超解像イメージングとNMRが細胞・原子レベルで薬剤効果を解明
超解像顕微鏡法により、スニチニブが主要な細胞構造を破壊することが示された。固体NMRは製剤化された薬剤の原子レベル構造の解明に活用されており、NSFの新規助成プロジェクトがこれを支援している。
研究者らは超解像顕微鏡法を用いて、がん治療薬スニチニブの生細胞内での動きを追跡し、この薬剤がミトコンドリア、リソソーム、小胞体の協調的な破壊を引き起こすことを発見した。この研究は『Biophotonics Discovery』に掲載された。一方、固体核磁気共鳴（NMR）分光法が製剤化された医薬品の原子レベル構造の解明に活用されており、医薬品製剤設計における永続的な課題に取り組んでいる。
スニチニブは腎臓がんを含む複数のがんの治療に使用されている。その治療活性は従来、腫瘍増殖を促進する酵素を阻害する能力と関連づけられてきた。シンシナティ大学の研究者らは、細胞生存率試験と、従来の光学顕微鏡では明確には見えない微細構造を可視化できる超解像イメージング技術である構造化照明顕微鏡法（SIM）を組み合わせた。スニチニブは天然に蛍光を発するため、研究チームは化学的に修飾することなく生細胞内での薬剤の動きを追跡することができた。研究者らは治療後の細胞生存の有無だけに注目するのではなく、この薬剤が相互に連関する3つの細胞システム、すなわち細胞内物質をリサイクルするリソソーム、エネルギーを産生するミトコンドリア、タンパク質の産生と細胞シグナル伝達の調節を担う**小胞体（ER）**にどのように影響するかを調べた。
研究チームはまず、スニチニブが用量依存的に細胞生存率を低下させ、高濃度になるほど細胞死が徐々に増加することを確認した。SIMイメージングにより、薬剤が主にリソソーム内に濃縮されることが示され、定量分析により、ミトコンドリアよりもリソソームとの関連がはるかに強いことが確認された。治療後、健康なミトコンドリアネットワークは断片化が進み、細長い構造がより短い孤立したセグメントに分解された。リソソームの数は減少した一方、残存する構造はより大きく不規則な形状になり、薬剤濃度の上昇に伴ってリソソーム系へのストレスが増大していることが示された。未処理の細胞では細胞全体に広がる連続的なネットワークを形成していたERネットワークは、徐々に断片化して互いに分離した。ERの連結性のトポロジー解析により、濃度依存的で明確なER構造の喪失が示された。
これらの知見は、スニチニブの効果が酵素阻害にとどまらないことを示唆している。この薬剤は複数の細胞システムの協調的な破壊を引き起こし、最終的に細胞機能と生存の喪失に寄与しているようだ。研究者らは生化学的測定のみに頼るのではなく、治療用分子が生細胞内をどのように移動し、細胞構造が時間とともにどのように応答するかを直接可視化した。このアプローチは光学工学、画像解析、細胞生物学を組み合わせて、オルガネラの構造と連結性の定量的測定を実現し、従来の顕微鏡では見えない相互作用を明らかにすることで、現代の超解像イメージングが薬剤挙動の研究をどのように変革できるかを示している。この研究は顕微鏡レベルでの薬剤挙動の詳細な観察を提供し、創薬と細胞工学における光学イメージングの役割の拡大を浮き彫りにしている。
別の研究では、アイオワ州立大学と米国エネルギー省のエイムズ国立研究所で開発された固体NMR分光法が、「製薬業界における永続的な課題」、すなわち有効成分投与のための製剤設計の成功に役立っている。ある実験では、有効成分と不活性成分を含む微小な固体薬剤サンプルを、ウィスコンシン大学マディソン校の国立磁気共鳴施設において、高磁場に対して約55度の「マジック角」に傾けながら毎秒5万回転で回転させた。得られたスペクトルのピーク位置は固体薬剤の構造に関する手がかりを与え、水素、酸素、窒素原子の位置の特定に役立った。固体NMR分光法は、不均一系触媒、次世代半導体、製剤化された固体医薬品などの材料の原子レベル構造の決定に応用できる。
NMR装置は、液体窒素と液体ヘリウムで冷却された超伝導磁石を使用して、サンプルに強力な磁場をかける。アイオワ州立大学の研究室の磁石は9.4テスラ定格である一方、フロリダ州タラハシーにある国立高磁場研究所には、1,870万ドルの35テスラ定格の装置がある。NMR装置の磁場は原子核を整列させ、その後、高周波パルスが原子核の整列を乱し、装置がその差異を記録する。NMRツールは、米国科学振興協会（AAAS）年次総会でのパネルディスカッションの要約によれば、「創薬、持続可能なエネルギー材料、量子システムにおける現代研究の基盤」である。
米国国立科学財団（NSF）の支援を受けた新しい3年間・49万2,000ドルの研究は、有効成分と市販医薬品の構造を対象に、NMRデータの感度と分解能を向上させる新しい手法を開発している。大学院生と学部生がこのプロジェクトに参加し、薬剤サンプルの調製、NMR実験の実施、原子構造の計算モデリングを学ぶ。全米科学・工学・医学アカデミーズの2024年の報告書は、米国がNMRベースの研究分野でリーダーシップの地位を取り戻すために、最先端のNMR研究への支援レベルを再確立する必要があると結論づけた。これは、分解能を高め、収集データを改善する超高磁場を発生させる装置がさらに必要になることを意味する。