Design of Biomimetic Polymers Which Enable Immuno-tolerant Effects via Week Interactions

• Project Area: Biophysical Chemistry for Material Symbiosis
• Project/Area Number: 20H05877
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 荏原 充宏 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 高分子・バイオ材料研究センター, 副センター長 (10452393)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宇都 甲一郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 高分子・バイオ材料研究センター, 主任研究員 (30597034)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥152,360,000 (Direct Cost: ¥117,200,000、Indirect Cost: ¥35,160,000); Fiscal Year 2024: ¥27,690,000 (Direct Cost: ¥21,300,000、Indirect Cost: ¥6,390,000); Fiscal Year 2023: ¥27,690,000 (Direct Cost: ¥21,300,000、Indirect Cost: ¥6,390,000); Fiscal Year 2022: ¥27,690,000 (Direct Cost: ¥21,300,000、Indirect Cost: ¥6,390,000); Fiscal Year 2021: ¥27,040,000 (Direct Cost: ¥20,800,000、Indirect Cost: ¥6,240,000); Fiscal Year 2020: ¥42,250,000 (Direct Cost: ¥32,500,000、Indirect Cost: ¥9,750,000)
• Keywords: 弱い相互作用 / 免疫寛容 / 抗炎症 / 生体模倣 / スマートポリマー / 物質共生 / アポトーシス / MPS

Outline of Research at the Start

本研究では、本領域の命題である「マテリアル・シンバイオシスの理解と実現」のため、これまで研究代表者が独自に開発を進めてきたPSを模倣した合成ポリマー（methacryloyloxyethyl phosphorylserineポリマー; MPSポリマー）を基盤とした新たなシンバイオティック・マテリアルの創製を目指す。MPSポリマーと免疫細胞との弱い相互作用という観点から、MPSポリマーの重合比、組成、分子量、粒径などが抗炎症効果に与える影響を詳細に調べることで、これまでになかった「物質共生のための生命物理化学」という学問を切り拓く。同時に物質共生のためのキーマテリアルを創製し、領域目標の達成に寄与する。

Outline of Annual Research Achievements

近年の免疫治療学分野では、抗体のような標的分子と強く相互作用する分子ではなく、弱い相互作用に基づいて共生状態を調整している分子が大いに注目を集めている。本研究では、細胞がアポトーシスを起こす際に細胞膜の外側に露呈されるフォスファチジルセリン（PS）に着目し、抗炎症シグナルの誘導メカニズムを解明することを目的としている。その実現のために本研究では、独自に開発を進めてきたPSを模倣した合成ポリマー（methacryloyloxyethyl phosphorylserineポリマー; MPSポリマー）を基盤とした新たなシンバイオティック・マテリアルの創製を目指す。当該年度は、MPSポリマーと免疫細胞との相互作用を検討した結果、MPSポリマーの重合比、組成、分子量、粒径などのパラメーターによって免疫細胞と相互作用を変化させると免疫細胞の抗炎症効果に大きく影響を与えることが明らかとなった。これらの結果は、これまでになかった「物質共生のための生命物理化学」という学問を切り拓くために重要な知見となる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

近接場発光法を利用することで、MPSを認識するレセプターの網羅的解析を行うことが本年度の目標としたが、標識化したMPS粒子の作製とそれを用いたレセプターの探索を行うことができ、Tim4ファミリーがその候補として確認できた。

Strategy for Future Research Activity

今後は、昨年度系を立ち上げた近接場発光法を用いたMPSレセプターの網羅的解析をさらに掘り進め、MPS構造とレセプターへの親和性について定量的な解析を行う。特にMPSを導入する材料側の特性がMPS認識に与える影響について調べる。他の計画班が有する解析装置（高速ライブセルAFM、X線結晶構造解析、NMR解析、X線散乱、高速原子間力顕微鏡およびクライオ電子顕微鏡解析）を利用することで、相互作用の強さを明らかにしていく。同時に、本研究計画を通しての最終目標がMPSポリマーの抗炎症治療への応用であるため、効率的な投与方法や最適な血中滞留時間などをさらに制御する必要がある。そのために、抗体やヒアルロン酸との融合により新たな治療薬としての開発を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] エジプト肝臓病センター(エジプト)
• [Int'l Joint Research] エジプト肝臓病センター(エジプト)
• [Journal Article] Development of Apoptotic-Cell-Inspired Antibody-Drug Conjugate for Effective Immune Modulation (2023)
  • Author(s): Lee Gyeongwoo、Iwase Taishu、Matsumoto Shunsuke、Nabil Ahmed、Ebara Mitsuhiro
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 24 Issue: 22 Pages: 16036-16036
  • DOI: 10.3390/ijms242216036
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of an apoptotic cell-mimetic wound dressing using phosphoserine-chitosan hydrogels (2023)
  • Author(s): Lee Gyeongwoo、Nabil Ahmed、Kwon Oh Hyeong、Ebara Mitsuhiro
  • Journal Title: Biomaterials Science Volume: 11 Issue: 24 Pages: 7897-7908
  • DOI: 10.1039/d3bm01259j
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiphase PCL semi-interpenetrating networks exhibiting the triple- and stress-free two-way shape memory effect (2023)
  • Author(s): Uto Koichiro、Matsushita Yoshitaka、Ebara Mitsuhiro
  • Journal Title: Polymer Chemistry Volume: 14 Issue: 13 Pages: 1478-1487
  • DOI: 10.1039/d2py01607a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Humidity‐Responsive Polyvinyl Alcohol/Microcrystalline Cellulose Composites with Shape Memory Features for Hair‐Styling Applications (2023)
  • Author(s): Uto Koichiro、Liu Yihua、Mu Mingwei、Yamamoto Rie、Azechi Chinami、Tenjimbayashi Mizuki、Kaeser Adrien、Marliac Marie‐Adeline、Alam Mohammad Mydul、Sasai Jun、Ebara Mitsuhiro
  • Journal Title: Advanced Materials Interfaces Volume: 11 Issue: 1 Pages: 2300274-2300274
  • DOI: 10.1002/admi.202300274
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A facile, flexible, and multifunctional thermo-chemotherapy system for customized treatment of drug-resistant breast cancer (2023)
  • Author(s): Chen Lili、Nabil Ahmed、Fujisawa Nanami、Oe Emiho、Li Kai、Ebara Mitsuhiro
  • Journal Title: Journal of Controlled Release Volume: 363 Pages: 550-561
  • DOI: 10.1016/j.jconrel.2023.10.010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tunable enzymatically degradable hydrogels for controlled cargo release with dynamic mechanical properties (2023)
  • Author(s): Tanimoto Riho、Ebara Mitsuhiro、Uto Koichiro
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 19 Issue: 33 Pages: 6224-6233
  • DOI: 10.1039/d3sm00475a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elastocaloric effect of shape memory polymers in elastic response regime (2023)
  • Author(s): Hirai Takamasa、Uto Koichiro、Ebara Mitsuhiro、Uchida Ken-ichi
  • Journal Title: Journal of Physics: Energy Volume: 5 Issue: 3 Pages: 034011-034011
  • DOI: 10.1088/2515-7655/ace7f3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Biobased chitosan-derived self-nitrogen-doped porous carbon nanofibers containing nitrogen-doped zeolites for efficient removal of uremic toxins during hemodialysis (2023)
  • Author(s): Yang I-Hsuan、Szabo Laszlo、Sasaki Makoto、Uto Koichiro、Henzie Joel、Lin Feng-Huei、Samitsu Sadaki、Ebara Mitsuhiro
  • Journal Title: International Journal of Biological Macromolecules Volume: 253 Pages: 126880-126880
  • DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2023.126880
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Locally implantable nanofibre meshes by sustained release of temozolomide for combined thermo-chemotherapy to treat glioblastoma (2023)
  • Author(s): Oe Emiho、Fujisawa Nanami、Chen Lili、Uto Koichiro、Matsumoto Yoshitaka、Ebara Mitsuhiro
  • Journal Title: New Journal of Chemistry Volume: 47 Issue: 12 Pages: 5816-5824
  • DOI: 10.1039/d3nj00534h
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temperature responsive smart polymer for enabling affinity enrichment of current coronavirus (SARS-CoV-2) to improve its diagnostic sensitivity (2021)
  • Author(s): Nabil Ahmed、Yoshihara Erika、Hironaka Keita、Hassan Ayman A.、Shiha Gamal、Ebara Mitsuhiro
  • Journal Title: Computational and Structural Biotechnology Journal Volume: 19 Pages: 3609-3617
  • DOI: 10.1016/j.csbj.2021.06.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Conjugation of antibody with temperature-responsive polymer via in situ click reaction to enable biomarker enrichment for increased diagnostic sensitivity (2021)
  • Author(s): Keita Hironaka, Erika Yoshihara, Ahmed Nabila, James J. Lai, Akihiko Kikuchi, Mitsuhiro Ebara
  • Journal Title: Biomaterials Science Volume: 9 Issue: 14 Pages: 4870-4879
  • DOI: 10.1039/d1bm00349f
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Smart Hyperthermia Nanofiber-Platform-Enabled Sustained Release of Doxorubicin and 17AAG for Synergistic Cancer Therapy (2021)
  • Author(s): Lili Chen, Nanami Fujisawa, Masato Takanohashi, Mazaya Najmina, Koichiro Uto and Mitsuhiro Ebara
  • Journal Title: International Journal of Molecular Science Volume: 22 Issue: 5 Pages: 2542-2542
  • DOI: 10.3390/ijms22052542
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a new poly-ε-caprolactone with low melting point for creating a thermoset mask used in radiation therapy (2021)
  • Author(s): Aoyama Takahiro、Uto Koichiro、Shimizu Hidetoshi、Ebara Mitsuhiro、Kitagawa Tomoki、Tachibana Hiroyuki、Suzuki Kojiro、Kodaira Takeshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 20409-20409
  • DOI: 10.1038/s41598-021-00005-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Shape-memory balloon offering simultaneous thermo/chemotherapies to improve anti-osteosarcoma efficacy (2021)
  • Author(s): Ouchi Sosuke、Niiyama Eri、Sugo Ken、Uto Koichiro、Takenaka Satoshi、Kikuchi Akihiko、Ebara Mitsuhiro
  • Journal Title: Biomaterials Science Volume: 9 Issue: 20 Pages: 6957-6965
  • DOI: 10.1039/d1bm00780g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 免疫反応を制御するバイオマテリアル ～死細胞から学ぶ巧みな免疫制御システム (2021)
  • Author(s): 荏原 充宏 田崎 朱里
  • Journal Title: オレオサイエンス Volume: 21 Pages: 447-453
  • NAID: 130008113753
• [Journal Article] Physical and dosimetric characterization of thermoset shape memory bolus developed for radiotherapy (2020)
  • Author(s): Takahiro Aoyama, Koichiro Uto, Hidetoshi Shimizu, Mitsuhiro Ebara, Tomoki Kitagawa, Hiroyuki Tachibana, Kojiro Suzuki, Takeshi Kodaira
  • Journal Title: Medical Physics Volume: 47 Issue: 12 Pages: 6103-6112
  • DOI: 10.1002/mp.14516
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] “貼るがん治療”を目指した スマートナノファイバーメッシュの開発 (2023)
  • Author(s): 荏原充宏、大江笑北、藤澤七海、鷹觜聖人、陳麗麗、新山瑛理
  • Organizer: 第39回日本DDS学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] スマートナノファイバーで拓く 新たな癌治療戦略 (2023)
  • Author(s): 荏原充宏
  • Organizer: 日本ハイパーサーミア学会第40回大会
  • Invited
• [Presentation] スマートポリマーを用いた 感染症早期診断への展開 (2023)
  • Author(s): Ahmed Nabil, James Lai, Allan S. Hoffman, 荏原充宏
  • Organizer: 第72回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] スマートナノファイバーメッシュによる 末梢神経再生・癌治療への挑戦 (2023)
  • Author(s): 荏原充宏
  • Organizer: 第45回日本バイオマテリアル学会大会
  • Invited
• [Presentation] Smart Polymer Technologies for Global Health (2023)
  • Author(s): Mitsuhiro Ebara
  • Organizer: The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Smart Nanofiber Technologies for Cancer Themo/Chemotherapy (2023)
  • Author(s): Mitsuhiro Ebara
  • Organizer: Annual Symposium of Taiwanese Society of Biomedical Engineering
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Apoptotic cell-mimetic nanomaterials for anti-inflammation therapy (2021)
  • Author(s): 劉 懿華, 荏原 充宏
  • Organizer: 第43回日本バイオマテリアル学会大会 第8回アジアバイオマテリアル学会 併催.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 抗炎症MPSポリマーの構造制御とミクログリア細胞の炎症環境に与える影響 (2021)
  • Author(s): 田崎 朱里, 劉 懿華, 荏原 充宏
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] Apoptotic Cell-inspired Particles for Blood Coagulation Test (2021)
  • Author(s): ガク セイ, 劉 懿華, 荏原 充宏
  • Organizer: 第50回医用高分子シンポジウム
• [Presentation] 脊髄損傷におけるミクログリア細胞の炎症抑制を可能にするアポトーシス細胞模倣粒子の設計 (2021)
  • Author(s): 田崎 朱里, 劉 懿華, 荏原 充宏
  • Organizer: 第37回日本DDS学会学術集会. 2021
• [Presentation] Design of Apoptotic Cell-inspired Anti-inflammatory Polymers to Control The Inflammatory Environment in Immune Cells (2021)
  • Author(s): 田崎 朱里 劉 懿華 荏原 充宏
  • Organizer: 第8回アジアバイオマテリアル学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 抗炎症MPSポリマーの構造制御とミクログリア細胞の炎症環境に与える影響 (2021)
  • Author(s): 田崎 朱里 劉 懿華 荏原 充宏
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] 脊髄損傷におけるミクログリア細胞の炎症抑制を可能にするアポトーシス細胞模倣粒子の設計 (2021)
  • Author(s): 田崎 朱里 劉 懿華 荏原 充宏
  • Organizer: 第37回日本DDS学会学術集会
• [Presentation] 脊髄損傷部での免疫環境を制御可能なアポトーシス細胞膜模倣高分子の設計 (2021)
  • Author(s): 田崎 朱里 劉 懿華 荏原 充宏
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] Apoptotic cell-mimetic nanomaterials for anti-inflammation therapy (2021)
  • Author(s): 劉 懿華 荏原 充宏
  • Organizer: 第8回アジアバイオマテリアル学会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 刺激応答性高分子の開発動向 (2021)
  • Author(s): 荏原充宏
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 株式会社シーエムシー出版,
  • ISBN: 9784781316116
• [Remarks] 荏原研究室HP
  • URL: https://www.nims.go.jp/bmc/group/smartbiomaterials/index.html
• [Remarks] 荏原研究室HP
  • URL: https://www.nims.go.jp/bmc/group/smartbiomaterials/
• [Remarks] 荏原研究室Facebook
  • URL: https://www.facebook.com/EBALab/