グルタチオンの生理学的特性に基づくナノ薬物設計

概要：グルタチオン (GSH) は、必須の抗酸化物質として体の重要な生理学的機能に関与し、調節しています。 GSHは重要な役割を果たします抗酸化, 解毒, 老化防止, 免疫力を高める、 と抗腫瘍活性。 ここでは、主に以下を含むさまざまな疾患における GSH の生理学的特性に基づいています。GSHの強い還元性, 腫瘍細胞中の高いGSH含有量、 そしてそのGSSHがGSHに還元されるときのNADPHの枯渇、さまざまな設計原理、効果、潜在的な問題を幅広くレポートします。糖尿病におけるナノ薬物, 癌, 神経系の病気、蛍光プローブ、イメージング、食品など。 これらの研究は、GSH の生理学的および病理学的価値を最大限に活用し、GSH の優れた設計手法を開発します。ナノドラッグこれは、GSH が参加または対応する関連疾患研究に対する重要な科学的意義と顕著な応用価値を示しています。

キーワード:グルタチオン; 生理学的特性; ナノドラッグ。 レビュー

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1. グルタチオンの構造

グルタチオン (GSH) は 1921 年にホプキンスによって発見され [1]、グルタミン酸、システイン、グリシンがペプチド結合縮合によって形成されるトリペプチド化合物です。 化学名は-L-グルタミル-L-システイル-グリシン、分子式はC10H17O6SN3です[2]。 グルタチオンには、還元型グルタチオン (GSH) と酸化型グルタチオン (GSSG) の 2 種類があります。 GSH の構造には、容易に酸化され脱水素される活性な還元基であるスルフヒドリル (-SH) が含まれています。 グルタチオンペルオキシダーゼ（GSH-Px）はGSHからGSSGへの変換を触媒できますが、グルタチオンレダクターゼ（GSH-R）はニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADPH）を使用してGSSGからGSHへの変換を触媒できます。 GSSG の主な活性基はジスルフィド結合 (-SS-) です。 GSH 生合成は、リボソーム上のタンパク質合成とは異なり、シンターゼ システムによって直接制御されます [3-5]。 具体的な構造と合成手順を図1に示します。

2. GSHの生理機能

GSH は体のほぼすべての細胞に存在し [6]、血液、肝臓、腎臓などのさまざまな重要な器官や組織に広く存在しており、肝臓と腎臓が主な合成、代謝、排泄を行っています。 GSH の器官 [7]。 一般に、GSHは生物において重要な生理学的役割を果たしていますが、生理活性を達成するにはGSSGをGSHに還元する必要があります。 GSH は免疫系の正常な機能を維持し、明らかな抗酸化作用と解毒作用があります。 さらに、GSH の独特な構造により、GSH は体内で顕著なフリーラジカル スカベンジャーとなります [8-10]。 したがって、GSH には、老化防止、免疫力の強化、抗腫瘍活性において優れた役割を果たすという利点があります [11-13]。 セル内で少量の H2O2 が発生すると、GSH は GSH-Px により H2O2 を H2O に還元し、同時に GSSG に酸化されます。 GSSG は H プラスを受け取り、GSH-R で GSH に還元されるため、体内のフリーラジカルの消去反応が継続し、酸化物の干渉や損傷から細胞膜の構造と機能を保護します [14]。 さらに、GSH には神経興奮性中毒に対する緩和作用もあり [15]、悪性腫瘍患者の化学療法によって引き起こされる毒性反応や副反応を軽減するために利用できます [16]。

GSH は生理学的機能において重要な役割を果たしていますが、細胞膜を透過できないこと、酸化されやすいこと、安定性が低いこと、生物学的利用能が低いことなどの重大な制限が残されており、これらにより疾患の治療効果が劇的に損なわれます。 ナノテクノロジーは、主に物理的、化学的、およびその他の結合方法論を通じて、生物学的に活性な物質をナノマテリアル上に埋め込むか修飾する新しい薬物送達技術です。 カプセル化または自己集合によって形成されたナノ粒子は、GSH の生物学的活性を保護するだけでなく、その安定性と生物学的利用能も改善します。 さらに、微小環境におけるGSHの強力な還元特性を利用して、特定の酸化還元反応性ナノ粒子を切断し、薬物の制御放出および標的化の効果を達成することができる。 したがって、このレビューでは、さまざまな疾患におけるGSHの生理学的特性に基づいたさまざまなナノドラッグの設計原理、効果、および潜在的な問題に個別に焦点を当てます。 さらに、ナノドラッグ開発の現在の課題と将来の戦略についても実用化の観点から議論します。

3. ナノドラッグデリバリーシステム

近年の高額投資と急速な発展により、ナノテクノロジーは生物医学科学技術のあらゆる分野に応用されている[17]。 同様に、ナノテクノロジーは、薬物送達、特に標的を絞った薬物送達に対する新しいアプローチを提供します。 標的薬物送達システムは、所望の薬物を患部に送達し、正常な組織または細胞への分布を減少させる[18]。 薬物送達システムとしてのナノ粒子の利点は次のように説明されます。 (1) 不溶性薬物を溶解し、体内からの薬物分解を防ぎます。 (2) 薬剤の流通時間を延長する。 (3) 良好な生体適合性と生分解性を示します。 (4) 高い薬物負荷能力と低い毒性を有する。 (4) 腫瘍組織、腫瘍細胞、腫瘍関連間質細胞、サブオルガネラなどの治療標的に薬物を選択的に送達します[19]。 これまでに、ポリマー、脂質、無機材料などの多数の材料が開発され、薬物の放出挙動を制御するための薬物担体として使用されてきた[20、21]。 さらに、REDOX 応答刺激は疾患の治療において高く評価されており、ナノ医療の薬物送達に広く使用されています [22、23]。 微小環境におけるREDOX電位は組織ごとに多変数であり、REDOX感受性送達システムの設計に使用できます。 したがって、グルタチオン応答性ナノ粒子の設計と製造は、標的薬物送達のための有望なアプローチである可能性がある[24]。

4. GSH の生理学的特性に基づく糖尿病のナノ薬物設計

4.1. 酸化ストレスにおけるGSHの役割に基づくナノ薬物設計

酸化ストレスは糖尿病の主な病因であることが確認されており、高血糖は活性酸素種（ROS）の生成を促進する主な危険因子です。 ROS には、スーパーオキシドアニオン (O2-)、過酸化水素 (H2O2)、ヒドロキシルラジカル (OH-)、二酸化窒素 (NO2)、一酸化窒素 (NO) フリーラジカルなど、複数の種類があります [25]。 正常な体内の一連の抗酸化物質には、ビタミン A、ビタミン C、ビタミン E、GSH、スーパーオキシドジスムターゼ (SOD)、GSH-Px、GSH-R などが含まれます [26]。 中でも、GSH は体内の内因性抗酸化物質の重要なメンバーです。 フリーラジカルを除去し、損傷を軽減し、細胞内の酸化還元平衡を維持するという利点があります[27]。 体がフリーラジカルによる攻撃を受けた場合、GSH はフリーラジカルの直接スカベンジャー、GSH-Px の共基質、酵素反応の補因子、および酸化ストレスを改善し遅延させるための多くの内因性反応の複合体として使用できます。糖尿病の発症[28]。

注目すべきことに、多くの研究者が、酸化ストレスにおけるGSHの生理学的役割に基づいて、糖尿病および合併症の治療のためのナノ薬物を設計している。 ウェイ・ワンら。 [29] は、糖尿病性腎症の治療に適用するために、新規な抗酸化グルタチオン リポソーム (GSH-LIP) を設計しました。 GSH-LIPは、GSHの生物学的利用能を改善するだけでなく、酸化ストレスによって誘発される過剰なROSを除去し、抗酸化能力を改善することもできます。 シャオら。 [30] は、インスリンの経口送達のための腸溶性 Eudragit L100- システイン/還元グルタチオン ナノ粒子 (Eul-cys/GSH NP) で構成される送達システムを開発しました。 彼らは、Eul-cys/GSH NPがインスリンの腸吸収を促進し、血糖降下時間を延長できることを発見し、Eul-cys/GSH NPが糖尿病治療の有望な送達システムである可能性を示唆しました。 上記の GSH のナノ薬物設計は、図 2A に示すように、薬物がリン脂質または両親媒性物質 (リポソームやミセルなど) にカプセル化されるというものでした。 クアンら。 [31] は、GSH とナノ粒子の共有結合によって調製された GSH 結合磁性ナノ粒子を設計しました。 このGSH結合磁性ナノ粒子は約87パーセントの酵素活性を保持し、2型糖尿病治療用のペプチドホルモンであるグルカゴン様ペプチド-1を取得できることが示されていた。 図 2B に示すように、このナノ薬物の設計は、GSH の SH とシラ-NH2 を共有結合によって結合させたものでした。 モッタギピシェら。 [32]らは、CuO ナノ粒子を組み合わせた S. marianum、B. vulgaris、および D. sophia 抽出物が糖尿病ラットに対して一定の効果を示し、GSH の酸化を防ぐために GSH-Px の含有量を大幅に減少させることができることを発見しました。 Gurunathan 研究グループ [33] は、糖尿病の治療に金ナノ粒子 (AuNP) を採用し、体の抗酸化防御システムの抜け穴を補いました。 実験結果は、高血糖時の脂質過酸化とROS生成の阻害により、AuNPで治療した糖尿病ラットにおいてGSH、スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）、カタラーゼおよびGSH-Pxのレベルが有意に増加したことを示した。 これらのナノ薬物のほとんどは、図 2C に示すように、GSH または GSH-Px に直接作用して GSH 合成を調節する活性ナノ酵素です。

図 2. 糖尿病用のナノ医薬品は GSH に基づいて設計されています。 (A) GSH を腸溶性オイドラギット L100- システインにカプセル化し、還元型グルタチオン ナノ粒子 (Eul-cys/GSH NP) を調製しました [30]。 (B) GSH 結合磁性ナノ粒子 (SPION@silica-NH2)。 GSH は無水マレイン酸と反応して SPION@シリカ-GSH ナノ粒子を形成しました [31]。 (C) CuO ナノ粒子および Au ナノ粒子酵素の透過型電子顕微鏡画像 [32,33]

4.2. ポリオール経路におけるGSHの役割に基づくナノドラッグデザイン

糖尿病で血糖濃度が上昇し、正常な代謝能力を超えると、多くのグルコースがポリオール経路を通じて代謝されます。 ポリオール経路のアルドースリダクターゼ (AR) は、補因子としての NADPH によって過剰なグルコースをソルビトールに還元します。 ソルビトールが大量に蓄積すると、細胞内にソルビトールが過剰になり、その低い親油性により細胞の透過性に損傷を与えます。 その後、ソルビトールは細胞膜を透過できなくなり、さらに細胞の膨張と破裂を引き起こし、一連の糖尿病や慢性合併症の発症を引き起こします[34-37]。 GSSH は NADPH を枯渇させ、GSH-R によって GSH に還元される可能性があります。 GSH の合成が正常である場合、または GSH の劇的な低下が発生した場合、NADPH 消費量は必然的に増加します [21]。 したがって、ポリオール経路が逆転してソルビトール生成が抑制され、糖尿病の予防と緩和の新たな標的が提供されます (図 3A)。

NADPH を求めて GSH-R と競合し、その結果 GSH 量が減少することにより、ポリオール経路は細胞内酸化ストレスに対する感受性を高めます。 王ら。 [29] は、糖尿病性腎症の治療に適用される新規の抗酸化物質 GSH リポソーム (GSH-LIP) を調製しました。 GSH-LIPがNADPHを効果的に枯渇させてポリオール経路をブロックし、糖尿病性腎症を劇的に軽減することが示され、糖尿病性腎症の治療におけるナノ薬物研究に新たな理論的基礎を提供した

5. GSH の生理学的特性に基づく腫瘍のナノ薬物設計

5.1. ナノ粒子は腫瘍を標的とした送達メカニズムを実現します

5.1.1. パッシブターゲティング

受動的ターゲティングは主にそのナノメートルサイズと腫瘍部位の微小血管構造に依存します。 正常組織と比較して、ほとんどの腫瘍組織は、活発な増殖と代謝により血管のリモデリングが不完全であり、血管内皮間のギャップは 10 ～ 1000 nm です。 したがって、対応するサイズのナノ粒子は血液循環を通じて腫瘍組織に到達することができ、透過性および保持（EPR）の強化効果によって腫瘍組織に濃縮されます[38]。 一般に、10 ～ 100 nm のナノ粒子はより優れた EPR 効果を持つと考えられています [39]。 一方、腫瘍領域の血管内皮の増殖状態と密度も EPR 効果に影響を与える可能性があります [40]。

5.1.2. アクティブターゲティング

腫瘍細胞によるナノ薬物送達システムの取り込みをさらに強化するために、ナノ粒子の表面を能動的に標的化されたリガンドで修飾し、ナノ粒子が表面上の特定の受容体を認識することにより受容体リガンド媒介エンドサイトーシスを通じて細胞に侵入できるようにすることができます。腫瘍細胞の表面 [41]。 受動的ターゲティングと比較して、能動的ターゲティングナノ粒子はより強い特異性を持ち、腫瘍細胞の細胞内薬物濃度を大幅に増加させることができます[42]。

5.1.3. 腫瘍微小環境応答性ナノドラッグデリバリーシステム

正常組織と比較して、腫瘍組織および細胞は微小環境の独特の特徴を示し、主に以下の側面を反映しています [43]: (1) pH 値: 腫瘍環境は弱酸性、pH 6.5 ～ 7。0。 腫瘍細胞封入体またはリソソームの pH は 4.{7}} ～ 6.0 と低くなります [44]。 (2) 腫瘍細胞は、グルタチオン濃度が 1 ～ 10 mM に達する還元環境を示し、これは血液環境の 100 ～ 1000 倍です [45]。 (3) 腫瘍細胞のミトコンドリアは酸化環境を示し、活性酸素種 (ROS) の濃度が mM レベルに達する可能性があります [46]。 pH 応答性ナノ薬物送達システム: pH 刺激下での身体特性の変化によりナノ粒子が解重合し、腫瘍細胞への標的薬物送達の目的を達成します [47]。 還元的ナノドラッグデリバリーシステム：腫瘍細胞と正常組織におけるGSHの濃度差に応じて、還元感受性のナノキャリア材料を設計します。 担体材料に含まれるジスルフィド結合またはジセレン結合は、細胞内 GSH によって還元されて切断される可能性があり、その結果、担体の特性に劇的な変化が生じ、カプセル化された薬物が放出されます [48]。

5.2. フェロトーシスにおけるGSSG減少中のNADPH枯渇に基づくナノ薬物設計

フェロトーシスは、鉄および酸化還元ホメオスタシスの変化を特徴とするプログラムされた細胞死経路です。 フェロトーシスの特殊性は、鉄に依存した ROS の蓄積であり、その結果脂質過酸化と細胞死が起こると一般に考えられています [49]。 さらに、フェロトーシスは、抗酸化システム（グルタチオンシステム）におけるコア酵素 GPX4 の制御の低下も示します。 過酸化脂質は GPX4 によって除去されます。 GPX4 の活性が阻害されると、より多くの過酸化脂質が生成され、酸化的不均衡とフェロトーシスの発生が引き起こされます [50]。 したがって、GPX4 活性を低下させるための GPX4 阻害または GSH 生合成の調節は、フェロトーシス誘導のための 2 つの典型的なアプローチです。 GSSG は GSH-R により GSH に還元され、NADPH を消費します。 NADPH は脂質ヒドロペルオキシドの除去に必須の細胞内還元剤であり、これらのプロセスが障害されるとフェロトーシスが引き起こされます [51]。 さらに、フェロトーシスの別のメカニズムはアラキドン酸/アドレン酸 (AA/AdA) であり、PE-AA-OOH の蓄積がフェロトーシスのもう 1 つの明らかなマーカーです。 細胞内のPE-AA-OOHの蓄積はGPX4の活性に依存しており、GPX4の存在下ではPE-AA-OOHがPE-AA-OHに酸化される可能性があることは注目に値します[52-54]。 したがって、図 3B に示すように、NADPH の枯渇、過剰な PE-AA-OOH、および GPX4 欠乏が、誘導性フェロトーシスの主な特徴として一般に提案されています [55-57]。

図 3. 以下に関与する GSH の病因。(A) ポリオール経路のメカニズム [21]。 (B) フェロトーシスのメカニズム [58]。

王ら。 [58] は、嫌気的環境下で切断されるニトロイミダゾール結合ポリペプチド (DHM@RSL3) を備えたアゾベンゼン リンカーを設計しました。 DHM@RSL3 ナノミセルは細胞に入り、切断されて GPX4 阻害剤の一種である RSL3 を放出します。 一方、アゾベンゼンは、GSH および Trx(SH)2 の合成における重要な補酵素である NADPH を枯渇させ、その結果、GSH および Trx(SH)2 の含有量が減少し、フェロトーシスを二重に誘導して腫瘍細胞のアポトーシスを促進します。 趙ら。 [59] は、GPX4 を標的とするためにミセルにカプセル化された RSL3 鉄 FL 蛍光誘導剤を調製しました。 彼らは、薬剤耐性のヒト卵巣腺癌細胞モデルにおいて、RSL3 ミセルが活性化可能な対照ミセルよりも 30 倍毒性があることが判明した。 これは主に、フェロトーシスを誘導するRSL3の能力を高めるGSHの減少によるものです。

5.3. 腫瘍微小環境におけるGSH還元能に基づくナノ薬物設計

5.3.1. ナノドラッグデリバリーシステムにおける酸化還元感受性の理論

GSH は、細胞内の還元剤としての主要なメルカプタンジスルフィド酸化還元緩衝液であると考えられています [60,61]。 血液中の GSH 濃度は細胞内の濃度の 0.1 パーセントから 1 パーセントにすぎません [62]。したがって、血液は通常、GSH が媒介する酸化還元反応が少ない環境です。 しかし、腫瘍細胞は、酸化ストレスが生成されると異常な腫瘍代謝とGSHレベルの上昇を特徴とし、腫瘍細胞のサイトゾルGSH濃度（2～20 mmol・L -1 ）は正常細胞の1000倍高くなり、その結果、強力な還元環境を提示する[63,64]。 この極端な濃度差により、GSH はドラッグデリバリーシステムにおける酸化還元トリガーとなります。 したがって、酸化還元感受性の標的ナノ薬物送達システムが出現し、その主な設計特徴は、担体主鎖、側鎖、または架橋剤に応答性化学結合を導入することである。 さらに、これらの化学結合は、血液や組織などの人体の通常の環境では比較的安定していますが、高濃度のGSHでは酸化還元反応が起こりやすく、化学結合が切断されて薬物が放出され、正確な送達が実現されます。腫瘍細胞における薬物の影響 [65,66]。

5.3.2. GSHと反応する化学結合

酸化還元感受性の化学結合は、酸化還元感受性の標的ナノドラッグデリバリーシステムにおいて重要な役割を果たしており、これはデリバリーシステムのスイッチに相当し、薬物放出に直接影響を与える。 ジスルフィド結合 (-SS-)、モノチオエーテル結合 (-S-)、-Pt-O- の共役結合、ジセレニド共役結合 (-Se-Se-) など、一般的な酸化還元に敏感な化学結合がいくつかあります。 、-Se-N-の共役結合、モノセレン結合（-Se-）。 そのうち、ジスルフィド結合は、がん治療のための還元応答性薬物送達システムの開発に広く使用されています。 一般的な酸化還元感受性化学結合の種類と特徴を表 1 に示します。

5.3.3. 異なる化学結合に基づいたナノドラッグ設計 SSを含むナノドラッグ

ジスルフィド結合 (SS) は、最も一般的な GSH 還元感受性結合の 1 つであり、-SS- を導入する主な方法は、酸化還元感受性結合を備えたプロドラッグを設計することです。 シャオら。 [67] は、カンプトテシンとクロランブシルをジスルフィド結合によって結合させ、新しい薬物結合プロドラッグを設計することに成功した。 腫瘍細胞内の高濃度の GSH の下では、ジスルフィド結合が破壊され、これら 2 つの抗がん剤が効果的に放出されます。 単一の抗がん剤と比較して、2 つの抗がん剤は腫瘍細胞を効果的に殺すだけでなく、正常細胞に対する副作用を顕著に軽減します (図 4A)。 コルサンドら。 [68] は、ペンダントジスルフィド標識メタクリレートポリマーブロック (PHMssEt) と親水性ポリ (エチレンオキシド) (PEO) ブロックからなるチオール応答性分解性ミセルを設計しました。 PEO-b-PHMssEt のジスルフィド結合は GSH の作用により切断され、自己集合ミセルが不安定になります。 この GSH によって引き起こされるミセルの不安定性により、ミセルのサイズ分布が変化し、大きな凝集体が形成されるため、カプセル化された抗がん剤の放出が促進され、多機能な薬物送達用途が提供されます (図 4B)。 サンら。 [69] は、より高い二重酸化還元感受性、より速い腫瘍特異的薬物放出、およびより強力な抗腫瘍活性を備えた PTX-SS CIT ナノ粒子を調製しました (図 4C)。 ルオら。 [70] は、PTX と OA をジスルフィド結合で架橋することにより、新規な酸化還元応答性複合体 (PTX-SS-OA) を設計しました。 PTX SS-OA ナノ粒子は、タキソールおよび PTX-OA の両方に対して明確な優位性を示し、ナノ粒子による治療後のマウスでは腫瘍がほぼ完全に消失しました (図 4D)。 さらに、ジスルフィド結合に基づいた抗腫瘍治療用のナノ薬物設計が数多くあり[71,72]、これらはナノ薬物送達システムの設計に有望な展望を提供する。

図 4. ジスルフィド結合を有するさまざまな GSH 応答性抗がん剤の概略設計。 (A) ジスルフィド結合 (SS) 超分子抗がん剤と結合したカンプトテシンとクロランブシル。 ナノ粒子は GSH で CPT に切断される [67]。 (B) GSH 応答性分解性 PEO-b PHMssEt ミセル。 PEO-b-PHMssEt は GSH で PEO-b-PHMSH に切断されます [68]。 (C) ジスルフィド結合架橋プロドラッグ PTX-SS-CIT は GSH により異なる化合物に切断されます [60]。 (D) PTX と OA をジスルフィド結合で架橋することによる酸化還元応答性複合体 (PTX-SS-OA)。 PTX-SS-OA による GSH による PTX への切断 [70]。

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