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Mechanism of brain developmental abnormalities induced by nanoparticles: protein conformational abnormalities caused by surface interactions

Research Project

Project/Area Number 23K24593
Project/Area Number (Other) 22H03335 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 58020:Hygiene and public health-related: including laboratory approach
Research InstitutionTokyo University of Science, Yamaguchi

Principal Investigator

小野田 淳人  山陽小野田市立山口東京理科大学, 薬学部, 助教 (70835389)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 梅澤 雅和  東京理科大学, 先進工学部機能デザイン工学科, 准教授 (60615277)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Keywordsナノ粒子 / ナノマテリアル / 脳 / タンパク質 / 毒性 / PM2.5 / 表面反応 / 神経変性疾患 / プロテオパチー / 構造変化 / 脳組織病理 / タンパク質構造 / 毒性学 / 超微小粒子 / 脳発達異常
Outline of Research at the Start

現在、環境中超微小粒子による、胎児・新生児の脳発達異常が国際的に問題視されている。しかし、その抜本的な予防法は未だ存在しない。これは、その生体影響が生じる機序、特に粒子特有の原因が未解明であることに起因する。先行研究により、粒子表面で生じるタンパク質異常構造化がその脳発達異常に寄与していることが示唆された。これは、他の汚染物質には認められない粒子特有の現象であった。一方で、異常構造化する分子、脳発達に影響を及ぼす分子、異常構造化の機序の3点が未解明である。そこで本研究では、超微小粒子により異常構造となるタンパク質の種類や性質を同定し、脳発達異常を引き起こす原因分子の特定とその機序解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、微小粒子が脳機能異常を誘導する機序解明に向け、粒子と生体分子(特にタンパク質)との相互作用による異常構造化に注目し、異常構造化が誘発される生体分子の特徴や異常構造化を誘導する微小粒子の性質を見出すことを目標としている。本年は、生体分子と反応に重要な微小粒子の性質を明らかにするべく、様々な粒子を用意し、粒子径や粒径分布、表面電荷、表面の欠落構造などの物性を、電子顕微鏡による観察、元素分析、動的光散乱法、ラマン分光法などにより評価した。さらに、それらの粒子とアルブミン分子とを反応させ、その構造変化を赤外スペクトルや円偏光二色性 (CD) スペクトル測定などを用いて分析し、粒子ごとの違いを比較した。その結果、シリカ粒子は一次粒子径の小ささに比例して、構造変化が短時間で生じることが明らかになった。また、カーボンブラック粒子の場合、ラマン分光分析で炭素原子の欠落が確認される粒子でのみ、タンパク質二次構造の構造変化を誘発することが明らかになった。これらの結果は、粒子の曲率や表電荷がその構造変化に関与する可能性を示唆している。
さらに、粒子により構造の変化したタンパク質が脳組織や脳機能に与える影響を評価するべく、試験管内で微小粒子と反応させた粒子由来異常構造タンパク質を回収し、それを脳内に投与した後、そのタンパク質の脳内分布について評価した。その結果、粒子由来異常構造タンパク質は、投与直後から2時間の間に、脳実質組織の間に入りこみ、主に大脳皮質前頭前野や嗅球のミクログリアに、一部は脳境界型マクロファージの一種である髄膜マクロファージに、さらにごく一部はアストロサイトに取り込まれることが明らかになった。この結果から、微小粒子により構造の変化したタンパク質は、主にミクログリアに集積し、影響を与えている可能性が考えられ、ミクログリアに生じる変化を明らかにすることが今後の課題になる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究計画では、新型コロナウイルス感染症拡大に伴い、研究時間の減少や試薬輸送の遅延が懸念されたが、二年目終了時点までの目標であった、使用する微小粒子の収集と各種微小粒子の物性分析を完了させたうえ、それら複数種の粒子を用いた比較検証を終えることができた。当初は、様々な物性を持つ微小粒子とタンパク質の反応実験は最終年度まで継続して行う必要があると想定していたが、それを二年目の段階で完了できたことは、当初の計画を超える成果である。特に、物性に関してはラマン分光分析により、特定のカーボンブラック粒子には炭素原子の欠落が確認され、それがタンパク質構造変化に寄与していることを発見したことは、本研究の目的を達成するうえで重要な知見である。この知見を得られたこともまた、想定を超える成果を得た理由となる。さらに、動物への投与に関する実験では、二年目の段階で、粒子により異常構造化したタンパク質の脳内挙動の評価と、集積する細胞を同定させた。その結果を踏まえ、次年度に行う予定だった、微小粒子由来異常構造タンパク質が同定した細胞への影響評価に向けた検証も進めている。これもまた、当初の計画以上に研究が進展している理由となる。
海外を中心とした学外の研究者との交流や意見交換に関しては、これまで、新型コロナウイルス感染症拡大により自粛していた。しかし、今年度は拡大が終息したことを受けて、積極的に国内外の研究者と交流することができた。特に、英国Oxford大学に招待され、講演し、その時の聴衆であった先方の研究者に本研究課題の内容が高く評価されたことは想像を超える収穫であった。その結果、その研究者と共同研究をすることになった。研究の遂行のみならず、研究成果の発表等に関しても、当初の計画以上に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

第一に、微小粒子により構造の変化したタンパク質が集積する脳内の細胞(主にミクログリア)に生じる影響を明らかにする。特に、細胞内における異常構造タンパク質の処理と関連のある、ユビキチン-プロテアソーム系やオートファジー、小胞体ストレスに注目し、微小粒子由来異常構造タンパク質が、これらの機能に及ぼす影響について評価する。この実験系では、最初にミクログリアの培養細胞を用いて検証を進め、その結果に基づいて動物実験へと発展させる。動物を用いた解析では、まずミクログリアの病態変化を評価し、そのミクログリアの変化に伴って生じうる周囲の神経細胞への影響について明らかにする。
また、これまでの検証では入手の容易なアルブミン分子を用いて解析を進めてきたが、次年度は脳内で発現する生体分子の中でも特に、構造変化が生じると細胞毒性を誘発するタンパク質に注目し、微小粒子との反応性を評価する。現在、その絞り込みを完了させ、対象となるタンパク質分子の収集を行っている。その収集したタンパク質分子を微小粒子と反応させて、微小粒子由来異常構造タンパク質がミクログリアや神経細胞に及ぼす影響について培養細胞系で評価する。その後、同様に粒子由来異常構造タンパク質を動物の脳内に投与し、行動実験により脳機能の変化を評価する。とくに、脳内に蓄積する異常構造化タンパク質は、プロテオパチーに関連する認知機能異常を誘発するため、微小粒子由来異常構造タンパク質を脳内投与した後、長期的に飼育し、認知機能や空間把握などの脳機能の変化を行動試験により評価する。これらを踏まえ、タンパク質の異常構造化を誘導しやすい粒子の特性やその異常構造化したタンパク質が脳に及ぼす影響について明らかにする。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (55 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 9 results) Presentation (30 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 5 results) Book (5 results) Remarks (7 results)

  • [Int'l Joint Research] エクス=マルセイユ大学(フランス)

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    • Author(s)
      Kuwamura Mami、Tanaka Kentaro、Onoda Atsuto、Taki Kentaro、Koriyama Chihaya、Kitagawa Kyoko、Kawamoto Toshihiro、Tsuji Mayumi
    • Journal Title

      BMC Pediatrics

      Volume: 24 Issue: 1 Pages: 26-26

    • DOI

      10.1186/s12887-023-04493-1

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    • Author(s)
      Ueda Kazuto、Sato Yoshiaki、Shimizu Shinobu、Suzuki Toshihiko、Onoda Atsuto、Miura Ryosuke、Go Shoji、Mimatsu Haruka、Kitase Yuma、Yamashita Yuta、Irie Keiichi、Tsuji Masahiro、Mishima Kenichi、Mizuno Masaaki、Takahashi Yoshiyuki、Dezawa Mari、Hayakawa Masahiro
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 14958-14958

    • DOI

      10.1038/s41598-023-41026-3

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    • Author(s)
      Nakamura Noriyuki、Ushida Takafumi、Onoda Atsuto、Ueda Kazuto、Miura Ryosuke、Suzuki Toshihiko、Katsuki Satoru、Mizutani Hidesuke、Yoshida Kosuke、Tano Sho、Iitani Yukako、Imai Kenji、Hayakawa Masahiro、Kajiyama Hiroaki、Sato Yoshiaki、Kotani Tomomi
    • Journal Title

      Frontiers in Pediatrics

      Volume: 11 Pages: 1168173-1168173

    • DOI

      10.3389/fped.2023.1168173

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    • Author(s)
      Mimatsu Haruka、Onoda Atsuto、Kazama Tomohiko、Nishijima Koji、Shimoyama Yoshie、Go Shoji、Ueda Kazuto、Takahashi Yoshiyuki、Matsumoto Taro、Hayakawa Masahiro、Sato Yoshiaki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 8266-8266

    • DOI

      10.1038/s41598-023-34156-1

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    • Author(s)
      Tsuji Masahiro、Mukai Takeo、Sato Yoshiaki、Azuma Yasue、Yamamoto Saki、Cayetanot Florence、Bodineau Laurence、Onoda Atsuto、Nagamura-Inoue Tokiko、Coq Jacques-Olivier
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 3841-3857

    • DOI

      10.1038/s41598-023-30817-3

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    • Author(s)
      Jabary Mahboba、Onoda Atsuto、Kitase Yuma、Ueda Kazuto、Mimatsu Haruka、Go Shoji、Miura Ryosuke、Tsuji Masahiro、Takahashi Yoshiyuki、Hayakawa Masahiro、Sato Yoshiaki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 2732-2732

    • DOI

      10.1038/s41598-023-28584-2

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    • Author(s)
      小野田 淳人
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      Medical Science Digest

      Volume: 8 Pages: 431-435

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      MAEDA-MINAMI AYAKO、HOSOKAWA MAIKO、ISHIKURA YUMI、ONODA ATSUTO、KAWANO YOHEI、NEGISHI KENICHI、SHIMADA SHUJI、IHARA TOMOMI、SUGAMATA MASAO、TAKEDA KEN、MANO YASUNARI
    • Journal Title

      Anticancer Research

      Volume: 42 Issue: 7 Pages: 3717-3724

    • DOI

      10.21873/anticanres.15861

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  • [Journal Article] A Novel Staining Method for Detection of Brain Perivascular Injuries Induced by Nanoparticle: Periodic Acid-Schiff and Immunohistochemical Double-Staining2022

    • Author(s)
      Onoda Atsuto、Hagiwara Shin、Kubota Natsuko、Yanagita Shinya、Takeda Ken、Umezawa Masakazu
    • Journal Title

      Frontiers in Toxicology

      Volume: 4 Pages: 825984-825984

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      10.3389/ftox.2022.825984

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    • Author(s)
      Umezawa Masakazu、Onoda Atsuto、El-Sayed Yasser Said
    • Journal Title

      Frontiers in Toxicology

      Volume: 4 Pages: 853506-853506

    • DOI

      10.3389/ftox.2022.853506

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    • Author(s)
      Sakaguchi Naoya、Kaumbekova Samal、Itano Ryodai、Torkmahalleh Mehdi Amouei、Shah Dhawal、Umezawa Masakazu
    • Journal Title

      ACS Applied Bio Materials

      Volume: 5 Issue: 6 Pages: 2843-2850

    • DOI

      10.1021/acsabm.2c00239

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    • Author(s)
      小野田 淳人, 福 梨紗, 中川 直, 立花 研, 武田 健
    • Organizer
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    • Author(s)
      小野田 淳人, 桑村 真美, 田中 健太郎, 瀧 健太郎, 郡山 千早, 田中 里枝, 立花 研, 武田 健, 川本 俊弘, 辻 真弓
    • Organizer
      日本衛生学会学術総会
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      小野田淳人
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      新生児基礎・TR研究会
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      小野田淳人
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      小野田淳人, 北瀬悠磨, 上田一仁, 辻雅弘, 早川昌弘, 佐藤義朗
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      第67回日本新生児成育医学会・学術集会
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      小野田 淳人, 桑村 真美, 田中 健太郎, 瀧 健太郎, 郡山 千早, 田中 里枝, 立花 研, 武田 健, 川本 俊弘, 辻 真弓
    • Organizer
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      小野田淳人
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      小野田淳人
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      小野田 淳人, 上田 一仁, 北瀬 悠磨, 辻 雅弘, 武田 健, 高橋 義行, 早川 昌弘, 佐藤 義朗.
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      第32回日本MRS年次大会
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  • [Presentation] 酸化セリウムナノ粒子の表面におけるアルブミンの二次構造変化2022

    • Author(s)
      板野凌大、川崎平康、梅澤雅和
    • Organizer
      第95回日本生化学会大会
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  • [Presentation] Changes in protein structure and assembly with fluoride nanoparticles and coexisting ions.2022

    • Author(s)
      Umezawa M, Sakaguchi N, Kaumbekova S, Amouei Torkmahalleh M, Shah D
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      nternational Particle and Fibre Toxicology Conference (IPTC) 2022
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    • Int'l Joint Research
  • [Book] ① 宇宙を目指した人々2023

    • Author(s)
      学研編集部、監修:小野田淳人
    • Total Pages
      356
    • Publisher
      Gakken
    • ISBN
      9784055013970
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  • [Book] ② 病気と闘った人々2023

    • Author(s)
      学研編集部、監修:小野田淳人
    • Total Pages
      316
    • Publisher
      Gakken
    • ISBN
      9784055013987
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      2022 Annual Research Report
  • [Book] ③ 星の謎に挑んだ人々2023

    • Author(s)
      学研編集部、監修:小野田淳人
    • Total Pages
      274
    • Publisher
      Gakken
    • ISBN
      9784055013994
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      2022 Annual Research Report
  • [Book] ④ 生命の不思議に魅せられた人々2023

    • Author(s)
      学研編集部、監修:小野田淳人
    • Total Pages
      278
    • Publisher
      Gakken
    • ISBN
      9784055014007
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      2022 Annual Research Report
  • [Book] ⑤ コンピュータ社会を創った人々2023

    • Author(s)
      学研編集部、監修:小野田淳人
    • Total Pages
      262
    • Publisher
      Gakken
    • ISBN
      9784055014014
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  • [Remarks] researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/_atsuto-onoda

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  • [Remarks] 山口東京理科大学 教員紹介

    • URL

      https://www.socu.ac.jp/departments/faculty/atsuto-onoda.html

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  • [Remarks] My website

    • URL

      https://www.atsuto-onoda.com/

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  • [Remarks] Atsuto Onoda web site

    • URL

      https://atsuto-onoda.com/index.html

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  • [Remarks] 理科大で日本幼少児健康教育学会 市のスマイルエイジングやモジュール学習紹介

    • URL

      https://ubenippo.co.jp/2022/09/20/1381591/

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  • [Remarks] 大会組織委員長として日本幼少児健康教育学会第41回大会【秋季:山陽小野田大会】を運営

    • URL

      https://sites.google.com/view/youshouji41so/

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  • [Remarks] コーディネーター/座長として山陽小野田市共催シンポジウムを運営

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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