デンドリマー

デンドリマーは、高度に秩序化された 分岐高分子である。^{[1] [2]}デンドリマーの同義語には、アルボロールやカスケード分子などがある。通常、デンドリマーはコアを中心に対称であり、球状の三次元形態をとることが多い。デンドロンという言葉もよく使われる。デンドロンには通常、焦点またはコアと呼ばれる化学的にアドレス可能な単一のグループが含まれている。デンドロンとデンドリマーの違いは上の図に示されていますが、これらの用語は通常、同じ意味で使用されています。^[3]

最初のデンドリマーは、1978年にフリッツ・ヴォーグル^[7] 、 1981年にアライド社のRGデンケワルター^{[8] 、} 1983年にダウケミカル社のドナルド・トマリア^[10]、1985年に^{[11] 、 [12} ]、そして1985年にジョージ・R・ニューコーム^[13]によって発散的合成法によって作られました。1990年には、クレイグ・ホーカーとジャン・フレシェによって収束的合成法が導入されました。^[14]その後、デンドリマーの人気は大幅に高まり、2005年までに5,000を超える科学論文と特許が生まれました。

樹枝状分子は構造の完全性が特徴です。デンドリマーとデンドロンは単分散で、通常は対称性の高い球状の化合物です。樹枝状分子の分野は、低分子量種と高分子種に大別できます。前者のカテゴリにはデンドリマーとデンドロンが含まれ、後者にはデンドロン化ポリマー、超分岐ポリマー、ポリマーブラシが含まれます。

デンドリマーの特性は分子表面の官能基によって左右されるが、内部に機能性分子を持つデンドリマーの例もある。^{[15] [16] [17]}機能性分子を樹枝状にカプセル化することで活性部位を隔離することができ、生体材料の活性部位を模倣した構造となる。^{[18] [19] [20]また、ほとんどの}ポリマーとは異なり、デンドリマーの外殻を荷電種やその他の親水性基で官能基化することで水溶性にすることもできる。デンドリマーの他の制御可能な特性としては、毒性、結晶性、テクトデンドリマー形成、キラリティーなどがある。^[3]

デンドリマーは、合成中に実行される繰り返し分岐サイクルの数を指す世代によっても分類されます。たとえば、デンドリマーが収束合成（下記参照）によって作成され、分岐反応がコア分子に対して3回実行される場合、結果として得られるデンドリマーは第3世代デンドリマーと見なされます。各世代では、デンドリマーの分子量は前の世代の約2倍になります。より高世代のデンドリマーは、表面に露出している官能基も多く、後で特定の用途に合わせてデンドリマーをカスタマイズするために使用できます。^[21]デンドリマーは、単一の表面官能基を持つ場合もあれば、表面に複数の官能基を持つように変更される場合もあります。^[22]

最初のデンドリマーの 1 つであるニューコメ デンドリマーは 1985 年に合成されました。この高分子は、一般にアルボロールという名前でも知られています。図は、分岐経路 (後述) による最初の 2 世代のアルボロールのメカニズムを概説しています。合成は、ジメチルホルムアミドとベンゼン中のトリエチル ソジオメタントリカルボキシレートによる 1-ブロモペンタンの求核置換によって開始されます。次に、エステル基は、脱保護段階でリチウムアルミニウムヒドリドによってトリオールに還元されます。鎖末端の活性化は、トシル クロリドとピリジンを使用してアルコール基をトシル酸基に変換することによって達成されました。次に、トシル基は、トリカルボキシレートとの別の反応で脱離基として機能し、第 2 世代を形成します。さらに 2 つのステップを繰り返すと、アルボロールのより高次の世代が生まれます。^[13]

ポリ(アミドアミン)、またはPAMAMは、おそらく最もよく知られているデンドリマーです。PAMAMの核はジアミン(通常はエチレンジアミン)で、メチルアクリレートと反応し、次に別のエチレンジアミンと反応して第0世代(G-0)PAMAMを作ります。連続反応により、異なる特性を持つ傾向があるより高次の世代が作られます。低世代は、目立った内部領域のない柔軟な分子と考えることができますが、中サイズ(G-3またはG-4)は、デンドリマーの外殻から本質的に分離された内部空間を持っています。非常に大きい(G-7以上)デンドリマーは、外殻の構造により、非常に高密度の表面を持つ固体粒子と考えることができます。PAMAMデンドリマーの表面にある官能基は、多くの潜在的な用途を生み出すクリックケミストリーに最適です。 ^[23]

デンドリマーは、コア、内殻、外殻の 3 つの主要部分から構成されます。理想的には、デンドリマーは、これらの各部分に異なる機能性を持たせて合成し、溶解性、熱安定性、特定の用途向けの化合物の付着などの特性を制御できます。合成プロセスでは、デンドリマーの分岐のサイズと数も正確に制御できます。デンドリマーの合成には、発散合成と収束合成という 2 つの方法が定義されています。ただし、実際の反応は活性部位を保護するために必要な多くのステップで構成されているため、どちらの方法でもデンドリマーを合成することは困難です。このため、デンドリマーは製造が難しく、購入コストが非常に高くなります。現時点では、デンドリマーを販売している企業はわずかです。Polymer Factory Sweden AB ^[24]は生体適合性の bis-MPA デンドリマーを商品化しており、Dendritech ^[25]は PAMAM デンドリマーをキログラム規模で製造している唯一の企業です。米国ミシガン州マウントプレザントの NanoSynthons, LLC ^{[26]は、PAMAMデンドリマーやその他の独自のデンドリマーを製造しています。}

デンドリマーは多機能コアから組み立てられ、一連の反応、一般的にはマイケル反応によって外側に拡張されます。デンドリマーのミスを防ぐために、反応の各ステップを完全に完了させる必要があります。ミスがあると、後続世代（一部の枝が他の枝よりも短くなる）が発生する可能性があります。このような不純物はデンドリマーの機能性と対称性に影響を与える可能性がありますが、完全なデンドリマーと不完全なデンドリマーの相対的なサイズの違いは非常に小さいため、精製するのは非常に困難です。^[21]

デンドリマーは球体の表面で終わる小さな分子から作られ、反応は内側に向かって進み、最終的にコアに付着します。この方法では、途中で不純物や短い枝を取り除くのがはるかに簡単になり、最終的なデンドリマーはより単分散になります。ただし、この方法で作られたデンドリマーは、コアに沿った立体効果による混雑が制限されるため、発散法で作られたデンドリマーほど大きくはありません。^[21]

デンドリマーは、ディールス・アルダー反応^[28]、チオール-エンおよびチオール-イン反応^[29]、アジド-アルキン反応^{[30]、 [ 31]、[32]}を用いたクリックケミストリーによって合成されている。

デンドリマー合成におけるこの化学を研究することで、多くの可能性が開けます。

デンドリマーの用途には、通常、検出剤（染料分子など）、親和性リガンド、標的成分、放射性リガンド、造影剤、または薬学的に活性な化合物として機能する他の化学種をデンドリマー表面に結合させることが含まれます。デンドリマーは、その構造が多価システムにつながる可能性があるため、これらの用途に非常に大きな可能性を秘めています。言い換えれば、1つのデンドリマー分子には、活性種と結合できる可能性のある部位が何百もあります。研究者は、樹状媒体の疎水性環境を利用して、合成が困難な生成物を生成する光化学反応を行うことを目指しました。カルボン酸とフェノール末端の水溶性デンドリマーが合成され、薬物送達と内部での化学反応の実施における有用性が確立されました。^[33]これにより、研究者は標的分子と薬物分子の両方を同じデンドリマーに結合できるようになり、健康な細胞に対する薬物の副作用を軽減できる可能性があります。^[23]

デンドリマーは可溶化剤としても使用できます。1980 年代半ばに導入されて以来、この新しいクラスのデンドリマー構造は、ホスト ゲスト化学の主な候補となっています。^[34]疎水性コアと親水性外周を持つデンドリマーは、ミセルのような挙動を示し、溶液中で容器特性を持つことが示されています。^[35]デンドリマーを単分子ミセルとして使用することは、1985 年に Newkome によって提案されました。 ^[36]このアナロジーは、可溶化剤としてのデンドリマーの有用性を強調しました。^[37]製薬業界で利用可能な薬物の大部分は本質的に疎水性であり、特にこの特性は大きな製剤上の問題を引き起こします。薬物のこの欠点は、デンドリマー スキャフォールドによって改善できます。デンドリマー スキャフォールドは、水との広範な水素結合に関与する能力があるため、薬物をカプセル化および可溶化するために使用できます。^{[38] [39] [40] [41] [42] [43]}デンドリマー研究室では、デンドリマーの可溶化特性を操作し、薬物送達のためのデンドリマーを研究し^{[44] [45]}、特定のキャリアを標的にしようとしています。^{[46] [47] [48]}

デンドリマーを医薬品用途に使用できるようにするには、市場に出すために必要な規制上のハードルを乗り越えなければなりません。これを実現するために設計されたデンドリマー骨格の1つが、ポリエトキシエチルグリ​​シンアミド（PEE-G）デンドリマーです。 ^{[49] [50]このデンドリマー骨格は、高い}HPLC純度、安定性、水溶性、および低い固有毒性を持つように設計され、実証されています。

ポリマーキャリアを使用して天然物質をそのまま送達する方法は、広く関心を集めています。デンドリマーは、疎水性化合物のカプセル化や抗癌剤の送達に研究されてきました。単分散性、水溶性、カプセル化能力、および多数の機能化可能な周辺基などのデンドリマーの物理的特性により、これらの高分子は薬物送達媒体の適切な候補となっています。

デンドリマーは、生体内適合性を高め、部位特異的な標的薬物送達を可能にするために幅広い化学修飾を施すことができるため、特に用途の広い薬物送達デバイスです。

デンドリマーへの薬剤の結合は、（1）デンドリマーの外部表面への共有結合または共役によってデンドリマープロドラッグを形成する、（2）荷電した外部官能基へのイオン配位、または（3）デンドリマー-薬剤超分子アセンブリを介した薬剤のミセル様カプセル化によって達成される。^{[51] [52]}デンドリマープロドラッグ構造の場合、薬剤のデンドリマーへの結合は、所望の放出速度に応じて直接またはリンカー媒介であってもよい。このようなリンカーは、pH感受性、酵素触媒、またはジスルフィド架橋であってもよい。デンドリマーに利用可能な末端官能基の範囲が広いため、多くの異なるタイプのリンカー化学が可能になり、システムにさらに別の調整可能なコンポーネントが提供される。リンカー化学で考慮すべき重要なパラメータは、（1）細胞内または特定の臓器系内の標的部位に到着した際の放出メカニズム、（2）親油性薬物がデンドリマーに折り畳まれるのを防ぐための薬物-デンドリマー間隔、および（3）リンカーの分解性と薬物の放出後の痕跡量の変更である。^{[53] [54]}

ポリエチレングリコール（PEG）は、デンドリマーの表面電荷と循環時間を変更するためによく使用される修飾です。表面電荷は、アニオン電荷を持つ細胞膜と相互作用する傾向があるアミン末端修飾デンドリマーなど、デンドリマーと生物系との相互作用に影響を与える可能性があります。特定の生体内研究では、ポリカチオンデンドリマーが膜透過性を介して細胞毒性を持つことが示されていますが、この現象はアミン基にPEG化キャップを追加することで部分的に緩和され、細胞毒性と赤血球の溶血が低下します。^{[55] [56]}さらに、デンドリマーのPEG化により、PEG修飾のない同等品と比較して、薬物負荷が高く、薬物放出が遅く、生体内での循環時間が長くなり、毒性が低くなることが研究でわかっています。^{[57] [56]}

デンドリマーの生体内分布を変更し、特定の臓器への標的化を可能にするために、数多くの標的化部分が使用されてきた。例えば、葉酸受容体は腫瘍細胞で過剰発現しているため、化学療法剤の局所的な薬物送達の有望な標的である。PAMAMデンドリマーへの葉酸結合は、癌のマウスモデルにおいて、メトトレキサートなどの化学療法剤の標的細胞毒性を維持しながら、標的化を高め、オフターゲット毒性を減少させることが示されている。^{[57] [58]}

抗体を介したデンドリマーの細胞標的への標的化も、標的薬物送達に有望であることが示されています。上皮成長因子受容体（EGFR）は脳腫瘍で過剰発現することが多いため、EGFRは部位特異的薬物送達の便利な標的です。がん細胞へのホウ素の送達は、がん細胞に高濃度のホウ素を、健康な細胞に低濃度のホウ素を必要とするがん治療である中性子捕捉療法の有効性にとって重要です。EGFRを標的とするモノクローナル抗体薬と結合したホウ素化デンドリマーは、ラットで使用され、がん細胞へのホウ素の送達に成功しました。^[59]

ナノ粒子デンドリマーをペプチドで修飾することは、共培養シナリオで大腸癌（HCT-116 ）細胞を標的破壊するのにも成功している。標的ペプチドは部位または細胞特異的送達を達成するために使用することができ、これらのペプチドはデンドリマーと組み合わせると標的特異性が高まることが実証されている。具体的には、ユニークな種類のデンドリマーナノ粒子であるゲムシタビン搭載YIGSR-CMCht/PAMAMは、これらの癌細胞に標的死亡を誘導する。これは、デンドリマーとラミニン受容体の選択的相互作用を介して行われる。ペプチドデンドリマーは、将来、癌細胞を正確に標的とし、化学療法剤を送達するために利用される可能性がある。^[60]

デンドリマーの細胞内取り込み機構も、化学的な標的修飾によって調整できる。非修飾PAMAM-G4デンドリマーは、液相エンドサイトーシスによって活性化ミクログリアに取り込まれる。逆に、ヒドロキシルPAMAM-G4デンドリマーのマンノース修飾は、マンノース受容体（CD206）を介したエンドサイトーシスへの内部化機構を変えることができた。さらに、マンノース修飾はウサギの体の他の部分での生体内分布を変えることができた。 ^[61]

デンドリマーは、薬物の薬物動態および薬力学(PK/PD) プロファイルを完全に変える可能性を秘めています。キャリアとして、PK/PD はもはや薬物自体によって決定されるのではなく、デンドリマーの局在、薬物の放出、およびデンドリマーの排泄によって決定されます。ADME特性は、デンドリマーのサイズ、構造、および表面特性を変えることで非常に高度に調整可能です。G9 デンドリマーは肝臓と脾臓に非常に多く生体分布しますが、G6 デンドリマーはより広範囲に生体分布する傾向があります。分子量が増加すると、尿クリアランスと血漿クリアランスは減少し、末端半減期は増加します。^[55]

処方された治療に対する患者のコンプライアンスを高めるために、他の投与経路よりも経口投与が好まれることが多い。しかし、多くの薬剤の経口バイオアベイラビリティは非常に低い傾向がある。デンドリマーは、経口投与された薬剤の溶解性と安定性を高め、腸管膜を通した薬剤の浸透を高めるために使用できる。^[62]化学療法剤と結合したPAMAMデンドリマーのバイオアベイラビリティはマウスで研究されており、経口投与されたデンドリマーの約9％が循環血中にそのまま存在し、腸内でデンドリマーの分解は最小限であることが判明した。^[63]

静脈内デンドリマー送達は、遺伝子ベクターとして体内のさまざまな臓器、さらには腫瘍に遺伝子を送達する有望性を示しています。ある研究では、静脈内注射により、PPIデンドリマーと遺伝子複合体の組み合わせが肝臓での遺伝子発現をもたらすことがわかり、別の研究では、同様の注射により観察された動物の腫瘍の成長が退縮したことが示されました。^{[64] [65]}

経皮薬物送達の主な障害は表皮です。疎水性薬物は皮脂に大きく分散するため、皮膚層に浸透するのが非常に困難です。最近、PAMAMデンドリマーがNSAIDの送達媒体として使用され、親水性を高めて薬物の浸透性を高めています。^[66]これらの修飾はポリマー経皮増強剤として機能し、薬物が皮膚バリアをより簡単に浸透できるようにします。

デンドリマーは、現在この目的で使用されているポリマーとは異なる、薬物送達用の新しい眼科用媒体としても機能する可能性があります。Vanndamme と Bobeck による研究では、ウサギの眼科用送達媒体として PAMAM デンドリマーを 2 つのモデル薬物に使用し、この送達の眼内滞留時間が、眼内送達に使用されている現在の生体接着性ポリマーと同等か、場合によってはそれよりも長いことを測定しました。 ^[67]この結果は、投与された薬物は、デンドリマーを介して送達された場合、遊離薬物の場合よりも活性が高く、生物学的利用能が高まったことを示しています。さらに、光硬化性で薬物を溶出するデンドリマーヒアルロン酸ハイドロゲルは、目に直接適用される角膜縫合糸として使用されています。これらのハイドロゲル縫合糸は、ウサギモデルで従来の縫合糸を上回り、角膜瘢痕を最小限に抑える医療機器としての有効性を示しています。^[68]

デンドリマーによる薬物送達は、従来困難であった多くの薬物送達の問題に対する潜在的な解決策としても大きな期待が寄せられています。脳への薬物送達の場合、デンドリマーはEPR効果と血液脳関門（BBB）障害を利用して、生体内で効果的にBBBを通過できます。たとえば、ヒドロキシル末端PAMAMデンドリマーは、脳内の炎症を起こしたマクロファージに対する固有の標的化能力を有しており、これは脳性麻痺のウサギモデルにおいて蛍光標識された中性世代デンドリマーを使用して検証されています。^[69]この固有の標的化により、マウス、ウサギからイヌまでさまざまな動物モデルにおいて、脳性麻痺やその他の神経炎症性疾患から外傷性脳損傷や低体温性循環停止まで、さまざまな病態での薬物送達が可能になりました。^{[70] [71] [72]}デンドリマーの脳への取り込みは、炎症の重症度やBBB障害と相関しており、BBB障害がデンドリマーの浸透を可能にする重要な要因であると考えられています。^{[73] [69]局在は活性化}ミクログリアに大きく偏っています。デンドリマー結合N-アセチルシステインは、薬物ベースで遊離薬物よりも1000倍以上低い用量で抗炎症剤として生体内での有効性を示し、脳性麻痺、レット症候群、黄斑変性症、その他の炎症性疾患の表現型を逆転させました。^[69]

オーストラリアの製薬会社スターファーマは、すでに使用が承認されているか、臨床試験段階にある複数の製品を保有している。アストドリマーナトリウムとしても知られるSPL7013は、スターファーマのVivaGel医薬品ラインで使用される超分岐ポリマーであり、現在、ヨーロッパ、東南アジア、日本、カナダ、オーストラリアで細菌性膣炎の治療とHIV、HPV、HSVの拡散防止に承認されている。SPL7013の幅広い抗ウイルス作用により、同社は最近、SARS-CoV-2の治療薬としての可能性を検証した。同社は、予備的なin vitro研究で、細胞内でのSARS-CoV-2感染の予防に高い有効性が示されていると述べている。^[74]

DNA片を細胞の必要な部分に送達する能力には、多くの課題が伴います。現在、DNA を損傷または不活性化することなく、デンドリマーを使用して遺伝子を細胞に輸送する方法を見つけるための研究が行われています。脱水中の DNA の活性を維持するために、デンドリマー/DNA 複合体は水溶性ポリマーにカプセル化され、その後、遺伝子トランスフェクションを媒介するために分解速度の速い機能性ポリマーフィルム上に堆積または挟まれました。この方法に基づいて、PAMAM デンドリマー/DNA 複合体は、基質を介した遺伝子送達のための機能性生分解性ポリマーフィルムをカプセル化するために使用されました。研究では、分解が速い機能性ポリマーは、局所的なトランスフェクションに大きな可能性を秘めていることが示されています。^{[75] [76] [77]}

デンドリマーはセンサーへの応用が期待されています。研究されているシステムには、ポリプロピレンイミンを使用したプロトンセンサーやpHセンサー^{[78] 、}蛍光信号の消光を検出する硫化カドミウム/ポリプロピレンイミンテトラヘキサコンタミンデンドリマー複合体^[79]、金属カチオンの 光検出用のポリ(プロピレンアミン)第一世代および第二世代デンドリマー^[80]などがあります。この分野の研究は、樹状構造に複数の検出部位と結合部位が存在する可能性があるため、広範かつ進行中です。

デンドリマーは単分散金属ナノ粒子の合成にも使用される。ポリアミドアミド（PAMAM）デンドリマーは、デンドリマー内の分岐点にある第三級アミン基を利用する。金属イオンをデンドリマー水溶液に導入すると、金属イオンは第三級アミンに存在する孤立電子対と錯体を形成する。錯体形成後、イオンはゼロ価の状態に還元され、デンドリマー内に封入されたナノ粒子を形成する。これらのナノ粒子の幅は1.5～10ナノメートルで、デンドリマー封入ナノ粒子と呼ばれる。^[81]

現代の農業では殺虫剤、除草剤、殺虫剤が広く使用されていることから、デンドリマーは、より健康な植物の成長を可能にし、植物病害と戦うために農薬の送達を改善するために企業によって使用されています。^[82]

デンドリマーは血液代替物としての使用も研究されている。ヘム模倣中心を囲むデンドリマーの立体的嵩高さは、遊離ヘムに比べて分解を著しく遅らせ、^{[83] [84]遊離ヘムが示す}細胞毒性を防ぐ。デンドリマー機能性ポリマーポリアミドアミン（PAMAM）は、コアシェル構造、すなわちマイクロカプセルの製造に使用され、従来型^[85]および再生可能起源の自己修復コーティングの配合に利用されている。^[86]

近年、様々な世代のポリアミドアミンデンドリマーが光起電力デバイスの選択的接触として実装されている。^[87]

薬物送達システムにおけるデンドリマーは、さまざまな宿主-ゲスト相互作用の一例である。宿主とゲスト、デンドリマーと薬物の相互作用は、それぞれ疎水性または共有結合性である。宿主とゲスト間の疎水性相互作用は「カプセル化」されていると考えられ、共有結合性相互作用は共役されていると考えられる。医療におけるデンドリマーの使用は、薬物の溶解性とバイオアベイラビリティを高めることで薬物送達を改善することがわかっている。これと併せて、デンドリマーは細胞への取り込みと標的化能力の両方を高め、薬剤耐性を低下させることができる。^[88]

さまざまな非ステロイド性抗炎症薬（NSAID）は、PAMAMデンドリマーに封入されると溶解度 が上昇する。 ^[89]この研究では、NSAIDの溶解度が上昇するのは、PAMAMの表面アミン基とNSAIDに含まれるカルボキシル基との間の静電相互作用によるものであることがわかった。溶解度上昇に寄与しているのは、薬剤の芳香族基とデンドリマーの内部空洞との間の疎水性相互作用である。^[90]薬剤がデンドリマー内に封入されると、非特異性や毒性など、その物理的および生理学的特性は変化しない。しかし、デンドリマーと薬剤が共有結合すると、特定の組織を標的とし、放出速度を制御するために使用できる。^[91]デンドリマー表面での複数の薬剤の共有結合は、不溶性の問題を引き起こす可能性がある。^{[91] [92]}

この原理は癌治療への応用についても研究されている。いくつかのグループが、カンプトテシン、メトトレキサート、ドキソルビシンなどの抗癌剤をカプセル化した。これらの研究の結果、デンドリマーは水溶性を高め、放出速度を遅くし、薬剤の細胞毒性を制御できる可能性があることがわかった。^{[88]シスプラチンはPAMAMデンドリマーに結合され、上記と同じ薬理学的結果が得られたが、結合は静脈内投与で固形腫瘍に}シスプラチンを蓄積するのにも役立った。^[93]

ウィキメディア・コモンズには、デンドリマーに関連するメディアがあります。

• デンドロン化ポリマー
• フェロセン含有デンドリマー
• メタロデンドリマー