Mechanism of brain developmental abnormalities induced by nanoparticles: protein conformational abnormalities caused by surface interactions
| Project/Area Number |
23K24593
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| Project/Area Number (Other) |
22H03335 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 58020:Hygiene and public health-related: including laboratory approach
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| Research Institution | Tokyo University of Science, Yamaguchi |
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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)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| 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)
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| Keywords | ナノ粒子 / ナノマテリアル / 脳 / タンパク質 / 毒性 / タンパク質構造 / 毒性学 / 超微小粒子 / 表面反応 / 神経変性疾患 / プロテオパチー / 構造変化 / 脳発達異常 |
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| 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。
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| 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粒子の性質を見出すことを目標としている。初年度は、解析対象とする微小粒子とタンパク質の選定を進め、それらを試験管内で反応させ、タンパク質の構造変化を赤外スペクトルや円偏光二色性 (CD) スペクトル測定を用いて分析した。微小粒子の中でも特に小さい超微小粒子（ナノ粒子）が高い反応性を示し、一部のタンパク質二次構造のα-helixをβ-sheetに変化させることを明らかにした。また、大きさの近い超微小粒子でも、構成元素が変わることで、その二次構造の変化が誘導されなくなることも分かった。現在、構造変化が誘導される分子の特徴として二次構造の不安定性に注目した解析を進め、同時に、粒子の物性の差異によるタンパク質構造への影響についての解析を進めている。
さらに、特定の超微小粒子により構造変化が生じるタンパク質の経時的な脳内挙動を評価するために、新生仔ラットを用いて、タンパク質の脳室内投与、脳内投与ならびにそのタンパク質の検出方法の検討も行った。その結果、脳室内に投与したタンパク質（粒子とは反応させていないもの）は、投与直後から脳実質組織の間に入り込み、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取り込まれることが明らかになった。脳内に移行した投与タンパク質は、2時間後も脳実質内から検出された。今後、粒子により構造変化したタンパク質を脳室内に投与し、正常タンパク質との挙動の違いと脳組織に及ぼす影響について検証する予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究計画の中では、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、初年度終了時点までの目標であった、解析対象とする微小粒子とタンパク質の選定・準備、試験管内での反応とそのスペクトルの取得を達成することができた。その上でさらに、スペクトルの分析からタンパク質の構造変化について知見を得ることができた。次年度までかかると想定されていた試験管内での粒子-タンパク質反応実験の分析結果を取得し、その結果から想定されるタンパク質構造の変化についての知見を得たことは、当初の計画を超える成果である。また、初年度では脳室内投与方法の技術習得と確立が限界だと思われていた脳内挙動の評価についても、集積する細胞の同定まで進み、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。
一方で、新型コロナウイルス感染症の拡大により、海外を中心とした学外の研究者との交流や意見交換の機会が減少し、関連研究の情報収集に関しては想定を下回った。初年度の後半から、新型コロナウイルス感染症の拡大が収まりを見せ始めたので、今後は、得られた成果を論文としてまとめ投稿するとともに、その内容に関して国際会議等で発表することで関連する研究者と意見交換し、新たな情報を収集する。その情報を次の研究の遂行に役立てる。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の研究により、タンパク質の二次構造が変化するという知見を得られたため、次年度では、タンパク質二次構造の変化によって細胞へ傷害を引き起こすタンパク質分子を解析対象に絞り、粒子とそのタンパク質の構造変化について解析を進める予定である。現在その選定を進め、タンパク質分子の収集を始めている。
また、タンパク質の構造変化を誘導しやすい粒子の特性を明らかにするために、粒子間の物性の比較を行い、その物性の違いに由来する構造変化を明らかにする予定である。そのためには、粒子の持つ各種物性の測定を進める。現在は電子顕微鏡による観察、元素分析、動的光散乱法、ラマン分光法による物性データの取得を予定している。
これらの実験と並行して、粒子により異常構造化したタンパク質の脳組織への影響についても検証を進める。試験管内で異常構造化を進めたタンパク質を脳室内に投与し、正常構造を投与した場合との挙動違い、集積する細胞の種類、その集積した脳領域や脳細胞への影響について検証を進める予定である。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。
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Report
(1 results)
Research Products
(27 results)
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