Development of artificial pancreas system by LBL nanocapsule

• Project/Area Number: 16K08189
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Physical pharmacy
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Sato Katsuhiko 東北大学, 薬学研究科, 助教 (80400266)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 機能性薄膜 / 機能性高分子 / フェニルボロン酸 / 過酸化水素 / インスリン / ドラックデリバリーシステム / インスリンＤＤＳ / 糖尿病 / ナノ薄膜 / 機能性ナノ薄膜 / ナノカプセル

Outline of Final Research Achievements

Hydrogen peroxide (H2O2)-sensitive layer-by-layer films were prepared based on combining phenyl boronic acid (PBA)-modified polymers with diol-modified polymers through boronate ester bonds. These multilayer films could be prepared in aqueous solutions at pH 7.4 in the presence of 150 mM NaCl. These films readily decomposed in the presence of H2O2 because the boronate ester bonds were cleaved by an oxidation reaction. In addition, multilayer films combined with glucose oxidase (GOx) were decomposed in the presence of glucose because GOx catalyzes the oxidation of D-glucose to generate H2O2. The surfaces of CaCO3 microparticles were coated with this multilayer films that absorbed insulin. These particles released up to insulin in the presence 10 mM glucose under physiological conditions by the above mechanism.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

インスリン放出システムの設計は現時点での最先端の課題であり、世界中の研究者が競っている。これまで、フェニルボロン酸を用いたものが有用であるとされていたがグルコースとの競合反応では十分な応答性が得られなかった。対して、本申請の先行研究では、酵素反応により生成されるH2O2とPBAの反応を利用したものであり、グルコースに対して鋭敏に反応することが示された。本研究により作製されるインスリン含有ナノカプセルが臨床的に期待される性能を達成できるならば皮下留置型製剤として非侵襲的な人工膵臓システムが実現され、患者のQOLが向上する。

Research Products

• [Journal Article] Preparation of Hydrogen Peroxide Sensitive Nanofilms by a Layer-by-Layer Technique (2018)
  • Author(s): Yoshida Kentaro、Ono Tetsuya、Dairaku Takenori、Kashiwagi Yoshitomo、Sato Katsuhiko
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 8 Issue: 11 Pages: 941-941
  • DOI: 10.3390/nano8110941
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Preparation of Microparticles Capable of Glucose-Induced Insulin Release under Physiological Conditions (2018)
  • Author(s): Yoshida Kentaro、Awaji Kazuma、Shimizu Seira、Iwasaki Miku、Oide Yuki、Ito Megumi、Dairaku Takenori、Ono Tetsuya、Kashiwagi Yoshitomo、Sato Katsuhiko
  • Journal Title: Polymers Volume: 10 Issue: 10 Pages: 1164-1164
  • DOI: 10.3390/polym10101164
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Preparation of Nafion/Polycation Layer-by-Layer Films for Adsorption and Release of Insulin (2018)
  • Author(s): Yoshida Kentaro、Sato Katsuhiko、Ono Tetsuya、Dairaku Takenori、Kashiwagi Yoshitomo
  • Journal Title: Polymers Volume: 10 Issue: 8 Pages: 812-812
  • DOI: 10.3390/polym10080812
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Preparation of multilayer films using the negative charge of phenylboronic acid and its response to pH change, fructose, and hydrogen peroxide (2018)
  • Author(s): Oide Yuki、Iwasaki Miku、Yoshida Kentaro、Sato Katsuhiko
  • Journal Title: Colloid and Polymer Science Volume: 296 Issue: 9 Pages: 1573-1580
  • DOI: 10.1007/s00396-018-4380-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Lactate-induced decomposition of layer-by-layer films composed of phenylboronic acid-modified poly(allylamine) and poly(vinyl alcohol) under extracellular tumor conditions (2018)
  • Author(s): Katsuhiko Sato, Seira Shimizu, Kazuma Awaji, Oto Hitomi, Jun-ichi Anzai
  • Journal Title: Journal of Colloid and Interface Science Volume: 510 Pages: 302-307
  • DOI: 10.1016/j.jcis.2017.09.075
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of H2O2-induced poly(amidoamine) dendrimer release multilayer films (2017)
  • Author(s): Katsuhiko Sato, Kazuma Awaji, Megumi Ito, Jun-ichi Anzai
  • Journal Title: Colloid and Polymer Science Volume: 295 Issue: 5 Pages: 877-882
  • DOI: 10.1007/s00396-017-4073-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of a PVA/PBA dispersion and its response to glucose, fructose and hydrogen peroxide (2017)
  • Author(s): Katsuhiko Sato, Miku Iwasaki, Yuki Oide, Jun-ichi Anzai
  • Journal Title: Colloid and Polymer Science Volume: 295 Issue: 9 Pages: 1521-1525
  • DOI: 10.1007/s00396-017-4135-4
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 非酵素的なグルコースなどの電気化学的検出 (2018)
  • Author(s): 佐藤勝彦, 小野哲也, 柏木良友
  • Organizer: 2018年電気化学会秋季大会
• [Presentation] Nortropine-N-Oxylを利用した生理条件下でのアルコールおよびアミン類の電気化学分析 (2018)
  • Author(s): 佐藤勝彦, 小野哲也, 笹野裕介, 吉田健太郎, 大樂武範, 岩渕好治, 柏木良友
  • Organizer: 第48回複素環討論会
• [Presentation] Fabrication of electrochemical biosensors using enzymes, supermolecules and organocatalysts (2018)
  • Author(s): 佐藤勝彦
  • Organizer: NanoLSI Interdisciplinary Fusion Seminar
  • Invited
• [Presentation] フェロセンおよびアズールA を用いたpH 計測 (2018)
  • Author(s): 佐藤勝彦, 岩崎未来, 大出侑季, 安斉順一
  • Organizer: 日本薬学会第138
• [Presentation] フェロセン修飾電極によるpH測定 (2017)
  • Author(s): 岩崎未来, 佐藤勝彦, 安斉順一
  • Organizer: 第55回日本薬学会東北支部大会
• [Presentation] 酵素反応を利用した乳酸またはクレアチニン分解膜の開発 (2016)
  • Author(s): 清水星来，佐藤勝彦，安斉順一
  • Organizer: みちのく分析科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2016-10-22
• [Presentation] グルコース応答性インスリン含有交互累積膜に関する研究 (2016)
  • Author(s): 伊藤愛望，佐藤勝彦，安斉順一
  • Organizer: みちのく分析科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2016-10-22
• [Presentation] フェニルボロン酸/ポリビニルアルコール白濁液の過酸化水素応答 (2016)
  • Author(s): 岩崎未来, 佐藤勝彦, 安斉順一
  • Organizer: 第55回日本薬学会東北支部大会
  • Place of Presentation: 郡山
  • Year and Date: 2016-09-25
• [Presentation] フェニルボロン酸と酵素反応を利用した刺激応答薄膜の開 (2016)
  • Author(s): 佐藤勝彦, 大出侑季, 岩崎 未来, 安斉順一
  • Organizer: 日本分析化学第65年会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2016-09-16