JP3832970B2

JP3832970B2 - 温度応答型生体内分解性高分子

Info

Publication number: JP3832970B2
Application number: JP12797998A
Authority: JP
Inventors: 伸彦由井
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2018-05-11
Also published as: JPH11322941A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、温度応答型生体内分解性高分子に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、薬物送達システム（ＤＤＳ）のための新しい薬剤構成を可能とする、温度応答型生体内分解性高分子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
これまでの薬物送達システムを目的とした生体内分解性高分子材料の多くは、材料中に溶解あるいは分散した薬物を材料の生体内分解により徐放する疎水性高分子材料に限定されていた。それと言うのも、材料の分解に律速な薬物放出を実現するには、材料中の薬物拡散を制御して非分解時の薬物漏出を回避するとともに、材料の不安定性（生体内分解性）を向上させて、材料の加水分解を表面近傍に限定することが不可欠であったが、通常、材料の生体内分解は酵素的あるいは非酵素的加水分解によっているので、従来では、材料中への侵入速度と加水分解速度とを制御する立場から、結果として材料自身を疎水性にして水の侵入速度を制限するとともに、高分子鎖の不安定性を増して分解速度を上げざるをえなかったからである。しかしながら、このことは、製剤としての保存安定性の低下や材料の埋植時の生体適合性の低下をもたらし、製品化や適用部位に制限を生じることとなっていた。
【０００３】
また近年では、生体の恒常性を考慮して、疾患時など生体が必要とする時のみに薬物を放出するインテリジェント製剤の設計が、刺激応答性高分子を用いて可能になってきている。主には、刺激に対する高分子材料の膨潤−収縮挙動によって薬物の拡散を制御することが検討されている。だがこの場合には、材料の生体内分解挙動によって薬物放出をＯＮ−ＯＦＦと制御することは困難であった。そこで最近になって、活性酵素や一部の酵素反応を利用して、材料の刺激応答型分解性が検討されてきており、疾患に応答して薬物を送達するシステムが可能となりつつある。
【０００４】
しかしながら実際の疾患では、多種多様な生体変動が相互に関連して生起しているので、単一の生体変動によって疾患の特定やその程度を判断して薬物放出量を規定することは危険性が高い。実際の医療においても、疾患を特定するためには複数の検査項目によって総合的な診断が行なわれているように、薬物放出を制御する高分子材料の生体内分解機構にも、このような複合刺激に基づいた総合的な診断機能が必要とされている。
【０００５】
つまり、より高度な薬物療法を実現するためには、複合的な診断機能を有する埋植可能な薬物担体の実現が不可欠であり、そのための有力な方法論として、複数の刺激に応答して生体内で分解する高分子材料が求められているのである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、以上のとおりの、従来からの薬物担体としての生体内分解性高分子材料の問題点に鑑み、複合的な診断機能を有する刺激応答型高分子材料が求められているとの観点から、複数の生体変動（温度と酵素）に応答して生体内で分解する親水性高分子材料（高分子ヒドロゲル）を提供する。
【０００７】
すなわち、この出願の発明は、第１には、水溶性高分子であって、３次元網目構造を持ち、生体内分解性高分子あるいは分子中に生体内分解性部位を有する高分子に温度応答性高分子がグラフト鎖として導入されており、温度応答性高分子のグラフト鎖と生体内分解性高分子網目が体温以下では相溶しており、この状態では生体内分解性高分子を分解可能な酵素によってゲル分解は進行しないが、疾患による温度上昇によって両者が相分離してゲル表面からの酵素分解が進行する温度応答型生体内分解性高分子であって、前記温度応答性高分子がポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリジメチルアクリルアミド、これら共重合体、あるいはポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールとのブロック共重合体であり、前記３次元網目を構成する生体内分解性高分子が、構成アミノ酸がアラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、メチオニン、プロリン、フェニルアラニン、トリプトファン、アスパラギン酸、グルタミン酸、グリシン、セリン、スレオニン、チロシン、システイン、リシン、アルギニン、ヒスチジンのいずれか単独もしくは複数からなるオリゴペプチド鎖、あるいは構成多糖としてデキストラン、ヒアルロン酸、キチン、キトサン、アルギン酸、コンドロイチン硫酸、でんぷん、プルランからなるオリゴ糖鎖であり、３次元網目構造の形成前のそれぞれの分子量が５００−１００００００であることを特徴とする温度応答型生体内分解性高分子を提供する。
【０００８】
また、この出願の発明は、第２には、生体内非分解性の水溶性高分子をその構成の一部としている上記の温度応答型生体内分解性高分子であって、前記生体内非分解性の水溶性高分子は、ポリエーテルまたはポリエーテルエステルである温度応答型生体内分解性高分子を、第３には、非分解性の水溶性高分子は、その分子量が５００−１００００であり、その分子鎖中に含まれる生体内分解性部位としては、繰り返し単位が１−５であり、構成アミノ酸としてアラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、メチオニン、プロリン、フェニルアラニン、トリプトファン、アスパラギン酸、グルタミン酸、グリシン、セリン、スレオニン、チロシン、システイン、リシン、アルギニン、ヒスチジンのいずれか単独もしくは複数からなるオリゴペプチド鎖、あるいは繰り返し単位が１−５であり、構成多糖としてデキストラン、ヒアルロン酸、キチン、キトサン、アルギン酸、コンドロイチン硫酸、でんぷん、プルランからなるオリゴ糖鎖を有する温度応答型生体内分解性高分子を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の温度応答型生体内分解性高分子は、まずなによりも、従来の生体内分解性高分子ヒドロゲルのように単一の高分子鎖が架橋されているのではなく、温度応答性高分子がグラフト鎖として導入された３次元網目構造を形成していることが特徴である。このことは、単に生体内分解速度の制御ではなく、生体内分解の質的制御を可能にしている。すなわち、高分子網目を分解する疾患由来の酵素が存在するだけでは、グラフト鎖に基づく立体傷害によって酵素の接近が妨げられ、結果として分解が進行しない。これに対して、酵素の存在とともに疾患によって温度が上昇すると、たとえば、グラフト鎖が収縮して３次元網目と相分離し、酵素の網目に対する接近が容易となって加水分解がゲル表面より順次進行する。このように、刺激としての分解酵素と温度上昇が単独に存在する場合には分解せず、２つ同時に存在する場合のみ分解する。従って、この発明の温度応答型生体内分解性高分子は、従来の単独刺激により分解する高分子ゲルに比べ、より総合的な生体変動を認識することができ、生体内分解性を質的に制御できる利点を有している。
【００１０】
このように本温度応答型生体内分解性高分子では、温度応答性高分子がグラフト鎖として導入された構造により、酵素分解性の質的変化を可能にしている。これにより、複合的な診断機能を有するインテリジェント製剤や医療用マイクロマシンへの応用が期待される。とりわけこの発明によって、静注、経口、皮下埋植など広範囲な投与経路において、疾患の種類や程度など総合的な診断に基づいた薬物送達を実現する製剤の設計が可能になる。
【００１１】
より詳しくこの発明の温度応答型生体内分解性高分子の構成について説明すると、まず、３次元網目を構成している高分子全体、あるいは高分子の両末端など一部が、オリゴペプチド類あるいはオリゴ糖類などの生体内分解性高分子であり、疾患特異的な酵素によって分解されるものとするのが適当である。このような３次元網目を構成する生体内分解性高分子としては、前記のとおり構成アミノ酸がアラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、メチオニン、プロリン、フェニルアラニン、トリプトファン、アスパラギン酸、グルタミン酸、グリシン、セリン、スレオニン、チロシン、システイン、リシン、アルギニン、ヒスチジンのいずれか単独もしくは複数からなるオリゴペプチド鎖、あるいは構成多糖としてデキストラン、ヒアルロン酸、キチン、キトサン、アルギン酸、コンドロイチン硫酸、でんぷん、プルランからなるオリゴ糖鎖であり、３次元網目構造の形成前のそれぞれの分子量が５００−１００００００、望ましくは５０００−１０００００であることが好適なものとして例示される。
【００１２】
この発明の高分子には、非分解性の高分子、たとえばポリエーテルやポリエーテルエステルなどがその一部として含有されていてもよい。
たとえばポリエチレングリコールなどの非分解性の水溶性高分子を用いる場合、その分子量は、５００−１００００、望ましくは１０００−５０００であり、両末端などその分子鎖中に含まれる生体内分解性部位としては、繰り返し単位が１−５であり、構成アミノ酸としてアラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、メチオニン、プロリン、フェニルアラニン、トリプトファン、アスパラギン酸、グルタミン酸、グリシン、セリン、スレオニン、チロシン、システイン、リシン、アルギニン、ヒスチジンのいずれか単独もしくは複数からなるオリゴペプチド鎖、あるいは繰り返し単位が１−５であり、構成多糖としてデキストラン、ヒアルロン酸、キチン、キトサン、アルギン酸、コンドロイチン硫酸、でんぷん、プルランからなるオリゴ糖鎖を有するものとすることが好ましい。
【００１３】
また、温度応答性高分子としては、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリジメチルアクリルアミド、これら共重合体、あるいはポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールとのブロック共重合体が適当なものとして挙げられる。
これらの温度応答性高分子はグラフト鎖として導入されるものであるが、そのグラフト鎖長については、分子量として１０００−１０００００、望ましくは２０００−１００００の範囲となるものが考慮される。
【００１４】
なかでも、温度応答性高分子グラフト鎖と生体内分解性高分子網目が体温以下で相溶しており、この状態では生体内分解性高分子を分解可能な酵素によってゲル分解は進行しないが、疾患による温度上昇によって両者が相分離し、結果としてゲル表面からの酵素分解が進行するように、このグラフト鎖と分解性高分子とが構成されるのが望ましい。
【００１５】
以上のような、この発明の温度応答型生体内分解性高分子は、従来より知られている各種の重合方法やその条件を勘案して製造することができる。前記グラフト鎖の導入についても同様である。
たとえば３次元網目構造を成形する架橋方法については一般的に知られている多糖類の架橋方法が全て適用される。後述の実施例もその一つの方法を示しており、メタクリル基のような二重結合を導入してラジカル反応によって架橋する方法や、多糖類に存在する水酸基と反応するジイソシアネート化合物との付加反応による架橋方法等が適宜に採用される。
【００１６】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの発明について説明する。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
＜Ａ＞片末端にアミノ基を有するＮ−イソプロピルアクリルアミド（ＩＰＡＡｍ）−Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド（ＤＭＡＡｍ）共重合体（１）の合成
所定量の連鎖移動剤であるアミノエタンチオール、ラジカル開始剤であるアゾビスイソブチロアクリロニトリル（ＡＩＢＮ）およびＩＰＡＡｍ（８．２ｇ、７２ｍｍｏｌ）、ＤＭＡＡｍ（１．８ｇ、１８ｍｍｏｌ）をＤＭＦに溶解し、均一溶液とした。この溶液を７５℃で１５時間窒素雰囲気でラジカル重合した後、溶液をジエチルエーテルに投じ、共重合体を単離した。その数平均分子量は、クリスタルヴァイオレットを指示薬として用い、過塩素酸−酢酸標準溶液による滴定により算出した（表１）。下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ）は、５００ｎｍの可視光の透過度変化を観察することによって行った。図１はその結果を示したものである。
【００１８】
連鎖移動剤とモノマー濃度比を変化させて合成した１の分子量は、それぞれ２６００、４２００、８８００であった。¹Ｈ−ＮＭＲ測定より、すべての共重合体のＩＰＡＡｍ含率は０．７であった。図１の温度変化による５００ｎｍにおけるリン酸緩衝溶液（ＰＢＳ）中での透過度変化に見られるように、全てのＩＰＡＡｍ共重合体のＬＣＳＴは分子量が異なるにも依らず、３５℃付近であった。
【００１９】
【表１】

【００２０】
＜Ｂ＞片末端にメタクリル基を有するＩＰＡＡｍ−ＤＭＡＡｍ共重合体（２）の合成
＜Ａ＞の共重合体（１）（５ｇ）とメタクリル酸クロリド（２ｍｌ）および酸受容剤として過剰量のトリエチルアミンをＤＭＦに溶解し、４℃で２４時間攪拌した。反応終了後、溶液をジエチルエーテルに投じ、２を単離した。
＜Ｃ＞ＩＰＡＡｍ−ＤＭＡＡｍ共重合体をグラフト鎖として有するデキストランヒドロゲル（３）の合成
＜Ｂ＞の共重合体（２）（０．３ｇ）、メタクリル化デキストラン（Ｍａ−Ｄｅｘ）（０．７ｇ）、過硫酸アンモニウム（ＡＰＳ）（５０ｍｇ）をＤＭＳＯ３ｍｌに溶解し、均一溶液を調製した。この溶液を両面がガラスで覆われているゲル作製用スペーサーに投入した後、高圧水銀灯を用いて室温で４時間光照射した。反応終了後、ヒドロゲルを蒸留水に投じ、室温で１０日間平衡膨潤させた。
【００２１】
分子量が２６００、４２００、８８００のＩＰＡＡｍ共重合体をグラフト鎖として有するデキストランヒドロゲルをそれぞれ３ａ、３ｂ、３ｃとして、ＰＢＳ中での温度変化に伴うヒドロゲルの膨潤度変化を図２に示した。全てのヒドロゲルの膨潤度は１０−４５℃の範囲で一定であった。また、ヒドロゲル中のグラフト鎖の分子量が低いほど、ヒドロゲルの膨潤度は大きかった。図３に膨潤状態におけるヒドロゲルの透過度の温度依存性を示す。全てのヒドロゲルの透過度は温度上昇と共に低下し、温度を低下させることによって増大した。
（実施例２）
ＩＰＡＡｍ−ＤＭＡＡｍ共重合体をグラフト鎖として有するデキストランヒドロゲルの分解挙動の解析
平板状（２０×２０×２ｍｍ）に裁断した実施例１により得られたヒドロゲル（２０×２０×２ｍｍ）を、所定温度のデキストラナーゼ含有リン酸緩衝溶液（ｐＨ７．４）に浸漬し、その重量変化を経時的に測定した。異なる温度におけるデキストラナーゼの酵素活性は、各温度におけるデキストランの酵素分解速度より求め、ヒドロゲルの分解実験は、それぞれの温度で酵素活性が同一になるように調製した。
【００２２】
前記３ａは３０−４０℃のいずれの温度範囲においても完全に分解したが、酵素分解性の温度依存性は認められなかった（図４）。３ｂは３５℃以上において完全に分解したが、３０℃においては４時間３０分後に分解が停止した（図５）。３ｃの分解は、いずれの温度においても完全に進行しなかったが、その酵素分解性の温度依存性は認められた（図６）。ヒドロゲルの酵素分解性を次式の分解指数を用いて評価した。
【００２３】
分解指数（％）＝Ａ／Ａｏ×１００
（Ａｏ：分解の標準累積量、Ａ：実験から得られる分解の累積量）
図７は、分解指数の計算の特徴を図示したものであり、また図８は、計算された分解指数と温度との関係を示したものである。
３ａの分解指数は、いずれの温度においても一定であった。３ｂおよび３ｃの分解指数は温度上昇とともに増大した。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明の温度応答型生体内分解性高分子においては、複数の刺激（酵素と温度）に応じて生体内で分解することから、ゲル中に含有した薬物が複合刺激に応答してのみ放出される。すなわち、疾患の種類や程度など生体の情報を総合的に診断した上で、必要とされる薬物放出量を規定する、いわゆる複合診断による薬物投与が、生体内分解性ヒドロゲル自身の機能によって可能となる。このことにより、疾患の高度診断に基づいた治療、あるいは種々の合併症を伴うような複合的疾患の治療など、各種の疾患に対する有効性の高い薬物療法が可能となるものと期待される。また、複合的な刺激が存在する部位特異的な生体内分解性も実現可能であることから、生体内の特定な部位で医療行為を実施する医療用マイクロマシンとしての応用も期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての片末端アミノ基を有するＩＰＡＡｍ−ＤＭＡＡｍ共重合体の透過度の温度依存性を示した図である。
【図２】ＩＰＡＡｍ−ＤＭＡＡｍ共重合体をグラフト鎖とするＤｅｘヒドロゲルの膨潤度の温度依存性を示した図である。
【図３】図２に関連してＤｅｘヒドロゲルの透過度の温度依存性を示した図である。
【図４】実施例としてのＤｅｘヒドロゲル（３ａ）の酵素分解挙動を示した図である。
【図５】Ｄｅｘヒドロゲル（３ｂ）の酵素分解挙動を示した図である。
【図６】Ｄｅｘヒドロゲル（３ｃ）の酵素分解挙動を示した図である。
【図７】分解指数の計算を示した図である。
【図８】Ｄｅｘヒドロゲル（３ａ、３ｂ、３ｃ）の分解指数と温度との関係を示した図である。

Claims

水溶性高分子であって、３次元網目構造を持ち、生体内分解性高分子あるいは分子中に生体内分解性部位を有する高分子に温度応答性高分子がグラフト鎖として導入されており、温度応答性高分子のグラフト鎖と生体内分解性高分子網目が体温以下では相溶しており、この状態では生体内分解性高分子を分解可能な酵素によってゲル分解は進行しないが、疾患による温度上昇によって両者が相分離してゲル表面からの酵素分解が進行する温度応答型生体内分解性高分子であって、前記温度応答性高分子がポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリジメチルアクリルアミド、これら共重合体、あるいはポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールとのブロック共重合体であり、前記３次元網目を構成する生体内分解性高分子が、構成アミノ酸がアラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、メチオニン、プロリン、フェニルアラニン、トリプトファン、アスパラギン酸、グルタミン酸、グリシン、セリン、スレオニン、チロシン、システイン、リシン、アルギニン、ヒスチジンのいずれか単独もしくは複数からなるオリゴペプチド鎖、あるいは構成多糖としてデキストラン、ヒアルロン酸、キチン、キトサン、アルギン酸、コンドロイチン硫酸、でんぷん、プルランからなるオリゴ糖鎖であり、３次元網目構造の形成前のそれぞれの分子量が５００−１００００００であることを特徴とする温度応答型生体内分解性高分子。
生体内非分解性の水溶性高分子をその構成の一部としている請求項１の温度応答型生体内分解性高分子であって、前記生体内非分解性の水溶性高分子は、ポリエーテルまたはポリエーテルエステルである温度応答型生体内分解性高分子。
非分解性の水溶性高分子は、その分子量が５００−１００００であり、その分子鎖中に含まれる生体内分解性部位としては、繰り返し単位が１−５であり、構成アミノ酸としてアラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、メチオニン、プロリン、フェニルアラニン、トリプトファン、アスパラギン酸、グルタミン酸、グリシン、セリン、スレオニン、チロシン、システイン、リシン、アルギニン、ヒスチジンのいずれか単独もしくは複数からなるオリゴペプチド鎖、あるいは繰り返し単位が１−５であり、構成多糖としてデキストラン、ヒアルロン酸、キチン、キトサン、アルギン酸、コンドロイチン硫酸、でんぷん、プルランからなるオリゴ糖鎖を有する請求項２の温度応答型生体内分解性高分子。