915) 5-アミノレブリン酸とジクロロ酢酸ナトリウムはアルテスネイトによる「がん細胞のフェロトーシス誘導」を増強する

2025年04月05日 / Weblog

図：5-アミノレブリン酸(①)を摂取すると、がん細胞に多く取り込まれ、ミトコンドリアでプロトポルフィリンIX（PpIX）の産生量を増やし（②）、ヘムの合成を高める（③）。ヘムはアルテミシニンと反応して（④）、活性酸素やフリーラジカルを産生し（⑤）。フェロトーシスを誘導する（⑥）。PpIXやヘムの合成を阻害するとアルテミシニンによるフェロトーシスは阻止される。一方、ジクロロ酢酸ナトリウム（DCA）でミトコンドリアを活性化してヘム合成を亢進すると、アルテミシニンによるフェロトーシス誘導は増強される（⑦）。

【フェロトーシスは鉄介在性の細胞死】
細胞死には、いくつかの異なるパターンがあります。主なものとして、アポトーシスやネクローシスやフェロトーシスがあります。

アポトーシス（Apoptosis）は、細胞が遺伝子にプログラムされた仕組みに基づいて制御されて死ぬパターンです。通常、細胞が老化したり、DNAが損傷した場合に起こります。免疫細胞や炎症細胞が反応しないような死に方をします。

一方、脳梗塞や心筋梗塞のような虚血や、火傷や毒物による細胞傷害では、壊死（ネクローシス）という細胞死を起こして、細胞が崩壊して炎症反応が引き起こされます。ネクローシスの場合は組織の傷害を生体に知らせて、防御と修復を起こす必要があるからです。

フェロトーシス（Ferroptosis）は、鉄依存的な活性酸素種の発生と過酸化した脂質の蓄積によって細胞死が起こります。細胞膜の脂質の酸化が強く起こり、脂質二重層の破綻によって誘導される細胞死です。
「フェロ（Ferro）」は鉄という意味です。「ptosis」は「下垂する」という意味で、枯れ葉が枝から落ちる様から細胞の死を意味します。
フェロトーシスは、細胞内の鉄に依存するメカニズムであり，ほかの金属類には依存しません。（図）

図：二価の鉄イオン（Fe²⁺）と酸素（O₂）が介在した機序で、脂質の酸化が強く起こり、脂質二重層の破綻によって誘導される細胞死をフェロトーシスという。

がん細胞は正常細胞に比べて鉄の取込みが増え、フリーの２価鉄イオン（Fe²⁺）が過剰に存在しています。鉄介在性のフリーラジカル産生に対して、正常細胞は鉄の含有量が少ないので傷害を受けず、がん細胞が選択的に死滅します。

【アルテミシニン誘導体はヘムや鉄と反応して活性酸素を産生する】
がん細胞のフェロトーシス誘導においてアルテミシニン誘導体と5-アミノレブリン酸の組み合わせが注目されています。

1970年代から80年代にかけて中国の科学者の屠呦呦（Tu Youyou）博士らが、古くからマラリアの治療に利用されてきた伝統的な薬草である青蒿（Artemisia annua）から、活性成分としてアルテミシニンを単離し、その誘導体であるアルテスネイトやアルテメーターを製造しました。

これらアルテミシニン誘導体はマラリアの化学療法の最も重要な成分となり、この業績により屠博士は2015年度のノーベル医学生理学賞を受賞しました。（図）

図：中国の女性科学者の屠呦呦（Tu Youyou）博士は、2015年度のノーベル医学生理学賞を受賞した。屠博士は、古くからマラリアの治療に利用されてきた青蒿（Artemisia annua）という薬草から活性成分としてアルテミシニン（Artemisinin）を発見した。アルテミシニンおよびその誘導体（アルテスネイト、アルテメーター）は、現在マラリアの治療薬として世界中で使用されている。さらに、抗がん作用があることから、がんの代替医療にも使用されている。

アルテミシニン誘導体はトリオキサン（trioxane）という3つの酸素原子を含む環状構造を持ち、この構造がアルテスネイトの薬理作用と関連します。（図）

図：トリオキサン（trioxane）は3つの酸素原子を含む環状構造を持つ化合物で、この構造がアルテスネイトの薬理効果（抗マラリア作用、抗がん作用）と関連する。

トリオキサン環のエンドペルオキシド華僑（-O-O-）がヘムや鉄（Fe²⁺）で開裂すると活性酸素種や炭素ラジカルを生成します。（図）

図：エンドペルオキシド架橋（-O-O-）の酸素（O）にヘムの鉄（Fe²⁺）が反応すると、酸素（O）がフリーラジカル（・O）になり、のちに炭素ラジカル（・C）が形成される。エンドペルオキシド架橋のどちらの酸素原子が鉄と反応するかで、２つの反応パターンがある。

アルテミシニンおよびアルテミシニン誘導体のエンドペルオキシド架橋が、鉄（Fe²⁺）とヘムによって開裂して活性酸素や炭素ラジカルが発生し、これらのフリーラジカルが、細胞膜やDNAやタンパク質にダメージを与えて、細胞を死滅します。
正常細胞に比べてがん細胞はフリーの二価鉄（Fe²⁺）やヘムが多く含まれるので、がん細胞が比較的選択的にダメージを受けます。（図）

図：アルテミシニンおよびアルテミシニン誘導体は、がん細胞に多く含まれるフリーのヘムと鉄（Fe²⁺）と反応してエンドペルオキシド架橋が開裂して活性化される。活性化したアルテミシニンは活性酸素の産生、タンパク質のアルキル化、DNAや細胞膜のダメージによって、がん細胞の増殖や転移を抑制し、細胞死を誘導する。

ペルオキシド結合とは、過酸化水素（H₂O₂）のように2つの酸素原子が単結合で結ばれている状態（-O-O-構造）です。ペルオキシドの酸素-酸素間の単結合は非常に壊れやすく、フリーラジカルを作ります。このエンドペルオキシド特性は抗マラリア活性に必要です。

マラリアはマラリア原虫という寄生虫によって引き起こされる病気です。マラリア原虫は赤血球内で増殖する時、ヘモグロビンを分解してできるアミノ酸を栄養として利用します。その結果、マラリア原虫が感染した赤血球内にはフリーの鉄やヘムが大量に存在します。アルテミシニン誘導体はマラリアが感染した赤血球内の鉄やヘムと反応して活性酸素を産生し、マラリア原虫を死滅します。（下図）

図：赤血球内で増殖するマラリア原虫のトロフォゾイト（栄養体）は赤血球のヘモグロビンを分解し、アミノ酸を栄養として利用する。ヘモグロビンが分解してできた鉄とヘム分子が結合して結晶化したヘモゾインを食胞内に蓄積する。ヘモゾインに含まれる大量のヘムと鉄（Fe²⁺）はアルテミシンのペルオキシド架橋に作用して活性化する。活性化したアルテミシニンは、活性酸素の産生、タンパク質のアルキル化、DNAや脂質のダメージを引き起こす。その結果、赤血球内に感染しているマラリア原虫を死滅する。

エンドペルオキシド架橋が切断されると、アルテミシニンが活性化され、活性酸素種とフリーラジカルの生成を招き、細胞内のタンパク質や脂肪酸やDNAをアルキル化します。このアルキル化反応は、タンパク質の構造と機能を変化させ、DNA を損傷し、細胞ストレスを誘発し、最終的に細胞死をもたらします。

マウスの乳がん細胞に対する 5-アミノレブリン酸 (5-ALA) を使った光線力学療法の細胞毒性に対するアルテスネイトとアルテメーターの影響を検討した実験が報告されています。アルテスネイトやアルテメーターが5-ALAを使った光線力学療法の効果を増強する結果が報告されています。

Antimalarial Drugs Enhance the Cytotoxicity of 5-Aminolevulinic Acid-Based Photodynamic Therapy against the Mammary Tumor Cells of Mice In Vitro. Molecules. 2019 Oct 29; 24(21): 3891.

この結果は、5-アミノレブリン酸がアルテスネイトの抗腫瘍効果を増強する可能性を示唆しています。

【鉄よりヘムの方がアルテスネイトの抗がん作用を増強する】
前述のように、アルテミシニン誘導体は、活性酸素や炭素ラジカルを生成して、抗マラリア活性を発揮すると考えられます。ヘム、無機鉄、ヘモグロビンは全て、アルテミシニンを活性化する重要な分子として関与していると考えられています。そこで、アルテミシニンと様々な酸化還元形態のヘム、第一鉄、脱酸素化ヘモグロビンおよび酸素化ヘモグロビンとの反応を分析しました。

その結果、ヘムは他の鉄含有分子よりもはるかに効率的にアルテミシニンと反応し、活性酸素の産生を高めました。

Heme activates artemisinin more efficiently than hemin, inorganic iron, or hemoglobin. Bioorg Med Chem. 2008 Aug 15;16(16):7853-61.

ミトコンドリアは固有のDNA（ミトコンドリアDNA）を持ち、このミトコンドリアDNAには呼吸酵素複合体IからVを構成する85種類のサブユニットのうち13種類のタンパク質を作成する遺伝子が存在します。従って、ミトコンドリアDNAを欠失させるとミトコンドリアでの酸化的リン酸化によるATP産生が起こらなくなります。

ミトコンドリアDNAが欠損しても、酸化的リン酸化以外のミトコンドリアの機能は維持できます。がん細胞はミトコンドリアでの酸素を使ったATP産生を行わなくても、解糖系でATPを賄うことができるので、酸化的リン酸化が障害されても生存はできます。

ヒトがん細胞株のHeLa細胞と、HeLa細胞のミトコンドリアDNAを欠損させた細胞（HeLaρ0）の２種類のがん細胞株を用いてアルテスネイトの抗腫瘍活性を比較した実験があります。

The Role of Heme and the Mitochondrion in the Chemical and Molecular Mechanisms of Mammalian Cell Death Induced by the Artemisinin Antimalarials. J Biol Chem. 2011 Jan 14; 286(2): 987–996.

アルテスネイト存在下で48時間培養した場合の50%細胞致死量はHeLa細胞が6±3μMで、ミトコンドリアDNAを欠損したHeLaρ0細胞では34±5μMでした。つまり、ミトコンドリアでの酸化的リン酸化が低下しているとアルテスネイトの殺細胞作用が減弱するという結果です。
これは、ミトコンドリアの酸化的リン酸化を亢進するとアルテスネイトの抗がん作用を増強できることを示しています。

また、アルテスネイトの殺細胞作用は、細胞のヘムの合成を亢進すると増強し、ヘムの合成を阻害すると減弱することが報告されています。つまり、アルテスネイトの殺細胞作用の活性化にはヘムの存在が重要であることを示しています。

以上の実験結果は、ミトコンドリアの酸化的リン酸化の活性化とヘム合成の亢進はアルテスネイトの殺細胞作用を増強できることを示しています。これは、ミトコンドリアの酸化的リン酸化を亢進する5-アミノレブリン酸とジクロロ酢酸ナトリウムがアルテスネイトの抗腫瘍効果を増強する理由になります。（図）

図： 5-アミノレブリン酸とジクロロ酢酸ナトリウムはヘム合成と活性酸素産生を亢進して、アルテミシンの抗腫瘍活性を促進する。

【5-アミノレブリン酸はヘムの合成を亢進してアルテスネイトの抗腫瘍効果を増強する】
アルテミシニン誘導体の殺細胞作用は正常細胞に比べてがん細胞に強く発現します。その理由として、がん細胞では鉄の含有量が高く、ヘムの合成が亢進していることが指摘されています。

がん細胞は低酸素誘導因子-1（HIF-1）の発現が亢進しています。HIF-1はトランスフェリン受容体の発現を亢進して、がん細胞は鉄（Fe²⁺）の含有量が増えています。

さらに、HIF-1はヘムの合成を促進します。5-アミノレブリン酸の補充はヘムの合成を促進します。ヘムはアルテミシニン誘導体の抗腫瘍効果を増強します。

実際に、ヘム合成の前駆物質の5-アミノレブリン酸を添加してがん細胞のヘム合成を亢進するとアルテミシニンの抗腫瘍活性が亢進することが示されています。

マウスの移植腫瘍を用いた実験でも、アルテミシニン単独よりもアルテミシニン＋5-アミノレブリン酸の併用の方が抗腫瘍効果が高くなることを示しています。つまり、アルテミシニンと5-アミノレブリン酸の併用によるがん治療の可能性を示唆しています。

通常は、ヘムの濃度によって5-ALA の生成が調節されるという負のフィードバック機構が働きますが、5-ALA の外因性投与によってこの機構を回避し、プロトポルフィリン IX (PpIX) の生成を大幅に促進することができます。

ヘム生合成経路の最後の酵素であるフェロキラターゼは、鉄イオンをPpIXに挿入してヘムを形成する反応を触媒します。がん細胞ではフェロキラターゼの発現が低下するという証拠があり、その結果PpIXが蓄積すると考えられています。このような状況でも、前述のジクロロ酢酸ナトリウムでミトコンドリア機能を活性化するとヘム合成を亢進できます。

アルテスネイトは活性酸素を発生させてがん細胞を死滅します。鉄（クエン酸第一鉄ナトリウム）と5-アミノレブリン酸とジクロロ酢酸ナトリウムを併用すると活性酸素の産生量を増やし、アルテスネイトの抗腫瘍効果を高めることができます。

つまり、鉄剤（クエン酸第一鉄ナトリウムなど）と5-アミノレブリン酸をがん細胞に取り込ませてからアルテスネイトを服用すると、アルテスネイトによるフェロトーシス誘導を促進できます。（図）

図：がん細胞は低酸素誘導因子-1（HIF-1）の発現が亢進し（①）、HIF-1はトランスフェリン受容体の発現を亢進して（②）、がん細胞は鉄（Fe²⁺）を多く含む（③）。アルテスネイトは鉄と反応して活性酸素・フリーラジカルを産生し（④）、細胞膜の脂質を酸化して過酸化脂質が蓄積し（⑤）、フェロトーシスを誘導する（⑥）。HIF-1はヘム合成を亢進し（⑦）、ミトコンドリア内でヘムとアルテスネイトが反応して（⑧）、活性酸素・フリーラジカルを産生し（⑨）、ミトコンドリアの酸化傷害を増強してフェロトーシスを増強する（⑩）。

【アルテスネイトの抗腫瘍効果はポルフィリン生合成が必要】
アルテミシニンとその誘導体は、がん細胞に多く含まれるヘムと鉄（Fe²⁺）と反応してエンドペルオキシド架橋（-O-O-）が開裂して活性化されます。活性化したアルテミシニンは活性酸素の産生、タンパク質のアルキル化、DNAや細胞膜のダメージによって、がん細胞の増殖や転移を抑制し、細胞死を誘導します。

ヒト脳腫瘍の複数のモデルシステムを使用した実験で、アルテミシニンの細胞毒性にはポルフィリン（ヘム）生合成が必要であることが示されています。

A whole-genome scan for Artemisinin cytotoxicity reveals a novel therapy for human brain tumors. EMBO Mol Med. 2023 Mar 8;15(3):e16959.

つまり、細胞におけるポルフィリン産生を阻害すると、アルテミシニンによる細胞毒性が阻止されました。さらに、5-アミノレブリン酸（5-ALA）を投与してヘム合成を亢進すると、アルテミシニンに対するがん細胞の感受性が亢進しました。

アルテミシニンと5-ALAの併用治療は、生体内での移植腫瘍を含む、試験したすべてのモデル系において脳腫瘍細胞を顕著かつ特異的に死滅させました。

この論文で明らかにされた「アルテミシニンの細胞毒性にはポルフィリン（ヘム）生合成が必要である」「ポルフィリン産生を阻害するとアルテミシニンの抗腫瘍効果は阻止された」「ポルフィリン生合成を促進する5-アミノレブリン酸（5-ALA）は、アルテミシニンの抗腫瘍効果を増強する」「アルテミシニンと 5-ALA の併用治療は、生体内での移植腫瘍を含む、試験したすべてのモデル系において脳腫瘍細胞を顕著かつ特異的に死滅させた」という実験結果は重要です。

アルテミシニンは細胞毒性機能を果たすために細胞内のヘムを必要とします。ヘムの産生は5-ALAによって促進されます。つまり、アルテミシニン誘導体の細胞毒性は、がん細胞に多く蓄積する5-ALA によって増強されます。
アルテミシニン誘導体の抗腫瘍効果は5-ALAによって増強されるという結果です。さらに、ジクロロ酢酸ナトリウムを使ってヘムの合成を促進すると、さらにフェロトーシス誘導を強化できます。（トップの図）

以上の今までの研究結果の考察から『アルテスネイト＋5-アミノレブリン酸＋ジクロロ酢酸ナトリウムはがん細胞のフェロトーシス誘導を増強する』という結論になります。
しかし、この仮説に独りよがりの間違いがないかを確認する必要があります。単純にミトコンドリアを活性化することは、エネルギー産生を促進してがん細胞の増殖を促進する可能性もあります。

そこで、ChatGPTに『がん細胞に5-アミノレブリン酸とジクロロ酢酸ナトリウムとアルテスネイトを加えるとどうなりますか』と質問しました。

ChatGPTは、これらの化合物が、いずれも細胞のエネルギー代謝や酸化ストレスに関与し、がん細胞の増殖や死を調節することを解説し、個々の化合物の抗がん作用のメカニズムとそれらの相互作用を解説したあと、最後の結論は以下のようになっています。

これらの化合物の組み合わせによる効果

相乗効果: 5-アミノレブリン酸（5-ALA）、ジクロロ酢酸ナトリウム（DCA）、アルテスネイトの組み合わせは、がん細胞に対して非常に強力な効果を発揮する可能性があります。以下のメカニズムで相乗的に作用する可能性があります。

酸化ストレスの増加: 5-ALAによりヘムの生成が促進されると、光線力学療法のように活性酸素種が生成され、さらにジクロロ酢酸ナトリウムによって酸化的リン酸化が促進され、活性酸素種が増加します。アルテスネイトも鉄と反応して活性酸素種を生成します。これにより、がん細胞は過剰な酸化ストレスにさらされ、細胞死（アポトーシスやフェロトーシス）が引き起こされる可能性があります。
フェロトーシスの誘導: ジクロロ酢酸ナトリウム（DCA）とアルテスネイトはともにフェロトーシスの誘導因子となり得ます。鉄依存的な細胞死であるフェロトーシスを促進することで、がん細胞の死を強化します。DCAは酸化ストレスを高め、アルテスネイトは鉄と反応してフェロトーシスを誘導します。これらの作用が相乗的に働き、がん細胞を効果的に殺傷する可能性があります。
エネルギー代謝の変化: DCAによるエネルギー代謝の変化ががん細胞に対するストレスを引き起こし、5-ALAやアルテスネイトの作用と組み合わせることで、がん細胞の増殖を抑制し、細胞死を誘導する可能性があります。

結論:
5-アミノレブリン酸（5-ALA）、ジクロロ酢酸ナトリウム（DCA）、アルテスネイトを組み合わせると、がん細胞に対して強力な抗がん作用を発揮する可能性があります。
これらの化合物は、酸化ストレスの増加、フェロトーシスの誘導、エネルギー代謝の再プログラムなど、異なるメカニズムを通じてがん細胞の増殖を抑制し、細胞死を引き起こすことが考えられます。今後の研究において、これらの化合物の相互作用とその抗がん効果の具体的なメカニズムが明らかにされることが期待されます。

以上のように、AIも5-アミノレブリン酸（5-ALA）とジクロロ酢酸ナトリウム（DCA）とアルテスネイトの組み合わせによる抗腫瘍効果（フェロトーシス誘導）の増強を強く示唆しています。

5-アミノレブリン酸の抗がん作用は『5-アミノレブリン酸ががん細胞を死滅する』で詳しく解説しています。

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