Development of early-stage cancer detection method and radiotherapy using ultra-small gold nanoparticles

• Project/Area Number: 19K12749
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 北村 成史 東北大学, 医学系研究科, 講師 (50624912)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石田 孝宣 東北大学, 医学系研究科, 教授 (00292318) ; 多田 寛 東北大学, 医学系研究科, 准教授 (50436127) ; 高野 真由美 東北大学, 医学系研究科, 助教 (60806298) ; 権田 幸祐 東北大学, 医学系研究科, 教授 (80375435)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 放射線治療 / CT造影 / 微小がん / 金ナノ粒子 / X線増感

Outline of Research at the Start

体内におけるがんの発生や転移を早期に発見し、効果的な治療を行う方法の開発は今後の医学研究の大きな課題である。現在、この目的のために装置開発や機能性を持った造影剤の開発など、様々な角度から研究が行われている。それらの手法の中の1つとして、金のナノ粒子はCT造影剤や放射線治療の効果を高める薬剤としての応用が期待されている。本研究では、腎臓から排出可能な極小サイズの金ナノ粒子を基盤としたナノ粒子薬剤を設計し、臨床応用可能なCT造影剤および放射線治療増感剤の開発を行う。金ナノ粒子の欠点である体外排出の問題を解決しつつ、CTとMRIによる微小がんの検出とX線を用いた放射線治療の効果改善を目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

既報に従って極小サイズの金ナノ粒子の合成した。表面修飾剤として2-メルカプトエタノール、3-メルカプトプロピオン酸、2-アミノプロピオン酸を種々の割合で組み合わせたものを反応させて、官能基による表面電荷の状態の変化を電気泳動法によって評価した。その結果、これらの表面修飾剤の組み合わせにより、表面電荷密度および電荷の正負を自在にコントロールできることが示された。また、合成した金ナノ粒子の分散液は含有する金原子の濃度に比例してCT造影効果を示し、表面修飾がCT値に与える影響はほぼ無視できるレベルであった。さらに、この金ナノ粒子を用いて細胞への毒性試験を行い、適正な濃度範囲の評価を行った。いずれの表面修飾剤を用いた場合でも、極小金ナノ粒子はCTで造影可能な濃度範囲では細胞株の剥離・増殖抑制が見られ、毒性を発揮することが示唆された。これは金ナノ粒子1つ1つのサイズが小さいために表面活性が高いこと、さらに浸透圧への影響が無視できないことなどが原因と考えられる。これは金ナノ粒子を10nm以上の足場に固定することで問題解決可能であると予想される。一方で、これらの極小金ナノ粒子はマウスの静脈への投与後には速やかに腎排泄されることがわかった。また、表面電荷密度が低く、負に帯電している粒子ほど細胞網内系や組織への沈着が抑制されることが示唆される結果となった。今後は速やかに腎排泄されるアニオン性表面の極小金ナノ粒子を用いて、10～20nmの凝集体を作製し、細胞毒性試験および動物実験においてその有用性について評価する予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

既報においては2nm以下の極小金ナノ粒子は速やかに腎排泄されると報告されているが、実際には部分的に組織への沈着が起きることがわかった。これらの原因を精査するため、申請者らは表面修飾剤の組合せを変えた金ナノ粒子を合成、評価する実験を行ったため、予定よりも時間をかける必要があった。ただし、この評価実験で得られた知見により、金ナノ粒子の細胞毒性のメカニズムの一端が解明したこと、および動物実験で効果的な排泄を促す要素がわかったことから、今後の実験内容を発展させる上で非常に重要な意味を持ち、ポジティブな効果をもたらすと予想される。

Strategy for Future Research Activity

血中に投与して速やかに腎排泄される極小金ナノ粒子の作製に目途がついたため、今後はこの条件で作製した金ナノ粒子を用い、足場となる酸化鉄ナノ粒子との結合、凝集体の合成、評価を行っていく予定である。最初に毒性評価と排泄までの期間について評価を行い、さらに担がんマウスを用いてX線増感効果、放射線治療効果の評価実験を行う。

Research Products

• [Presentation] 核外ERαの定量分析に基づく HR+/HER2乳癌の内分泌療法抵抗性の予測 (2019)
  • Author(s): 北村成史, 多田寛, 濱田庸, 宮下穣, 原田成美, 濱中洋平, 坪井洸樹, 大内憲明, 林慎一, 石田孝宜, 権田幸祐
  • Organizer: 第78回日本癌学会学術総会