO−O−を表し、
3a及びR3bは、脂溶性ビタミン残基(例、レチノイン酸残基、トコフェロール残基)を表し、
3aはR3bと同一である。
本発明の化合物の具体例として、以下のB−2、B−2−2、B−2−3、B−2−4及びB−2−5の化合物を挙げることができる。
次に本発明の化合物の製造方法について説明する。
本発明の化合物は、−S−S−(ジスルフィド)結合を有している。そのため、製造方法としては、
3a−(Y−R2a −X−R1a−SH、及び
3b−(Y−R2b −X−R1b−SH
を製造後、これを酸化(カップリング)することで−S−S−を含む本発明の化合物を得る方法、−S−S−結合を含む化合物から出発し、必要な部分を順次結合していき、最終的に本発明の化合物を得る方法等が挙げられる。好ましくは、後者の方法である。
後者の方法の具体例を以下に挙げるが、これらの方法には限定されない。
出発化合物としては、−S−S−結合を含む両末端カルボン酸、両末端カルボン酸エステル、両末端アミン、両末端イソシアネート、両末端アルコール、MsO(メシレート基)などの脱離基を有する両末端アルコール、pNP(p−ニトロフェニルカーボネート基)などの脱離基を有する両末端カーボネート、などが挙げられる。
例えば、X及びXとしてX又はXを含む化合物を製造する場合、−S−S−結合を含む化合物(1)中の両末端官能基を、−NH−基と末端に1つの官能基を有する化合物(2)中の−NH−基に反応させた後、化合物(2)中の反応に寄与しなかった末端の官能基と、Rを含む化合物(3)中の官能基を反応させることにより、−S−S−結合、R1a及びR1b、X及びX、R2a及びR2b、Y及びY、並びにR3a及びR3bを含む本発明の化合物を得ることができる。
化合物(1)と化合物(2)の反応には、触媒として、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、t−ブトキシカリウムなどのアルカリ触媒を使用しても良く、無触媒で行ってもよい。好ましくは、炭酸カリウム又は炭酸ナトリウムが触媒として用いられる。
触媒量としては、化合物(1)に対して0.1〜100モル等量であり、好ましくは、0.1〜20モル等量であり、より好ましくは0.1〜5モル等量である。化合物(2)の仕込み量は、化合物(1)に対して、1〜50モル等量であり、好ましくは1〜10モル等量である。
また、化合物(1)と化合物(2)の反応に使用する溶媒としては、反応を阻害しない溶媒や水溶液であればよく、特に制限なく使用することができる。例えば酢酸エチル、ジクロロメタン、クロロホルム、ベンゼンおよびトルエンなどが挙げられる。これらの中ではトルエン、クロロホルムが好ましい。
反応温度は、−20〜200℃、好ましくは0〜80℃であり、より好ましくは20〜50℃であり、反応時間は1時間〜48時間、好ましくは2〜24時間とするのが良い。
化合物(1)と化合物(2)との反応産物と、化合物(3)を反応させる場合には、化合物(1)と化合物(2)の反応に使用した触媒のように、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、t−ブトキシカリウムなどのアルカリ触媒を使用しても良く、PTS(p−トルエンスルホン酸)やMSA(メタンスルホン酸)などの酸触媒、又は、無触媒で行ってもよい。
また、DCC(ジシクロヘキシルカルボジイミド)、DIC(ジイソプロピルカルボジイミド)、EDC(1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド塩酸塩)などの縮合剤を使用して、化合物(1)と化合物(2)との反応産物と、化合物(3)を直接反応させてもよく、又は、化合物(3)を縮合剤を使用させ、一旦無水物などに変換した後、化合物(1)と化合物(2)との反応産物と反応させてもよい。
化合物(3)の仕込み量は、化合物(1)と化合物(2)との反応産物に対して、1〜50モル等量であり、好ましくは1〜10モル等量である。
使用される触媒は、反応させる官能基同士によって、適宜選択される。
触媒量としては、化合物(1)に対して0.05〜100モル等量であり、好ましくは、0.1〜20モル等量であり、より好ましくは0.2〜5モル等量である。
また、化合物(1)と化合物(2)との反応産物と、化合物(3)の反応に使用する溶媒としては、反応を阻害しない溶媒や水溶液であればよく、特に制限なく使用することができる。例えば酢酸エチル、ジクロロメタン、クロロホルム、ベンゼンおよびトルエンなどが挙げられる。これらの中ではトルエン、クロロホルムが好ましい。
反応温度は、0〜200℃、好ましくは0〜120℃であり、より好ましくは20〜50℃であり、反応時間は1〜48時間、好ましくは2〜24時間とするのが良い。
上記反応によって得られた反応物は、一般的な精製法、例えば、水洗、シリカゲルカラムクロマトグラフィー、晶析、再結晶、液−液抽出、再沈殿、イオン交換カラムクロマトグラフィーなどによって、適宜精製することができる。
具体的な実施例として、−S−S−結合を有し、両末端にMsO(メシレート基)などの脱離基を有する化合物を出発物質とし、3−(メチルアミノ)−1−プロパノールを結合させた後、脂肪酸又は脂溶性ビタミンを結合させた実施例を後述する(実施例1〜5参照)。当業者であれば、適宜原料を選択し、この実施例の方法に準じて反応を行うことにより、所望の本発明の化合物を製造することができる。
次に本発明の脂質膜構造体について説明する。本発明の脂質膜構造体は、上記一般式(1)で表される化合物を膜の構成脂質として含有するものである。ここで、本発明における「脂質膜構造体」とは、両親媒性脂質の親水基が界面の水相側に向かって配列した膜構造を有する粒子を意味する。
発明の脂質を含む脂質膜構造体の形態は特に限定されないが、例えば、水系溶媒に分散した形態としてリポソーム(一枚膜リポソーム、多重層リポソーム)、O/W型エマルション、W/O/W型エマルション、球状ミセル、ひも状ミセル、又は不定型の層状構造物などを挙げることができる。脂質膜構造体は、好ましくはリポソームである。
本発明の脂質膜構造体は、本発明の化合物以外の分子、例えば、脂質(リン脂質(ホスファチジルイノシトール、ホスファチジルセリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルコリン等)、糖脂質、ペプチド脂質、コレステロール、本発明の化合物以外のカチオン性脂質、PEG脂質等)、界面活性剤(例えば、CHAPS、コール酸ナトリウム、オクチルグルコシド、N−D−グルコ−N−メチルアルカンアミド類等)、ポリエチレングリコール、蛋白質などをさらに含有してもよい。
本発明の脂質膜構造体に含まれる本発明の化合物の含有量は特に限定されないが、通常は、脂質膜構造体を後述の核酸導入剤として用いた場合に、核酸を導入するのに十分な量の本発明の化合物が含まれる。例えば、総脂質の5〜100モル%、好ましくは10〜70モル%、より好ましくは30〜50モル%である。
また、本発明の脂質膜構造体には、国際公開第2005/032593号に記載されたポリアルギニンペプチド、国際公開第2008/105178号に記載された生体成分に対する抵抗性を増強するGALAペプチド又は血中安定性を高めるポリアルキレングリコールその他の、脂質膜構造体に対して様々な機能を付与することができる機能性素子を、それぞれの素子について知られる公知の方法によって脂質膜の表面に修飾させ、使用することができる。
本発明の脂質膜構造体は、本発明の化合物及びその他の構成成分(脂質等)を適当な分散媒、例えば、水性溶媒やアルコール性溶媒中に分散させ、必要に応じて組織化を誘導する操作を行うことにより調製することができる。「組織化を誘導する操作」としては、例えば、エタノール希釈法、単純水和法、超音波処理、加熱、ボルテックス、エーテル注入法、フレンチ・プレス法、コール酸法、Ca2+融合法、凍結−融解法、逆相蒸発法等の自体公知の方法が挙げられるが、これらに限定されない。
本発明の脂質膜構造体に核酸を内封させ、これを細胞へ接触させることにより、生体内及び/又は生体外において該核酸を該細胞内へ導入することができる。従って、本発明は、上記本発明の化合物又は脂質膜構造体を含む、核酸導入剤を提供するものである。
任意の核酸を細胞内へ導入することができる。核酸の種類としては、DNA、RNA、DNAとRNAのキメラ核酸、DNA/RNAのハイブリッド等を挙げることができるがこれらに限定されない。また、核酸は1〜3本鎖のいずれも用いることができるが、好ましくは1本鎖又は2本鎖である。核酸は、プリンまたはピリミジン塩基のN−グリコシドであるその他のタイプのヌクレオチド、あるいは非ヌクレオチド骨格を有するその他のオリゴマー(例えば、市販のペプチド核酸(PNA)等)または特殊な結合を含有するその他のオリゴマー(但し、該オリゴマーはDNAやRNA中に見出されるような塩基のペアリングや塩基の付着を許容する配置をもつヌクレオチドを含有する)などであってもよい。さらに該核酸は、公知の修飾の付加されたもの、例えば当該分野で知られた標識のあるもの、キャップの付いたもの、メチル化されたもの、1個以上の天然のヌクレオチドを類縁物で置換したもの、分子内ヌクレオチド修飾のされたもの、例えば非荷電結合(例えば、メチルホスホネート、ホスホトリエステル、ホスホルアミデート、カルバメートなど)を持つもの、電荷を有する結合または硫黄含有結合(例えば、ホスホロチオエート、ホスホロジチオエートなど)を持つもの、例えば蛋白質(ヌクレアーゼ、ヌクレアーゼ・インヒビター、トキシン、抗体、シグナルペプチド、ポリ−L−リジンなど)や糖(例えば、モノサッカライドなど)などの側鎖基を有しているもの、インターカレント化合物(例えば、アクリジン、プソラレンなど)を持つもの、キレート化合物(例えば、金属、放射活性をもつ金属、ホウ素、酸化性の金属など)を含有するもの、アルキル化剤を含有するもの、修飾された結合を持つもの(例えば、αアノマー型の核酸など)であってもよい。
任意の種類のDNAを、使用の目的に応じて適宜選択することができ、例えばプラスミドDNA、cDNA、アンチセンスDNA、染色体DNA、PAC、BAC等が挙げられ、好ましくはプラスミドDNA、cDNA、アンチセンスDNAであり、より好ましくはプラスミドDNAである。プラスミドDNA等の環状DNAは適宜制限酵素等により消化され、線形DNAとして用いることもできる。また、任意の種類のRNAを、使用の目的に応じて適宜選択することができ、例えばsiRNA、miRNA、shRNA、アンチセンスRNA、メッセンジャーRNA、一本鎖RNAゲノム、二本鎖RNAゲノム、RNAレプリコン、トランスファーRNA、リボゾーマルRNA等が挙げられ、好ましくはsiRNA、miRNA、shRNA、mRNA、アンチセンスRNA、RNAレプリコンである。
本発明において用いられる核酸は、当業者が通常用いる方法により精製されていることが好ましい。
一態様において、本発明において用いられる核酸は、CpG配列の頻度が低く抑制されており、好ましくはCpG配列を含まない。CpG配列の頻度が低い核酸を用いることにより、細胞内へ導入された核酸が長い期間細胞内へとどまり、その生理的効果が長い期間持続する。例えば、本発明において用いられる核酸としてCpG配列を含まないプラスミドDNA(発現ベクター)を用いた場合、目的とする遺伝子をより長い期間持続的に発現させることが可能である。本明細書において、CpG配列とは、5’から3’へ向かって、シトシンの次にグアニンが現れるタイプの2塩基配列である。例えば、本発明において用いられる核酸におけるCpG配列の頻度は、50塩基につき1個以下、好ましくは100塩基につき1個以下、よりこのましくは1000塩基につき1個以下、最も好ましくは、CpG配列を含まない。
また、CpG配列は、自然免疫反応を惹起するので、CpG配列の頻度が低く抑制された核酸(好ましくは、CpG配列を含まない核酸)を本発明において用いることにより、自然免疫反応に起因する、炎症等の副作用の発生を回避することができる。特に、本発明の化合物または脂質膜構造体自体、刺激性が低く、生体内へ投与された時に炎症性サイトカインの産生をほとんど誘導しないため、本発明の脂質膜構造体と、CpG配列の頻度が低く抑制された核酸(好ましくは、CpG配列を含まない核酸)とを組み合わせて用いることにより、自然免疫反応に起因する炎症等の副作用の発生リスクを最小限に抑制することができる。
本発明の核酸導入剤を生体内の細胞へ核酸を導入するために用いる態様としては、例えば、疾患の予防および/または治療を目的とした、いわゆる遺伝子治療をはじめとする予防・治療用核酸の生体内(in vivo)投与における使用が挙げられる。従って、本発明の好ましい一実施態様においては、本発明の核酸導入剤により細胞内へ導入される核酸は、ある所定の疾患に対して予防及び/又は治療活性を有するものである。
本発明の核酸導入剤を用いて、核酸を細胞内へ導入するためには、本発明の脂質膜構造体を形成する際に、目的とする核酸を共存させることにより、該核酸を内封した本発明の脂質構造体を形成させる。例えば、エタノール希釈法によりリポソームを形成する場合、核酸の水溶液と、本発明の脂質膜構造体の構成成分(脂質等)のエタノール溶液とをボルテックス等で激しく混合した後で、混合物を適切な緩衝液で希釈する。単純水和法によりリポソームを形成する場合、本発明の脂質膜構造体の構成成分(脂質等)を適切な有機溶媒に溶解し、該溶液をガラス容器に入れ、減圧乾燥することにより溶媒を留去し、脂質薄膜を得る。ここに、核酸の水溶液を加え、水和させた後に、ソニケーターで超音波処理する。本発明はこのような核酸を内封した上記脂質膜構造体をも提供するものである。
核酸を内封したリポソームの一形態として、核酸とポリカチオン(例、プロタミン)との間の静電的複合体をリポソームによって封入することで調製される多機能性エンベロープ型ナノ構造体(MEND;Multifunctional envelope-type nano device、以下、本明細書において「MEND」と略す場合がある。)を挙げることが出来る(Kogure K et al., Multifunctional envelope-type nano device (MEND) as a non-viral gene delivery system. Adv Drug Deliv Rev. 2008)。この構造体は、核酸などを特定の細胞内に選択的に送達するためのドラッグデリバリーシステムとして用いることができ、例えば、樹状細胞への抗原遺伝子導入によるDNAワクチンや腫瘍の遺伝子治療などに有用である。
核酸を内封した本発明の脂質膜構造体の表面電荷(ゼータ電位)は、好ましくは−10〜+10mV、さらに好ましくは−10〜+5mVである。従前の遺伝子導入においては、表面電位がプラスに荷電された粒子が主に用いられてきた。これは、負電荷を有する細胞表面のヘパリン硫酸との静電的相互作用を促進し、細胞への取り込みを促進するための方法としては有用であるが、正の表面電荷は、細胞内において導入遺伝子との相互作用による転写抑制やmRNAとの相互作用による翻訳抑制を生み出す可能性がある。表面電荷を上記の範囲内に調整することによりこの問題を解決し得る。表面電荷の測定は、Metasizer Nano(Malvern社)を用いて行うことができる。脂質膜構造体の表面電荷は、本発明の化合物を含む脂質膜構造体の構成成分の組成により、調整することができる。
こうして得られた、核酸を内封した本発明の脂質膜構造体と細胞とを接触させることで、内封された核酸を細胞内へ導入することができる。「細胞」の種類は、特に限定されず、原核生物及び真核生物の細胞を用いることができるが、好ましくは真核生物である。真核生物の種類も、特に限定されず、例えば、ヒトを含む哺乳類(ヒト、サル、マウス、ラット、ハムスター、ウシ等)、鳥類(ニワトリ、ダチョウ等)、両生類(カエル等)、魚類(ゼブラフィッシュ、メダカ等)などの脊椎動物、昆虫(蚕、蛾、ショウジョウバエ等)などの非脊椎動物、植物、酵母等の微生物等が挙げられる。より好ましくは、本発明で対象とされる細胞は、動物もしくは植物細胞、さらに好ましくは哺乳動物細胞である。当該細胞は、癌細胞を含む培養細胞株であっても、個体や組織より単離された細胞、あるいは組織もしくは組織片の細胞であってもよい。また、細胞は接着細胞であっても、非接着細胞であってもよい。
一態様において、R3a及びR3bがレチノイン酸残基である、本発明の化合物を用いる場合、核酸を導入する標的となる細胞は、好ましくは細胞内レチノイン酸結合タンパク質II(CRABPII)を発現する細胞である。CRABPIIは、レチノイン酸をSUMO化依存的に核へ輸送する機能を有しており、R3a及びR3bがレチノイン酸残基である、本発明の化合物を用いた場合、CRABPIIの機能により、核内への核酸の輸送が促進されることが期待される。細胞がCRABPIIを発現するか否かは、ウェスタンブロッティング等を用いて確認することができる。CRABPIIを発現する臓器の具体例としては、肌、睾丸、子宮、卵巣、脈絡叢などの正常組織や、種々の癌組織(網膜芽細胞腫、ウィルムス腫瘍)であり、また、CRABPIIを発現する細胞の具体例として繊維肉腫細胞(HT1080細胞)、口腔内扁平上皮癌(BHY細胞)、乳癌細胞(KATO3細胞、BT474、MCF-7、MDA-MB-134)等を挙げることができるが、これらに限定されない。
生体外において核酸を内封した本発明の脂質膜構造体と細胞とを接触させる工程を以下においてより具体的に説明する。
細胞は当該脂質膜構造体との接触の数日前に適当な培地に懸濁し、適切な条件で培養する。脂質膜構造体との接触時において、細胞は増殖期にあってもよいし、そうでなくてもよい。
当該接触時の培養液は、血清含培地であっても血清不含培地であってもよいが、培地中の血清濃度は30%以下が好ましく、20%以下であることがより好ましい。培地中に過剰な血清等の蛋白質が含まれていると、複合体と細胞との接触が阻害される可能性がある。
当該接触時の細胞密度は、特に限定されず、細胞の種類等を考慮して適宜設定することが可能であるが、通常1×10〜1×10細胞/mLの範囲である。
このように調製された細胞に、上述の脂質膜構造体の懸濁液を添加する。複合体含有溶液の添加量は、特に限定されず、細胞数等を考慮して適宜設定することが可能である。細胞へ接触させる際の脂質膜構造体の濃度は、目的とする核酸の細胞内への導入が達成可能な限り特に限定されないが、脂質濃度として、通常1〜100nmol/ml、好ましくは10〜50nmol/mlであり、核酸の濃度として、通常0.01〜100μg/ml、好ましくは0.1〜10μg/mlである。
複合体含有溶液を添加後、細胞を培養する、培養時の温度、湿度、CO濃度等は、細胞の種類を考慮して適宜設定する。哺乳動物の細胞の場合は、通常約37℃、湿度約95%、CO濃度は約5%である。また、培養時間も用いる細胞の種類等の条件を考慮して適宜設定することが可能であるが、通常0.1〜24時間、好ましくは0.25〜4時間、より好ましくは0.5〜2時間の範囲である。上記培養時間が短すぎると、核酸が十分細胞内へ導入されず、培養時間が長すぎると、細胞が弱ることがある。
上記培養により、核酸が細胞内へ導入されるが、好ましくは培地を新鮮な培地と交換するか、培地に新鮮な培地を添加して更に培養を続ける。細胞が哺乳動物由来の細胞である場合は、新鮮な培地は血清又は栄養因子を含むことが好ましい。
また、上記の通り、本発明の脂質膜構造体を用いることで、生体外(in vitro)のみならず、生体内(in vivo)においても核酸を細胞内へ導入することが可能である。即ち、核酸を内封した本発明の脂質膜構造体を対象に投与することにより、該脂質膜構造体が標的細胞へ到達・接触し、生体内で該脂質膜構造体に内封された核酸が細胞内へ導入される。該複合体を投与可能な対象としては、特に限定されず、例えば、ヒトを含む哺乳類(ヒト、サル、マウス、ラット、ハムスター、ウシ等)、鳥類(ニワトリ、ダチョウ等)、両生類(カエル等)、魚類(ゼブラフィッシュ、メダカ等)などの脊椎動物、昆虫(蚕、蛾、ショウジョウバエ等)などの無脊椎動物、植物等を挙げることが出来る。好ましくは、該複合体の投与対象としては、ヒトまたは他の哺乳動物が挙げられる。
標的細胞の種類は特に限定されず、本発明の脂質膜構造体を用いることで、種々の組織(例、肝臓、腎臓、膵臓、肺、脾臓、心臓、血液、筋肉、骨、脳、胃、小腸、大腸、皮膚、脂肪組織等)中の細胞へ、核酸を導入することが可能である。
また、該複合体の投与方法は、標的細胞へ該複合体が到達・接触し、該複合体に含まれる導入化合物を細胞内へ導入可能な範囲で特に限定されず、導入化合物の種類や、ターゲット細胞の種類や部位等を考慮して、自体公知の投与方法(経口投与、非経口投与(静脈内投与、筋肉内投与、局所投与、経皮投与、皮下投与、腹腔内投与、スプレー等)等)を適宜選択することができる。該脂質膜構造体の投与量は、化合物の細胞内への導入を達成可能な範囲で特に限定されず、投与対象の種類、投与方法、導入化合物の種類、ターゲット細胞の種類や部位等を考慮して適宜選択することができる。
本発明の化合物又は脂質膜構造体を、核酸導入剤として使用する場合は、常套手段に従って製剤化することができる。
該剤が研究用試薬として提供される場合は、本発明のキャリアは、そのままで、あるいは例えば水もしくはそれ以外の生理学的に許容し得る液(例えば、上述の水溶性溶媒、エタノール、メタノール、DMSOなどの有機溶媒もしくは水溶性溶媒と有機溶媒との混合液等)との無菌性溶液もしくは懸濁液として提供され得る。該剤は適宜、自体公知の生理学的に許容し得る、賦形剤、ベヒクル、防腐剤、安定剤、結合剤等を含むことが出来る。
また、該剤が医薬として提供される場合は、本発明のキャリアは、そのままで、あるいは担体、香味剤、賦形剤、ベヒクル、防腐剤、安定剤、結合剤などのような医薬上許容される公知の添加剤とともに、一般に認められた製剤実施に要求される単位用量形態で混和することによって経口剤(例えば錠剤、カプセル剤等)あるいは非経口剤(例えば注射剤、スプレー剤等)として製造することができる。
本発明の核酸導入剤はキットの態様で提供することも可能である。当該キットには、本発明の化合物又は脂質膜構造体に加えて、核酸導入の際に使用する試薬を含むことができる。一態様において、本発明の核酸導入剤(又はキット)は、ポリカチオン(例、プロタミン)を更に含む。当該態様の本発明の核酸導入剤(又はキット)を用いることにより、容易に核酸とポリカチオン(例、プロタミン)との間の静電的複合体を、本発明の脂質膜構造体に封入し、MENDを構成し、核酸の細胞内導入へ供することができる。
(略語の説明)
pDNA: プラスミドDNA
Chol: Cholesterol
NBD-DOPE:1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(7-nitro-2-1,3-benzoxadiazole-4-yl)
DMEM: dulbecco’s modified eagle medium
PEG2000-DSG: 1,2-Distearoyl-sn-glycerol, methoxypolyethylene Glycol (PEG MW 2000)
PEG2000-DMG: 1,2-Dimyristoyl-sn-glycerol, methoxypolyethylene Glycol (PEG MW 2000)
DOPE: 1,2-Dioleyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine
SOPE: 1-Stearoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phsophoethanolamine
SOPC: 1-Stearoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine
以下に本発明の実施例についてさらに詳細に説明する。
表2に、以下の実施例及び比較例において製造した化合物名称と構造を示した。
[実施例1](B−2の合成)
<メシル化>
2,2’−ジチオジエタノール(ACROS社製)15g(97.2mmol)に、アセトニトリル143mlを加え、20〜25℃にて溶解させた。トリエチルアミン33.3g(328mmol)を加え、20〜25℃で5分間攪拌した後に、氷冷下にて塩化メタンスルホニル34.5g(300mmol)を加え、20〜25℃にて3時間反応を行った。TLC分析(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=85/15(v/v))を行い、反応生成物のスポットが得られたこと、並びに原料である2,2’−ジチオジエタノールが消失したことを確認し反応を終了した。反応溶液にエタノール29mLを加え反応を停止させた後に、不溶物を濾紙(5A)で濾別した。濾液に、ジクロロメタン150ml、10%重曹水150gを加え5分間攪拌を行った後に10分間静置し、水層を除去した。次に、有機層に水150gを加え5分間攪拌を行った後に10分間静置し、水層を除去した。水洗を4回繰り返した後に、有機層を回収し、硫酸ナトリウム4.5gを加え脱水を行った。脱水処理後に、オプライト、濾紙(5A)にてろ過を行い、エバポレーターを用いて濾液の溶媒を留去し褐色液体29.4gを得た。
<3級アミノ化>
ジメシル体5.0g(16mmol)にアセトニトリル127mlを加え40℃にて溶解させ、更に炭酸カリウム5.5g(39.8mmol)を加え25℃で5分間攪拌した。3−(メチルアミノ)−1−プロパノール(東京化成工業社製)7.2g(80.8mmol)をアセトニトリル9.2mlにて25℃で溶解させた後に、上記のジメシル体/アセトニトリル溶液に1.5時間かけて滴下した。滴下終了2時間後にTLC分析(展開溶媒:クロロホルム/メタノール/28%アンモニア水=80/20/2(v/v/v))を行い、反応が終了したことを確認した。濾紙(5A)にて炭酸カリウムを濾別した後にエバポレーターを用いて溶媒を留去し、褐色液体13.2gを得た。得られた褐色液体をクロロホルム132mlを用いて溶解させた後に、10%食塩水132mlを加え洗浄を行った。水層を廃棄し、10%食塩水洗浄を5回繰り返すことで原料である3−(メチルアミノ)−1−プロパノールを除去した。クロロホルム層を回収した後に、エバポレーターを用いて溶媒を留去し、淡黄色透明の液体(以下di−MAP体)4.3gを得た。
<アシル化>
ミリスチン酸1.5g(6.7mmol)をジクロロメタン5.8mlに溶解させた後に、DMAP0.082g(0.67mmol)を加え、TEA0.68g(6.7mmol)を氷冷下にて加えた。この溶液に、di−MAP体1g(3.4mmol)、ジイソプロピルカルボジイミド(以下DIC)1.7g(13.5mmol)をジクロロメタン5.8mlに溶解させた溶液を1時間かけて滴下した。滴下終了後から2時間後のTLC分析(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=95/5(v/v))を行った結果より、di−MAP体が消失したことを確認し反応を終了した。濾紙(5A)を用いて不溶分を濾別した後に、エバポレーターを用いて溶媒を留去し、無色透明液体7.2gを得た。この液体にアセトニトリル38mlを加え冷却晶析(10℃)を3回行った。得られた結晶をヘキサン45mlで溶解させ、そこにアセトニトリル38mlを加え抽出洗浄を行った。アセトニトリル層を廃棄し、更に抽出洗浄を6回繰り返し、DIC、ミリスチン酸由来の不純物を除去した。ヘキサン層を回収した後に、エバポレーターを用いて溶媒を留去し目的物であるB−2化合物0.73gを得た。
1H-NMR(400MHz CDCl3)分析を行った結果
δ0.85〜0.9ppm(t、CH3-CH2-、6H)、δ1.22〜1.35ppm(m、CH3-(CH2)10-、40H)、δ2.67〜2.7ppm(q、-N(CH3)-CH2-CH2-S-、4H)、δ2.78〜2.82(q、-N(CH3)-CH2-CH2-S-、4H)、δ4.10〜4.13 (t、-CH2-C(O)-O-CH2-、4H)
[実施例2](B−2−2の合成)
di−MAP体2.0g(6.7mmol)とステアリン酸4.6g(16.2mmol)をクロロホルム20mlに溶解させた後に、DMAP0.33g(2.7mmol)及び1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド塩酸塩(以下EDC)3.9g(20.3mmol)を加えた。反応4時間後のTLC分析(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=95/5(v/v))を行った結果より、di−MAP体が消失したことを確認し反応を終了した。その後、反応液を5%重曹水10gを用いて抽出洗浄した後に、水層を廃棄した。次に、回収した有機層に水10gを加えることにより水洗を行った。水層廃棄後、有機層に硫酸マグネシウム0.4gを加えることにより脱水処理を行った。オプライト、濾紙(5A)にて不溶分を濾別し、エバポレーターを用いて溶媒を留去し、橙色の液体(以下ジアシル体)7.9gを得た。
ジアシル体をヘキサン45mlに溶解させた後に、アセトニトリル38mlを加え、抽出洗浄を行った。アセトニトリル層を廃棄し、更にヘキサン/アセトニトリル洗浄を2回繰り返した。ヘキサン層を回収し、エバポレーターを用いて溶媒を留去し、無色透明の液体7.1gを得た。得られた液体をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製(溶離液:酢酸エチル)し、目的物であるB−2−2化合物1.4gを得た。
1H-NMR(400MHz CDCl3)分析を行った結果
δ0.85〜0.9ppm(t、CH3-CH2-、6H)、δ1.22〜1.35ppm(m、CH3-(CH2)14-、56H)、δ2.67〜2.7ppm(q、-N(CH3)-CH2-CH2-S-、4H)、δ2.78〜2.82(q、-N(CH3)-CH2-CH2-S-、4H)、δ4.10〜4.13 (t、-CH2-C(O)-O-CH2-、4H)
[実施例3](B−2−3の合成)
di−MAP体2.0g(6.7mmol)、リノール酸4.5g(16.0mmol)をクロロホルム20mlに溶解させた後に、DMAP0.33g(2.7mmol)、EDC3.9g(20.3mmol)を加えた。反応4時間後のTLC分析(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=95/5(v/v))を行った結果より、di−MAP体が消失したことを確認し反応を終了した。その後、反応液を5%重曹水10gを用いて抽出洗浄した後に、水層を廃棄した。次に、回収した有機層に水10gを加えることにより水洗を行った。水層廃棄後、有機層に硫酸マグネシウム0.4gを加えることにより脱水処理を行った。オプライト、濾紙(5A)にて不溶分を濾別し、エバポレーターを用いて溶媒を留去し、橙色の液体であるジアシル体6.0gを得た。
得られた液体をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製(溶離液:ヘキサン/酢酸エチル=5/5(v/v))し、目的物であるB−2−3化合物0.7gを得た。
1H-NMR(400MHz CDCl3)分析を行った結果
δ0.85〜0.9ppm(t、CH3-CH2-、6H)、δ1.22〜1.35ppm(m、CH3-(CH2)3-、(CH2)4-CH2-CH2-C(O)-O-、28H)、δ2.67〜2.7ppm(q、-N(CH3)-CH2-CH2-S-、4H)、δ4.10〜4.13 (t、-CH2-C(O)-O-CH2-、4H) 、δ5.30〜5.40(m、- CH2- CH- CH- CH2-、8H)
[実施例4]
(B-2-4の合成)
di-MAP 体0.40 g (1.35 mmol)とレチノイン酸 (all-trans-retinoic acid,和光純薬工業) 0.97 g (3.24mmol)をクロロホルム 6.00 gに溶解させた後に、DMAP 0.07 g (0.54mmol)、EDC 0.78 g (4.05mmol) を加え、25±3℃ にて5 時間反応させた。TLC分析(展開溶媒:クロロホルム/メタノール = 9/1 v/v )により、di-MAP体が消失したことを確認し反応を終了した。エバポレーターを用いて溶媒を留去し、2.70 g の液体を得た。この液体をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製(溶離液:クロロホルム/メタノール = 98/2 (v/v))し、目的物であるB-2-4化合物0.42gを得た。
1H-NMR(400MHz CDCl3)分析を行った結果
δ1.00〜1.10ppm(s、(CH3)2C-、12H)、δ1.45〜1.50ppm(t、(CH3)2C-CH2-CH2-、4H)、δ1.55〜1.65ppm (m、-CH2-CH2-CH2-、4H)、δ1.70〜1.75 (s、-CH2-C(CH3)=C-、6H) 、δ1.80〜1.90(t、-N(CH3)-CH2-CH2-CH2-O-C(O)-、4H)、δ1.95〜2.0.5(m、-CH2-CH2-C(CH3)=C-、=CH-CH(CH3)=CH-、10H)、δ2.20〜2.30(s、-N(CH3)-、6H)、δ2.30〜2.40(s、-C(CH3)=CH-C(O)-O-、6H)、δ2.45〜2.55(t、-N(CH3)-CH2-CH2-CH2-O-C(O)-、4H)、δ2.65〜2.75(t、-N(CH3)-CH2-CH2-S-、4H)、δ2.75〜2.85(t、-N(CH3)-CH2-CH2-S-、4H)、δ4.10〜4.25(t、-N(CH3)-CH2-CH2- CH2-O-C(O)-、4H) 、δ5.75〜5.85(t、-C(O)-O-CH2-CH2-O-C(O)-、4H)
[実施例5]
(B-2-5の合成)
di-MAP 体 0.50 g (1.69 mmol)とD-α-tocopherol succinate (SIGMA-ALDRICH) 2.15 g (4.06mmol)をクロロホルム 7.50 g,に溶解させた後に、DMAP 0.08 g (0.62mmol)、EDC 0.97 g (5.07mmol) を加え、25±3℃ にて4 時間反応させた。TLC分析(展開溶媒:クロロホルム/メタノール = 9/1 v/v )により、di-MAP体が消失したことを確認し反応を終了した。エバポレーターを用いて溶媒を留去し、2.23gの液体を得た。この液体をシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製(溶離液:クロロホルム/メタノール = 98.5/1.5 (v/v))し、目的物であるB-2-5化合物 0.94gを得た。
1H-NMR(400MHz CDCl3)分析を行った結果
δ0.85〜0.9ppm(t、CH3-CH2-、-CH2-(CH3-)CH-CH2-、24H)、δ1.00〜1.75ppm(m、CH3-CH(CH3)-(CH2)3-CH(CH3)-(CH2)3-CH(CH3)-(CH2)3-、42H)、δ1.75〜1.85ppm (q、-N(CH3)-CH2-CH2- CH2-O-C(O)-、4H)、δ1.95〜2.15 (s、-C=C(CH3)-、18H) 、δ2.20〜2.30(s、-N(CH3)-、6H)、δ2.40〜2.50(t、-N(CH3)-CH2-CH2-S-、4H)、δ2.50〜2.63(t、-CH2-CH2-CH=CH-、4H)、δ2.63〜2.70(t、-N(CH3)-CH2-CH2-S-、4H)、δ2.70〜2.85(m、-N(CH3)-CH2-CH2- CH2-O-C(O)-、-C(O)-O-CH2-CH2-O-C(O)-、8H)、δ2.85〜3.00(t、-C(O)-O-CH2-CH2-O-C(O)-、4H)、δ4.10〜4.25(t、-N(CH3)-CH2-CH2-CH2-O-C(O)-、4H)
[比較例1]
(B−2−1の合成)
ジスルフィド結合を有する本発明との比較を行う意図で、実施例1の化合物のジスルフィド結合を炭素結合に置換した化合物の合成を行った。
<三級アミノ化>
1,6−ジブロモヘキサン(東京化成工業社製)6.0g(24.6mmol)をDMF12.7mlに溶解させ、3−(メチルアミノ)−1−プロパノール(東京化成工業社製)6.6g(73.7mmol)と炭酸カリウム1.7g(12.3mmol)を加え、20〜25℃にて3時間攪拌した。TLC(展開溶媒:クロロホルム/メタノール/28%アンモニア水溶液=80/20/2(v/v/v))にて反応の進行を確認した。反応液中の炭酸カリウムを濾紙(5A)を用いて濾別した後、エバポレーターを用いて溶媒を留去し、褐色液体を得た。得られた褐色液体をクロロホルム20mlで溶解させ、水30gを用いて抽出洗浄した。有機層の溶媒をエバポレーターを用いて留去し、褐色液体3.6gを得た。
<アシル化>
得られた液体2.0g、ミリスチン酸4.0g(18.4mmol)をクロロホルム20mlに溶解させた後に、DMAP0.37g(3.0mmol)、EDC4.4g(23.1mmol)を加えた。反応4時間後のTLC分析(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=85/15(v/v))を行った結果より、原料が消失したことを確認し反応を終了した。その後、反応液を5%重曹水10gを用いて抽出洗浄した後に、水層を廃棄した。次に、回収した有機層に水10gを加えることにより水洗を行った。水層廃棄後、有機層に硫酸ナトリウム2gを加えることにより脱水処理を行った。オプライト、濾紙(5A)にて不溶分を濾別し、エバポレーターを用いて溶媒を留去した。得られた濃縮物をヘキサン47mlに溶解し、アセトニトリル39mlを用いて抽出洗浄した。ヘキサン層を回収し、エバポレーターを用いて溶媒を留去し、目的物であるB2−2−1化合物2.83gを得た。
1H-NMR(400MHz CDCl3)分析を行った結果
δ0.85〜0.9ppm(t、CH3-CH2-、6H)、δ1.22〜1.35ppm(m、CH3-(CH2)10-、-N(CH3)-CH2-CH2-CH2-、44H)、δ1.40〜1.50ppm(m、-N(CH3)-CH2-CH2-CH2-、4H)、δ2.37〜2.41(t、-N(CH3)-CH2-CH2-CH2-、4H)、δ4.08〜4.12 (t、-CH2-C(O)-O-CH2-、4H)
[試験例1] 各種MENDの調製
(1)プラスミドDNA(pDNA)とプロタミンからなる核酸静電的複合体の形成
ベクターのコアとして、ルシフェラーゼ遺伝子をコードするpDNA溶液、プロタミン(CALBIOCHEM)溶液を、10mM HEPES緩衝液でそれぞれ0.3mg/mL、0.05mg/mLに希釈し、0.3mg/mL pDNA125μLを攪拌しながら0.24mg/mL プロタミン125μLを少量ずつ滴下してプロタミンとpDNAの静電的複合体を調製した(N/P比=1.2)。下記の(2)記載の方法による方法においては、pHが5.3の10mM HEPES緩衝液を用い、また、(3)記載の方法においては、pHが7.4の10mM HEPES緩衝液を用いた。
(2)エタノール希釈法によるMENDの調製
脂質のエタノール溶液は、エッペンドルフチューブに5mMのカチオン性脂質、5mMリン脂質、5mM コレステロール(Chol)を総脂質165nmolになるように目的の割合で混合し、各種PEG脂質(1mM エタノール溶液)をさらに総脂質の3モル%相当量添加し、全量で100μLとなるようにエタノールを加えた。脂質溶液をボルテックスミキサーを用いて攪拌しながら、[試験例1](1)で調製した核酸静電的複合体100μL(10mM HEPES;pH5.3)を素早く加え、その後pH5.3に調製した10mM HEPES緩衝液1.8mLを加え、エタノール濃度が5%になるまで希釈した。Amicon Ultra 4(Millipore社)を用い、遠心条件(室温,2267rpm,20min)で約50μLまで限外濾過し濃縮した。その後、pH7.4に調製した100mM HEPES緩衝液を用いて4mLまでメスアップし、再度、室温条件で遠心(2267rpm,20min)を行うことで濃縮した。最後に、10mM HEPES緩衝液(pH7.4)で目的の脂質濃度になるようメスアップした。
(3)単純水和法によるMENDの調製
ガラス試験管にDOTAP:DOPE:Chol=3:4:3となるように、各脂質のクロロホルム溶液5mM DOTAP24.75μL、5mM DOPE33μL、5mM Chol24.75μLを混ぜ、総脂質量は412.5nmolとなるようにした。全量で250μLとなるようにエタノールを加え、デシケーターで減圧乾燥し、溶媒を留去して脂質薄膜を得た。脂質薄膜に総脂質濃度が1.65mMとなるように[試験例1](1)で調製した遺伝子静電的複合体250μL(10mM HEPES;pH7.4)を添加し、室温で10min静置し水和させた後、ソニケーター(アイワ医科工業株式会社)で1分間超音波処理した。
(4)ローダミン標識化pDNAを用いたMENDの調製
ローダミン標識pDNAは、Label/IT CX−Rhodamine Labeling Kit(Mirus)を用いて添付プロトコルに従い調製した。得られたローダミン標識pDNA溶液は、Nano Drop(Thermo Scientific)を用いて、濃度を算出した。ローダミン標識されたpDNAが封入されたMENDを調製する際には、[試験例1](1)に記載したpDNA溶液をすべてローダミン標識されたpDNAに置き換え、[試験例1](2)、(3)に記載の方法に従いMENDを調製した。
(5)脂質膜が蛍光標識されたMENDの調製
[試験例1]
(2)、(3)に記載されたMENDの調製時に、NBD−DOPE(Avanti Polar Lipids)のエタノール溶液を総脂質量の1モル%相当分加えることで、脂質膜が蛍光ラベルされたMENDの調製を行った。
[試験例2]
各種MENDの粒子径、及び表面電位の測定
粒子径並びに表面電位は、動的光散乱法(Zetasizer Nano;Malve Rn社)を用いて測定した。[試験例1]の調製法により調製された各種MENDの粒子径、表面電位を表3に示す。B−2やDODAPでは、生理的pHにおいて、電荷は好ましい形態である−10〜+10mVであるのに対し、B−2−1においては、+12.3と+10mV以上の電荷を帯びていた。
また、公知のカチオン性脂質であるDOTAPを用いたMENDでは表面電位は+50mV程度であった。
[試験例3]
還元的環境でのリポソーム崩壊試験
TNSを用いた各種MENDの還元的環境下における脂質膜不安定性の評価
各種MEND溶液に終濃度10mMとなるようにDTTを加え37℃で静置した。0、1、2、4、8、24時間後のタイムポイントにおいてTNS(6−(p−Toludino)−2−Naphthalene Sulfonic acid)による蛍光強度を測定した。MEND溶液を0.5mMへと希釈し、0.5mM MEND溶液12μL、酸性pH(pH4.0)の20mMクエン酸緩衝液(150mM NaCl含有)を186μL、0.6mM TNS2μLを蛍光測定用96−well plate(nunc社)へ加え、励起波長321nm、検出波長447nmで、37℃での蛍光強度を測定した。コントロールとして、DTTを含んでいない同量の10mM HEPES緩衝液を0時間で加え、各時間37℃で静置したMEND溶液を用い、同様の処理によりTNSによる蛍光強度測定を行った。コントロールの蛍光強度で還元環境下の蛍光強度を除したものを、脂質膜の不安定化の指標としている。結果を図1に示す。
この結果、ジスルフィド結合を持たないDODAP及びB−2−1においては、DTT処理によるTNSの蛍光減弱は観察されなかった。一方、B−2においては、時間依存的なTNSによる蛍光の消失が認められた。TNSは、pH4.0の酸性環境下において、正の表面電位を有する粒子表面に静電的相互作用を介して吸着し、また、リポソームの脂質構造部位の脂溶性環境に応じて蛍光を発するものである。本結果のような、B−2における蛍光の消失は、脂溶性環境の喪失に依存したものであると考えられ、脂質の分解に伴う脂質膜構造の崩壊を示唆するものである。
[試験例4]
遺伝子発現及び細胞内取り込み活性評価
(1)MENDの細胞内取り込み量評価
カチオン性脂質としてB−2(実施例1)、B−2−1(比較例1)、DODAP(比較例2)を用い、カチオン性脂質:SOPE:Chol=3:4:3からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000DSGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。また、カチオン性MENDにおいては、DOTAP(比較例3):DOPE:Chol:=3:4:3の組成からなる脂質を用い、[試験例1](3)に記載の方法に従い調製した。各種MENDの脂質を蛍光ラベルする際には、[試験例1](5)に記載の方法で行った。
24時間前に6−well plateに、HT1080細胞を2×10cells/2mL/wellで播種し、各種サンプルMENDを脂質濃度27.5nmol/1mL/wellになるようにDMEM(FBS+)で希釈しウェルにトランスフェクションした。1時間後にMEND含有DMEMを除去し、ヘパリン(20units/mL)1mLで2回細胞を洗浄し、さらにPBS(−)1mLで1回洗浄した。0.05% Trypsin溶液500μLを添加した後、37℃インキュベーターに3分静置した。DMEM(FBS+)1mLを入れて遠心(700g、4℃、5min)したのち、上清を除去してFACS緩衝液1mLに懸濁させた。懸濁液を遠心(700g、4℃、5分)し、上清を除去した後再びFACS緩衝液500μLに懸濁させた。測定直前に44μmのナイロンメッシュに通し、細胞内のNBDの蛍光強度を測定した。結果を図2に示す。
蛍光標識した脂質であるNBD−DOPEをMENDの脂質膜に修飾し、MENDの細胞内取り込みを評価した結果、生理的pH(pH=7.4)でカチオン性を有するB−2−1及びDOTAPを用いたものに比べ、中性の粒子であるB−2及びDODAPの取り込み量は、未処理群(バックグラウンド)よりも優位に高いものの極めて低いものであった。
(2)MENDの遺伝子発現評価
カチオン性脂質としてB−2(実施例1)、B−2−1(比較例1)、DODAP(比較例2)を用い、カチオン性脂質:SOPE:Chol=3:4:3からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000DSGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。また、カチオン性MENDにおいては、DOTAP:DOPE:Chol:=3:4:3の組成からなる脂質を用い、[試験例1](3)に記載の方法に従い調製した。
24時間前に24−well plateにHT1080細胞を4×10 cell/500μL/wellで播種し、各種MENDをpDNA量に換算して0.4μg/500μL/wellとなるようにDMEM(FBS10%+)で希釈し、トランスフェクションした。24時間後、PBS(−)500μLで細胞を洗浄した後、1×lysis緩衝液を各wellに対して75μLずつ加え、−80℃で30分以上放置した。凍結させた24−well plateを氷上で解凍し、セルスクレーパーで細胞を剥がし、全量をエッペンドルフチューブに移し(15000rpm、4℃、5min)の条件で遠心分離した。上清50μLを別のエッペンドルフチューブに回収し、これをルシフェラーゼアッセイとBCAアッセイに用いた。
20μLをLuciferase assay substrate 50μLと混合し、ルミノメーターで一定時間内におけるルシフェラーゼ活性を測定した。また、得られたライセートをDDWで5倍希釈し、全体で25μLとした。そこにBCA Protein Assay Reagentを200μL添加、混合し37℃で30分静置した。その後、562nmにおける吸光度を測定し、濃度既知のBSA溶液の吸光度から、サンプルのタンパク質量を算出した。ルシフェラーゼ活性(RLU)をタンパク質量(mg)で除することで補正を行い、細胞タンパク量あたりのルシフェラーゼ活性(RLU/mg protein)を算出した。結果を図3に示す。
B−2及びB−2−1から形成されるMENDの活性は、従来公知のカチオン性脂質であるDODAPの活性を上回った。また、B−2から調製されるMENDの活性は、B−2−1から形成されるMENDと比較して有意に高かった。特にB−2においては、従来公知のカチオン性脂質であるDOTAPと同程度の活性が得られた。
B−2からなるMENDは、カチオン性脂質DOTAPから形成されるMENDと比較して細胞内への取り込みが低いのに関わらず、同等の遺伝子発現活性を有することが明らかとなった。遺伝子導入活性を[試験例4](1)から得られた細胞内取り込み量で除した値を図4に示す。従来のDOTAPやDODAPあるいは、ジスルフィド基をもたないB−2−1と比較して、B−2の値が高いことから、細胞内に取り込まれた後の細胞内動態特性が優れていることが示された。
[試験例5]
遺伝子発現活性
B−2(実施例1)及び、B−2−2(実施例2)、B−2−3(実施例3)をカチオン性脂質として、カチオン性脂質:SOPE:Chol=3:4:3からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DSGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。遺伝子発現評価は、[実施例4](2)に記載の方法で行った。結果を図5に示す。
B−2−2及びB−2−3から形成されるMENDは、B−2の活性には劣るものの、従来型のpH応答脂質カチオン性脂質であるDODAPの活性を超えることが明らかとなった。
[試験例6]
細胞内動態(エンドソーム脱出効率)
MEND調製には、[試験例1](4)の方法で調製されたRhodamine標識pDNAを用いた。 カチオン性脂質:SOPE:Chol=5:3:2からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。また、カチオン性MENDにおいては、DOTAP(比較例3):DOPE:Chol:=3:4:3の組成からなる脂質を用い、[試験例1](3)に記載の方法に従い調製した。また、DOTAP:DOPE:Chol:=3:4:3の脂質組成を有するカチオン性MENDも単純水和法により調製し、脂質濃度として0.55mMとした。
24時間前にガラスボトムディッシュにHT1080細胞を1×10cell/2mL/dishで播種し、B−2、DODAPからなるMENDは細胞への取り込み活性が低いことからpDNA8μg/1mL Krebs緩衝液/dishとなるようMENDをKrebs緩衝液で希釈し、また、取り込み活性の高いB−2−1、DOTAP MENDはpDNA1.6μg/1mL Krebs緩衝液/dishとなるようMENDをKrebs緩衝液で希釈して細胞にトランスフェクションした。2.5時間後、Lysotracker Green(Life technologies社)を1μL/dishで添加し、さらに30分後にHoechst 33342(Dojindo)を1μL/dishで添加した。トランスフェクションの3時間後に、ヘパリン(20units/mL)2mLで2度洗浄し、Krebs緩衝液を1mL加え、共焦点レーザースキャン顕微鏡で観察した。結果を図6に示す。また、本結果を定量化した結果を図7に示す。
Rhodamine標識したpDNA、エンドソーム・ライソソーム、核をそれぞれ赤、緑、青色で擬似カラー表示した。赤と緑の共局在を見ることでエンドソーム脱出能を評価した。B−2、B−2−1及びDOTAPは赤色単独のシグナルが存在し、エンドソーム脱出能は各MENDとも高いと思われる。一方、DODAPは赤と緑の共局在が目立ち、黄色のドットが観察された。これより、エンドソーム脱出能は、B−2やB−2−1を用いて形成されるMENDのほうがDODAPを用いたMENDと比較して良好であることが示唆された。さらに遺伝子のエンドソーム脱出効率を定量化した結果、DODAP<B−2−1<B−2の順に高くなることが示された。
[試験例7]
細胞内動態(脱被覆効率)
MEND調製には、[試験例1](4)の方法で調製されたRhodamine標識pDNAを用いた。また、MENDを構成する脂質の蛍光ラベル化は、[試験例1](3)に記載の方法により行った。カチオン性脂質:SOPE:Chol=5:3:2からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。また、カチオン性MENDにおいては、DOTAP:DOPE:Chol:=3:4:3の組成からなる脂質を用い、[試験例1](3)に記載の方法に従い調製した。
24時間前にガラスボトムディッシュにHT1080細胞を1×10cell/2mL/dishで播種し、B−2 MENDはpDNA8μg/1mL Krebs緩衝液/dishとなるようMENDをKrebs緩衝液で希釈した。B−2−1、DOTAP MENDはpDNA1.6μg/1mL Krebs緩衝液/dishとなるようMENDをKrebs緩衝液で希釈してトランスフェクションした。2.5時間後にHoechst 33342を1μL/dishで添加し、さらに30分後にヘパリン溶液(20units/mL)2mLで2度洗浄し、Krebs緩衝液を1mL加え、共焦点レーザースキャン顕微鏡で観察した。結果を図8に示す。
Rhodamine標識したpDNA、MENDの脂質膜、核をそれぞれ赤、緑、青色で擬似カラー表示した。B−2とDOTAPは赤のドットが目立ち、遺伝子は細胞内で効率的にMENDから解離していると考えられる。一方、B−2−1は明らかに赤と緑が共局在し、ほぼすべてのpDNAが黄色のドットとして観察された。これより、B−2 MENDの遺伝子の脱被覆化効率はB−2−1 MENDより優れていると考えられる。
[試験例8]
in vivoにおける遺伝子発現活性、及び活性持続時間
(1)in vivo投与用MENDの調製
ベクターのコアとして、ルシフェラーゼ遺伝子をコードするpDNA溶液、プロタミン(メーカー)溶液をそれぞれ、10mM HEPES緩衝液でそれぞれ0.3mg/mL、0.24mg/mLに希釈し、0.3mg/mL pDNA400μLを攪拌しながら0.23mg/mLのプロタミン溶液を400μLを少量ずつ滴下してプロタミンとpDNAの静電的複合体を調製した(N/P比=1.2)。
脂質のエタノール溶液は、エッペンドルフチューブに5mMのB−2、5mM SOPC、5mM CholをB−2:SOPC:Chol=3:4:3の比率で、総脂質1.65mMになるように混合した。さらにPEG脂質としてPEG2000−DSGを総脂質量に対して10モル%相当量加え、全量で750μLとなるようにエタノールを加えた。遺伝子・プロタミンからなる静電的複合体溶液750μLを脂質溶液750μLと混合し、素早く撹拌した後、10mM HEPES溶液(pH5.3)で15mLに希釈し、Amicon(R) Ultra−15 100K deviceを用い、3,000rpm,15分,25℃で限外ろ過を行った。限外ろ過後の溶液を100mM HEPES緩衝液(pH7.4)で希釈し、再び限外ろ過を行った。この溶液を10mM HEPES緩衝液で750μLに希釈した。
(2)B−2 MENDの遺伝子発現活性の時間依存性の検討
(1)の項で示した方法で調製したMEND溶液、及び肝臓で高い遺伝子発現を有している、MPC/GALAを使用したカチオン性MEND(Ukawa et al., Biomaterials., 31(24) 6355-6362(2010))を各々40μg DNA相当、5週齢の雄のICRマウスに尾静脈投与した。6、24、48、72時間後にマウスを頸椎脱臼法によって安楽死させ、肝臓・肺・脾臓を摘出し、液体窒素で凍結処理した。これをLysis緩衝液中で融解させ、ホモジネートの作製を行った。これを13,000rpm,10分,4℃で遠心し、上清を採取し、これを測定サンプルとした。サンプル溶液20μLをルシフェラーゼ基質50μLと混合し、Luminescenser−PSN(AB2200 ATTO)を用いてルシフェラーゼ活性を測定した。また、サンプル中のタンパク質濃度を、BCA protein assay kitを用いて定量し、遺伝子発現活性をRLU/mg proteinとして測定した。結果を図9及び図10に示す。
MPC/GALAを使用したカチオン性MENDでは、6時間後に遺伝子発現活性がピークとなり、その後、時間とともに急速に遺伝子発現が低下することが明らかとなった。一般的なカチオン性リポプレックスと同じ傾向であった(Sakurai et al., Journal of Controlled Release 17 (2007) 430-437)。一方、B−2 MENDでは、緩やかに遺伝子発現活性が上昇していき、48時間後に最大となった。これらの結果より、B−2 MENDは従来型のベクターよりも発現持続性に富んでいることが示唆された(図9)。
また、従来のカチオン性MENDでは臓器選択性が乏しく、肝臓と同等程度の遺伝子発現活性が肺や脾臓においてもみられるが、B−2 MENDでは、肺や脾臓における遺伝子発現活性はバックグラウンドレベルであり、臓器選択性(特に、肝臓選択性)に優れていることが示された(図10)。
[試験例9]
エンドソーム、ライソソーム酸性化阻害による遺伝子発現活性への影響
カチオン性脂質としてB−2(実施例1)、B−2−1(比較例1)、DODAP(比較例2)を用い、カチオン性脂質:SOPE:Chol=5:3:2からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。また、カチオン性MENDにおいては、DOTAP(比較例3):DOPE:Chol:=3:4:3の組成からなる脂質を用い、[試験例1](3)に記載の方法に従い調製した。
24時間前に24−well plateにHT1080細胞を4×10 cell/500μL/wellで播種し、30分前にバフィロマイシンA1を0.5μMになるよう添加し、前処理を行った。各種MENDをpDNA量に換算して0.4μg/500μL/wellとなるようにDMEM(FBS10%+)で希釈し、バフィロマイシンA1を0.5μMになるよう添加し、トランスフェクションした。3時間後にMEND溶液を除去し、DMEM(FBS10%+)を500μL/wellとなるよう添加し、メディウムチェンジした。24時間後、PBS(−)500μLで細胞を洗浄した後、1×lysis緩衝液を各wellに対して75μLずつ加え、−80℃で30分以上放置した。凍結させた24−well plateを氷上で解凍し、セルスクレーパーで細胞を剥がし、全量をエッペンドルフチューブに移し(15000rpm、4℃、5min)の条件で遠心分離した。上清50μLを別のエッペンドルフチューブに回収し、これをルシフェラーゼアッセイとBCAアッセイに用いた。遺伝子発現評価は、[試験例4](2)に記載の方法で行った。
この結果、生理的pH環境下でカチオン性であるB−2−1及びDOTAPにおいては、遺伝子発現活性の低下は観察されなかった。一方、B−2、DODAPにおいては、遺伝子発現活性の低下が認められた。本結果から、B−2、DODAPにおける遺伝子発現活性には、エンドソーム酸性化による脂質膜の正電荷帯電が寄与することが示唆された(図11)。
[試験例10]
試験管内翻訳反応に対する影響の評価
Rabbit Reticulocyte Lysate Systems, Nuclease Treated(promega社)を用いた試験管内翻訳系に対する阻害効果の評価
B−2:SOPE:Chol=5:3:2からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。また、カチオン性MENDにおいては、DOTAP:DOPE:Chol:=3:4:3の組成からなる脂質を用い、[試験例1](3)に記載の方法に従い調製した。
LuciferaseのmRNA溶液を0.005μg/μLとなるよう希釈した。mRNA溶液1μLに対し、各種MEND溶液を0.0625、0.125、0.25μgとなるよう加え全量を6.5μLとした。 RRL(Rabit Reticulocyte Lysate)17.5μL、AAM(Amino Acid Mixture)−Met0.25μL、AAM−Leu0.25μL、RRI(Recombinant RNase Inhibitor)0.5μLを混合したものを加え、30℃で90分静置した。
10μLをLuciferase assay substrate 50μLと混合し、ルミノメーターで一定時間内におけるルシフェラーゼ活性を測定した。また、得られた反応溶液をDDWで500倍希釈し、全体で25μLとした。そこにBCA Protein Assay Reagentを200μL添加、混合し37℃で30分静置した。その後、562nmにおける吸光度を測定し、濃度既知のBSA溶液の吸光度から、サンプルのタンパク質量を算出した。ルシフェラーゼ活性(RLU)をタンパク質量(mg)で除することで補正を行い、細胞タンパク量あたりのルシフェラーゼ活性(RLU/mg protein)を算出した。結果を(図12)に示す。
この結果、DOTAPを用いたMENDにおいて試験管内翻訳反応に有意な阻害効果が観察されたが、B−2を用いたものでは観察されなかった。これより、B−2は細胞内における核酸との相互作用が小さいと考えられる。
[試験例11]
血清耐性評価
B−2(実施例1):SOPE:Chol=3:4:3あるいは、B−2(実施例1):SOPC:Chol=3:4:3からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
4週齢の雄のICRマウスの腹腔から採血し、室温で30分静置して血液を完全に凝固させた。タッピングによって血餅を壁からはがし、4,000rpm,15分,25℃で遠心し、上清を回収した。Naked pDNA、Core、MEND溶液とマウス血清を混合することで90%マウス血清とし、650rpm、37℃で静置した。0,1,3,6,24時間後において70μLずつ−20℃で凍結し、保存した。反応液に水210μLを加えて希釈し、280μLのアルカリ性フェノール・クロロホルム・イソアミルアルコールを混合して30秒ほど激しく撹拌し、15,000rpm,15分,25℃で遠心し、上清を回収した。電気泳動には1%アガロースゲルを用いた。サンプル12μLに6xloading dye 2μLを混合し、全量をウェルにアプライし泳動した。ゲルをEtBr水溶液に30分浸して染色し、撮影を行なった。
Naked pDNAとCoreでは血清混合後、1時間でpDNAは分解されバンドは観察されなかったが、MEND化することで24時間後にもバンドが確認された。本結果から、B−2を用いて調製したMENDは血清耐性を持ち、pDNAの血清中での分解を防ぐことができることを確認した(図13)。
[試験例12]
B−2 MENDによる遺伝子発現活性の経時変化の評価
試験例9で示した方法で調製したMEND溶液、及び肝臓で高い遺伝子発現を有している、R8/GALAを使用したカチオン性MEND(Khalil et al., J Control Release., 156(3) 374-80, 2011)、肝臓を標的とした市販の遺伝子導入試薬であるin vivo JetPEI−Gal (PolyPlus−Transfection)を各々40μg DNA相当、5週齢の雄のICRマウスに尾静脈投与した。この際、B−2からなるMENDに搭載するDNAとして、免疫応答を誘起することが知られているCpG配列をすべて除外したpDNAとして、国際公開第2011/132713号に記載のpCpGfree-Luc(0)を、また、CpG配列を有する一般的なpDNAとして、プラスミドDNAのバックボーンにCpG配列を含み、かつマーカー遺伝子であるルシフェラーゼ配列の開始コドンからストップコドンにもCpG配列を有するプラスミドDNA(pcDNA3.1-Luc(+);CpG配列合計425個)を用いた。カチオン性MENDおよび、in vivo JetPEI−Galを用いた遺伝子導入においては、pCpGfree-Luc(0)のみを用いた。6,24, 72時間後に3mg相当のルシフェリン(in vivo grade, Promega)をマウスに腹腔内投与し、IVIS LuminaII(Caliper Life Sciences)を用いてイメージングを行った。なお、B−2からなるMENDについては72時間より後の時刻においても週に2回程度イメージングを行った。取得した画像からマウス腹部における総発光量をphoton/secとして算出し、これを肝臓における遺伝子発現活性の指標とした。取得した画像を図14(上段)に、総発光量のグラフを図14(下段)に示した。
R8/GALAを使用したカチオン性MENDでは、6時間後に強い発光がみられた後、時間とともに急速に遺伝子発現が低下し、72時間後には全く発光がみられなくなった。また、in vivo JetPEI−Galにおいては、特に6時間後において肺由来の発光が非常に高く、肝臓への臓器選択性が低いことが示された。さらに、本ベクターを用いた際の遺伝子発現の持続性も乏しいものであった。一方、B−2 MENDでは、pcDNA3.1-Luc(+)を用いたものでは6時間後に弱い発光がみられた後、遺伝子発現が低下するが、pCpGfree-Luc(0)を用いたものでは6時間後から24時間後にかけて発光量が上昇し、その後1週間、発光量が持続し、さらに完全に発光が消失したのは18日後であった。これらの結果より、B−2 MENDはCpG配列を除いたpDNAを組み合わせることにより、従来型キャリアよりも持続性に富んでいることが示された。
[試験例13]
MENDの肝臓内挙動の評価
試験例9で示した方法で調製したMEND、及び肝臓で高い遺伝子発現を有しているR8/GALAを使用したカチオン性MEND(Khalil et al., J Control Release., 156(3) 374-80)に対し、それぞれ調製段階で脂質溶液にRhodamine−DOPE(Avanti polar lipids)を加えることによって蛍光ラベルした。なお、R8/GALA−MENDに対しては総脂質濃度の0.1%、B−2 MENDに対しては総脂質濃度の1%となるようにRhodamine−DOPEを加えた。50mg/mLのペントバルビタールナトリウム(ナカライテスク)を生理食塩水で5倍希釈したものをICRマウス(5週齢♂)に腹腔内投与し、麻酔を行った。麻酔下のマウスにGriffonia simplicifolia Lectin I−B4 Isolectin, FITC Conjugate (VECTOR Laboratories)を80μL程度尾静脈投与し、血管内皮細胞の染色を行った。マウスの開腹を行い、肝臓を露出させ、臓器の乾燥を防止するためにImmersolTM518F(Carl Zeiss)を臓器に滴下した。マウス尾静脈にMEND溶液で満たした延長チューブを接続した翼付静脈留置針を留置した。マウスの心臓の拍動による観察部位のずれを防止するため、肝臓を吸着させて固定するデバイス(Shimizu K et al., J Biosci Bioeng. 112(5):508-10)を用い、共焦点顕微鏡(Nikon A1)を用いて60倍水浸レンズで観察を行った。動画の撮影開始後約5秒で40μg DNA/mouseとなるようにマウスにMENDを投与し、約10分後に動画の撮影を終了した。結果を図15に示した。
R8/GALAを修飾したMENDにおいては、肝臓の血液内を巨大な凝集体の状態で流れ込み、多くの粒子が主に血管壁に沿って吸着するのに対し、B−2を用いた場合には、凝集体形成なく血管内を均一に流れるとともに、時間と共に血管から漏出して肝臓に移行する様子が観察された。
[試験例14]
MEND投与によるサイトカイン産生評価
[試験例12]において用いたMENDを各々40μg DNA相当、5週齢の雄のICRマウスに尾静脈投与した。1,3,6, 24時間後に心臓より血液を採取し、Quantikine ELISA kit(R&D Systems)を用い、TNF−α、IFN−γ、IL−12p70を測定した。各々の血中濃度推移を図16に示す。
カチオン性MENDにおいては、pCpGfree-Luc(0)をもちいているのにも関わらず、投与3時間後にTNF−αがやや高値となり、6時間後にはIFN−γが高値となった。一方、B−2 MENDにおいては、pcDNA3.1-Luc(+)を用いたものでは3時間後にTNF−αが高値となり、6時間後にはIL−12p70が高値となった。一方で、B−2 MENDをもちいてpCpGfree-Luc(0)を導入した場合、どの時刻においても、3種のサイトカイン全てが正常値を維持した。
これらの結果より、pCpGfree-Luc(0)を用いて調製されたB−2 MENDは免疫反応を引き起こしにくいことが示唆された。よって、免疫反応による遺伝子発現活性の低下、有害な副作用などが起こりにくいと考えられる。
[試験例15]
B−2−4、B−2−5を用いたMENDの調製
(1)B−2−4(実施例4):DOPE:Chol=3:3:4、B−2−5(実施例5):POPE:Chol=3:4:3からなる組成のMENDを[試験例1](1)、(2)に記載の方法に従い調製した。
(2)Cy5標識化pDNAを用いたMENDの調製
Cy5標識pDNAは、Label/IT Cy5 Labeling Kit(Mirus)を用いて添付プロトコルに従い調製した。得られたCy5標識pDNA溶液は、Nano Drop(Thermo Scientific)を用いて、濃度を算出した。Cy5標識されたpDNAが封入されたMENDを調製する際には、[試験例1](1)に記載したpDNA溶液のうち10%をCy5標識されたpDNAに置き換え、[試験例1](2)、(3)に記載の方法に従いMENDを調製した。
[試験例16]
各種MENDの粒子径、及び表面電位の測定
粒子径並びに表面電位は、動的光散乱法(Zetasizer Nano;Malvern社)を用いて測定した。[試験例1]の調製法により調製された各種MENDの粒子径、表面電位を表4に示す。B−2−4、B−2−5ともに、生理的pHにおいて好ましい電荷である−10〜+10mVであった。
[試験例17]
染色法による電子顕微鏡観察
B−2(実施例1)、B−2−4(実施例4)について[試験例1](1)、(2)、[試験例15]に従いMENDを調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して1.38mM相当のMEND溶液を調製した。遠心チューブに50%ショ糖溶液(pH5.3)を5mL加え10%ショ糖溶液(pH5.3)を5mL重層し、さらにMEND溶液1.5mLを重層し不連続密度勾配を形成した。超遠心(110000g、2h、25℃)により精製を行った(OptimaTM L−90K Ultracentrifuge、Sw41Ti、BECKMAN)。ショ糖密度10%と50%の界面を4mL回収し、限外濾過(1000g、3min、25℃)によりショ糖を除きサンプル溶液とした。2倍希釈したサンプル溶液を400メッシュカーボンフィルムTEMグリッドに吸着させ、ろ紙で吸い取った後、2%リンタングステン酸溶液(pH7.0)を加え10秒間静置した。観察は透過型電子顕微鏡(JEM−1200EX、日本電子)で行った。加速電圧は80kVとし、画像はCCDカメラ(VELETA、日本電子)を用いて撮影した。結果を図17に示す。
上段のB−2、下段のB−2−4共に、1枚膜の脂質膜で被覆された構造体が確認された。
[試験例18]
遺伝子発現活性評価
脂質としてB−2−4(実施例4):DOPE:Chol=3:3:4、B−2−5(実施例5):POPE:Chol=3:3:4、B−2(実施例1):SOPE:Chol=5:3:2からなる組成を用い、[試験例1](1)、(2)に従ってMENDの調製を行った。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
[試験例4](2)に記載の方法に従い遺伝子発現活性を評価した。結果を図18に示す。
B−2−5から形成されるMENDの活性はB−2の活性と同等であった。B−2−4から形成されるMENDの活性はB−2およびB−2−5を有意に上回っていた。
[試験例19]
遺伝子発現活性および細胞内取り込み量の経時的評価
(1)MEND細胞内取り込み量の経時的観察
B−2−4(実施例4)、B−2(実施例1)について、[試験例1](1)、(2)、[試験例15]に従いMENDを調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。また、カチオン性MENDにおいては、DOTAP(比較例3):DOPE:Chol:=3:4:3の組成からなる脂質を用い、[試験例1](3)に記載の方法に従い調製した。pDNAを蛍光ラベルする際には[試験例15](2)に記載の方法で行った。
24時間前に6−well plateに、HT1080細胞を2×10 cells/2mL/wellで播種し、各種サンプルMENDをpDNA濃度1.6μg/2mL/wellになるようにDMEM(FBS+)で希釈しウェルにトランスフェクションした。1、3、6時間後にMEND含有DMEMを除去し、ヘパリン(20units/mL)1mLで2回細胞を洗浄し、さらにPBS(−)1mLで1回洗浄した。0.05% Trypsin溶液500μLを添加した後、37℃インキュベーターに3分静置した。DMEM(FBS+)1mLを入れて遠心(700g、4℃、5min)したのち、上清を除去してFACS緩衝液1mLに懸濁させた。懸濁液を遠心(700g、4℃、5分)し、上清を除去した後再びFACS緩衝液500μLに懸濁させた。測定直前に44μmのナイロンメッシュに通し、細胞内のCy5の蛍光強度を測定した。結果を図19に示す。
pDNAをCy5により蛍光修飾し、MENDの細胞内取り込みを評価した結果、生理的pH(pH=7.4)でカチオン性を有するDOTAPを用いたものに比べ、中性の粒子であるB−2及びB−2−4の取り込み量は低いものであった。B−2−4を用いたMENDはB−2よりも高く取り込まれた。
(2)AB‐2550 クロノスDio(アトー)を用いた遺伝子発現の経時的評価
B−2−4(実施例4)、B−2(実施例1)について、[試験例1](1)、(2)、[試験例18]に従いMENDを調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。また、カチオン性MENDにおいては、DOTAP(比較例3):DOPE:Chol:=3:4:3の組成からなる脂質を用い、[試験例1](3)に記載の方法に従い調製した。
24時間前に3.5cm細胞培養用dishにHT1080細胞を4×10 cell/2mL/dishで播種し、各種MENDをpDNA量に換算して1.6μg/2mL/dishとなるよう、終濃度200μM D‐ルシフェリンカリウムを含むDMEM(FBS10%+、Phenol red free)で希釈し、トランスフェクションした。クロノスDio添付文書に従い、20分ごとに2分間の発光量を測定しルシフェラーゼ活性(RLU/2min)とした。結果を図20に示す。
B−2−4から形成されるMENDの活性はB−2およびDOTAPから形成されるMENDと比較し有意に高かった。B−2の活性はDOTAPと同等であった。
B−2−4からなるMENDは、カチオン性脂質DOTAPから形成されるMENDと比較して細胞内への取り込みが低いにも関わらず、有意に高い遺伝子発現活性を有することが明らかとなった。従来のDOTAPやB−2と比較して、B−2−4は細胞内に取り込まれた後の細胞内動態特性がさらに優れていることが示された。
[試験例20]
細胞内動態(エンドソーム脱出効率)
(1)エンドソーム脱出効率評価
MEND調製には、[試験例1](4)の方法で調製されたRhodamine標識pDNAを用いた。ローダミン標識されたpDNAが封入されたMENDを調製する際には、[試験例1](1)に記載したpDNA溶液のうち50%をローダミン標識されたpDNAに置き換えた。
B−2−4(実施例4):DOPE:Chol=3:3:4、B−2(実施例1):SOPE:Chol=5:3:2からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
24時間前にガラスボトムディッシュにHT1080細胞を5×10cell/2mL/dishで播種した。pDNA1.6μg/2mLとなるようMENDをDMEM(FBS10%+)で希釈し細胞にトランスフェクションした。5.5時間後、Lysotracker Green(Life technologies社)を2μL/dishで添加した。トランスフェクションの6時間後に、ヘパリン(20units/mL)2mLで2度洗浄し、Krebs緩衝液を1mL加え、共焦点レーザースキャン顕微鏡で観察した。結果を図21に示す。
ローダミン標識したpDNA、エンドソーム・ライソソーム、核をそれぞれ赤、緑、青色で擬似カラー表示した。以下の式に従いエンドソーム脱出効率を算出した。
結果を図22に示す。これより、B−2−4はB−2に比べ有意に高いエンドソーム脱出効率を示すことが明らかとなった。
(2)エンドソーム量評価
B−2−4(実施例4):DOPE:Chol=3:3:4、B−2(実施例1):SOPE:Chol=5:3:2からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
24時間前にガラスボトムディッシュにHT1080細胞を5×10cell/2mL/dishで播種した。pDNA1.6μg/2mLとなるようMENDをDMEM(FBS10%+)で希釈し細胞にトランスフェクションした。MENDをトランスフェクションしないものをコントロールとした。5.5時間後、Lysotracker Green(Life technologies社)を2μL/dishで添加し、さらに30分後にHoechst 33342(Dojindo)を2μL/dishで添加した。トランスフェクションの6時間後に、ヘパリン(20units/mL)2mLで2度洗浄し、Krebs緩衝液を1mL加え、共焦点レーザースキャン顕微鏡で観察した。結果を図23に示す。
エンドソーム・ライソソーム、核をそれぞれ緑、青色で擬似カラー表示した。以下の式に従い相対的エンドソーム量を算出した。
結果を図24に示す。これより、B−2−4をトランスフェクションした細胞では未処理およびB−2処理群に比べエンドソームが有意に減少することが明らかとなった。[試験例20](1)で示された高いエンドソーム脱出効率はエンドソーム破壊効果に起因することが示唆された。
[試験例21]
細胞内動態(脱被覆効率)
MEND調製には、[試験例1](4)の方法で調製されたRhodamine標識pDNAを用いた。ローダミン標識されたpDNAが封入されたMENDを調製する際には、[試験例1](1)に記載したpDNA溶液のうち50%をローダミン標識されたpDNAに置き換えた。また、MENDを構成する脂質の蛍光ラベル化は、[試験例1](3)に記載の方法により行った。B−2−4(実施例1):DOPE:Chol=3:3:4、B−2(比較例2):SOPE:Chol=5:3:2からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
24時間前にガラスボトムディッシュにHT1080細胞を5×10cell/2mL/dishで播種した。pDNA1.6μg/2mLとなるようMENDをDMEM(FBS10%+)で希釈し細胞にトランスフェクションした。3、6、9、12時間後にヘパリン溶液(20units/mL)2mLで2度洗浄し、Krebs緩衝液を1mL加え、トランスフェクション3、6、9、12時間後の画像を共焦点レーザースキャン顕微鏡で取得した。結果を図25に示す。
ローダミン標識したpDNA、MENDの脂質膜をそれぞれ赤、緑で擬似カラー表示した。以下の式に従い脱被覆効率を算出した。
結果を図26に示す。B−2は早い段階から良好な脱被覆を起こすことが示唆された。B−2−4は時間を経るに従って徐々に脱被覆を起こすことが示唆された。
[試験例22]
細胞内動態(細胞内取り込み経路)
(1)細胞内取り込み量への影響
B−2−4(実施例4)、B−2(実施例1)について、[試験例1](1)、(2)、[試験例18]に従いMENDを調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。pDNAを蛍光ラベルする際には[試験例15](2)に記載の方法で行った。
24時間前に6−well plateに、HT1080細胞を2×10 cells/2mL/wellで播種した。トランスフェクション30分前に終濃度10μg/μL filipinを含むDMEM(FBS+)に培地を交換した。トランスフェクション15分前に終濃度0.3M sucrose、および1mM amilorideを含むDMEM(FBS+)に培地を交換した。トランスフェクション時、各種MENDをpDNA量に換算して1.6μg/2mL/dishとなるようdishに加えた。トランスフェクション三時間後、[試験例19](1)に記載の方法で細胞内pDNA量を測定した。結果を図27に示す。
細胞内への取り込みはB−2、B−2−4ともにsucroseおよびamiloride感受性であり、クラスリン介在性エンドサイトーシスおよびマクロピノサイトーシスの関与が示唆された。
(2)遺伝子発現活性への影響
脂質としてB−2−4(実施例4):DOPE:Chol=3:3:4、B−2(実施例1):SOPE:Chol=5:3:2からなる組成を用い、[試験例1](1)、(2)に従ってMENDの調製を行った。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
24時間前に24−well plateにHT1080細胞を4×10 cell/500μL/wellで播種した。トランスフェクション30分前に終濃度10μg/μL filipinを含むDMEM(FBS+)に培地を交換した。トランスフェクション15分前に終濃度0.3M sucrose、および1.5mM amilorideを含むDMEM(FBS+)に培地を交換した。トランスフェクション時、各種MENDをpDNA量に換算して0.8μg/500μL/wellとなるようwellに加えた。その後[試験例4](2)に記載の方法に従い遺伝子発現活性を評価した。結果を図28に示す。
B−2の遺伝子発現はsucroseおよびamilorideで阻害された。B−2−4の遺伝子発現はamilorideにより阻害された。これより、B−2、B−2−4はどちらもsucroseおよびamiloride感受性経路で取り込まれるが、B−2−4においてはamiloride感受性経路が遺伝子発現へ大きく寄与していることが示唆された。
[試験例23]
エンドソーム酸性化阻害剤の影響評価
B−2−4(実施例4)、B−2(実施例1)について、[試験例1](1)、(2)、[試験例N8]に従いMENDを調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
24時間前に3.5cm細胞培養用dishにHT1080細胞を4×10cell/2mL/dishで播種した。トランスフェクション30分前に0.5μM BafA1(Bafilomycin A1)を含むDMEM(FBS10%+)へ培地を交換した。30分後、各種MENDをpDNA量に換算して1.6μg/2mL/dishとなるようdishに加えた。トランスフェクション3時間後、終濃度200μM D‐ルシフェリンカリウムを含むDMEM(FBS10%+、Phenol red free)へ培地を交換し、クロノスDio添付文書に従い、20分ごとに2分間の発光量を測定しルシフェラーゼ活性(RLU/2min)とした。結果を図29に示す。
BafA1を用いたエンドソーム酸性化阻害により、B−2−4とB−2の活性は阻害された。B−2−4はエンドソーム酸性化により活性化され、遺伝子発現を示すことが示唆された。
[試験例24]
レチノイン酸(RA)による阻害効果の評価
(1)遺伝子発現阻害効果
B−2−4(実施例4)、B−2(実施例1)について、[試験例1](1)、(2)、[試験例18]に従いMENDを調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
24時間前に3.5cm細胞培養用dishにHT1080細胞を4×10cell/2mL/dishで播種し、各種MENDをpDNA量に換算して1.6μg/2mL/dishとなるよう、終濃度200μM D‐ルシフェリンカリウム、および0、5、7.5、10μM RA(sigma)を含むDMEM(FBS10%+、Phenol red free)で希釈しトランスフェクションした。クロノスDio添付文書に従い、20分ごとに2分間の発光量を測定しルシフェラーゼ活性(RLU/2min)とした。結果を図30に示す。
B−2−4から形成されたMENDの遺伝子発現活性はRAにより濃度依存的に減少した(図30右)。B−2から形成されたMENDの遺伝子発現活性は減少しなかった(図30左)。B−2−4の遺伝子発現はRAとしての認識が関与することが示唆された。
[試験例25]
細胞内動態(核輸送)
MEND調製には、[試験例1](4)の方法で調製されたRhodamine標識pDNAを用いた。ローダミン標識されたpDNAが封入されたMENDを調製する際には、[試験例1](1)に記載したpDNA溶液のうち全てをローダミン標識されたpDNAに置き換えた。また、MENDを構成する脂質の蛍光ラベル化は、[試験例1](3)に記載の方法により行った。B−2−4(実施例4):DOPE:Chol=3:3:4、B−2(実施例1):SOPE:Chol=5:3:2からなる組成のMENDを[試験例1](2)に記載の方法に従い調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
24時間前にガラスボトムディッシュにHT1080細胞を5×10cell/2mL/dishで播種した。pDNA1.6μg/2mLとなるようMENDをDMEM(FBS10%+)で希釈し細胞にトランスフェクションした。3時間後にhoechst33342を1μL加え、10分後にヘパリン溶液(20units/mL)2mLで2度洗浄し、Krebs緩衝液を1mL加え、共焦点レーザースキャン顕微鏡で取得した。結果を図31に示す。
B−2が細胞内に拡散しているのに対し、B−2−4は核周辺に集積している様子が観察された。これは核への輸送機構の存在を示唆するものであった。
[試験例26]
GA(Ginkgolic Acid)による阻害効果の評価
B−2−4(実施例4)、B−2(実施例1)について、[試験例16]、[試験例1](1)、(2)に従いMENDを調製した。本調製においては、PEG脂質としてPEG2000−DMGを用い、脂質濃度に換算して0.55mM相当のMEND溶液を調製した。
24時間前に3.5cm細胞培養用dishにHT1080細胞を4×10cell/2mL/dishで播種し、各種MENDをpDNA量に換算して1.6μg/2mL/dishとなるよう、終濃度200μM D‐ルシフェリンカリウム、および0、25、50、100μM GA(Calbiochem)を含むDMEM(FBS10%+、Phenol red free)で希釈しトランスフェクションした。クロノスDio添付文書に従い、20分ごとに2分間の発光量を測定しルシフェラーゼ活性(RLU/2min)とした。結果を図32に示す。
GAはB−2にくらべB−2−4に対する阻害効果が大きかった。GAは細胞内タンパク質のSUMO化を阻害する小分子である。HT1080にはRAをSUMO化依存的に核へ輸送する細胞内レチノイン酸結合タンパク質II(CRABPII)が発現している。B−2−4に対する遺伝子発現活性の大幅な低下はGAによるCRABPIIの活性低下に起因することが考えられる。
[試験例27]
siRNAとプロタミンからなる核酸静電的複合体の形成
ベクターのコアとして、siRNA溶液、プロタミン溶液(CALBIOCHEM)溶液を、10mM HEPES緩衝液(pH5.3)でそれぞれ0.3mg/mL、0.2mg/mLに希釈し、0.3mg/mL siRNA溶液250μLを攪拌しながら0.2mg/mL プロタミン溶液250μLを少量ずつ滴下してsiRNAとプロタミンの静電的複合体を調製した(N/P比=1.0)。
Factor VII(FVII)に対するsiRNA配列としては、Akinc et al, Molecular Therapy, 17(5) 872−879(2009)に記載のもの(ただし、化学修飾のないもの)をもちいた。
[試験例28]
エタノール希釈法によるsiRNA封入MENDの調製
脂質のエタノール溶液を、B−2 MEND(実施例1)はB−2:SOPE:Chol=5:3:2、B−2−4 MEND(実施例4)はB−2−4:DOPE:Chol=3:3:4、B−2−5 MEND(実施例5)はB−2−5:POPE:Chol=3:4:3の比率で、総脂質660nmolになるように5mLチューブに混合した。さらにPEG脂質としてPEG2000−DMGを総脂質量に対して3モル%相当量添加し、それぞれ全量で400μLとなるようにエタノールを加えた。脂質溶液をボルテックスミキサーを用いて攪拌しながら、[試験例27]で調製したsiRNA・プロタミンからなる核酸静電的複合体溶液400μLを混合し、その後素早く10mM HEPES緩衝液(pH5.3)2.4mLを加え、激しく攪拌した。Amicon Ultra−15 100K device(Millipore社)を用い、1000g,10分,30℃で遠心し限外濾過した。その後、10mM HEPES緩衝液(pH7.4)で十分希釈し、再び限外濾過を行い濃縮した。この溶液を10mM HEPES緩衝液(pH7.4)で目的の脂質濃度になるよう調整した。
[試験例29]
siRNA封入MENDの粒子径、及び表面電位の測定
粒子径並びに表面電位は、動的光散乱法(Zetasizer Nano;Malvern社)を用いて測定した。[試験例28]の調製法により調製された各種MENDの粒子径、表面電位を表5に示す。いずれにおいても生理的pHでは、弱い負電荷を示した。
[試験例30]
siRNA封入MENDのノックダウン効果
[試験例28]で示した方法で調製したMEND溶液を、4週齢の雄のICRマウスに、3mg siRNA/kgで尾静脈投与し、24時間後に、血液を採取した。本血液サンプルを1000g、10分、4℃で遠心し、上清を回収することで血漿を得た。血漿中のFactor VII(FVII)量を、BIOPHEN FVII CHROMOGENIC ASSAY(HYPHEN BioMed)を用いて定量した。結果を図33に示す。未処理群に比べ、B−2、B−2−4、B−2−5いずれにおいてもFVII発現量の低下が見られ、その中でもB−2−5 MENDが最も大きいノックダウン効果を示した。
[試験例31]
siRNA封入MENDの持続性評価
[試験例28]で示した方法で調製したMEND溶液を、4週齢の雄のICRマウスに、3mg siRNA/kgで尾静脈投与してから6日目まで、24時間後ごとに尾静脈より継時的に血液を採取し、FVIIの発現量を経時的に追った。結果を図34に示す。
遺伝子ノックダウン効果は、投与後1日後がピークとなり、その後、約7週間かけて徐々に効果を消失することが明らかとなった。
本発明によると、高効率で核酸を細胞内へ導入することが可能であるので、遺伝子治療や生化学実験に有用である。
本出願は日本で出願された特願2011−252309(出願日:2011年11月18日)を基礎としており、その内容は本明細書に全て包含されるものである。

Claims (9)

  1. 式(1)

    (式中、X及びXは独立して、X又はXであり;

    sは1又は2であり、
    は炭素数1〜6のアルキル基を表し、
    及びnは独立して、0又は1であり、
    1a及びR1bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
    2a及びR2bは独立して、炭素数1〜6のアルキレン基を表し、
    及びYは独立して、エステル結合、アミド結合、カーバメート結合、エーテル結合又は尿素結合を表し、
    3a及びR3bは独立して、ステロール残基、脂溶性ビタミン残基又は炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基を表す)で示される化合物。
  2. 及びXが独立して、Xである請求項1記載の化合物。
  3. 3a及びR3bが独立して、脂溶性ビタミン残基又は炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基である請求項1又は2記載の化合物。
  4. 3a及びR3bが独立して、脂溶性ビタミン残基である請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物。
  5. 3a及びR3bが独立して、炭素数12〜22の脂肪族炭化水素基である請求項1〜3のいずれか1項に記載の化合物。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の化合物を膜の構成脂質として含む脂質膜構造体。
  7. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の化合物、又は請求項6記載の脂質膜構造体を含む核酸導入剤。
  8. 生体外において、核酸を内封した請求項6記載の脂質膜構造体と細胞とを接触させることを含む、当該核酸を当該細胞内へ導入する方法。
  9. 核酸を内封した請求項6記載の脂質膜構造体を、標的細胞へ送達されるように、生体へ投与することを含む、当該核酸を当該細胞内へ導入する方法。
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