2020 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding of direct permeation of nanoparticle across cell membrane by means of artificial cell membrane system and molecular dynamics simulation
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18H03536
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
仲村 英也 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00584426)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノ粒子 / 細胞膜 / ナノバイオ界面 / 細胞膜透過 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、『微弱な電場の印加によってナノ粒子が細胞膜を低侵襲で直接透過する』新奇な透過現象に焦点を当て、人工細胞膜実験と分子動力学計算の双方からその透過機構を理解するとともに、ナノ粒子の細胞膜透過の制御技術開発に繋げる。2020年度の研究実績は以下の通りである
電場印可環境におけるナノ粒子の細胞膜透過を実験により解析した。実験ではこれまでに構築したマルチウェルデバイスを用いた。本年度ははじめに印可電位強度がナノ粒子の細胞膜透過性に及ぼす影響を解析した。印可電位の強度を種々変化させた際の、ナノ粒子の膜透過発生頻度を実験的に求めた。具体的にはウェルにおいて粒子の透過先であるtrans sideにおける金ナノ粒子吸光度を計測し、これが閾値濃度を超えた場合をナノ粒子の透過が発生したと判断した。結果より、膜破壊電位の0.65倍を閾値としてナノ粒子の透過が起こることが分かった。また印可電位強度に対してナノ粒子透過性は非線形的に増加することも分かった。これに加えて、細胞膜を透過したナノ粒子割合の定量も行った。印可電位の増加に伴い粒子の透過割合は増大するものの、透過割合の上限が50―60％であることが示唆された。
分子動力学(MD)シミュレーションを用いて負帯電性ナノ粒子の細胞膜透過を解析した。前年度までに構築した計算コードを用いた。一般に生細胞膜表面は負に帯電していることから、負帯電性リン脂質分子を含むモデル細胞膜を計算対象とした。結果より、負帯電性ナノ粒子は単純な外部電場の印加だけでは細胞膜を透過しないことが分かった。この透過を促進するためには、膜を介した溶媒区画のイオン電荷を不均衡にして電位差を設けることが有効であることを見出した。
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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
当初の計画より前倒しで人工細胞膜実験によるナノ粒子の細胞膜透過現象の解析を実施することができた。次年度の計画に用いるナノ粒子試薬の選定・キャラクタリゼーションや、リン脂質分子試薬の選定・人工細胞膜作成試験を前倒しで実施することができ、次年度の実験研究に向けた準備を進めることができた。計算でも、計画通りにナノ粒子の帯電極性の影響を明らかにすることができた。特に、静電斥力により透過が本質的に難しい負帯電性ナノ粒子の負帯電性細胞膜透過を促進することができる知見を新たに見出すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験では表面が負に帯電したナノ粒子(市販品・既に選定済み)の透過現象を実験で解析し、計算結果を突き合わせて双方から考察を行う。次に、粒子径が5 nm～100 nmのナノ粒子を用いて、粒子径が細胞膜透過性に及ぼす影響についても調べる。
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