Optical control of the plasma membrane functions by using dynamic exciton

• Project Area: Dynamic Exciton: Emerging Science and Innovation
• Project/Area Number: 20H05842
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Toyama Prefectural University
• Principal Investigator: 村上 達也 富山県立大学, 工学部, 教授 (90410737)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 沼田 朋大 秋田大学, 医学系研究科, 教授 (20455223)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥77,350,000 (Direct Cost: ¥59,500,000、Indirect Cost: ¥17,850,000); Fiscal Year 2024: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2023: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2022: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000); Fiscal Year 2021: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000); Fiscal Year 2020: ¥28,340,000 (Direct Cost: ¥21,800,000、Indirect Cost: ¥6,540,000)
• Keywords: 視力回復 / 光細胞工学 / 電荷分離分子 / ドラッグデリバリーシステム / 脂質ナノ粒子 / 細胞膜電位 / 細胞膜内分子配向制御 / ドラッグデリバリー / 点眼 / 膜電位 / ナノ電場 / 光制御 / 膜融合 / 配向制御 / イオンチャネル / 神経発火 / 薬物送達 / 難病治療

Outline of Research at the Start

本研究の最終目標は、ドナー分子(D)とアクセプター分子(A)で構成されるD-A連結分子を用いて、神経難病の光治療や生体深部イメージングを実現することである。光照射下でD-A連結分子により発生する分子内電荷分離状態（Dが正電荷、Aが負電荷を帯びる）を強力なナノ電場と捉える。このナノ電場を神経伝達のために細胞膜電位というナノ電場を利用している神経細胞に作用させ、その伝達をD-A連結分子でコントロールすることを目指す。さらに高効率で赤外発光するよう巧妙に設計されたD-A連結分子を別途開発し、生体深部がんのイメージング剤としての可能性も探求する。

Outline of Annual Research Achievements

ドナー－アクセプター連結分子（Ｄ―Ａ分子）による視神経細胞活動の光操作、失明患者の視力回復に向けて、Ｄ－Ａ分子の（１）細胞膜内輸送キャリア（ＮＤ）と（２）細胞膜内異方的配置（Ｄ部分は細胞内側，Ａ部分は細胞外側）、（３）新しいＤ－Ａ分子による細胞膜電位光制御、そして新展開として（４）眼疾患の光治療、に注力した。
（１）点眼により搭載分子を網膜に輸送するＮＤを開発することに成功した。本ＮＤの開発に当たっては、新規な角膜吸収促進ペプチドの発見があった。新生血管内皮細胞に発現する受容体ＣＤ１３のペプチドリガンドとしてＮＧＲトリペプチドが知られていたが、今回、ＣＤ１３がマウス角結膜、培養ヒト角結膜細胞にも発現していることを発見し、ＮＧＲを結合させることにより、ＮＤの角膜吸収効率が約5倍に増強されることを明らかにした。
（２）昨年度までに見いだした細胞膜アンカー分子（ＰｙＢ）およびＮＤを用いて、ＴＣ１（京大今堀研で合成されたＤ－Ａ分子）を培養神経細胞に輸送し、光照射したところ、光誘導膜電位変化は加速されず、ＰｙＢ添加効果はあったとしても非常に弱いことがわかった。
（３）新しいＤ－Ａ分子（長崎大作田研合成）を用いて同様の実験を行った。まずＮＤへの搭載条件を探索し、ＮＤに含まれるリン脂質に対する搭載分子モル数が最大となるよう条件を最適化した。得られたサンプルを用いて膜電位測定を行ったところ、迅速な脱分極・再分極が観察された。
（４）光線力学療法で用いられるｖｅｒｔｅｐｏｒｆｉｎ　（ＶＰ）とＮＤの複合体を作製し、加齢黄斑変性に対する新しい光線力学療法の開発を試みた。先行医薬品であるＶｉｓｕｄｙｎｅ（ＶＰのリポソーム製剤）をラボで作製し、ＶＰ搭載ＮＤとの性能比較をマウスを用いて行ったところ、校舎は前者に比べて、顕著に高い疾患部位集積性・滞留性・光治療効果そして顕著に低い光毒性を示すことがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初予定していたＴＣ１とＰｙＢによる迅速な光誘導脱分極が、現時点では、難しいことがわかり、方針転換を余儀なくされた。しかし新しいＤ－Ａ分子を用いることで、迅速な光誘導脱分極・再分極が得られ、最終目標に向かって研究を継続できることがわかった。課題として、脱分極量（ΔVm）の少なさがある。現時点でΔVm=～５ｍVであり、～１５ｍV（活動電位を生み出す膜電位依存性チャネルの活性化に必要な量）を目標として研究を進める。
ＮＧＲペプチドは、元々新生血管標的化ペプチドとして見いだされたが、今回その角結膜吸収促進機能の発見は、点眼用ドラッグキャリア（ＮＤ）開発という点で、非常に大きな進歩だと考えている。
ＮＧＲを含むＮＤを用いて失明性眼疾患の光線力学療法という新たな展開を見いだすことができた。現在、京大眼科医と共同で臨床開発を進めている。

Strategy for Future Research Activity

ＳＰＤ－Ｂｒ搭載ＮＤによるΔＶｍ＝～１５ｍＶを目指して、条件最適化を行う。これには、サンプル調製法（ＳＰＤ－Ｂｒ構造改変含む）、細胞内ＳＰＤ－Ｂｒ定量・局在、が含まれる。
高角膜吸収性キャリアの開発を引き続き進める。具体的には、ＮＤあたりのＮＧＲペプチド数を増加させる。

Research Products

• [Journal Article] Comprehensive Analysis of Drug Loading into Engineered Lipoprotein Nanoparticles toward Their Eye Drop Application (2023)
  • Author(s): Fukuda Ryosuke、Shima Rumina、Shibukawa Shiori、Murakami Tatsuya
  • Journal Title: ACS Applied Bio Materials Volume: 7 Issue: 1 Pages: 99-103
  • DOI: 10.1021/acsabm.3c01003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of lipoprotein nanoparticles' composition and size on their internalization in plant and mammalian cells (2023)
  • Author(s): Fukuda Ryosuke、Tani Misaki、Shibukawa Shiori、Nobeyama Tomohiro、Nomura Taiji、Kato Yasuo、Murakami Tatsuya
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 28 Issue: 12 Pages: 881-892
  • DOI: 10.1111/gtc.13075
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synthesis of Butterfly‐Like Shaped Gold Nanomaterial: For the Regulation of Liquid?Liquid Phase‐Separated Biomacromolecule Droplets (2023)
  • Author(s): Nobeyama Tomohiro、Tataka Koji、Mori Megumi、Murakami Tatsuya、Yamada Yoichi、Shiraki Kentaro
  • Journal Title: Small Volume: 19 Issue: 49 Pages: 00362-00362
  • DOI: 10.1002/smll.202300362
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High‐Density Lipoprotein Engineering for Eye‐Drop Treatment of Age‐Related Macular Degeneration (2023)
  • Author(s): Fukuda Ryosuke、Mahmuda Nargis、Kasirawat Sawangrat、Kawakami Ryo、Shima Rumina、Mizukami Yu、Shibukawa Shiori、Tada Yuki、Kawanishi Fumitake、Ogura Masatsune、Matsuki Kota、Nagai Yoshinori、Nakano Eri、Suda Kenji、Tsujikawa Akitaka、Murakami Tatsuya
  • Journal Title: Advanced Therapeutics Volume: 6 Issue: 11 Pages: 2300186-2300186
  • DOI: 10.1002/adtp.202300186
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intermediate Conductance Ca2+-Activated Potassium Channels Are Activated by Functional Coupling with Stretch-Activated Nonselective Cation Channels in Cricket Myocytes (2023)
  • Author(s): T. Numata, K. Sato-Numata, M. Yoshino
  • Journal Title: Front. Insect Sci. Volume: 2 Pages: 1100671-1100671
  • DOI: 10.3389/finsc.2022.1100671
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sigma-1 receptor is involved in modification of ER-mitochondria proximity and Ca2+ homeostasis in cardiomyocytes (2023)
  • Author(s): Tagashira Hideaki、Bhuiyan Md. Shenuarin、Shinoda Yasuharu、Kawahata Ichiro、Numata Tomohiro、Fukunaga Kohji
  • Journal Title: Journal of Pharmacological Sciences Volume: 151 Issue: 2 Pages: 128-133
  • DOI: 10.1016/j.jphs.2022.12.005
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 加齢黄斑変性治療標的としての高密度リポタンパク質 (2022)
  • Author(s): 村上 達也
  • Journal Title: 別冊BIO Clinica Volume: 11 Pages: 92-96
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Potential of Lipoprotein-Based Nanoparticulate Formulations for the Treatment of Eye Diseases (2020)
  • Author(s): Fukuda, R.; Murakami, T.
  • Journal Title: Biological and Pharmaceutical Bulletin Volume: 43 Issue: 4 Pages: 596-607
  • DOI: 10.1248/bpb.b19-00858
  • NAID: 130007825271
  • ISSN: 0918-6158, 1347-5215
  • Year and Date: 2020-04-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elucidation of the Mechanisms for the Underlying Depolarization and Reversibility by Photoactive Molecule. (2020)
  • Author(s): Numata Tomohiro、Fukuda Ryosuke、Hirano Mitsuru、Yamaguchi Kazuma、Sato-Numata Kaori、Imahori Hiroshi、Murakami Tatsuya
  • Journal Title: Cellular Physiology and Biochemistry Volume: 54 Issue: 5 Pages: 899-916
  • DOI: 10.33594/000000277
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Evaluation of Vascular Endothelim Adhesion of Lipid Nanoparticles in Zebrafish Embryo (2023)
  • Author(s): Tatsuya MURAKAMI, Ryosuke FUKUDA, Rumina SHIMA, Shiori, SHIBUKAWA, Yu MIZUKAMI, Ryo KAWAKAMI, Reina NAKANISHI, Fumitake KAWANISHI
  • Organizer: Materials Research Meeting 2023
• [Presentation] Apolipoprotein A-I helix4ペプチドを含む脂質ナノ粒子の物性・機能評価 (2023)
  • Author(s): 水上 侑、河上 亮、島 瑠美奈、澁川 しおり、福田 亮介、長井 良憲、村上 達也
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会
• [Presentation] ゼブラフィッシュ幼生ライブイメージングによる脂質ナノ粒子の血管内皮接着性評価 (2023)
  • Author(s): 村上 達也、福田 亮介、島 瑠美奈、澁川 しおり、水上 侑、河上 亮、中西 伶奈、河西 文武
  • Organizer: 第96回日本生化学会
• [Presentation] 角膜接着性と生物活性が増強された高密度リポタンパク質の加齢黄斑変性モデルマウスに対する治療効果 (2023)
  • Author(s): 澁川 しおり、河上 亮、福田 亮介、河西 文武、中野 絵梨、須田 謙史、辻川 明孝、村上 達也
  • Organizer: 第39回日本DDS学会学術集会
• [Presentation] High-Density Lipoprotein Engineering for Eye Drop Treatment of Age-Related Macular Degeneration (2023)
  • Author(s): Tatsuya MURAKAMI
  • Organizer: The 7th Toyama-Basel Joint Symposium Connect to the Future Sustainable Collaborations for Drug Development
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Photoregulation of the Membrane Potential of Living Cells with Ferrocene-Porphyrin-Fullerene-Linked Molecules (2023)
  • Author(s): T. Murakami
  • Organizer: 103rd Annual Meeting of the Chemical Society of Japan
  • Invited
• [Presentation] Apolipoprotein A-I由来ペプチドを用いる新規脂質ナノ粒子の作製 (2023)
  • Author(s): Y. Mizukami, R. Kawakami, R. Shima, S. Shibukawa, R. Fukuda, T. Murakami
  • Organizer: The 143rd Annual Meeting of the Japanese Pharmaceutical Society
• [Presentation] The exacerbation mechanism of cardiomyocyte injury by cardiac Sigma-1 receptor knockdown. (2023)
  • Author(s): H. Tagashira, Y. Shinoda, T. Numata, K. Fukunaga
  • Organizer: The 100th Annual Meeting for The Physiological Society of Japan
• [Presentation] Functional coupling between BK and L-type Ca2+ channels found in cricket oviducts (2023)
  • Author(s): T. Numata, K. Sato-Numata, M. Yoshino
  • Organizer: The 100th Annual Meeting for The Physiological Society of Japan
• [Presentation] The role of LRRC8D in the regulatory volume decrease in human epithelial cells. (2023)
  • Author(s): K. Sato-Numata, T. Suzuki, A. Sakai, S. Mori, Y. Okada, T. Numata
  • Organizer: The 100th Annual Meeting for The Physiological Society of Japan
• [Presentation] Elucidation of the water secretion mechanism of Boui-ougi-to and its application to cancer therapeutic agents (2023)
  • Author(s): T. Suzuki, H. Saito, K. Sato-Numata, T. Numata
  • Organizer: The 100th Annual Meeting for The Physiological Society of Japan
• [Presentation] The regulation mechanisms of mitochondrial Ca2+ signaling mediated by cardiac Sigma-1 receptor (2023)
  • Author(s): H. Tagashira, Y. Shinoda, T. Numata, K. Fukunaga
  • Organizer: The 100th Annual Meeting for The Physiological Society of Japan
• [Presentation] New role of TRPM7 in cell volume regulation mechanism (2022)
  • Author(s): T. Numata
  • Organizer: The 99th Annual Meeting for The Physiological Society of Japan
  • Invited
• [Presentation] Photoregulation of the Membrane Potential of Living Cells with Donor-Acceptor-Linked Molecules (2022)
  • Author(s): T. Murakami
  • Organizer: Annual Meeting on Photochemistry 2022
  • Invited
• [Presentation] Corneal epithelial cell affinity and posterior eye drug delivery ability of lipoprotein variants (2022)
  • Author(s): S. Shibukawa, Y. Tsukio, R. Fukuda, T. Murakmi
  • Organizer: MBSJ2022
• [Presentation] 加齢黄斑変性の早期病態改善を目指した網膜内薬物送達法の開発 (2022)
  • Author(s): R. Kawakami, R. Fukuda, K. Suda, E. Nakano, A. Ichioka, A. Tsujikawa, T. Murakami
  • Organizer: MBSJ2022
• [Presentation] 加齢黄斑変性の早期病態改善を目指した網膜内薬物送達法の開発 (2022)
  • Author(s): T. Ohashi, R. Fukuda, S. Shibukawa, T. Murakami
  • Organizer: 第71回高分子学会北陸支部研究発表会
• [Presentation] Photoregulation of the Membrane Potential of Living Cells with Donor-Acceptor-Linked Molecules (2021)
  • Author(s): T. Murakami
  • Organizer: Annual Meeting on Photochemistry 2022
  • Invited
• [Presentation] ゼブラフィッシュによるリポタンパク質の体内動態評価 (2021)
  • Author(s): R. Shima, R. Fukuda, S. Shibukawa, Y. Mizukami, R. Kawakami, F. Kawanishi, J. Huwyler, T. Murakami
  • Organizer: The 37th Annual Meeting og the Japan Society of Drug Delivery System
• [Presentation] アクティブターゲティング能を付与した治療用ナノ粒子の作製と生物活性評価 (2021)
  • Author(s): R. Kawakami, R. Fukuda, F. Kawanishi, M. Ogura, T. Murakami
  • Organizer: The 37th Annual Meeting og the Japan Society of Drug Delivery System
• [Presentation] CD13リガンドと細胞膜透過ペプチドを含む人工HDL点眼剤の可能性 (2021)
  • Author(s): R. Fukuda, M. Nargis, R. Kawakami, Y. Nagai, E. Nakano, K. Suda, A. Tsujikawa, T. Murakami
  • Organizer: The 37th Annual Meeting og the Japan Society of Drug Delivery System
• [Presentation] リポタンパク質の変異体化による生物活性の増強とそのメカニズムの検討 (2020)
  • Author(s): 福田 亮介、河上 亮、河西 文武、小倉 正恒、村上 達也
  • Organizer: 第15回トランスポーター研究会年会Web
• [Presentation] One-Step Preparation and Freeze-Drying of Drug-loaded Protein/Lipid Nanocomposites (2020)
  • Author(s): Ryosuke FUKUDA, Mio SAITO, Rumina SHIMA, Shiori SHIBUKAWA, Ayumi SUMINO, Minoru NAKANO, and Tatsuya MURAKAMI
  • Organizer: CRS2020 Virtual Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Doubly modified lipoprotein mutant for the eye drop treatment of age-related macular degeneration (2020)
  • Author(s): Sawangrat KASIRAWAT, Ryosuke FUKUDA, Kenji SUDA, Eri NAKANO, Akitaka TSUJIKAWA, Tatsuya MURAKAMI
  • Organizer: 日本薬学会第140年会Web
• [Book] 新規モダリティ医薬品のための新しいDDS技術と製剤化（第６章、第９節） (2022)
  • Author(s): 村上 達也、澁川 しおり
  • Total Pages: 9
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861049361
• [Remarks] 大学研究室ホームページ
  • URL: https://www.pu-toyama.ac.jp/BR/murakami/
• [Remarks] 富山県立大学村上研究室ＨＰ
  • URL: https://www.pu-toyama.ac.jp/BR/murakami/
• [Patent(Industrial Property Rights)] ナノ粒子作製法 (2023)
  • Inventor(s): 高田耕児、村上達也
  • Industrial Property Rights Holder: 富山県産業技術研究開発センター、富山県立大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-146373
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 高密度リポタンパク質およびその細胞親和性ペプチドを融合した高密度リポタンパク質の点眼による後眼部薬物デリバリー (2023)
  • Inventor(s): 村上達也、須田謙史、辻川明孝
  • Industrial Property Rights Holder: 富山県立大学、京都大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2023-141459
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 複合脂質含有複合体及びこの複合体を含む組成物 (2023)
  • Inventor(s): 村上達也
  • Industrial Property Rights Holder: 富山県立大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2024-030964
  • Filing Date: 2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 薬物デリバリーキャリアおよびこれを用いる医薬組成物 (2020)
  • Inventor(s): 村上 達也、サウェンラット カシラワット、福田 亮介、他４名
  • Industrial Property Rights Holder: 富山県立大学，京都大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-036022
  • Filing Date: 2020