2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of cell nuclear nanotransporters for fabrication of nuclear-targeting drug delivery system
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17H04744
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| Research Institution | Konan University |
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Principal Investigator |
長濱 宏治 甲南大学, フロンティアサイエンス学部, 准教授 (00551847)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 細胞核 / ドラッグデリバリーシステム / ナノマテリアル / バイオマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核酸やタンパク質などの機能性物質を、生体レベルで細胞核内に直接輸送する技術は、遺伝子発現制御や細胞機能制御を可能にすることから、医療・医薬開発・生物学基礎研究などにおいて大変重要であるが、いまだ有用な技術は存在しない。本研究課題では、我々の研究グループが独自で開発した核指向性ナノ組織体（NUC-Porter）を基盤材料として用い、細胞外から核内に機能性物質を高効率で輸送し、生体レベルで遺伝子発現や細胞機能を制御可能な核内物質輸送技術の確立を目指している。平成29年度には、NUC-Porterの核内動態制御のため、分子設計最適化を行った。具体的には、NUC-Porterの核内動態に関する構造－機能相関を解明し、分子設計最適化による核内動態制御を試みた。我々は、NUC-Porterのフェニルアラニン残基を脂肪族炭化水素の化学修飾により疎水化すると核膜孔通過速度が高まり、芳香族炭化水素で疎水化すると核内滞留時間が長くなることを見出した。これより、フェニルアラニン誘導体の化学構造を様々に変化させた蛍光ラベル化NUC-Porterライブラリを構築し、ヒト細胞を用いてそれらの核膜孔通過速度および核内滞留時間を定量解析し、NUC-Porterの核内動態に関する構造－機能相関を明らかにした。
また、NUC-Porterの細胞核DDSキャリアとしての性能を調べるため、薬物モデルとしてヌクレアーゼおよびオリゴヌクレオチドを選び、NUC-Porterへの担持、担持したモデル薬物の機能評価、細胞核内輸送、核内での反応性を調べた。最適化したNUC-Porterはモデル薬物を安定に担持でき、担持されたモデル薬物はフリーの状態と同等の活性を示した。また、これらを細胞核内に高い効率で輸送し、核内で基質であるDNAと反応させることに成功した。
これらの成果を国内の学会で発表した。
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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
平成29年度は、NUC-Porterの核内動態を制御するための分子設計最適化を達成することを目的に研究を進めてきた。その過程で、NUC-Porterの弾性率は自発的な細胞導入後の核膜孔通過特性に影響する因子であることを見出した。この結果を踏まえて、平成30・31年度に予定している「NUC-Porterの高い核内移行性を維持したまま、自発的な細胞内導入特性を付与し、機能性物質を輸送して細胞機能を制御する」ための実験の一部を前倒しして平成29年度に実施した。また、前述のように、平成29年度の研究目的はおおむね達成できている。したがって、（１）当初の計画以上に進展している、と自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度には、NUC-Porterを自発的に細胞内に取り込ませ、核移行させることを目的とし、NUC-Porterに自発的な細胞内導入特性を付与する。ヒト培養細胞を用いて、自発的な細胞取り込みによるNUC-Porterの細胞内導入効率を調べ、効率が低い場合には、導入促進のためのモジュール（カチオン性分子や細胞膜受容体のリガンドなど）をヘパリンに化学修飾することで、細胞内導入効率を向上させる。また、これまでに報告されているエンドソーム脱出モジュール（プロトンスポンジ能や膜融合能をもつ分子など）の化学修飾も検討する。この際、これらのモジュールは、細胞質内の還元環境で解離する結合（ジスルフィド結合など）によりヘパリンに化学修飾することで、高い核移行特性を維持したまま、自発的な細胞内導入を達成する。
また、NUC-Porterへの機能性物質担持手法の最適化および担持物質の放出特性制御を行う。平成30年度には、核内輸送可能な機能性物質の拡張を目的に、遺伝子発現制御のための機能性核酸や幹細胞の分化を誘導する転写因子（MyoD）をNUC-Porterに担持させる。また、NUC-Porterに担持した機能性物質の核内輸送、および核内での機能発現について、ヒト細胞を用いて解析する。
また、核内輸送した物質を機能発現させるために重要な「NUC-Porterからの放出制御」を達成する。まず、機能性物質の放出特性を定量解析し、放出機構を理解する。機能発現にとって最適な放出特性が得られない場合、放出特性の定量解析結果と上記項目の相互作用解析結果を活かし、機能性物質とNUC-Porterとの相互作用と放出特性との関係を明らかにする。その関係を活かしてNUC-Porterに適切な化学修飾を施し、担持する機能性物質に適した放出特性を達成する。
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