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JP5967935B2 - ｉｎｓｉｔｕでのフォトバイオモデュレーションのための非侵襲性システムおよび方法 - Google Patents

ｉｎｓｉｔｕでのフォトバイオモデュレーションのための非侵襲性システムおよび方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本願は、2007年11月5日に出願された米国特許出願第11/935,655号、2008年3月31日に出願された米国特許出願第12/059,484号、2009年2月20日に出願された米国特許出願第12/389,946号、および2008年4月4日に出願された米国仮特許出願第61/042,561号に関係し、そのそれぞれの内容全体は、参照により本明細書に組み込まれている。
発明の分野
本発明は、対象における障害または状態を治療するための方法およびシステムであって、正常な健康細胞と、障害または状態を被っている細胞(以下「標的細胞」)をより良好に区別し、好ましくは、非侵襲性または最小限に侵襲性の技法を使用して実施することができる方法およびシステムに関する。
背景となるフォトバイオモデュレーション(photobiomodulation)の考察
低レベルレーザー療法(LLLT)、コールドレーザー療法、およびレーザーバイオスティムレーション(laser biostimulation)としても知られるフォトバイオモデュレーションは、新生の医学および獣医学の技法であり、これらの技法において、低レベルレーザー光に曝露すると、細胞機能を刺激または阻害し、有利な臨床効果に導くことができる。波長、強度、継続時間および治療間隔の「最良の」組合せは、様々な治療パラメータおよび技法を必要とする様々な疾患、傷害、および機能不全に対して複雑であり、時に議論の余地がある。
ある特定の強度でのある特定の波長の光(レーザー、LED、または別の単色源によってもたらされる)は、例えば、組織再生を助長し、炎症を回復させ、疼痛を軽減し、免疫系を高める。その正確な機構は、依然として調査および議論されているが、この機構は熱に関係するのではなく、光化学的であるということで一致している。観察される生物学的効果および生理的効果には、細胞膜浸透性の変化、ならびにアデノシン三リン酸および一酸化窒素のアップレギュレーションおよびダウンレギュレーションが含まれる。
すべての光誘起生物学的効果は、照射のパラメータ(波長、線量、強度、照射時間、標的細胞の深さ、および連続波モードまたはパルスモード、パルスパラメータ)に依存する。(例えば、Karu IT、「Low-Power Laser Therapy」、Biomedical Photonics Handbook、Vo-Dinh T.編、CRC Press、Boca Raton、FL、48-1〜48-25頁、(2003)を参照)。レーザーの平均出力は、一般に1〜500mWの範囲であり、一部の高ピーク出力、短パルス幅デバイスは、1〜100Wの範囲であり、一般に200nsのパルス幅である。そのとき、平均ビーム放射照度は、一般に10mW/cm2〜5W/cm2である。波長は一般に、600〜1000nmの範囲である。赤色から近赤外(NIR)領域がフォトバイオモデュレーションにとって好適である。他の波長、例えば、ニューロンに対してUV光、および前立腺組織に対して緑色光も使用することができる。最大の生物学的応答は、620、680、760、および820〜830nmで照射したとき起こる(Karu TIら、(1998). The Science of Low Power Laser Therapy. Gordon and Breach Sci. Publ.、London)。組織の大きい体積および比較的深い層を、レーザーのみによって順調に照射することができる(例えば、内耳疾患および中耳疾患、損傷した坐骨神経または視神経、炎症)。LEDは、表面の傷害を照射するために使用される。
光受容体(photoacceptor)は、照射に使用される光を最初に吸収しなければならない。電子励起状態に上がった後、これらの状態からの1次分子過程は、細胞レベルで、測定可能な生物学的効果(2次生化学的反応、または光信号伝達カスケード、または細胞信号伝達を介して)に導くことができる。赤色〜NIR領域における真核細胞についての光受容体は、細胞ミトコンドリア中に位置した呼吸鎖チトクロムcオキシダーゼの終末酵素であると考えられている。青紫色〜青色スペクトル領域では、フラボタンパク質(例えば、呼吸鎖の始端におけるNADH脱水素酵素)も、光受容体の仲間である。
フォトバイオモデュレーションの臨床用途には、例えば、軟部組織および骨損傷、慢性疼痛の治療、創傷治癒、神経再生、知覚再生/回復、ならびに場合によりさらにはウイルス感染症および細菌感染症の解決、神経疾患および精神疾患(例えば、てんかんおよびパーキンソン病)の治療が含まれる(例えば、Zhang F.ら、Nature、446:617〜9(2007年4月5日); Han X.ら、PloS ONE、2(3):e299 (2007年3月21日); Arany PRら、Wound Repair Regen.、15(6):866〜74 (2007); Lopes CBら.、Photomed. Laser Surg.、25(2):96〜101 (2007))。大きな有望性を示す1つの臨床用途は炎症の治療であり、位置および線量特異的なレーザー照射の抗炎症作用は、NSAIDと同様の結果を生じるが、潜在的に有害な副作用を伴わない(Bjordal JM、Couppe C、Chow RT、Tuner J、Ljunggren EA (2003).「A systematic review of low level laser therapy with location-specific doses for pain from chronic joint disorders」. The Australian journal of physiotherapy 49(2):107〜16)。
NIR光治療は、培養ニューロン(脳)細胞における細胞死(アポトーシス)を防止することができる(Wong-Reiley MTら、JBC、280(6):4761〜71 (2005))。光の特定の波長は、細胞増殖を促して、チトクロムcオキシダーゼを介して、ミトコンドリア、すなわち細胞内のエネルギー産生細胞小器官を活性化することができる。NIR治療は、ミトコンドリアの機能を増大させ、抗酸化保護経路を刺激することができる。NIR治療が、ミトコンドリアの機能を増大させ、抗酸化保護経路を刺激することができるという証拠は、パーキンソン病(PD)の実験室モデル(ヒトドーパミン作動性ニューロン細胞の培養物)を使用して実施されたフォトバイオモデュレーション実験に由来する(Whelan Hら、SPIE, Newsroom、1〜3頁(2008))。
光は、赤潮鞭毛藻である、シャトネラ・アンティーク(Chattonella antique)における細胞増殖および分裂に対する誘導効果および阻害効果の両方を有することも示された(Nemote Y.、Plant and Cell Physiol.、26(4):669〜674 (1985))。
興奮細胞(例えば、ニューロン、心筋細胞)が単色可視光で照射される場合、光受容体も、呼吸鎖の成分であると考えられている。これは、照射は、ミトコンドリアにおける吸収を介して、非色素(nonpigmental)興奮細胞の生理的および形態学的変化を引き起こすことができるという実験データ(Karu, T.I., (2002). Low-power laser therapy. : CRC Biomedical Photonics Handbook、T. Vo-Dinh編集長、CRC Press、Boca Raton (USA))から明らかである。後に、同様の照射実験が、低出力レーザー療法に関連して、ニューロンを用いて実施された。He-Neレーザー放射は、神経の発火パターンを変化させることが80年代に示された。HeNeレーザーを用いた経皮的な照射は、行動反射の末梢刺激の効果を模倣したことも見出された。これらの知見は、疼痛療法と関連があることが見出された(Karu TIら.、(2002))。
光受容体が光子を吸収するとき、より低い励起状態(第一一重項および三重項)から起こる電子励起とその後の光化学反応が生じる。吸収中心の電子励起は、そのレドックス特性を変化させることも知られている。これまでに、5つの1次反応が文献において論じられている(Karu TIら、(2002))。そのうちの2つは酸化還元特性の変化に関連し、2つの機構は、活性酸素種(ROE)の生成を伴う。また、吸収発色団の局所的な一過性の(非常に短時間)加熱の誘導も可能である。これらの機構の詳細は、(Karu TIら、(2002); Karu TIら、(1998). The Science of Low Power Laser Therapy. Gordon and Breach Sci. Publ.、London)に見出すことができる。
呼吸鎖の活性化を介する光生物学的作用は、細胞中で起こる一般的な機構であると考えられている。細胞代謝活性化のこのタイプの極めて重大な事象は、細胞の酸化還元電位のより酸化された方向へのシフト、ならびにATP追加合成(extrasynthesis)によって起こっている。照射に対する感受性および活性化の能力は、照射される細胞の生理的状態に依存し、全酸化還元電位が、より還元された状態(例:一部の病的な状態)にシフトしている細胞は、照射に対してより敏感である。最終の光生物学的応答の特異性は、呼吸鎖における1次反応のレベルにおいてではなく、細胞の信号伝達カスケード中の転写レベルにおいて決定される。一部の細胞では、細胞代謝の部分的な活性化のみがこの機構によって起こる(例:リンパ球の酸化還元プライミング)。
遠赤色およびNIR放射線は、例えば、感染した創傷、虚血性創傷、低酸素創傷の創傷治癒を促進することが示された(Wong-Reley、WTT、JBC、280(6):4761〜4771 (2005))。赤色〜NIR放射線はまた、メタノール毒性のげっ歯類モデルにおける、メタノール由来ギ酸の毒作用から網膜を保護し、ミトコンドリアの機能不全が役割を果たすと想定されている、網膜損傷および他の眼疾患からの回復を増強することができる(Eells JT.、PNAS、100(6):3439〜44(2003))。フォトバイオモデュレーションの他の臨床用途は、IRレーザー照射による軟部組織および骨組織の修復である(Martinez MEら、Laser in Med. Sci.、2007)。侵襲性レーザーを用いた脂肪吸引は、最近開発された方法であり、レーザーファイバーが管を通して皮膚中および直接脂肪細胞に導入され、細胞を破裂させ、液体として排出させる(Kim KH、Dermatol. Surg.、32(2):241〜48(2006))。この範囲の周囲の組織は凝固する。さらに、フォトバイオモデュレーションの別の用途は、非外科的な静脈瘤治療(静脈内レーザー療法)であり、レーザーが切開部および静脈瘤の全長に通される(Kim HS、J. Vasc. Interv. Radiol.、18(6):811 (2007))。レーザーが徐々に引き抜かれるとき、熱が静脈壁にかけられ、静脈を永久に閉鎖および消失させる。
レーザーなどの技術的進歩により、前立腺肥大の外科治療が見直された。緑色光レーザーは、前立腺肥大組織を蒸発させ、除去するレーザーである(Heinrich E.、Eur. Urol.、52(6):1632〜7 (2007))。レーザー光の色(緑色)の有意性は、これが、赤血球内に含まれるヘモグロビンによる吸収をもたらし、水によって吸収されないということである。この手順は、レーザー前立腺切除術またはレーザー経尿道的前立腺切除術(TURP)としても知られている場合がある。この技法は、前立腺の莢膜に到達するまで、レーザーを用いて前立腺肥大をペイントすること(painting)を伴う。前立腺のこの部分を除去することによって、患者は、前立腺における広く開いたチャネルによってはるかに容易に排尿することができる。この手順は、全身麻酔または脊椎麻酔下で実施される必要がある。この手順の利点は、従来の手術と比較して出血が少ないため、抗凝血剤(例えば、脳卒中を防止するためのアスピリン)を服用している患者でさえも治療することができることである。
さらに、フォトバイオモデュレーションの別の領域の用途は、光を用いた脳細胞活動の直接制御である。この技法はNIR分光法に基づき、機能的磁気共鳴画像法およびポジトロン放出断層撮影などの他の方法より、使用するのが単純であり、安価である。
脳の一領域が活性化されているときはいつでも、脳のその部分はより多くの酸素を使用する。この技法は、脳における血流および酸素消費量を測定することによって機能する。NIRレーザーダイオードによって放出される光は、光ファイバーを通して人の頭部に搬送される。光は頭蓋を貫通し、そこでこの光は脳の酸素レベルおよび血液量を評価する。次いで散乱光が光ファイバーにより収集され、検出器に送られ、コンピューターによって分析される。どのぐらいの量の光が散乱され、どのぐらいの量が吸収されるかを検査することによって、脳の部分、および脳の活動についての抽出された情報をマッピングすることができる。散乱を測定することによって、どこでニューロンが発火しているかが求められる。これは、科学者は、血液の豊富さと神経活動の両方を同時に検出することができることを意味する。この技法は、多くの診断用途、予後用途、および臨床用途において使用することができるであろう。例えば、これは、小児において血腫を見つける、睡眠時無呼吸の間の脳内の血流を研究する、毎日、またはさらには毎時間に基づいて、回復中の脳卒中患者をモニターする(MRIを用いて行うには非現実的である)のに使用することができるであろう。この技法をバリデートするために、脳の研究における現在の「優れた基準」である、NIR分光法および機能的MRIによって同時に得られた脳内のヘモグロビン酸素濃度が比較された。両方法は、指の動作と休止による刺激の周期的なシーケンスの間の脳の運動皮質の機能マップを作成するのに使用された。指の運動に関係する、運動皮質におけるヘモグロビンの信号とMRI信号の間の空間的な一致が実証された。研究者らは、ヘモグロビン酸素レベルと、脳の活動による散乱の変化との間のコロケーションも実証した。速いニューロン信号に関連する散乱の変化は、正確に同じ位置に由来した。
低強度レーザー光-酸素癌療法は、フォトバイオモデュレーションの別の用途である。光-酸素効果(LOE)は、光力学作用と同様の、分子酸素が一重項状態に転換されるような、生物系に溶解した分子酸素の直接光励起による、すなわち細胞中に溶解したO2に由来する分子一重項酸素の光生成による、低光線量での光放射による生物系の活性化または損傷を伴う(Zakharov SDら、Quantum Electronics、29(12):1031〜53(1999))。He-Neレーザー放射は、光感受性物質の存在または非存在下で腫瘍細胞を破壊することが示された。LOEは、少ない光線量によって活性化することができ、これは、光力学作用(PDE)の形態でのよく知られた類似効果と比較した場合に見られる光線量より4〜5桁低い。
「ケージド(caged)」分子および感光性タンパク質を使用したフォトバイオスティムレーション(photobiostimulation)
このタイプのフォトバイオモデュレーション法は、2つの一般的なカテゴリーに分類される。一組の方法は、光を使用することによって化合物をアンケージし、次いでこの化合物は生化学的に活性となり、下流のエフェクターに結合する。例えば、この方法は、「ケージド」化学物質を試料にアプライし、次いで光を使用してケージを開くことによって反応を引き起こすことを伴う。改変グルタメートは、ニューロン同士間の興奮性結合を見つけるのに有用であるが、これは、アンケージド(uncaged)グルタメートが、別のニューロンに影響を与えている1つのニューロンの天然のシナプス活性を模倣するためである。この方法は、例えば、2光子グルタミンアンケージングを使用して、脳切片におけるニューロン機能およびイメージングの解明に使用される(Harvey CDら、Nature、450:1195〜1202 (2007); Eder Mら、Rev. Neurosci.、15:167〜183 (2004))。他の信号伝達分子、例えば、GABA、二次のメッセンジャー(例えば、Ca2+およびMg2+)、カルバコール、カプサイシン、およびATPも、UV光刺激によって放出されうる(Zhang F.ら、2006)。
他の主要なフォトスティムレーション法は、ロドプシン(ChR2)などの感光性タンパク質を活性化するための光の使用であり、次いでこれは、オプシンを発現する細胞を励起することができる。
光センサーおよび陽イオンチャネルを含有するモノリシックタンパク質(monolithic protein)であるチャネルロドプシン-2は、適切な速度および規模の電気的刺激をもたらすことによって、神経細胞のスパイク発火を活性化することが示された。最近、光阻害、すなわち光による神経活動の阻害は、光により活性化されたクロライドポンプハロロドプシンなどの分子の神経制御への適用に実現可能となった。合わせて、青色光により活性化されたチャネルロドプシン-2、および黄色光により活性化されたクロライドポンプハロロドプシンは、多色の光学的活性化、および神経活動のサイレンシングを可能にする。
ChR2フォトスティムレーションは、ChR2をニューロンへと遺伝的にターゲティングすること、およびChR2タンパク質を発現するニューロンに光パルスを発することを伴う。実験は、in vitro、および外側視床下部中に光を送達するために光ファイバーを使用して、in vivo深部脳フォトスティムレーションによって、マウスにおいてin vivoで行われた(Adamantidis ARら、Nature 450:420〜425 (2007))。ChR2の遺伝的ターゲティングにより、規定された細胞サブセットの独占的な刺激が可能になり、ケージドグルタメートを添加する必要が回避され、in vivoでのフォトスティムレーションを促進する(Wang H.ら、PNAS、104(19):8143〜48 (2007))。ChR2フォトスティムレーションは、視覚障害を有するマウスにおける視覚活動を回復させるため、虫およびハエにおける行動反応を喚起するために使用された(Wang H.ら、2007)。マウスにおけるChR2を用いたフォトスティムレーションによって誘発されたロバストな連合学習は、in vivoでの知覚および認識の回路基礎(circuit basis)を研究するための門戸を開放する(Huber D.ら、2007)。この種類の神経細胞標的化および刺激は、臨床用途、例えば、パーキンソン病および他の障害を治療するための深部脳刺激、行動特性、知覚特性、および認知特性の制御、脳がどのように機能するかの画像化および研究を有することができる(Zhang F.ら、Nature Methods、3(10):785〜792 (2006); Wong-Riley MT.ら、JBC、280(6):4761〜4771 (2005)).
古細菌と呼ばれる微生物から流用される別の遺伝子であるクロライドポンプ(NpHR)は、黄色光の存在下で活性が低いニューロンを作ることができる。合わせると、2つの遺伝子ChR2およびNpHRは、今度は運転者が交通信号に従うように、ニューロンを光のパルスに従わせることができる:青色は「進め」(信号を発しなさい)を意味し、黄色は「止まれ」(発してはならない)を意味する。
感光性タンパク質は、電気穿孔、DNAマイクロインジェクション、ウイルス送達、リポソームトランスフェクション、およびリン酸カルシウム沈殿を含めたいくつかの技法によって、細胞または生きている対象中に導入することができる。
第3のフォトスティムレーション技法は、イオンチャネルおよび受容体を光応答性にするための、これらの化学修飾である。細胞中のいくつかの最も基本的な信号伝達機構は、Ca2+イオンの放出および取込みを伴う。Ca2+は、受精、分化、増殖、アポトーシス、シナプス可塑性、記憶、およびアクソンの成長を制御することに関与する。Ca2+波は、UV照射(1光子吸収)およびNIR照射(2光子吸収)によって、ケージドCa2+、細胞外プリン作動性メッセンジャーInsP3 (Braet K.ら、Cell Calcium、33:37〜48 (2003))、またはイオンチャネルリガンド(Zhang F.ら、2006)を放出することによって誘導することができることが示された。
光を用いて脳細胞活動を直接制御することは、神経回路を試験するための新規の手段であり、いくつかの障害のための療法に導くことができるであろう。この成果は、ミリ秒の時間尺度で神経回路の動態をマッピングすることによって、これらの動態の機能障害が、重度の精神症状の根源であるかどうかをみるという目的に向けたステップである。様々なニューロンが有する効果を知ることは、研究者が、健康な脳回路および不健康な脳回路の機能を理解するのに最終的に役立つことができるであろう。この技法を使用することにより、特定の種類のニューロンの活動の変化が、症状の根源であることを示すことができる場合、例えば、この洞察により、こうしたニューロンを修復するための標的遺伝子治療または標的薬剤治療の開発が可能になる。考えられるところでは、光を用いた神経細胞活動の直接制御は、いつかそれ自体で療法となりうるであろう。
生きている生物では、科学者らは、虫のC.エレガンス(C. elegans)に、その遺伝子改変させた運動ニューロンが顕微鏡を通じて強められた黄色光のパルスに曝されている間、泳ぐことを停止させることができた。いくつかの実験では、青色光への暴露は、この虫に、これらが落ち着いていながら移動していない様式で小刻みに動くことをさせた。光を消したとき、この虫はその正常な挙動を取り戻した。
その一方で、マウスから抽出された生きている脳組織での実験において、研究者らは、この技法を使用することによって、ニューロンが自然にするように、ミリ秒の時間尺度でニューロンに信号を送らせ、または停止させることができた。他の実験により、細胞は、光への曝露から悪影響をまったく受けないように思われることが示された。これらは、曝露が終了すると、その正常な機能を取り戻す。
ニューロンの光学制御の最も直接的な用途は、神経回路を試験することによって、不健康な神経回路が機能しなくなる理由、および健康な神経回路が機能する方法を求めることである。
例えば、パーキンソン病を有する患者では、研究者らは、細胞の電気的な「深部脳刺激」により、患者を助けることができることを示したが、彼らは正確な理由を知らない。研究者らに、脳内の様々なニューロンを選択的に刺激または抑制させることによって、光刺激技法は、どの特定のニューロンが深部脳刺激から利点を受けているかを求めることに役立つことができるあろう。これは、いくつかの望まれない副作用を有する電気的治療を、より的を絞ったものにすることに導くことができるであろう。
別の潜在的な用途は、神経連絡(neural communication)のシミュレーションを試験することである。ニューロンは、バイナリーコンピューターコードの0と1のように、時にオンおよび時にオフの信号のパターンを生成することによって連絡するので、これらのパターンにおける青色光と黄色光の点滅は、実際の神経の指示に対応するメッセージをニューロンに放出させる。将来、これは、洗練されたニューロン挙動を試験および調整することを可能にすることができるであろう。はるかに遠い将来、運動指示などの神経信号を人工的に刺激する能力は、医師が損傷した脊柱における妨害物を克服することを可能にし、おそらく麻痺した患者の肢にいくらかの機能を回復させることができるであろう。
最後に、この技法は、健康な脳の大部分の未知の機能を引き出すのに有用となりうるであろう。
LLLT、コールドレーザー療法、およびレーザーバイオスティムレーションに伴う問題
バイオスティムレーションのために現在使用されているレーザーシステムでは、外科的侵襲を伴わずに、厚い組織内の深い領域においてフォトバイオモデュレーションを実施することが可能でない。レーザー療法は、標的細胞および組織の表面または表面付近で大部分は行われるが、これは、フォトバイオモデュレーションおよびフォトバイオスティムレーションに使用されるUVおよび赤色〜NIR放射線が浸透するのは、皮膚の表面の下の数センチメートル以下であるためである。さらに、脳細胞のイメージングおよび刺激は、薄い脳切片、または細胞の薄い単層もしくは懸濁液において主に可能である。in situでのより深部の組織のレーザー療法のために、対象は、様々な侵襲性外科手術、例えば、切開部を介した脂肪層もしくは静脈中へのファイバーの侵襲性挿入、深部組織中への放射線源の移植、またはバレル皮質の上へのグラスウィンドウ(glass window)の移植を受ける(Huber D.ら、Nature、451:61〜66 (2007))。フォトバイオモデュレーションの既存方法に関連した別の問題は、正常細胞と標的細胞の区別にあることがさらによく認識されている。
光線療法
光線療法には、2つの主なタイプの反応がある。
(1)タイプIの反応は、電子および水素原子を伴い、これらは、光活性分子(光感受性物質とも呼ばれる)と基質または溶媒分子の間で移される。酸素が後続の反応に関与する場合がある:例えば、フォトフェレーシスおよびPUVAにおけるソラレン。
(2)タイプII反応は、最低三重項状態におけるPA分子から基底状態における酸素へのエネルギー移動による一重項酸素形成を伴う:例えば、光力学療法(PDT)。
光力学療法(PDT)は、細胞を殺すために光感作薬およびレーザー光を使用する治療モダリティーである。PDTは比較的新しい光に基づく治療であり、早期および後期肺癌の両方の治療のために、米国食品医薬剤局(United States Food & Drug Administration) (FDA)によって最近認可された。他の国々も同様に様々な癌の治療のためにPDTを認可した。化学療法、放射線、および手術と異なり、PDTは、小細胞癌、非小細胞癌に関わらず、すべての細胞型を治療するのに有用である。PDTは、組織を破壊または改変するために、in vivoでの光力学作用によって、特別な光活性クラスの薬物に対する光作用を使用して、癌などの疾患を治療することを伴う[Dougherty T.J.およびLevy J.G.、「Photodynamic Therapy and Clinical Applications」、Biomedical Photonics Handbook.、Vo-Dinh T.編、CRC Press、Boca Raton FL (2003)]。様々な癌を治療するために最初に開発されたPDTは、前癌性状態、例えば、光線性角化症、バレット食道における高度異形成、および非癌状態、例えば、様々な眼疾患、例えば、加齢黄斑変性症(AMD)の治療を含むまでに現在使用されている。光力学療法(PDT)は、様々な癌(肺、食道)およびAMDの両方のために、世界的に商業化するために認可されている。
PDTプロセスは3つの要素、すなわち、(1)PA薬(すなわち、光感受性物質)、(2)光感受性物質を励起することができる光、および(3)内因性酸素を必要とする。想定される細胞毒性薬は、以下のようなタイプIIの光化学過程によって形成される基底状態の三重項酸素の電子励起状態である、一重項酸素である。
PA + hν → 1PA* (S) 励起
1PA* (S) → 3PA* (T) 一重項から三重項状態についての系間交差
3PA* (T) + O2 → 1O* 2 + PA 薬物から一重項酸素へのエネルギー移動
式中、PA = 基底状態での光活性薬物; 1PA* (S) = 励起一重項状態; 3PA* (T) = 励起三重項状態; 1O* 2 = 酸素の一重項励起状態。
三重項状態は比較的長い寿命(μsec〜数秒)を有するので、励起三重項状態への効率的な系間交差を起こす光感受性物質のみが、酸素と衝突することによって一重項酸素を生成するための十分な時間を有する。基底状態と一重項酸素の間のエネルギー差は94.2kJ/molであり、約1270nmの近赤外における遷移に対応する。臨床用途におけるほとんどのPA光感受性物質は、40〜60%の範囲の三重項量子収率を有し、一重項酸素収率はわずかに低い。競争過程には、蛍光による基底状態への失活によるエネルギーの損失、または内部転換(環境もしくは周囲媒質へのエネルギーの損失)が含まれる。
しかし、高収率の一重項酸素が望ましいが、これは、光感受性物質が臨床的に有用であるのに決して十分ではない。薬物動態、薬力学、in vivoでの安定性、および許容される毒性も同様に極めて重要な役割を果たす[Henderson BW、Gollnick SO、「Mechanistic Principles of Photodynamic Therapy」、Biomedical Photonics Handbook、Vo-Dinh T編、CRC Press、Boca Raton FL (2003)]。例えば、同様に必然的に励起光に曝される正常な組織と比べて、腫瘍または治療される他の組織中への相対的に選択的な取込みを有することが望ましい。ある特定の細胞小器官は、他の細胞小器官(例えば、ミトコンドリア)よりPDT損傷に対してより敏感であると思われるので、光感受性物質の細胞内局在化などの薬力学的事項は重要となりうる。治療に対する完全な応答を得るために、高線量の光感受性物質が必要である場合、毒性が問題となりうる。PDT薬活性に関連する重要な機構は、細胞におけるアポトーシスを伴う。光を吸収すると、光感受性物質(PS)は、ラジカルおよび一重項酸素などの細胞毒性種の直接的または間接的生成に導く化学反応を開始する。細胞毒性種が細胞内細胞小器官および巨大分子(タンパク質、DNAなど)と反応すると、PDT薬を受け入れている細胞のアポトーシスおよび/またはネクローシスに至る。腫瘍への光の局所送達と合わせた、癌細胞中のPDT薬物分子の優先的な蓄積は、癌病変部の選択的破壊をもたらす。他の従来の抗癌療法と比較して、PDTは、健康細胞の全身性の破壊を伴わない。直接的な細胞殺害に加えて、PDTは、血管系にも作用することができ、腫瘍への血流を低減し、そのネクローシスを引き起こす。特定の場合では、これは、より侵襲性でない手術の代替として使用することができる。
ポルフィリン系感作物質を含めた、PDTに使用されるいくつかの化学種が存在する。精製ヘマトポルフィリン誘導体であるPhotofrin(登録商標)は、米国食品医薬剤局の認可を受けた。ポルフィリンは一般に、皮膚上もしくは皮膚直下、または内臓もしくは内腔のライニング上の腫瘍に使用され、その理由は、これらの薬物分子が、640nmより短い波長の光を吸収するためである。組織の深部で発生する腫瘍のために、NIR領域において吸光度を有する第二世代感作物質、例えば、ポルフィリン系システム[R.K Pandey、「Synthetic Strategies in designing Porphyrin-Based Photosensitizers」、Biomedical Photonics Handbook、Vo-Dinh T.編、CRC Press、Boca Raton FL (2003)]、塩素、フタロシアニン、およびナフタロシアニンなどが調査された。
PDTは、正常な組織中より長い時間、腫瘍中でいくつかの光感受性物質を保持し、したがって治療選択性において潜在的な改善を提供する。Comer C.、「Determination of [3H]- and [14C] hematoporphyrin derivative distribution in malignant and normal tissue」、Cancer Res 1979、39: 146〜151 ; Young SWら、「Lutetium texaphyrin (PCI-0123) a near-infrared, water-soluble photosensitizer」、Photochem Photobiol 1996、63:892〜897;およびBerenbaum MCら、「Meso-Tetra(hydroxyphenyl)porphyrins, a new class of potent tumor photosensitisers with favorable selectivity」、 Br J Cancer 1986、54:717〜725を参照。光力学療法は、光感作薬を活性化するのに特定の波長の光を使用する。様々な光源がPDTのために開発されており、これには色素レーザーおよびダイオードレーザーが含まれる。レーザーによって生成される光は光ファイバーに結合することができ、この光ファイバーは、光が所望の部位に送られることを可能にする。Pass 1-11、「Photodynamic therapy in oncology: mechanisms and clinical use」、J Natl Cancer Inst 1993、85:443〜456を参照。研究者らによれば、Foote CS、「Mechanisms of photooxygenation」、Proa Clin Biol Res 1984、170:3〜18に開示されているように、PDTの細胞傷害効果は光酸化反応の結果である。光は、酸素の存在下で光感受性物質の励起を引き起こすことによって、一重項酸素およびヒドロキシルラジカルなどの様々な有毒種を生成する。DNAの直接的な損傷が主要な効果であることは明らかでなく、したがってこれは、DNA架橋の光活性化は効率的に刺激されないことを示しうる。
さらに、レーザー光が組織表面の外部照射によって施される場合、PDTの治療効果は数ミリメートルに限定される(すなわち、表層性)。この表層性の制限の理由は、主に光感受性物質を活性化するのに使用される可視光の限られた浸透である。したがって、PDTは、肺または腹腔内臓器などの極めて重要な臓器の表面を治療するのに使用され、下にある構造の損傷を伴わない。しかし、これらの治療でさえ、患部臓器の表面を治療するのに、著しく侵襲性な技法を必要とする。臨床的状況は、外科的減量と併せてこの手順を使用することによって、微視的な、または最小の肉眼的疾患(gross disease)の残遺物を破壊する。レーザー光ならびに少量の残っている微視的な、および最小の肉眼的疾患は、ほとんど損傷していない構造または非常に損傷した構造をもたらすことが可能である。前臨床データは、いくらかの免疫応答が発生することを示すが、臨床試験では、臨床状態において体外フォトフェレーシスによって生じる自家ワクチン効果と同様の自家ワクチン効果はまったく報告されていない。代わりに、免疫応答は、限られた条件下でのみ、および限られた継続時間でのみ活発であるように思われる。
PDTは、正常な組織中より長い時間、腫瘍中でいくつかの光感受性物質を保持し、したがって治療選択性において潜在的な改善を提供する。Comer C.、「Determination of [3H]- and [14C] hematoporphyrin derivative distribution in malignant and normal tissue」、Cancer Res 1979、39: 146〜151 ; Young SWら、「Lutetium texaphyrin (PCI-0123) a near-infrared, water-soluble photosensitizer」、Photochem Photobiol 1996、63:892〜897;およびBerenbaum MCら、「Meso-Tetra(hydroxyphenyl)porphyrins, a new class of potent tumor photosensitisers with favorable selectivity」、Br J Cancer 1986、54:717〜725を参照。光力学療法は、光感作薬を活性化するのに特定の波長の光を使用する。様々な光源がPDTのために開発されており、これには色素レーザーおよびダイオードレーザーが含まれる。レーザーによって生成される光は光ファイバーに結合することができ、この光ファイバーは、光が所望の部位に送られることを可能にする。Pass 1-11、「Photodynamic therapy in oncology: mechanisms and clinical use」、J Natl Cancer Inst 1993、85:443〜456を参照。研究者らによれば、Foote CS、「Mechanisms of photooxygenation」、Proa Clin Biol Res 1984、170:3〜18に開示されているように、PDTの細胞傷害効果は光酸化反応の結果である。光は、酸素の存在下で光感受性物質の励起を引き起こすことによって、一重項酸素およびヒドロキシルラジカルなどの様々な有毒種を生成する。DNAの直接的な損傷が主要な効果であることは明らかでなく、したがってこれは、DNA架橋の光活性化は効率的に刺激されないことを示しうる。
フォトフェレーシス(photopheresis)は、細胞増殖障害の治療に使用されて成功している。例示的な細胞増殖障害として、それだけに限らないが、癌、細菌感染、臓器移植の免疫拒絶応答、固形腫瘍、ウイルス感染、自己免疫障害(関節炎、ループス、炎症性腸疾患、シェーグレン症候群、多発性硬化症など)、またはこれらの組合せ、ならびに再生不良性貧血などの、細胞増殖が健康細胞と比べて低い再生不良性状態を挙げることができる。これらのうちで、癌がおそらくもっとよく知られている。
PDTの他の成功した用途は、例えば、心臓アブレーション療法、例えば、脳卒中の重要な原因であると考えられている心不整脈および心房細動の治療である。
U.S. 6,811,562には、光活性化可能な薬剤を投与すること、および投与された薬剤を含む心臓組織を、侵襲性な技法、例えば、ファイバー光学エレメントを使用して、350〜700nmの波長を有するレーザー照射にかけることが記載されている。
さらに、PDTの別の用途は、新規アテローム性動脈硬化症および再狭窄(restinosis)を含めた動脈疾患のための光血管形成(photoangioplasty)である(Rockson AGら、Circulation、102:591〜596 (2000); Hsiang YN.ら、J. Endovasc. Surg.、2:365〜371 (1995))。ヒト臨床用途では、血管内光(730nm)は、モテキサフィンルテチウムを静脈内投与した後、円柱状ファイバーを通じて送達される。PDTは、in vivoで血管中の内膜過形成を予防および治療するためにも使用される(例えば、U.S. 6,609,014を参照)。
加齢黄斑変性症(AMD)は中途失明の原因である。脈絡膜血管新生は、いくつかの眼疾患において出血および線維症に導く。従来の治療は、アルゴンレーザーを利用して、熱的な凝固によって漏出血管を閉鎖する。しかし、この治療に適格な患者の割合は限られている。PDTは、AMDを治療するために使用され、ベルテポルフィンの注射、その後の692nmの非熱的光のアプライを伴う。
ヘマトポルフィリンとともにPUVAを使用した乾癬斑およびパルモプスツラル(palmopustular)乾癬の臨床的外観の改善は、1937年に最初に報告された。アクネ、円形脱毛症、ブドウ酒様斑点、および脱毛も、PDT治療に対して有望性を示す。
療法の選択は通常、障害の位置および重症度、疾患の段階、ならびに治療に対する患者の応答に依存する。
治療によっては、障害の症状を管理および軽減しようとするだけの場合があるが、任意の有効な療法の究極の目的は、体の残りに損傷を伴うことなく、すべての障害された細胞を完全に除去し、または治癒させることである。
体外フォトフェレーシス(ECP)として知られる1つの既存の治療では、これが1988年にFDAによって最初に認可されて以来、優れた結果が観察されている。
体外フォトフェレーシスは、皮膚T細胞リンパ腫(CTCL)の治療のために米国食品医薬剤局によって認可された白血球搬出法に基づく免疫調節療法である。ECPは、体外光化学療法としても知られ、多数の適応症について、世界的に150を超えるセンターで実施されている。ECPが、CTCL患者について、疾患を寛解し、生存時間を改善することを示す長期間経過観察データは、多くの研究者から入手可能である。CTCLに加えて、ECPも、慢性移植片対宿主疾患(GVHD)および固体臓器移植拒絶反応を含めた、他のT細胞媒介性障害の治療において有効性を有することが示された。全身性硬化症および関節リウマチなどの自己免疫疾患を治療するためのECPの使用も探索されている。
ECPは一般に、Therakos, Inc (Exton、Pa)によって開発されたUVAR XTSフォトフェレーシスシステムを使用して実施される。このプロセスは、1つの静脈内アクセスポートを通じて実施され、3つの基本段階、すなわち、(1)白血球搬出法、(2)光活性化、および(3)再注入を有し、完了するのに3〜4時間かかる。一般的な治療セッションは、以下の順序の事象に類似する:
(1)患者において、1つの16ゲージ末梢静脈内ラインまたは中心静脈アクセスが確立され、
(2)患者のヘマトクリット値および身体サイズに応じて、血液(225mL)が、3サイクルの白血球搬出法を通じて送られ、または125mLの血液が6サイクルを通じて送られる。それぞれの白血球搬出法サイクルの最後に、赤血球および血漿が患者に戻され、
(3)収集されたWBC(約5%の末梢血単核細胞を含む)は、ヘパリン、食塩水、および8-メトキシソラレン(8-MOP)と混合され、この8-メトキシソラレンは、UVA光に曝されるとリンパ球のDNA中にインターカレートし、UVA放射線に曝されるとき、リンパ球をアポトーシスに対してより感受性にし、
(4)混合物は、UVA灯に囲まれた滅菌したカセットを通じて1mmのフィルムとして送られ、2J/cm2の平均UVA曝露をもたらし、
(5)処理されたWBC混合物が患者に戻される。
過去20年にわたって、現行の研究は、ECPの作用機序を探索している。8-MOPおよびUVA放射線の組合せは、処置されるT細胞のアポトーシスを引き起こし、活性化T細胞または異常T細胞の優先的なアポトーシス、したがって、CTCLまたはGVHDの病原性細胞の標的化を引き起こすことができる。しかし、体のリンパ球のほんの小さい割合が処置されることを考慮すると、これが唯一の作用機序でありそうにないと思われる。
他の証拠によって、ECPは、単球を、アポトーシスT細胞抗原をファゴサイトーシスし、プロセシングすることができる樹状細胞に分化することも誘導することが示唆された。これらの活性化樹状細胞が体循環中に再注入されるとき、これらは、プロセシングされたアポトーシスT細胞抗原に対して、全身性細胞毒性CD8+ T-リンパ球媒介性免疫応答を引き起こすことができる。
最後に、動物試験により、フォトフェレーシスは、同種移植拒絶反応またはGVHDの抑制に導くことができる抗原特異的調節性T細胞を誘導することができることが示されている。
しかし、ECPに対して依然として多くの制限が存在する。例えば、ECPは、患者が、1回の治療当たり数時間装置に接続されることを必要とする。ECPは、末梢静脈内ラインまたは中心静脈アクセスを確立することを必要とし、これは、全身性硬化症または関節炎などのある特定の疾患状態において行うことが困難である場合がある。静脈ラインもしくは中心ライン部位で、または中心ラインカテーテルにおいて感染のリスクもある。さらに、ECPは、一般に、患者から数百ミリリットルの全血を取り出すことを必要とし、したがって治療は、十分に大きい初期量の抜き出される血液を有する患者に限られる。米国血液銀行協会(American Association of Blood Banks)は、患者の全身の血量の15%までの体外量の制限を推奨した。したがって、治療することができるボリュームのサイズは一般に、少なくとも40kg以上でなければならない。汚染された手術システムに曝されることによって、血液由来の病原体(肝炎、HIVなど)にかかるリスクも懸念される。
あるいは、患者をin vivoで感光剤で処置し、その後患者から試料を抜き出し、in vitro(ex vivo)でUV放射線で処置し、処置された試料を患者に再注入することができる。この方法は、自家ワクチンを生成することで知られている。患者を感光剤で処置し、患者をエネルギー源に曝し、自家ワクチン効果を生じさせ、これらのすべてのステップがin vivoで行われる方法は記載されていない。WO 03/049801、U.S. 6,569,467、U.S. 6,204,058、U.S. 5,980,954、U.S. 6,669,965、U.S. 4,838,852、U.S. 7,045,124、およびU.S. 6,849,058を参照。さらに、体外フォトフェレーシスの副作用は周知であり、これには、吐き気、嘔吐、皮膚紅斑、太陽光に対する過敏症、および続発性血液悪性腫瘍が含まれる。研究者らは、心臓、肺、および腎臓の同種移植拒絶反応、自己免疫疾患、ならびに潰瘍性大腸炎を有する患者のために、実験的治療においてフォトフェレーシスを使用することを試みている。
既知の治療法の調査により、これらの方法は、多くの場合、細胞の攻撃において非選択的であることが知られている一重項酸素の生成により、治療を行うとき、正常細胞と標的細胞を区別することの根本的な困難、ならびに対象内で数センチメートルを超えて深く組織に到達するために、エクスビボで、または外科手術などの高度に侵襲性の手順によってプロセスを実施する必要に直面する傾向があることが明らかになる。
U.S. 5,829,448には、赤外光または近赤外光(NRI)などの低エネルギー光子を用いた照射を使用した、光作用物質(photo-agent)の連続かつ同時の2光子励起が記載されている。単一光子および同時の2光子励起がソラレン誘導体について比較され、この比較において、細胞は光作用物質を用いて処置され、NRIまたはUV放射線を用いて照射される。この特許は、低エネルギー照射は、UV放射線より少ない程度に吸収および散乱されるので、低エネルギー照射を用いた処置は有利であることを示している。しかし、NRIまたはUV放射線の使用は、数センチメートルの深さまでしか組織に浸透しないことが知られている。したがって、対象内深部の任意の処置は、照射源を対象とする組織に到達させるために、エクスビボ法または高度に侵襲性の技法の使用を必然的に必要とする。また、この特許には、UV、可視、および近赤外エネルギー以外のエネルギー、UVおよびIR光に対応する範囲内以外にアップグレードするエネルギー、ならびに高エネルギーから低エネルギーダウングレードするエネルギーを放出する開始エネルギー(initiation energy)源について記載されていない。
Chenら、J. Nanosci. and Nanotech.、6:1159〜1166 (2006)、Kimら、JACS、129:2669〜2675 (2007)、U.S. 2002/0127224、およびU.S. 4,979,935にはそれぞれ、対象内で作用剤の様々なタイプのエネルギー活性化を使用する治療のための方法が記載されている。しかし、この治療は、治療される組織に所望の効果を生じさせるために、一重項酸素の生成に依存し、したがって健康細胞および治療されることが望まれる患部組織の両方に影響することにおいてほとんど無差別であるという欠点をそれぞれが有する。
米国特許第6,908,591号には、照射を用いて組織を滅菌することによって、1つまたは複数の活性な生物学的な混入物または病原体、例えば、単独もしくは組合せで伝染性海綿状脳症に関与するウイルス、細菌、酵母、カビ、真菌、胞子、プリオン、もしくは同様の作用物質、および/または単細胞もしくは多細胞寄生虫のレベルを低減し、その結果、動物中の病的組織および/またはさもなければ欠陥のある組織を置換するための移植において、この組織を引き続いて使用することができる方法が開示されている。この方法は、照射の有効性を改善するため、または組織を滅菌するのに必要な曝露を低減するために、感作物質、例えば、ソラレン、ソラレン誘導体、または他の光感受性物質の使用を含むことができる。しかしこの方法は、患者を治療するのに適しておらず、光感受性物質を間接的に刺激するためのいずれの機構も教示していない。
米国特許第5,957,960号には、赤外または近赤外の波長帯を有する光を使用して、患者の体内の治療部位に光力学療法を投与するための2光子励起デバイスが開示されている。しかし、この参考文献には、開始エネルギーを活性化可能な医薬剤を活性化するエネルギーに転換するエネルギー調節剤(modulation agent)を使用する光活性化のいずれの機構、および他のエネルギー波長帯、例えば、X線、γ線、電子ビーム、マイクロ波、または電波の使用も開示されていない。
米国特許第6,235,508号には、ソラレンおよび他の光活性化可能な分子についての抗ウイルス性用途が開示されている。これには、生体液からのウイルス性および細菌性混入物を失活させるための方法が教示されている。この方法は、血液を光感受性物質および遮断剤と混合する段階と、光感受性物質を刺激するためにこの混合物を照射し、赤血球を破壊することなく、血液中の実質的にすべての混入物を失活させる段階とを含む。遮断剤は、遮断剤の存在下でない場合に起こる光感受性物質の有害な副作用を予防または低減する。この参考文献によれば、遮断剤の作用機序は、主として任意の活性酸素種のクエンチングにあるわけではない。
また、米国特許第6,235,508号には、ハロゲン化光感受性物質および遮断剤は、フォトフェレーシスにおいて、およびある特定の増殖性癌、特にファイバー光デバイスを介してアクセス可能な固体局所腫瘍、または表層皮膚癌の治療において、8-メトキシソラレン(8-MOP)に取って代わるのに適している場合があることが示されている。しかし、この参考文献では、リンパ腫または任意の他の癌を治療するのに使用するためのいずれの特異的な分子も扱われていない。代わりに、この参考文献には、未処理の血液および血漿を抗ウイルス治療するためのフォトフェレーシスのプロセスが示されている。
米国特許第6,235,508号には、ある特定の不利点を有することが教示されている、8-MOPおよび4'-アミノメチル-4,5',8-トリメチルソラレン(AMT)、および多くの他の光活性化可能な分子を遠ざける示唆がある。蛍光性光感受性物質が好適であると言われているが、この参考文献には、蛍光性光感受性物質を使用する蛍光刺激または光活性化のシステムを選択する方法が教示されていない。代わりに、蛍光性光感受性物質は、DNAに結合しているインターカレーターに限られる。この参考文献は、蛍光により、そのようなインターカレーターは、酸素ラジカルを刺激する可能性が低いことが示されることを示している。
米国公開出願第2002/0127224号には、発光ナノ粒子、および2光子活性化事象を介してナノ粒子から再放出される光によって活性化されうる光活性化可能な薬剤を投与する段階を含む光力学療法についての方法が開示されている。開始エネルギー源は通常、350〜1100nmの範囲の波長を有する光を放出する、発光ダイオード、レーザー、白熱電球、またはハロゲンライトである。開始エネルギーはナノ粒子によって吸収される。次にナノ粒子は、500〜1100nmの波長を有する光、好ましくはUV-A光を再放出し、この再放出されたエネルギーは光活性化可能な薬剤を活性化する。Kimら、(JACS、129:2669〜75、2/9/2007)は、300〜850nmに対応する範囲のエネルギー内での、2光子吸収色素ユニット(エネルギー供与体)からの蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)を通じた感光ユニット(エネルギー受容体)の間接励起を開示している。これらの参考文献には、UV、可視、および近赤外エネルギー以外のエネルギー、350〜1100nmの波長に対応する範囲内以外にアップグレードするエネルギー、ならびに高エネルギーから低エネルギーダウングレードするエネルギーを放出する開始エネルギー源について記載されていない。
これらの参考文献には、UV、可視、および近赤外エネルギーによる直接光活性化以外による、光活性化可能な分子の光活性化のいずれの機構も開示されていない。
ソラレンおよび関連化合物
米国特許第6,235,508号には、ソラレンは、アジアおよびアフリカにおいて何千年も治療的に使用されてきた天然に存在する化合物であることがさらに教示されている。ソラレンと光の作用は、白斑および乾癬を治療するのに使用されている(PUVA療法;ソラレン紫外A)。ソラレンは、塩基対、すなわち、アデニン、グアニン、シトシン、およびチミン(DNA)、またはウラシル(RNA)の間のインターカレーションによって核酸の二重らせんに結合することができる。2個のUV-A光子を連続して吸収すると、その励起状態にあるソラレンは、チミンまたはウラシルの二重結合と反応し、核酸らせんの両方の鎖に共有結合する。この架橋反応は、チミン(DNA)またはウラシル(RNA)塩基に特異的であるように思われる。結合は、ソラレンがチミンまたはウラシルを含有する部位中にインターカレートされる場合にのみ進行するが、最初の光付加物は、以下に示すように、二重らせんの2本の鎖のそれぞれと架橋結合するために、第2のUVA光子を吸収することによって、二重らせんの対向する鎖上の第2のチミンまたはウラシルと反応しなければならない。これが、2個以上の光子の同時吸収とは対照的な、示したような2個の単一光子の連続吸収である。
さらに、この参考文献には、8-MOPは、細胞およびウイルスの両方に損傷を与えるので、抗ウイルス剤として使用するのに不適当であることが教示されている。細胞またはウイルスの致死性の損傷は、ソラレンが、対向する鎖上の2つのチミン(またはウラシル)を含有する部位中の核酸二本鎖中にインターカレートされるときであるが、ソラレンが2個のUVA光子を順次吸収し、チミン(またはウラシル)が存在するときだけ起こる。Wiesehanの米国特許第4,748,120号は、血液または血液産物の処置のための光化学的汚染除去プロセスによって、ある特定の置換ソラレンを使用する例である。
抗酸化剤などの添加剤は、ソラレンの光活性化の間に形成される一重項酸素および他の高度に反応性の酸素種を捕捉するために、ソラレン、例えば、8-MOP、AMTおよびI-IMTなどとともに時に使用される。UV活性化により、そのような活性酸素種が作り出され、この活性酸素種は他の健康細胞にひどく損傷を与えることができることが周知である。ウイルス失活の多くは、ソラレンの光活性化のいずれの効果ではなく、これらの活性酸素種の結果である場合がある。ともかく、自家ワクチン効果はまったく観察されていないと考えられている。
もっとよく知られている光活性化可能な化合物はソラレンまたはクマリンの誘導体であり、これらは核酸インターカレーターである。ソラレンおよびクマリン光感受性物質を使用することにより、ウイルス不活性化の目的に有利でないか、またはプロセスにとって実際に有害である、励起状態の散逸に対する代替の化学経路を生じることができる。ソラレンおよびクマリンについては、この化学経路は、クマリンについて以下に示されているものなどの様々な開環種の形成に導く可能性がある。
この分野における研究は、一重項酸素などの高度に反応性の酸素種の光活性化機構および形成に関与する機構を単純化し過ぎている。両方は、腫瘍細胞、ウイルス、および健康細胞の不活化損傷に導くことができる。しかし、単独でも組み合わせても、自家ワクチン効果に導かない。これは、悪性細胞またはウイルスを脅威として識別し、その脅威に向けられた細胞傷害効果を持続することができる免疫応答を作り出すために、体自体の免疫系の活性化を必要とする。まったく限定することなく、体外光泳動において起こる光活性化および得られる悪性細胞のアポトーシスは、未処置の悪性細胞に対する細胞傷害効果を有する免疫応答の活性化を引き起こすと考えられる。免疫応答および細胞傷害効果の複雑性は、研究者によって完全には理解されていないが、標的にされた悪性細胞に対する自家ワクチン効果を順調に刺激するためのシステムを利用する療法は、リンパ腫を治療するための対外フォトフェレーシスを除いて実現しにくい。
Midden (W. R. Midden、Psoralen DNA photobiology、II巻(F. P. Gaspalloco編) CRC press、1頁 (1988))は、ソラレンは不飽和脂質と光反応し、分子酸素と光反応することによって、膜に致死性の損傷を引き起こすスーパーオキシドおよび一重項酸素などの活性酸素種を生成するという証拠を提示した。米国特許第6,235,508号には、8-MOPおよびAMTは、それぞれが、細胞およびウイルスの両方に無差別に損傷を与えるので、容認できない光感受性物質であることが教示されている。光感受性物質としてのフロクマリンに対する陽イオン性側鎖の効果の研究は、Psoralen DNA Photobiology、I巻、F. Gaspano編、CRC Press, Inc.、Boca Raton、Fla.、2章に概説されている。米国特許第6,235,508号は、この概説から以下のことを探り出している:ほとんどのアミノ化合物は、8-MOPと比較して、DNAに結合し、DNAと架橋を形成する能力の両方がはるかに低く、1級アミノ官能基は、光結合および架橋の両方に好適なイオン性種であることを示す。
Heindelの米国特許第5,216,176号には、上皮成長因子の光活性化された阻害剤として、いくらかの有効性を有する多数のソラリンおよびクマリンが開示されている。ハロゲンおよびアミンは、ソラレン/クマリン主鎖中に含むことができる無数の官能基の中に含まれる。この参考文献は、参照により本明細書に組み込まれている。
米国特許第5,984,887号には、CMVに感染した血液を処置するために、8-MOPを用いた体外フォトフェレーシスを使用することが開示されている。次いで、処置された細胞ならびに殺されたおよび/もしくは弱毒化されたウイルス、ペプチド、ウイルス自体の天然のサブユニット(これらは細胞が分解すると放出され、かつ/もしくは血液中に流される)、ならびに/または病原性非感染性ウイルスは、処置の前に存在していなかったウイルスに対する免疫応答を生じさせるために使用される。
PDTの問題
細胞増殖障害の診断および治療の既存方法に関連する主要な問題は、正常細胞と標的細胞の区別にあることがよく認識されている。放射線療法は、高レベルの高エネルギー放射線、例えば、高エネルギー光子、電子、またはプロトンなどを用いて細胞に照射することによって機能する。これらの高エネルギービームは、DNA鎖を構成する原子をイオン化し、これは次に細胞死に導く。手術と異なり、放射線療法は、患者を麻酔下に置く必要がなく、体の侵襲を最小限にして体内深部の障害を治療する能力を有する。しかし、そのような療法に必要な高線量の放射線は、これが病的細胞に損傷を与えるのとちょうど同じぐらい有効に、健康細胞に損傷を与える。したがって、手術と同様に、放射線療法における健康細胞と病的細胞の区別は、位置によってのみである。健康細胞と病的細胞を区別するための放射線ビームについての本質的な手段も存在しない。PDT療法において遭遇する別の問題は、侵襲性の程度が甚だしい技法を用いなければ、皮膚の表面の数センチメートルより下にある標的範囲を治療することができないことである。
したがって、健康な組織に実質的な副作用または付随する損傷を引き起こすことなく、病的細胞をより正確に標的にすることができ、非侵襲性技法または最小限の侵襲性技法によって障害を治療することができる、より良好で、より有効な治療の必要性が依然として存在する。
米国特許出願第11/935,655号 米国特許出願第12/059,484号 米国特許出願第12/389,946号 米国仮特許出願第61/042,561号 U.S. 6,811,562 U.S. 6,609,014 WO 03/049801 U.S. 6,569,467 U.S. 6,204,058 U.S. 5,980,954 U.S. 6,669,965 U.S. 4,838,852 U.S. 7,045,124 U.S. 6,849,058 U.S. 5,829,448 U.S. 2002/0127224 U.S. 4,979,935 米国特許第6,908,591号 米国特許第5,957,960号 米国特許第6,235,508号 米国特許第4,748,120号 米国特許第5,216,176号 米国特許第5,984,887号 米国特許第4,705,952号 米国特許第4,522,811号 米国特許第7,008,559号 米国特許出願公開第2007/0063154号 米国特許第6627923号
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したがって、本発明の一目的は、対象において状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、体の任意の範囲において対象の治療を可能にする一方で、非侵襲性であり、健康細胞と比べて標的細胞に対して高い選択性を有する方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、対象において状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、in situで対象中の標的構造において所定の変化を誘導することによって、前記状態、障害、または疾患を治療するために、開始エネルギー源として任意の適当なエネルギー源を使用することができる方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、開始エネルギーを吸着、強化、または改変して標的構造において所定の変化を行うエネルギーにする調節剤を使用して、状態、障害、または疾患を治療するための方法を提供することである。
本発明のこれら、および他の目的は、単独またはその組合せでの好適な実施形態の以下の詳細な説明とともにより明らかになり、そして、本発明のこれら、および他の目的は、対象における状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、治療を必要とする対象における標的構造に、少なくとも1つの供給源からの開始エネルギーをアプライする段階を含み、開始エネルギーは、in situで標的構造に接触し、前記標的構造において所定の変化を誘導し前記状態、障害、または疾患を治療する方法の発見によって果たされた。
さらに、本発明のさらなる目的は、前記開始エネルギーを吸着、強化、または改変して前記標的構造において所定の変化をもたらすエネルギーにする少なくとも1つのエネルギー調節剤を前記対象にさらに投与することである。
本発明のさらなる目的は、状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、開始エネルギー源として任意の適当なエネルギー源を使用することによって、活性化可能な医薬剤を活性化し、それによって標的構造において所定の変化を引き起こすことによって、状態、障害、または疾患を治療する方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、活性化可能な医薬剤を活性化し、ついでこれが状態、障害、または疾患を罹患している細胞を処置するために、エネルギーカスケードを使用して、状態、障害、または疾患を治療するための方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、対象において自家ワクチン効果を生じさせるための方法であって、in vivoで実施して対象の組織もしくは細胞のエクスビボ治療の必要性を回避することができ、またはエクスビボで実施することができる方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、対象において自家ワクチン効果を生じさせるための方法であって、in vivoで実施して対象の組織もしくは細胞のエクスビボ治療の必要性を回避することができ、またはエクスビボで実施することができる方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、本発明の方法を実施するためのコンピューター実施システムを提供することである。
本発明のなおさらなる目的は、本発明の方法において使用するためのキットおよび医薬組成物を提供することである。
本発明のこれら、および他の目的は、単独またはその組合せでの好適な実施形態の以下の詳細な説明とともにより明らかになり、そして、本発明のこれら、および他の目的は、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変するための方法であって、治療を必要とする対象における標的構造に、少なくとも1つの供給源からの開始エネルギーをアプライする段階であって、開始エネルギーは、in situで標的構造に接触し、前記標的構造において所定の変化を誘導する段階を含み、前記所定の変化は標的構造を改変し、標的構造の生物活性を調節する方法の発見によって果たされた。
本発明のさらなる目的は、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変するための方法であって、
(1)場合によりエネルギー調節剤、プラズモニクス活性剤、およびこれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1つのメンバーの存在下で、活性化されたとき、標的構造において所定の変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤(PA)と前記標的構造を接触させる段階と、
(2)前記標的構造に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階を含み、
- エネルギー調節剤は、存在する場合、開始エネルギーを、少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を活性化することができる活性化エネルギーにアップグレードまたはダウングレードし、
- プラズモニクス活性剤は、存在する場合、アプライされた開始エネルギーもしくはエネルギー調節剤によって生成された活性化エネルギー、またはその両方を増強または改変し、
- こうして標的構造に所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は標的構造を改変し、標的構造の生物活性を調節する方法、
ならびにこの方法を実施するためのキット、この方法を実施するための医薬組成物、コンピューター実施システム、ならびに対象において自家ワクチン効果を引き起こすための方法およびシステムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、活性化可能な医薬剤を活性化し、それによって所定の変化を引き起こすために、プラズモニクス材料と組み合わせて、開始エネルギー源として任意の適当なエネルギー源を使用することができる方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、活性化可能な医薬剤を活性化し、ついでこれが所定の変化を引き起こすために、エネルギーカスケードにおいてプラズモニクスを使用する方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、直接または間接的に、所定の変化を引き起こすエネルギーをin situで生成するための方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、細胞増殖障害を治療するための方法であって、励起子-プラズモン増強を使用して、体の任意の範囲において対象の治療を可能にする一方で、非侵襲性であり、健康細胞と比べて標的細胞に対して高い選択性を有する方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、活性化可能な医薬剤を活性化し、それによって所定の変化を引き起こすことによって状態、障害、または疾患を罹患している細胞を処置するために、励起子-プラズモン増強と組み合わせて、開始エネルギー源として任意の適当なエネルギー源を使用することができる方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、活性化可能な医薬剤を活性化し、ついでこれが状態、障害、または疾患を罹患している細胞を処置するために、エネルギーカスケードにおいて励起子-プラズモン増強を使用して、状態、障害、または疾患を治療するための方法を提供することである。
本発明の別の目的は、対象における標的構造に関連する状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、
(1)活性化されたとき、標的構造において所定の変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤、および少なくとも1つのプラズモニクス活性剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階を含み、
プラズモニクス活性剤は、アプライされた開始エネルギーを増強または改変し、その結果増強された開始エネルギーは、in situで活性化可能な薬剤を活性化し、
- こうして標的構造に所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は標的構造を改変し、前記状態、障害、または疾患を治療する方法である。状態、障害、または疾患は、異常な細胞増殖によって媒介される場合があり、前記所定の変化は、異常な細胞増殖を改善することができる。異常な細胞増殖は、前記状態、障害、または疾患を有していない対象に由来する細胞の異常な細胞増殖より高い場合があり、または低い場合がある。
治療される状態、障害、または疾患は、異常な細胞増殖によって著しく媒介されていても、されていなくてもよく、前記所定の変化は、細胞増殖に実質的に影響しなくてもよい。
本発明のさらに別の目的は、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変するための方法であって、
(1)活性化されたとき、標的構造において所定の変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤、および少なくとも1つのプラズモニクス活性剤と前記標的構造を接触させる段階と、
(2)標的構造に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、
プラズモニクス活性剤は、アプライされた開始エネルギーを増強または改変し、その結果増強された開始エネルギーは、活性化可能な薬剤を活性化し、
- こうして標的構造に所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は標的構造を改変し、標的構造の生物活性を調節する方法である。標的構造は生物の内部に存在する必要はなが、in vitroまたはex vivoのものであってもよい。所定の変化は、標的構造の発現を増強し、成長を促進し、もしくは量を増加させることができ、または所定の変化は、同様の未処置の標的構造と比較して、標的構造の通常の生物活性を増強、阻害、もしくは安定化することができる。例えば、所定の変化は、標的構造の免疫学的または化学的性質を変更することができ、この標的構造は、細胞、細胞膜、内部細胞構造、ポリペプチドまたは非ポリペプチド化合物であってもよく、これらは、前記所定の変化によって改変されることによって、抗原性または免疫原性が高く、または低くなることができる。
別の実施形態では、標的構造の改変は、医薬剤、またはプラズモニクス活性剤を必要とすることなく行うことができる。
本発明および多くのその付随する利点のより完全な理解は、これらが、添付の図面と関連して考慮される場合に以下の詳細な説明を参照してより良好に理解されるようになるにつれて容易に得られる。
メートルでの例示的な電磁スペクトルを提供する図である(1nmは10-9メートルに等しい)。 様々な波長のエネルギーの生きている組織への浸透の深さをグラフで表示した図である。 様々な波長のエネルギーの生きている組織への浸透の深さをグラフで表示した図である。 本発明の一例示的な実施形態によるシステムを例示する図である。 本発明の一実施形態による例示的なコンピューター実施システムを例示する図である。 本発明の様々な実施形態を実行するための例示的なコンピューターシステム(1201)を例示する図である。 プラズモンナノ構造、および様々な励起波長でのその理論的な電磁的増強をグラフで表示した図である。 本発明において有用なプラズモニクス光活性プローブの代表的な実施形態を提供する図である。 本発明で使用される光スペクトル(photospectral)療法のプラズモニクスで増強された効果をグラフで説明した図である。 プラズモニクス活性ナノ構造の代表的な実施形態を提供する図である。 遠隔薬物放出を用いたPEPSTプローブの一実施形態をグラフで表示した図である。 遠隔薬物放出のために様々なリンカーを用いたPEPSTプローブのいくつかの実施形態をグラフで表示した図である。 バイオレセプターを用いたプラズモニクス光活性プローブのいくつかの実施形態をグラフで表示した図である。 組織における「治療ウインドウ」および生物学的成分の吸収スペクトルをグラフで表示した図である。 本発明のエネルギー調節剤(または励起エネルギーコンバーター/EEC)-光活性化因子(photo activator)(PA)システムの一実施形態をグラフで表示した図である。 プラズモニクス光活性エネルギー調節剤-PAプローブのいくつかの実施形態をグラフで表示した図である。 XEOLを呈する金錯体の様々な好適な実施形態の構造を示す図である。 XEOLを呈する化合物のさらなる実施形態、すなわちトリス-8-ヒドロキシキノリン-アルミニウム錯体の構造を示す図である。 本発明の光活性エネルギー調節剤-PAプローブについての、プラズモニクス増強機構をグラフで表示した図である。 ソラレンの励起および放出蛍光スペクトルを示すグラフである。 分離可能な結合を有するPEPSTエネルギー調節剤-PAシステムの実施形態をグラフで表示した図である。 二重プラズモン励起のためのPEPSTプローブの実施形態をグラフで表示した図である。 カプセル化した光活性剤の使用の実施形態をグラフで表示した図である。 非侵襲性PEPSTモダリティーの本発明の原理の使用を単純化したグラフで表示した図である。 銀でコーティングされたポリスチレンナノスフェアを含むナノキャップ(ハーフ-ナノシェル)を示す顕微鏡写真である。 基本的なEIPプローブの様々な概略の実施形態を示す図である。 PAH化合物の蛍光スペクトルをグラフで表示した図である。 BaFBrマトリックス中にドープされたEuのXEOLを示すグラフである。 EIPプローブの概略設計のさらなる実施形態を提供する図である。 基本的なEPEPプローブの様々な実施形態をグラフで表示した図である。 基本的なEPEPプローブの様々な実施形態をグラフで表示した図である。 NP、NW、およびNRを有するEPEPプローブの様々な実施形態をグラフで表示した図である。 NP、NW、NR、およびバイオレセプターを有するEPEPプローブの様々な実施形態をグラフで表示した図である。 NPおよび多数のNWを有するEPEPプローブの一実施形態をグラフで表示した図である。 光活性分子がプラズモニクスプローブに結合した光活性プローブを示す図である。 金属とUC材料の間に誘電体層を有するプラズモニクス光活性プローブを示す図である。
本発明は、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変する新規の方法を示し、これは、対象における状態、障害、または疾患を治療することを含み、有効であり、特異的であり、ほとんど副作用を有さない。状態、障害、または疾患を罹患している細胞は、本明細書で標的細胞と呼ばれる。
本明細書に記載されるものと同様または等価なすべての方法および材料は、本発明を実践または試験するのに使用することができ、適当な方法および材料は本明細書に記載されている。本明細書で述べられるすべての刊行物、特許出願、特許、および他の参考文献は、その全体が参照により組み込まれている。矛盾する場合、定義を含めて、本明細書が支配する。さらに、材料、方法、および実施例は、別段の指定のない限り、例示的であるだけであり、限定していることは意図されていない。
一般に、本発明は、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変するための方法であって、
治療を必要とする対象における標的構造に、少なくとも1つの供給源からの開始エネルギーをアプライする段階を含み、開始エネルギーは、in situで標的構造に接触し、前記標的構造において所定の変化を誘導し、
前記所定の変化は標的構造を改変し、標的構造の生物活性を調節する方法を提供する。
本発明のさらなる目的は、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変するための方法であって、
(1)場合によりエネルギー調節剤、プラズモニクス活性剤、およびこれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1つのメンバーの存在下で、活性化されたとき、標的構造において所定の変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤(PA)と前記標的構造を接触させる段階と
(2)前記標的構造に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、
- エネルギー調節剤は、存在する場合、開始エネルギーを、少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を活性化することができる活性化エネルギーにアップグレードまたはダウングレードし、
- プラズモニクス活性剤は、存在する場合、アプライされた開始エネルギーもしくはエネルギー調節剤によって生成された活性化エネルギー、またはその両方を増強または改変し、
- こうして標的構造に所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は標的構造を改変し、標的構造の生物活性を調節する方法を提供することである。
好適な実施形態では、本発明は、状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、開始エネルギー源が、所定の細胞変化を直接引き起こす開始エネルギーを供給することによって、対象内の標的細胞を処置する方法を提供する。好適な一実施形態では、開始エネルギー源は、好ましくは標的細胞に近接して、エネルギー調節剤を介して間接的に施される。本発明は、状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、開始エネルギー源が、活性化可能な医薬剤を活性化する開始エネルギーを供給することによって、対象内の標的細胞を処置する方法をさらに提供する。好適な一実施形態では、開始エネルギー源は、好ましくは標的細胞に近接して、エネルギー調節剤を介して活性化可能な医薬剤に間接的に施される。本発明は、状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、開始エネルギー源がプラズモン活性剤によって増強または改変され、その結果増強された開始エネルギーは、in situで医薬剤を活性化する方法も提供する。
上記に言及したように、本発明の目的は、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変することであり、好適な実施形態では、フォトバイオモデュレーションを使用して対象における状態、障害、または疾患を治療することである。例示的な状態、障害、または疾患として、それだけに限らないが、癌、自己免疫疾患、軟部組織傷害および骨組織傷害、慢性疼痛、創傷治癒、神経再生、ウイルス感染および細菌感染、脂肪蓄積(脂肪吸引)、静脈瘤、前立腺肥大、網膜傷害および他の眼疾患、パーキンソン病、ならびに行動障害、知覚障害、および認知障害を挙げることができる。例示的な状態はまた、神経(脳)イメージングおよび刺激、光を用いた脳細胞活動の直接制御、細胞死(アポトーシス)の制御、ならびに細胞増殖および細胞分裂の変化を含むことができる。
したがって、一実施形態では、本発明は、既存方法の欠点を克服することができる方法を提供する。一般に、本発明による方法は、治療を必要とする対象における標的構造にアプライされる、少なくとも1つの供給源からの開始エネルギーを利用し、開始エネルギーは、in situで標的構造に接触し、前記標的構造において所定の変化を誘導し、こうして、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変し、好ましくは状態、障害、または疾患を治療する。開始エネルギーは、好ましくは対象を完全に貫通することができ、単一の供給源または2つ以上の供給源からアプライすることができる。例示的な開始エネルギーは、UV放射線、可視光、赤外放射線(IR)、X線、γ線、電子ビーム、マイクロ波、または電波とすることができる。
一実施形態では、プラズモニクス活性剤は、アプライされた開始エネルギーを増強または改変し、その結果増強された開始エネルギーは、前記標的構造において所定の変化を引き起こす。異なる実施形態では、プラズモニクス活性剤は、アプライされた開始エネルギーを増強または改変し、その結果増強された開始エネルギーは、調節剤によって吸収、強化、または改変されて前記標的構造において所定の変化をもたらすエネルギーになる。
さらに別の好適な実施形態では、本発明による方法は、照射による細胞変化の送達および活性化を制御するために、分子薬剤へのエネルギー移動および分子薬剤の間でのエネルギー移動の原理を利用し、その結果所望の効果の送達は、従来の技法より強化され、正確であり、有効である。少なくとも1つのエネルギー調節剤を対象に投与することができ、これは、前記開始エネルギーを吸着、強化、または改変して前記標的構造において所定の細胞変化をもたらすエネルギーにする。エネルギー調節剤は、前記標的構造の周囲、上、または中に位置することができる。さらに、エネルギー調節剤は、光子開始エネルギーを変換して、前記標的構造において所定の変化をもたらす光子エネルギーにすることができる。好適な一実施形態では、エネルギー調節剤は、光子開始エネルギーの波長を短くする。別の好適な実施形態では、エネルギー調節剤は、光子開始エネルギーの波長を長くすることができる。異なる実施形態では、調節剤は、生体適合性蛍光性金属ナノ粒子、蛍光性金属酸化物ナノ粒子、蛍光色素分子、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金でコーティングされた銀ナノ粒子、ポリアミドアミンデンドリマーによってカプセル化された水溶性量子ドット、ルシフェラーゼ、生体適合性リン光分子、複合電磁エネルギーハーベスター分子、および強いルミネセンスを呈するランタニドキレートから選択される1つまたは複数のメンバーである。
別の本発明の目的は、活性化可能な医薬剤を使用して、対象における状態、障害、または疾患を治療することである。例示的な状態、障害または疾患として、それだけに限らないが、癌、自己免疫疾患、心臓アブレーション(例えば、心不整脈および心房細動)、光血管形成(photoangioplastic)状態(例えば、新規アテローム性動脈硬化症、再狭窄)、内膜過形成、動静脈瘻、黄斑変性症、乾癬、アクネ、円形脱毛症、ブドウ酒様斑点(portwine spots)、脱毛、関節リウマチおよび炎症性関節炎、関節状態、リンパ節状態、ならびに認知状態および行動状態を挙げることができる。
したがって、一実施形態では、本発明は、医薬活性剤の送達および活性化を制御するために、分子薬剤へのエネルギー移動および分子薬剤の間でのエネルギー移動の原理を利用し、その結果所望の薬理学的効果の送達が、従来の技法より集中され、正確であり、有効である方法を提供する。
さらに別の好適な実施形態では、開始エネルギー源は、好ましくは標的細胞に近接して、活性化可能な医薬剤に直接または間接的に(調節剤を介して)アプライされる。
本発明の脈絡の範囲内で、語句「間接的にアプライされた(applied indirectly)」(またはこの語句の変形、例えば、「間接的にアプライすること(applying indirectly)」、「間接的にアプライする」、「間接的にアプライされた(indirectly applied)」、「間接的にアプライすること(indirectly applying)」など)は、開始エネルギーのアプライを参照する場合、対象の表面の下の対象中への、ならびに対象内の調節剤および/または活性化可能な医薬剤への開始エネルギーによる浸透を意味する。一実施形態では、開始エネルギーは、予め投与されたエネルギー調節剤と相互作用し、次いでこれは所定の細胞変化を活性化する。別の実施形態では、開始エネルギーは、予め投与されたエネルギー調節剤と相互作用し、次いでこれは活性化可能な医薬剤を活性化する。別の実施形態では、開始エネルギー自体が活性化可能な医薬剤を活性化する。いずれの実施形態においても、開始エネルギー源は、調節剤および/または活性化可能な医薬剤の視線内にあることはできない。「視線内にあることはできない」とは、仮想の観測者が、調節剤または活性化可能な医薬剤の位置に居る場合、観測者は開始エネルギー源を見ることができないことを意味する。
任意の特定の理論によって束縛され、または他に限定されることをまったく意図していないが、読者が本発明の理解および認識を得るのを助けるために、以下の科学的原理および定義の理論的考察を提供する。
本明細書で使用する場合、用語「対象」は、ヒトに限定されることは意図されておらず、動物、植物、または任意の適当な生物有機体も含むことができる。
本明細書で使用する場合、語句「疾患または状態」は、それだけに限らないが、癌、軟部組織傷害および骨組織傷害、慢性疼痛、創傷治癒、神経再生、ウイルス感染および細菌感染、脂肪蓄積(脂肪吸引)、静脈瘤、前立腺肥大、網膜傷害および他の眼疾患、パーキンソン病、ならびに行動障害、知覚障害、および認知障害を含むことができる状態、障害、または疾患を指す。例示的な状態はまた、神経(脳)イメージングおよび刺激、光を用いた脳細胞活動の直接制御、細胞死(アポトーシス)の制御、ならびに細胞増殖および細胞分裂の変化を含むことができる。さらに他の例示的な状態、障害、または疾患として、それだけに限らないが、心臓アブレーション(例えば、心不整脈および心房細動)、光血管形成状態(例えば、新規アテローム性動脈硬化症、再狭窄)、内膜過形成、動静脈瘻、黄斑変性症、乾癬、アクネ、円形脱毛症、ブドウ酒様斑点、脱毛、関節リウマチおよび炎症性関節炎、関節状態、ならびにリンパ節状態を挙げることができる。
本明細書で使用する場合、用語「標的構造」は、真核細胞、原核細胞、細胞内構造、例えば、細胞膜、核膜、細胞核、核酸、ミトコンドリア、リボソーム、または他の細胞小器官もしくは成分など、細胞外構造、ウイルスまたはプリオン、およびこれらの組合せを指す。
所定の細胞変化の性質は、所望の薬剤の結果に依存する。例示的な細胞変化として、それだけに限らないが、アポトーシス、ネクローシス、ある特定の遺伝子のアップレギュレーション、ある特定の遺伝子のダウンレギュレーション、サイトカインの分泌、サイトカイン受容体応答の変化、チトクロムcオキシダーゼおよびフラボタンパク質の調節、ミトコンドリアの活性化、抗酸化保護経路の刺激、細胞増殖および細胞分裂の調節、神経の発火パターンの変化、酸化還元特性の変化、活性酸素種の産生、細胞中の細胞内成分の活性、量、もしくは数の調節、細胞によって産生され、分泌され、もしくは細胞に付随する細胞外成分の活性、量、もしくは数の調節、またはこれらの組合せを挙げることができる。所定の細胞変化は、標的構造の破壊または不活性化をもたらしても、もたらさなくてもよい。
本明細書で使用する場合、「エネルギー調節剤」は、供給源からエネルギー入力を受け取り、次いで受入標的に異なるエネルギーを再放出することができる作用剤を指す。分子の間でのエネルギー移動がいくつかの方法で起こりうる。エネルギーの形態は、本質的に電子的、熱的、電磁的、動力学的、または化学的とすることができる。エネルギーは、一分子から別の分子(分子間移動)、または分子の一部分から同じ分子の別の部分(分子内移動)に移動することができる。例えば、調節剤は、電磁エネルギーを受け取り、熱エネルギーの形態でエネルギーを再放出することができる。好適な実施形態では、エネルギー調節剤は、より高いエネルギー(例えば、X線)を受け取り、より低いエネルギー(例えば、UV-A)を再放出する。いくつかの調節剤は、非常に短いエネルギー保持時間(fsの桁、例えば、蛍光分子)を有することができ、一方、他の調節剤は、非常に長い半減期(数分から数時間の桁、例えば、ルミネセント分子またはリン光分子)を有することができる。適当なエネルギー調節剤として、それだけに限らないが、生体適合性蛍光性金属ナノ粒子、蛍光色素分子、金ナノ粒子、ポリアミドアミンデンドリマーによってカプセル化された水溶性量子ドット、ルシフェラーゼ、生体適合性リン光分子、複合電磁エネルギーハーベスター分子、および強いルミネセンスが可能なランタニドキレートが挙げられる。これらの様々な例示的用途を、好適な実施形態において以下に記載する。
調節剤は、細胞の標的化目的のために担体にさらに結合することができる。例えば、生体適合性分子、例えば、UV-A帯を放出する蛍光性金属ナノ粒子または蛍光色素分子などを、エネルギー調節剤として選択することができる。
エネルギー調節剤は、好ましくは対象への全身投与によって、所望の部位(例えば腫瘍)に向けることができる。例えば、UV-A放出エネルギー調節剤は、物理的挿入によって、またはUV-A放出エネルギー調節剤を、特定の標的腫瘍においてUV-A放出源を濃縮することができる腫瘍特異的な担体、例えば、脂質、キチンもしくはキチン誘導体、キレート、もしくは他の機能性担体などと結合させるによって、腫瘍部位において濃縮することができる。
さらに、エネルギー調節剤は単独で、または一連の2つ以上のエネルギー調節剤として使用することができ、この一連のエネルギー調節剤はエネルギーカスケードをもたらす。したがって、カスケードの最後に到達し、カスケード内の最終のエネルギー調節剤が、活性化可能な医薬剤を活性化するのに必要なエネルギーを放出するまで、カスケード内の第1のエネルギー調節剤が活性化エネルギーを吸収し、これを異なるエネルギーに転換し、次いでこれはカスケード内の第2のエネルギー調節剤によって吸収されるなどである。
例示的なエネルギー調節剤は、それだけに限らないが、生体適合性蛍光性金属ナノ粒子、蛍光性金属酸化物ナノ粒子、蛍光色素分子、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金でコーティングされた銀ナノ粒子、ポリアミドアミンデンドリマーによってカプセル化された水溶性量子ドット、ルシフェラーゼ、生体適合性リン光分子、複合電磁エネルギーハーベスター分子、および強いルミネセンスを呈するランタニドキレートからなる群から選択される少なくとも1つエネルギー調節剤を含むことができる。
本明細書で使用する場合、「活性化可能な医薬剤」は、活性化信号の非存在下で不活性状態で通常存在する薬剤である。薬剤が活性化条件下で整合活性化(matching activation)信号によって活性化されるとき、これは、標的細胞に対する所望の薬理学的効果(すなわち、好ましくは所定の細胞変化)をもたらすことができる。
対応する薬剤を活性化するのに使用することができる信号として、それだけに限らないが、特定の波長の光子(例えば、X線もしくは可視光)、電磁エネルギー(例えば、電波もしくはマイクロ波)、熱エネルギー、音響エネルギー、またはこれらの任意の組合せを挙げることができる。
薬剤の活性化は、薬剤に信号を送達するのと同じぐらい単純である場合があり、一連の活性化条件をさらに前提とすることができる。例えば、前者の場合では、光感受性物質などの活性化可能な医薬剤は、UV-A放射線によって活性化することができる。活性化されると、次いでその活性状態にある薬剤は、直接細胞変化をもたらし始めることができる。
活性化が他の条件をさらに前提とすることができる場合、活性化信号の単なる送達は、所望の細胞変化を生じさせるのに十分でない場合がある。例えば、その活性状態において、ある特定の細胞構造に結合することによってその薬剤効果を実現する光活性化合物は、活性化信号が送達されるとき、標的細胞構造に物理的に近接していることを必要とする場合がある。そのような活性化可能な薬剤については、非活性化条件下で活性化信号を送達しても、所望の薬理的な効果をもたらさない。活性化条件のいくつかの例として、それだけに限らないが、温度、pH、位置、細胞の状態、補助因子の存在または非存在を挙げることができる。
活性化可能な医薬剤の選択は、いくつかの要因、例えば、所望の細胞変化、活性化の所望の形態、ならびに適用することができる物理的および生化学的制約などに大いに依存する。例示的な活性化可能な医薬剤として、それだけに限らないが、光子エネルギー、電磁エネルギー、音響エネルギー、化学反応もしくは酵素反応、熱エネルギー、または任意の他の適当な活性化機構によって活性化することができる薬剤を挙げることができる。
活性化されるとき、活性化可能な医薬剤は細胞変化をもたらすことができ、この変化には、それだけに限らないが、アポトーシス、代謝経路の向け直し、ある特定の遺伝子のアップレギュレーション、ある特定の遺伝子のダウンレギュレーション、サイトカインの分泌、サイトカイン受容体応答の変化、またはこれらの組合せが含まれる。
活性化可能な医薬剤がその所望の効果を実現することができる機構は、特に限定されない。そのような機構は、所定の標的に対する直接作用、ならびに生化学的経路の変更を介する間接作用を含むことができる。好適な直接作用機構は、薬剤を極めて重要な細胞構造、例えば、核DNA、mRNA、rRNA、リボソーム、ミトコンドリアDNA、または任意の他の機能的に重要な構造などに結合させることによるものである。間接的な機構として、活性化により代謝産物を放出して正常な代謝経路を妨害すること、活性化により化学的信号(例えば、アゴニストまたはアンタゴニスト)を放出して標的細胞応答を変更すること、および他の適当な生化学的または代謝的変更を挙げることができる。
本発明の治療は、2007年11月6日に出願された米国出願第11/935,655号(上記で参照により組み込まれている)に記載されている独特の方法によるもの、またはPDTなどの従来の治療の改良版によるものとすることができるが、アプライされるエネルギーを改変もしくは増強することによって治療を増強するためにプラズモニクス活性を使用して、またはエネルギー調節剤を使用する場合では、アプライされるエネルギー、エネルギー調節剤から放出されるエネルギー、もしくはその両方を改変してである。
好適な一実施形態では、活性化可能な医薬剤は、治療有効量でDNAまたはミトコンドリアに化学結合することができる。この実施形態では、活性化可能な医薬剤、好ましくは光活性化可能な薬剤は、エネルギー調節剤から放出される活性化エネルギーにin situで曝され、このエネルギー調節剤は、開始エネルギー源からエネルギーを受け取る。
適当な活性化可能な薬剤には、それだけに限らないが、光活性剤、ソノ活性剤(sono-active agent)、熱活性剤、および電波/マイクロ波活性剤が含まれる。活性化可能な薬剤は、小分子;生体分子、例えば、タンパク質、核酸、もしくは脂質など;超分子アセンブリー;ナノ粒子;または活性化されると薬剤活性を有する任意の他の分子実体とすることができる。
活性化可能な薬剤は、天然起源または合成起源に由来することができる。適当な活性化信号源によって活性化されることによって、所定の細胞変化をもたらすことができる任意のそのような分子実体を、本発明において有利に使用することができる。
適当な光活性剤としてそれだけに限らないが、ソラレンおよびソラレン誘導体、ピレンコレステリルオレエート、アクリジン、ポルフィリン、フルオレセイン、ローダミン、16-ジアゾルコルチゾン(diazorcortisone)、エチジウム、ブレオマイシンの遷移金属錯体、デグリコブレオマイシンの遷移金属錯体、有機白金錯体、アロキサジン、例えば、7,8-ジメチル-10-リビチルイソアロキサジン(リボフラビン)、7,8,10-トリメチルイソアロキサジン(ルミフラビン)、7,8-ジメチルアロキサジン(ルミクロム)、イソアロキサジン-アデニンジヌクレオチド(フラビンアデニンジヌクレオチド[FAD])、アロキサジンモノヌクレオチド(フラビンモノヌクレオチド[FMN]およびリボフラビン-5-ホスフェートとしても知られる)など、ビタミンK、ビタミンL、これらの代謝産物および前駆体、ならびにナフトキノン、ナフタレン、ナフトールおよび平面分子配座を有するこれらの誘導体、ポルフィリン、色素、例えば、ニュートラルレッド、メチレンブルー、アクリジン、トルイジン、フラビン(アクリフラビン塩酸塩)、およびフェノチアジン誘導体、クマリン、キノロン、キノン、およびアントロキノン、アルミニウム(III)フタロシアニンテトラスルホネート、ヘマトポルフィリン、およびフタロシアニンなど、ならびにタンパク質に対してほとんど、またはまったく効果を伴わずに核酸に優先的に吸着する化合物が挙げられる。用語「アロキサジン」はイソアロキサジンを含む。
内因性に基づく誘導体には、内因性の光活性化された分子の合成的に得られる類似体および相同体が含まれ、これらは、これらが得られる光感受性物質の低級(1〜5個の炭素)アルキルまたはハロゲン置換基を有していても、欠いていてもよく、機能および実質的な無毒性を保持する。内因性分子は本質的に無毒性であり、光放射後に毒性の光生成物を生じる場合はない。
Table 1(表1)に、光活性化されることによって、自家ワクチン効果を誘導することができるいくつかの光活性化可能な分子を列記する。
Table 2(表2)にいくつかの追加の内因性の光活性化可能な分子を列記する。
図1に、メートルでの例示的な電磁スペクトルを提供する(1nmはメートルに等しい)。
活性化可能な医薬剤およびエネルギー調節剤は、異なって、別々であってもよいが、この2つの薬剤は、独立した別々の実体である必要はないことが理解されよう。実際に、この2つの薬剤は、いくつかの異なる配置を介して互いに結合することができる。この2つの薬剤が互いに独立し、別々に動くことができる場合、これらは、一般に、共通の周囲媒質内で拡散および偶然の遭遇を介して互いに相互作用する。活性化可能な医薬剤およびエネルギー調節剤が別々でない場合、これらは合わさって1個の実体になることができる。
開始エネルギー源は、直接、または所定の細胞変化を引き起こすことができるエネルギーに開始エネルギーを移行させる調節剤を介して、細胞変化を引き起こすのに十分なレベルでエネルギーを供給することができる任意のエネルギー源とすることができる。また、開始エネルギー源は、活性化可能な薬剤を直接活性化する、または活性化可能な薬剤のための活性化エネルギーを放出するのに必要な入力量を伴って調節剤にエネルギーを供給する(間接的な活性化)のに十分なレベルでエネルギーを供給することができる任意のエネルギー源とすることができる。好ましい開始エネルギー源には、それだけに限らないが、UV-Aランプ、または光ファイバー線、光針、内視鏡、およびX線、γ線、もしくは電子ビームを生成する線形加速器が含まれる。好適な実施形態では、開始エネルギーは、対象を完全に貫通することができる。本発明の脈絡の範囲内で、語句「対象を完全に貫通することができる」は、活性化可能な医薬剤を活性化するために、対象内の任意の深さまで浸透することができるエネルギーを指すのに使用される。アプライされるエネルギーのいずれも、実際に対象を完全に貫通することは必要ではなく、単にこのエネルギーが、活性化可能な医薬剤を活性化するために、任意の所望の深さまで浸透させるために貫通することができるだけである。対象を完全に貫通することができる例示的な開始エネルギー源には、それだけに限らないが、UV光、可視光、IR放射線、X線、γ線、電子ビーム、マイクロ波、および電波が含まれる。
本発明の追加の実施形態は、状態、疾患、または障害の治療を必要とする対象において、エネルギーのin situ生成によって状態、疾患、または障害を治療するための方法であって、生成されたエネルギーは直接使用することによって変化をもたらすことができ、それによって状態、疾患、または障害を治療し、またはエネルギーは活性化可能な医薬剤を活性化するのに使用することができ、この医薬剤は活性化されると変化をもたらし、それによって状態、疾患、もしくは障害を治療する方法を提供することである。エネルギーは、それだけに限らないが、ケミルミネセンスなどの化学反応を含めた任意の所望の方法によって、または外部から対象にアプライされるエネルギーの転換によってin situで生成することができ、外部から対象にアプライされるエネルギーは、1つまたは複数のエネルギー調節剤を使用することによって、異なるエネルギー(アプライされるエネルギーより低いか、もしくは高いエネルギー)にin situで転換される。
本発明のさらなる実施形態は、状態、疾患、または障害の治療を、患部標的構造における熱の生成と組み合わせることによって治療の効果を増強する。例えば、光活性化可能な医薬剤(ソラレンまたはその誘導体など)を使用する細胞増殖障害の治療において、光活性化可能な医薬剤を直接または間接的に活性化する開始エネルギーをアプライすることによって、この医薬剤を活性化することができる。本願の他の箇所で言及したように、この開始エネルギーは、医薬化合物を活性化するのに適したエネルギーに転換することができる限り、任意のタイプとすることができる。この開始エネルギーをアプライすることに加えて、本発明のこの実施形態では、標的構造の加熱を引き起こすエネルギーがアプライされる。癌などの細胞増殖障害の場合では、加熱は癌細胞の増殖速度を増加させる。これは最初、直観に反しているように思われるかもしれないが、細胞増殖障害が、ソラレンまたはその誘導体などのDNAインターカレーション剤を使用して治療されている場合、細胞増殖のこの増大は、アポトーシスを引き起こすことにおいてソラレンを実際に補助することができる。特に、ソラレンがDNA中にインターカレートされると、細胞が次のその分裂周期を経るとき、アポトーシスが起こる。細胞が分裂する速度を増加させることによって、本発明の方法を使用してアポトーシスの開始を増強することができる。
この実施形態については、熱は任意の所望の様式で生成することができる。好ましくは、熱は、標的構造へのマイクロ波もしくはNIRエネルギーのアプライを使用して、または金属のナノ粒子もしくは金属シェルを有するナノ粒子を使用することによって生成することができる。ナノ粒子の実施形態では、腫瘍温熱療法において行われるように、磁性金属ナノ粒子を、従来の技法を使用して癌細胞に向け、次いで、制御された条件下で対象に磁場をアプライすることによって熱を生成するのに使用することができる。(DeNardo SJ、DeNardo GL、Natarajan Aら: Thermal dosimetry predictive of efficacy of 111In-ChL6 NPAMF-induced thermoablative therapy for human breast cancer in mice. J. Nucl. Med.48(3)、437〜444 (2007).)。
あるいは、金属シェルを有するナノ粒子にNIRをアプライすることによって熱を生成することができ、この熱は熱エネルギーに変換される(Hirsch LR、Stafford RJ、Bankson Jら: Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance. Proc. Natl Acad. Sci. USA100(23)、13549〜13554 (2003))。
一実施形態では、開始エネルギー源は、K. Jensen、J. Weldon、H. Garcia、およびA. Zettl、the Department of Physics at the University of California at Berkeleyによって記載されているものなどの電波放出ナノチューブとすることができる(その内容全体が参照により本明細書に組み込まれている、http://socrates.berkeley.edu/〜argon/nanoradio/radio.htmlを参照)。これらのナノチューブは対象に投与することができ、好ましくは活性化可能な医薬剤、もしくはエネルギー調節剤、もしくはその両方に結合され、または標的細胞の近傍に位置され、その結果、開始エネルギーがアプライされると、ナノチューブは開始エネルギー(好ましくは電波)を受容し、次いで活性化可能な医薬剤にごく接近して、またはエネルギー調節剤にごく接近して、または標的細胞に電波を放出することによって、次いで所定の細胞変化、または活性化可能な医薬剤の活性化を引き起こす。そのような実施形態では、ナノチューブは、活性化可能な医薬剤、またはエネルギー調節剤、または標的細胞にごく接近して、本質的に電波集束または増幅デバイスとして作用する。
あるいは、エネルギー放出源は、移動剤(transfer agent)または標的細胞による吸収に適した形態でエネルギーを放出するエネルギー調節剤とすることができる。例えば、開始エネルギー源は音響エネルギーとすることができ、1つのエネルギー調節剤は、光子エネルギーを受け入れることができる別のエネルギー調節剤によって受け入れられるために、音響エネルギーを受け入れ、光子エネルギーを放出することができる(例えば、ソノルミネセンス分子)。他の例には、X線波長でエネルギーを受け入れ、UV波長、好ましくはUV-A波長でエネルギーを放出する移動剤が含まれる。上記に言及したように、複数のそのようなエネルギー調節剤を、カスケードを形成するために使用することによって、一連のエネルギー調節剤を介して開始エネルギー源からエネルギーを移して、活性化可能な薬剤または所定の細胞変化を活性化することができる。
薬物送達ビヒクルとしての信号伝達スキームを、代謝経路の知見に加えて、カスケード事象を慎重にモデル化することにより、有利に開発することによって、順次または同時に所定の細胞変化を引き起こし、または多数の活性化可能な医薬剤を活性化して、細胞機能の多点変更を実現することができる。
光活性化可能な薬剤は、エネルギー源、例えば、照射、共鳴エネルギー移動、励起子移動、電子注入、または化学反応などによって刺激されて、望まれる所定の細胞変化をもたらすことができる活性化エネルギー状態になることができる。好適な実施形態では、光活性化可能な薬剤は、活性化されると、細胞中のDNAまたはRNAまたは他の構造に結合する。活性化エネルギー状態の薬剤は、細胞に損傷を引き起こし、アポトーシスを誘導することができる。
対象における標的構造によって媒介される状態、障害、または疾患を治療する一好適な方法は、
(1)活性化されたとき、標的構造に所定の変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、アプライされた開始エネルギーは、in situで活性化可能な薬剤を活性化し、
- こうして標的構造に所定の変化を起こさせ、
前記所定の変化は、状態、障害、または疾患を治療する。
対象における標的構造によって媒介される状態、障害、または疾患を治療する別の好適な方法は、
(1)多光子吸収事象による活性化をすることができ、活性化されたとき、前記標的において所定の変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、アプライされた開始エネルギーは、in situで多光子吸収事象によって活性化可能な薬剤を活性化し、
- こうして所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は、状態、障害、または疾患を治療する。
多光子励起の概念は、低エネルギーの2個以上の光子は量子事象でフルオロフォアを励起することができ、一般に、2個以上の励起光子より高いエネルギーで蛍光光子の放出を生じるという考え方に基づく。この概念は、Maria Goppert-Mayerによって、彼女の1931年の博士論文において最初に記載された。しかし、2個以上の光子がほぼ同時に吸収される確率は極端に低い。したがって、高フラックスの励起光子、通常、フェムト秒レーザーが一般に必要とされる。これは、この概念の実用的な用途の範囲を限定していた。
おそらく、多光子励起概念の最もよく知られた用途は、Cornell UniversityのWatt W. Webb研究室のWinfried Denkによって開拓された2光子顕微鏡観察である。彼は、2光子吸収の考え方をレーザースキャナーの使用と組み合わせた。
「連続した」2光子励起と「同時の」2光子励起の間に重要な差異がある。より高い許容エネルギー準位への連続した2光子励起では、第1の光子および第2の光子の両方の個々のエネルギーは、第2の許容電子エネルギー準位および第3の許容電子エネルギー準位に分子を直接上げるのに適切でなければならない。対照的に、同時の2光子励起は、2光子のうちの第1の光子と2光子のうちの第2の光子の合わせたエネルギーが、第2の許容電子エネルギー準位に分子を上げるのに十分であることだけを必要とする。
2光子励起顕微鏡観察では、赤外レーザービームが対物レンズを通して集束される。通常使用されるTi-サファイアレーザーは、約100フェムト秒のパルス幅および約80MHzの繰り返し周波数を有し、2光子吸収に要求される高光子密度およびフラックスを可能にし、広範囲の波長にわたって調整可能である。2光子技術は、Cornell UniversityのWinfried Denk、James Strickler、およびWatt Webbによって特許権が取得されている。
2つの既知の用途は、2光子励起蛍光(TPEF)および非線形伝送(NLT)である。最も一般に使用されるフルオロフォアは、400〜500nmの範囲の励起スペクトルを有し、一方フルオロフォアを励起するのに使用されるレーザーは、約700〜1000nm(赤外)の範囲にある。フルオロフォアが2個の赤外光子を同時に吸収する場合、これは、十分なエネルギーを吸収して励起状態に上げられる。次いでフルオロフォアは、使用されるフルオロフォアのタイプに依存する波長(一般に可視スペクトル内)を有する単一光子を放出する。フルオロフォアを励起するのに2個の光子が吸収される必要があるので、放出の確率は、励起ビームの強度の二乗に関係する。したがって、レーザービームがより散乱性である場合より、これがしっかりと集束されている場合により多くの2光子蛍光が生成される。有効には、蛍光は、焦点体積内で任意の感知できる量で観察され、焦点外の物体を高い程度で排除する。試料からの蛍光は、光電子増倍管などの高感度検出器によって収集される。この観察される光強度が最終的な画像における1つの画素となり、焦点が試料の所望の領域全体にわたって走査されることによって、画像のすべての画素を形成する。2光子吸収は、いくつかの技法によって測定することができる。
したがって一態様では、放射信号は、光活性剤を活性化するのに必要とされる正確なエネルギーとなりうる。この態様では、放射エネルギーを、光活性剤が存在する所望の座標または領域を直接標的にすることができる。開始エネルギー源は、この実施形態では、例えば、X線、γ線、電子ビーム、マイクロ波、または電波とすることができる。
別の態様では、放射信号は、光活性剤の励起エネルギーより低いエネルギーのものとすることができる。この態様では、放射信号は、従来の方法において光活性剤を活性化するのに十分なエネルギーを有していない。光活性剤の活性化は、上述した多光子機構などの「エネルギーアップグレード」機構によって実現することができる。光活性剤の活性化は、中間エネルギー変換剤(transformation agent)によってさらに媒介されうる。例えば、放射エネルギーは、光活性剤を励起する適切なエネルギーの光子を放出するフルオロフォアを最初に励起することができる。信号は、この中間剤(intermediary agent)によって標的光活性剤に送達される。このようにして、エネルギーアップグレーディング(および以下に記載されるようなダウングレーディング)に加えて、信号中継機構も導入される。開始エネルギー源は、X線、γ線、電子ビーム、マイクロ波、または電波とすることができる。また、一実施形態では、開始エネルギーが赤外エネルギーである場合、活性化可能な薬剤を活性化するエネルギーは、UVまたは可視光エネルギーではない。したがって、対象における標的構造によって媒介される状態、疾患、または障害を治療するための別の好適な方法は、
(1)少なくとも1つのエネルギー調節剤、および多光子吸収によって活性化することができ、活性化されたとき、所定の細胞変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、エネルギー調節剤は、アプライされた開始エネルギーを、後にin situで多光子吸収事象によって活性化可能な薬剤を活性化するエネルギーにアップグレードし、
- こうして所定の細胞変化を起こさせ、前記所定の細胞変化は、状態、疾患、または障害を治療する。
一実施形態では、エネルギーアップグレードは、2、3、4、または5個の同時の光子吸収を介して得られる。
対象における標的構造によって媒介される状態、疾患、または障害を治療するためのさらに別の好適な方法は、
(1)少なくとも1つのエネルギー調節剤、および活性化されたとき、所定の細胞変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、エネルギー調節剤は、アプライされた開始エネルギーを、後にin situで活性化可能な薬剤を活性化するエネルギーにアップグレードし、
- こうして所定の細胞変化を起こさせ、前記所定の細胞変化は、状態、疾患、または障害を治療する。
さらに別の態様では、放射エネルギーは、光活性剤の励起エネルギーより高いエネルギーとすることができる。この態様では、光活性剤は、「エネルギーダウングレード」機構を介して活性化することができる。一シナリオでは、多光子機構を介して、エネルギーxを有する2個のより低いエネルギー光子は、薬剤によって吸収されることによって、薬剤を基底状態E0からより高いエネルギー状態E2に励起することができる。次いでこの薬剤は、中間エネルギー状態E1に、E2とE1のエネルギーギャップに等しいエネルギーyであって、yがxより小さいエネルギーを有する光子を放出することによって緩和することができる。エネルギーダウングレードの他の機構は、エネルギー変換剤、例えば、量子ドット、ナノチューブ、または適当な光放射特性を有する他の作用剤などによって媒介されうる。開始エネルギー源は、例えば、UV放射線、可視光、赤外放射線、X線、γ線、電子ビーム、マイクロ波、または電波とすることができる。したがって、対象における標的構造によって媒介される状態、疾患、または障害を治療するためのさらに別の好適な方法は、
(1)少なくとも1つのエネルギー調節剤、および多光子吸収によって活性化することができ、活性化されたとき、所定の細胞変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、エネルギー調節剤は、アプライされた開始エネルギーを、後にin situで多光子吸収事象によって活性化可能な薬剤を活性化するエネルギーにダウングレードし、
- こうして所定の細胞変化を起こさせ、前記所定の細胞変化は、状態、疾患、または障害を治療する。
したがって、対象における標的構造によって媒介される状態、疾患、または障害を治療するためのさらに別の好適な方法は、
(1)少なくとも1つのエネルギー調節剤、および活性化されたとき、所定の細胞変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、エネルギー調節剤は、アプライされた開始エネルギーを、後にin situで活性化可能な薬剤を活性化するエネルギーにダウングレードし
- こうして所定の細胞変化を起こさせ、前記所定の細胞変化は、状態、疾患、または障害を治療する。
さらに好適な実施形態では、本発明は、対象における標的構造によって媒介される状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、
(1)活性化されたとき、前記標的構造において所定の変化をもたらすことができる活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、
アプライされた開始エネルギー、および活性化可能な医薬剤は、活性化されると、細胞溶解を生じるのに不十分な一重項酸素を対象において生成し、開始エネルギーは、in situで活性化可能な医薬剤を活性化し、
- こうして前記標的構造を介して所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は、状態、障害、または疾患を標的にする方法を提供する。
異なる好適な実施形態では、本発明は、対象における標的構造によって媒介される状態、障害、または疾患を治療するための方法であって、
(1)多光子吸収によって活性化することができ、活性化されたとき、前記標的構造において所定の変化をもたらすことができる活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、
アプライされた開始エネルギー、および活性化可能な医薬剤は、活性化されると、細胞溶解を生じるのに不十分な一重項酸素を対象において生成し、開始エネルギーは、in situで多光子吸収事象によって活性化可能な医薬剤を活性化し、
- こうして前記標的構造を介して所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は、状態、障害、または疾患を標的にする方法を提供する。
光力学的療法の領域の研究により、細胞溶解、したがって細胞死を引き起こすのに必要とされる一重項酸素量は、0.32×10-3mol/リットル以上、または109個の一重項酸素分子/細胞以上であることが示された。好適な一実施形態では、標的細胞および健康細胞の両方を溶解するその攻撃の無差別性のために、細胞溶解を引き起こす量の一重項酸素の生成を回避することが好ましい。したがって、好適な一実施形態では、活性化されると、使用される開始エネルギーまたは活性化可能な医薬剤によって生じる一重項酸素生成のレベルは、細胞溶解を引き起こすのに必要なレベルより低いことが好適である。
1つの利点は、多数の波長の放出される放射線を、1つもしくは複数の光活性化可能な薬剤、または1つもしくは複数の光活性化可能な薬剤を刺激することができるエネルギー調節剤を選択的に刺激するのに使用することができることである。エネルギー調節剤は、好ましくは、健康細胞にほとんど、またはまったく損傷を引き起こさない波長およびエネルギーで刺激され、1つまたは複数のエネルギー調節剤からのエネルギーは、Foerster共鳴エネルギー移動などによって光活性化可能な薬剤に移され、これが細胞に損傷を与え、所望の細胞変化、例えば、細胞のアポトーシスの開始を引き起こす。
別の利点は、フリーラジカル、一重項酸素、水酸化物、および健康細胞に損傷を与えることが知られている他の非常に反応性の基の生成を制限することによって、副作用を大いに低減することができることである。さらに、抗酸化剤などの追加の添加剤を使用することによって、照射の望まれない効果をさらに低減することができる。
共鳴エネルギー移動(RET)は、重なった発光帯および吸収帯を有する2つの分子間のエネルギー移動機構である。電磁エミッター(electromagnetic emitter)は、入射波長をより長い波長に転換することができる。例えば、第1の分子によって吸収されたUV-Bエネルギーは、双極子間相互作用によって、UV-B吸収分子にごく接近したUV-A放出分子に移すことができる。あるいは、より短い波長を吸収する物質を選択することによって、伝達分子の発光帯と重なった吸収帯を有する非発光分子にRETをもたらすことができる。あるいは、リン光、ケミルミネセンス、またはバイオルミネセンスを使用することによって、光活性化可能な分子にエネルギーを移すことができる。
あるいは、対象に開始エネルギー源を投与することができる。本発明の脈絡の範囲内で、開始エネルギー源の投与は、それ自体開始エネルギーを生成する作用剤を、対象中に外科的に挿入されることなく、対象内の標的細胞にこの作用剤を到達させる様式で投与することを意味する。投与は、それだけに限らないが、経口、静脈内、腹腔内、吸入などを含めた任意の形態をとることができる。さらに、この実施形態における開始エネルギー源は、それだけに限らないが、錠剤、粉末、溶液、液体懸濁液、液体分散系、ガス、または蒸気などを含めた任意の形態とすることができる。この実施形態では、開始エネルギー源には、それだけに限らないが、所望の周波数のエネルギーを生成および放出する、化学エネルギー源、ナノエミッター、ナノチップ、および他のナノマシンが含まれる。ナノテクノロジーにおける最近の進歩により、ナノスケールであり、エネルギーを生成および放出する様々なデバイスの例、例えば、EC Research and Development ProjectのKeith Firman博士による研究である分子スイッチ(またはMol-Switch)、またはCornellら(1997)の研究などがもたらされた。Cornellらは、サイズがわずか1.5nmのイオンチャネルスイッチに基づくナノマシンの構築を記述しており、このイオンチャネルスイッチは、1つが金電極に付着した膜の下層中にあり、1つが抗体またはヌクレオチドなどの生物受容体に繋ぎ止められた上層中にある、2つのグラミシジン分子によって人工膜中に形成されたイオンチャネルを使用する。受容体が標的分子または細胞を捕獲すると、イオンチャネルが壊され、その伝導率が低下し、生化学的信号は電気信号に転換される。これらのナノデバイスを本発明と結びつけることによって、標的細胞を標的化し、開始エネルギー源を所望の部位に直接送達することもできるであろう。
別の実施形態では、本発明は、化学エネルギー、例えばケミルミネセンス、リン光、またはバイオルミネセンスの供給源の投与を含む。化学エネルギーの供給源は、2つ以上の化合物の間の化学反応とすることができ、または対象の外側または対象の内側で、適切な活性化エネルギーを用いてケミルミネセンス、リン光、もしくはバイオルミネセンス化合物を活性化することによって誘導することができ、このケミルミネセンス、リン光、もしくはバイオルミネセンスは、投与後にin vivoで活性化可能な医薬剤を活性化させる。一実施形態では、活性化可能な医薬剤および化学エネルギーの供給源を投与することができる。投与は、任意の順序で順次、または同時に実施することができる。そのような化学エネルギーのある特定の供給源の場合では、化学エネルギー源の投与は、対象の外側で活性化した後に実施することができ、エネルギー放出の寿命は、例えばある特定のタイプのリン光物質については最大数時間である。インターカレーターを活性化してDNAを結合するために、いずれかの種類の共鳴エネルギー移動を使用する取り組みは、これまでまったく知られていない。
さらに別の例は、比較的大きい距離、例えば1ナノメートル超、より好ましくは5ナノメートル超、さらにより好ましくは少なくとも10ナノメートルなどにわたって共鳴エネルギー移動することができる、ある特定の原子のナノ粒子またはナノクラスターを導入することができることである。機能的には、共鳴エネルギー移動は、十分に大きい「Foerster」距離(R0)を有することができ、その結果、細胞のある部分中のナノ粒子は、距離がR0を大きく超えない限り、細胞の遠位部分に配置された光活性化可能な薬剤の活性化を刺激することができる。例えば、5原子の金のサイズを有する金ナノスフェアは、紫外範囲に発光帯を有することが最近示された。
一実施形態では、攻撃的な細胞増殖障害は、はるかに高い有糸分裂の速度を有し、これは全身的に投与される治療の間でさえも、不均衡な配分の悪性細胞の選択的な破壊に導く。幹細胞および健康細胞は、光活性化された薬剤に曝されても大規模なプログラム細胞死から逃れることができ、ただし、そのような光活性化された薬剤は、結合、有糸分裂、または健康な幹細胞のうちの相当な割合の細胞に損傷を作り出すための他の機構の前に、励起状態からより低いエネルギー状態に縮退している。したがって、自己免疫応答が誘導される場合はない。
あるいは、幹細胞または健康細胞の損傷を選択的に防止または低減する遮断剤を使用することができ、これらの細胞はさもなければ障害される。遮断剤は、例えば、悪性細胞に同様の利点を付与しないように選択され、または投与される。
一実施形態では、幹細胞は、具体的には、幹細胞をドナー細胞株、または患者の以前に貯えられた健康細胞と置換する意図で破壊するために標的にされる。この場合、遮断剤はまったく使用されない。代わりに、幹細胞を特異的に標的にする担体または光感受性物質が使用される。
光活性化可能な薬剤のいずれも、対象中、好ましくは標的部位付近に移植された励起エネルギー源に曝すことができる。光活性剤は、受容体部位に対して強い親和性を有する担体によって、受容体部位に向けることができる。本発明の脈絡の範囲内で、「強い親和性」は、好ましくは少なくともナノモル、nMの範囲で、またはより高い平衡状態解離定数Kiを有する親和性である。好ましくは、例えば、担体はポリペプチドとすることができ、光学活性剤と共有結合を形成することができる。ポリペプチドは、例えば、インスリン、インターロイキン、サイモポエチン、またはトランスフェリンとすることができる。あるいは、光活性剤は、担体に結合することなく、標的細胞に対して強い親和性を有することができる。
受容体部位は、以下のうちのいずれであってもよい:有核血液細胞の核酸、有核血液細胞の分子受容体部位、有核血液細胞上の抗原部位、エピトープ、または光活性剤が、標的細胞を破壊することができる他の部位。
一実施形態では、薬剤を光活性化するために、細い光ファイバー線が対象中に挿入され、レーザー光が使用される。別の実施形態では、電磁放射線エネルギーまたはエネルギー移動を供給するための複数の供給源は、患者に投与される1つまたは複数の分子によって提供される。分子は、標的構造を直接刺激する、または光活性化可能な薬剤を刺激する正確な波長帯で刺激放射線を放出することができ、あるいは分子は、共鳴エネルギー移動もしくは他の機構によって直接標的構造もしくは光活性化可能な薬剤に、または他の分子相互作用を介してカスケード効果によって間接的にエネルギーを移すことができる。
細胞系からの超微弱発光の現象は、1900年代以来様々な調査の話題となっている。この話題は、70年より前のロシア人生物学者Gurwitsch Alexander G. Gurwitschの早期の研究にたどることができ、この学者は超微弱光子発光が、細胞中で情報を伝達することを推測した[A. G. Gurwitsch、S. S. Grabje、およびS. Salkind、「Die Natur des spezifischen Erregers der Zellteilung」、Arch. Entwicklungsmech. Org. 100、11〜40、1923]。
1970年代に、この領域の研究が何人かの研究者によって調査された。様々な細胞からの生物学的放射線の存在は、低雑音高感度光子計数検出システムを使用して、欧州および日本におけるいくつかの研究グループによって後に調査された[B. RuthおよびF.-A. Popp、「Experimentelle Untersuchungen zur ultraschwachen Photonenemission biologischer Systeme」、Z. Naturforsch., A: Phys. Sci. 31c、741〜745、1976; T. I. QuickendenおよびS. S. Que-Hee、「The spectral distribution of the luminescence emitted during growth of the yeast Saccharomyces cerevisiae and its relationship to mitogenetic radiation」、Photochem. Photobiol. 23、201〜204、1976; H. Inaba、Y. Shimizu、Y. Tsuji、およびA. Yamagishi、「Photon counting spectral analysing system of extra-weak chemi- and bioluminescence for biochemical applications」、Photochem. Photobiol. 30、169〜175、1979]。Poppと共同研究者らは、しばしばPoppによって「生物光子」と呼ばれる、生物系からの超微弱光子発光に関連するいくつかの「情報特性」の証拠を示した。他の研究により、植物細胞、および動物細胞を含めた様々な種からの超微弱光子発光が報告された[H. J. Niggli、C. Scaletta、Y. Yan、F.-A. Popp、およびL. A. Applegate、「Ultraweak photon emission in assessing bone growth factor efficiency using fibroblastic differentiation」、J. Photochem. Photob
iol., B、64、62〜68、2001]。UV照射した皮膚線維芽細胞の実験の結果は、修復欠損色素性乾皮症細胞は、正常細胞と対照的に、微弱光子発光の効率的な増大を示すことを示した[H. J. Niggli、「Artificial sunlight irradiation induces ultraweak photon emission in human skin fibroblasts」、J. Photochem. Photobiol.、B18、281〜285 (1993)]。
遅延ルミネセンス放出も生物系において観察された[F.-A. PoppおよびY. Yan、「Delayed luminescence of biological systems in terms of coherent states」、Phys. Lett. A293、93〜97 (2002); A. Scordino, A. Triglia、F. Musumeci、F. Grasso、およびZ. Rajfur、「Influence of the presence of Atrazine in water on in-vivo delayed luminescence of acetabularium acetabulum」、J. Photochem. Photobiol., B、32、11〜17 (1996)]。この遅延ルミネセンスは、植物性産物の質の制御において[ A. Triglia、G. La Malfa、F. Musumeci、C. Leonardi、およびA. Scordino、「Delayed luminescence as an indicator of tomato fruit quality」、J. Food. Sci. 63、512〜515 (1998)]、または生物組織の質もしくは質の変化を評価するために[Yu Yan、Fritz-Albert Popp *、Sibylle Sigrist、Daniel Schlesinger、Andreas Dolf、Zhongchen Yan、Sophie Cohen、Amodsen Chotia、「Further analysis of delayed luminescence of plants」、Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 78、235〜244 (2005)]使用された。
UV励起は、超微弱放出をさらに増強することができ、UV-A-レーザー誘導超微弱光子放出を検出するための方法が、癌と正常細胞の差を評価するために使用されたことが報告された[H. J. Niggliら、Laser-ultraviolet-A-induced ultraweak photon emission in mammalian cells、Journal of Biomedical Optics 10(2)、024006 (2005)]。
したがって、本発明の一実施形態では、少なくとも1つの供給源から開始エネルギーを、治療を必要とする対象における標的構造にアプライすると、開始エネルギーは標的構造と接触し、in situで前記標的構造において所定の変化を誘導し、
所定の変化は、標的からのエネルギー放出の増強であり、次いでこれは、対象における他の標的構造、または第2のタイプの標的構造(例えば異なる細胞型)の生物活性を媒介、開始、または増強する。
別の実施形態では、患者自体の細胞が、光子放出をもたらすために取り出され、遺伝的に改変される。例えば、腫瘍細胞または健康細胞を、バイオルミネセンスを誘導するために取り出し、遺伝的に改変することができ、治療される疾患または状態の部位に再挿入することができる。改変されたバイオルミネセント細胞は、調整剤が存在する限りのみに、細胞のさらなる分裂または細胞の分裂を妨げるようにさらに改変することができる。
さらなる実施形態では、UV-A帯で放出する生体適合性放出源、例えば、蛍光性金属ナノ粒子または蛍光色素分子などが選択される。UV-A放出源は、疾患または状態の部位に向けられる。UV-A放出源を全身的に投与することによって、UV-A放出源を疾患または状態の部位に向けることができる。UV-A放出源は、当技術分野で知られているように、物理的挿入によって、またはUV-A放出分子を特定の標的構造においてUV-A放出源を濃縮することができる特定の担体と結合させることによって、標的部位において濃縮されることが好ましい。
好適な一実施形態では、UV-A放出源は、ポリアミドアミンデンドリマーによってカプセル化された水溶性量子ドットなどの5金原子のクラスターを含む金ナノ粒子である。金原子クラスターは、例えば、金塩(例えば、HAuCl4もしくはAuBr3)または他のカプセル化アミンの緩徐な還元によって生成することができる。そのような金ナノ粒子の1つの利点はFoerster距離(すなわち、R0)の増加であり、これは100オングストローム超となりうる。Foerster距離を求めるための式は、100オングストローム未満の距離で使用することに限られている分子蛍光についての式と実質的に異なる。金ナノ粒子は、1/R6の距離依存性ではなく1/R4の距離依存性を有する双極子方程式(dipole equation)に、ナノ粒子表面によって支配されていると考えられている。例えば、これは細胞質に、金属ナノ粒子と光活性化可能な分子、例えば、患者に経口投与され、安全であり、白血球のアポトーシスの誘導に有効であることが知られている、ソラレン、より好ましくは8-メトキシソラレン(8-MOP)などとの間の核内エネルギー移動を可能にする。
別の実施形態では、UV放出または発光ルシフェラーゼが、光活性化可能な薬剤を励起するための放出源として選択される。ルシフェラーゼは、ATPまたは別の分子と組み合わせることができ、次いでこれは、追加の分子を用いて酸素化されることによって、所望の波長で発光を刺激することができる。あるいは、リン光放出源を使用することができる。リン光放出源の1つの利点は、リン光放出分子または他の供給源を、全身投与または標的部位の領域中への直接挿入によって標的部位中に挿入する前に、電気活性化(electroactivated)または光活性化することができることである。あるいは、これらの物質のいくつかを活性化することができ、放出が別のエネルギーをアプライすることによって刺激されるまで、エネルギーは活性化された物質中に「貯えられて」いる。例えば、赤外で誘発されるリン光体に関して以下の米国特許第4,705,952号の考察を参照。
リン光物質は蛍光物質より長い緩和時間を有することができ、これは、三重項状態の緩和は禁制エネルギー状態遷移の影響を受け、励起三重項状態中にエネルギーを貯え、より低いエネルギー状態に戻るのに、ほんの限られた数の量子力学的エネルギー移動過程が利用可能であるためである。エネルギー放出は、数分の1秒から数時間まで遅延または延長される。他の点では、リン光の緩和の間に放出されるエネルギーは蛍光と他に異なっておらず、波長の範囲は、特定のリン光体を選ぶことによって選択することができる。
様々な物質の中で、ルミネセンスナノ粒子は、技術的および工業的関心をますます集めている。本発明の脈絡において、ナノ粒子は1ミクロン未満のサイズを有する粒子を指す。本発明の説明は、ナノ粒子を使用する具体例を記述するが、本発明は、多くの実施形態において、1ミクロン未満のサイズを有する粒子に限定されない。しかし、多くの実施形態では、1ミクロン未満、特に100nm未満のサイズを有するサイズ範囲により、特に関心のある特性、例えば、放出寿命、ルミネセンス消光、ルミネセンス量子効率、および濃度消光など、ならびに例えば、より大きサイズの粒子が移動しない媒質中への拡散、浸透、および分散などが生じる。
米国特許第4,705,952号(その内容は、参照により本明細書に組み込まれている)には、赤外で誘発されるリン光体が記載されており、これは、第1の波長の可視光の形態でエネルギーを貯え、赤外光によって誘発されると第2の波長の可視光の形態でエネルギーを放出した。一部の例では、米国特許第4,705,952号には、「アップコンバージョンは、新規の短い再チャージが必要とされるまで、数日間もの長い間継続する」ことが記載されている。米国特許第4,705,952号におけるリン光体は、アルカリ土類金属硫化物、希土類ドーパント、および可融性塩の組成物であった。米国特許第4,705,952号におけるリン光体は、より具体的には、希土類系列からのドーパントおよび酸化ユウロピウム、ならびにこれらの混合物を含み、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムのフッ化物、塩化物、臭化物、およびヨウ化物の可融性塩、ならびにこれらの混合物を含む、硫化ストロンチウム、硫化バリウム、およびこれらの混合物から作られるリン光体であった。米国特許第4,705,952号に記載された物質は、本発明の様々な実施形態において有用である。
一部の例では、米国特許第4,705,952号には、「蓄積時間は、数年の桁で極端に長くなる」ことが記載されている。したがって、1:1に近い関係で赤外光子を受け取り、より高いエネルギー光子を放出する物質が適応する。蓄積時間がこのように長いため、これらの赤外で誘発されるリン光体を、実行可能な機構として、本発明の様々な実施形態において使用することができ、この場合、市販のIRレーザーが使用されて、媒質中でリン光が活性化され、この媒質によって患者中で可視光または紫外光が生成される。
別の実施形態では、複合電磁エネルギーハーベスター分子、例えば、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれている、J. Am. Chem. Soc. 2005、127、9760〜9768に開示されている複合光ハーベスターなどが設計される。分子構造中の一群の蛍光分子を組み合わせることによって、広帯域の電磁放射線を収集し、狭帯域の蛍光エネルギーの放出をもたらすために共鳴エネルギー移動カスケードを使用することができる。複合エネルギーハーベスターを光活性化可能な分子と対形成することによって、光活性化可能な分子が刺激された複合エネルギーハーベスター分子の近くにあるとき、さらなる共鳴エネルギー移動は、光活性化可能な分子を励起する。ハーベスター分子の別の例は、「Singlet-Singlet and Triplet-Triplet Energy Transfer in Bichromophoric Cyclic Peptides」、M.O. Gulerによる理学修士論文、Worcester Polytechnic Institute、2002年5月18日の図4に開示されており、これは参照により本明細書に組み込まれている。
別の実施形態では、1つの放出源、またはカスケード内に配置された一連の放出源のストークスシフトが、X線などのより短い波長エネルギーを、可視光線またはUV-Aなどのより長い波長の蛍光放出に転換するために選択され、これは、標的構造の位置にある光活性化可能な分子を刺激するのに使用される。光活性化可能な分子は、正常な健康細胞に実質的な害を生じさせることなく、標的構造中に所定の変化を引き起こすように選択されることが好ましい。
追加の実施形態では、光活性化可能な薬剤は、光ケージ(photocage)内に含まれる活性剤を有する光ケージド(photocaged)錯体とすることができる。活性剤は、活性剤が特定の標的に結合するのを防止し、したがってその活性をマスクする他の分子を用いてバルクアップされる。光ケージ錯体が光活性化されると、バルクが脱落し、活性剤を露出する。そのような光ケージ錯体では、光ケージ分子は、光活性であることができ(すなわち、光活性化されると、これらは光ケージ錯体から解離させられ、したがってその中の活性剤を露出する)、または活性剤は、光活性化可能な薬剤(光活性化されると光ケージを脱落させる)とすることができ、または光ケージおよび活性剤の両方は、同じまたは異なる波長を用いて光活性化される。例えば、毒性化学療法剤を光ケージ化することができ、これにより、送達されたとき全身性の毒性が低減される。薬剤が腫瘍内で濃縮されると、薬剤は活性化エネルギーで照射される。これにより「ケージ」が脱落させられ、腫瘍細胞中に細胞毒性薬が残る。適当な光ケージには、その内容が参照により本明細書に組み込まれている、「Photochemical Control of Biological Processes」、Org. Biomol. Chem.、5、999〜1005頁(2007)、および「Photochemical Hammerhead Ribozyme Activation」、Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters、16(10)、2658〜2661頁(2006)においてYoung and Deitersによって開示されたものが含まれる。
好適な一実施形態では、化合物または薬剤をアンケージする、例えば、2光子グルタミンアンケージングのための光の使用は、ニューロン機能およびイメージングの解明のために使用される(Harvey CDら、Nature、450:1195〜1202(2007); Eder Mら、Rev. Neurosci.、15:167〜183 (2004))。他の信号伝達分子、例えば、GABA、二次のメッセンジャー(例えば、Ca2+およびMg2+)、カルバコール、カプサイシン、ならびにATPは、UV光刺激によって放出されうる(Zhang Fら、2006)。イオンチャネルおよび受容体を光応答性にするために、これらの化学修飾を実施することができる。Ca2+は、受精、分化、増殖、アポトーシス、シナプス可塑性、記憶、およびアクソンの成長を制御することに関与する。さらに別の好適な実施形態では、Ca2+波は、UV照射(1光子吸収)およびNIR照射(2光子吸収)によって、ケージドCa2+、細胞外プリン作動性メッセンジャーInsP3 (Braet K.ら、Cell Calcium、33:37〜48 (2003))、またはイオンチャネルリガンド(Zhang F.ら、2006)を放出することによって誘導することができる。
遺伝的ターゲティングにより、遺伝的に規定された細胞集団を形態学的および電気生理学的に特徴づけすることが可能になる。したがって、追加の実施形態では、感光性タンパク質は、電気穿孔、DNAマイクロインジェクション、ウイルス送達、リポソームトランスフェクション、トランスジェニック系統の作製、およびリン酸カルシウム沈殿を含めたいくつかの技法によって、細胞または生きている対象中に導入される。例えば、レンチウイルス技術は、安定な長期間発現、高力価ベクター生成の容易さ、および低免疫原性の好都合な組合せ、従来の組合せを提供する。感光性タンパク質は、例えば、チャネルロドプシン-2(ChR2)、およびクロライドポンプハロロドプシン(NpHR)とすることができる。光タンパク質をコードする遺伝子は、細胞特異的なプロモーターとともに、標的細胞中に感光性タンパク質をコードする遺伝子を送達するレンチウイルスベクターまたは他のベクター中に組み込むことができる。光センサーおよび陽イオンチャネルを含有するChR2は、ChR2を抱えている細胞が光でパルスされると、適切な速度および規模の電気的刺激を与えることによって、神経細胞のスパイク発火を活性化する。
一実施形態では、強いルミネセンスが可能なランタニドキレートが使用される。例えば、ランタニドキレーターは、クマリンもしくはクマリン誘導体、またはキノロンもしくはキノロン誘導体感作物質に共有結合することができる。感作物質は、2-もしくは4-キノロン、2-もしくは4-クマリン、またはこれらの例の誘導体もしくは組合せとすることができる。カルボスチリル124(7-アミノ-4-メチル-2-キノロン)、クマリン120(7-アミノ-4-メチル-2-クマリン)、クマリン124(7-アミノ-4-(トリフルオロメチル)-2-クマリン)、アミノインエチルトリメチルプソラレン(aminoinethyltrimethylpsoralen)、または他の同様の感作物質を使用することができる。キレートは、テルビウムまたはユウロピウムなどのランタニドを有する高親和性錯体から、DTPAなどのキレーター基まで選択することができる。そのようなキレートは、多種多様な周知のプローブまたは担体のいずれにも結合することができ、ソラレンもしくは8-MOPなどのソラレン誘導体、またはDNAを結合することができる他の光活性分子への共鳴エネルギー移動のために使用することができる。一代替例では、ランタニドキレートは、適切な担体分子、粒子、またはポリマーを使用して疾患の部位で局在化され、電磁エネルギー源は、最小限に侵襲性の手順によって導入されることによって、ランタニドキレートおよび光活性分子に曝露した後、標的構造に照射される。
別の実施形態では、光活性化可能な分子への共鳴エネルギー移動を刺激するために、生体適合性、内因性フルオロフォアエミッターが選択される。生体適合性、内因性フルオロフォアエミッターの吸収範囲内で放出の最大を有する生体適合性エミッターを、フルオロエミッター中で励起状態を刺激するために選択することができる。1つまたは複数のハロゲン原子を、核酸(DNAまたはRNA)中のスタックしたヌクレオチド塩基同士間にインターカレートすることができる任意の環状構造に添加することによって、インターカレーターに新しい光活性特性を付与することができる。当技術分野で知られているように、任意のインターカレート分子(ソラレン、クマリン、もしくは他の多環式環状構造)を、ハロゲン化または非水素結合イオン性置換基の添加により選択的に修飾することによって、細胞膜または帯電タンパク質と比べて、その反応光化学、およびその核酸に対する競合的結合親和性において利点を与えることができる。
皮膚光感受性は、光感受性物質の主要な毒性である。皮膚が、数分間でさえ直接太陽光に曝されると、重度の日焼けが起こる。初期のマウス研究では、免疫応答の活発で長期の刺激が暗示されたが、実際の臨床試験では、光線力学的療法の初期の有望性を実現することができなかった。光線力学的療法のための初期の光感受性物質は、II型応答を目標にし、これは、酸素の存在下で光活性化されたとき一重項酸素を作り出した。一重項酸素は細胞ネクローシスを引き起こし、炎症および免疫応答と関連していた。いくつかの追加の光感受性物質がI型応答を誘導するために開発され、細胞構造に直接損傷を与えた。
ポルフィマーナトリウム(フォトフリン; QLT Therapeutics、Vancouver、BC、Canada)は、ヘマトポルフィリン誘導体(HpD)の部分的に精製された製剤である。フォトフリンは、閉塞性食道癌、微小浸潤性気管支内非小細胞肺癌、および閉塞性気管支内非小細胞肺癌の治療のために米国食品医薬局によって認可された。フォトフリンは、組織に約2〜5mm浸透する630nmで活性化される。フォトフリンは、皮膚光感受性の持続時間が比較的長い(約4〜6週間)。
テトラ(m-ヒドロキシフェニル)クロリン(ホスカン(Foscan); Scotia Pharmaceuticals、Stirling、UK)は、652nmの光によって活性化される合成塩素化合物である。臨床試験では、ホスカンおよび652nmの光を用いて、最大10mmの組織効果が実証された。ホスカンは、正常組織よりも腫瘍において選択的に光感受性物質であり、比較的短い光活性化時間を必要とする。0.1mg/kgの推奨用量は比較的少なく、比較的少ない線量の光を使用することができる。それにもかかわらず、皮膚光感受性の持続時間は妥当である(約2週間)。しかし、ホスカンは比較的高い収率の一重項酸素を誘導し、これは、この分子についてのDNA損傷の主要な機構となりうる。
モテキサフィンルテチウム(ルテチウムテキサフィリン)は、近赤外領域(732nm)の光によって活性化される。この波長での吸収は、他の光感受性物質を活性化するのに使用される光の量と比較して、組織中に潜在的により深く浸透するという利点を有する(図2Aおよび2B)。ルテチウムテキサフィリンはまた、正常組織の選択性と比較して、腫瘍に対する最大の報告された選択性のうちの1つを有する。Young SWら: Lutetium texaphyrin (PCI-0123) a near-infrared, water-soluble photosensitizer. Photochem Photobiol 1996、63:892〜897。さらに、その臨床用途は、皮膚光感受性のより短い持続時間(24〜48時間)を伴う。ルテチウムテキサフィリンは、転移性皮膚癌について評価された。これは現在、再発性乳癌の治療について、および局所再発前立腺癌について研究中である。腫瘍に対する高い選択性は、臨床試験における結果の改善を期待させる。
一般に、より高い電子エネルギー状態に励起するための任意の供給源、例えば、電気的、化学的、および/または放射線供給源などを用いた手法、活性化可能な分子を活性化するために、個々に、または組み合わせてシステムにして使用することができる。このプロセスは、フォトフェレーシスプロセスであってもよく、または光泳動と同様であってもよい。光泳動は、UV光によるものなどの光子励起に限定されると一般に考えられているが、他の形態の放射線も、活性化可能な分子を活性化するためのシステムの一部として使用することができる。放射線にはイオン化放射線が含まれ、これは、X線またはγ線などの高エネルギー放射線であり、相互作用して物質中でイオン対を生成する。放射線には、高線形エネルギー移動照射、低線形エネルギー移動照射、α線、ベータ線、中性ビーム、加速電子ビーム、および紫外線も含まれる。放射線には、プロトン、光子、および分裂スペクトル中性子も含まれる。より高いエネルギーイオン化放射線は、例えば、共鳴エネルギー移動に好都合なエネルギー状態を生成するために、化学過程と組み合わせることができる。励起エネルギーのこれらの供給源の他の組合せおよび変形を、当技術分野で知られているように、8-MOPなどの活性化可能な分子の活性化を刺激するために組み合わせることができる。一例では、イオン化放射線は固形腫瘍に向けられ、8-MOPの活性化を直接または間接的に刺激し、ならびに悪性腫瘍細胞のDNAに直接損傷を与える。この例では、8-MOPのイオン化放射線の効果または光泳動様活性化のいずれかが、他方に対するアジュバント療法であると考えることができる。
一実施形態では、本発明は、対象における標的構造によって媒介される状態、疾患、または障害を治療するための方法であって、
(1)活性化されたとき、所定の変化をもたらすことができる活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、開始エネルギー源は、対象を完全に貫通することができるエネルギー源であり、アプライによりin situで活性化可能な薬剤が活性化され、
- こうして所定の変化を起こさせ、標的構造における所定の変化の発生が、細胞分裂および/または成長の速度の増加またはこれらの速度の減少を引き起こすことによって、状態、疾患、または障害を治療する方法を提供する。
さらなる実施形態では、本発明は、対象における標的構造によって媒介される状態、疾患、または障害を治療するための方法であって、
(1)1つまたは複数のエネルギー調節剤、および活性化されたとき、標的構造において所定の変化をもたらすことができる活性化可能な医薬剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、1つまたは複数のエネルギー調節剤は、アプライされた開始エネルギーをUV-Aまたは可視エネルギーに転換し、次いでこれはin situで活性化可能な薬剤を活性化し、
- こうして所定の変化を起こさせ、所定の変化の発生が、細胞分裂および/または成長の速度の増加またはこれらの速度の減少を引き起こすことによって、状態、疾患、または障害を治療する方法を提供する。
異なる実施形態では、活性化可能な医薬剤は、単一光子または多光子吸収事象によって活性化することができる。
光力学的療法の領域の研究により、細胞溶解、したがって細胞死を引き起こすのに必要とされる一重項酸素量は、0.32×10-3mol/リットル以上、または109個の一重項酸素分子/細胞以上であることが示された。しかし、本発明では、標的細胞および健康細胞の両方を溶解するその攻撃の無差別性のために、細胞溶解を引き起こす量の一重項酸素の生成を回避することが最も好ましい。したがって、活性化されると、使用される開始エネルギーまたは活性化可能な医薬剤によって生じる一重項酸素生成のレベルは、細胞溶解を引き起こすのに必要なレベルより低いことが、本発明において最も好適である。
さらに別の実施形態では、活性化可能な医薬剤、好ましくは光活性剤は、受容体部位に対して強い親和性を有する担体によって受容体部位に向けられる。例えば、担体はポリペプチドとすることができ、光活性剤と共有結合を形成することができる。ポリペプチドは、例えば、インスリン、インターロイキン、サイモポエチン、またはトランスフェリンとすることができる。あるいは、光活性医薬剤は、担体に結合することなく、標的細胞に対して強い親和性を有する場合がある。
例えば、有糸分裂を減速または休止するように作用する治療を施すことができる。そのような治療は、癌性細胞の有糸分裂を休止することなく、急速に分裂する健康細胞または幹細胞の分裂を減速することができる。したがって、非標的細胞と標的細胞の間の増殖速度の差は、さらに差別化されることによって、本発明の方法の有効性を増強する。
さらなる実施形態では、本発明による方法は、治療の副作用を軽減するために添加剤を添加する段階をさらに含むことができる。例示的な添加剤として、それだけに限らないが、抗酸化剤、アジュバント(adjuvant)、またはこれらの組合せを挙げることができる。例示的な一実施形態では、ソラレンが活性化可能な医薬剤として使用され、UV-Aが活性化エネルギーとして使用され、抗酸化剤が照射の望まれない副作用を低減するために添加される。
別の態様では、本発明は、自家ワクチンを生成するための方法であって、(1)標的細胞の集団を提供する段階と、(2)ソラレンまたはその誘導体を用いてex vivoで細胞を処置する段階と、(3)標的細胞の集団中の標的構造において所定の変化を誘導するために、開始エネルギー源を用いてソラレンを活性化する段階と、(4)標的細胞に対して自家ワクチン効果を誘導するために、宿主に処置された細胞を戻す段階であって、処置された細胞は自家ワクチン効果を引き起こす段階とを含む方法も提供する。
異なる実施形態では、対象のための自家ワクチンを生成する方法は、
(1)標的細胞の集団を提供する段階と、
(2)多光子吸収事象によって活性化することができる活性化可能な医薬剤を用いて、対象から分離および孤立した環境において、ex vivoで標的細胞を処置する段階と、
(3)処置された標的細胞をエネルギー源に曝す段階と、
(4)標的細胞中の少なくとも1つの標的構造において所定の変化を誘導するために、多光子吸収事象によって、エネルギー源を用いて活性化可能な医薬剤を活性化する段階と、
(5)標的細胞に対する自家ワクチン効果を対象において誘導するために、そのように変化した細胞を対象に戻す段階と
を含み、
変化した細胞は自家ワクチンとして作用し、エネルギー源はX線、γ線、電子ビーム、マイクロ波、または電波である。
さらなる実施形態では、本発明による方法は、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変するための方法であって、
(1)活性化されたとき、標的構造において所定の変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤、および少なくとも1つのプラズモニクス活性剤と前記標的構造を接触させる段階と、
(2)標的構造に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階と
を含み、
プラズモニクス活性剤は、アプライされた開始エネルギーを増強または改変し、その結果増強された開始エネルギーは活性化可能な薬剤を活性化し、
- こうして標的構造に所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は標的構造を改変し、標的構造の生物活性を調節する方法をさらに含むことができる。
異なる実施形態では、所定の変化は、前記標的構造の発現を増強し、成長を促進し、もしくは量を増加させ、同様の未処置の標的構造と比較して、前記標的構造の通常の生物活性を増強、阻害、もしくは安定化し、かつ/または前記標的構造の免疫学的もしくは化学的性質を変更する。異なる実施形態では、前記標的構造は、前記所定の変化によって改変されることによって、抗原性または免疫原性が高く、または低くなる化合物である。
活性化可能な医薬剤およびその誘導体、ならびにエネルギー調節剤は、投与に適した医薬組成物中に組み込むことができる。そのような組成物は一般に、活性化可能な医薬剤、および医薬として許容可能な担体を含む。医薬組成物は、相補性の治療効果または診断効果を有する少なくとも1つの添加剤も含み、添加剤は、抗酸化剤、アジュバント、またはこれらの組合せから選択されるものである。
本明細書で使用する場合、「医薬として許容可能な担体」は、薬剤投与と適合性の任意およびすべての溶媒、分散媒質、コーティング剤、抗菌剤および抗真菌剤、等張剤および吸収遅延剤などを含むことが意図されている。医薬として活性な物質のためのそのような媒質および作用剤の使用は、当技術分野で周知である。任意の従来の媒質または作用剤が活性化合物と不適合である場合を除いて、組成物中にこれらを使用することは企図されている。追加の活性化合物も組成物中に組み込むことができる。本発明の化合物に修飾を行うことによって、化合物の溶解度またはクリアランスに影響を及ぼすことができる。これらの分子をD-アミノ酸を用いて合成することによって、酵素分解に対する耐性を増大させることもできる。必要であれば、活性化可能な医薬剤は、シクロデキストランなどの可溶化剤と同時投与することができる。
本発明の医薬組成物は、その意図された投与経路と適合性であるように製剤化される。投与経路の例として、非経口、例えば、静脈内、皮内、皮下、経口(例えば、吸入)、経皮(局所)、経粘膜、直腸投与、および腫瘍中への直接注射などの患部中への直接注射が挙げられる。非経口、皮内、皮下の用途に使用される溶液または懸濁液として、以下の成分を挙げることができる:滅菌希釈剤、例えば、注射用水、食塩液、固定油、ポリエチレングリコール、グリセリン、プロピレングリコール、または他の合成溶媒など;抗菌剤、例えば、ベンジルアルコールまたはメチルパラベンなど;抗酸化剤、例えば、アスコルビン酸または亜硫酸水素ナトリウムなど;エチレンジアミン四酢酸などのキレート化剤;緩衝液、例えば、酢酸、クエン酸、またはリン酸など、および張性を調整するための作用剤、例えば、塩化ナトリウムまたはデキストロースなど。pHは、塩酸または水酸化ナトリウムなどの酸または塩基を用いて調整することができる。非経口製剤は、ガラスまたはプラスチック製のアンプル、使い捨てシリンジ、または多人数用バイアル中に封入することができる。
注射用用途に適した医薬組成物は、滅菌水溶液(水溶性である場合)または分散系、および滅菌注射用溶液または分散系の即席製剤用滅菌粉末を含む。静脈内投与については、適当な担体には、生理食塩水、静菌水、またはリン酸緩衝食塩水(PBS)が含まれる。すべての場合において、組成物は滅菌でなければならず、注射容易性(easy syringability)が存在する程度に流動性であるべきである。これは、製造および貯蔵条件下で安定でなければならず、細菌および真菌などの微生物の汚染作用から保護されていなければならない。担体は、例えば、水、エタノール、ポリオール(例えば、グリセロール、プロピレングリコール、および液体ポリエチレングリコールなど)を含有する溶媒または分散媒、ならびにこれらの適当な混合物とすることができる。適切な流動性は、例えば、レシチンなどのコーティング剤を使用することによって、分散系の場合には要求される粒径を維持することによって、界面活性剤を使用することによって維持することができる。微生物の作用の予防は、様々な抗菌剤および抗真菌剤、例えば、パラベン、クロロブタノール、フェノール、アスコルビン酸、チメロサールなどによって実現することができる。多くの場合では、組成物中に等張剤、例えば、糖、マンニトール、ソルビトールなどの多価アルコール、塩化ナトリウムを含むことが好ましい。注射用組成物の吸収の延長は、組成物中に、吸収を遅延させる作用剤、例えば、モノステアリン酸アルミニウムおよびゼラチンを含めることによってもたらすことができる。
滅菌注射用溶液は、必要に応じて、上記に列挙した成分の1つまたは組合せを含む適切な溶媒中に、必要量で活性化合物を組み込み、その後濾過滅菌することによって調製することができる。一般に、分散系は、基本分散媒、および上記に列挙したものからの必要とされる他の成分を含有する滅菌ビヒクル中に活性化化合物を組み込むことによって調製される。滅菌注射用溶液を調製するための滅菌粉末の場合では、調製方法は真空乾燥および凍結乾燥であり、これにより予め滅菌濾過したその溶液から、活性成分と追加の所望の成分の粉末を得る。
経口組成物は一般に、不活性な希釈剤または食用担体を含む。これらは、ゼラチンカプセル中に封入するか、または圧縮して錠剤にすることができる。経口治療投与の目的のために、活性化合物を、賦形剤とともに組み込むことができ、錠剤、トローチ、またはカプセルの形態で使用することができる。経口組成物は、洗口液と使用するための流体担体を使用して調製することもでき、流体担体中の化合物は、口に入れられ、グチュグチュされて、喀痰されるか、または飲み込まれる。医薬として適合性の結合剤、および/またはアジュバント物質は、組成物の一部として含めることができる。錠剤、ピル、カプセル、トローチなどは、以下の成分、または同様の性質の化合物のうちのいずれも含有することができる:結合剤、例えば、微結晶性セルロース、トラガカントゴム、またはゼラチンなど;賦形剤、例えば、デンプンまたはラクトースなど、崩壊剤、例えば、アルギン酸、プリモゲル、またはコーンスターチなど;滑剤、例えば、ステアリン酸マグネシウムまたはステロテスなど;コロイド二酸化ケイ素などの流動促進剤;甘味剤、例えば、スクロースもしくはサッカリンなど;または香味剤、例えば、ペパーミント、サリチル酸メチル、もしくはオレンジ香味料など。
吸入による投与については、化合物は、適当な噴霧剤、例えば、二酸化炭素などのガスを含有する加圧された容器もしくはディスペンサー、または噴霧器からエアロゾルスプレーの形態で送達される。
全身投与はまた、経粘膜または経皮手段によるものとすることができる。経粘膜または経皮投与については、バリアが浸透されるのに適した浸透剤が製剤中に使用される。そのような浸透剤は、一般に当技術分野で知られており、例えば、経粘膜投与については、界面活性剤、胆汁塩、およびフシジン酸誘導体を含む。経粘膜投与は、経鼻スプレーまたは坐剤を使用することによって実現することができる。経皮投与については、活性化合物は、一般に当技術分野で知られているように、軟膏(ointment)、軟膏(salve)、ゲル、またはクリームに製剤化される。
化合物は、直腸送達のために、坐剤(例えば、従来の坐剤基剤、例えば、カカオバターおよび他のグリセリドなどを用いた)または停留浣腸の形態で調製することもできる。
一実施形態では、活性化合物は、インプラント、およびマイクロカプセル化した送達システムを含めた制御放出製剤など、化合物が体から急速に消失するのを防ぐ担体を用いて調製される。生分解性、生体適合性ポリマー、例えば、エチレンビニルアセテート、ポリアンヒドリド、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリオルトエステル、およびポリ乳酸などを使用することができる。そのような製剤を調製するための方法は、当業者に明らかとなる。材料は商業的に得ることもできる。リポソーム懸濁液(ウイルス抗原に対するモノクローナル抗体を有する感染細胞を標的にしたリポソームを含む)も、医薬として許容可能な担体として使用することができる。これらは、例えば、米国特許第4,522,811号に記載されているような、当業者に既知の方法に従って調製することができる。
投与の容易さ、および投与量の均一性のために、単位剤形(dosage unit form)で経口または非経口組成物を製剤化することが特に有利である。単位剤形は、本明細書で使用する場合、治療される対象にとって単位投与量として適した物理的に別個のユニットを指し、各ユニットは、必要とされる医薬担体とともに、所望の治療効果を生じるように計算された所定量の活性化合物を含有する。本発明の単位剤形の仕様は、活性化合物の独特の特徴、実現されるべき特定の治療効果、および個々の治療のためにそのような活性化合物を合成する技術分野に固有の制限によって、およびこれらに直接依存して指示される。
医薬組成物は、投与についての指示書と一緒に、容器、パック、またはディスペンサーの中に含めることができる。
本発明による薬剤を投与する方法は、注射または経口注入などの従来の手段に限定されず、一方より高度で複雑な形態のエネルギー移動を含む。例えば、エネルギー調節剤を担持および発現する遺伝子操作された細胞を使用することができる。宿主由来の細胞に、バイオルミネセント剤を発現する遺伝子操作されたベクターをトランスフェクトすることができる。トランスフェクションは、ウイルスベクターの注射もしくは遺伝子銃などのin situでの遺伝子療法技法によって実現することができ、または宿主の細胞の試料を取り出すことによってex vivoで実施し、次いでトランスフェクションが成功した後に宿主に戻すことができる。
そのようなトランスフェクション細胞は、病的細胞が位置する部位に挿入し、またはさもなければこの部位を標的にすることができる。この実施形態では、開始エネルギー源は、ATPなどの生化学的供給源とすることができ、この場合、開始エネルギー源は、トランスフェクション細胞中に直接移植されているとみなされる。あるいは、開始エネルギー源として作用することができる従来のマイクロエミッターデバイスを病的細胞の部位に移植してもよい。
異なる薬剤を投与する順序は、特に限定されないことも理解されよう。したがって、いくつかの実施形態では、活性化可能な医薬剤をエネルギー調節剤の前に投与することができる一方で、他の実施形態では、エネルギー調節剤を活性化可能な医薬剤の前に投与することができる。順序づけの様々な組合せを、要因、例えば、薬剤の吸収速度、薬剤の局在化および分子輸送特性、ならびに他の薬物動態、または薬力学の考慮事項などに応じて有利に使用することができることが理解されよう。
さらなる実施形態は、皮膚癌を治療するための本発明の使用である。この例では、光活性化可能な薬剤、好ましくはソラレンが患者に投与され、血液供給を介して皮膚病変部に送達される。限られた浸透能力を有する活性化源(UVまたはIRなど)が皮膚に直接照らされ、ソラレンの場合、これはUV光、またはIR源である。IR源を使用すると、照射はより深く浸透し、ソラレンとの2つの単一光子事象を介してUVを生成する。
さらなる実施形態では、本発明のこの態様による方法は、処置された細胞の成分をいくつかの部分に分け、各部分を宿主中の自家ワクチン効果について試験する段階をさらに含む。次いでこのように単離および同定された成分は、有効な自家ワクチンとして機能することによって、宿主の免疫系を刺激して標的細胞の増殖を抑制することができる。
別の態様では、本発明は、上述した方法を実行するためのシステムおよびキットをさらに提供する。
一実施形態では、対象において自家ワクチンを生成するためのシステムは、
多光子吸収事象によって活性化することができ、前記対象における標的細胞中の少なくとも1つの標的構造を介して所定の細胞変化を誘導することができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤と、
前記対象中に前記少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を配置するための手段と
多光子吸収事象によって、前記標的細胞中の少なくとも1つの活性化可能な医薬剤を活性化することができる開始エネルギーを供給するための開始エネルギー源であって、活性化は直接的または間接的である開始エネルギー源とを含む。
異なる実施形態では、本発明によるシステムは、(1)開始エネルギー源、および(2)1つまたは複数のエネルギー調節剤を含むことができる。このシステムは、(3)1つまたは複数の活性化可能な医薬剤をさらに含むことができる。追加の実施形態では、このシステムは、(1)開始エネルギー源のみを含むことができる。さらに別の実施形態では、このシステムは、(1)開始エネルギー源、および(3)1つまたは複数の活性化可能な医薬剤を含むことができる。図3は、本発明の例示的な一実施形態によるシステムを例示する。図3を参照すると、本発明の一実施形態による例示的なシステムは、対象4に向けられる開始エネルギー源1を有することができる。活性化可能な医薬剤2およびエネルギー調節剤3は、対象4に投与される。開始エネルギー源は、開始エネルギーの送達を指示することができるコンピューターシステム5によってさらに制御することができる。
好適な実施形態では、開始エネルギー源は、予め選択された座標に、正確に較正された放射線のビームを送達するための画像誘導コンピューター制御能力を備えた線形加速器とすることができる。そのような線形加速器の一例は、Varian medical systems(Varian Medical Systems, Inc.、Palo Alto、California)からのSmartBeam(商標)IMRT(強度変調放射線治療)システムである。
他の実施形態では、適切な開始エネルギーエミッターを備えた内視鏡デバイスまたは腹腔鏡デバイスを、開始エネルギー源として使用することができる。そのようなシステムでは、部位に所望量の開始エネルギーを送達するために、開始エネルギーを予め選択された座標に誘導し、位置づけることができる。
さらなる実施形態では、線量の計算およびロボット操作デバイスも、システム中に含めることができる。
さらに別の実施形態では、開始エネルギー源、エネルギー移動剤、および活性化可能な医薬剤の適当な組合せを設計および選択するためのコンピューター実施システムであって、
励起可能な化合物のデータベースと、
標的細胞の構造または成分と結合することができる励起可能な化合物を同定および設計するための第1の計算モジュールと、
励起可能な化合物の共鳴吸収エネルギーを予測する第2の計算モジュールと
を備えた記憶媒体を有する中央処理装置(CPU)を含み、
標的細胞の構造または成分を選択した後、標的構造と結合することができる励起可能な化合物を計算し、その後励起可能な化合物の共鳴吸収エネルギーを予測するための計算をするシステムも提供される。
図4は、本発明のこの実施形態による例示的なコンピューター実施システムを例示する。図4を参照すると、本発明の一実施形態による例示的なコンピューター実施システムは、記憶ユニットに接続された中央処理装置(CPU)を有することができ、CPUが、ユーザーの入力を処理し、本発明の方法において使用するためのエネルギースペクトルの比較に基づいて、開始源、活性化可能な医薬剤、およびエネルギー移動剤の組合せを選択することができるように構成されている。
図5は、本発明の様々な実施形態を実行するためのコンピューターシステム1201を例示する。コンピューターシステム1201は、上述したCPUの機能のいずれか、またはすべてを実施するために、制御装置55として使用することができる。コンピューターシステム1201は、情報を通信するためのバス1202または他のコミュニケーション機構、および情報を処理するための、バス1202に連結したプロセッサ1203を含む。コンピューターシステム1201は、情報、およびプロセッサ1203によって実行される指示を記憶するための、バス1202に連結されたメインメモリ1204、例えば、ランダムアクセスメモリ(RAM)、または他の動的記憶デバイス(例えば、ダイナミックRAM (DRAM)、スタティックRAM (SRAM)、およびシンクロナスDRAM (SDRAM))なども含む。さらに、メインメモリ1204は、プロセッサ1203によって指示を実施する間に、一時的な変数または他の中間情報を記憶するために使用することができる。コンピューターシステム1201は、静的情報およびプロセッサ1203のための指示を記憶するための、バス1202に連結されたリードオンリメモリ(ROM) 1205または他の静的記憶デバイス(例えば、プログラマブルROM (PROM)、消去可能なPROM (EPROM)、および電気的に消去可能なPROM (EEPROM))をさらに含む。
コンピューターシステム1201は、情報ならびに指示を記憶するための1つまたは複数の記憶デバイス、例えば、磁気ハードディスク1207、ならびにリムーバブルメディアドライブ1208(例えば、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、リードオンリーコンパクトディスクドライブ、リード/ライトコンパクトディスクドライブ、コンパクトディスクジュークボックス、テープドライブ、およびリムーバブル光磁気ドライブ)などを制御するための、バス1202に連結されたディスク制御装置1206も含む。適切なデバイスインターフェース(例えば、スモールコンピューターシステムインターフェース(SCSI)、インテグレーテッドデバイスエレクトロニクス(IDE)、エンハストIDE (E-IDE)、直接メモリアクセス(DMA)、またはウルトラDMA)を使用して、記憶デバイスをコンピューターシステム1201に加えることができる。
コンピューターシステム1201は、専用ロジックデバイス(例えば、特定用途向け集積回路(ASIC))、またはコンフィギュラブルロジックデバイス(例えば、シンプルプログラマブルロジックデバイス(SPLD)、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス(CPLD)、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA))も含むことができる。
コンピューターシステム1201は、コンピューターユーザーに情報を表示するための、陰極線管(CRT)などの、ディスプレー1210を制御するためにバス1202に連結されたディスプレー制御装置1209も含むことができる。コンピューターシステムは、コンピューターユーザーとやり取りし、プロセッサ1203に情報を提供するための入力デバイス、例えば、キーボード1211およびポインティングデバイス1212などを含む。ポインティングデバイス1212は、例えば、方向情報およびコマンド選択をプロセッサ1203に通信し、ディスプレー1210上のカーソル移動を制御するための、マウス、トラックボール、またはポインティングスティックとすることができる。さらに、プリンターは、コンピューターシステム1201によって記憶および/または生成されたデータの印刷リストを提供することができる。
コンピューターシステム1201は、メインメモリ1204などのメモリに含まれる1つまたは複数の指示の1つまたは複数のシーケンスを実行するプロセッサ1203に応答して、本発明の処理段階(例えば、図5に関して説明したものなど)の一部またはすべてを実施する。そのような指示は、別のコンピューター判読可能な媒体、例えば、ハードディスク1207またはリムーバブルメディアドライブ1208などからメインメモリ1204に読み込むことができる。マルチプロセッシング配置での1つまたは複数のプロセッサも、メインメモリ1204中に含まれる指示のシーケンスを実行するために使用することができる。代替の実施形態では、配線電気回路を、ソフトウェア指示の代わりに、またはこれと組み合わせて使用することができる。したがって、実施形態は、ハードウェア電気回路とソフトウェアのいずれの特定の組合せにも限定されない。
上述したように、コンピューターシステム1201は、本発明の教示に従ってプログラムされた指示を保持し、本明細書に記載されるデータ構造、表、記録、または他のデータを収容するために、少なくとも1つのコンピューター判読可能な媒体またはメモリを含む。コンピューター判読可能な媒体の例は、コンパクトディスク、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、テープ、光磁気ディスク、PROM(EPROM、EEPROM、フラッシュEPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM、もしくは任意の他の磁気媒体、コンパクトディスク(例えば、CD-ROM)、もしくは他の光媒体、パンチカード、紙テープ、もしくは穴のパターンを有する他の物理的な媒体、搬送波(以下に記載される)、またはコンピューターが読むことができる任意の他の媒体である。
コンピューター判読可能な媒体の1つまたは組合せに記憶された状態で、本発明は、1つまたは複数のデバイスに本発明を実行することを促し、コンピューターシステム1201が人のユーザー(例えば、プリント作成人員)とやり取りすることを可能にするために、コンピューターシステム1201を制御するためのソフトウェアを含む。そのようなソフトウェアとして、それだけに限らないが、デバイスドライバー、オペレーティングシステム、開発ツール、およびアプリケーションソフトウェアを挙げることができる。そのようなコンピューター判読可能な媒体は、本発明の実行において実施される処理のすべてまたは一部(処理が分配されている場合)を実施するために、本発明のコンピュータープログラム製品をさらに含む。
本発明のコンピューターコードデバイスは、それだけに限らないが、スクリプト、解釈可能なプログラム、ダイナミックリンクライブラリー(DLL)、Java（登録商標）クラス、および完全な実行可能プログラムを含めた、任意の解釈可能または実行可能なコード機構とすることができる。さらに、本発明の処理の一部を、より良好な性能、信頼性、および/またはコストのために分配することができる。
用語「コンピューター判読可能な媒体」は、本明細書で使用する場合、実行のためにプロセッサ1203に指示を与えることに関与する任意の媒体を指す。コンピューター判読可能な媒体は、それだけに限らないが、非揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含めて、多くの形態をとることができる。非揮発性媒体には、例えば、光ディスク、磁気ディスク、および光磁気ディスク、例えば、ハードディスク1207、またはリムーバブルメディアドライブ1208などが含まれる。揮発性媒体には、メインメモリ1204などのダイナミックメモリが含まれる。伝送媒体には、バス1202を構成する電線を含めて、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバーが含まれる。伝送媒体はまた、電波および赤外データ通信の間に生成されるものなどの音波または光波の形態もとることができる。
様々な形態のコンピューター判読可能な媒体は、実行のために、プロセッサ1203への1つまたは複数の指示の1つまたは複数のシーケンスを実施することに関与することができる。例えば、指示は、リモートコンピューターの磁気ディスク上に最初に搬送することができる。リモートコンピューターは、遠く離れて本発明のすべてまたは一部を実行するために、指示をダイナミックメモリにロードし、モデムを使用して電話線でこの指示を送ることができる。コンピューターシステム1201の近くのモデムは、電話線のデータを受信し、赤外伝達物質を使用することによって、データを赤外信号に転換することができる。バス1202に連結された赤外検出器は、赤外信号で搬送されたデータを受信し、バス1202上にこのデータを置くことができる。バス1202はメインメモリ1204にこのデータを搬送し、そこからプロセッサ1203が指示を取り出し、実行する。メインメモリ1204によって受信された指示は、プロセッサ1203によって実行される前または後に、記憶デバイス1207または1208上に場合により記憶することができる。
コンピューターシステム1201は、バス1202に連結された通信インターフェース1213も含む。通信インターフェース1213は、ネットワークリンク1214につながって双方向データ通信を提供し、このネットワークリンクは、例えば、ローカルエリアネットワーク(LAN)1215、またはインターネットなどの別の通信ネットワーク1216に接続されている。例えば、通信インターフェース1213は、任意のパケット交換LANにアタッチするためのネットワークインターフェースカードとすることができる。別の例として、通信インターフェース1213は、対応するタイプの通信回線にデータ通信接続するための非対称デジタル加入者線(ADSL)カード、サービス総合デジタル網(ISDN)カードまたはモデムであってもよい。無線リンクも実装することができる。任意のそのような実装において、通信インターフェース1213は、様々なタイプの情報を表すデジタルデータストリームを搬送する電気、電磁、または光信号を送受信する。
ネットワークリンク1214は一般に、1つまたは複数のネットワークを通じて他のデータデバイスにデータ通信をもたらす。例えば、ネットワークリンク1214は、ローカルネットワーク1215(例えば、LAN)を通じて、または通信ネットワーク1216を通じて通信サービスを提供するサービスプロバイダーによって操作される装置を経由して、別のコンピューターに接続することができる。ローカルネットワーク1214および通信ネットワーク1216は、デジタルデータストリームを搬送する電気、電磁、または光信号、および関連する物理レイヤー(例えば、CAT5ケーブル、同軸ケーブル、光ファイバーなど)を使用する。コンピューターシステム1201を往復してデジタルデータを搬送する、様々なネットワークを通じた信号、ならびにネットワークリンク1214上および通信インターフェース1213を通じた信号は、ベースバンド信号または搬送波ベース信号で実現することができる。ベースバンド信号は、デジタルデータビットのストリームを描写している変調されていない電気パルスとしてデジタルデータを運び、ここで用語「ビット」は、記号を意味すると広く解釈され、各記号は少なくとも1つ以上の情報ビットを運ぶ。デジタルデータは、導電媒質によって伝搬され、または伝搬媒質を通じて電磁波として伝送される、振幅、位相および/または周波数シフトキー信号(keyed signal)など、搬送波を変調するのに使用することもできる。したがって、デジタルデータは、「有線」通信チャネルを通じて変調されていないベースバンドデータとして送信することができ、かつ/または搬送波を変調することによって、ベースバンドと異なる所定の周波数帯内で送信することができる。コンピューターシステム1201は、ネットワーク1215および1216、ネットワークリンク1214、ならびに通信インターフェース1213を通じて、プログラムコードを含むデータを伝送および受信することができる。さらに、ネットワークリンク1214は、LAN 1215を通じて、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)ラップトップコンピューター、または携帯電話などのモバイルデバイス1217に接続することができる。
図1で以前に言及した例示的なエネルギースペクトルも、このコンピューター実施システムにおいて使用することができる。
本発明の方法およびシステムに有用な試薬および化学物質を、本発明の用途を促進するためにキットに梱包することができる。例示的な一実施形態では、ソラレン、ならびに自家ワクチンの分割および分離を容易にするための分割容器を含むキットが企図されている。さらなる実施形態のキットは、所定の細胞変化を引き起こすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤、エネルギーを与えられたとき、少なくとも1つの活性化可能な薬剤を活性化することができる少なくとも1つのエネルギー調節剤、および安定な形態で作用剤を保管するのに適した容器を含み、好ましくは少なくとも1つの活性化可能な医薬剤および少なくとも1つのエネルギー調節剤を対象に投与するため、ならびに開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライすることによって、活性化可能な医薬剤を活性化するための指示書をさらに含む。指示書は、任意の所望の形式とすることができ、それだけに限らないが、キットインサート上に印刷されたもの、1つまたは複数の容器上に印刷されたもの、ならびにコンピューター判読可能な記憶媒体などの電子記憶媒体に提供された電子的に記憶された指示書を含む。コンピューター判読可能な記憶媒体上のソフトウェアパッケージも場合により含められ、これは、ユーザーが情報を統合し、制御線量を計算すること、照射源の強度を計算および制御することを可能にする。
本発明の異なる態様では、生物活性を媒介し、またはこれに関連する標的構造を改変するためのキットは、
エネルギー調節剤、プラズモニクス活性剤、およびこれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1つの作用剤であって、
- エネルギー調節剤は、存在する場合、開始エネルギーを、標的構造において所定の変化を直接または間接的に引き起こすことができる活性化エネルギーにアップグレードまたはダウングレードし、
- プラズモニクス活性剤は、存在する場合、アプライされた開始エネルギーもしくはエネルギー調節剤によって生成された活性化エネルギー、またはその両方を増強または改変する
作用剤と、
安定な形態で作用剤を保管するのに適した1つまたは複数の容器と
を含む。
異なる実施形態では、状態、障害、または疾患の治療を実施するためのキットは、
開始エネルギーを吸着、強化、または改変して、標的構造において所定の変化を引き起こすことができるエネルギーにする、少なくとも1つのエネルギー調節剤と、
安定な形態で作用剤を保管するのに適した容器と
を含む。
さらに別の実施形態では、キットは、少なくとも1つのエネルギー調節剤を対象に投与するための指示書をさらに含むことができる。
プラズモニクスで増強された光スペクトル療法
本発明のPEPSTの実施形態では、本発明は、光熱療法(PTT)と呼ばれることが多い光線療法技法と著しく異なる。光スペクトル療法(PST)の一形態である本発明のPEPSTとPTT技法の差異を例示するために、PSTおよびPPTに関与する光化学過程を以下に論じる。
薬物分子が励起光を吸収するとき、電子は基底状態から励起電子状態への遷移を受ける。電子励起エネルギーは、引き続いて放射放出(ルミネセンス)および無放射減衰チャネルを介して緩和する。分子が励起エネルギーを吸収するとき、これは、S0から、多種多様のS1、...、Snの中の励起一重項状態の1つであるSnのいくつかの振動準位に上げられる。凝縮媒質(組織)では、Sn状態の分子は、振動緩和(VR)過程を介して10-13〜10-11s以内で急速に失活し、これらが可能なSnの最低振動準位にあることを確実にしている。VR過程は電子遷移より速いので、分子が対応する励起電子状態のより低い振電準位に失活されるにつれて、いずれの過剰振動エネルギーも急速に失われる。この過剰VRエネルギーは、周囲の媒質に熱エネルギーとして放出される。Sn状態から、この分子は、内部転換(IC)過程を介してSn-1などのより低い電子状態の等エネルギー振動準位に急速に失活する。IC過程は、同じ多重度の状態間の遷移である。この分子は、引き続いてVR過程を介してSn-1の最低振電準位に失活する。一連のIC過程、その直後のVR過程によって、分子は基底状態S1に急速に失活する。この過程は、周囲媒質に熱エネルギーとして放出される過剰のVRおよびICエネルギーをもたらし、光吸収薬物分子を囲む局所環境の過熱に導く。生成された熱は、局所的な細胞破壊または組織破壊をもたらす。光吸収種として、組織中の天然の発色団または外部からの色素化合物、例えば、遷移金属および金属ナノ粒子、および金属のナノシェルに配位したインドシアニングリーン、ナフタロシアニン、およびポルフィリンなどが挙げられる。しかし、天然の発色団は、非常に低い吸収を欠点として持つ。外部からの光熱作用剤(photothermal agent)の選択は、その強い吸収断面積および非常に効率的な光熱転換に基づいて行われる。この特徴は、病的細胞の局所的損傷を誘導するのに必要なレーザーエネルギー量を大いに最小化し、治療法を侵襲性のより低いものにしている。色素分子の使用に関連する問題は、レーザー照射下でのその光退色である。したがって、金ナノ粒子およびナノシェルなどのナノ粒子が最近使用されている。腫瘍の光熱療法におけるナノシェルの有望な役割は実証されている[Hirsch, L.R.、Staffo
rd , R.J.、Bankson, J.A.、Sershen, S.R.、Rivera, B.、Price, R.E.、Hazle, J. D.、Halas, N. J.、およびWest, J. L.、Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance. PNAS、2003. 100(23):13549〜13554頁]。光熱療法のための、金属ナノ粒子のプラズモニクスで増強された光熱特性の使用も概説された(Xiaohua Huang & Prashant K Jain & Ivan H. El-Sayed & Mostafa A. El-Sayed、「Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles」、Lasers in Medical Science、August 2007)
しかし、本発明のPST法は、放射過程(蛍光、リン光、ルミネセンス、ラマンなど)に基づき、一方、PTT法は、分子中の無放射過程(IC、VRおよび熱転換)に基づく、
プラズモニクス、および電磁場の増強の基本原理
プラズモニクス金属ナノ粒子の光熱特性が使用されているが、光線療法におけるプラズモニクス活性ナノ粒子の分光学的吸収および放出は報告されていない。
本発明のPEPSTでは、プラズモニクスで増強された分光学的特性(スペクトルの吸収、放出、散乱)は、治療に関与する主要な要因である。
PEPSTの原理は、電磁場効果の増強機構に基づく。電磁的増強の2つの主な源がある:(1)第1に、金属粒子の分極によって生じる場が加わるために、レーザー電磁場が増強され、(2)励起レーザー場の増強に加えて、増幅放出(ルミネセンス、ラマンなど)場を放射する分子による別の増強も存在し、これは金属粒子をさらに分極させ、それによってラマン/ルミネセンス信号をさらに増幅するためのアンテナとして作用する。
電磁的増強は2つの主なクラス、すなわち、a)放射場の存在下のみで起こる増強、およびb)放射場がなくても起こる増強に分けられる。第1のクラスの増強は、いくつかの過程にさらに分けられる。基質表面上のプラズマ共鳴は、表面プラズモンとも呼ばれ、電磁的増強に対して主な寄与を与える。有効なタイプのプラズモニクス活性基質は、ナノ構造金属粒子、突起、または金属物質の粗面を含む。これらの表面を照射する入射光は、金属中の伝導電子を励起し、表面プラズモンの励起を誘導し、ラマン/ルミネセンスを増強する。プラズモン周波数で、金属ナノ粒子(またはナノ構造の粗さ)は分極し、表面上に大きな場誘起分極、およびしたがって大きな局所場をもたらす。これらの局所場はルミネセンス/ラマン放出強度を増大させ、この強度は分子においてアプライされた場の2乗に比例する。結果として、これらの表面上の分析物分子が経験する有効な電磁場は、実際のアプライされた場よりはるかに大きい。この場は、表面から離れて1/r3に比例して減少する。したがって、電磁モデルでは、ルミネセンス/ラマン活性分析物分子は、金属表面と接触している必要はなく、一方この分子を分極させることができる、増強された局所場の範囲内のどこにでも位置することができる。ラマンまたはルミネセンスの波長λで振動している双極子は、次に金属ナノ構造を分極させることができ、λが局在化した表面プラズモンと共鳴状態にある場合、ナノ構造は、観察される放出光(ラマンまたはルミネセンス)を増強することができる。
電磁的増強の2つの主な源がある:(1)第1に、金属粒子の分極によって生じる場が加わるために、レーザー電磁場が増強され、(2)励起レーザー場の増強に加えて、増幅されたラマン/ルミネセンス場を放射する分子による別の増強も存在し、これは金属粒子をさらに分極させ、それによってラマン/ルミネセンス信号をさらに増幅するためのアンテナとして作用する。プラズモニクス活性金属ナノ粒子は、従来のレーザー光線療法剤と比較して数桁強い、可視光および近赤外光吸収の強い増強も呈する。したがって、非常に増強された光吸収剤としてプラズモニックナノ粒子を使用することにより、選択的かつ効率的な光線療法ストラテジーが提供される。金属ナノ粒子のスペクトル特性の調整力、およびプラズモンナノ構造のバイオターゲティング能力は、PEPST法を有望にする。
本発明のPEPSTは、いくつかの重要な機構に基づく:
● 薬物分子の光活性化の増強をもたらす、プラズモニック金属ナノ粒子による励起光の吸収の増大
● PA分子の励起を増大させるためにより多くの光を生じる、より効率的なエネルギー調節剤システムとして機能を果たすプラズモニック金属ナノ粒子による励起光の吸収の増大
● プラズモニック金属ナノ粒子上、またはこの粒子付近で吸着される光活性薬物システムによる励起光の吸収の増大
● 金属ナノ粒子上、または金属ナノ粒子付近で吸着されるエネルギー調節剤分子の光吸収の増大
● 金属ナノ粒子上、または金属ナノ粒子付近で吸着されるエネルギー調節剤分子からの発光の増幅
● PA分子による、エネルギー調節剤から放出される放出光の吸収の増大。
吸着される分子から、または金属ナノ構造付近で放出される光(ラマンまたはルミネセンス)の効率を増強することができるいくつかの現象のうちの1つであるラマン散乱は、表面増強ラマン散乱(SERS)効果である。1984年に、分析技法としてのSERSの一般的な適用性が、本発明者らのうちの一人によって最初に報告され、いくつかの同素環式および複素環式多環芳香族化合物を含めた様々な化学物質についてのSERS測定の可能性[T. Vo-Dinh、M. Y. K. Hiromoto、G. M. BegunおよびR. L. Moody、「Surface-enhanced Raman spectroscopy for trace organic analysis」、Anal. Chem.、56巻、1667、1984]。1980年代半ば以来、広範な研究が、SERSでのラマン増強を理解し、モデル化することに充てられてきた。例えば、図6は、1984年に遡るが、球状銀ナノ粒子、および誘電体コアの周りの金属ナノシェルについての電磁場増強をモデル化した、Kerkerによる初期の研究を示す[M. M. Kerker、Acc. Chem. Res.、17、370 (1984)]。この図は、様々な励起波長での、孤立した球状ナノスフェアおよびナノシェルについての電磁場増強の理論計算結果を示す。通常弱いラマン散乱過程の強度は、SERS基質上に吸着された化合物について、1013ないし1015倍も大きく増大され、1個の分子検出を可能にしている。ナノ構造金属表面付近で生じる電磁場増強の結果として、ナノ粒子は、蛍光およびラマンナノプローブとして用途が増加した。
理論モデルでは、ナノ粒子およびナノシェルのサイズを励起波長に合わせることが可能であることが示されている。実験的な証拠により、106〜1015倍のラマン増強の源は、2つの機構、すなわち、a)「表面プラズモン」と呼ばれることが多い、電磁共鳴によって引き起こされる大きな局所場に関連して、金属表面構造付近で起こっている電磁「避雷針」効果、およびb)分子と金属表面の間の直接エネルギー移動に関連する化学効果から主に生じることが示されている。
古典的な電磁理論によれば、金属ナノ構造上に光が入射するとき、電磁場は局所的に増幅される場合がある。こうした場の増強はかなり大きくなりうる(一般に106〜107倍であるが、「ホットスポット」で最大1015倍の増強)。ナノ構造金属表面が電磁場(例えば、レーザービーム)によって照射されるとき、伝導帯内の電子は、入射光の周波数に等しい周波数で振動し始める。これらの振動電子は、「表面プラズモン」と呼ばれ、第2の電場を生じ、この電場は入射場に加わる。孤立した金属ナノスフェアまたは金属粗面(ナノ構造)の場合のように、これらの振動電子が空間的に閉じ込められている場合、特性周波数(プラズモン周波数)が存在し、この周波数で、入射場に対して集団振動の共振応答がある。この条件は、金属表面上または付近で分子と相互作用することができる、強い局所的な場の増強を生ずる。「避雷針」と類似した効果で、第2の場は、金属粗面上の高い曲率の箇所で一般に最も集中する。
PEPSTプローブの設計、作製、および操作
図7は、設計することができるPEPSTプローブのいくつかの様々な実施形態を示す:
(A)金属(金)ナノ粒子に結合したPA分子を含むプローブ;
(B)金属ナノ粒子で覆われたPA含有ナノ粒子;
(C)PAナノキャップで覆われた金属ナノ粒子;
(D)金属ナノキャップで覆われたPA含有ナノ粒子;
(E)PAナノシェルで覆われた金属ナノ粒子;
(F)金属ナノシェルで覆われたPA含有ナノ粒子;および
(G)保護コーティング層を有する金属ナノシェルで覆われたPA含有ナノ粒子。
PEPSTプローブの基本的な実施形態を図7Aに示す。このプローブは、金属(例えば、金)ナノ粒子に結合したPA分子を含む。図8は、PEPSTプローブのプラズモニクス増強効果を例示する。金ナノ粒子は、薬物送達プラットフォームとして機能を果たすことができる。金ナノ粒子は、粒子に基づく腫瘍標的化薬物送達の分野における新規技術として記載された[Giulio F. PaciottiおよびLonnie Myer、David Weinreich、Dan Goia、Nicolae Pavel、Richard E. McLaughlin、Lawrence Tamarkin、「Colloidal Gold: A Novel Nanoparticle Vector for Tumor Directed Drug Delivery」、Drug Delivery, 11:169〜183、2004]。細網内皮系(RES)による食細胞性クリアランスを逃れることができる粒子送達システムは、癌治療剤を固形腫瘍に標的化することを促進することができる。そのような送達システムは、理想的条件下で腫瘍の微小環境内に優先的に蓄積することができる。光線療法薬を選択的に腫瘍内に隔離することができる粒子送達システムは、健康な臓器中の薬物の蓄積も低減することができる。したがって、これらの送達システムは、療法の相対的効力または安全性(より小さい放射エネルギーおよび強度)を増大させることができ、したがって、薬物の治療効率を増加させる。
適当なエネルギーの放射線は、PA薬物分子(例えば、アミノレブリン酸(ALA)、ポルフィリン)を励起するのに使用され、これらを光活性にする。例えば、PDT薬のALAでは、HeNeレーザーの光(632.8nmでの励起)を、励起のために使用することができる。この場合、金属ナノ粒子は、632.8nm付近で強いプラズモン共鳴帯を呈するように設計される。表面プラズモン共鳴効果は、ナノ粒子において励起光を増幅し、PA薬物分子の光活性化を増大させ、療法効率を改善する。プラズモニクスで増強された機構は、図7B、7C、7D、7E、7Fおよび7G中の他のPEPSTプローブを用いて使用することもできる。
図34は、プラズモニクス光活性プローブのさらに他の実施形態を示す。図35は、プラズモニクス光活性プローブのさらに他の実施形態を示し、これは、金属とUC物質の間に誘電体層を有する。
一実施形態では、本発明による状態、障害、または疾患を治療するための方法は、
(1)活性化されたとき、標的構造において所定の変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤、および少なくとも1つのプラズモニクス活性剤を対象に投与する段階と、
(2)対象に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階
とを含み、
プラズモニクス活性剤は、アプライされた開始エネルギーを増強または改変し、その結果、増強された開始エネルギーは、in situで活性化可能な薬剤を活性化し、
- こうして標的構造に所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は標的構造を改変し、前記状態、障害、または疾患を治療する。
異なる実施形態では、本発明による方法は、
(1)活性化されたとき、標的構造において所定の変化をもたらすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤、および少なくとも1つのプラズモニクス活性剤と前記標的構造を接触させる段階と、
(2)標的構造に開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライする段階
とを含み、
プラズモニクス活性剤は、アプライされた開始エネルギーを増強または改変し、その結果、増強された開始エネルギーは、活性化可能な薬剤を活性化し、
- こうして標的構造に所定の変化を起こさせ、前記所定の変化は標的構造を改変し、標的構造の生物活性を調節する。
異なる実施形態では、少なくとも1つのエネルギー調節剤および/または励起発生エネルギー調節剤物質も加えることができる。一実施形態では、エネルギー調節剤または励起発生エネルギー調節剤物質は、開始エネルギーを吸着、強化、または改変することができ、次いでこれは、少なくとも1つのプラズモニック剤によって増強される。異なる実施形態では、エネルギー調節剤または励起発生エネルギー調節剤物質は、少なくともプラズモニクス活性剤によって増強されたエネルギーを吸着、強化、または改変し、活性化可能な医薬剤を活性化することができるエネルギーを放出することができる。
別の実施形態では、所定の変化は、前記標的構造の発現を増強し、増殖を促進し、または量を増加させる。さらに異なる実施形態では、所定の変化は、同様の未処置の標的構造と比較して、前記標的構造の通常の生物活性を増強、阻害、または安定化する。異なる実施形態では、所定の変化は、前記標的構造の免疫学的または化学的性質を変更する。異なる実施形態では、標的構造は、前記所定の変化によって改変されることによって、抗原性または免疫原性が高く、または低くなる化合物である。
プラズモニクス活性金属ナノ構造の構造
プラズモン共鳴は、金属ナノ粒子内で、入射光の場によって駆られる自由電子の集団振動から生じる。ナノ粒子のプラズモニック応答は、表面増強ラマン散乱(SERS)、化学センシング、薬物送達、光熱癌療法、および新しい光子デバイスを含めた、数が増え続けている用途において役割を果たしている。SERS検出のためのプラズモニクスナノ基質の研究および適用は、20年を超えて本発明者らの一人によって使用されている[T. Vo-Dinh、「Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Using Metallic Nanostructures」、Trends in Anal. Chem.、17、557(1998)]。いくつかの同素環式および複素環式多環芳香族化合物を含めた、様々な化学物質の微量分析のためのSERS技法の実用的な分析用途についての、本発明者らの一人による最初の報告は1984年であった[T. Vo-Dinh、M. Y.K. Hiromoto、G. M. BegunおよびR. L. Moody、「Surface-enhanced Raman spectroscopy for trace organic analysis」、Anal. Chem.、56巻、1667、1984]。それ以来、化学センシング、生物学的分析、および医療診断における用途のためのSERS技術の開発が進行中である。基質は、ナノ粒子、および片側に金属(銀など)によってコーティングされたナノ粒子の層を含むセミナノシェル(semi-nanoshell)(ナノキャップまたはハーフシェル)を伴う。いくつかのグループは、球状シェルのプラズモン共鳴は、ナノシェル構造のシェルの厚さおよびアスペクト比を制御することによって調整することができることを示した[M. M. Kerker、Acc. Chem. Res.、17、370 (1984); J. B. Jackson、S. L. Westcott、L. R. Hirsch、J. L. WestおよびN. H. Halas、「Controlling the surface enhanced Raman effect via the nanoshell geometry」、Appl. Phys. Lett.、82巻、257〜259、2003; S. J. NortonおよびT. Vo-Dinh、「Plasmonic Resonances of nanoshells of Spheroidal Shape」、IEEE Trans. Nanotechnology、6、627〜638 (2007)]。これらのシェルは一般に、誘電体コア上の金属層を含む。本発明の一実施形態では、プラズモン共鳴(縦モードおよび横モードの両方)は、シェルの厚さおよびアスペクト比の両方によって影響されるので、これらのシェルは球状シェルを含む。何人かの研究者は、表面増強ラマン散乱の彼らの分析において、固体球状粒子のプラズモニック応答を検査したが、球状シェルは調査されていないように思われる。本発明は、長球状および偏球状シェルも含み、これらは、そのプラズモン共鳴においていくつかの興味深い定性的特徴を示す。球状シェルは、調整のための2つの自由度、すなわち、シェルの厚さおよびシェルのアスペクト比を提示する[S. J. NortonおよびT. Vo-Dinh、「Plasmonic Resonances of Nanoshells of Spheroidal Shape」、IEEE Trans. Nanotechnology、6、627〜638 (2007)]。
図9は、設計することができ、本発明の好適な実施形態であるプラズモニクス活性ナノ構造のいくつかの様々な実施形態を示す:
(A)金属ナノ粒子;
(B)金属ナノキャップで覆われた誘電体ナノ粒子コア;
(C)誘電体スフェロイドコアを覆う球状金属ナノシェル;
(D)誘電体スフェロイドコアを覆う偏球金属ナノシェル;
(E)誘電体ナノシェルで覆われた金属ナノ粒子コア;
(F)保護コーティング層を有する金属ナノシェル;
(G)誘電体スフェロイドコアを覆う多層金属ナノシェル;
(H)マルチナノ粒子(multi-nanoparticle)構造;
(I)金属ナノキューブおよびナノトライアングル/ナノプリズム;ならびに
(J)金属シリンダー。
遠隔で活性化される薬物放出を伴うPEPSTプローブ
本発明のさらなる実施形態では、PA薬物分子は、金属(金)ナノ粒子上にナノキャップを形成することができる物質(例えば、生体適合性ポリマー)中に組み込むことができる。この物質は、長期間の連続的な薬物放出特性を有することができる、ゲルまたは生体適合性ポリマーとすることができる。適当なゲルまたは生体適合性ポリマーとして、それだけに限らないが、ポリラクチド(PLA)、ポリグリコリド(PGA)、ポリカプロラクトン(PCL)、およびこれらのコポリマーに基づくポリ(エステル)、ならびにPHB-PHVクラスのポリ(ヒドロキシアルカノエート)、追加のポリ(エステル)、天然ポリマー、特に改変ポリ(サッカリド)、例えば、デンプン、セルロース、ならびにキトサン、ポリエチレンオキシド、ポリ(エーテル)(エステル)ブロックコポリマー、およびエチレンビニルアセテートコポリマーが挙げられる。薬物放出機構は、非侵襲性の技法、例えば、RF、MW、超音波、光子などによっても誘発することができる(図10)。
図11は他の可能な実施形態を示し、この場合、PA薬物分子はリンカーを介して金属ナノ粒子に結合しており、このリンカーは光子放射線によって切断することができる。そのようなリンカーには、それだけに限らないが、生化学的結合(図11A)、DNA結合(図11B)、または抗体-抗原結合(図11C)が含まれる。別の実施形態では、リンカーは、細胞内部の化学環境によって切断される、化学的に不安定な結合である。これらのタイプのプローブは、PA分子が核に入らなければならない(例えば、ソラレン分子は、細胞の核に入り、DNA上にインターカレートする必要がある)療法モダリティーに有用である。金属ナノ粒子は、より小さい分子より細胞核に入ることが困難であるので、PEPSTプローブは放出可能なPA分子を有することが望ましい。
疾患標的化PEPSTプローブ
金属(銀または金など)ナノ粒子(ナノスフェア、ナノロッドなど)の凝集は、特に、クエン酸でキャップされた金ナノスフェア、セチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)でキャップされた金ナノスフェアおよびナノロッドおよびナノシェルで問題であることが多く、その理由は、これらは、緩衝液中に分散されるとき、塩イオンの凝集効果のために安定性が乏しいためである。ポリエチレングリコール(PEG)を有するナノ粒子(チオール官能化PEGの金属ナノ粒子との結合による)をキャップすることによって、生体適合性を改善し、ナノ粒子の凝集を防止することができる。さらに、ペグ化されたナノ粒子は、浸透性の増強および「EPR」効果として知られる保持効果により、腫瘍組織中に優先的に蓄積される[Maedaa H、Fanga J、Inutsukaa T、Kitamoto Y (2003) Vascular permeability enhancement in solid tumor: various factors, mechanisms involved and its implications. Int Immunopharmacol 3:319〜328; Paciotti GF、Myer L、Weinreich D、Goia D、Pavel N、McLaughlin RE、Tamarkin L (2004) Colloidal gold: a novel nanoparticles vector for tumor directed drug delivery. Drug Deliv 11:169〜183]。腫瘍組織中の血管は、正常組織中の血管より「漏出性」であり、結果として、粒子、または大きい巨大分子種もしくはポリマー種は、腫瘍組織中に優先的に浸出する。粒子および大きい分子は、リンパ系が減少しているために、腫瘍組織中でより長い時間留まる傾向があるが、正常組織中では、これらは急速に一掃される。この腫瘍標的化ストラテジーは、受動的標的化と呼ばれることが多いが、抗体標的化ストラテジーは、能動的標的化と呼ばれる。
病的細胞、特定の遺伝子、またはタンパク質マーカーを特異的に標的にするために、本発明の薬物システムを、バイオレセプター(例えば、抗体、合成分子インプリントシステム、DNA、タンパク質、脂質、細胞-表面受容体、アプタマーなど)に結合させることができる。病的細胞および組織に選択的にPA剤を送達するための免疫標的化モダリティーは、特異性の実現、健康細胞への非特異的傷害の最小化、および使用される放射線強度の低減に対する効率的なストラテジーを提供する。金属ナノ粒子(例えば、金、銀)の生体機能化は、一般に開発され、広く使用されている手順を使用して実施することができる。本発明において使用することができる、いくつかの標的化ストラテジーが存在する: (a)病的細胞に特異的な生物マーカーを認識する抗体に結合したナノ粒子; (b)ナノ粒子の生態適合性および生体安定性を増大させ、ナノ粒子に増加した血液保持時間を付与するのに使用される、ポリ(エチレン)グリコール(PEG)によって不動態化されたナノ粒子。
バイオレセプターを有するPEPSTプローブ
バイオレセプターは、疾患細胞、突然変異遺伝子、または特定の生物マーカーを標的にするための特異性にとって重要である。これらは、対象とするバイオターゲットを、療法のための薬物システムに結合させることに関与する。これらのバイオレセプターは多くの形態をとることができ、使用されてきた様々なバイオレセプターは、バイオセンサーを使用してモニターされてきた様々な分析物と同じぐらい多数である。しかし、バイオレセプターは一般に、5つの異なる主要なカテゴリーに分類することができる。これらのカテゴリーは、1)抗体/抗原、2)酵素、3)核酸/DNA、4)細胞構造/細胞、および5)生物模倣型を含む。図12は、設計することができる、バイオレセプターを有する様々なPEPSTプローブのいくつかの実施形態を例示する。これらのプローブは、図2中のものと同様であるが、腫瘍標的化のためのバイオレセプターも有する。
抗体プローブ。抗体に基づく標的化は、非常に能動的、特異的、かつ効率的である。抗体は、特定の腫瘍マーカー(例えば、口腔癌細胞および子宮頸癌細胞に過剰発現した上皮成長因子受容体(EGFR)を標的にする抗EGFR抗体、乳癌細胞に過剰発現したHer2に対する抗Her2抗体)を標的にするように選択される。抗体は、特定の構造に対して非常に特異的な結合能力を呈する生体分子である。これは、ほとんどの生物系の複雑な性質の理由から非常に重要である。抗体は複雑な生体分子であり、高度に秩序化された順序で配列された数百の個々のアミノ酸で構成されている。特定の分子に対して免疫応答が生じるためには、ある特定の分子サイズおよび複雑性が必要である。5000Da超の分子量を有するタンパク質は、一般に免疫原性である。抗原とその抗原-特異的抗体が相互作用する様式は、独特の鍵の特定の幾何学的立体配置が、鍵にロックを開けることを可能にする、ロックと鍵のフィットに類似していると理解することができる。同様に、抗原-特異的抗体は、高度に特異的な様式でその独特の抗原に「フィットする」。抗体のこの独特の特性は、免疫センサーにおけるその有用性にとって重要であり、この場合、対象とする特定の分析物である抗原のみが、抗体結合部位にフィットする。
DNAプローブ。遺伝子プローブの操作は、ハイブリダイゼーションプロセスに基づく。ハイブリダイゼーションは、核酸の1本の鎖を相補性プローブ配列と結合することを伴う。核酸プローブをDNAバイオターゲット(例えば、突然変異の遺伝子配列など)とハイブリダイズすることにより、プローブのDNA配列と相補性のDNA配列を同定するのに、非常に高い精度がもたらされる。核酸鎖は、対応する二本鎖構造におけるその補体と対になる傾向がある。したがって、一本鎖のDNA分子は、多数の他の核酸分子を含有するDNAの複雑な混合物中でその補体を探し出すことになる。したがって、核酸プローブ(すなわち、遺伝子プローブ)検出法は、DNA配列に非常に特異的である。2本の相補性DNA鎖のハイブリダイゼーションまたは再会合に影響する要因には、温度、接触時間、塩濃度、ならびに標的配列およびプローブ配列の塩基対同士間のミスマッチの程度、ならびに標的配列およびプローブ配列の長さおよび濃度が含まれる。
生物学的に活性なDNAプローブは、薬物システム、例えば、エネルギー調節剤システム(例えば、金ナノ粒子、半導体、量子ドット、ガラス/石英ナノ粒子など)などの表面上に直接または間接的に固定化することによって、最適な接触および最大の結合を保証することができる。金ナノ粒子上に固定化されると、遺伝子プローブは安定化され、したがって、繰り返して再使用することができる。様々な支持体にDNAを結合するのに、いくつかの方法を使用することができる。DNAをガラスに結合させるのに一般に使用される方法は、ガラス表面のシラン化、その後のカルボジイミドまたはグルタルアルデヒドを用いた活性化を伴う。シラン化法は、3グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GOP)またはアミノプロピルトリメトキシシラン(APTS)を使用し、その後にDNA合成の間に分子の3'または5'末端に組み込まれたアミノリンカーを介してDNAを共有結合させることによって、ガラス表面に結合させるのに使用されている。
酵素プローブ。酵素は、その特異的な結合能力、ならびにその触媒活性に基づいて、バイオレセプターとして選択されることが多い。生体触媒認識機構では、検出は、生体触媒と呼ばれる巨大分子によって触媒される反応によって増幅される。触媒のリボ核酸分子の小さい基を除いて、すべての酵素はタンパク質である。いくつかの酵素は、活性のために、そのアミノ酸残基以外に化学基をまったく必要としない。他の酵素は、補助因子と呼ばれる追加の化学成分を必要とし、これは、1つまたは複数の無機イオン、例えば、Fe2+、Mg2+、Mn2+、もしくはZn2+など、または補酵素と呼ばれるより複雑な有機分子もしくは有機金属分子である場合がある。酵素によってもたらされる触媒活性は、一般的な結合技法を用いて得られるものより、はるかに低い限界の検出を可能にする。酵素の触媒活性は、その天然タンパク質構造の完全性に依存する。酵素が変性、解離されてサブユニットになるか、または分解されてその成分のアミノ酸になると、その触媒活性は破壊される。酵素連結型受容体も、認識機構を改変するのに使用することができる。
PEPSTプローブのためのペグ化されたベクター
これらの粒子の合成は、Michael Faradayによって最初に報告され、彼は1857年に、塩化金およびクエン酸ナトリウムからAuOのナノサイズ粒子を生成するための化学過程を記載した(Faraday 1857)。TNFのみを粒子に結合させることによって製造されたこのベクターの最初の製剤は、マウスモデルにおいて、天然のTMFより毒性が低く、全身腫瘍組織量を低減することに有効であった。後続の研究により、このベクターの安全性は、主に、RESにおけるその急速な取込みおよびクリアランスによるものであることが明らかになった。このベクターは、チオール誘導体化ポリエチレングリコール(PEG-チオール)の分子を含むように再製剤化され、この分子は、金属ナノ粒子表面上でTNFの分子と結合していた。この新しいベクターのPT-cAu-TNFは、RESによる検出およびクリアランスを回避し、固形腫瘍内にTNFを能動的かつ特異的に隔離する。生体内分布の変化は、改善に相関した。本発明では、好適な実施形態は、RESによる検出およびクリアランスを回避するために、ペグ化されたAuナノ粒子-PA薬物システムの使用を含む。
金属ナノ粒子への生体分子の固定化
固体支持体への生体分子(PA分子、薬物、タンパク質、酵素、抗体、DNAなど)の固定化には、文献で公開されている多種多様な方法を使用することができる。結合は、生体分子構造中に天然に存在するか、または組み込むことができるアミン(-NH2)またはスルフィド(-SH)などの反応基を活用して、共有結合によって実施することができる。アミンは、高収率でカルボン酸またはエステル部分と反応することによって、安定なアミド結合を形成することができる。チオールは、マレイミドカップリングに関与することができ、安定なジアルキルスルフィドを生じる。
本発明において対象とする固体支持体は、金属(好ましくは金または銀)ナノ粒子である。金または銀などの金属表面を伴う固定化スキームの大多数は、アルキルチオールを用いた表面の事前の誘導体化を利用し、安定な連結を形成する。アルキルチオールは、マイクロモル濃度で銀の表面上に自己組織化単分子層(SAM)を容易に形成する。アルキルチオール鎖の末端は、生体分子を結合させるのに使用することができ、または結合させるために容易に修飾することができる。アルキルチオール鎖の長さは、表面から生体分子を離しておく重要なパラメータであることが判明しており、4〜20個炭素のアルキル基の長さが好適である。例えば、DNAハイブリダイゼーションの場合では、これは、表面に結合したプローブの大部分をハイブリダイゼーションにアクセス可能にするように、非特異的に吸着されたHS-(CH2)6-ss-DNAを追い出し、化学的に結合したHS-(CH2)6-ss-DNAに再構築することが示された(M. Culha、D. L. Stokes、およびT. Vo-Dinh、「Surface-Enhanced Raman Scattering for Cancer Diagnostics: Detection of the BLC2 Gene」、Expert Rev. Mol. Diagnostics、3、669〜675 (2003))。さらに、表面上への直接の非特異的なDNA吸着を回避するために、アルキルチオールは、表面上へのさらなるアクセスを阻止するのに使用され、リンカーによる共有結合固定化のみを可能にした[Steel, A. B.; Herne, T. M.; Tarlov, M. J. Anal. Chem. 1998、70、4670〜7; Herne, T. M.; Tarlov, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1997、119、8916-20]
強い金-チオール結合を形成することが以前に示されたチオール官能化生体分子を使用することによって、金粒子との安定なオリゴヌクレオチドコンジュゲートを調製することに関係する多くの方法が存在する。アンカーとして5'-末端アルカンチオール官能基を有するオリゴヌクレオチドは、金ナノ粒子の表面に結合することができ、得られた標識は、高温および低温条件の両方に対して頑強であり、安定であった[R. Elghanian、J.J. Storhoff、R.C. Mucic、R.L. LetsingerおよびC.A. Mirkin、Selective colorimetric detection of polynucleotides based on the distance-dependent optical properties of gold nanoparticles. Science 277 (1997)、1078〜1081頁]。環状ジチアン-エピアンドロステロンジスルフィドリンカーは、オリゴヌクレオチドを金表面に結合させるために開発された[R. Elghanian、J.J. Storhoff、R.C. Mucic、R.L. LetsingerおよびC.A. Mirkin、Selective colorimetric detection of polynucleotides based on the distance-dependent optical properties of gold nanoparticles. Science 277 (1997)、1078〜1081頁]。Liらは、非環式またはジチオール-オリゴヌクレオチドで修飾された粒子と同等のハイブリダイゼーション特性を保持しながら、直径が100nm以上である金金属ナノ粒子を安定化させることができるトリチオールでキャップされたオリゴヌクレオチドを報告した[Z. Li、R.C. Jin、C.A. MirkinおよびR.L. Letsinger、Multiple thiolanchor capped DNA-gold nanoparticle conjugates. Nucleic Acids Res. 30 (2002)、1558〜1562頁]。
一般に、金粒子のために開発された、確立された実験プロトコールを使用して、アルキルチオールで修飾されたオリゴヌクレオチドによって、銀ナノ粒子を有効に不動態化することはできない。銀のコアおよび金の薄いシェルを含むコアシェル粒子を生成する方法は、純粋な金粒子-オリゴヌクレオチドコンジュゲートを調製するのに使用される実績のある方法を使用して、銀ナノ粒子が、アルキルチオール-オリゴヌクレオチドと容易に官能化されることを可能にした[Y. W. Cao、R. JinおよびC.A. Mirkin、DNA-modified core-shell Ag/Au nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 123 (2001)、7961〜7962頁]。
生体分子に結合したプラズモニクス活性ナノプローブ(PAN)の使用を促進するために、生体分子の認識領域が、バイオターゲットに完全にアクセス可能であることが重要である。一般に、PANとオリゴヌクレオチド認識領域の間のスペーサーとして機能を果たすために、ポリヌクレオチド伸長配列が組み込まれる。DNAハイブリダイゼーションに基づくアッセイにおいて高い感度および選択性を実現するために、PAN標識コロイド溶液が安定であることが重要である。最近、Storhoffら[J.J. Storhoff、R. Elghanian、C.A. MirkinおよびR.L. Letsinger、Sequence-dependent stability of DNA-modified gold nanoparticles. Langmuir 18 (2002)、6666〜6670頁]は、オリゴヌクレオチドの塩基組成は、コロイドの安定性およびオリゴヌクレオチドの表面被覆率に対して著しい効果を有することを示した。Otsukaらは、リンカーとしてヘテロ二官能性チオール-PEG(ポリエチレングリコール)誘導体を使用することによって、金PRPを安定化させた[H. Otsuka、Y. Akiyama、Y. NagasakiおよびK. Kataoka、Quantitative and reversible lectin-induced association of gold nanoparticles modified with α-lactosyl-ω-mercapto poly(ethylene glycol). J. Am. Chem. Soc. 123 (2001)、8226〜8230]。
タンパク質は、通常、非共有結合性、受動的吸収を使用してPANに結合される。あるいは、メルカプト-ウンデカン酸リンカー/スペーサー分子を、NeutrAvidinを金および銀でセグメント化されたナノロッドに共有結合させるのに使用することができる[I D. Walton、S.M. Norton、A. Balasingham、L. He、D.F. Oviso、D. Gupta、P.A. Raju、M.J. NatanおよびR. G. Freeman、Particles for multiplexed analysis in solution: detection and identification of striped metallic particles using optical microscopy. Anal. Chem. 74 (2002)、2240〜2247頁]。チオール基は金属表面に結合し、粒子表面上のカルボキシル官能基は、EDCおよびs-NHS試薬を使用して活性化され、次いでNeutrAvidin中のアミノ基と架橋される。コアが金属であり、シェルが、ラテックス、シリカ、ポリスチレン、または他の非金属物質から構成されるコアシェル粒子を作製する能力は、生体分子を固定化し、粒子表面を操作するための有望な代替手法を提供する[T.K. Mandal、MS. FlemingおよびD. R. Walt、Preparation of polymer coated gold nanoparticles by surface-confined living radical polymerization at ambient temperature. Nano Letters 2 (2002)、3〜7頁; S.O. Obare、N.R. JanaおよびC.J. Murphy、Preparation of polystyrene- and silica-coated gold nanorods and their use as templates for the synthesis of hollow nanotubes. Nano Letters 1 (2001)、601〜603頁; C. RadloffおよびN.J. Halas、Enhanced thermal stabi
lity of silica-encapsulated metal nanoshells. Appl. Phys. Lett. 79 (2001)、674〜676頁; L. QuaroniおよびG. Chumanov、Preparation of polymer-coated functionalized silver nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 121 (1999)、10642〜10643頁; F. Caruso、Nanoengineering of particle surfaces. Adv. Mater. 13 (2001)、11〜22頁].
銀表面は、アルキルチオールの希釈エタノール溶液に曝されたとき、制御された自己組織化動態を呈することが見出された。表面と炭化水素末端の間に形成される傾斜角は、0〜15°の範囲である。金と比較した場合、銀に対するチオール充填密度も大きい[Burges, J. D.; Hawkridge, F. M. Langmuir 1997、13、3781〜6]。金/銀ナノ粒子上に自己組織化単分子層(SAM)を形成した後、アルキルチオールは、生体分子に共有結合することができる。生体分子を共有結合固体化するための合成技法の大多数は、アミド結合を形成しているカルボン酸部分と反応させるために、ポリペプチド(酵素、抗体、抗原、など)またはアミノ標識DNA鎖の遊離アミン基を利用する。一般的な法則として、カルボン酸部分によって、より活性な中間体(不安定なエステル)が最初に形成され、後の段階で遊離アミンと反応し、カップリング収率を増加させる。成功したカップリング手順として、それだけに限らないが、:
N-ヒドロキシスクシンイミド(NHS)およびその誘導体を使用する結合手順
このカップリング手法は、不安定な基、N-ヒドロキシスクシンイミド(NHS)誘導体を用いてカルボン酸を穏やかな条件下でエステル化し、ポリペプチド(酵素、抗体、抗原、など)またはアミン標識DNA中の遊離アミン基とさらに反応させることを伴い、安定なアミドを生成する[Boncheva, M.; Scheibler, L.; Lincoln, P.; Vogel, H.; Akerman, B. Langmuir 1999、15、4317〜20]。NHSは、ほとんどもっぱら1級アミン基と反応する。共有結合固定化は、わずか30分で実現することができる。これらの非常に不安定なエステルを伴う反応において、H2Oは-NH2と競合するので、このタイプのカップリングに使用される利用可能なエステルの加水分解速度論を考慮することが重要である。NHSの誘導体であるO-(N-スクシンイミジル)-N,N,N',N'-テトラメチルウロニウムテトラフルオロボレートは、カルボン酸の活性化の間に尿素に転換される脱離基を利用することによってカップリング収率を増加させ、したがって反応の負のエンタルピーを有利に増大させる。
マレイミドを使用する結合手順
マレイミドは、利用可能な-SH部分によって生体分子を固定化するのに使用することができる。マレイミドを用いたカップリングスキームは、抗体、Fab断片、ペプチド、およびSH修飾DNA鎖の部位特異的な固定化に有用であることが証明されている。タンパク質のマレイミドカップリングのための試料調製は、穏やかな還元剤、例えば、ジチオトレイトール、2-メルカプトエタノール、またはトリス(2-カルボキシエチル)ホスフィン塩酸塩などを用いた、2つのシステイン残基間のジスルフィド結合の単純な還元を伴う。しかし、ジスルフィド還元は、通常、タンパク質にその天然構造を失わせ、酵素活性または抗体認識を損なう場合がある。スルフィドリル基を導入するための2-イミノチオラン塩酸塩(トラウト試薬)を用いた1級アミン基の修飾は、スルフィドリル基を欠く生体分子のための選択肢である。遊離スルフィドリルは、不飽和炭素間結合への付加反応によって、マレイミド表面に固定化される[Jordan, C.E.ら、1997]。
カルボジイミドを使用する結合手順
メルカプトアルキルジオールで修飾された表面は、1,1'-カルボニルジイミダゾール(CDI)で活性化されることによって、カルボニルイミダゾール中間体を形成することができる。利用可能なアミン基を有する生体分子は、イミダゾールを追い出すことによって、表面に繋ぎ止められたアルキルチオールへのカルバメート連結を形成する[Potyrailo, R.A.ら、1998]。
生体分子を金属(例えば、銀、金)ナノ粒子に結合するための他の実験手順。
好適な一実施形態では、金属コロイドヒドロゾルのナノ粒子は、AgNO3の溶液を氷冷のNaBH4と急速に混合することによって調製される。SMPプローブを作るために、DNAセグメントは、銀または金のナノ粒子に結合される。生体分子(例えば、DNA、抗体、酵素など)の固体支持体への共有結合による固定化は、生体分子構造中に天然に存在するか、または組み込むことができるアミン(-NH2)またはスルフィド(-SH)などの反応基を活用する。アミンは、高収率でカルボン酸またはエステル部分と反応することによって、安定なアミド結合を形成することができる。チオールは、マレイミドカップリングに関与することができ、安定なジアルキルスルフィドを生じる。
好適な一実施形態では、銀ナノ粒子が使用される。好適な一実施形態では、Ag表面がアルキルチオールを用いた表面の事前の誘導体化を利用することを伴い、安定な連結を形成する固定化スキームが使用される。アルキルチオールは、マイクロモル濃度で銀表面上に自己組織化単分子層(SAM)を容易に形成する。アルキルチオール鎖の末端は、生体分子を結合させるのに直接使用することができ、または結合させるために容易に修飾することができる。アルキルチオール鎖の長さは、表面から生体分子を離しておく重要なパラメータであることが判明した。さらに、表面上への直接の非特異的なDNA吸着を回避するために、アルキルチオールが、表面へのさらなるアクセスを阻止するのに使用され、リンカーによる共有結合固定化のみを可能にした。
銀/金表面は、アルキルチオールの希釈エタノール溶液に曝されたとき、制御された自己組織化動態を呈することが見出された。表面と炭化水素末端の間に形成される傾斜角は、0〜15°の範囲である。金と比較した場合、銀に対するチオール充填密度も大きい。
銀ナノ粒子上にSAMを形成した後、アルキルチオールは、生体分子に共有結合することができる。生体分子を共有結合固体化するための合成技法の大多数は、アミド結合を形成しているカルボン酸部分と反応させるために、ポリペプチド(酵素、抗体、抗原、など)またはアミノ標識DNA鎖の遊離アミン基を利用する。一実施形態では、カルボン酸部分によって、より活性な中間体(不安定なエステル)が最初に形成され、後の段階で遊離アミンと反応し、カップリング収率を増加させる。成功したカップリング手順として、:
銀ナノ粒子にDNAを結合させるのに使用されるカップリング手法は、不安定な基、N-ヒドロキシスクシンイミド(NHS)誘導体を用いてカルボン酸を穏やかな条件下でエステル化し、ポリペプチド(酵素、抗体、抗原、など)またはアミン標識DNA中の遊離アミン基とさらに反応させることを伴い、安定なアミドを生成する[4]。NHSは、ほとんどもっぱら1級アミン基と反応する。共有結合固定化は、わずか30分で実現することができる。これらの非常に不安定なエステルを伴う反応において、H2Oは-NH2と競合するので、このタイプのカップリングに使用される利用可能なエステルの加水分解速度論を考慮することが重要である。図101で使用されたNHSの誘導体であるO-(N-スクシンイミジル)-N,N,N',N'-テトラメチルウロニウムテトラフルオロボレートは、カルボン酸の活性化の間に尿素に転換される脱離基を利用することによってカップリング収率を増加させ、したがって反応の負のエンタルピーを有利に増大させる。
PEPSTに使用される光のスペクトル範囲
プラズモニクス増強効果は、電磁領域全域にわたって起こりうるが、ただし適当なナノ構造、ナノスケール寸法、金属の種類が使用される条件がある。したがって、PEPSTの概念は、γ線およびX線から紫外、可視、赤外、マイクロ波、および高周波エネルギーまでの範囲の全電磁スペクトル、すなわちエネルギー対して有効である。しかし、実用的な理由のために、可視光およびNIR光が銀および金ナノ粒子に対して使用されるが、これは、銀および金に対するプラズモン共鳴は、それぞれ可視およびNIR領域で起こるためである。特に金ナノ粒子については、NIR領域が、非侵襲性の療法に非常に適切である。
組織の治療ウインドウにおける光子励起
光を使用して光活性化可能な化合物を非侵襲的に励起するためのいくつかの方法がある。いわゆる「治療ウインドウ」(700〜1300nm)内の波長を有する光を使用することができる。光の組織に浸透する能力は、吸収に依存する。治療ウインドウ(または診断ウインドウ)として知られるスペクトル範囲内で、ほとんどの組織は、光の著しい浸透を可能にするのに十分弱い吸収体である。このウインドウは、600〜1300nm、すなわち、可視スペクトルの橙色/赤色領域からNIRまで及ぶ。短波長端で、このウインドウは、その酸素化された形態および脱酸素化された形態の両方でのヘモグロビンの吸収によって拘束される。酸素化されたヘモグロビンの吸収は、600nm付近の領域において波長が短くなるにつれて、約2桁増大する。より短い波長で、DNA、ならびにアミノ酸のトリプトファンおよびチロシンを含めて、はるかに多くの吸収生体分子が重要になる。このウインドウの赤外(IR)端で、浸透は、水の吸収特性によって制限される。治療ウインドウ内では、散乱が吸収より支配的であり、したがって伝搬光は散乱性となるが、必ずしも拡散限界に入るわけではない。図13は、組織の治療ウインドウの図を示す。以下の節では、療法のための一光子および多光子技法の使用について論ずる。
光励起法:単一光子および多光子励起
一光子または多光子励起の2つの方法を使用することができる。2光子技法が使用される場合、350〜500nmのスペクトル領域で吸収する分子を励起するために、組織内部に深く浸透することができる700〜1000nmの光を用いてPA分子を励起することができる。この手法は、ソラレン化合物を励起することができ、これは290〜350nmのスペクトル領域で吸収し、可視部分で放出する。一光子法を用いて、光活性化因子(PA)薬物分子は、600〜1300nmの励起光を直接吸収することができる。この場合、ソラレン関連システム(例えば、異なる波長で吸収する能力を変更するための追加の芳香環または他の結合を有するソラレン)を設計し、または他のPAシステム、すなわち、光力学的療法薬物、ALAなどを使用することができる。
X線励起を使用するフォトフェレーシスについてのPEPSTモダリティー
X線励起の必要性
フォトフェレーシスは、いくつかの疾患に対して有効な治療であることが実証されている。しかし、患者から血液を取り出し、再注入する必要を伴わずに、励起光を光活性化合物に直接照射することができる、非侵襲性のモダリティーを開発することの強い必要性がある。そのような療法のための、改善され、かつ実用的なモダリティーについての1つの方法は、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれている、2007年11月6日に出願された米国第11/935,655号に記載されている。
X線は、非侵襲的に深部組織中の化合物を励起することができるが、X線は有機薬物化合物によって容易に吸収されない。本発明は、X線エネルギーを吸収し、そのエネルギーを、薬物分子を活性化するのに使用することができる他のエネルギーに変更することができる分子システムを提供することによって、その問題を解決する。より具体的には、本発明における、X線エネルギーを吸収および変更することができる分子システムは、ナノ粒子を含むPEPSTプローブである。
この実施形態では、本発明は、励起のためにX線を使用する。利点は、非侵襲的に分子を励起する能力であり、その理由は、X線が組織の深部に浸透することができるためである。しかし、その制限は、X線は、ほとんどの分子と相互作用しないという事実である。本発明の一実施形態では、薬物分子(またはPA)は、「エネルギー調節剤」と呼ばれる分子実体に結合しており、このエネルギー調節剤は、X線と相互作用し、次いでPA薬物分子によって吸収されうる光を放出することができる(図14)。
X線励起のためのPEPSTプローブ
先の節では、プラズモニクス活性システムとしての金ナノ粒子の利点を論じてきた。さらに、金ナノ粒子は、良好なエネルギー調節剤システムでもあり、その理由は、これらが生体適合性であり、X線用造影剤の可能な候補であることが示されたためである[Hainfeldら、The British Journal of radiology、79、248、2006]。癌放射線療法において線量を増強するために高Z物質を使用する概念は、20年より前に推進された。線量エンハンサーとして金ナノ粒子を使用することは、2つの主要な理由で、ミクロスフェアおよび他の物質を使用した初期の試みより有望であると思われる。第1に、金は、ヨウ素(I、Z=53)またはガドリニウム(Gd、Z=64)より高いZ数を有する一方で、げっ歯類またはヒト腫瘍細胞に対して、最大で少なくとも3重量%まで、毒性をほとんど示さない。金ナノ粒子はマウスに対して無毒性であり、大部分は腎臓を通じて体から一掃された。小さい金ナノ粒子のこの新規の使用により、著しい高Z放射線増強(radioenhancement)に必要な、腫瘍中の高い金属含量を実現することが可能になった[James F Hainfeld、Daniel N SlatkinおよびHenry M Smilowitz、The use of gold nanoparticles to enhance radiotherapy in mice、Phys. Med. Biol. 49 (2004)]。
腫瘍に致死量の放射線を送達する一方で、近傍の正常組織の照射線曝露を最小限にすることは、依然として放射線療法における最大の課題のままである。光子に基づく放射線療法の間に腫瘍に送達される線量は、腫瘍中に金(Au、Z=79)などの高い原子番号(Z)物質を装填することによって増強することができ、周囲組織においてより、腫瘍内で大きい光電吸収をもたらす。したがって、金は、明らかに、ヨウ素またはガドリニウムより高い腫瘍線量に導く。第2に、ナノ粒子は、腫瘍に高Z物質を送達する観点から、ミクロスフェアより良好な機構を提供し、金ミクロスフェアを使用した初期の試みの間に見出されたいくつかの困難を克服する[Sang Hyun Cho、Estimation of tumor dose enhancement due to gold nanoparticles during typical radiation treatments: a preliminary Monte Carlo study、Phys. Med. Biol. 50 (2005)]。
PA配位子との金(または金属)錯体:PAとの金(または金属)錯体を、好ましくは本発明において使用することができる。金属をエネルギー調節剤システムとして使用することができる。例えば、ソラレン関連配位子との金錯体を、ハイブリッドエネルギー調節剤-PAシステムとして使用することができる。金分子は、エネルギー調節剤システムとして機能を果たし、配位子分子は、PA薬物システムとして機能を果たす。以前の研究により、ジホスフィン配位子およびビピリジン配位子との金(I)錯体は、X線励起ルミネセンスを呈することが示された[参考文献3: Kimら、Inorg. Chem.、46、949、2007]。
図15は、好ましくはエネルギー調節剤-PAシステムのX線励起に使用することができるPEPSTプローブのいくつかの様々な実施形態を示す。これらのプローブは:
(A)エネルギー調節剤に結合し、プラズモニック金属ナノ粒子に結合したPA分子;
(B)PA分子で覆われたエネルギー調節剤ナノキャップを有するプラズモニック金属ナノ粒子;
(C)プラズモニック金属ナノ粒子を有する、PAで覆われたナノ粒子;
(D)PA分子およびプラズモニック金属ナノキャップで覆われたエネルギー調節剤含有ナノ粒子;
(E)PA分子で覆われたエネルギー調節剤ナノシェルを有するプラズモニック金属ナノ粒子コア;および
(F)分離可能な生化学的結合によって、エネルギー調節剤(プラズモニクス金属ナノ粒子に結合した)ナノ粒子に結合したPA分子
エネルギー調節剤-PAに基づくPEPSTシステムの例
単純化の目的で、以下の考察は、金属物質として金、およびエネルギー調節剤物質としてCdS(これは、DNA安定化CdSとしても使用することができる、Maら、Langmuir、23 (26)、12783〜12787 (2007)を参照)、およびPA分子としてソラレンに焦点を合わせる。しかし、金属物質、エネルギー調節剤、およびPA分子の多くの他の実施形態も本発明の範囲内で可能であり、以下の考察は、例示的な目的だけであることが理解されるべきである。プラズモン共鳴シェルまたは他のプラズモン共鳴構造において使用することができる適当な金属として、それだけに限らないが、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、ルテニウム、レニウム、銅、およびコバルトを挙げることができる。
図15Aの実施形態において、PEPSTシステムは、金ナノ粒子、PA薬物分子(例えば、ソラレン)に連結したエネルギー調節剤ナノ粒子(例えば、CdS)を含む。X線がCdSに照射され、これはX線を吸収し[Huaら、Rev. Sci. Instrum.、73、1379、2002]、CdS XEOL光(350〜400nmの)を放出し、この光は金ナノ粒子によってプラズモニクス増強される。この増強されたXEOL光は、ソラレン(PA分子)を光活性化するのに使用される。この場合、金ナノ粒子のナノ構造は、350〜400nmのXEOL光を増強するように設計される。
図15Bの実施形態では、PEPSTシステムは、PA分子(例えば、ソラレン)で覆われたエネルギー調節剤ナノキャップ(CdS)を有するプラズモニクス活性金属(金)ナノ粒子を含む。X線がCdSに照射され、これはX線を吸収し、XEOL光を放出し、この光は金ナノ粒子によってプラズモニクス増強される。この増強されたXEOL光は、ソラレン(PA分子)を光活性化するのに使用される。
図15Cの実施形態では、PEPSTシステムは、より小さいプラズモニック金属(金)ナノ粒子を有する、PA(例えば、ソラレン)で覆われたCdSナノ粒子を含む。X線がCdSに照射され、これはX線を吸収し、XEOL光を放出し、この光は金ナノ粒子によってプラズモニクス増強される。この増強されたXEOL光は、ソラレン(PA分子)を光活性化するのに使用される。
図15Dの実施形態では、エネルギー調節剤コアは、金のナノキャップで覆われたCdSまたはCsClナノ粒子を含む。X線がCdSまたはCsClに照射され、これはX線を吸収し[Jaegleら、J. Appl. Phys.、81、2406、1997]、XEOL光を放出し、この光は金ナノキャップ構造によってプラズモニクス増強される。この増強されたXEOL光は、ソラレン(PA分子)を光活性化するのに使用される。
同様に、図15E中の実施形態は、CdSまたはCsClのシェルによって覆われた球状金コアを含む。X線がCdSまたはCsCl物質に照射され、これはX線を吸収し[Jaegleら、J. Appl. Phys.、81、2406、1997]、XEOL光を放出し、この光は金ナノスフェアによってプラズモニクス増強される。この増強されたXEOL光は、ソラレン(PA分子)を光活性化するのに使用される。
図15Fの実施形態では、PEPSTシステムは、金ナノ粒子、および放射線によって分離することができる連結によって、PA薬物分子(例えば、ソラレン)に連結したエネルギー調節剤ナノ粒子(例えば、CdS)を含む。X線がCdSに照射され、これはX線を吸収し、CdS XEOL光(350〜400nmの)を放出し、この光は金ナノ粒子によってプラズモニクス増強される。この増強されたXEOL光は、ソラレン(PA分子)を光活性化するのに使用される。この場合、金ナノ粒子のナノ構造は、350〜400nmのXEOL光を増強するように設計される。
代替の実施形態では、金属ナノ粒子または単一のナノシェルは、多層のナノシェルによって取り換えられる[Kun Chen、Yang Liu、Guillermo Ameer、Vadim Backman、Optimal design of structured nanospheres for ultrasharp light-scattering resonances as molecular imaging multilabels、Journal of Biomedical Optics、10(2)、024005 (2005年3月/4月)].
他の代替の実施形態では、金属ナノ粒子は、誘電体物質(例えば、シリカ)の層(1〜30nm)で覆われる。誘電体層(またはナノシェル)は、エネルギー調節剤(EECとも呼ばれる)分子によって放出されるルミネセンス光が、金属がエネルギー調節剤分子と直接接触することにより消光するのを防止するように設計される。さらに他の代替の実施形態では、エネルギー調節剤分子または物質は、スペーサー(リンカー)を介して金属ナノ粒子に結合している(または近接している)。スペーサーは、エネルギー調節剤分子または物質によって放出されるルミネセンス光の消光を防止するように設計される。
他の使用可能な物質
エネルギー調節剤物質は、PA分子を励起するために、X線を吸収し、光を放出することができる任意の物質を挙げることができる。エネルギー調節剤物質として、それだけに限らないが:
金属(金、銀など);
量子ドット;
半導体物質;
シンチレーション物質およびリン光体物質;
X線励起ルミネセンス(XEOL)を呈する物質;
有機固体、金属錯体、無機固体、結晶、希土類物質(ランタニド)、ポリマー、シンチレーター、リン光体物質など;および
励起子特性を呈する物質
が挙げられる。
量子ドット、半導体ナノ構造。量子ドット、半導体物質などに関係する様々な物質を、エネルギー調節剤システムとして使用することができる。例えば、CdS関連ナノ構造は、UV-可視領域においてX線励起ルミネセンスを呈することが示された[Huaら、Rev. Sci. Instrum.、73、1379、2002]。
エネルギー調節剤システムとしてのシンチレーター物質。様々なシンチレーター物質をエネルギー調節剤として使用することができ、その理由は、これらがX線を吸収し、PAシステムを励起するのに使用することができるルミネセンス放出を放出するためである。例えば、モリブデン酸塩の単結晶は、X線によって励起され、400nm付近のルミネセンスを放出することができる[Mirkhinら、Nuclear Instrum. Meth. In Physics Res. A、486、295 (2002)]。
エネルギー調節剤システムとしての固体物質:様々な固体物質を、そのX線励起ルミネセンス特性の理由でエネルギー調節剤として使用することができる。例えば、CdS(またはCsCl)は、軟X線によって励起されるとき、ルミネセンスを呈する[Jaegleら、J Appl. Phys.、81、2406、1997]。
XEOL物質:ランタニドまたは希土類物質[L. Soderholm、G. K. Liu、Mark R. Antonioc、F. W. Lytle、X-ray excited optical luminescence .XEOL. detection of x-ray absorption fine structure .XAFZ、J. Chem. Phys、109、745、1998、Masashi Ishiia、Yoshihito TanakaおよびTetsuya Ishikawa、Shuji KomuroおよびTakitaro Morikawa、Yoshinobu Aoyagi、Site-selective x-ray absorption fine structure analysis of an optically active center in Er-doped semiconductor thin film using x-ray-excited optical luminescence、Appl. Phys. Lett、78、183、2001]。
エネルギー調節剤システムとして使用することができる、XEOLを呈する金属錯体のいくつかの例を図16および17に示す。そのような構造は、プラズモニクスで増強されるPEPSTプローブを作製するために、金属原子を金属ナノ粒子で置換することによって改変することができる。本発明では、ナノ構造のサイズ、形状、および金属の種類を含む実験パラメータは、励起放射線(NIRまたはX線励起)、光活性化放射線(UVB)、および/またはエネルギー調節剤システムからの放出過程(可視NIR)に基づいて選択することができる。
米国特許第7,008,559号(その内容全体は、参照により本明細書に組み込まれている)には、ZnSのアップコンバージョン性能が記載されており、この場合、767nmで励起すると、可視範囲での放出が生じる。米国特許第7,008,559号に記載されている物質(ZnS、ならびにEr3+ドープBaTiO3ナノ粒子およびYb3+ドープCsMnCl3を含む)は、本発明の様々な実施形態において適している。
エネルギー調節剤として適当なさらなる物質として、それだけに限らないが、CdTe、CdSe、ZnO、CdS、Y2O3、MgS、CaS、SrS、およびBaSが挙げられる。そのような物質は、任意の半導体、より具体的には、限定の目的ではなく、硫化物、テルル化物、セレン化物、および酸化物半導体、ならびにこれらのナノ粒子、例えば、Zn1-xMnxSy、Zn1-xMnxSey、Zn1-xMnxTey、Cd1-xMnSy、Cd1-xMnxSey、Cd1-xMnxTey、Pb1-xMnxSy、Pb1-xMnxSey、Pb1-xMnxTey、Mg1-xMnSy、Ca1-xMnxSy、Ba1-xMnxSy、およびSr1-xなどとすることができる(式中、0<x≦1、および0<y≦1)。上述した半導体の複合化合物、例えば、(M1-zNz)1-xMnxA1-yBy (M=Zn、Cd、Pb、Ca、Ba、Sr、Mg; N=Zn、Cd、Pb、Ca、Ba、Sr、Mg; A=S、Se、Te、O; B=S、Se、Te、O; 0<x≦1、0<y≦1、0<z≦1)も本発明において使用するために企図されている。そのような複合化合物の2つの例は、Zn0.4Cd0.4Mn0.2SおよびZn0.9Mn0.1S0.8Se0.2である。追加のエネルギー調節物質には、絶縁物質および非導電物質、例えば、2〜3の例示的化合物を挙げると、BaF2、BaFBr、およびBaTiO3などが含まれる。本発明に適した遷移および希土類イオン共ドープ半導体として、硫化物、テルル化物、セレン化物、および酸化物半導体、ならびにこれらのナノ粒子、例えば、ZnS; Mn; Er; ZnSe; Mn、Er; MgS; Mn、Er; CaS; Mn、Er; ZnS; Mn、Yb; ZnSe; Mn、Yb; MgS; Mn、Yb; CaS; Mn、Ybなど、ならびにこれらの複合化合物: (M1-zNz)1-x(MnqR1-q)xA1-yBy (M=Zn、Cd、Pb、Ca、Ba、Sr、Mg; N=Zn、Cd、Pb、Ca、Ba、Sr、Mg; A=S、Se、Te、O; B=S、...0<z<1、0<q<1)が挙げられる。
いくつかのナノ粒子、例えばZnS:Tb3+、Er3+; ZnS:Tb3+; Y2O3:Tb3+; Y2O3:Tb3+、Er3+; ZnS:Mn2+; ZnS:Mn,Er3+などは、ダウンコンバージョンルミネセンスおよびアップコンバージョンルミネセンスの両方に機能することが当技術分野で知られており、したがって、本発明の様々な実施形態において使用することができる。
X線励起を使用する、PEPSTプローブのプラズモニクス増強効果の原理
基本的なPEPSTプローブの実施形態の一実施形態は、エネルギー調節剤に結合し、プラズモニック金属(金)ナノ粒子に結合したPA分子を含む。第1に、金属ナノ粒子は、薬物送達プラットフォームとして機能を果たすことができる(先の考察を参照)。第2に、金属ナノ粒子は2つの役割、すなわち
(1)X線電磁場の増強
(2)エネルギー調節剤システムの放出信号の増強
を果たすことができる。
エネルギー調節剤システムを励起するのに使用されるX線放射線は、プラズモン共鳴により、金属ナノ粒子によって増幅される。結果として、エネルギー調節剤システムは、PA薬物分子(例えば、ソラレン)を光活性化し、これらを光活性にするのに使用される、より多くの放出光を呈する。この場合、金属ナノ粒子は、X線波長で、またはX線波長付近で強いプラズモン共鳴を呈するように設計される。表面プラズモン共鳴効果は、ナノ粒子において励起光を増幅し、PA薬物分子の光活性化の増大および療法効率の改善をもたらす。プラズモニクス増強機構は、上述した他のPEPSTプローブを用いても使用することができる。
図18は、PEPSTプローブのプラズモニクス増強効果を例示する。医療用画像診断において使用されるX線は約10〜150keVの光子エネルギーを有し、これは、1.2〜0.0083オングストロームの範囲の波長に等価である。[λ(オングストローム) = 12.4/E(keV)]。軟X線は10nmに達する場合がある。プラズモニクス活性ナノ粒子の寸法は、通常、使用される放射線の波長程度またはこの波長未満の寸法を有する。金のおおよその原子半径は約0.15ナノメートルであることに留意されたい。金についての限界で、最小の「ナノ粒子」サイズは0.14nmである(わずか1個の金原子)。サイズが数百nmであるナノ粒子は、約106〜107個の金原子を有する。したがって、本発明において論じられる金ナノ粒子の範囲は、1〜107個の金原子の範囲とすることができる。
金ナノ粒子は、PA分子を励起するのに使用されるエネルギー調節剤放出信号を増強することもできる。ソラレンについては、このスペクトル範囲は、UVB領域(320〜400nm)にある。銀または金ナノ粒子、ナノシェル、およびナノキャップは、この領域で強いプラズモン共鳴を呈するように作製された。図19は、ソラレン化合物(8-メトキシソラレン)の励起および放出蛍光スペクトルを示す。
分離可能なPAを有するPEPSTエネルギー調節剤-PAプローブ
いくつかの光活性薬物は、PA分子が核に入ることを必要とする。図20はPEPSTプローブの実施形態を示し、この場合、PA薬物分子は、リンカーを介して金属ナノ粒子に結合しており(図20A)、このリンカーは光子放射線によって切断することができる(図20B)。そのようなプローブは、PA分子が核に入らなければならない療法モダリティーに有用であり、例えば、ソラレン分子は、細胞の核に入り、DNA上にインターカレートする必要がある(図20C)。金属ナノ粒子は、より小さい分子より細胞核に入ることが困難であるので、放出可能なPA分子を有するPEPSTプローブを使用することが好ましい。
PA薬物分子を金属ナノ粒子に連結するのに適したリンカーとして、それだけに限らないが、遠隔エネルギー励起(体の外側から、例えば、MW、IR、光音響エネルギー、超音波エネルギーなど)によって切断することができる不安定な化学結合、細胞内部の化学環境によって切断することができる不安定な化学結合、抗体-抗原、核酸リンカー、ビオチン-ストレプトアビジンなどが挙げられる。
二重プラズモニクス効果のためのナノ粒子鎖
先に論じたように、二重(または多重)プラズモニクス共鳴モードを有することができるナノ粒子システムを開発する必要がある。図21は、異なるサイズを有する、互いに結合した金属粒子の鎖を有し、そのような二重プラズモニクスに基づく増強を呈することができる、本発明のPEPSTプローブの実施形態を例示する。例えば、より大きいナノ粒子(図21、左)のパラメータ(サイズ、金属の種類、構造など)は、NIR、VIS、またはUV光に合わせることができる一方で、より小さい粒子(図21、右)はX線に合わせることができる。これらの粒子間のカップリング効果も存在する。
これらのナノ粒子鎖は、使用される入射放射線のプラズモニクス増強(例えば、CdSのX線活性化)、ならびに次いでPAを活性化する、放出された放射線のプラズモニクス増強の両方をもたらすのに有用である。同様のナノ粒子システムがナノレンズとして使用されている[Self-Similar Chain of Metal Nanospheres as an Efficient Nanolens、Kuiru Li、Mark I. Stockman、およびDavid J. Bergman、Physical Review Letter、91巻、22号、227402〜1、2003]。
薬物送達プラットフォーム
エネルギー調節剤-PAシステムのリポソーム送達
粒子に基づく薬物送達の分野は現在、2つの化学的に異なるコロイド粒子であるリポソームおよび生分解性ポリマーに集中している。両送達システムとも活性薬剤をカプセル化する。薬物は、粒子が、リポソームの場合では溶解するにつれて、生分解性ポリマーについて説明される場合、崩壊するにつれて粒子から放出される。本発明の一実施形態では、療法のためにエネルギー調節剤-PAシステム(例えば、金ナノシェル)のリポソーム送達を使用する。例示的な実施形態を以下に説明するが、列挙される特定の脂質、ナノ粒子または他の成分に限定することを意図しておらず、例示的な目的のためである。
リポソームの調製。リポソームの調製方法は、Holigら[Holig, P.、Bach, M.、Volkel, T.、Nahde, T.、Hoffmann, S.、Muller, R.、およびKontermann, R.E.、Novel RGD lipopeptides for the targeting of liposomes to integrin-expressing endothelial and melanoma cells. Protein Engineering Design and Selection、2004. 17(5): 433〜441頁]から転用した。簡単に言えば、脂質のPEG-DPPE、PC、およびRh-DPPEを、丸底フラスコ中のクロロホルム中で混合し、蒸発させることによって(Hieroglyph Rotary Evaporator、Rose Scientific Ltd.、Edmonton、Alberta、Canada)、クロロホルムを除去する。PBS溶液を使用して、乾燥フィルムを水相中に脱水する。乾燥脂質フィルムを、PC、コレステロール、およびPEG-DPPEの混合物から回転蒸発によって調製し、次いで、PBSを使用して水相中に水和する。混合物を、過負荷をかけて勢いよく混合し、浴を要請し(bath solicited)(Instrument, Company)、懸濁液を、Liposofast装置を使用してポリカーボネートフィルター(Avestin Inc.、Ottawa、ON、Canada)(孔サイズ0.8μm)を通して押し出す。リポソームの調製は、以下のように実施する;0.1mmolのPCをクロロホルム8ml中に分散させ、クロロホルム20ml中の0.5molのPEG-DPPEを補充する。次いで、0.3mmolのローダミン標識ホスファチジルエタノールアミン(Rh-DPPE)を、リポソーム中に組み込む。次いで有機溶媒を、35℃で2時間、回転蒸発によって除去し、乾燥脂質フィルムを残す。PBS水和緩衝液に金ナノシェルを添加し、連続的に乾燥脂質フィルム中に添加することによって、金ナノシェルをリポソーム中にカプセル化する。この混合物を、温度制御された超音波処理器内で、35℃で30分間乳化し、その後5分間ボルテックスする。2400r.p.m(1200g)で5分間穏やかに遠心分離することによって、カプセル化された金ナノシェルを、カプセル化されていない金ナノシェルから分離する。得られた多重膜ベシクルの懸濁液を、Liposofast装置を使用してポリカーボネートフィルター(Avestin Inc.、Ottawa、ON、Canada)(孔サイズ0.8μm)を通して押し出す。水性混合物が得られ、4℃で貯蔵する。
金ナノ粒子の作製:Frens法[Frens, G.、Controlled nucleation for the regulation of the particle size in monodisperse gold solutions. Nature (London) Phys Sci、1973. 241:20〜22頁]を、本発明において使用することによって、直径が8〜10nmの範囲の金ナノ粒子の溶液を合成することができる。簡単に言えば、5.0×l0-6molのHAuC14を脱イオン水19ml中に溶解させ、かすかに黄色がかった溶液を生成する。この溶液を、ロータリーエバポレーター内で活発に攪拌しながら45分間加熱する。0.5%のクエン酸ナトリウム溶液1mlを添加し、この溶液をさらに30分間撹拌する。溶液の色は徐々に変化し、最初のかすかに黄色がかった色から透明、灰色、紫、そして最後にメルローと同様の興味をそそられるワインレッド色になった。使用されるクエン酸ナトリウムは、第1に還元剤として作用し、第2に負のクエン酸イオンを生成するという二重の能力において機能を果たし、このイオンは、金ナノ粒子上に吸着され、粒子を寄せ付けず、ナノクラスター形成を防止する表面電荷を導入する。
リポソームでカプセル化された金ナノシェルの調製および内部移行:細胞内送達のために、リポソームでカプセル化された金ナノシェルを、仕切られたカバースリップ上で増殖させたMCF-7細胞とともにインキュベートする。これは、細胞培養培地1ml当たりリポソームでカプセル化された金ナノシェル10μlを添加することによって行う。これを、37℃および5%のCO2で、加湿した(86%のRH)インキュベーター内で30分間インキュベートする。この細胞を、MCF-7細胞の細胞質中にローダミン-DPPE-標識リポソームを追跡するための局在研究に使用する。インキュベートした後、カバースリップ上で増殖させた細胞を、冷PBS中で3回洗浄し、PBS中3.7%のホルムアルデヒドを使用して固定する。ローダミン-DPPE-標識リポソームによるローダミン染色を、Nikon Diaphot 300倒立顕微鏡(Nikon, Inc.、Melville、NY)を使用して分析する。
in vivoでの薬物システムの非侵襲性の切断
細胞中に薬物システムを送達した後、DNAと相互作用するために、核中にPAシステム(例えば、ソラレン)を有する必要が時折ある。PAがエネルギー調節剤に依然として連結している場合、これらの両方が核中に輸送されなければならない。エネルギー調節剤システムとしての金ナノ粒子の場合、in vitroで細胞をインキュベートするためのいくつかの方法がある。in vivoで適用するために、非侵襲性の方法、例えば、赤外、マイクロ波、または超音波などを使用して解放(または切断)することができる化学連結を使用して、PAを金ナノ粒子に連結することができる。連結の例は、化学結合によるもの、または抗体などのバイオレセプターによるものである。この場合、PAは、PAを標的にした抗体を有するエネルギー調節剤システムに結合した抗原分子である。
エネルギー調節剤-Ab-PAが細胞に入るとき、PA分子は、エネルギー調節剤Abシステムから解放することができる。抗体からPA分子を解放するために、化学試薬を抗体と抗原の間の結合を切断するのに使用することができ、こうしてバイオセンサーを再生する[Vo-Dinhら、1988]。この化学的手順は単純であるが、化学物質によって細胞が変性する可能性があるために、細胞内部では実用的でない。以前の研究において、穏やかであるが有効なMHz範囲の超音波は、抗体-エネルギー調節剤システムから抗原分子を解放する能力を有することが実証された[Moreno-Bondi, M.、Mobley, J.、およびVo-Dinh, T.、「Regenerable Antibody-based Biosensor for Breast Cancer」、J. Biomedical Optics、5、350〜354 (2000)]。したがって、代替の実施形態は、エネルギー調節剤システムの抗体からPA(抗原)を除くために、穏やかな超音波放射(非侵襲的に)使用することである。
好適な実施形態では、PA分子は、化学的に不安定な結合によってエネルギー調節剤に結合している[Jon A. Wolff、およびDavid B. Rozema、Breaking the Bonds: Non-viral Vectors Become Chemically Dynamic, Molecular Therapy (2007) 16(1)、8〜15]。この手法の有効性を改善する有望な方法は、様々な生理的な環境または外部刺激に曝されると化学結合が切断されることによって、送達が可能になるように、化学的に動的な合成ビヒクル(SV)を作り出すことである。この手法の例は、輸送の間の重要な段階である、エンドソームからの核酸の放出を改善するマスクされたエンドソーム溶解剤(endosomolytic agent)(MEA)の使用である。MEAがエンドソームの酸性環境に入るとき、pH不安定な結合が切断され、作用剤のエンドソーム溶解能力を放出する。
標的化薬物送達としてのフェリチンおよびアポフェリチンの使用
エネルギー調節剤-PA薬物を送達するための別の実施形態では、フェリチンおよびアポフェリチン化合物を使用する。リガンド特異的な生体部位(bio-site)へのその非免疫原性および部位特異的標的化の可能性のために、リガンド-受容体媒介送達系への関心がますます高まっている。白金抗癌薬が、アポフェリチン中にカプセル化された[Zhen Yang、Xiaoyong Wang、Huajia Diao、Junfeng Zhang、Hongyan Li、Hongzhe SunおよびZijian Guo、Encapsulation of platinum anticancer drugs by apoferritin、Chem. Commun. 33、2007、3453〜3455]。フェリチンは、多種多様な生物おける主な鉄貯蔵分子であり、標的化薬物送達のためのビヒクルとしても使用することができる。フェリチンは、中空タンパク質シェルであるアポフェリチンを含有し、アポフェリチンは、最大それ自体の重量の水和した酸化鉄-リン酸を微結晶性ミセルとして含有することができる。フェリチンの24個のサブユニットは、自動的に集合して、内径および外径がそれぞれ8nmおよび12nmである中空タンパク質ケージを形成する。サブユニットの交点で形成される、約0.4nmの8個の親水性チャネルは、タンパク質シェルを貫通し、タンパク質の腔に導く。様々な化学種、例えば、ガドリニウム(Gd3+)造影剤、デスフェリオキサミンB、金属イオン、および鉄塩のナノ粒子などを、アポフェリチンのケージ中に収容することができる。様々な金属、例えば、鉄、ニッケル、クロム、および他の物質などがアポフェリチン中に組み込まれている[Iron incorporation into apoferritin. The role of apoferritin as a ferroxidase、The Journal of Biological Chemistry [0021〜9258] Bakker 1986年261巻28号13182〜5頁; Mitsuhiro Okuda1、Kenji Iwahori2、Ichiro Yamashita2、Hideyuki Yoshimura 1*、Fabrication of nickel and chromium nanoparticles using the protein cage of apoferritin、Biotechnology Bioengineering、84巻、2号、187〜194頁]。セレン化亜鉛ナノ粒子(ZnSe NP)が、テトラアミン亜鉛イオンおよびセレノ尿素を使用する遅い化学反応系を設計することによって、ケージ形状をしたタンパク質のアポフェリチンの腔中に合成された。ZnSe NPの化学合成は、水溶液から空間的に選択的な様式で実現され、ZnSeコアは、ほとんどすべてのアポフェリチンの腔中に形成され、バルクの析出はほとんどなかった[Kenji Iwahori、Keiko Yoshizawa、Masahiro Muraoka、およびIchiro Yamashita、Fabrication of ZnSe Nanoparticles in the Apoferritin Cavity by Designing a Slow Chemical Reaction System、Inorg. Chem.、44 (18)、6393〜6400、2005].
還元剤としてNaBH4または3-(N-モルホリノ)プロパンスルホン酸(MOPS)を使用して、ウマ脾臓アポフェリチン(HSAF)によって安定化された金ナノ粒子を合成するための単純な方法が報告されている[Lei Zhang、Joe Swift、Christopher A. Butts、Vijay YerubandiおよびIvan J. Dmochowski、Structure and activity of apoferritin-stabilized gold nanoparticles、Journal of Inorganic Biochemistry、101巻、1719〜1729、2007]。亜硫酸金(Au2S)ナノ粒子が、ケージ形状をしたタンパク質であるアポフェリチンの腔中に調製された。アポフェリチンは、直径が7nmの腔を有し、作製されたAu2Sナノ粒子の直径は、腔とほぼ同じサイズであり、サイズのばらつきは小さかった。[Keiko Yoshizawa、Kenji Iwahori、Kenji SugimotoおよびIchiro Yamashita、Fabrication of Gold Sulfide Nanoparticles Using the Protein Cage of Apoferritin、Chemistry Letters、35巻(2006)、10号1192頁]。したがって、好適な実施形態では、PAまたはエネルギー調節剤-PA化合物は、アポフェリチンシェル内部にカプセル化される。
増強された標的化剤としてのフェリチンおよびアポフェリチンの使用
フェリチンは一部の腫瘍組織によって内部移行することができ、この内部移行は膜特異的な受容体と関連することが報告された[S. Fargion、P. Arosio、A. L. Fracanzoni、V. Cislaghi、S. Levi、A. Cozzi、A PipernoおよびA. G. Firelli、Blood、1988、71、753〜757; P. C. Adams、L. W. PowellおよびJ. W. Halliday、Hepatology、1988、8、719〜721]。以前の研究により、フェリチン結合部位、およびフェリチンのエンドサイトーシスが、腫瘍細胞中で同定されたことが示された[M. S. BretscherおよびJ. N. Thomson、EMBO J.、1983、2、599〜603]。フェリチン受容体は、脳内に抗癌薬を送達するのに使用することに関する可能性を有する[S. W. Hulet、S. PowersおよびJ. R. Connor、J. Neurol. Sci.、1999、165、48〜55]。一実施形態では、本発明は、薬物送達の増強および引き続く光線療法のために、PAおよびエネルギー調節剤-PAシステムの両方をカプセル化し、また、腫瘍細胞を選択的に標的にするのに、フェリチンまたはアポフェリチンを使用する。この場合、追加のバイオリアクターはまったく必要でない。
図22は、光活性薬物を組織中に送達し、引き続いて、カプセル化されたシステムが細胞に入った後に光活性薬物を放出するための、カプセル化された光活性剤(図22A)の使用を概略的に例示する。カプセル化されたシステムは、選択的な腫瘍標的化のためにバイオレセプターを有することができることに留意されたい(図22B)。細胞内部に入ると、カプセルのシェル(例えば、リポソーム、アポフェリチンなど)が、非侵襲性の励起(例えば、超音波、RF、マイクロ波、IRなど)を使用して破壊されることによって(図22C)、光活性分子を放出することができ、この分子は核中に入り、DNAに結合することができる(図22D)。
PEPSTモダリティーを使用する非侵襲性の光線療法
図23は、PEPSTモダリティーの基本操作原理を例示する。PEPST光活性薬物分子は、経口摂取、皮膚への塗布によって、または静脈内注射によって患者に投与される。PEPST薬物は、標的腫瘍に向けて、体内の血流を通じて移動する(受動的または能動的標的化ストラテジーによって)。疾患が本質的に全身性である場合、適当な波長の光子放射線が使用されて患者の皮膚に照射され、光は、組織内部に深く浸透するように選択される(例えば、NIRまたはX線)。固形腫瘍については、放射光源は、腫瘍に向けられる。引き続いて、腫瘍部位へのエネルギーの送達を使用して、治療手順を開始することができる。先の節において説明したように、1つまたはいくつかの光源を使用することができる。療法の一実施形態は、集束光学系によって、NIRレーザーを使用してNIR放射線を送る段階を含む。他の放射線タイプの集束されたビームも、それだけに限らないが、X線、マイクロ波、電波などを含めて、使用することができ、使用される治療モダリティーに依存する。
励起子-プラズモン増強光線療法(EPEP)
励起子誘導光線療法の基本原理
固体物質中の励起子
励起子は、固体物質内部の「準粒子」として定義されることが多い。固体物質、例えば、半導体、分子結晶、および共役有機物質などにおいて、適当な波長での光励起により(X線、UVおよび可視放射線など)、電子を価電子帯から伝導帯に励起することができる。クーロン相互作用を通じて、この新しく形成された伝導電子は、価電子帯に取り残された、正に帯電したホールに誘引される。結果として、この電子とホールは一緒に、励起子と呼ばれる結合状態を形成する。(この中性の結合複合体は、ボソン、すなわち、ボーズ-アインシュタイン統計に従う、整数スピンを有する粒子として挙動することができる「準粒子」であることに留意されたい;ボソンガスの温度がある特定の値未満に低下すると、多数のボソンが「凝縮」して単一の量子状態になり、これがボーズ-アインシュタイン凝縮体(BEC)である)。励起子生成は、固体物質のX線励起に関与する。バンドギャプの広い物質が、シンチレーターおよびリン光体の作製において、X線を紫外/可視光子に変換するために使用されることが多い[Martin Nikl、Scintillation detectors for x-rays、Meas. Sci. Technol. 17 (2006) R37〜R54]。励起子の理論は、物質研究、ならびに半導体および他の物質の製造および用途において周知である。しかし、本発明者らが知る限りでは、光線療法に対する励起子の調整力に基づく、励起子の使用およびエネルギー調節剤物質の設計は、報告されていない。
最初のコンバージョンの間に、高エネルギーX線光子とシンチレーター物質の格子との多段階相互作用が、光電効果およびコンプトン散乱効果を通じて起こる;100keVの光子エネルギー未満のX線励起については、光電効果が主過程である。多くの励起子(すなわち、電子-ホール対)が、伝導帯(電子)および価電子帯(ホール)内に生成され、熱的に分配される。この第1の過程は1ps未満内に起こる。引き続く輸送過程において、励起子は物質を通って移動し、そこで欠陥におけるトラッピングの繰り返しが起こる場合があり、無放射再結合などによるエネルギー損失に至る。最終段階であるルミネセンスは、ルミネセント中心での電子-ホール対の連続したトラッピング、およびその放射再結合に存する。電子-ホール対は、欠陥においてトラップされ、再結合することができ、ルミネセンスを生じる。ルミネセントドーパントも、励起子に対するトラップとして使用することができる。
励起子トラップ
励起子トラップを、結晶ホストマトリックス中の不純物を使用して生成することができる。双極性ゲスト分子を有する純粋でない結晶中では、電子が不純物分子付近に局在している場合、電子トラップ状態が生じる場合がある。そのようなトラップは、カルバゾールをドープしたアントラセンにおいて観察された[Kadshchuk, A. K、Ostapenko, N. I.、Skryshevskii, Yu. A.、Sugakov, V. I.およびSusokolova, T. O.、Mol. Cryst and Liq. Cryst.、201、167 (1991)]。これらのトラップの形成は、電荷キャリアを有する不純物の双極子モーメントの相互作用に起因する。ドーパント(または不純物)の濃度が増加すると、スペクトルは、不純物分子のクラスター上のキャリアのトラッピングのために、スペクトルの追加の構造を呈する。時には、不純物およびドーパントは必要とされない:電子または励起子は、乱された結晶分子の再配向した双極子モーメントとの静電相互作用によって、そのような結晶中の構造欠陥上でトラップされる場合もある[S. V. Izvekov、V. I. Sugakov、Exciton and Electron Traps on Structural Defects in Molecular Crystals with Dipolar Molecules、Physica Scripta. T66巻、255〜257、1996]。励起子トラップとして機能を果たす、分子結晶中の構造欠陥を設計することができる。GaAs/AlGaAsナノ構造を開発し、ナノファブリケーション技術を使用することにより、物質中に、新規量子力学的特性を有する工学的励起子トラップを設計することができる。
EIPプローブの設計、製造、および操作
図25は、設計することができるEIPプローブの様々な実施形態を示す:
(A)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子に結合した(固定されても、分離できてもよいリンカーによって)PA分子を含むプローブ。この好適な実施形態では、エネルギー調節剤物質は、励起子に対するトラップとして機能を果たす構造欠陥を有する。
(B)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子に結合した(固定されても、分離できてもよいリンカーによって)PA分子を含むプローブ。この好適な実施形態では、エネルギー調節剤物質は、励起子に対するトラップとして機能を果たす不純物またはドーパント分子を有する。
調整可能な放出を伴うEIPプローブ:
プローブBでの実施形態は、X線励起源から、PA分子を励起するための対象とする波長へのエネルギー転換を調整する能力を提供する。1976年に、D'Silvaらは、凍結したn-アルカン固体中にドープされた多核芳香族炭化水素(PAH)分子は、X線によって励起し、そのルミネセンススペクトルの特徴である可視波長でルミネセンスを生じさせることができることを実証した[A. P. D'Silva、G. J. Oestreich、およびV. A. Fassel、X-ray excited optical luminescence of polynuclear aromatic hydrocarbons、Anal. Chem.; 1976; 48(6) 915〜917頁]。調整可能なEIPプローブは、ソラレンを活性化するのに適した300〜400nmの範囲でルミネセンス放出を呈する非常にルミネセントなPAHなどのそのようなルミネセントドーパントを含有するように設計することができる。好適な実施形態の調整可能な放出を伴うEIPは、300〜400nmの範囲でルミネセンス(蛍光)を呈する、ナフタレン、フェナントレン、ピレン、または他の化合物をドープした固体マトリックス(半導体、ガラス、石英、共役ポリマーなど)を含む[T. Vo-Dinh、Multicomponent analysis by synchronous luminescence spectrometry、Anal. Chem. ; 1978; 50(3) 396〜401頁]。図26を参照。EECマトリックスは、好ましくは、対象とする光波長(励起および放出)で透明な半導体物質とすることができる。
希土類物質などの他のドーパント化学種も、ドーパントとして使用することができる。図27は、370〜420nmで放出する、BaFBrのマトリックス中にドープされたユウロピウムのX線励起光ルミネセンス(XEOL)を示す。米国特許出願公開第2007/0063154号(参照により本明細書に組み込まれている)には、XEOLに適したこれらのナノコンポジット物質および他のナノコンポジット物質(ならびにこれらの作製方法)が記載されている。
図28は、設計することができるEIPプローブの様々な実施形態を示す:
(A)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子の周囲に結合し、またはエネルギー調節剤粒子の周囲のシェル中に埋め込まれたPA分子を含むプローブ。この好適な実施形態では、エネルギー調節剤物質は、励起子に対するトラップとして機能を果たす構造欠陥を有する。
(B)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子の周囲に結合し、またはエネルギー調節剤粒子の周囲のシェル中に埋め込まれたPA分子を含むプローブ。この好適な実施形態では、エネルギー調節剤物質は、励起子に対するトラップとして機能を果たす不純物またはドーパント分子を有する。
励起子-プラズモン増強光線療法(EPEP)の原理
電子状態(励起子)、光子、および増強された電磁場(プラズモン)の間の量子光学結合を伴う高度な光物理的概念に最近関心がもたれている。励起子とプラズモンの結合を伴うそのような概念を、光線療法モダリティーを増強するのに使用することができ、励起子-プラズモン増強光線療法(EPEP)と呼ばれる。
光物理学における基本的な重要概念は、強く結合した状態の混合からの新しい準粒子の形成である。そのような混合状態は、いずれの元の粒子も有さない普通でない特性を有することができる。励起子とプラズモンの結合は、弱い場合も強い場合もある。光-物質相互作用を摂動としてみなすことができない場合、システムは強い結合レジーム(regime)中にある。Bellesaらは、表面プラズモン(SP)モードと有機励起子の強い結合が起こることを示した;使用された有機半導体は、銀フィルム上に堆積させたポリマーマトリックス中の高濃度のシアニン色素である[参考文献: J. Bellessa、* C. Bonnand、およびJ. C. Plenet、J. Mugnier、Strong Coupling between Surface Plasmons and Excitons in an Organic Semiconductor、Phys. Rev. Lett、93 (3)、036404〜1、2004]。Govorovらは、半導体および金属ナノ粒子からなるハイブリッド複合体中の励起子の光物理特性を記載している。個々のナノ粒子同士間の相互作用は、放出を増強または抑制することができる。放出の増強は、プラズモン共鳴によって増幅された電場に由来し、一方、放出の抑制は、半導体から金属ナノ粒子へのエネルギー移動の結果である[Alexander O. Govorov、*、† Garnett W. Bryant、‡ Wei Zhang、† Timur Skeini、† Jaebeom Lee、§ Nicholas A. Kotov、§ Joseph M. Slocik、|およびRajesh R. Naik|、Exciton-Plasmon Interaction and Hybrid Excitons in Semiconductor-Metal Nanoparticle Assemblies、Nano Lett.、6巻、5号、984、2006]。Bondarevらも、小直径(1nm未満)の半導体単一壁カーボンナノチューブ(CN)における、励起子状態と表面電磁モードの相互作用についての理論を記載した[I. V. Bondarev、K TaturおよびL.M. Woods、Strong excitonplasmon coupling in semiconducting carbon nanotubes]。
Fedutikらは、制御された厚さのSiO2シェルによって囲まれ、その後に非常にルミネセントなCdSeナノ結晶の外殻によって囲まれた、湿式化学的に成長させた銀ワイヤーコアからなる複合金属-絶縁体-半導体ナノワイヤーシステムの合成および光学的性質について報告した[Yuri Fedutik、† Vasily Temnov、† Ulrike Woggon、† Elena Ustinovich、‡およびMikhail Artemyev *‡、Exciton-Plasmon Interaction in a Composite Metal-Insulator-Semiconductor Nanowire System、J. Am. Chem. Soc.、129 (48)、14939〜14945、2007]。約15nmのSiO2スペーサーの厚さについて、CdSeナノ結晶の励起子放出による表面プラズモンの効率的な励起を観察した。10nmより十分下の小さいdについては、放出は強く抑制される(PL消光)、減衰したミラーダイポール(mirror dipole)との双極子間相互作用の予期された優位性と一致している[G. W. FordおよびW. H. Weber、「Electromagnetic interactions of molecules with metal surfaces」、Phys. Rep. 113、195〜287 (1984)]。最大約10μmのナノワイヤーの長さについて、複合金属-絶縁体-半導体ナノワイヤー((Ag)SiO2)CdSeは、ナノワイヤーチップにおいて効率的な光子外部結合を伴って、光周波数の1D-表面プラズモンのための導波路として作用し、これは、可視スペクトル範囲における、効率的な励起子-プラズモン-光子転換、およびサブミクロンスケールでの表面プラズモンの誘導に有望である。
J凝集体で覆われたAgナノ粒子のコロイド溶液に対する実験により、表面プラズモンに伴う強い散乱断面積および増強された場を使用することによって、非常に低い励起出力を用いてJ凝集体励起子から誘導放出を生じさせる可能性が実証された[Gregory A. Wurtz、* Paul R. Evans、William Hendren、Ronald Atkinson、Wayne Dickson、Robert J. Pollard、およびAnatoly V. Zayats、Molecular Plasmonics with Tunable Exciton-Plasmon Coupling Strength in J-Aggregate Hybridized Au Nanorod Assemblies、Nano Lett.、7巻、5号、1297、2007]。したがって、表面プラズモン励起へのその結合は、低出力光学デバイスを作り出すための、特に魅力的な手法を提供する。この過程は、光線療法のための効率的なX線結合につながりうる。さらに、J凝集体とプラズモニクス構造の結合は、混合プラズモン-励起子状態を作り出すことにおいて、真の基本的な関心を提示する。
EPEPプローブの設計、製造、および操作
図29は、励起子-プラズモン結合を示す、本発明のEPEPプローブの様々な実施形態を示す:
(A)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子に結合した(固定されても、分離できてもよいリンカーによって)PA分子またはPA分子の基を含むプローブ。エネルギー調節剤粒子は、シリカ(または他の誘電体物質)のナノシェルで覆われた金属ナノ粒子に結合している(または近接している)。シリカ層(またはナノシェル)(図29Aおよび図29Bを参照;エネルギー調節物質と金属ナノ構造の間の白色の層のナノシェル)は、X線によって励起されたエネルギー調節剤粒子によって放出されるルミネセンス光の消光を防止するように設計される。金属ナノ粒子(Au、Agなど)は、X線励起を増強するプラズモンを誘導するように設計され、X線励起の増強は引き続いてエネルギー調節剤の発光の増大に導き、最終的に光活性化、すなわち、光線療法の効率を高める。ナノ粒子の構造は、プラズモニクス効果がエネルギー調節剤の放出光も増強するように設計することもできる。これらの過程は、エネルギー調節剤物質中の励起子と、金属ナノ粒子中のプラズモンとの強い結合によるものである;および
(B)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子に結合した(固定されても、分離できてもよいリンカーによって)PA分子またはPA分子の基を含むプローブ。エネルギー調節剤粒子は、スペーサー(リンカー)を介して金属ナノ粒子に結合している(または近接している)。スペーサーは、X線によって励起されたエネルギー調節剤粒子によって放出されるルミネセンス光の消光を防止するように設計される。
図30は、本発明のEPEPプローブのなおさらなる実施形態を示す:
(A)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子に結合した(固定されても、分離できてもよいリンカーによって)PA分子またはPA分子の基を含むプローブ。エネルギー調節剤粒子は、シリカ(または他の誘電体物質)のナノシェルで覆われ、これは、金属(Au、Ag)の別個のナノ構造(ナノアイランド、ナノロッド、ナノキューブなど)の層によって覆われている。シリカ層(または他の誘電体物質)は、X線によって励起されたEEC(エネルギー調節剤とも呼ばれる)粒子によって放出されるルミネセンス光の消光を防止するように設計される。金属ナノ構造(Au、Agなど)は、X線励起を増強するプラズモンを誘導するように設計され、X線励起の増強は引き続いてEECの発光の増大に導き、最終的に光活性化、すなわち、光線療法の効率を高める。ナノ粒子の構造は、プラズモニクス効果がエネルギー調節剤の放出光も増強するように設計することもできる。これらの過程は、エネルギー調節剤物質中の励起子と、金属ナノ構造中のプラズモンとの強い結合によるものである。
(B)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子に結合した(固定されても、分離できてもよいリンカーによって)粒子中のPA分子の基を含むプローブ。このPA含有粒子は、金属ナノ構造(Au、Ag)の層で覆われている。金属ナノ構造(Au、Agなど)は、エネルギー調節剤の発光を増強するプラズモンを誘導するように設計され、最終的に光活性化、すなわち、光線療法の効率を高める。
(C)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子に結合した(固定されても、分離できてもよいリンカーによって)PA分子またはPA分子の基を含むプローブ。エネルギー調節剤粒子は、シリカ(または他の誘電体物質)のナノシェルで覆われ、これは、金属ナノ構造(Au、Ag)の層によって覆われている。シリカ層(または他の誘電体物質)は、X線によって励起されたエネルギー調節剤粒子によって放出されるルミネセンス光の消光を防止するように設計される。金属ナノ構造(Au、Agなど)は、X線励起を増強するプラズモンを誘導するように設計され、X線励起の増強は引き続いてエネルギー調節剤の発光の増大に導き、最終的に光活性化、すなわち、光線療法の効率を高める。さらに、PA含有粒子は、金属ナノ構造(Au、Ag)の層で覆われている。金属ナノ構造(Au、Agなど)は、EECの発光を増強するプラズモンを誘導するように設計され、最終的に光活性化、すなわち、光線療法の効率を高める。
ハイブリッドEPEPナノ超構造
EPEPプローブは、生物学的および非生物的なナノスケール成分から作られたハイブリッド自己組織化超構造も含むことができ、これは、光線療法で使用するための、様々な独特の電子特性、表面特性、および光スペクトル特性を有する、万能の分子構築物を提供することができる。
バイオポリマーおよびナノ粒子は、超構造中に取り込むことができ、これは、無機ナノ物質の物理的性質、およびポリマーの化学的融通性/特異性を使用することができるので、独特の機能性を提供する。結合励起に導く励起子とプラズモンなどの、ナノ物質中で一般的な2つのタイプの励起を組み合わせた複合システムは注目すべきである。金属、半導体ナノ粒子(NP)、ナノロッド(NR)、またはナノワイヤー(NW)を含めた構成要素を含む分子構築物は、光線療法の分野に基本的に重要である、光子特性および増強相互作用の取り合わせを含むEPEPプローブを生成することができる。いくつかのNWナノ構造およびNPのアセンブリーのいくつかの例は、バイオセンシングにおいて報告されている。CdTeナノワイヤー(NW)および金属ナノ粒子(NP)から作られるナノスケール超構造は、バイオコンジュゲーション反応によって調製される。D-ビオチンとストレプトアビジンの対などの原型的な生体分子が、溶液中でNPとNWを接続するのに利用された。Au NPは、CdTe NWの周囲に高密度なシェルを形成することが見出された。超構造は、半導体ナノコロイドおよび貴金属ナノコロイドの長距離相互作用に関係する普通でない光学効果を実証した。このNWNP複合体は、コンジュゲートされていないNWと比較した場合、ルミネセンス強度の5倍の増強および放出ピークのブルーシフトを示した[Jaebeom Lee、† Alexander O. Govorov、‡ John Dulka、‡およびNicholas A. Kotov*、†、Bioconjugates of CdTe Nanowires and Au Nanoparticles: Plasmon-Exciton Interactions, Luminescence Enhancement, and Collective Effects、Nano Lett.、4巻、12号、2323、2004]。
本発明者らが知る限り、これらの高度な概念は光線療法に適用されておらず、NP、NR、およびNWからの超構造を含むEPEPプローブは、依然として光線療法の新しい未開拓領域である。
図31は、NP、NW、およびNRの超構造を含む、本発明のEPEPプローブの様々な実施形態を示す:
(A)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子に結合した(固定されても、分離できてもよいリンカーによって)PA分子またはPA分子の基を含むプローブ。エネルギー調節剤粒子は、シリカ(または他の誘電体物質)のナノシェルシリンダーで覆われた金属ナノワイヤー(またはナノロッド)に結合している(または近接している)。シリカナノシェルシリンダーは、X線によって励起されたエネルギー調節剤粒子によって放出されるルミネセンス光の消光を防止するように設計される。金属ナノ構造(Au、Agなど)は、X線励起を増強するプラズモンを誘導するように設計され、X線励起の増強は引き続いてエネルギー調節剤の発光の増大に導き、最終的に光活性化、すなわち、光線療法の効率を高める。ナノ粒子の構造は、プラズモニクス効果および/または励起子-プラズモン結合(EPC)効果がエネルギー調節剤の放出光も増強するように設計することもできる。これらの過程は、エネルギー調節剤物質中の励起子と、金属ナノ粒子中のプラズモンとの強い結合によるものである;ならびに
(B)適当な波長(例えば、X線)での放射励起下で励起子を生成することができる、エネルギー調節剤粒子に結合した(固定されても、分離できてもよいリンカーによって)PA分子またはPA分子の基を含むプローブ。エネルギー調節剤粒子は、スペーサー(リンカー)を介して金属ナノ粒子に結合している(または近接している)。スペーサーは、X線によって励起されたエネルギー調節剤粒子によって放出されるルミネセンス光の消光を防止するように設計される。(A)における効果と同じ効果。
図32は、NP、NW、およびNRの超構造、ならびにバイオレセプター(抗体、DNA、表面細胞受容体など)を含む、本発明のEPEPプローブの別のセットの実施形態を示す。腫瘍細胞を標的にするためのバイオレセプターの使用は、PEPSTプローブに関して上記で先に論じた。この実施形態では、PA分子は、NWからの放出光によって励起されるために、NWの軸に沿って結合されていることに留意されたい。
図33は、多数のNWに連結したNPの超構造を含む、本発明のEPEPプローブの別の実施形態を示す。
いくつかの実施形態については、エネルギー調節剤システム中の励起子と特異的に相互作用するように設計された金属ナノ構造を加えることによって、著しい改善がある:
(1)励起子から光子転換への追加の放射経路が導入される
(2)金属ナノ構造は、光活性(PA)分子を励起するために、励起放射線(例えば、X線)および/または放出放射線(例えば、UVまたは可視)を増幅する(プラズモニクス効果により)ように設計することができ、それによってPAの有効性を高める。
本発明のEPEPプローブの実施形態において使用することができる様々な金属ナノ構造は、PEPSTプローブについて図9に例示したものと同じである。
微小共振器を有するEPEPプローブ
好適な実施形態では、エネルギー調節剤システムは、ミクロンまたはサブミクロンサイズを有する微小共振器としても機能を果たすように設計することができる。Lipsonらは、共鳴微小共振器、より詳細には、強い光-物質相互作用を生じる共鳴微小共振器を記載した[M. Lipson; L.C. Kimerling; Lionel C、Resonant microcavities、米国特許第6627923号、2000]。共鳴微小共振器は一般に、ケイ素などの基板中に形成され、数ミクロンまたは数分の1ミクロンの桁の寸法を有する。共鳴微小共振器は、光学活性物質(すなわち、ルミネセント物質)、および光学活性物質中に光を閉じ込める反射器を含む。閉じ込められた光は、光学活性物質と相互作用することによって、光-物質相互作用を生じる。微小共振器内の光-物質相互作用は、強いまたは弱いとして特徴づけることができる。弱い相互作用は、物質中のエネルギー準位を変化させず、一方、強い相互作用は、物質中のエネルギー準位を変化させる。強い光-物質相互作用配置では、微小共振器の特性を変化させるために、閉じ込められた光を、これらのエネルギー準位遷移と共鳴させることができる。
実験方法
ナノ粒子(Ag、Au)の調製
EPEPまたはPEPSTプローブ用の金属ナノ粒子を調製するための多くの方法が存在する。金および銀コロイドを調製するための手順として、電気爆発(electroexplosion)、電着、気相凝縮、電気化学的方法、および溶液相化学法が挙げられる。直径が2〜40nmの均一なサイズの球状コロイド金集団を調製するための方法は周知であるが[N.R. Jana、L. GearheartおよびC.J. Murphy、Seeding growth for size control of 5-40 nm diameter gold nanoparticles. Langmuir 17 (2001)、6782〜6786頁]、このサイズの粒子は市販されている。銀粒子(均一な光学散乱特性を有する)または金粒子(サイズおよび形状単分散の制御の改善を伴う)の集団を調製するための有効な化学的還元方法は、銀層または金層をさらに成長させるための核形成中心として小直径の均一なサイズの金粒子を使用することに基づく。
広く使用されている手法は、比較的に狭いサイズ分布を有する12〜20nmのサイズの金粒子を生成するために、金塩のクエン酸還元を伴う。より小さい金粒子を生成するための一般に使用される方法は、Brustらによって開発された[Brust, M.; Walker, M.; Bethell, D.; Schiffrin, D. J.; Whyman, R. Chem. Commun. 1994、801]。この方法は、1〜3nmの粒子を生成するために、アルカンチオールキャッピング剤の存在下で金塩をホウ化水素還元することに基づく。ナノ粒子のサイズは、チオール濃度を変更することによって2〜5nmに制御することができる[Hostetler, M.J.; Wingate, J. E.; Zhong, C. J.; Harris, J. E.; Vachet, R. W.; Clark, M. R.; Londono, J. D.; Green, S. J.; Stokes, J. J.; Wignall, G. D.; Glish, G. L.; Porter, M. D.; Evans, N. D.; Murray, R. W. Langmuir 1998、14、17]。ホスフィン安定化金クラスターも生成され、引き続いて配位子交換によりチオールでキャップされたクラスターに転換することによって、その安定性が改善され[Schmid, G.; Pfeil, R.; Boese, R.; Bandrmann, F.; Meyer, S.; Calis, G. H. M.; van der Velden, J. W. A. Chem. Ber. 1981、114、3634; Warner, M. G.; Reed, S. M.; Hutchison、J. E. Chem. Mater. 2000、12、3316.]、ホスフィン安定化単分散金粒子は、Brust法と同様のプロトコールを使用して調製された[Weare, W. W.; Reed, S. M.; Warner, M. G.; Hutchison, J. E. J. Am. Chem. Soc. 2000、122、12890]。最近の概説も参照されたい: Ziyi Zhong、Benoit1 Male, Keith B.1 Luong、John H. T.、More Recent Progress in the Preparation of Au Nanostructures, Properties, and Applications、Analytical Letters; 2003、36巻15号、3097〜3118頁。
色素のナノシェルでコーティングされた金属のナノ粒子の作製
色素分子のナノシェルでコーティングされた金属ナノ粒子の作製は、Masuharaら [AKITO MASUHARA、SATOSHI OHHASHI、HITOSHI KASAI; SHUJI OKADA、FABRICATION AND OPTICAL PROPERTIES OF NANOCOMPLEXES COMPOSED OF METAL NANOPARTICLES AND ORGANIC DYES、Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials 13巻、3 & 4号(2004) 587〜592]によって記載された方法を使用して実施することができる。コアとしてAgまたはAu、およびシェルとして3-カルボキスリメチル(carboxlymethyl)-5-[2-(3-オクタデシル-2-ベンゾセレナゾリニリデン)エチリデン]ローダニン(rhodanine)(MCSe)または銅(II)フタロシアニン(CuPc)から構成されるナノ複合体は、共再沈殿(co-reprecipitation)法によって調製する。Ag-MCSeナノ複合体の場合では、MCSeの0.5mMのアセトン溶液を、NaBH4を使用してAgNO3を還元することにより調製したAgナノ粒子水分散系10ml中に注入する: Au-MCSeナノ複合体も同様の様式で作製する。Auナノ粒子の水分散系は、クエン酸ナトリウムを使用してHAuCl4を還元することによって調製した。引き続いて、2MのNH4OH (50μl)を添加し、この混合物を50℃で熱的に処理した。このアミン処理は、MCSe.6 Ag-CuPcのJ凝集体形成を刺激することが多い。Au-CuPcナノ複合体も同じ様式で作製した: CuPc (200μl)の1mMの1-メチル-2-ピロリジノン(NMP)溶液を、AgまたはAuナノ粒子の水分散系(10ml)中に注入した。
本発明の治療は、固形腫瘍中のものを含めて、悪性細胞に対する自家ワクチン効果を誘導するのにも使用することができる。任意の急速に分裂する細胞または幹細胞が、全身的治療によって損傷されうる程度において、その場合、刺激エネルギーを腫瘍に直接向け、光活性化可能な薬剤の光活性化または共鳴エネルギー移動を回避することによって、ほとんどの正常な健康細胞または幹細胞に損傷を与えることを防止することが好ましい場合がある。
あるいは、有糸分裂を減速または休止する治療を施すことができる。そのような治療は、癌性細胞の有糸分裂を休止することなく、治療の間に急速に分裂する健康細胞または幹細胞の分裂を減速することができる。あるいは、有糸分裂を減速する治療を投与する前に、遮断剤が悪性細胞に優先的に投与される。
一実施形態では、攻撃的な細胞増殖障害は、はるかに高い有糸分裂の速度を有し、これは全身的に投与される治療の間でさえも、不均衡な配分の悪性細胞の選択な破壊に導く。幹細胞および健康細胞は、光活性化された薬剤に曝されても大規模なプログラム細胞死から逃れることができ、ただし、そのような光活性化された薬剤は、結合、有糸分裂、または健康な幹細胞のうちの相当な割合の細胞に損傷を作り出すための他の機構の前に、励起状態からより低いエネルギー状態に縮退している。したがって、自己免疫応答が誘発される場合はない。
あるいは、幹細胞または健康細胞の損傷を選択的に防止または低減する遮断剤を使用することができ、これらの細胞はさもなければ障害される。遮断剤は、例えば、悪性腫瘍に同様の利点を付与しないように選択され、または投与される。
一実施形態では、幹細胞は、具体的には、幹細胞をドナー細胞株、または患者の以前に貯えられた健康細胞と置換する意図で破壊するために標的にされる。この場合、遮断剤はまったく使用されない。代わりに、幹細胞を特異的に標的にする担体または光感受性物質が使用される。
光力学的療法の領域の研究により、細胞溶解、したがって細胞死を引き起こすのに必要とされる一重項酸素量は、0.32×10-3mol/リットル以上、または109個の一重項酸素分子/細胞以上であることが示された。しかし、本発明の一実施形態では、標的細胞および健康細胞の両方を溶解するその攻撃の無差別性のために、細胞溶解を引き起こす量の一重項酸素の生成を回避することが最も好ましい。したがって、活性化されると、使用される開始エネルギーまたは活性化可能な医薬剤によって生じる一重項酸素生成のレベルは、細胞溶解を引き起こすのに必要なレベルより低いことが、本発明において最も好適である。
さらなる実施形態では、本発明による方法は、治療の副作用を軽減するために添加剤を添加する段階をさらに含むことができる。例示的な添加剤として、それだけに限らないが、抗酸化剤、アジュバント、またはこれらの組合せを挙げることができる。例示的な一実施形態では、ソラレンが活性化可能な医薬剤として使用され、UV-Aが活性化エネルギーとして使用され、抗酸化剤が照射の望まれない副作用を低減するために添加される。
本発明の方法の利点は、急速に分裂する細胞などの細胞増殖障害に影響された細胞を特異的に標的にし、in situでこれらの細胞中にアポトーシスなどの細胞変化を誘発することによって、病的細胞に対して免疫応答を有するように宿主の免疫系を刺激することができることである。宿主自体の免疫系がそのような応答を有するように刺激されると、活性化可能な医薬剤によって処置されていない他の病的細胞は、宿主自体の免疫系によって認識および破壊することができる。そのような自家ワクチン効果は、例えば、ソラレンおよびUV-Aを使用する治療において得ることができる。
本発明の方法は、細胞増殖障害を治療するために、単独で、または他の療法と組み合わせて使用することができる。さらに、本発明の方法は、必要に応じて、Giacchettiら、Journal of Clinical Oncology、24巻、22号(8月1日)、2006: 3562〜3569頁に詳述されているものなどの時間医学における最近の進歩とともに使用することができる。時間医学において、癌などのある特定のタイプの障害を罹患している細胞は、1日のある特定に時間において、他の時間よりも良好に応答することが見出された。したがって、本発明の治療の効果を増大させるために、時間医学を本方法とともに使用することができる。
別の態様では、本発明は、上述した方法を実行するためのシステムおよびキットをさらに提供する。
一実施形態では、本発明によるシステムは、(1)開始エネルギー源、(2)1つまたは複数のエネルギー調節剤、および(3)1つまたは複数の活性化可能な医薬剤を含むことができる。
別の実施形態では、本発明によるシステムは、開始エネルギー源、および1つまたは複数の活性化可能な医薬剤を含むことができる。
好適な実施形態では、開始エネルギー源は、予め選択された座標に、正確に較正された放射線のビームを送達するための画像誘導コンピューター制御能力を備えた線形加速器とすることができる。そのような線形加速器の一例は、Varian medical systems(Varian Medical Systems, Inc.、Palo Alto、California)からのSmartBeam(商標)IMRT(強度変調放射線治療)システムである。
他の実施形態では、適切な開始エネルギーエミッターを備えた内視鏡デバイスまたは腹腔鏡デバイスを、開始エネルギー源として使用することができる。そのようなシステムでは、部位に所望量の開始エネルギーを送達するために、開始エネルギーを予め選択された座標に誘導し、位置づけることができる。
さらなる実施形態では、線量の計算およびロボット操作デバイスも、システム中に含めることができる。
本発明の方法およびシステムに有用な試薬および化学物質を、本発明の用途を促進するためにキットに梱包することができる。例示的な一実施形態では、ソラレン、ならびに自家ワクチンの分割および分離を容易にするための分割容器を含むキットが企図されている。さらなる実施形態のキットは、所定の細胞変化を引き起こすことができる少なくとも1つの活性化可能な医薬剤、エネルギーを与えられたとき、少なくとも1つの活性化可能な薬剤を活性化することができる少なくとも1つのエネルギー調節剤、少なくとも1つのプラズモニクス作用剤、および安定な形態で作用剤を保管するのに適した容器を含み、好ましくは少なくとも1つの活性化可能な医薬剤、少なくとも1つのプラズモニクス作用剤、および少なくとも1つのエネルギー調節剤を対象に投与するため、ならびに開始エネルギー源から開始エネルギーをアプライすることによって、活性化可能な医薬剤を活性化するための指示書をさらに含む。指示書は、任意の所望の形式とすることができ、それだけに限らないが、キットインサート上に印刷されたもの、1つまたは複数の容器上に印刷されたもの、ならびにコンピューター判読可能な記憶媒体などの電子記憶媒体に提供された電子的に記憶された指示書を含む。コンピューター判読可能な記憶媒体上のソフトウェアパッケージも場合により含められ、これは、ユーザーが情報を統合し、制御線量を計算すること、照射源の強度を計算および制御することを可能にする。
本発明を概ね説明してきたが、さらなる理解は、ある特定の具体例を参照して得ることができ、これらの具体例は、別段の指定のない限り、例示の目的のためだけに本明細書に提供されており、限定していることは意図されていない。
(実施例)
銀ナノ粒子の調製
銀(または金)コロイドは、標準的なLee-Meisel法に従って調製した: 10-3MのAgNO3水溶液200mLを、活発に攪拌しながら沸騰させ、次いで35mMのクエン酸ナトリウム溶液5mLを添加し、得られた混合物を1時間沸騰させ続けた。この手順により、直径が約35〜50nmであり、390nmで最大吸収を有する約1011粒子/mLの均一なサイズのコロイド粒子が得られたことが報告された。このコロイド溶液を4℃で貯蔵し、室内の光から保護した。コロイド溶液のさらなる希釈は、蒸留水を使用して実施した。
金属ナノキャップの作製/調製
一手法では、所望の粗さを生じさせ、制御するために、固体支持体上にスピンコートされたナノスフェアを使用した。引き続いて、このナノ構造支持体を、表面プラズモン機構に必要な伝導電子を供給する銀の層で覆う。固体基板に基づく技法の中で、テフロン（登録商標）またはラテックスナノスフェアなどの単純なナノ物質を使用する方法が、調製するのに最も単純であるように思われる。テフロン（登録商標）およびラテックスナノスフェアは、多種多様なサイズで市販されている。これらの物質の形状は非常に規則的であり、そのサイズは最適な増強のために選択することができる。これらの物質は、ナノキャップと呼ばれるハーフ-ナノシェルのシステムをもたらしている銀でコーティングされた、孤立した誘電体ナノスフェア(30nmの直径)を含む。
図24は、厚さが100nmの銀ナノキャップ(ハーフ-ナノシェル)コーティングによって覆われた、直径が300mのポリマーナノスフェアの走査電子顕微鏡写真(SEM)を示す。ナノ粒子は、下にある基板からこれらを解放するために超音波処理することができる。SERS効果に対する球のサイズおよび金属層の厚さの効果は、容易に調査することができる。銀でコーティングされたナノスフェアは、調査した中で最もプラズモニクス活性であることが判明した。銀の代わりに金も、PA薬物分子を含むナノ粒子を覆うのに使用することができる。
金ナノシェルの作製
金ナノシェルは、Hirschら[Hirsch LR、Stafford RJ、Bankson JA、Sershen SR、Price RE、Hazle JD、Halas NJ、West JL (2003) Nanoshell-mediated near infrared thermal therapy of tumors under MR Guidance. Proc Natl Acad Sci 100:13549〜13554]によって記載された方法を使用して、核形成、次いでシリカ誘電体コア周囲の金ナノ粒子の連続的な成長を伴う機構を使用して調製した。Frens法を使用して上述したように調製したシードである金ナノ粒子は、金のシェルを成長させるのに使用した。ナノシェルのコアに使用されるシリカナノ粒子(100nm)を、EtOH中1%のAPTESの溶液中に単分散させた。Frens法を使用して合成した金「シード」コロイドを、アミン基の分子連結を介して、シリカナノ粒子の表面上に成長させた。この「シード」は、最初は不連続な金の金属層として、アミノ化されたシリカナノ粒子表面を覆い、連続的な金のシェルを形成しながら徐々に成長する。「シード」として使用した金ナノ粒子は、光透過分光法(UV-Vis分光光度計、Beckman Coulter、Fullerton、CA)および原子間力顕微鏡法(原子間力顕微鏡、Veeco Instruments、Woodbury、NY)を使用して特徴づける一方で、金ナノシェルは、光透過分光法および走査電子顕微鏡法(走査型電子顕微鏡、Hitachi S-4700、Hitachi High Technologies America, Inc. Pleasanton、NY)を使用して特徴づけた。
PDT薬のALAを用いたアポトーシスを測定するためのプローブ
PEPSTプローブの有効性を評価するのに使用することができるナノセンサーを使用する方法を開発した。従来法(ナノセンサーを必要としない)を使用することもできるが、本発明者らは以前に開発したナノセンサー法を説明する[P.M Kasili、J. M Song、およびT. Vo-Dinh、「Optical Sensor for the Detection of Caspase-9 Activity in a Single Cell」、J. Am. Chem. Soc.、126、2799〜2806 (2004)]。この方法は、光活性薬物によって誘導されるアポトーシスによって活性化されるカスパーゼを測定する段階を含む。この実験では、本発明者らは、細胞IおよびIIの2セットを測定する。セットIは、薬物ALAを用いて処理し、セットIIは、先の節において説明した、PEPSTプローブに結合した薬物ALAによって処理する。結果(検出されたカスパーゼの量)を比較することによって、ALA単独と比較した、PEPST-ALA薬物の効率を評価することができる。
アポトーシスの古典的なモデルでは、カスパーゼは、その機能およびその活性化の順序によって、イニシエーターカスパーゼおよびエフェクターカスパーゼに分けられる。イニシエーターカスパーゼにはカスパーゼ-8、-9が含まれる一方で、エフェクターカスパーゼにはカスパーゼ-3、-6、および-7が含まれる。カスパーゼの活性化は、アポトーシスの最も早期の生物マーカーの1つであり、カスパーゼを、アポトーシスを測定するための早期のかつ理想的な標的にしている。アポトーシス、またはプログラム細胞死は、特異的な形態学的かつ生化学的特徴を特徴とする細胞死のモードである。これらの実験で得られた結果は、アポトーシスを誘導する光線療法薬(例えば、PDT薬)の有効性を評価するのに使用することができる。カスパーゼは、アポトーシスの誘導において中心の役割を果たすので、テトラペプチドに基づく光ナノセンサーを使用することによって、よく特徴づけられたヒト乳癌細胞株であるMCF-7中の、光力学的療法(PDT)薬剤のδ-アミノレブリン酸(ALA)に対する応答におけカスパーゼの役割を求めた。MCF-7細胞を光感受性物質ALAに曝して、カスパーゼ-9およびカスパーゼ-7活性をモニターすることによって、ALA-PDT誘導アポトーシスを調査した。カスパーゼ-9およびカスパーゼ-7プロテアーゼ活性は、光ナノセンサーのナノチップに共有結合的に固定化した、既知のカスパーゼ-9およびカスパーゼ-7の基質、すなわち、それぞれ、ロイシン-アスパラギン酸-ヒスチジン-グルタミン酸7-アミノ-4-メチルクマリン(LEHD-AMC)およびアスパラギン酸-グルタミン酸-バリン-アスパラギン酸7-アミノ-4-メチルクマリン(DEVD-AMC)を用いて、1個のMCF-7生細胞中で評価した。アポトーシスが誘導されると、活性化された標的カスパーゼは、テトラペプチド配列を認識し、それを特異的に切断する。カスパーゼによって基質が認識された後、直ちに切断反応が続き、蛍光性のAMCを生じ、これは、ヘリウム-カドミウム(HeCd)レーザーで励起されることによって、測定可能な蛍光信号を発生することができる。活性化されたカスパーゼを含む細胞内のAMCから生成した蛍光信号を、不活性なカスパーゼを含む細胞内のAMCから生成した蛍光信号と比較することによって、1個のMCF
-7生細胞内のカスパーゼ活性の検出に成功することができる。
化学物質および試薬
δ-アミノレブリン酸(ALA)、リン酸緩衝食塩水(PBS)、塩酸(HCl)、硝酸(HNO3)、グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GOPS)、1,1'-カルボニルジイミダゾール(CDI)、および無水アセトニトリルは、Sigma-Aldrich、St. Louis、MOから購入した。カスパーゼ-9の基質であるLEHD-7-アミノ-4-メチルクマリン(AMC)、カスパーゼ-7の基質であるDEVD-7-アミノ-4-メチルクマリン(AMC)、2倍反応緩衝液、ジチオトレイトール(DTT)、およびジメチルスルホキシド(DMSO)は、BD Biosciences、Palo Alto. CAから購入した。
細胞株
ヒト乳癌細胞株のMCF-7は、American Type Culture Collection (Rockville、MD、USA、カタログ番号HTB22)から入手した。MCF-7細胞は、1mMのL-グルタミン(Gibco、Grand Island、NY)、および10%のウシ胎児血清(Gibco、Grand Island、NY)を補充したダルベッコ変法イーグル培地((DMEM) (Mediatech, Inc.、Herndon、VA)中で増殖させた。細胞培養は、標準的なT25組織培養フラスコ(Corning、Corning、NY)中の増殖培地(上述)中で確立した。このフラスコを、37℃、5%のCO2および86%の湿度で、加湿したインキュベーター内でインキュベートした。細胞増殖を、60〜70%のコンフルエンス状態に達するまで、顕微鏡観察によって毎日モニターした。増殖条件は、細胞が、ALAを用いた光感受性物質処置の間、対数期増殖にあるが、化学物質の曝露が終結するまでにコンフルエントな単層が形成するほどコンフルエンスに近くないように選択した。実験に備えて、細胞をT25フラスコから収集し、アリコート0.1ml(105細胞/ml)を、60mmの組織培養皿(Corning Costar Corp.、Corning、NY)中に播種して一晩付着させた。MCF-7細胞は、4つの別個のグループとして試験し、第1のグループ、すなわちグループIは実験用であり、0.5mMのALAに3時間曝した後、光活性化した([+]ALA[+]PDT)。これは、5%のCO2中37℃で3時間、0.5mMのALAとともに細胞をインキュベートすることを伴った。インキュベーション後、MCF-7細胞を、細胞の約5cm上に位置したHeNeレーザー(λ 632.8nm、<15mW、Melles Griot、Carlsbad、CA)からの赤色光に、5分間5.0mJ/cm2のフルエンスで曝すことによってALAを光活性化し、引き続いてアポトーシスを誘導した。第2および第3のグループ、すなわち、それぞれグループIIおよびグループIIIは、「処置された対照」として役割を果たし、それぞれ、光活性化することなく0.5mMのALAに3時間曝し([+]ALA[-]PDT)、0.5mMのALAを用いずに光活性化した([-]ALA[+]PDT])。第4のグループ、すなわちグループIVは、「未処置の対照」であり、ALAも光活性化も施さなかった([-]ALA[-]PDT)。
実験プロトコール
酵素基質に基づく光ナノセンサーの調製
簡単に言えば、このプロセスでは、600μmのサイズのコアを有するプラスチッククラッドシリカ(PCS)ファイバー(Fiberguide Industries、Stirling、New Jersey)を切断および研磨した。このファイバーを最終チップ直径が50nmになるまで引っ張り、次いで熱蒸発堆積システム(Cooke Vacuum Products、South Norwalk、CT)を使用して約100nmの銀金属(99.999%純粋)でコーティングし、150nmの最終直径を実現した。この溶融石英ナノチップを酸洗浄(HNO3)した後、蒸留水で数回すすいだ。最後に、この光ナノファイバーを、無塵環境下で、室温で空気乾燥させた。次いでこのナノチップを有機カップリング剤、蒸留水中10%のグリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GOPS)を用いてシラン処理し、処理した。このシラン化剤は、ナノチップのシリカ表面に共有結合し、ヒドロキシル基を修飾して有機架橋試薬の1'1,カルボニルジイミダゾール(CDI)と適合性である末端にする。イミダゾール末端基を導入して活性化するためのCDIの使用は特に魅力的であり、その理由は、固定化されるタンパク質を、化学修飾することなく使用することができるためである。この手順を使用して結合したタンパク質は、タンパク質を付着させるのに吸着を使用する手順とは対照的に、洗浄またはイムノアッセイ手順における後続の手順の間、確実に固定化されたままであった。カスパーゼ-9活性を測定するためにシラン処理および活性化したナノチップは、DMSO、2倍反応緩衝液、PBS、およびLEHD-AMCを含有する溶液中に浸漬し、37℃で3時間インキュベートさせた一方で、カスパーゼ-7活性を測定するためにシラン処理および活性化したナノチップは、DMSO、2倍反応緩衝液、PBS、およびDEVD-AMCを含有する溶液中に浸漬し、37℃で3時間インキュベートさせた。
測定システムおよび手順
この研究で使用した実験セットアップの略図は、以前の研究に記載されている[P.M Kasili、J. M Song、およびT. Vo-Dinh、「Optical Sensor for the Detection of Caspase-9 Activity in a Single Cell」、J Am. Chem. Soc.、126、2799〜2806 (2004)]。コンポーネントは、励起用HeCdレーザー(Omnichrome、5mW超のレーザー出力)、励起光を光ナノセンサーに送達するための光ファイバー、Nikon Diaphot 300倒立蛍光顕微鏡(Nikon, Inc.、Melville、NY)、光子計数光電子増倍管(PMT)、およびデータを取得し、処理するためのPCを含んでいた。1個の細胞をプローブするのに使用したこの実験セットアップは、標準的な顕微操作および微量注入装置からのこの目的に適していた。Nikon Diaphot 300倒立顕微鏡は、これらの実験の間、顕微鏡ステージ上で細胞培養を37℃で維持するために、Diaphot 300/Diaphot 200インキュベーターを備えていた。顕微操作装置は、粗調整用MN-2 (Narishige Co. Ltd.、Tokyo、Japan) Narishige 3次元マニピュレータ、および微調整用Narishige MMW-23 3次元油圧マイクロマニピュレーターから構成されていた。光ナノセンサーは、マイクロピペットホルダー(World Precision Instruments, Inc.、Sarasota、FL)上に取り付けた。HeCdレーザーの325nmのレーザー線は、超小型A(SMA)コネクタで終端させた600μmの送達ファイバー上に集束させた。酵素基質に基づく光ナノセンサーをSMAコネクタを介して送達ファイバーに連結し、マイクロマニピュレーターを有するNikon倒立顕微鏡に固定した。ナノチップにおいてAMC分子によって生成される蛍光を記録するために、Hamamatsu PMT検出器アセンブリー(HC125-2)を、Diaphot 300顕微鏡の前部ポートに取り付けた。1個の生細胞を使用して行った測定から、AMCによって放出された蛍光を、顕微鏡対物レンズによって収集し、330〜380nmのフィルターセットに通過させ、次いでPMT上に集束させて検出した。PMTからの出力は、パーソナルコンピューター(PC)に接続された一般的な計数管を使用して記録し、データを処理および加工した。
カスパーゼ活性のin vitro判定
以下の処置グループ、すなわち、グループ(I) - [+]ALA[+]PDT、グループII -[+]ALA[-]PDT、グループIII - [-]ALA[+]PDT、およびグループIV - [-]ALA[-]PDTを使用してインキュベートした後、MCF-7細胞をpH7.4のPBS溶液を用いて洗浄し、次いで溶解緩衝液(100mMのHEPES、pH7.4、10%のスクロース、0.1%の3-[(3-コールアミドプロピル)-ジメチルアンモニオ]-1-プロパンスルホネート(CHAPS)、1mMのEDTA、10mMのジチオトレイトール(DTT)、1mMのフッ化フェニルメチルスルホニル(PMSF)、10mg/mlのペプスタチン、10mg/mlのロイペプチン)中に再懸濁し、氷上に45分間放置した。次いで細胞を、細胞膜のほとんどが破壊されるまで、25ゲージ針を有するシリンジに繰り返して通過させ、1500RPMで10分間遠心した。カスパーゼ活性を、蛍光性基質ペプチド、すなわちカスパーゼ-9に対してLEHD-AMCおよびカスパーゼ-7に対してDEVD-AMCを使用して測定した。AMCの放出は、様々な処置グループからの細胞可溶化物を含有するピコフュージ(picofuge)管中で光ナノセンサーをインキュベートし、HeCdレーザー(励起325nm)を使用してAMCを励起した後に測定した。カスパーゼ活性を、それぞれ、LEHD-AMCおよびDEVD-AMCの等価なナノモルの関数としてのAMCの蛍光強度として表した。
カスパーゼ-9およびカスパーゼ-7活性のin vitro測定結果をプロットした。AMCの各蛍光測定についての曲線を、AMC濃度の関数としてそれぞれについてプロットした。カスパーゼ-9活性は、本論文で先に記載した以下の処置グループ、すなわち、グループI、II、III、およびIVから得た細胞可溶化物(約105個の細胞)中で、基質LEHD-7-アミノ-4-メチルクマリン(AMC)とともに光ナノセンサーをインキュベートすることによって求めた。AMCの放出は、HeCdレーザー(325nm)を使用して励起し、380nmのロングパスフィルターを使用して蛍光信号を収集した後測定した。AMCのピーク発光波長は約440nmである。同様に、カスパーゼ-7活性は、以下の処置グループI、II、III、およびIVから得た細胞可溶化物(約105個の細胞)中でインキュベートすることによって求めた。AMCの放出は、HeCdレーザー(325nm)を使用して励起し、380nmのロングパスフィルターを使用して蛍光信号を収集した後測定した。
この実験では、細胞IおよびIIの2セットを測定する:(1)セットIは、薬物ALAを用いて処理し、(2)セットIIは、先の節において説明した、PEPSTプローブに結合した薬物ALAによって処理する。結果(検出されたカスパーゼの量)を比較することによって、ALA単独と比較した、PEPST-ALA薬物の効率を評価することができる。
上記教示を踏まえると、本発明の追加の改変および変形が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本明細書で具体的に説明したもの以外で本発明を実践することができることが理解されるべきである。
1 開始エネルギー源
2 活性化可能な医薬剤
3 エネルギー調節剤
4 対象
5 コンピューターシステム
55 制御装置
1201 コンピューターシステム
1202 バス
1203 プロセッサ
1204 メインメモリ
1205 リードオンリメモリ(ROM)
1206 ディスク制御装置
1207 磁気ハードディスク
1208 リムーバブルメディアドライブ
1209 ディスプレー制御装置
1211 キーボード
1212 ポインティングデバイス
1213 通信インターフェース
1214 ネットワークリンク
1215 ローカルエリアネットワーク
1216 別の通信ネットワーク

Claims (12)

  1. 非侵襲性であり、対象において標的細胞のアポトーシスを誘導するシステムであって、
    活性化可能な医薬剤、および
    前記活性化可能な医薬剤を活性化するエネルギーを放出する開始エネルギー源を含み、
    前記エネルギーが、前記開始エネルギー源から前記対象にアプライされ、
    前記アプライされたエネルギーが、in situで直接または間接的に前記活性化可能な医薬剤を活性化し、
    前記活性化可能な医薬剤が、経口摂取、局所、または全身注入を介して投与されるか、あるいは、経皮的に吸収され、
    前記活性化可能な医薬剤が、ソラレン、ポルフィリン、クマリンおよびδ-アミノレブリン酸から選択される、
    システム。
  2. 前記開始エネルギー源が、化学エネルギー源を含む、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記化学エネルギー源が、リン光化合物、ケミルミネセント化合物、バイオルミネセント化合物、および発光酵素からなる群から選択されるメンバーである、請求項2に記載のシステム。
  4. 前記活性化可能な医薬剤が、8-メトキシソラレンまたは4'-アミノメチル-4,5',8-トリメチルソラレンである、請求項1に記載のシステム。
  5. 前記活性化可能な医薬剤が、標的細胞上または標的細胞付近の受容体部位に結合することができる担体に結合している、請求項1に記載のシステム。
  6. 前記担体が、インスリン、インターロイキン、サイモポエチン、またはトランスフェリンから選択されるものである、請求項5に記載のシステム。
  7. 前記活性化可能な医薬剤が、共有結合によって担体に結合している、請求項5に記載のシステム。
  8. 前記活性化可能な医薬剤が、非共有結合によって担体に結合している、請求項5に記載のシステム。
  9. 前記受容体部位が、有核細胞の核酸、有核細胞上の抗原部位、またはエピトープから選択されるものである、請求項5に記載のシステム。
  10. 前記活性化可能な医薬剤が、標的に対する親和性を有する、請求項1に記載のシステム。
  11. 前記活性化可能な医薬剤が、標的細胞によって優先的に吸収されうる、請求項10に記載のシステム。
  12. 前記活性化可能な医薬剤が、活性化されると、対象において自家ワクチン効果を引き起こし、これが標的と反応する、請求項10に記載のシステム。
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