2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Photoresponsive Mesoporous Apatite Nanoparticles for Innovating Therapeutics and Diagnostics of Microscopic Tumor at Super-early Stage
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17H04954
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
多賀谷 基博 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (20621593)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ナノバイオセラミックス / セラノスティクス粒子 / メゾ多孔質構造 / 多孔質水酸アパタイト / 多孔質リン酸八カルシウム / 希土類イオン / バイオイメージング / ナノバイオ材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
微小腫瘍を細胞レベルで非侵襲に検出して治療する技術が必要である。本研究では，蛍光内視鏡を用いて生体内のがん細胞を非侵襲・高感度に検出して死滅させる目的で，生体親和性と発光特性に優れたメゾ多孔質バイオセラミックナノ粒子を新規に創製し，分子修飾技術を駆使し，細胞レベルで腫瘍部位を可視化する技術へ応用するものである。
当該年度 (平成２９年度) は，生体毒性の低い希土類イオンを発光種ドーパントとし，発光性メゾ多孔質バイオセラミックナノ粒子の合成法を確立した。バイオセラミックスとして，リン酸八カルシウム，水酸アパタイト，非晶質チタニアを検討した。これまで，柔軟性のある低分子・集合体鋳型を用いてメゾ構造体を構築する際，バイオセラミックスの核形成・結晶成長に伴ってメゾ構造が崩壊する問題があった。そこで，本研究では，重合棒状ミセルを鋳型としてマイクロ流路を用いた合成によって，規則的なメゾ構造の創製に成功した。具体的に，種々の無機イオンからマイクロ流路合成法によって核形成を制御した。そして，粒成長過程において，溶液の高温環境と部分冷却の組み合わせによって自然対流を誘起し，効果的にメゾ構造体形成と粒成長を行った。さらに，溶媒抽出法によって重合棒状ミセルを除去し，メゾ多孔体へ転換した。合成した粒子は，高い発光効率で赤色発光を呈し，リン酸カルシウムを母体材料とする場合は希土類イオンが構造中のCaサイトへ置換され，非晶質チタニアを母体材料とする場合は希土類イオンがTi－O－Ti骨格中に包接された。更に，本粒子のメゾ細孔内において蛍光性薬剤分子の担持・輸送・徐放能を計測したところ，希土類イオンと蛍光性薬剤が励起錯体を形成し，新たな光機能が発現した。
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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
重合棒状ミセルを鋳型として発光性メゾ多孔質バイオセラミックナノ粒子を新規に合成する手法を確立した。さらに，メゾ細孔骨格に含有された希土類イオンを光機能化する技術を確立した。そして，骨格結晶構造中に配位した希土類イオンを均一分散化して高効率な発光を見出し，新たな発光特性を見出した。更に，本粒子のメゾ細孔内において蛍光性薬剤分子の担持・輸送・徐放能の計測により，蛍光性薬剤とメゾ細孔表面の発光種が励起錯体を形成し，新たな光機能が発現した。これらの結果は，予定以上の成果であり，申請者及び申請者の研究室学生が一丸となって研究を推進したことに由来する。同時に，当該年度（平成２９年度）は研究に専念する時間が確保出来たことも重なり，研究立上・推進が加速したためでもある。研究実績の概要で述べたように，生体に類似な穏和な条件でバイオセラミックスの高次ナノ構造形成と表面・界面制御を実現し，細胞へ積極的に働き掛けるための新機能創出に成功した点は，新規性と進歩性共に高く評価されている。
以上の研究成果は，アメリカ化学会誌のCrystal Growth & Designなどの著名な雑誌へ多数掲載され，特許1件を出願するまでに至った。
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| Strategy for Future Research Activity |
日本は，世界でも類をみない高齢社会を迎えている。国民が健康で安心して暮らせる社会を実現すべくナノテクノロジーが関わるバイオ・医療分野の革新的材料開発が重要になる。本研究では，生体に類似な穏和な条件でメゾ多孔質バイオセラミックナノ粒子を合成し，高次構造形成技術と表面・界面制御技術の融合によって生体親和性と発光特性に優れたナノ粒子として応用展開を推進した。その結果，バイオイメージングに最適な発光特性 (色純度と耐光性) を見出した。
次年度（平成30年度）においては，ナノ粒子表面へアミノシランを介して細胞結合分子を修飾する技術を確立し，ナノ粒子の超早期がん細胞表面への選択的結合・取込特性を見出す。さらに，最終年度（平成31年度）においては，抗がん剤をメゾ細孔表面へ担持し，メゾ細孔口を光応答性粒子により封止複合化し，光によって細孔口を開いて抗がん剤を放出する技術を確立する。
以上により，生体親和性に優れたバイオセラミックスとメゾ細孔構造 (骨格と表面) を協奏し，超早期がんの革新的非侵襲診断・治療技術を創出する予定である。そして，細胞レベルで非侵襲・高感度に腫瘍部位を光検出して治療するための技術として実用する。そして，研究を進化・深化させ，バイオ・医療分野へ貢献し，日本の超少子高齢社会をより良く豊かにする信念により，更に本研究活動へ邁進する。
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