パウル・エールリヒとメチレンブルー：色素が創薬を形づくるまで

パウル・エールリヒの医学への貢献は、薬そのものではなかった。薬をどう捉えるかという考え方だった。

1878年、彼は冒頭の章を「染色の化学的理解」と題した博士論文を提出した。その主張は、組織切片を染色することと布を染めることには、同じ原理が働くというものだった。どちらも色が付くのは、色素と素材の間に化学的な親和性があるからであり、組織に吸収性があるからでも、脂っぽいからでも、色素を閉じ込める形をしているからでもない。エールリヒは、いとこで病理学者のカール・ヴァイゲルトが染色切片を作る様子を見ながら育った。彼の関心を引いたのは、その像ではなく、色素が行き先を選んでいるという事実だった。

控えめな主張に聞こえるが、そうではない。色素が化学的な理由で組織に結合するなら、染色のパターンはその組織の化学的性質を伝えるものになる。染色標本は、単なる図示ではなく測定になる。

彼はすぐにこの考えを発展させた。1880年、メチレンブルーと酸性フクシンを組み合わせ、その混合物を中性色素、neutralen Farbkörperと呼んだ。これにより、当時使われていた単独の色素では区別できなかった白血球の種類を区別できた。2年後には結核菌を染色するメチルバイオレット法を発表し、コッホも自身の研究にこの手法を採用した。

後にこれらの実践に共通の基盤を与えた理論は、別に扱う必要がある。その成立時期は、しばしば区別されずに語られる。エールリヒの側鎖説、すなわち物質が細胞に作用するのは両者が化学的に適合するからだという考えは、色素研究の時代ではなく1890年代に属する。それ以前の研究がもたらしたのは、その前提となる確信だった。選択性は化学的な性質であり、したがって偶然見つかるのを待つのではなく、探し求めることができる。

色素を地図に変えた実験

1885年、エールリヒは生体の酸素要求に関する研究書を刊行し、副題に色彩分析による研究と記した。その手法は、酸化状態によって色が変わる色素を注射し、各臓器がそれをどのように還元し、あるいはそのまま保持するかを比較するものだった。色素は、温度計と同じように測定器として使われていた。直接調べることのできない組織内部の状態を伝える役割を担ったのである。エールリヒ自身は、特定の色素を用いて生きた臓器の還元力を測定することが目的だと述べていた。

メチレンブルーに関する成果は、1886年の生きた神経組織と色素の反応に関する論文で示された。この論文は前年の12月に医学会で発表されていた。生きた動物の血液循環にメチレンブルーを導入し、その後、薄い組織切片を取り出して空気にさらす。すると蓄積していた無色の色素が酸化されて再び青くなり、どこに集まっていたかが分かった。神経細胞と神経線維が染まり、その選択性は、この技法が神経組織を示す標準的な方法となるほどだった。この化合物は、実験台の上で死んだ組織切片に塗るだけの着色物質ではなくなった。生体内で自ら分布する標識となり、その分布を読み取ることができた。

両方の実験の根底にある性質は、明確に述べておく必要がある。この話のすべてが、それに依存しているからだ。メチレンブルーの変化は可逆的である。還元型のロイコメチレンブルーは無色で、酸素に触れると青い陽イオンに戻る。密閉した容器に入れた、グルコースを含む色素溶液は無色だが、容器を開けると青くなる。エールリヒは、染色切片を空気だけでなく塩化鉄でも処理し、色が戻るのを観察することで、この点を直接示したとされる。周囲の酸化還元状態に応じて色を変える色素は、その環境を調べるプローブになる。

こうして、2つの性質が並んだ。色素は、ある組織と別の組織を区別できる。そして色素は、酸化状態の変化によって色を現したり消したりできる。

後世から振り返ると、2つ目の性質は化学療法の始まりに当たる。化合物がある種類の組織には結合し、別の種類には結合しないなら、同じ化合物がある種類の生物には届き、別の種類には届かない可能性がある。エールリヒは、この推論を明確に述べた。病原体を選択的に染色できるなら、その染色は病原体への特異的な害を示しているかもしれない。したがって色素は、患者ではなく侵入者を標的とする薬として使える可能性があった。

患者での最初の試みは、マラリアに対するものではなかった。1890年、エールリヒは精神科医アルトゥール・レップマンとともに、メチレンブルーが筋肉、関節、腱における神経痛やリウマチ性の病態に伴う痛みを軽減したと報告した。2人は、この薬が精神疾患に作用するかどうかを話し合い、試さないことにした。それでも、ジェノヴァのイタリア人医師ピエトロ・ボドーニは試みた。彼の1899年の論文は、さまざまな精神病における鎮静作用を表題としていた。彼は興奮状態にあった14人の患者が落ち着いたことを記述し、ジェノヴァのほかの医師たちもすでに同じ目的でこの色素を使っていると記した。鎮静は疾患そのものへの作用ではない。この区別は、この歴史の中で繰り返し現れる。

マラリアの研究は1891年、病理学者パウル・グットマンとともに、ベルリンのモアビット病院で行われた。2人の患者にメチレンブルーが投与され、その報告は1891年9月28日付のBerliner klinische Wochenschriftに掲載された。最初の症例では、患者が6月29日の夕方に色素0.5 gを一度に服用した。予想されていた発作は完全には起こらず、その後に記録された訴えは、青い尿を伴う軽度の有痛性排尿困難だけだった。最初の数日で発熱発作は消失し、遅くとも8日目までに血液中の原虫は見られなくなった。著者たち自身は、期待が完全に満たされたと総括した。対照群のない2症例では、証明にはならない。現代の試験も含めたメチレンブルーとマラリアの詳しい説明は別のページで扱う。ここで注目したいのは、より限定された問いである。エールリヒの推論は、原虫を相手にどこまで成り立ったのか。

推論が成り立った点と成り立たなかった点

作用機序については、少なくともエールリヒが提案した形では、ほとんど成り立たなかった。平面状の三環式陽イオンが原虫のDNAの塩基対の間に入り込むという整然とした説明は、Plasmodiumには当てはまらない。メチレンブルーは感染した赤血球によって非常に容易に還元されるため、平面状の陽イオンとして原虫に到達することがそもそもない。アクリジン色素に当てはまるインターカレーションの説明は、この色素には当てはまらない。

証拠が支持するのは、もっと複雑な説明である。メチレンブルーは、患者の体内で到達し得る濃度で原虫のグルタチオン還元酵素を阻害する。また、ヘムからヘモゾインへの変換を、クロロキンとほぼ同程度、キニーネよりはるかに強く阻害する。ヘモゾインは、原虫がヘモグロビンを消化する際に生じる物質で自らが害を受けるのを避けるために作る、不活性な色素である。メチレンブルーの酸化還元サイクルは、すでに活性酸素種を生成している細胞内で、さらに活性酸素種を生み出す。これらのうちどれが実際の作用機序なのか、あるいはすべてが寄与するのかは、まだ決着していない。

さらに複雑にする事情があり、この化合物に関する歴史的な主張を読む際には、それを考慮する必要がある。当時の市販メチレンブルーは、単一の物質ではなかった。試料には、メチル基が1つ外れた同族体であるAzure Bが含まれており、古い溶液ほどその量が増えた。Azure Bは、異なる標的を持つ異染性色素であり、二本鎖DNAを濃い青に、RNAを緑に染める。行き先の異なる2つの色素が、誰も記録していない比率で混ざっている以上、その中のメチレンブルーが何をしたのかを明確に断定することはできない。

この色素自体がキニーネに取って代わることはなかった。手法のほうが、より大きな成果を上げた。エールリヒの弟子ヴィルヘルム・レールは、染料と医薬品の企業連合IG Farbenで働きながら、色素誘導体を熱帯病の薬として研究し続け、欠けていた手段を提供した。それは、鳥マラリアに感染させたカナリアを、候補化合物の定常的なスクリーニングに使うことだった。その後、ヴェルナー・シューレマンが側鎖を変更し、得られたフェノチアジニウム塩は実験的な感染を治癒させた。それでも、患者を青くする性質は残っていた。

長く受け継がれた成果は、色素でも環系でもなく、側鎖だった。ジアルキルアミノアルキルアミノ基を加えると分子の挙動が変わり、この部分構造はその後のあらゆる再設計を通じて残った。この基を保ったままフェノチアジニウム環をアクリジン環に置き換えると、キナクリンになる。キノリン環に置き換えると、クロロキンになる。今も抗マラリア薬に数えられるパマキン、プリマキン、アモジアキンも、同じ基を持っている。治療薬として成功しなかった化合物が、成功するための構造部分を提供したのである。

抗精神病薬とのつながりは、薬としてではなく環構造を通じて生まれた。メチレンブルーの構造解明が、1883年にハインリヒ・アウグスト・ベルントゼンを基本骨格であるフェノチアジン核へと導いた。1940年代にローヌ・プーランの化学者たちが抗ヒスタミン薬を探す中で研究していたのは、この骨格にさまざまな置換基を付けたものだった。そのうちの1つが1950年末ごろに合成され、外科医アンリ・ラボリが試験した。彼は、それが患者を落ち着かせ、無関心な状態にすることに気づいた。精神科での使用が初めて公表されたのは1952年1月で、躁状態の患者への使用だった。最初の抗精神病薬は、エールリヒの抗マラリア薬の子孫というより、彼が出発点とした色素の遠い親戚に当たる。

この出来事から受け継ぐべき3つの姿勢

1. 「医学で使用された最初の合成薬」という表現は、ある分類を指しており、必要な条件はその言葉から受ける印象よりも多い。 この表現は定着している。Neurobiology of Agingに掲載されたシルマーらによる引用の多い総説は、メチレンブルーを医学で使用された史上初の完全合成薬と呼んでいる。しかし、抱水クロラールは、それより20年以上前の1869年に合成鎮静薬として導入されていた。1891年の論文自体にも、答えの一部がある。著者たちは、すでにマラリアに対して効果を示さなかった合成解熱薬として、キノリン、アンチピリン、アンチフェブリンなどを挙げている。エールリヒ自身の梅毒用ヒ素化合物が登場したのは、さらに後だった。この主張について根拠をもって言えるのは、先取性よりも手法に関することだ。メチレンブルーは、選択性の化学理論に基づき、特定の生物に作用させる目的で選ばれた、最も初期の合成化合物の1つである。
2. 選択的に分布することと、選択的に有益な作用をもたらすことは別である。 エールリヒの1886年の成果は、色素が神経組織へ行くというものだった。化合物がどこへ行くかと、到達した先で何をするかは、別々に測定すべき事柄であり、前者のほうがはるかに測定しやすい。それ以来、メチレンブルーと脳に関する主張の多くは、この隔たりの中に位置してきた。
3. 純度は宣伝文句ではなく、証拠の一部である。 歴史的な記録が曖昧なのは、まさにこの理由による。構造の小さな違いが、この化合物の行き先を変える。そのため、分析証明書は特定のロットに対応している必要があり、単に製品が試験済みであることを示すものとして提示するべきではない。重金属しか試験していないのに薬局方の各条への適合をうたう販売者は、報告書が裏付ける範囲を超えた主張をしている。Blupremeは医薬品メーカーからメチレンブルーを調達し、各条が定める規格全体を試験している。試験項目は、確認、純度、有機不純物、残留溶媒、元素不純物、強熱残分、微生物限度、細菌エンドトキシンである。報告書は製品とともに公開されており、USPグレードのメチレンブルーのページでは、これらの限度値と、Azure Bの結果を最初に確認すべき理由を説明している。

年代順にたどる出典

エールリヒ以前の色素化学や、その後のグレードと規格も含む出来事の年代順の流れは、メチレンブルーの歴史で別にまとめている。化合物そのものの基本情報は、メチレンブルーとは何かで説明している。

この説明の根拠となる図版は、クラフツ、ヘンペルマン、スコルスカ＝スタニアによる2012年の総説に転載されているが、どれも同じ性質の資料ではない。1つの例を見れば、その理由が分かる。1891年の図版は試験の一次記録である。一方、その隣にある1910年の肖像画が示すのは、その時点での名声だけだ。アンダーザークの1934年の実験ノートのページは、キノリンへの置換を化学者本人の筆跡で記録した、直接の証拠である。

エールリヒの色素実験を正確にまとめるなら、選択性と標的は捉えたが、作用機序は誤っていた、ということになる。メチレンブルーは確かに神経組織に集まり、マラリア原虫に害を与える。しかし、後者が起こるのは前者のためではなく、彼が両方に対して提示した化学的な説明は誤っていた。彼が疑いの余地なく示したのは、正しい作用機序よりも長く受け継がれることだった。化合物は、偶然見つけるのではなく選ぶことができる。そして、患者に投与する前に集めた証拠に基づいて選ぶことができる。