カブトガニの血液が人類を救う

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化学者のつぶやき

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カブトガニといえば我が国では天然記念物になる場所もあるほどなのであまり生活の中で馴染みがありませんが、実は医療の現場には身近な存在であることはあまり知られていないのかもしれません。定期的にネットで話題にのぼるのでご存知の方も多いかと思いますが、前々から気になっていたのでカブトガニの化学について少し調べてみましたので紹介します。

カブトガニの血液で検索すると結構グロい画像がわんさか出てきます（本当に閲覧注意です）。まず、彼らの血液は青いんですね。とは言っても我々哺乳類の血液とリンパ液に相当する体液なので血リンパと呼ばれるものなのですが、ここでは便宜上血液とします。哺乳類では赤血球内のヘモグロビンの鉄一原子が一分子の酸素を運びますが、カブトガニのような生物の血液中のヘモシアニンは二原子の銅で一分子の酸素を運びます。この酸素が結合したヘモシアニンが青い血の正体です。シアンは関係ありません。ついでにいえばカブトガニはビジュアル的に裏返すとかなりエグいので、どう見てもエイリアンですありがとうございました。

hemocyanin ヘモシアニンの立体構造[1]

さて本題のカブトガニと医療の関係ですが、この血液が関係していますが、残念ながらヘモシアニンは主役ではありません。1956年にBangはカブトガニの血液成分が生菌、死菌を問わずある種のグラム陽性細菌と反応してゲル化することを発見しました。[2] Bangらはその後もこの現象を追い続け、1964年には細菌のエンドトキシンがカブトガニの血液を凝固させる成分であることを突き止めます。[3]エンドトキシンとはある種の微生物の細胞壁の成分(リポ多糖)で、直接微生物から分泌される毒素ではないのですが、この成分に免疫系が反応して重篤な症状を起こすことがあるため、毒（トキシン）とされています。

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緑膿菌のリポ多糖の構造文献[4]より引用

よって医療現場では患者に投与する輸液や注射液など様々なものがこのエンドトキシンフリーであることが求められます。その昔エンドトキシンの検出にはウサギを使っていました。ウサギにエンドトキシンを接種すると、発熱するという現象を利用していました(エンドトキシンは別名発熱成分、pyrogenとも呼ばれます)。しかし、これでは時間もコストもかかってしまいます。そこでカブトガニの血液の出番なわけです。

まずアメリカ産カブトガニ(Limulus polyphemus)の血球(アメーバ細胞)抽出液（Limulus amebocyte lysate, LAL）を試薬として用意します。これらの試験法を学名からリムルス試験もしくはLAL試験と呼びます。このLAL試薬を対象となるサンプルに加えた際、サンプル中にエンドトキシンが含まれているとゲル化が進行しますのでエンドトキシンの有無を定性的に知ることができます。また、そのゲル化の度合いによってサンプルが濁りますので濁度を機械で測定すればエンドトキシンの含有量を定量できます。

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現在は自動化されています(和光純薬HPより)

ではどのような原理に基づくのでしょうか?そこには血液の凝固をコントロールするタンパク質(プロテアーゼ)の巧みなカスケードシステムが利用されています。

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カスケード（和光純薬HPより）

エンドトキシンをトリガーとして段階的に反応が進み、最終的には凝固酵素(clotting enzyme)の前駆体を活性化します。この凝固酵素がコアギュローゲンというタンパク質の一部を切断し、コアギュリンへ変換します。このコアギュリンは他のコアギュリン分子とどんどん会合していき不溶性となるのです。[5]

kabuto_3

図は文献[5]より引用

LAL試験の鋭敏性はエンドトキシンとFactor Cとの結合が強いことが鍵であると考えられており、その解離定数は2.7×10^-8 Mと見積もられています。このことから反応は極めて鋭敏で、0.1 pg/mlから100 ng/mlの広い範囲でエンドトキシンを測定できる優れた手法です。

kabuto_coagulogen 日本カブトガニのコアギュローゲンの立体構造[6]

また、日本のカブトガニにおける関連するタンパク質の解析が報告されており、タンパク質の結晶構造も明らかとなっています。[6] ここでコアギュローゲンの切断位置も判明しており、その部位をミミックした人工ペプチドを設計することで、LAL試験を濁度ではなく可視光の吸光度で測定できる手法も開発されています。また、上述の原理の図中に記した通り、このカスケードにはβ1,3グルカンも反応してしまいますが、最初からβ1,3グルカンであるカードランを過剰に加えておくなどの工夫によってエンドトキシン選択的な検出を可能とする試薬も開発されています。

こういった有用な試薬を生産するために、アメリカカブトガニは年間60万匹も捕獲され、工場で献血させられています。血液は1 L当たり150万円ほどで取引され、年間60億円規模の市場と言われています。心臓から30%ほどの血液が採取されたカブトガニたちはは自然に返されるのですが、一説では10-30%ほどは死んでしまうとか・・・

我が国のカブトガニ(Tachypleus tridentatus)は繁殖地が天然記念物にもなってしまうくらい貴重ですが、かの国では砕いて農業用飼料にされてしまうくらいの水揚げがあるようなので、そうなるよりはマシなのかもしれません。

ゴールデンウィークに岡山を訪れる予定の方は笠岡市立カブトガニ博物館を訪れるのはいかがでしょうか。

参考サイト

生化学工業(株): HP
和光純薬工業(株): HP

参考文献

Hazes, B.; Magnus, K. A.; Bonaventura, C.; Bonaventura, J.; Dauter, Z.; Kalk, K. H.; Hol, W. G. Protein Sci. 2, 597 (1993). DOI: 10.1002/pro.5560020411
Bang, F. B. Bull. Johns Hopkins Hosp. 98, 325 (1956).
Levin, J.; Bang, F. B. Bull. Johns Hopkins Hosp. 115, 265 (1964).
Barkleit, A.; Moll, H.; Bernhard, G. Dalton Trans. 2879 (2008). DOI: 10.1039/B715669C
Kawasaki, H.; Nose, T.; Muta, T.; Iwanaga, S.; Shimohigashi, Y.; Kawabata, S. J. Biol. Chem. 275, 35297 (2000). DOI: 10.1074/jbc.M006856200
Bergner, A.; Oganessyan, V.; Muta, T.; Iwanaga, S.; Typke, D.; Huber, R.; Bode, W. EMBO J. 15, 6789 (1996).