有毒ガスから生命の守護者へ、この薬理学者は一酸化窒素を正当化する

一酸化窒素（NO）はかつては、できるだけ避けるべき有毒で有害なガスであると一般的に考えられていました。しかし、その後の科学的研究により、NOは生物において極めて重要な生理学的役割を果たしていることが明らかになり、NOは動物においてガスシグナル分子として作用することが発見された最初の物質となりました。この先駆的な研究は、アメリカの薬理学者フェリデ・ムラドの実験によって実証されました。ムラドは、窒素含有物質が特定の酵素を活性化できることを偶然発見し、それによって狭心症の治療におけるニトログリセリンのメカニズム、つまり一酸化窒素分子を介したシグナル伝達が平滑筋の弛緩を促進することを明らかにしました。同時に、内因性NOの存在も確認した。この記事では、主にムラドの科学研究の旅を紹介し、彼がどのようにしてこの大きな発見を徐々に成し遂げたのか、そして科学と生命の素晴らしい出会いを目撃したのかを示します。

著者：郭暁強（河北体育学院）

一酸化窒素（NO）について考えると、まず頭に浮かぶのは、それが有毒ガスであり環境汚染物質であるということでしょう。確かにその通りですが、この見方は人体におけるその重要な役割を無視しています。

NOは無色無臭です。 1779年に有名なイギリスの化学者ジョセフ・プリーストリーによって初めて発見されました。彼は亜酸化窒素、二酸化窒素、酸素、アンモニア、塩化水素など多くのガスも発見しました。その後の研究では、NO は、自動車の排気ガス、産業排出ガス、微生物の放出などのプロセスを通じて生成される、タバコ、ディーゼル、ガソリンの燃焼の副産物である大気汚染物質であると考えられていました。毒性実験では、一定量のNO（具体的な値は状況や個人差によって異なる場合があります）を吸入すると、軽度の息切れや咳を引き起こし、しばらくすると気管支けいれんや肺水腫を引き起こす可能性があることが示されています。高濃度のNOを吸入すると、火傷、けいれん、喉の組織の腫れ、上気道閉塞、さらには死に至ることもあります。職場におけるNO濃度の上限は8時間以内に25ppm（百万分の一）です。 100 ppm に達すると、生命と健康に重大な危険をもたらします。

1970 年代になって初めて、アメリカの薬理学者フェリド・ムラドがその有益な側面を明らかにし、さらにそれが体内で重要な生理学的機能を果たすことを発見しました。そのとき初めて、NO の「有害だが有益ではない」というラベルが削除されました。ムラド氏は1998年のノーベル生理学・医学賞も他の人たちと共同受賞した。

フェリド・ムラド（1936年9月14日 – 2023年9月4日）

1つ

高い目標を掲げる

1936 年 9 月 14 日、ムラドは米国インディアナ州ホワイティングの移民家庭に生まれました。父はアルバニア出身で、小さな食料品店を経営して生計を立てていたため、私たちの経済状況は限られており、5人家族は50平方メートル未満の小さな部屋に押し込まれて暮らしていました。両親は生計を立てるために懸命に働き、毎日長時間働いていた。それがムラドに大きな影響を与えた。彼は両親のように一生懸命働かないように、幼いころから一生懸命勉強しようと決心した。ムラドは12歳の時に医者になるという夢を抱きましたが、彼の願いに反して、後に両親よりも長く、一生懸命働きました。違いは、それがもはや単なる生活のためではなくなったということだ。

高校を卒業した後、ムラドは大きな決断を迫られました。彼の家族は高額な授業料を払う余裕がほとんどなかったため、高額の奨学金を提供できる大学を探す必要がありました。ムラドは当初、無料の海軍兵学校かウェストポイントに通うことを決めたが、これらの学校には医学コースがなく、卒業後の4年間の兵役により、さらなる医学の勉強が遅れることになった。彼は最終的にデポー大学を選びました。デポー大学は小規模ながらも優れたリベラルアーツ大学です。学校はムラドが学業を修了できるよう奨学金を支給した。学校では生物学や化学などの医療関連のコースを提供しており、彼のさらなる医学研究に役立ちます。

1957年、4年生だったムラドは医学部への出願準備をしており、当初はセントルイスのワシントン大学医学部に行くことに決めていましたが、その後2人の人のアドバイスにより考えを完全に変えました。その一人は、ムラド氏が大学で選択研究科目を履修していたときの指導教官、フォルスト・フラー氏で、彼はムラド氏に、ケース・ウェスタン・リザーブ大学に新設された7年間の基礎・臨床併修医学博士課程を検討するよう勧めた。もう 1 人は、このコースの創始者でありディレクターでもあった親友のビル・サザーランドの父親であるアール・ウィルバー・サザーランドでした。彼はムラドに、授業料無料や月額2,000ドルの給付金など、コースの利点を詳しく紹介した。これらの魅力的な条件により、ムラドは最終的にケース・ウェスタン・リザーブ大学を選択しました。

二

未知

ムラドがウェスタン・リザーブ大学に着任する前に、アール・サザーランドは大きな発見をしていました。 1957 年、サザーランドと助手のセオドア・ラルは、アドレナリンがグリコーゲン分解を促進するメカニズムを研究し、無傷の肝臓ホモゲネートにアドレナリンを加えるとグリコーゲン分解が促進されることを発見しました。次に、肝臓ホモゲネートを遠心分離し、上清（細胞質部分）と沈殿物（細胞膜部分）の2つの部分に分離した後、上清のみにアドレナリンを加えました。肝臓グリコーゲン分解の有意な増加は認められなかったが、沈殿物を再度添加した後、グリコーゲン分解活性は回復した。この結果は、アドレナリンが生理活性を発揮するには細胞膜が必要であることを示しています。さらに、細胞膜沈殿物を処理するためアドレナリンを使用し、エネルギー分子ATPを補充して耐熱性の小分子物質を生成した。この物質を（アドレナリンを使用せずに）上清に直接添加すると、グリコーゲン分解も増加しました。最終的に、その物質は環状アデノシン3'5'-一リン酸（cAMP）であると判定されました。この発見に基づいて、サザーランドは有名な「セカンドメッセンジャー仮説」を提唱しました。つまり、ホルモンは細胞膜上の特定の受容体に作用し、アデニル酸シクラーゼ (AC) を活性化して cAMP を生成し、それがさらに活性を発揮して生理学的効果を達成するというものです。ここではホルモンが最初のメッセンジャーであり、cAMP が 2 番目のメッセンジャーです。サザーランドはこの貢献により1971年のノーベル生理学・医学賞を受賞した。

サザーランドの大きな発見

サザーランドとラルは共同でムラドの cAMP 研究を指導しました。ムラドの使命は、カテコールアミンが cAMP 形成に及ぼす影響を調査することでした。その過程で、彼はアセチルコリンがアデニル酸シクラーゼを阻害し、それによって cAMP の生成を減らすことができることを発見しました。これはホルモンによる cAMP の負の調節に関する最初の記述であり、セカンドメッセンジャー仮説が強化されました。当時、セカンドメッセンジャー仮説の分野は急速に発展しており、ムラドは目撃者としてほぼ毎日新たな進歩と発見を目にすることができました。彼も参加者として参加し、科学研究への大きな関心を呼び起こし、最終的には医者になるという当初の夢を諦めました。一方、これらの研究から、彼は cAMP やその他の類似化合物の検出方法を習得し、将来の科学研究のための優れた基盤を築きました。

1963 年、サザーランドは尿中に cAMP と構造が非常によく似た小分子 cGMP (環状グアノシン一リン酸) を発見し、後にそれが広く存在していることを発見しました。サザーランドは当初、この 2 つは同等に重要であると推測していましたが、そうではありませんでした。研究で使用されたホルモンはすべて cAMP を介して反応を媒介し、cGMP とは無関係であったため、cGMP の機能は何かという重要な未解決の謎が残りました。この問題はムラド氏の将来の研究方向となった。

1965年、ムラドは博士号を取得した後、マサチューセッツ総合病院に入職し、2年間の研修を終えた後、国立衛生研究所に入所し、3年以上にわたり博士研究員として研究を行いました。 1970 年、バージニア大学医学部は新しい臨床薬理学部を設立しました。ムラドは参加して独自の小さな科学研究チームを結成し、独立した研究を始めました。

三つ

目立たない

ムラドが解決しなければならなかった最初の問題は、適切な研究の方向性を選択することでした。当時は、cAMP と cGMP という 2 つの分子から選択できました。構造は非常に似ていましたが、状況は非常に異なっていました。一方は非常に人気があり、もう一方は知られていませんでした。一方は全盛期を迎え、もう一方は無視されていました。ムラドは群衆と一緒に行きたくない。彼は「私は才能を持って生まれた」という考えを固持している。細胞は cGMP を生成できるため、cGMP には独自の機能があるはずですが、その機能はまだ発見されていません。

当時、細胞には cGMP の生成を触媒する 2 種類のグアニル酸シクラーゼ (GC) があり、1 つは細胞膜に、もう 1 つは細胞質に存在することが知られていました。 Murad は細胞質に位置する GC を選択しました。実験設計は比較的単純でした。彼は細胞を破壊し、遠心分離して沈殿物を除去し、上清を保持し、生成された cGMP の量を検出することによって、さまざまな物質がグアニル酸シクラーゼの活性に与える影響を観察しました (これはムラドがすでに習得していました)。ムラド氏は、短期間で酵素を精製する予定はないため（時間がかかる）、粗生成物を研究に使用しますが、大量に調製した残りのサンプルを適時に保管する必要があります。当時、研究室で最も一般的に使用されていたタンパク質保存試薬はアジ化ナトリウムでした。保存されたサンプルを検査したところ、ムラドは予想外に、グアニル酸シクラーゼの活性が大幅に増加し、cGMP の生成が大幅に増加したことを発見しました。この予期せぬ発見にムラドは大変驚き、研究室にある試薬を一つずつテストしました。ヒドロキシルアミン、フェニルヒドラジン、亜硝酸塩などのさまざまな化合物も酵素活性を著しく活性化することが分かりました。これらには共通の特徴があり、すべて窒素が含まれています。詳細な分析により、グアニル酸シクラーゼが活性化される理由は、反応中に NO が生成されるからであることがわかりました。

ムラドは、これらの物質が粗グアニル酸シクラーゼの活性を高めるだけでなく、無傷の細胞でも活性を持つことも発見した。これらの化合物を平滑筋細胞の治療に使用すると、細胞内の cGMP 含有量が大幅に増加する可能性があります。さらに重要なことは、血管拡張の基本原理である筋細胞の弛緩をさらに誘発できることです。そのため、ムラドは窒素を含み血管拡張作用を持つ実用的な価値のある化合物をさらにテストすることにしました。この基準に基づいて、彼は狭心症の治療薬であるニトログリセリンに着目しました。

4つ

驚き

1847 年、イタリアの化学者アスカニオ・ソブレロが、非常に揮発性が高く爆発性の高い液体であるニトログリセリンを初めて実験室で調製しました (ニトログリセリンはノーベルによって最初に発見されたと誤解している人が多い) (ソブレロ自身も実験中に打撲傷を負いました)。 1860年代にノーベルはニトログリセリンを改良して固体爆薬を開発しました。予想外にも、ニトログリセリンが狭心症の治療に使用できることがすぐに発見されました。その後、硝酸イソソルビドやニトロプルシドナトリウムなど、総称して硝酸系血管拡張薬と呼ばれるさまざまな薬剤の開発に成功しましたが、その薬理作用は未だ不明なままでした。

1977 年、ムラドはニトログリセリンをテストし、ニトログリセリンが血管平滑筋の cGMP 含有量を増加させ、NO も生成するため筋肉の弛緩を引き起こす可能性があることを発見しました。この研究は、狭心症の治療におけるニトログリセリンなどの薬剤の薬理学的メカニズム、すなわち、NOが生成された後、NOがcGMP含有量を増加させ、それによって平滑筋の弛緩を達成するというメカニズムを効果的に説明しています。この発見は新薬開発の方向性を直接示すものである。 1986年、ファイザーは狭心症の治療のための新薬をスクリーニングするための研究開発チームを設立しました。その目的は、ホスホリパーゼ5（cGMPを分解する酵素）の阻害剤を見つけることであり、最終的にシルデナフィルを得ることに成功しました。この薬はcGMP濃度を効果的に高め、冠動脈を拡張し、血栓症を抑制します。その後の臨床試験では、シルデナフィルは狭心症の緩和には非常に限られた効果しか持たないことが判明しましたが、予想外に男性の勃起不全に奇跡的な効果があることが観察されました。この偶然の発見により奇跡の薬「バイアグラ」が誕生し、ムラドは「バイアグラの父」という名声を得た。

ニトログリセリン、NO、cGMP

ムラドの考えは、ニトログリセリンの薬理学的メカニズムにとどまらず、さらに内因性NOの存在を提唱しました。つまり、正常な細胞はホルモンや神経伝達物質の刺激を受けて自身の窒素含有化合物からNOを生成し、cGMPの生成を誘導することで生理学的効果を発揮できるということです。おそらく、内因性 NO はレベルが低く、寿命が短い（毒性を生じない性質）と考えられます。当時の最先端の技術をもってしても、NOを直接検出することは困難でした。いくつかの証拠は内因性NOの存在を間接的に確認しましたが、あまり説得力がなく、別の偶然の発見があるまで科学界に広く受け入れられませんでした。

五

ベストアシスト

1950年代、ニューヨーク州立大学の薬理学者ロバート・ファーチゴットは、神経伝達物質アセチルコリンに焦点を当てて血管拡張の原因を研究していました。動物にアセチルコリンを注射すると血管拡張と血圧低下を引き起こすため、アセチルコリンが血管内の筋肉細胞を弛緩させ、血管の直径を広げるのではないかと推測した。ファーチゴットは学生たちに、試験管内実験を使ってこの仮説を検証するよう依頼した。彼らは一連の血管片を準備し、それをアセチルコリンで処理しました。血管帯が長くなったということは、筋肉細胞が弛緩したことを意味します。不思議なことに、その結果はまったく再現不可能でした。多くの場合、血管ストリップは短くなり、これは予想とはまったく逆でした。この現象はこれまで説明されたことがない。

1978 年、ファーチゴットはこの問題を再検討することを決定し、今度は実験者は血管リングを使用することを選択しました。結果は、アセチルコリン治療が血管拡張を引き起こし、結果が非常に安定していることを示しました。さらに分析を進めると、2つの実験の違いは使用された材料にあることが明らかになりました。血管リングは血管内の内皮細胞に影響を与えませんが、血管ストリップの準備プロセスでは通常、内皮細胞が破壊されます。これに対応して、研究者らは血管輪の内側から内皮細胞も除去し、その結果、アセチルコリンによる治療後、血管はもはや拡張しないことが示された。彼らは内皮細胞を保持した血管片を作製し、それをアセチルコリンで処理したところ、血管が拡張したが、これは以前の結果と一致していた。彼らはサンドイッチ構造も作りました。つまり、一方の血管は内皮を残し、もう一方の血管は取り除いてから一緒に置き（内皮細胞を真ん中に置き）、アセチルコリンで処理すると両方の血管が拡張しました。この一連の結果は、アセチルコリンが筋肉細胞に及ぼす効果には、内皮細胞による特定のメディエーターの産生が必要であることを示しており、ファーチゴットはこれを内皮由来弛緩因子 (EDRF) と名付けました。フルヒゴットはEDRFがどのような物質であるかを分離・特定することはできなかったが、その機能はムラドに大きな関心を抱かせたため、ムラドはフルヒゴットと連絡を取り、研究に協力する準備をしたが、他の理由により遅れた。

六

同じ目的地への異なる道

EDRF の発見は多くの研究者の間で大きな関心を呼び起こしました。世界中の多くの研究室が EDRF の性質を解明しようとしています。その後の研究では、驚くべきことに、EDRF は NO と非常に類似していることがわかりました。

まず、EDRF と NO は類似した生理機能を持っています。どちらも血管拡張を引き起こし、グアニル酸シクラーゼを活性化して cGMP を生成することによって血管拡張を引き起こします。このことと他の証拠から、ムラドは 1986 年に EDRF は内因性 NO であると提唱しました。

第二に、EDRF と NO は化学的性質が類似しています。どちらの物質も半減期は極めて短く、どちらも他のどのテストされた分子とも異なる程度にヘモグロビンのスペクトル吸収に影響を与えます。これに基づいて、ムラドは EDRF が NO であると判断しました。

1986 年、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のファーチゴットとルイス・イグナロは、血管弛緩のメカニズムに関する第 4 回国際シンポジウムで同時にこの発見を報告しました。残念ながら、ほとんどの人はその結果を信じませんでした。しかし、EDRF と NO の一貫性を裏付ける証拠が次々と増え、科学界も徐々にこの事実を受け入れるようになりました。

1988 年、研究者らはアルギニンが体内での NO 生成の原料であることを証明しました。 1990 年に研究者らは、NO 生成を触媒する脳内酵素、脳 NO 合成酵素 (bNOS)、別名 NOS-1 を発見しました。 1991 年には、NOS-3 としても知られる内皮細胞 NO 合成酵素 (eNOS) がさらに発見されました。誘導性 NOS (iNOS) は NOS-2 としても知られ、マクロファージで発見されました。これまでに 3 種類の NOS が特定されており、それぞれ血管拡張、感染抵抗、神経保護といった異なる生理機能を果たします。この時点で、体内にNOが存在することは科学的事実となりました。

生体内でのNO産生

セブン

成功

その後の研究で、NO は想像以上に重要であることが判明しました。広範囲の生物学的プロセスに関与しています。特に、動物における最初のガス信号分子として、CO や H2S などの他のガス信号分子の発見と研究に重要なアイデアを提供します。 1992年、NOはサイエンス誌によって「今年のスター分子」に選ばれました。

NO の重要性がますます明らかになるにつれ、ムラドは一連の科学賞を受賞するようになりました。 1996 年、ムラドとファーチゴットはラスカー基礎医学賞を共同受賞しました。 1998年、彼らはイグナロとともにノーベル生理学・医学賞を共同受賞した。ノーベル賞委員会は、ムラド博士のNOとcGMPに関する研究成果は、古代の薬物の作用原理を説明するだけでなく、多くの生理現象を理解し、病気を治療するための新しいアイデアも提供すると考えています。現在では、NO が炎症、血液循環、組織の発達、平滑筋の弛緩、長期記憶に重要な役割を果たすことがわかっています。また、持続性肺高血圧症の未熟児を治療するための吸入NOなど、心臓病、脳卒中、癌、肺高血圧症などの臨床応用においても重要な可能性を秘めています。

八

老いても強い

ムラドは科学研究のキャリアを常に愛し、生命の謎を解明し、人類に貢献することに専念してきました。

ムラドは1970年から1981年までバージニア大学で働いていました。 1975年、彼は同校で最も若い教授の一人となった。 1971年に臨床研究センター長、1973年に臨床薬理学部長に就任。臨床研究と基礎研究を融合した研究チームを設立し、科学研究の成果をあげ、科学発展の予備軍となる多くの若者を育成した。 1981年、ムラドはスタンフォード大学の教授陣に加わり、1989年まで在籍した。

ムラド氏は、科学研究の成果をより良く変換するために、1988 年にアボット社に副社長として入社しました。その後の4年間、新薬の研究開発や臨床試験を実施し、いくつかの病気に対する新たな治療法に果敢に挑戦しました。残念ながら、彼は期待に応えられなかったために辞めてしまいました。 1993年、ムラド氏はバイオテクノロジー企業を設立し、社長兼CEOを務めた。しかし、十分な資金を調達できず、自身の投資が尽きたため、事業は失敗に終わった。

1997年、ムラドは学界に戻り、テキサス大学ヒューストン校に入学して再び基礎研究を行った。ノーベル賞を受賞した後、ムラドのスケジュールは忙しくなり、さまざまな社会活動に参加する必要があり、それが彼の学術的アイデアを推進する機会を与えました。ムラド氏は、複数の機関で広範な研究を行ってきた精力的な研究者であり、2011 年にワシントン大学に加わりました。

2023年9月4日、ムラドはカリフォルニア州メンロパークで86歳で亡くなった。

ムラド氏の科学研究の経歴は、生命のプロセスには「NO（一酸化窒素）」が必要であり、科学研究のプロセスにはさらに「NO（ノー）」が必要であることを見事に示しています。伝統的な考え方に縛られず、時代遅れの考えに挑戦する勇気を持つことは、偉大な科学者が持つ生来の資質であるべきです。

主な参考文献

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