Development of nanogel hybrid materials for medical application

• Project/Area Number: 16H06313
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 秋吉 一成 京都大学, 工学研究科, 教授 (90201285)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 珠玖 洋 三重大学, 医学系研究科, 寄附講座大学教員 (80154194)
• Project Period (FY): 2016-05-31 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥173,030,000 (Direct Cost: ¥133,100,000、Indirect Cost: ¥39,930,000); Fiscal Year 2020: ¥30,680,000 (Direct Cost: ¥23,600,000、Indirect Cost: ¥7,080,000); Fiscal Year 2019: ¥45,500,000 (Direct Cost: ¥35,000,000、Indirect Cost: ¥10,500,000); Fiscal Year 2018: ¥41,340,000 (Direct Cost: ¥31,800,000、Indirect Cost: ¥9,540,000); Fiscal Year 2017: ¥38,480,000 (Direct Cost: ¥29,600,000、Indirect Cost: ¥8,880,000); Fiscal Year 2016: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
• Keywords: バイオマテリアル / ドラッグデリバリーシステム / ナノゲル / 糖鎖ポリマー / がんワクチン / 核酸デリバリー / タンパク質デリバリー / バオマテリアル / 生体材料

Outline of Annual Research Achievements

先進医療の進展には、近年注目されているバイオ医薬品(抗体、サイトカイン、核酸、エクソソームなど)を安定に送達、徐放しえる新規バイオマテリアルの開発が不可欠となっている。本年度は、CHPナノゲルを用いて人工がん抗原ペプチドを腫瘍関連マクロファージに選択的に送達し、その抗原提示機能を人為的に誘発したところ、がん内部が炎症性環境になり、免疫療法に抵抗性であったがんを感受性に変換できることを明らかとした（三重大学との共同研究）。
連携研究者の松田らとの共同研究により、ナノゲル架橋ポーラスゲルに繊維芽細胞を封入し、ダイレクト・リプログラミングにより比較的大量に誘導骨芽細胞を誘導することに成功し、これまで治療が難しかった中規模から大規模な顎骨骨欠損骨再生治療を可能にする新規な手法を開発した。
エクソソームの人為的機能制御法として、エクソソーム表層を機能性ナノゲルで修飾するハイブリッドエクソソームを開発した。エクソソームとCHPおよびCHPにアミノ基を修飾したアミノ基修飾CHPを混合するだけでエクソソーム表面にナノゲルを複合化し得ることや、ハイブリッド化することで細胞への取り込みが促進されることを明らかとした。
種々の糖鎖ポリマーの設計を検討している中で、ポリプロピレンオキシド末端にオリゴ糖を有する両親媒性糖鎖ポリマーが、水中でサイズの揃ったポリマーベシクルを形成することを見出した。このベシクルは、低分子透過性を有し、酵素などの高分子は安定に保持した。酵素封入ベシクルは、外部から基質を内部の酵素に供給でき、酵素反応生成物を外部に放出できる機能を持つことが分かり、血中投与により生体内のがん組織周囲に集まり、その場でプロドラッグを抗がん剤へと変換し、優れた抗腫瘍効果を示すDDSナノファクトリーとして機能しえることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

新規機能性糖鎖ナノゲルの設計とDDS機能では、本研究で取り組み始めた分岐多糖を基盤として自己組織化ナノゲルが従来の直鎖状多糖からなるナノゲルとは異なる興味ある特性を有することを見出している。この研究展開を行っている過程で、オリゴ糖鎖ポリマーが分子透過性ベシクルを形成することを偶然に見出し、新規なDDSナノファクトリーとしての機能展開を行い、新しい研究分野を開きつつある。また、ナノゲル架橋ポーラスゲルと細胞とのハイブリッドを構築し、ダイレクトリプログラミン技術との融合による従来にない骨再生細胞治療での有用性を示した。さらに、エクソソームとナノゲルのハイブリッド手法を確立し、今後のエクソソームのバイオマテリアル応用への新しい可能性を示しつつある。ナノゲルDDSによるがん免疫療法においては、腫瘍関連マクロファージの機能制御を行える世界初の技術を開発し、免疫療法抵抗性のがんの治療成績が向上しえることを動物実験で明らかにし、その有用性を示している。今後、他の手法、例えば、チェックポイント抗体療法との併用を行うことでさらなる有用性を示すことが可能であると思われる。

Strategy for Future Research Activity

ナノゲル架橋ポーラスゲルによる再生医療応用を進めており、骨再生の人工細胞外マトリクスとしての有用性が明らかになっている。一方で、ゲルの生分解性制御も課題の一つにあげられている。そこで、ナノゲルとハイブリッド架橋を行うポリエチレングリコールとの架橋構造に注目して、その化学構造を変えることで、生分解性挙動の制御を図っている。
がん免疫治療における抗原デリバリーシステム開発において、抗原タンパク質や抗原ペプチドのデリバリーに関して、従来のCHPナノゲルの有用性は明らかになってきた。さらに優れたシステムを開発するためには、抗原提示細胞へのデリバリーの効率を上げる必要がある。本研究で新たに開発した分岐性多糖ナノゲルがその解決法の糸口になることが明らかになりつつあるので、今後も検討を進める。もう一つの課題は、アジュバントと抗原との共デリバリーに関するものである。アジュバントと抗原が、一緒に抗原提示細胞に取り込まれることが、特にがん免疫治療で重要なキラーT細胞の誘導に重要であることが明らかになってきた。アジュバントは、核酸分子がその誘導体が多く、そのナノキャリとしてのナノゲル設計も課題である。本研究においても、核酸デリバリーシステムの開発をすでに行っており、それらを組み入れることで、この課題に挑戦していく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Antigen Delivery Targeting Tumor-Associated Macrophages Overcomes Tumor Immune Resistance (2019)
  • Author(s): D. Muraoka, N. Seo, T. Hayashi, Y. Tahara, K. Fujii, I. Tawara, Y. Miyahara, K. Okamori, H. Yagita, S. Imoto, R. Yamaguchi, M. Komura, S. Miyano, M. Goto, S. Sawada, A. Asai, H. Ikeda, K. Akiyoshi, N. Harada, H. Shiku,
  • Journal Title: J. Clin. Invest. Volume: 129 Pages: 1278-1294
  • NAID: 120006594317
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and function of amphiphilic glucan dendrimers as nanocarriers for protein delivery (2019)
  • Author(s): S. Takeda, T. Nishimura, K. Umezaki, A. Kubo, M. Yanase, S. Sawada, Y. Sasaki, K. Akiyoshi
  • Journal Title: Biomaterials Science Volume: 印刷中 Pages: 1617-1622
  • DOI: 10.1039/c8bm01627e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural effects and lymphocyte activation properties of self-assembled polysaccharide nanogels for effective antigen delivery (2018)
  • Author(s): R. Miura, Y. Tahara, S. Sawada, Y. Sasaki, ＊K. Akiyoshi
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 8 Pages: 16464-16464
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanogel Tectonics for Tissue Engineering: Protein Delivery Systems with Nanogel Chaperones (2018)
  • Author(s): Y. Hashimoto, S. Mukai, Y. Sasaki, K. Akiyoshi
  • Journal Title: Adv. Healthc. Mater. Volume: 23
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanogel tectonic porous 3D scaffold for direct reprogramming fibroblasts into osteoblasts and bone regeneration (2018)
  • Author(s): Y. Sato, K. Yamamoto, S. Horiguchi, Y. Tahara, K. Nakai, S. Kotani, F. Oseko, G. Pezzotti, T. Yamamoto, T. Kishida, N. Kanamura, K. Akiyoshi, O. Mazda
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 8 Pages: 15284-15284
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sequential Coating of Insulin Secreting Beta Cells within Multilayers of Polysaccharide Nanogels (2018)
  • Author(s): T. Bal, D. C. Oran, Y. Sasaki, K. Akiyoshi, S. Kizilel
  • Journal Title: Macromolecular Bioscience Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Amylose engineering: phosphorylase-catalyzed polymerization of functional saccharide primers for glycobiomaterials (2017)
  • Author(s): T. Nishimura, K. Akiyoshi
  • Journal Title: WIREs Nanomed Nanobiotechnol, Volume: 9
  • DOI: 10.1002/wnan.1423
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-assembled nanogel of cholesterol-bearing xyloglucan as a drug delivery nanocarrier (2017)
  • Author(s): S. Sawada, H. Yukawa, S. Takeda, Y. Sasaki, K. Akiyoshi
  • Journal Title: Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition Volume: 28 Pages: 1183-1198
  • DOI: 10.1080/09205063.2017.1320827
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-Assembled Polypeptide Nanogels with Enzymatically Transformable Surface as a Small Interfering RNA Delivery Platform (2017)
  • Author(s): T. Nishimura, A. Yamada, K. Umezaki, S. Sawada, S. Mukai, Y. Sasaki, K. Akiyoshi
  • Journal Title: Biomacromolecules Volume: 18 Pages: 3913-3923
  • DOI: 10.1021/acs.biomac.7b00937
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ナノゲルを用いたワクチンのDDS (2017)
  • Author(s): 三浦理紗子、秋吉一成
  • Journal Title: 細胞 Volume: 49 Pages: 9-12
• [Journal Article] Intracellular delivery and passive tumor targeting of a self-assembled nanogel containing carborane clusters for boron neutron capture therapy (2017)
  • Author(s): R. Kawasaki, Y. Sasaki, K. Akiyoshi
  • Journal Title: BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS Volume: 483 Pages: 147-152
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2016.12.176
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Self-assembled Nanogels of Carborane-bearing Polysaccharides for Boron Neutron Capture Therapy (2017)
  • Author(s): R. Kawasaki, Y. Sasaki, K. Akiyoshi,
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 46 Issue: 4 Pages: 513-515
  • DOI: 10.1246/cl.161137
  • NAID: 130005549123
  • ISSN: 0366-7022, 1348-0715
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Self-Assembled Nanogels of Cholesterol-Bearing Hydroxypropyl Cellulose: A Thermoresponsive Building Block for Nanogel Tectonic Materials (2016)
  • Author(s): Y. Tahara, M. Sakiyama, S. Takeda, T. Nishimura, S. Mukai, S. Sawada, Y. Sasaki, K. Akiyoshi
  • Journal Title: LANGMUIR Volume: 32 Pages: 12283-12289
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b02406
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetically guided protein transduction by hybrid of nanogel chaperone with iron oxide nanoparticles (2016)
  • Author(s): R. Kawasaki, Y. Sasaki, K. Katagiri, S. Mukai, S. Sawada, K. Akiyoshi
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 55 Pages: 11377-11381
  • DOI: 10.1002/anie.201602577
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Self-assembly systems of Glyco-polymers for biomedical application, 12th SPSJ International Polymer Conference (IPC2018) (2018)
  • Author(s): K. Akiyoshi
  • Organizer: Self-assembly systems of Glyco-polymers for biomedical application, 12th SPSJ International Polymer Conference (IPC2018), Hiroshima, Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Carbohydrate-conjugated polymer vesicles for biomedical applications: Enzyme nanoreactor for therapeutic nanofactory (2018)
  • Author(s): K. Akiyoshi
  • Organizer: KIFEE Symposium (KIFEE-10), Trondheim, Norway
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Self-assembly of glyco-based polymers for protein delivery systems (2018)
  • Author(s): K. Akiyoshi
  • Organizer: Biointerfaces International Conference 2018, Zurich, Switzerland
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ナノゲルハイブリッド工学による新規バイオ材料の開発 (2017)
  • Author(s): 秋吉一成
  • Organizer: 「文科省新学術領域研究平成24-28年度領域代表中條善樹 元素ブロック高分子材料の創出」第9回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都リサーチパーク(京都府・京都市）
  • Year and Date: 2017-03-02
  • Invited
• [Presentation] ナノゲルを用いたワクチンDDS (2017)
  • Author(s): 秋吉一成
  • Organizer: 第33回日本DDS学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Self-Assembled Nanogels as Vaccine Delivery Systems (2017)
  • Author(s): Kazunari Akiyoshi
  • Organizer: 2017 MRS SPRING MEETING & EXHIBIT
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional Self-assembled Glyco-based Materials for Biomedical Applications (2017)
  • Author(s): Kazunari Akiyoshi
  • Organizer: 19th European Carbohydrate Symposium EUROCARB
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanogel Techtonics for Biomedical Application (2016)
  • Author(s): Kazunari Akiyoshi
  • Organizer: Inernational Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS2016)
  • Place of Presentation: 名古屋大学(愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-11-28
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of new bio-nanotransporters for biologics DDS (2016)
  • Author(s): Kazunari Akiyoshi
  • Organizer: 12th France-Japan Drug Delivery Systems Symposium
  • Place of Presentation: パリ（フランス）
  • Year and Date: 2016-10-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 新規バイオナノトランスポーターの設計と医療応用 (2016)
  • Author(s): 秋吉 一成
  • Organizer: 第53回薬剤学懇談会研究討論会
  • Place of Presentation: ルネッサンスリゾートナルト（徳島県・鳴門市）
  • Year and Date: 2016-06-10
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] 多孔質三次元細胞培養足場材料及びその製造方法 (2018)
  • Inventor(s): 佐藤,山本,堀口,田原,山本,岸田,秋吉,松田
  • Industrial Property Rights Holder: 佐藤,山本,堀口,田原,山本,岸田,秋吉,松田
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2018-043297
  • Filing Date: 2018