Design of polymeric micelle-based nanodevice with highly modified surfaced and core for gene delivery

• Project/Area Number: 19750088
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Polymer chemistry
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: MIYATA Kanjiro The University of Tokyo, 大学院・工学系研究科, 特任助教 (50436523)
• Project Period (FY): 2007 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥3,690,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2008: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2007: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
• Keywords: 遺伝子治療 / ドラッグデリバリー / 高分子ミセル / 架橋

Research Abstract

本研究では、生体内で低毒性かつ安定な遺伝子デリバリーを可能とする新規高分子ミセル型遺伝子キャリアシステムの構築を目指した。ポリエチレングリコール(PEG)とカチオン性高分子のブロック共重合体は、水溶液中で遺伝子(plasmid DNA)と自発的に会合し、DNA内包コアをPEG外殻が覆うミセル構造体を形成する。これを利用しつつ、さらなる血中滞留性の向上とそれに伴うin vivo遺伝子導入効率増加のために、ブロック共重合体(PEG-ポリリシン)への化学修飾を施した。具体的には、カチオン性高分子部分にチオール(SH)基を導入し、ミセルのコアヘ(細胞内で開裂する)ジスルフィド(SS)架橋を形成させた。さらに、生体内タンパク質や細胞表面との非特異的相互作用を抑制するために、ミセル表面にも改良を加えた。こちらは、DNA内包コアと生体成分との相互作用をシールディングするPEGの効果をより高めるために、反応性PEGを用いて調製されたミセルのさらなるPEG化(PEGの重層化)を試みた。
これまでの検討から、内核にSS架橋を有し、表面においてPEGが重層化された遺伝子内包高分子ミセルは、SS架橋と重層化PEG処理を施されていないサンプルと比べ、50倍近く血中滞留性が向上することが確認された。一方、実際に治療用遺伝子として血管増殖因子(VEGF)の可溶化受容体であるsFlt-1を選択し、皮下移植膵臓がんモデルマウスを用いて治療実験を試みたところ、遺伝子投与なし、またはレポーター遺伝子を内包させたミセルなどのコントロール群と比べ、統計的に有意ながん増殖抑制効果が得られた。さらにその効果を高めるために、PEGの分子量を12000から17000へと増加させ、かつPEGの末端に血管内皮細胞に特異的に認識されるペプチド(環状RGD)を導入した。結果として、環状RGDあり、PEGの分子量17000、SS架橋導入率10%前後の高分子ミセル型遺伝子キャリアは、皮下移植膵臓がんモデルに対して、最も効果的な抗腫瘍効果を示すことが確認された。

Research Products

• [Journal Article] (2008)
  • Author(s): M. Oba, K. Aoyagi, K. Miyata, Matsumoto, K. Itaka, N. Nishiyama, Yamasaki, H. Koyama, K. Kataoka
  • Journal Title: Mol. Pharm. 5 Pages: 1080-1092
• [Journal Article] (2008)
  • Author(s): K. Miyata, M. Oba, M. Nakanishi, S. Fukushima, Y. Yamasaki, H. Koyama, N. Nishiyama, K. Kataoka
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. 130 Pages: 16287-16294
• [Journal Article] (2008)
  • Author(s): K. Miyata, M. Oba, M. R. Kano, S. Fukushima, Y. Vachutinsky, M. Han, H. Koyama, K. Miyazono, N. Nishiyama, K. Kataoka
  • Journal Title: Pharm. Res. 25 Pages: 2924-2936
• [Journal Article] (2008)
  • Author(s): Y. Lee, K. Miyata, M. Oba, T. Ishii, S. Fukushima, M. Han, H. Koyama, N. Nishiyama, K. Kataoka
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. 47 Pages: 5163-5166
• [Journal Article] (2008)
  • Author(s): S. Takae, K. Miyata, M. Oba, T. Ishii, N. Nishiyama, K. Itaka, Y. Yamasaki, H. Koyama, K. Kataoka
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. 130 Pages: 6001-6009
• [Journal Article] PEG-detachable polyplex micelles based on disulfide-linked block catiomers as bioresponsive nonviral gene vectors (2008)
  • Author(s): S. Takae, K. Miyata, et.al.
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society 130 Pages: 6001-6009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge-conversion ternary polyplex with endosome disruption moiety : A technique for efficient and safe gene delivery (2008)
  • Author(s): Y. Lee, K. Miyata, et.al.
  • Journal Title: Angewante Chemie International Edition 47 Pages: 5163-5166
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polyplex micelles with cyclic RGD peptide ligands and disulfide cross-links directing to the enhanced transfection via controlled intracellular trafficking (2008)
  • Author(s): M. Oba, K. Aoyagi, K. Miyata, et.al.
  • Journal Title: Molecular Pharmaceutics 5 Pages: 1080-1092
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polyplexes from poly(aspartamide) bearing 1, 2-diaminoethane side chains induce pH-selective, endosomal membrane destabilization with amplified transfection and negligible cytotoxicity (2008)
  • Author(s): K. Miyata, et.al.
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society 130 Pages: 16287-16294
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Polyplex micelles from triblock copolymers composed of tandemly aligned segments with biocompatible, endosomal escaping, and DNA-condensing functions for systemic gene delivery to pancreatic tumor (2008)
  • Author(s): K. Miyata, et.al.
  • Journal Title: Pharmaceutical Research 25 Pages: 2924-2936
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DDS・遺伝子治療とナノテクノロジー (2008)
  • Author(s): 宮田 完二郎、片岡 一則
  • Journal Title: 分子細胞治療 7 Pages: 26-33
• [Journal Article] (2007)
  • Author(s): K. Miyata, S. Fukushima, N. Nishiyama, Y. Yamasaki, K. Kataoka
  • Journal Title: J. Control. Release 122 Pages: 252-260
• [Journal Article] (2007)
  • Author(s): M. Han, Y. Bae, N. Nishiyama, K. Miyata, M. Oba, K. Kataoka
  • Journal Title: J. Control. Release 121 Pages: 38-48
• [Journal Article] (2007)
  • Author(s): K. Itaka, S. Ohba, K. Miyata, H. Kawaguchi, K. Nakamura, T. Takato, U. -I. Chung, K. Kataoka
  • Journal Title: Mol Ther. 15 Pages: 1655-1662
• [Journal Article] PEG-based block catiomers possessing DNA anchoring and endosomal escaping functions to form polyplex micelles with improved stability and high・transfection efficacy (2007)
  • Author(s): K. Miyata, S. Fukushima, N. Nishiyama, Y. Yamasaki, K. Kataoka
  • Journal Title: J. Control. Release 122 Pages: 252-260
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bone regeneration by regulated in vivo gene transfer using biocompatible polyplex nanomicelles (2007)
  • Author(s): K. Itaka, S. Ohba, K. Miyata, H. Kawaguchi, K. Nakamura, T. Takato, U. Chung, K. Kataoka
  • Journal Title: Molecular Therapy 15 Pages: 1655-1662
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transfection study using multicellular tumor spheroids for screening non-viral polymeric gene vectors with low cytotoxicity and high transfection efficiencies (2007)
  • Author(s): M. Han, Y. Bae, N. Nishiyama, K. Miyata, M. Oba, K. Kataoka
  • Journal Title: J. Control. Release 121 Pages: 38-48
  • Peer Reviewed
• [Presentation] カチオン性ポリアスパラギン誘導体を用いた非ウィルス性遺伝子キャリアシステムの構築 (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎、大庭誠、石井武彦、山崎裕一、西山伸宏、片岡一則
  • Organizer: 第7回多元研研究発表会
  • Place of Presentation: 東北大学片平さくらホール
  • Year and Date: 2008-12-12
• [Presentation] Triblock copolmer micelles bearing biocompatible, endosomal escaping, DNA-condensing abilities for systemic gene delivery (2008)
  • Author(s): K. Miyata, et.al.
  • Organizer: NanoBio-Seoul 2008
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2008-10-30
• [Presentation] (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎, et al
  • Organizer: 遺伝子・デリバリー研究会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2008-05-09
• [Presentation] カチオン性ポリアスパラギン誘導体を用いた高分子ミセル型遺伝子デリバリーシステムの構築と遺伝子導入メカニズムの解明 (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎、大庭誠、石井武彦、西山伸宏、片岡一則
  • Organizer: バイオ・ナノテクフォーラム
  • Place of Presentation: 化学会館
  • Year and Date: 2008-03-04
• [Presentation] (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎, et al
  • Organizer: 第2回バイオ・ナノテクフォーラムシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2008-03-01
• [Presentation] (2008)
  • Author(s): K. Miyata, et al
  • Organizer: 分子情報生命化学国際シンポジウムプログラム
  • Place of Presentation: 神戸
• [Presentation] (2008)
  • Author(s): K. Miyata, et al
  • Organizer: NanoBIo Seoul 2008
  • Place of Presentation: 韓国(ソウル)
• [Presentation] (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎, et al
  • Organizer: 第57回高分子討論会
  • Place of Presentation: 大阪
• [Presentation] (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎, et al
  • Organizer: 第37回医用高分子シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] (2008)
  • Author(s): K. Miyata, et al
  • Organizer: 35th Annual Meeting & Exposition of the Controlled Release Society
  • Place of Presentation: USA(New York)
• [Presentation] (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎, et al
  • Organizer: 第57回高分子年次大会
  • Place of Presentation: 横浜
• [Presentation] カチオン性ポリアスパラギン誘導体を用いた非ウィルス性核酸デリバリーシステムの構築 (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎、et.al.
  • Organizer: 第57回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 横浜
• [Presentation] Triblock copolmer micelles with biocompatible, endosomal escaping, DNA-condensing functions for systemic gene delivery (2008)
  • Author(s): K. Miyata, et.al.
  • Organizer: The 35th annual meeting and exposition of the controlled release society
  • Place of Presentation: New York, USA
• [Presentation] 側鎖にエチレンジアミンユニットを有するカチオン性ポリアスパルタミド誘導体から形成される非ウィルス性遺伝子キャリアの機能評価 (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎、et.al.
  • Organizer: 第57回高分子討論会
  • Place of Presentation: 大阪
• [Presentation] (2007)
  • Author(s): 宮田完二郎, et al
  • Organizer: 遺伝子・デリバリー研究会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-05-18
• [Presentation] 低毒性かつ高遺伝子導入効率を示す非ウィルスキャリア用カチオン構造の探索 (2007)
  • Author(s): 宮田完二郎、大庭誠、福島重人、山崎裕一、西山伸宏、片岡一則
  • Organizer: 遺伝子・デリバリー研究会第6回シンポジウム
  • Place of Presentation: 東大鉄門記念講堂
  • Year and Date: 2007-05-18
• [Presentation] (2007)
  • Author(s): K. Miyata, et al
  • Organizer: CNSI/UCLA-CNBI/UT Symposium
  • Place of Presentation: USA(ロサンゼルス)
• [Presentation] (2007)
  • Author(s): 宮田完二郎, et al
  • Organizer: 第56回高分子討論会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] (2007)
  • Author(s): 宮田完二郎, et al
  • Organizer: 第56回高分子年次大会
  • Place of Presentation: 京都
• [Presentation] Preparation and Characterization of a Series of Cationic Polyasparagine Derivatives as a Gene Carrier (2007)
  • Author(s): K. Miyata, M. Oba, N. Nishiyama, K. Kataoka
  • Organizer: Symposium on NanoBiotechnology
  • Place of Presentation: CNSI auditorium, UCLA
• [Presentation] アミノリシス反応を介して合成されたカチオン性ポリアスパラギンの遺伝子導入機能 (2007)
  • Author(s): 宮田完二郎、大庭誠、石井武彦、山崎裕一、西山伸宏、片岡一則
  • Organizer: 第56回高分子討論会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学
• [Presentation] 低毒性かつ高効率に遺伝子を導入するポリアスパラギン誘導体PAsp(DET)の遺伝子導入メカニズム解明 (2007)
  • Author(s): 宮田完二郎、大庭誠、浅野俊策、福島重人、山崎裕一、西山伸宏、片岡一則
  • Organizer: 第56回高分子年次大会
  • Place of Presentation: 京都国際会議場
• [Book] 分子細胞治療 (2008)
  • Author(s): 宮田完二郎, et al
• [Remarks] NanoBio Seoul 2008にてベストポスター賞受賞