Bottom-up construction of groundbreaking nanoparticles for the delivery of macromolecule medicines to the brain

• Project Area: Bottom-up creation of cell-free molecular systems: surpassing nature
• Project/Area Number: 22H05393
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Hiroshima University (2023); Tohoku University (2022)
• Principal Investigator: 内田 康雄 広島大学, 医系科学研究科(薬), 教授 (70583590)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2023: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: タンパク質絶対定量 / 中枢関門 / 脂質ナノ粒子 / SWATH法 / 脳機能の改変 / プロテオミクス

Outline of Research at the Start

脳は、最も制御が難しく、脳機能を制御できる超越分子システムはまだ開発されていない。高分子を自由に脳へ届けるデバイスは、中枢疾患治療、健康長寿の促進、脳機能の改変、脳の再生、など生物を陵駕・超越できる画期的な超越分子システムである。本研究では、バイオ分子、有機化合物とマイクロデバイスの技術を組み合わせた実用化に資する無細胞分子システムを確立し、脳機能を制御するための基盤技術を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

脳がナノ粒子を取り込む確率を上げるため、脳の細胞に選択的に高発現している膜タンパク質を探索することは重要である。これまで、標的タンパク質を限定的にその絶対発現量を定量するquantitative Targeted Absolute Proteomics（qTAP法）は開発してきているが、上述の目的を達成するためには、数に制限なく、網羅的に膜タンパク質の絶対発現量を定量できる技術が必要である。従来の網羅的絶対定量法は、可溶性タンパク質は比較的正確に定量できるが、膜タンパク質の定量に不向きであった。我々は、膜タンパク質を最適に可溶化・変性させる技術を確立し、さらに、精度の良い高精度LC-MS/MS（SWATH）測定および高感度・高精度ペプチド選択アルゴリズムを組み合わせることによって、膜タンパク質を含めて、網羅的に数千種類から1万種類のタンパク質の絶対存在量（mole）を一斉に定量できる方法を確立した。本法を用いて、中枢関門細胞に選択的かつ高発現する膜タンパク質を数十種類見出した。文献報告等に基づいて、これら膜タンパク質群の中で、エンドサイトーシスやトランスサイト―シスするタンパク質を絞り込んだ。リガンド修飾ナノ粒子を投与した結果、リガンド非修飾粒子に比べて、中枢関門細胞に顕著に取り込まれることを明らかにした。さらに、目的遺伝子が効率的に翻訳されていることも示した。これらの知見は、高発現する膜タンパク質を標的とすることによって、選択的かつ効率的に遺伝子や核酸を中枢関門に届けることができることを実証するものである。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学(スイス)
• [Int'l Joint Research] コシャン研究所/パリ第五大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] スタンフォード大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ベーリンガーインゲルハイム(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 東フィンランド大学/ヘルシンキ大学(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学(スイス)
• [Int'l Joint Research] コシャン研究所/パリ第五大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] スタンフォード大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ベーリンガーインゲルハイム(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 東フィンランド大学/ヘルシンキ大学(フィンランド)
• [Journal Article] SWATH-MS法を利用した金属輸送体の機能解析 (2024)
  • Author(s): 赤井美月、川見昌史、内田康雄
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 75(2) Pages: 116-121
• [Journal Article] 血液クモ膜関門：血液脳関門とは異なる輸送分子機構をもつ新たな中枢関門 (2024)
  • Author(s): 前田祐希、川見昌史、内田康雄
  • Journal Title: 膜 Volume: 49(2) Pages: 99-106
• [Journal Article] 次世代型定量プロテオミクスによる中枢関門トランスポーター研究 (2023)
  • Author(s): 内田康雄
  • Journal Title: 薬剤学 Volume: 83(2) Pages: 72-77
• [Journal Article] Pharmacoproteomics of Brain Barrier Transporters and Substrate Design for the Brain Targeted Drug Delivery (2022)
  • Author(s): Huttunen KM, Terasaki T, Urtti A, Montaser AB, Uchida Y
  • Journal Title: Pharm Res Volume: - Issue: 7 Pages: 1363-1392
  • DOI: 10.1007/s11095-022-03193-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Regional Differences in the Absolute Abundance of Transporters, Receptors and Tight Junction Molecules at the Blood-Arachnoid Barrier and Blood-Spinal Cord Barrier among Cervical, Thoracic and Lumbar Spines in Dogs (2022)
  • Author(s): Takeuchi H, Suzuki M, Goto R, Tezuka K, Fuchs H, Ishiguro N, Terasaki T, Braun C, Uchida Y
  • Journal Title: Pharm Res Volume: 39(7) Issue: 7 Pages: 1393-1413
  • DOI: 10.1007/s11095-022-03275-1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Upregulation of ribosome complexes at the blood-brain barrier in Alzheimer's disease patients (2022)
  • Author(s): Suzuki M, Tezuka K, Handa T, Sato R, Takeuchi H, Takao M, Tano M, Uchida Y
  • Journal Title: J Cereb Blood Flow Metab Volume: 42(11) Issue: 11 Pages: 2134-2150
  • DOI: 10.1177/0271678x221111602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proteomics-based investigation of cerebrovascular molecular mechanisms in cerebral amyloid angiopathy by the FFPE-LMD-PCT-SWATH method (2022)
  • Author(s): Handa T, Sasaki H, Takao M, Tano M, Uchida Y
  • Journal Title: Fluids Barriers CNS Volume: 19(1) Issue: 1 Pages: 56-56
  • DOI: 10.1186/s12987-022-00351-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Targeted Absolute Proteomics for Better Characterization of an In Vitro Human Blood-Brain Barrier Model Derived from Hematopoietic Stem Cells (2022)
  • Author(s): Dehouck MP, Tachikawa M, Hoshi Y, Omori K, Maurage CA, Strecker G, Dehouck L, Boucau MC, Uchida Y, Gosselet F, Terasaki T, Karamanos Y
  • Journal Title: Cells Volume: 11(24) Issue: 24 Pages: 3963-3963
  • DOI: 10.3390/cells11243963
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 輸送に関わる分子とその機能 (2022)
  • Author(s): 赤川ラリブレダ、内田康雄
  • Journal Title: 中外医学社Clinical Neuroscience Volume: 40(12) Pages: 1531-1534
• [Journal Article] pH-Responsive Lipid Nanoparticles Achieve Efficient mRNA Transfection in Brain Capillary Endothelial Cells (2022)
  • Author(s): Sakurai Y, Watanabe H, Nishio K, Hashimoto K, Harada A, Gomi M, Suzuki M, Oyama R, Handa T, Sato R, Takeuchi H, Taira R, Tezuka K, Tange K, Nakai Y, Akita H, Uchida Y
  • Journal Title: Pharmaceutics Volume: 14(8) Issue: 8 Pages: 1560-1560
  • DOI: 10.3390/pharmaceutics14081560
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Proteomics-Based Transporter Identification by the PICK Method: Involvement of TM7SF3 and LHFPL6 in Proton-Coupled Organic Cation Antiport at the Blood?Brain Barrier (2022)
  • Author(s): Kurosawa Toshiki、Tega Yuma、Uchida Yasuo、Higuchi Kei、Tabata Hidetsugu、Sumiyoshi Takaaki、Kubo Yoshiyuki、Terasaki Tetsuya、Deguchi Yoshiharu
  • Journal Title: Pharmaceutics Volume: 14 Issue: 8 Pages: 1683-1683
  • DOI: 10.3390/pharmaceutics14081683
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 定量プロテオミクスに基づく薬物輸送研究 (2024)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 創薬動態フォーラムin金沢
  • Invited
• [Presentation] ヒト肺由来 H441 細胞における PEPT2 の発現と AhR の関連解析 (2023)
  • Author(s): 中西 麻弥 ，川見 昌史，湯元 良子，高野 幹久，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] 肺胞上皮におけるアベマシクリブ誘発性上皮間葉転換機構の解明 (2023)
  • Author(s): 吉盛 智世，川見 昌史，熊谷 雄太，湯元 良子，高野 幹久，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] 非小細胞肺がんにおける miR-34a 誘発性上皮間葉転換における p53 の役割解析 (2023)
  • Author(s): 赤井 美月，川見 昌史，波内 宏斗，湯元 良子，高野 幹久，山本 佑樹，高橋 陵宇，田原 栄俊，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] 乳がん細胞における Ribavirin の抗腫瘍効果に対する耐性化機構の解明 (2023)
  • Author(s): 福島 愛梨，川見 昌史，杉元 勇毅，湯元 良子，高野 幹久，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] 肺胞マクロファージにおける細菌由来ジペプチドが誘発する自然免疫機構の解析 (2023)
  • Author(s): 竹内 裕孝，藤井 康介，川見 昌史，湯元 良子，高野 幹久，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] 非小細胞肺がんにおける上皮および間葉形質に及ぼす抗がん剤の影響解析 (2023)
  • Author(s): 高橋 諒，川見 昌史，湯元 良子，高野 幹久，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] RNA-seq 解析を用いた薬物誘発性 EMTに関与する miRNA の新規同定手法の確立 (2023)
  • Author(s): 前田 祐希，川見 昌史，湯元 良子，高野 幹久，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] A549 細胞におけるドキソルビシンによる EMT 誘発と抗がん効果の関連解析 (2023)
  • Author(s): 藤本 宇宙，川見 昌史，湯元 良子，高野 幹久，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] 肺胞上皮細胞におけるデキサメタゾンによるペプチドトランスポーターPEPT2 機能の阻害機構の解明 (2023)
  • Author(s): 松岡 美空，川見 昌史，湯元 良子，高野 幹久，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] 培養細胞系における細胞内 pH 変動に着目したニコチン輸送機構の解明 (2023)
  • Author(s): 波来谷 希実，川見 昌史，湯元 良子，高野 幹久，内田 康雄
  • Organizer: フォーラム2023：衛生薬学・環境トキシコロジー
• [Presentation] 次世代型定量プロテオミクスが拓く中枢関門研究の新地平 (2023)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 第6回日本質量分析学会東北談話会
  • Invited
• [Presentation] 次世代型プロテオミクスで拓かれる新たな中枢関門の正体 (2022)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 第21 回医療薬学若手研究者セミナー
  • Invited
• [Presentation] 次世代型定量プロテオミクスによって拓かれる中枢関門研究の新地平 (2022)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 学術変革領域「脳分子探査」セミナー
  • Invited
• [Presentation] 血液脳関門に高発現するトランスポーターMFSD10の新規基質探索 (2022)
  • Author(s): 赤川ラリブレダ、佐藤哲、神戸大朋 、内田康雄
  • Organizer: 第61回日本薬学会東北支部大会
• [Presentation] 血液脳関門 MFSD10 による薬物の脳移行性と中枢作用の制限 (2022)
  • Author(s): 佐藤哲、赤川ラリブレダ、内田康雄
  • Organizer: 第61回日本薬学会東北支部大会
• [Book] Drug Delivery to the Brain - Physiological Concepts, Methodologies and Approaches - The second edition (2022)
  • Author(s): Y Uchida, R Goto, T Usui, M Tachikawa and T Terasaki
  • Total Pages: 812
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 研究室ホームページ（内田康雄）
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/pharm/research/lab/Molecular_Systems_Pharmaceutics
• [Remarks] 研究室ホームページ（内田康雄）
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/pharm/research/lab/Pharmaceutics_and_Therapeutics