バフィロマイシン

バフィロマイシンA1^[1]

名前
IUPAC名 (3 Z ,5 E ,7 R ,8 S ,9 S ,11 E ,13 E ,15 S ,16 R )-16- [(1 S ,2 R ,3 S )-3-[(2 R ,4 R ,5 S ,6 R )-2,4-ジヒドロキシ-6-イソプロピル-5-メチル-2-テトラヒドロピラニル]-2-ヒドロキシ-1-メチルブチル]-8-ヒドロキシ-3,15-ジメトキシ-5,7,9,11-テトラメチル-1-オキサシクロヘキサデカ-3,5,11,13-テトラエン-2-オン
識別子
CAS番号	88899-55-2 いいえ
チェムBL	チェムBL290814 いいえ
ケムスパイダー	10251049 はい
ドラッグバンク	DB06733 はい
ECHA 情報カード	100.150.187
パブケム CID	6436223
プロパティ
化学式	Ｃ３５Ｈ５８Ｏ９
モル質量	622.83グラム/モル
外観	黄色の粉末
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 いいえ 確認する （何ですか  ？） はいいいえ インフォボックス参照

バフィロマイシンは、様々な放線菌から生成されるマクロライド系抗生物質のファミリーです。その化学構造は、16員環ラクトン骨格によって定義されます。^[2]バフィロマイシンは、抗腫瘍、^[3]抗寄生虫、^{[4] [5]}免疫抑制^[6]抗真菌^[7]活性など、幅広い生物学的活性を示します。最も使用されているバフィロマイシンは、細胞のオートファジーを強力に阻害するバフィロマイシンA1です。バフィロマイシンはイオノフォアとしても作用し、生体膜を越えてカリウムK+を輸送し、ミトコンドリアの損傷と細胞死を引き起こすことがわかっています。^[8]

バフィロマイシン A1 は、細胞外環境または動物細胞のリソソームや植物や真菌の液胞などの細胞内小器官を酸性化する膜貫通型プロトンポンプである液胞型 H ⁺ -ATPase (V-ATPase) 酵素を特異的に標的とします。 ^[9]より高いマイクロモル濃度では、バフィロマイシン A1 はリン酸化遷移状態にあるP 型 ATPaseにも作用します。 ^{[2] [10]}

バフィロマイシンA1は多くのin vitro研究アプリケーションにおいて重要なツール化合物として機能しますが、その臨床使用は大きな毒性プロファイルによって制限されています。^[11]

バフィロマイシンA1、B1、C1は1983年にストレプトマイセス・グリセウスから初めて単離されました。^{[11] 2種類の}強心配糖体の活性を模倣した微生物の二次代謝産物を同定するスクリーニング中に、バフィロマイシンC1が11μMのK _iを持つP-ATPase阻害剤として同定されました。バフィロマイシンC1は、ラットのシナプトソームからのγ-アミノ酪酸（ GABA）の放出を刺激することに加えて、線虫、ダニ、サナダムシに対する活性があることが分かりました。独立して、バフィロマイシンA1と他の誘導体がS. griseusから単離され、いくつかの酵母、グラム陽性細菌、真菌に対する抗生物質活性を持つことが示されました。^{[12]バフィロマイシンA1は}コンカナバリンA刺激T細胞に対して抗増殖作用を持つことも示されている。しかし、その高い毒性のため臨床試験での使用は妨げられている。^[2]

2年後、バフィロマイシンDとEもS. griseusから単離された。2010年には、9-ヒドロキシバフィロマイシンD、29-ヒドロキシバフィロマイシンD、およびその他の多くのバフィロマイシンが、内生微生物ストレプトマイセス属YIM56209から同定された。^{[13] 2004年から2011年にかけて、バフィロマイシンFKが他の}ストレプトマイセス属から単離された。^[11]

最初に特定され、最も一般的に使用されている化合物の1つであるバフィロマイシンA1は、その構造が他のすべてのバフィロマイシンの中核として機能するため、特に重要です。バフィロマイシンは構造が大きく、複数のキラル中心と官能基を持っているため、構造を変更することが困難であり、化合物の関連する毒性を軽減する試みが行われてきました。^[11]

細胞内では、バフィロマイシン A1 はプロトンポンプ V-ATPase と特異的に相互作用します。この大きなタンパク質は、アデノシン三リン酸(ATP) の加水分解を利用して、生体膜を介してプロトンをポンプします。^[3]バフィロマイシンやコンカナマイシンなどの V-ATPase の他の阻害剤が 1980 年代に初めて発見されたとき、それらは特殊な細胞タイプや組織における V-ATPase の存在を確立し、プロトンポンプの分布を特徴付けるために使用されました。^[14]構造的には、V-ATPase は 13 の異なるサブユニットで構成され、それらが一緒になって酵素のV _oドメインと細胞質 V _{1ドメインにまたがる膜を構成します。} ^[3]細胞質のV ₁ドメインはサブユニット A から H で構成され、V _oドメインはサブユニット a、d、e、c、c" で構成されています。^[15]

膜を越えてプロトンを移動させるために、プロトンはまず細胞質ヘミチャネルを介してV _{oドメイン内のサブユニット a に入ります。これにより、V o}サブユニット c および c"のプロテオリピド リング内の保存されたグルタミン酸残基がプロトン化されます。次に、アデノシン三リン酸(ATP) が酵素の V ₁ドメインによって加水分解され、サブユニット D、F、および d で構成されるポンプの中央茎の回転とプロテオリピド リングの回転の両方が可能になります。この回転により、プロトン化されたグルタミン酸残基がサブユニット a にある内腔ヘミチャネルと接触します。サブユニット a 内では、アルギニン残基がグルタミン酸の脱プロトン化された形態を安定化し、プロトンの放出を可能にします。この回転とプロトンの移動により、プロトンはポンプを通過して膜を横切ります。^{[3] [15]}

バフィロマイシンがV-ATPase阻害剤として発見されてから10年以上、V-ATPaseと相互作用する部位は不明でした。初期の研究では、クロマフィン顆粒V-ATPaseを使用して、バフィロマイシンがV _oドメインと相互作用することを示唆しました。さらに2つの研究で、ウシのクラスリン被覆小胞のV-ATPaseを使用してこの仮説が確認されました。バフィロマイシンを塗布するとV _{o を}通るプロトンの流れが阻害され、この阻害は被覆小胞にV _oドメインを戻すことで克服できることが示されました。さらにバフィロマイシンの相互作用部位を絞り込むと、V _oサブユニットaのみを特異的に追加することで機能が回復できることが分かりました。これは、バフィロマイシンがV-ATPaseのサブユニットaと特異的に相互作用することを示唆していましたが、別の研究ではこの発見と矛盾していました。ある研究グループは、バフィロマイシンアフィニティークロマトグラフィーカラムを使用することでV-ATPaseを精製できること、またV _o c サブユニットの阻害剤であるDCCDを添加するとバフィロマイシンのV-ATPaseに対する親和性が大幅に低下することを発見した。これは、バフィロマイシンがV _oドメインのサブユニットcとより強く相互作用することを示唆している。さらに、サブユニットa内のアミノ酸の変化もV-ATPaseとバフィロマイシンの相互作用を低下させる可能性があることがわかり、バフィロマイシン結合においてサブユニットcに加えてサブユニットaも小さな役割を果たしていることを示している。 ^{[14]バフィロマイシン耐性を付与する9つの変異を分析したところ、そのすべてがV} _o c サブユニットのアミノ酸を変化させることが示された。これらのデータから、バフィロマイシン結合部位はVoドメインの外表面、2つのcサブユニットの境界面にあることが示唆された。^{[16] [17]}この結合部位は最近、バフィロマイシンに結合したV-ATPaseの構造を得るためにクライオ電子顕微鏡を用いた2つのグループによって高解像度で記述されました。^{[18] [19]}

全体的に、バフィロマイシンはナノモル効率でV-ATPase複合体のV _{o c サブユニットに結合し、プロトンの移動を阻害します。} ^[15]バフィロマイシンとV-ATPaseの相互作用は共有結合ではありませんが、解離定数が約10 nMと低いことから相互作用の強さがわかり、バフィロマイシンの効果を逆転させることが困難になる可能性があります。^[20]

V-ATPaseは哺乳類細胞に遍在し、多くの細胞プロセスで重要な役割を果たしている。これは、トランスゴルジ体ネットワークと、リソソーム、分泌小胞、エンドソームなどのそこから派生した細胞小器官に局在している。^{[21] V-ATPaseは}細胞膜内にも存在する。哺乳類では、V-ATPaseの位置は、複合体が持つサブユニットaの特定のアイソフォームにリンクすることができます。アイソフォームa1とa2は、それぞれシナプス小胞とエンドソームに対して細胞内のV-ATPaseを標的とします。一方、サブユニットa3とa4は、破骨細胞（a3）と腎臓介在細胞（a4）において、V-ATPaseの細胞膜への局在を媒介します。リソソーム膜に位置する場合、内腔のpHが低下してリソソームが酸性化し、リソソーム加水分解酵素の活性が可能になります。V-ATPaseが細胞膜に位置する場合、ポンプを介したプロトンの押し出しにより細胞外空間が酸性化され、破骨細胞、精巣上体明細胞、腎上皮介在細胞などの特殊細胞によって利用されます。^[3]

V-ATPase はリソソーム、エンドソーム、分泌小胞の酸性化を促進し、次のようなプロセスに寄与します: ^{[引用が必要]}

• 小胞/タンパク質輸送
• 受容体リサイクル
• エンドサイトーシス
• タンパク質分解
• オートファジー
• 細胞シグナル伝達

リソソームの酸性化における役割を持つV-ATPaseは、特にカルシウムとアミノ酸などのイオンや小分子を細胞質に輸送する上でも重要です。さらに、エンドソームの酸性化は受容体エンドサイトーシスにおいて重要です。低pHはリガンドの放出と受容体の切断を促進し、Notchの細胞内ドメインの放出などを通じてシグナル伝達イベントに寄与する傾向があるためです。 [ ^3]

細胞膜に存在する場合、V-ATPase 機能は細胞外環境の酸性化に重要であり、破骨細胞や精巣上体明細胞で見られます。腎上皮介在細胞の細胞膜に存在する場合、V-ATPase は酸分泌に重要であり、尿の酸性化に寄与します。血漿 pH の低下に反応して、これらの細胞では、通常、タンパク質キナーゼ A (PKA) によるポンプのリン酸化によって、V-ATPase レベルの増加が細胞膜に輸送されます。^[3]

臨床的には、V-ATPaseの機能不全はヒトのいくつかの疾患と相関関係にある。これらの疾患には男性不妊、大理石骨病、腎性アシドーシスなどがある。^[14]さらに、V-ATPaseは乳がん、前立腺がん、肝臓がんなど、いくつかの浸潤性がん細胞の細胞膜に見られる。ヒトの肺がんサンプルでは、​​V-ATPaseの発現が薬剤耐性と相関していた。^[15]濾胞性リンパ腫を含む多くのがんにおいて、多数のV-ATPaseサブユニット変異も特定されている。^[3]

バフィロマイシン V-ATPase の標的は細胞機能の多くの側面に関与しており、バフィロマイシン治療は細胞プロセスを大きく変化させます。^{[引用が必要]}

バフィロマイシン A1 は、オートファジー阻害剤としての使用で最もよく知られています。^{[12] [22]} オートファジーは、細胞がオートファゴソームの形成を通じて自身の細胞小器官といくつかのタンパク質を分解するプロセスです。その後、オートファゴソームはリソソームと融合し、リソソームプロテアーゼによる取り込み貨物の分解を促進します。このプロセスは、栄養不足やその他の代謝ストレスの際に、細胞内のアミノ酸やその他の栄養素の貯蔵を維持するために重要です。^[23]バフィロマイシンは、V-ATPase との相互作用を通じてリソソームの酸性化を阻害することで、このプロセスを妨害します。リソソームの酸性化の欠如は、カテプシンなどのリソソームプロテアーゼの活性を妨げ、取り込み貨物が分解されなくなります。^[22]

V-ATPaseは細胞内に広く分布しているため、バフィロマイシンは短時間のみオートファジー阻害剤として特異的である。エンドソームの輸送の妨害やプロテアソーム阻害など、他の効果はこの短い時間枠の外側で見られる。^[22]

バフィロマイシンは、リソソームの酸性化を阻害するだけでなく、オートファゴソームとリソソームの融合を阻害すると報告されています。^[12]これは、山本らによる論文で最初に発見されました。この論文では、著者らがバフィロマイシン A1 を使用してラット肝癌 H-4-II-E 細胞を治療しました。電子顕微鏡検査では、バフィロマイシンを 100 nM の濃度で 1 時間使用した後、オートファゴソームとリソソームの融合が阻害されていることがわかりました。これは他の研究でも確認されており、特に 100 nM または 400 nM のバフィロマイシンで 12～24 時間処理した後、蛍光顕微鏡検査でミトコンドリアとリソソームの共局在が減少することを確認した 2 つの研究で確認されています。しかし、その後の研究では、同様のバフィロマイシン処理でこの融合の阻害は確認されませんでした。これらの矛盾する結果は、処理間の時間差と異なる細胞株の使用によって説明されています。バフィロマイシンのオートファゴソーム-リソソーム融合に対する効果は複雑であり、各細胞株によって時間に依存します。^{[8] [24]}

ニューロンでは、バフィロマイシン治療によりオートファゴソームマーカーLC3-IIの増加が観察されています。これは、オートファゴソームがリソソームと融合できず、通常はLC3-IIの分解を刺激するために起こります。^[25]

PC12細胞では、バフィロマイシンがアポトーシス、つまりプログラム細胞死を誘導することが確認されています。^[20]さらに、いくつかの細胞株では、ミトコンドリアの電気化学的勾配を破壊し、アポトーシスの開始因子であるシトクロムcの放出を誘導することが確認されています。^{[8]バフィロマイシンは、}骨肉腫細胞^[26]や他の癌細胞株において、オートファジーの阻害とそれに続くアポトーシスの誘導の両方を誘導することも示されています。 ^[3]

バフィロマイシンはイオノフォアとして作用し、K ⁺イオンを生体膜を越えて移動させることができる。 ^{[14]通常、ミトコンドリアの内膜はK +}を透過せず、一定の電気化学的勾配を維持する。興奮性細胞では、ミトコンドリアにK ⁺チャネルが含まれることがあり、これが開くと、ミトコンドリアの膨張を誘発し、電気化学的勾配を変え、呼吸を刺激することで、ミトコンドリアにストレスを引き起こす可能性がある。バフィロマイシンA1処理は、K ⁺イオンの存在下でミトコンドリアの膨張を誘発し、ピリミジンヌクレオチドの酸化を刺激し、酸化的リン酸化を切り離すことができる。バフィロマイシンの濃度が上昇すると、ミトコンドリア膜を通過するK ⁺の量が直線的に増加することがわかり、イオノフォアとして機能することが確認された。しかし、他のイオノフォアと比較すると、バフィロマイシンはK ⁺に対する親和性が低い。^[8]

多くの癌において、V-ATPase のさまざまなサブユニットがアップレギュレーションされていることがわかっています。^[15]これらのサブユニットのアップレギュレーションは、腫瘍細胞の転移の増加と臨床転帰の減少と相関しているようです。バフィロマイシンの適用は、アポトーシスの誘導により、複数の癌種のさまざまな癌細胞株の細胞増殖を減少させることが示されています。さらに、in vitro でのバフィロマイシンの抗増殖効果は、正常細胞よりも癌細胞に特異的であるように思われ、健康な肝細胞と比較して肝芽腫細胞の増殖が選択的に阻害されることで見られます。^[3]

バフィロマイシンがこの癌特異的な抗増殖効果を引き起こすメカニズムは多因子である。ミトコンドリア経路を介したカスパーゼ依存性アポトーシスの誘導に加えて、バフィロマイシンは活性酸素種のレベル上昇とHIF1αの発現増加も引き起こす。これらの効果は、バフィロマイシンによるV-ATPase阻害がオートファジーや最終的なアポトーシスを含む細胞ストレス反応を誘導できることを示唆している。アポトーシスの阻害または誘導という点でのV-ATPase阻害のこれらのやや矛盾した効果は、バフィロマイシンの機能が細胞の状況に大きく依存し、生存促進または死促進の表現型のいずれかを媒介できることを示している。^{[3] [24]}

生体内でのバフィロマイシンは、MCF-7およびMDA-MB-231異種移植マウスモデルの平均腫瘍体積を50%減少させ、1mg/kgの投与量では毒性作用を示さなかった。さらに、ソラフェニブと併用した場合、バフィロマイシンはMDA-MB-231異種移植マウスの腫瘍退縮も引き起こした。ヌードマウスのHepG2異所性HCC異種移植モデルでは、バフィロマイシンは腫瘍の増殖を抑制した。^[3]

V-ATPase の調節不全は、細胞外環境の異常な酸性化によって化学療法剤がプロトン化され、細胞内への侵入が妨げられるため、癌治療に対する抵抗性に関与していると考えられています。^{[3] [15]} V-ATPase の調節不全が関連する臨床転帰不良の直接的な原因であるのか、またはその調節不全が主に治療への反応に影響を与えるのかは不明です。バフィロマイシンとシスプラチンによる治療は、癌細胞の細胞毒性に相乗効果をもたらしました。 ^[3]

バフィロマイシンは、細胞膜ATPase（P-ATPase）とATP結合カセット（ABC）トランスポーターを阻害することが示されています。これらのトランスポーターは、生物がカチオンストレスに対処できないようにするため、優れた抗真菌ターゲットとして特定されています。^[7]クリプトコッカス・ネオフォルマンスをバフィロマイシンで処理すると、成長阻害が観察されました。 ^{[27]バフィロマイシンは、}カルシニューリン阻害剤FK506と組み合わせてC.ネオフォルマンスに使用され、相乗的な抗真菌活性を示しています。^[7]

バフィロマイシンは、マラリア原虫である熱帯マラリア原虫に対して有効であることが示されています。熱帯マラリア原虫は赤血球に感染すると、膜ネットワークを赤血球細胞質に輸出し、また自身の V-ATPase を含む自身のタンパク質のいくつかを宿主膜に挿入します。このプロトンポンプは、感染した赤血球の細胞内 pH を維持し、平衡状態で小さな代謝物の取り込みを促進する役割を果たします。寄生された赤血球をバフィロマイシンで処理すると、細胞外の酸性化が防止され、マラリア原虫の周囲の細胞内 pH が低下します。^{[4] [5]}

バフィロマイシンA1とバフィロマイシンDは、COVID-19を引き起こすウイルスであるSARS-CoV-2に対して抗ウイルス特性を示しています。^{[28] [29] [30] [31]バフィロマイシンA1は}ジカウイルスに対しても抗ウイルス特性を示しています。^[32]

炎症性ミオパシーである封入体筋炎（IBM）は、50歳以上の患者に比較的よく見られ、オートファジーフラックスの過剰活性化が関与しています。この状態では、オートファジーの増加によりタンパク質分解が増加し、筋肉内の抗原ペプチドの提示が増加します。これにより、免疫細胞の過剰活性化が発生する可能性があります。バフィロマイシンによる治療は、リソソームの酸性化とオートファジーを防ぎ、消化されて免疫系に表示される抗原ペプチドの数を減らすことができます。^[6]

ループス患者では、B細胞とT細胞の両方でオートファジー経路が変化していることが判明しています。特に、T細胞ではオートファジー小胞が増加し、オートファゴソームのLC3-11染色が増加しており、オートファジーが増加していることを示しています。オートファジーの増加は、未治療の患者のB細胞サブセットでも見られます。バフィロマイシンA1治療は、形質芽球の分化を低下させ、その生存率を低下させました。^[33]

神経変性疾患では、通常、細胞内のタンパク質凝集体のレベルが上昇し、ニューロンの機能不全と最終的にはニューロンの死につながります。細胞内でのタンパク質分解の方法として、オートファジーはこれらのタンパク質凝集体を輸送してリソソームで分解することができます。継続的なオートファジー、またはオートファジーフラックスがニューロンの恒常性と病態にどのような役割を果たしているかは不明ですが、神経変性疾患ではオートファジー機能不全が見られることが示されています。^[25]

バフィロマイシンは、ニューロンやその他の細胞種におけるオートファジーのフラックスを研究するためによく使用されます。これを行うには、ニューロンをまず栄養豊富な状態に置き、次に栄養欠乏状態にしてオートファジーを刺激します。バフィロマイシンは栄養ストレス状態で併用投与されるため、オートファジーが刺激される一方で、バフィロマイシンはオートファゴソームとリソソームの融合の最終段階を阻害し、オートファゴソームの蓄積を引き起こします。その後、LC3 などのオートファゴソームに関連するオートファジー関連タンパク質のレベルをモニタリングして、栄養欠乏によって引き起こされるオートファゴソーム形成のレベルを判定できます。^[25]

クロロキンやセルトラリンなどの一部の陽イオン性薬剤は、リソソーム向性薬剤として知られています。これらの薬剤は弱塩基であり、リソソームの酸性環境でプロトン化されます。これにより、本来はプロトン化されていない化合物がリソソーム内に閉じ込められます。プロトン化により、その化合物が細胞小器官の脂質膜を通過して戻るのを防ぐためです。この現象はイオントラッピングとして知られています。陽イオン性化合物がトラッピングされると、浸透圧効果によってリソソームに水が引き込まれ、 in vitro培養細胞で見られる空胞化につながることがあります。 ^{[21] [34]}

これらの薬剤の1つをバフィロマイシンA1とともに細胞に投与すると、バフィロマイシンA1の作用によりリソソームの酸性化が防止され、この区画でのイオン捕捉現象が防止されます。^[34]リソソームは酸性化できないため、バフィロマイシンが存在するとリソソーム向性薬剤はプロトン化されず、リソソームに捕捉されません。さらに、細胞に試験管内でリソソーム向性薬剤を事前に負荷し、その後バフィロマイシンで処理すると、バフィロマイシンはリソソームに蓄積したカチオン化合物を放出する働きをします。^[21]

カチオン性薬剤を投与する前に細胞をバフィロマイシンで前処理すると、カチオン性化合物の動態が変化する可能性がある。ウサギの収縮力試験では、単離したウサギ大動脈をバフィロマイシンで前処理した。脂溶性薬剤であるαアドレナリン受容体作動薬キシロメタゾリンは、バフィロマイシン投与後に投与すると効果が増大した。バフィロマイシンにより、リソソーム内のキシロメタゾリンのイオン捕捉が防止されたため、大動脈の収縮と弛緩が速まった。バフィロマイシンで前処理しないと、機能的V-ATPaseによりリソソームがキシロメタゾリンの貯蔵庫となり、収縮力に対する効果が遅くなる。^[21]

リソソーム向性薬であるクロロキンは、通常、リソソームに蓄積してその分解機能を阻害し、オートファジーを阻害し、Bax依存性メカニズムを介してアポトーシスを誘導します。しかし、培養された小脳顆粒ニューロン（CGN）では、1 nMのバフィロマイシンによる低濃度処理により、クロロキンによるオートファジー阻害には影響せずに、クロロキン誘導アポトーシスが減少しました。この保護の正確なメカニズムは不明ですが、オートファゴソームとリソソームの融合の下流にあり、Baxによるアポトーシス誘導の上流にあると仮定されています。^[12]

バフィロマイシンは、Bcl-xLのミトコンドリア保護機能を抑制することで、タキソールのマトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）レベルを低下させる効果を増強することが示されています。さらに、シスプラチン耐性細胞では、V-ATPase発現が増加することが判明しており、バフィロマイシンとシスプラチンの併用治療により、これらの細胞はシスプラチン誘発性細胞毒性に対して感受性になりました。^[3]バフィロマイシンは、抗癌用途におけるEGFR阻害剤の有効性を高めることも示されています。 ^[35]