2015 Fiscal Year Annual Research Report
オルガネラ・ターゲティングを目指した「細胞内薬物送達ナノキャリア」の設計
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14J05430
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
青山 道彦 大阪大学, 薬学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノマテリアル / 細胞内動態 / リアルタイムイメージング / エンドソーム / 細胞内DDS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ナノマテリアルの物性-細胞内動態・オルガネラ移行能の連関情報を基盤として、オルガネラ、特に細胞核を標的とする細胞内DDSナノキャリアを創成し、細胞内DDSというべき薬物送達法の開発を目指している。当該年度は、昨年見出したナノサイズのシリカ粒子がサブミクロンサイズの粒子よりも細胞内で高い運動性を示すという知見を基に、さらなる粒子径と細胞内動態の連関解析を進めると共に、粒子径による運動性が異なるメカニズムの解明を図った。
具体的には、ナノサイズの粒子の中でも特定の粒子径が高い運動性を示す可能性に着目し、粒子径30,50,70,100 nmのシリカ粒子の細胞内における運動性を解析した。その結果、いずれの粒子径であっても拡散運動、能動運動などの指標において、ほとんど同様の運動性を示すことが明らかとなった。従って、細胞内における粒子の運動性はナノサイズとサブミクロンサイズの間に閾値がある可能性が示された。そこで、直径70, 300, 1000 nmのシリカ粒子（nSP70, nSP300, mSP1000）に関して、粒子の運動メカニズムの解明を試みた。その結果、mSP1000は微小管依存的な運動を示さないのに対し、nSP70、nSP300は微小管依存的な能動運動を示すこと、さらに、微小管依存的に運動するエンドソームの運動に着目したところ、局在するエンドソームの違いに関わらず、ナノサイズの粒子はサブミクロンサイズの粒子よりも早く運動することを見出した。
上記の解析結果から、ナノ粒子とサブミクロンサイズの粒子の細胞内運動は大きく異なることが示唆されると共に、その機構として細胞内での物質輸送機構に与える違いが重要である可能性が示された。今後は、サブミクロンサイズの粒子の運動性が低下するメカニズムを解析すると共に、これらの影響が細胞核への薬物送達効率に与える影響を評価する予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は研究計画に従い、昨年推進した粒子の物性-細胞内動態の連関情報の収集を継続すると共に、昨年見出された粒子径の違いによる細胞内運動性の違いに着目し、粒子の細胞内運動を制御しているメカニズムの解析を試みた。具体的には、ナノサイズの粒子間での運動性に着目し、当研究室で確立済である独自の1粒子イメージング技術により、高感度かつリアルタイムに粒子の細胞内挙動（移動形態、移動速度など）を解析、定量的な評価を行った。さらに、ナノサイズの粒子が細胞内で高い運動性を示すメカニズムの解明を試みると共に、核近傍への移行が認められたナノシリカ粒子などとplasmidを混合、シリカ粒子にplasmidを吸着させた後に、A549細胞に添加し、先行的に細胞内DDSキャリアとしての有効性の評価を実施した。
その結果、サブミクロンサイズの粒子と運動性を比較した結果と異なり、ナノサイズ同士であれば、その粒子径に関わらず、粒子の細胞内運動性に有意な差が認められなかった。従って、ナノサイズとサブミクロンサイズに細胞内における粒子の運動性の閾値が存在する可能性が考えられた。さらに、これらのナノ粒子の細胞内運動メカニズムに関して、エンドソームに着目し、ナノ粒子はエンドソームに内包され、微小管上を運動すると共に、エンドソームに内包されたナノ粒子はサブミクロンサイズの粒子よりも運動性が高いことを見出した。一方で、この様に高い細胞内運動性を示す非晶質ナノシリカであるが、細胞核への核酸導入効率を評価したところ、いずれの粒子においても核への核酸導入効率の顕著な向上は認められないことが示された。従って、非晶質シリカ粒子を用いた核酸の核内導入は失敗したものの、物性‐細胞内動態の連関解析をさらに進めると共に、ナノサイズの粒子が細胞内で高い運動性を示すメカニズムの解明が進んだことから、本研究課題は順調に進展していると評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、実験計画に従い、ナノキャリアの動態制御メカニズムの解明に向け、エンドソームに内包されたナノシリカ粒子が高い運動性を示すメカニズムの解明を図ると共に、引き続き物性と細胞内動態の連関情報の収集を継続する予定である。とりわけ、昨年の検討において、十分な核酸導入効率の向上が認められなかったことから、細胞質での粒子の運動性に着目し、より詳細な検討を実施する予定である。さらに、表面修飾の最適化などメディシナルケミストリーを適用することで、特定のオルガネラ（第一目標として細胞核）への送達に最適な物性をもつ細胞内DDSナノキャリアの医用工学的設計も推進する。また、これまでに、細胞内への移行などのナノマテリアルの動態は、生体分子、特に蛋白質との相互作用に制御される可能性を認めていることから、オルガネラ・ターゲティングに重要な働きを示す蛋白質の同定にプロテオームなどの手法により、取り組む予定である。昨年までの実験結果から、メンブレントラフィックが変動している可能性も示唆されており、メンブレントラフィックに関連する脂質にも着目したメカニズム解明に関しても、細胞内DDSナノキャリアを最適設計する上で重要な知見になる可能性があると注目している。これらのキャリア創製とその運動性、オルガネラ移行性向上メカニズムの解明の双方を推進することで、細胞内DDSナノキャリアの設計に向けて理解が進むものと期待している。
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[Journal Article] Protein corona changes mediated by surface modification of amorphous silica nanoparticles suppress acute toxicity and activation of intrinsic coagulation cascade in mice.2015
Author(s)
Yoshida T., Yoshioka Y., Morishita Y., Aoyama M., Tochigi S., Hirai T., Tanaka K., Nagano K., Kamada H., Tsunoda S., Nabeshi H., Yoshikawa T., Higashisaka K., Tsutsumi Y.
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Journal Title
Nanotechnology.
Volume: 26
Pages: 245101
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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