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岐阜薬科大学博士（薬科学）2025年度doctoral thesi

垣内 亮

 
 
 
 
 
博 士 論 文 要 旨 
 
生命現象解明に資する鉄検出プローブの開発 
 
垣内 亮 
 
鉄は生体内でもっとも多く存在する遷移金属種であり、生体内では主に、タンパク
結合鉄として存在する。特に、プロトポルフィリンIXと鉄イオンの複合体であるヘム
は、ヘモグロビン、カタラーゼ、シトクロムCといった必須ヘムタンパク質の補因子
として主に機能し、その機能は酸素供給、電子伝達、酵素反応に至るまで多岐にわた
る。一方で、自由鉄と呼ばれるタンパク非結合鉄や遊離ヘムと呼ばれるタンパク質と
結合していない、または弱く結合しているヘムも存在している。自由鉄は過剰に存在
すると、酸化ストレスの原因となるヒドロキシルラジカルの産生を強力に触媒し、ア
ポトーシス反応、細胞膜の破壊、タンパク質の凝集などが促進される。また、遊離ヘ
ムも細胞シグナル伝達分子として機能する一方で、過剰に存在する場合には、酸化ス
トレス、脂質過酸化、炎症反応等を促進し、最終的には細胞死を誘導することが知ら
れている。上記の背景から、自由鉄および遊離ヘムを検出するツールを活用し、その
詳細を明らかにすることが望まれているが、現状、生体組織や生体深部での自由鉄の
観察に適した小分子プローブは限られている。また、細胞内での遊離ヘムの検出に適
用可能な蛍光分子も限られており、生体深部や生体組織での適用例は皆無であった。
そこで、本研究では、鉄およびヘムの生命現象解明を目的とした鉄およびヘム検出の
ためのケミカルツールの開発に着手した。 
 
 
１．ケミカルシフトスイッチを利用した二価鉄検出19F-MRIプローブの開発 
イメージングモダリティとして生体深部での観察に適したMRIに着目し、MRIでの
二価鉄検出を指向し、二価鉄と選択的に応答する化学構造であるN-オキシド部位の近
傍にフッ素原子を導入することで、N-オキシドを二価鉄選択的ケミカルスイッチとし
た19F-MRIプローブ F-Nox-1を設計、評価した。F-Nox-1は水溶液中で二価鉄と応答し、
19F-NMRにてケミカルシフトの変化を示し、他の金属種や酸化還元剤では応答しなか
ったことから選択性が高いことが分かった。また、19F-NMR測定だけでなく、19F-MRI
でのイメージングも可能であり、19F-MRIにおいて119F-シグナルの増大により、水溶
液中及び血清中での二価鉄検出に成功した。一方で、鉄処理した細胞破砕液サンプル
での19F-NMR測定において、いずれのフッ素プローブも、十分なシグナルは見られな
かった。今後、生体深部での二価鉄の検出に向け、プローブの応答性を改善していく
予定であるが、MRIにより二価鉄検出に成功した初めての例である。 
 
２．組織イメージングを指向したヘム活性化型生体分子修飾化プローブの開発 
ヘムの組織イメージングを指向し、N-オキシドを駆動力としてヘムを活性化し、タ
ンパク質をラベル化するプローブ分子 m-NEt2-Noxを開発した。m-NEt2-Noxは水溶液
中でヘミンと応答し、タンパク質を修飾することがわかった。また、上記の反応は他
の金属種では反応が進行せず、高い選択性を示した。さらに、本ラベル化反応を引き
起こす構造要件として、N-オキシド基と電子供与性置換基の両方が必須であることを
明らかにした。加えて、メカニズム解析により、N-オキシドのパラ位での酸化によっ
て生成する1,4-キノンイミンが、生体分子による求核攻撃の反応中間体として機能す
ることが明らかになった。上記の結果を踏まえ、m-NEt2-Noxの反応性ユニットにミト
コンドリア標的蛍光団であるローダミンを導入した、イメージング用プローブMito-
m-NEt2-Noxを開発した。Mito-m-NEt2-Noxは生細胞のミトコンドリアに集積し、ヘム生
合成誘導群で顕著に蛍光シグナルが観察された。蛍光シグナルは固定後も保持され、
プロテオミクス解析に適用し、プローブがタンパク質と共有結合することを確認した。
また、Mito-m-NEt2-Noxをマウスの脳組織イメージングに適用したところ、ヘム合成誘
導群において、顕著な蛍光シグナルの増大を確認し、脳内における遊離ヘムの濃度変
動を可視化することに成功した。 
論文審査結果の要旨 
 
氏名（本籍） 垣内 亮 （岐阜県） 
学位の種類 博士（薬科学） 
学位記番号 甲 第５８号 
学位授与年月日 令和７年９月１７日 
学位授与の条件 学位規則第４条第１項該当者 
学位論文の題名 生命現象解明に資する鉄検出プローブの開発 
論文審査委員 
（主査） 伊藤 彰近 
（副査） 井川 貴詞 
（副査） 位田 雅俊 
 
申請者は、N－オキシド化学の展開による鉄検出プローブ分子の開発に取り組んだ。
まずN－オキシド部位の近傍にフッ素原子を導入することにより、19F-MRIにおいて
二価鉄選択的にケミカルシフトの変化を起こすプローブ分子を開発した。本分子は生
体深部での応答性には改善の余地があるものの、本成果は MRI により二価鉄検出に
成功した初めての例である。また、組織イメージングに適用可能なプローブ分子の開
発を目的とし、N－オキシドを駆動力とするヘムの活性化によりタンパク質をラベル
化するプローブ分子を設計、その検証を行った。その結果、反応性求電子種である 1,4
－キノンイミンが、生体分子による求核攻撃の反応中間体として機能することを明ら
かにすると共に、ミトコンドリア内でヘム依存的にタンパク質と共有結合を形成する
蛍光プローブ分子の開発に成功した。さらに、この分子をマウスの脳組織イメージン
グに適用し、脳内における遊離ヘムの濃度変動を可視化することにも世界で初めて成
功している。また、本ラベル化反応は組織透明化技術を用いた三次元イメージングや
オミクス解析等にも適用可能であり、遊離ヘムに近接する関連分子の解析に活用でき
ることも示唆している。以上、本研究の成果は鉄及びヘムの生命現象解明へと繋がる
一手になると期待されることから、博士（薬科学）論文として価値あるものと認める。 


Japanese

生命現象解明に資する鉄検出プローブの開発

岐阜薬科大学博士（薬学）2024年度doctoral thesi

松家 鮎美

English

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