平成 25 年度新潟薬科大学薬学部卒業研究Ⅰ 論文題目 シクロデキストリンと薬物との包接化合物の構造とその 応用についての研究 The structure of the inclusion compound with cyclodextrins and drugs and their applications 物理薬剤学研究室 10P069 藤田 4年 美菜 （指導教員：飯村 菜穂子） 要旨 近年製剤技術が進み、患者個々の症状や体質に合った製剤や剤形が次々と開発され ているが、中にはバイオアベイラビリティーが低いこと、服用コンプライアンスが下 がること、副作用が高頻度で発現してしまうこと等々、新しい製剤が生まれればまた 新たな課題が発生し、常にその課題改善のための工夫を施すことに力が注がれている。 患者により安心で安全な薬を提供するために、例えばプロドラッグ化やホスト化合物 と呼ばれる環状構造を有する物質を用いた包接化などの技術を取り入れ、製剤の改良 が行われている。中でも天然由来の環状オリゴ糖で安全性の高いシクロデキストリン による包接化に対する研究は広く行われており、その構造や包接化合物形成メカニズ ムの解明が進んでいる。本研究ではシクロデキストリンが製剤技術においてどのよう な重要性をもち、幅広く利用応用されているかを解き明かすためにその構造や物性等 を詳しく調べ、またシクロデキストリンの包接化を用いた実際の応用例についてその 分子配列、機能性について調査研究を行った。 シクロデキストリンは D-グルコースが-1,4 結合した環状構造をとり、その中心 部に空洞を有する。結合するグルコース数により空洞の大きさも異なる。シクロデキ ストリン環の内側は水素原子が並び疎水性を、外側は水酸基による親水性を示す。こ のような特徴的構造が様々な薬物の包接化に影響しており、ホスト・ゲスト現象によ って包接化合物が形成される。ゲスト分子の認識にはサイズや形、van der Waals 相 互作用、静電相互作用、水素結合などが深く関係している。包接化された薬物はそれ 単体では見られない新規性高い機能が付加され、薬物安定化、難溶性薬物の易水溶性 化がなされ、さらに薬物の分離・精製技術向上に貢献している。シクロデキストリン の包接化能力は食品、医薬品、化粧品等の分野で幅広く用いられている。その一例と して非ステロイド性抗炎症薬で鎮痛薬としてよく知られたピロキシカムが-シクロ デキストリンとの包接化により水に対する溶解性が向上し、さらに副作用にあげられ る胃腸障害が緩和され、使いやすい医薬品として提案が可能となった。 製剤の改良技術は数多く存在するが、シクロデキストリンの包接化を利用した既存 の薬物の性質改善が進み、患者に対する副作用、服用負担の軽減が達成されれば、患 者個人に最適な薬剤の選択がなされ、より良い医療の提供に繋がると思われる。 1 キーワード 1．包接化合物 2．シクロデキストリン 3．ピロキシカム 4．分子認識 5．ホストゲストケミスト 6．van der Waals 相互作用 リー 7．溶解性の改善 8．水素結合 10．副作用の軽減 11．立体構造 9．薬剤安定化 2 目次 1.はじめに ・・・・・・・・・・ 4 2.シクロデキストリンについて ・・・・・・・・・・ 4 3.シクロデキストリンの製剤への応用 ・・・・・・・・・・ 8 4.おわりに ・・・・・・・・・・ 11 5.謝辞 ・・・・・・・・・・ 12 引用文献 ・・・・・・・・・・ 13 3 1.はじめに 我が国において、健康状態を示す包括的指標である「平均寿命」について見ると、 世界一の健康水準を示している。その背景には、「感染症」などの急性期疾患が激減 したことがあげられるが、一方で癌や循環器病などの「生活習慣病」が増加し、疾病 構造は大きく変化してきた。疾病構造の変化と同時にその疾病に適応した薬剤、さら には患者個々の症状や体質に合った製剤や薬剤が求められ、現在では数多くの薬剤が 開発されている。数多く存在する薬剤の中には、副作用が高頻度で起こり慎重に使用 されているもの、服用回数が多く患者への負担が大きくなり服用コンプライアンスを 下げてしまうものなど課題を抱えたものも存在し、新しい製剤が生まれればまた新た な課題が発生する。患者により安心で安全な薬を提供するために、常にその課題改善 のための製剤の改良に力が注がれている 1。 課題の改善方法はいくつか存在する。例えば、服用コンプライアンスを向上するた め、臭いが気になるものにマスキングを施すこと、安定化を図るため薬物に化学修飾 を加えプロドラッグ化すること、ホスト化合物と呼ばれる環状構造を有する物質を利 しての包接化などが挙げられるが、中でも注目したいのがシクロデキストリンによる 包接化合物形成の利用応用である 2。包接化合物とは、鍵と鍵穴の関係で例えられる ホスト-ゲスト現象により形成される化合物である。3 次元構造の内部に空孔をもつ分 子の集合体をホスト、ホストの中に取り込まれる他のイオン、原子または分子はゲス トと呼ばれる 3。1940 年代に Schlenk によって inclusion compound と名付けられた 包接化合物は、ゲストの運動性、配向性、反応性を変化させることができた 4。近年、 この特性から食品、医薬品、化粧品等の分野で幅広く用いられている 5。包接化合物 の代表的なホストであるシクロデキストリンは天然由来の環状オリゴ糖であり、毒性 および局所刺激性は極めて低く、蓄積性のないことが認められている。 本研究では安全性が高く、薬物の安定化を図ることのできるシクロデキストリンに 注目し、それらが製剤技術においてどのような重要性をもち、幅広く利用応用されて いるかを解き明かすためにその分子構造や物性等を詳しく調べ、またシクロデキスト リンの包接化を用いた実際の応用例についてその分子配列、機能性について調査研究 を行った。 2.シクロデキストリンについて 5 シクロデキストリンの歴史は、1891 年 Villiers によってデンプンをある種のバク テリアで分解すると結晶性の物質が得られ、その結晶化物の組成が(C6H10O5)2・3H2O であり、それ自身に還元作用はなく加水分解により還元作用を有する糖類を生成する などの性質があることが発見されたことから始まる。後に Schardinger によってバク テリアがシクロデキストリンを生産することが突き止められ、そのバクテリアを Bacillus macerans と名付けた。このバクテリアは現在シクロデキストリン合成酵素 4 の生産に用いられている代表的な微生物の一つである。また、2 種類の結晶性デキス トリンの存在も認識された。1930 年代になり、Freudenberg らによってシクロデキ ストリンはグルコースが-1,4 結合した環状化合物であることが明らかになった。さ らに、-シクロデキストリンが単離され構造が決定し、現在でも示されている代表的 な 3 種類のシクロデキストリンの構造が確定した。1939 年には Tilden と Hudson が Bacillus macerans の培養液からシクロデキストリン合成酵素の調製に成功し、シク ロデキストリンは酵素の作用によりデンプンを原料として直接合成されることが明 らかになった。そして実験室におけるシクロデキストリンの生成方法が確立された。 1950 年 Cramer らはシクロデキストリンの包接化合物形成に関する先駆的な研究を 行い、シクロデキストリンに包接されることにより色素や芳香族化合物のスペクトル の波長がシフトすること、イミダゾリル基のような置換基をシクロデキストリンに導 入することにより触媒機能が向上することを明らかにした。これらはシクロデキスト リンに包接された化合物が物理的化学的に影響を受けていることを実証するものと なった。さらに、1960 年代に入り、結晶性包接化合物が X 線解析により研究される ようになり、1965 年に-シクロデキストリンの結晶構造が初めて決定され、シクロ デキストリンが大環状化合物でありグルコース残基が 4C1 椅子型構造であることが証 明された。 シクロデキストリンは cyclodextrin glucanotransferase(CGTase)と呼ばれる微生 物、主としてバクテリア由来の酵素によりデンプン（厳密にはアミロース）から合成 される。その構造は D-グルコースが-1,4 結合した環状構造をとっており、グルコー スの数により 6 は-、7 は-、8 は-、10 は-などと区別される。-、-、-、この 3 種類のシクロデキストリンは比較的対称性の良い環状構造をしており、グルコースは 円を描いて並んでいる。グルコースの数により環の大きさが異なり、＜＜の順に 空洞の内径が大きくなる(図 1)。グルコースは 4 つの二級水酸基と 1 つの一級水酸基 を持っているが、シクロデキストリンは-1,4 結合をしているため二級水酸基は O2H と O3H の 2 つになる。それらにより環の一方の端に一級水酸基の輪ができ、もう一 方の端には二級水酸基の輪が円環を形成し、シクロデキストリンの外側は親水性を示 す。ピラノース環の C1 以外のメチン基の水素原子はすべて axial に結合しており、 C2H と C4H のメチン基の水素が外側にあるのに対し、C3H と C5H のメチン基の水 素は内側にある。さらに、C6H2 のメチレン基の 2 つの水素は内側をむいており、シ クロデキストリン環の内側には水素原子が並んでいる。よってシクロデキストリン環 の内側は疎水性を示し(図 2)、C-H 結合の分極により水素原子が正の荷電を持ってい るため空洞の中は正の電荷分布となる。このようなシクロデキストリンの性質は、環 内部には疎水性相互作用により疎水性ゲストを取り込み易く、水酸基の部分では水素 結合が形成し易くなっており、包接化合物形成におけるゲスト分子に対する選択制や 立体的位置関係を決める要因となっている。 5 図1 -CD、-CD、-CD の環構造 図2 -シクロデキストリンの構造 金尾 善治、北河 修治編集,(2012),NEW パワーブック 物理薬剤学・製剤学[第 2 版],p.27,図 1.19,廣川書店一部改変 6 シクロデキストリンは結晶性が良く、乾燥したシクロデキストリンは無味無臭の白 色粉末であり、水に溶けて無色透明の液体となる。光に対しては、可視・紫外部に吸 収を持たず、正の大きな旋光能を有する。通常の有機溶媒にはほとんど溶けないがピ リジン、DMSO、DMF に溶解する。シクロデキストリンの pKa は室温で約 12 であ るがこれは二級水酸基の解離によるものであり、一級水酸基の pKa はやや高いと言 われている。シクロデキストリンはアルカリ性条件下では極めて安定であるが、酸加 水分解によりグルコースおよび一連の鎖状オリゴ糖になる。また、シクロデキストリ ンは同じグルコース数の鎖状オリゴ糖よりも分解されにくい。-、-、-を比較する と＜＜の順で安定性が増大し、環の大きさ(表 1)によって加水分解に対する安定性 が異なることがわかる。さらに、シクロデキストリンはゲスト分子と包接化合物を形 成することにより、安定性が著しく増大することが知られている。また、シクロデキ ストリンの生物学的性質として、通常のデンプン分解酵素では分解されにくく、生体 内では極めてゆっくりと分解吸収されること、動物に対するシクロデキストリンの毒 性に関して、細胞毒性があり高濃度では溶血作用を起こすが経口投与による毒性はな いことが確認されている。生体内での吸収に関しては、シクロデキストリンは消化管 で直接吸収されるのではなく、微生物群により分解された後に吸収されると考えられ ている。 表1 シクロデキストリンの性質 -CD -CD -CD グルコース数 6 7 8 分子量 972 1135 1297 空洞の内径(Å) 4.7-5.3 6.0-6.5 7.5-8.3 解離定数(pKa) 12.332 12.202 12.081 シクロデキストリンの大きな特徴として包接化合物の形成があるが、これは疎水性 の空洞内へのゲスト分子の取り込みによって形成される。空洞内が疎水性であること から、包接化合物の形成は通常水溶液中で行われ、有機溶媒などが存在する場合はゲ ストに対する競争的阻害剤として作用する。この現象を誘起する駆動力は、主として ゲスト分子の周りの水とシクロデキストリンの空洞の水が放出されることによる水 和エネルギーの変化およびシクロデキストリンとゲスト分子との相互作用のエネル ギーであることが明らかになっている。包接化合物の形成にあたっては、シクロデキ ストリンの空洞のサイズや形が決まっていることから、空洞に適合するゲスト分子の 全体もしくは一部が取り込まれるため立体選択的である。シクロデキストリンに取り 込まれたゲスト分子は、van der Waals 相互作用、静電相互作用、水素結合などの共 有結合に比べると弱い力によって緩く結合する。さらに、シクロデキストリンの包接 7 化合物形成は可逆反応であり、条件によって取り込みと放出を制御することができる。 この包接能力によって、ゲスト物質の固定化や安定化、難溶性物質の易溶化、分離、 精製などが可能であり、食品、医薬品、化粧品等の分野で幅広く用いられている。ま た、シクロデキストリンの持つ包接機能やその他の種々の性質を改良したり、新たな 機能を付与することを目的として多くの修飾シクロデキストリンが合成されている。 優れた易溶化のうえで重要なのがシクロデキストリン自身の溶解性の向上であるが、 グルコースやマルトース等の鎖状オリゴ糖を-1,6 結合させた分岐シクロデキストリ ンと呼ばれるシクロデキストリン誘導体は水に対する溶解性が著しく、優れた可溶化 能を示す。シクロデキストリンの結晶複合体は、その配列様式によってかご型構造、 筒型構造、層状構造の 3 種類に分類され、複合体がいずれの結晶構造に属するかは主 としてゲストの大きさ、形、物理的化学的性質などにより決定される。例えば、かご 型構造を形成するためにはゲスト分子はシクロデキストリンの空洞の中に完全に収 まる大きさでなければならない。 3.シクロデキストリンの製剤への応用 3.1.ピロキシカムの性質改善 ピロキシカムはオキシカム系の酸性型非 ステロイド性抗炎症薬であり、分子式は C15H13N3O4S、分子量 331.35 の化合物であ る。効能、効果は関節リウマチ、変形性関 節症、腰痛症、肩関節周囲炎、頸肩腕症候 群並びに症状の消炎、鎮痛であり、副作用 には、①消化性潰瘍（穿孔を伴うことがあ 図 3 ピロキシカムの構造 る）、吐血、下血等の胃腸出血、②ショック、 アナフィラキシー様症状（蕁麻疹、潮紅、血管浮腫、呼吸困難等）、③中毒性表皮壊 死融解症（Toxic Epidermal Necrolysis : TEN）、皮膚粘膜眼症候群（Stevens-Johnson 症候群）、④再生不良性貧血、骨髄機能抑制、⑤急性腎不全、ネフローゼ症候群、⑥ AST(GOT)・ALT(GPT)の上昇等を伴う肝機能障害、黄疸がある 6。中でも消化性潰 瘍などの胃腸障害が最も発現率が高く、現在問題視されている。この胃腸障害の主要 な機構は 2 つ挙げられ、1 つ目は、薬が胃酸の存在下で胃粘膜を直接障害すること、 2 つ目は、PG の合成を抑制し、胃粘膜の防御機構を障害することである。この 2 つ の機構が重なり胃腸障害を引き起こしている。 今回この問題点に対し、1990 年、Acerbi D らは、-シクロデキストリンを用いて 包接複合体であるピロキシカム--シクロデキストリン(PBC)を形成し、ピロキシカム の溶解度を向上させた 7。ピロキシカムは脂溶性であり水に溶けにくいが、-シクロ デキストリンと複合体を形成することにより溶けやすくなり、溶解速度が増加して、 8 上部消化管からのより急速な吸収や胃粘膜との接触時間の短縮を可能にした。図 4 か らもピロキシカム単独より PBC の方が急速に吸収されていることがわかる。結果と して胃粘膜への負担が軽減し、鎮痛効果のより急速な発現に至った 8。 図4 ピロキシカム単独と包接複合体との経口投与後血中濃度の比較 Scarpignato C. “Piroxicam-β-cyclodextrin: a GI safer piroxicam”. Curr Med Chem. 20(19) 2415-2437(2013).Fig.(6) 3.2.包接複合体の結晶構造とホスト-ゲスト相互作用 9 1998 年、Chiesi-Villa A らの研究によりピロキシカムナトリウムと-シクロデキス トリンの包接化合物のＸ線結晶構造解析結果（図 5）が発表された。この包接複合体 はピロキシカムナトリウムと-シクロデキストリンが 1:1 の割合で包接化している。 ピロキシカムは隣接する 2 つの-シクロデキストリンの空洞に入っており、ピロキシ カムのベンゼン環は、一方の-シクロデキストリンの二級水酸基に向かい、ピリジン 環はもう一方の-シクロデキストリンの一級水酸基に向かった形で入っている。 9 図5 ピロキシカムナトリウムと-CD との包接化合物の構造 ホスト-ゲスト相互作用として van der Waals 力と水素結合をしているが、van der Waals 力で C2…O43、C3…O54、C4…O64、C19…O14 が接触しており、O1…O13、 O2…O46 が水素結合している(図 6)。他にもホストとゲストの橋渡しとして水分子が 結合しており、ピロキシカムの N3 と-シクロデキストリンの O12 と水素結合してい る。 10 図6 ピロキシカムと-CD との分子間相互作用 4.おわりに シクロデキストリンには包接能力があり、そこに取り込まれるゲスト分子は疎水 性であることやシクロデキストリンの空洞に適したサイズや形状のものが積極的に 選択、認識される。そして、包接複合体を形成する際に重要なのは、共有結合などの 強い力ではなく、van der Waals 相互作用や水素結合などといった比較的弱い力であ る。また、様々な薬物がシクロデキストリンとの包接化合物を形成することにより、 薬物安定性、水に対する溶解度、医薬品のバイオアベイラビリティー等々の向上をは かることができ、さらに副作用の改善に大きく貢献する。シクロデキストリンとの包 接化合物を医薬品製造に生かした例は本論において紹介したピロキシカムと-シク ロデキストリン以外にも数多く存在する 9-12。抗がん剤にも利用されており、その場 合薬物の溶解度を向上させるばかりでなく、がん細胞に対するターゲティングも高い 傾向を示すことが注目されている 13。 シクロデキストリンは天然に存在するオリゴ糖から成る化合物であるので、既存の 薬物の改良技術として安心で安全な薬が提供できると考える。しかし、現在までのと ころ分子認識されるゲスト分子が限られているのが問題点である。今後は、シクロデ キストリンの用途の拡大を図るために、ゲスト分子の構造に合わせた空洞をもつ環骨 格変換シクロデキストリンの開発が進み、これまで包接が困難とされていた物質の包 接が実現し、患者により良い医療の提供がされることが期待される。 11 5.謝辞 本論文の作成にあたり、終始適切な助言を賜り、また丁寧かつ熱心にご指導して下 さった飯村菜穂子准教授、桐山和可子助手、副査の大野智教授に感謝いたします。ま た、多くのご指摘をくださいました物理薬剤学研究室の皆様に感謝いたします。 12 1. 2. 3. 4. 5. 6. 引用文献 http://www1.mhlw.go.jp/topics/kenko21_11/s0.html.厚生労働省. 健康日本 21(総 論).(2000). 原島秀吉 編.大塚誠 著.新薬剤学.改訂第 3 版.株式会社 南江堂.p362-368(2011). 小原正明,古賀憲司,平岡道夫,柳田博明 編著.ホスト・ゲストケミストリー.1 版.株 式会社 講談社.p2(1984). 竹本喜一 著.包接化合物の化学.第 1 版.株式会社 東京化学同人.p2(1969). 原田一明.シクロデキストリン超分子の構造化学.株式会社 アイピーシ ー.p1-119(2000). 大正富山医薬品株式会社. 持続性抗炎症・鎮痛剤 バキソカプセル 10 バキソカプ セル 20 BAXO ピロキシカムカプセル 医薬品インタビューフォーム.改訂第 6 版. p1-2,p9,p26 (2011). 7. Acerbi D, Labecq E, Jr, Rondelli I, Stockis A, Ventura P. “Rapid oral absorption profile of piroxicam from its -cyclodextrin complex”. Drug Invest . 2(Suppl 4 ) 50-55(1990). 8. Scarpignato C. “Piroxicam--cyclodextrin: a GI safer piroxicam”. Curr Med Chem. 20(19) 2415-2437(2013). 9. Chiesi-Villa A, Rizzoli C, Amari G, Delcanale M, Redenti E, Ventura P. “The crystal structure of the inclusion complex of the sodium salt of piroxicam with 10. 11. 12. 13. -cyclodextrin”. Supramolecular Chem. 10,111-119(1998). Sergey Shityakov, Jens Broscheit, Carola Forster. “-cyclodextrin dimer complexes of dopamine and levodopa derivatives to assess drug delivery to the central nervous system: ADME and molecular docking studies”. Int J Nanomedicine. 7, 3211-3219 (2012). Batt SK, Repka MA, Maddineni S, Chittiboyina AG, Avery MA, Majumdar S. “Physicochemical characterization of berberine chloride: a perspective in the development of a solution dosage form for oral delivery”. AAPS PharmSci Tech. 11(3) 1466-1475(2010). Yadav VR, Suresh S, Devi K, Yadav S. “Effect of cyclodextrin complexation of curcumin on its solubility and antiangiogenic and anti-inflammatory activity in rat colitis model”. AAPS PharmSci Tech. 10 (3) 752-762(2009). Nurten Ozdemir, Julide Erkin. “Enhancement of dissolution rate and bioavailability of sulfamethoxazole by complexation with -cyclodextrin”. Drug Development and Industrial Pharmacy. 38 (8) 331-340(2012). 14. Mishur RJ, Griffin ME, Battle CH, Shan B, Jayawickramarajah J. “Molecular recognition and enhancement of aqueous solubility and bioactivity of CD437 by -cyclodextrin”. Bioorg Med Chem Lett. 21(2) 857-860(2011). 13
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