ナノ粒子抗がん剤の作用機序解析のための新奇材料開発

• Project/Area Number: 19J01971
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
• Research Institution: The University of Tokyo (2020-2021); National Institute for Materials Science (2019)
• Principal Investigator: 山本 翔太 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 上皮成長因子担持ナノ粒子 / アポトーシス / シグナル伝達 / 抗がん剤 / がん細胞 / バイオ分析 / メカノバイオロジー / ナノ粒子 / 上皮成長因子

Outline of Research at the Start

上皮成長因子(EGF)は一般的に細胞の“生存”を促進すると知られているが、EGFのナノ粒子への固定化は部分的にEGF受容体の活性化を増強し、EGFの効果を突如“死”に切り替える。そのため、このようなEGFナノ粒子は新たな抗がん剤として期待されているが、その作用機序は未だ不明瞭である。そこで本研究ではEGF活性を「増強と制御」できる新奇EGFナノ粒子を開発し、細胞内分子の時空間ダイナミクスを検出するバイオ分析技術を組み合わせることで、応答場から発生するアポトーシス活性分子の特定や、動態解析によりEGFナノ粒子が誘導するアポトーシス機構を解明し、新たなナノ粒子抗がん剤としての有用性を探究する。

Outline of Annual Research Achievements

細胞の成長や増殖を誘導する上皮成長因子(EGF)は、ナノ粒子へ固定化されることでEGFの効果をアポトーシス(細胞死)に切り替えるが、その作用機序は未だ不明瞭である。そこで本研究では、これまでに新たなナノ粒子コンジュゲートを開発し、作用機序を解析する研究を進めてきた。前年度までに粒子径やEGF表面密度など、粒子の物性を調節した材料を開発し、EGFナノ粒子がアポトーシス活性を獲得するために必要な条件を調べてきた。本年度は、まず前年度の研究を継続して行うことで、ナノ粒子がアポトーシス誘導活性獲得のために不可欠な粒子径とリガンド密度の関連性を明らかにした。続いて、粒子と細胞の反応に注目して研究を実施した。最初の実験として、細胞内に存在する膜輸送に関与するタンパク質の機能を阻害する試薬を投与したがん細胞に対してEGFナノ粒子を投与し、その後アポトーシスアッセイを行った。すると興味深いことに、粒子が投与されていない細胞や未処理の細胞は生存していたが、粒子を投与した細胞のみがアポトーシスした。さらに、ナノ粒子と機能性バイオマテリアルを組み合わせたコンジュゲートを開発し、上述した試薬添加ではなく、材料によって細胞への反応を制御した実験系で調べた場合でも、同様にアポトーシス活性が確認された。最後に、これらの条件における細胞応答性をウエスタンブロッティングなどの生化学実験や蛍光顕微鏡を用いたバイオイメージングにより調べると、ナノ粒子コンジュゲートは、通常とは異なる活性を引き起こしていた。これは、EGFをナノ粒子に固定化することで特殊な膜輸送を起こし、それが起因してアポトーシスを誘発するシグナルを発生させることを示唆する結果である。この作用機序の発見により、これまで効能の低かったがん細胞などに対しても、粒子の性質を制御することによりアポトーシスを誘導できる戦略を提案することが可能となった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Epidermal Growth Factor-gold Nanoparticle Conjugates-induced Cellular Responses: Effect of Interfacial Parameters between Cell and Nanoparticle (2021)
  • Author(s): S. Yamamoto and J. Nakanishi
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 37 Issue: 5 Pages: 741-745
  • DOI: 10.2116/analsci.20SCP16
  • NAID: 130008036601
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Year and Date: 2021-05-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design of azobenzene-bearing hydrogel with photoswitchable mechanics driven by photo-induced phase transition for in vitro disease modeling (2021)
  • Author(s): K. Homma, A. C. Chang, S. Yamamoto, R. Tamate, T. Ueki, and J. Nakanishi
  • Journal Title: Acta Biomater. Volume: - Pages: 103-113
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2021.03.028
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Facile Assay of Epithelial-mesenchymal Transition Based on Cooperativity Quantification of Cellular Autonomous Motions (2020)
  • Author(s): YAMAMOTO Shota、MIYAMA Tatsuya、KOMODA Takafumi、SUGAWARA Michiko、NONOMURA Makiko、NAKANISHI Jun
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 36 Issue: 2 Pages: 263-268
  • DOI: 10.2116/analsci.19P233
  • NAID: 130007796068
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Year and Date: 2020-02-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Preparation of a Series of Photoresponsive Polymersomes Bearing Photocleavable a 2-nitrobenzyl Group at the Hydrophobic/Hydrophilic Interfaces and Their Payload Releasing Behaviors (2019)
  • Author(s): Yamamoto、Yamada、Kubo、Sakurai、Yamaguchi、Nakanishi
  • Journal Title: Polymers Volume: 11 Issue: 8 Pages: 1254-1254
  • DOI: 10.3390/polym11081254
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synthesis of Poly(N-vinylpyrrolidone)-Based Polymer Bottlebrushes by ATRPA and RAFT Polymerization: Toward Drug Delivery Application (2019)
  • Author(s): Yi-Shen Huang, Jem-Kun Chen, Shiao-Wei Kuo, Ya-An Hsieh, Shota Yamamoto, Jun Nakanishi, Chih-Feng Huang
  • Journal Title: Polymers Volume: 11 Issue: 6 Pages: 1079-1079
  • DOI: 10.3390/polym11061079
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Conjugation of epidermal growth factor to nanoparticle changes the activity from anti-apoptotic to pro-apoptotic (2020)
  • Author(s): Shota Yamamoto, Yoshifumi Iwamaru, Yoshihisa Shimizu, Kazuo Yamaguchi, Jun Nakanishi
  • Organizer: MANA International Symposium 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Epidermal growth factor-nanoparticle conjugates switch from anti-apoptotic to pro-apoptotic at membrane rafts (2019)
  • Author(s): Shota Yamamoto, Yoshifumi Iwamaru, Yoshihisa Shimizu, Kazuo Yamaguchi, Jun Nakanishi
  • Organizer: 第29回日本MRS年次大会
• [Presentation] 脂質ラフトが媒介する上皮成長因子担持金ナノ粒子の特異なアポトーシス誘導活性 (2019)
  • Author(s): 山本翔太、岩丸祥史、清水善久、山口和夫、中西淳
  • Organizer: 日本分析化学会 バイオ分析研究懇談会 Chem-Bio Joint Seminar 2019
• [Patent(Industrial Property Rights)] 複合体、局所貼付材、及び、上皮内がん治療方法 (2021)
  • Inventor(s): 中西淳、山本翔太、深田直樹
  • Industrial Property Rights Holder: 中西淳、山本翔太、深田直樹
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
• [Patent(Industrial Property Rights)] 化合物、高分子架橋剤、架橋高分子化合物、樹脂材料及び硬度 調整樹脂材料の製造方法 (2021)
  • Inventor(s): 山口和夫、中西淳、山本翔太
  • Industrial Property Rights Holder: 山口和夫、中西淳、山本翔太
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021