A real-time monitoring technique of a molecular release process from photo-sensitive drug nanocpsules

• Project/Area Number: 20K05558
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
• Research Institution: Kanagawa University
• Principal Investigator: Tatsuya Shoji 神奈川大学, 理学部, 准教授 (90701699)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 光ピンセット / リポソーム / 光分解性脂質 / 顕微蛍光分光法 / 光分解性物質 / ナノ構造増強光ピンセット / 顕微分光分析法 / ドラッグデリバリーシステム / 生分解性高分子 / ナノ粒子 / 光圧

Outline of Research at the Start

本研究では、ドラッグデリバリーシステムキャリアである内包薬物の放出速度を制御したナノカプセルを捕捉・操作する光ピンセット法と顕微蛍光分光法を組み合わせ、ナノカプセル1個を溶液中で光捕捉し、放出過程をリアルタイム計測する分析手法を開発する。(1) ナノカプセルとして光照射により内包薬物を放出するリポソームの合成と光学系の構築、(2) 光刺激応答型リポソームの放出挙動のサイズ依存性・化学組成依存性の解明、最終的に(3) 内包分子の過剰放出（初期バースト）過程の速度論的解明を果たす。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed a new analytical method to capture a single drug delivery carrier floating in solution by light pressure and to follow the molecular release process from the capsule by a microspectroscopic method. We have succeeded in stably trapping a single nanocapsule of poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) nanocapsule, a biodegradable polymer, and tracking its fluorescence intensity change over time due to hydrolysis. Furthermore, liposomes were selected as the encapsulant, and we focused on the fabrication and photocapture of photodegradable liposomes. We introduced photodegradable lipids and constructed a system to track the degradation process of liposomes upon UV irradiation using microfluorescence spectroscopy.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

薬物を体内の特定部位に、特定のタイミングで、特定の量を放出するドラッグデリバリーシステムにおいて、薬物を送達するナノカプセルの開発が極めて重要である。このナノカプセルの放出速度は、そのカプセルの粒径や形状、化学組成などに大きく依存すると考えられるが、これまでの分析手法では統計平均的な情報しか得ることが難しい。本研究により、溶液中に漂うドラッグデリバリーキャリア一粒を光圧により捕捉し、カプセル一粒からの分子放出過程を顕微分光学的手法により追跡することができれば，より高精度かつ高機能なドラッグデリバリーキャリアの開発にも役立てるだろう。

Research Products

• [Journal Article] Generation of ultralong liposome tubes by membrane fusion beneath a laser-induced microbubble on gold surfaces (2022)
  • Author(s): Kojima Chiaki、Noguchi Akemi、Nagai Tatsuya、Yuyama Ken-ichi、Fujii Sho、Ueno Kosei、Oyamada Nobuaki、Murakoshi Kei、Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 7 Issue: 15 Pages: 13120-13127
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c00553
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fluorescence Colour Control in Perylene‐Labeled Polymer Chains Trapped by Nanotextured Silicon (2022)
  • Author(s): Takao Ryota、Ushiro Kenta、Kusano Hazuki、Yuyama Ken‐ichi、Shoji Tatsuya、Linklater Denver P.、Ivanova Elena、Juodkazis Saulius、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 61 Issue: 11
  • DOI: 10.1002/anie.202117227
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Incoherent Optical Tweezers on Black Titanium (2021)
  • Author(s): Hashimoto Sayaka、Uenobo Yuki、Takao Ryota、Yuyama Ken-ichi、Shoji Tatsuya、Linklater Denver P.、Ivanova Elena、Juodkazis Saulius、Kameyama Tatsuya、Torimoto Tsukasa、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 13 Issue: 23 Pages: 27586-27593
  • DOI: 10.1021/acsami.1c04929
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Laser-Induced Transfer of Noble Metal Nanodots with Femtosecond Laser-Interference Processing (2021)
  • Author(s): Nakata Yoshiki、Tsubakimoto Koji、Miyanaga Noriaki、Narazaki Aiko、Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 11 Issue: 2 Pages: 305-305
  • DOI: 10.3390/nano11020305
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optical Trapping of Nanocrystals at Oil/Water Interfaces: Implications for Photocatalysis (2021)
  • Author(s): Yasuyuki Tsuboi, Shota Naka, Daiki Yamanishi, Tatsuya Nagai, Ken-ichi Yuyama, Tatsuya Shoji, Bunsho Ohtani, Mamoru Tamura, Takuya Iida, Tatsuya Kameyama, and Tsukasa Torimoto
  • Journal Title: ACS Appl. Nano Mater. Volume: 4 Issue: 11 Pages: 11743-11752
  • DOI: 10.1021/acsanm.1c02335
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Formation of Single Double-Layered Coacervate of Poly(N,N-diethylacrylamide) in Water by a Laser Tweezer (2021)
  • Author(s): Matsumoto Mitsuhiro、Asoh Taka-Aki、Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: Langmuir Volume: 37 Issue: 9 Pages: 2874-2883
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c03009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanostructure-assisted optical tweezers for microspectroscopic polymer analysis (2020)
  • Author(s): Shoji Tatsuya、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: Polymer Journal Volume: 53 Issue: 2 Pages: 271-281
  • DOI: 10.1038/s41428-020-00410-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermo-Plasmonic Trapping of Living Cyanobacteria on a Gold Nanopyramidal Dimer Array: Implications for Plasmonic Biochips (2020)
  • Author(s): Naka Shota、Shoji Tatsuya、Fujii Sho、Ueno Kosei、Wakisaka Yumi、Murakoshi Kei、Mizoguchi Tadashi、Tamiaki Hitoshi、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 3 Issue: 10 Pages: 10067-10072
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c02071
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical Trapping of Polystyrene Nanoparticles on Black Silicon: Implications for Trapping and Studying Bacteria and Viruses (2020)
  • Author(s): Komoto Sawa、Nagai Tatsuya、Takao Ryota、Ushiro Kenta、Matsumoto Mitsuhiro、Shoji Tatsuya、Linklater Denver P.、Juodkazis Saulius、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 3 Issue: 10 Pages: 9831-9841
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c01901
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microanalysis of Single Poly(N-isopropylacrylamide) Droplet Produced by an Optical Tweezer in Water: Isotacticity Dependence of Growth and Chemical Structure of the Droplet (2020)
  • Author(s): Ushiro Kenta、Shoji Tatsuya、Matsumoto Mitsuhiro、Asoh Taka-Aki、Horibe Hideo、Katsumoto Yukiteru、Tsuboi Yasuyuki
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 124 Issue: 38 Pages: 8454-8463
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c06932
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Fabrication of Plasmonic Optical Fiber using Silane Coupling Agents for Optical Manipulation (2022)
  • Author(s): Yuki Asase, Tatsuya Shoji
  • Organizer: The 13th Asia-Pacific Conference on Near-Field Optics (APNFO13)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金ナノ粒子を用いたプラズモン光ファイバピンセットの開発 (2022)
  • Author(s): 浅瀬 有希, 檜垣 寧々, 東海林 竜也
  • Organizer: 2022年 光化学討論会
• [Presentation] チタンナノリンクル構造体を用いた光ピンセット法の探求 (2022)
  • Author(s): 吉田 匡志, 森本 雅夕, 東海林 竜也
  • Organizer: 2022年 光化学討論会
• [Presentation] ナノ構造を利用した光ピンセット技術の開発と展望 (2022)
  • Author(s): 東海林 竜也
  • Organizer: 2021年度 第5回 フォトニックデバイス・応用技術研究会
  • Invited
• [Presentation] 金ナノ粒子を内包したリポソーム単粒子からの分子放出挙動の顕微蛍光追跡 (2022)
  • Author(s): 東海林 竜也，飯田 京子，坪井 泰之
  • Organizer: 第21回高分子ミクロスフェア討論会
• [Presentation] Nanostructure-assisted optical tweezers for soft matter manipulation (2020)
  • Author(s): Tatsuya SHOJI
  • Organizer: 第58回 日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] ナノ構造体を用いたナノ物質光マニピュレーション法の開発 (2020)
  • Author(s): 東海林 竜也
  • Organizer: 第32回 散乱研究会
  • Invited
• [Presentation] プラズモン光捕捉したポリ(N,N-ジエチルアクリルアミド)による分子濃縮・検出法の開発 (2020)
  • Author(s): 東海林 竜也, 松本 充央, 坪井 泰之
  • Organizer: 2020年web光化学討論会
  • Invited
• [Remarks] 東海林研究室-神奈川大学理学部化学科
  • URL: https://tshoji.com/
• [Remarks] 東海林研究室-神奈川大学理学部化学科
  • URL: https://tshoji.com/ac/
• [Remarks] 東海林研究室
  • URL: https://tshoji.com/