2019 Fiscal Year Annual Research Report
Synthesis of chlorophyll molecule-containing apatite nanocrystals realizing super early cancer diagnosis and treatment
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18J20271
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
片岡 卓也 長岡技術科学大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(DC1) (40909678)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 水酸アパタイト / クエン酸 / セラノスティクス / メチレンブルー / バイオイメージング / ナノ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
特定細胞を安全に可視化するナノ材料開発において，生体親和性に加えて発光強度と水分散性の向上が課題である．我々のグループでは，昨年度，内部・無機相と表面・有機相との相互作用によって発光過程を制御できると考え，Eu (III) イオンを含有した水酸アパタイト (HA) とクエン酸分子の複合粒子を合成し，クエン酸の複合化に伴う粒子の無機／有機界面相互作用による発光特性と水分散性への影響について研究した．有機相として使用したクエン酸はがん細胞のみを選択的に増殖抑制し，正常細胞には影響がない．蛍光プローブとして，HAに含有させたEu (III) イオンがクエン酸存在下においてどのような物性を示すかを観測した．本年度は，実際にEu (III) イオン含有HAとクエン酸分子の複合粒子のがん細胞に対する標識能及び増殖抑制能について研究した．
本複合粒子を細胞培養時に添加し，がん細胞への影響を評価した結果，複合粒子は細胞と反応して，細胞からの赤色発光を示しながら細胞の増殖を抑制し，細胞標識と細胞増殖抑制の二機能を示した．更に葉酸によって複合粒子の表面を修飾すると，細胞への取り込み効率が高まり細胞増殖をさらに抑制できることが判明した．複合したクエン酸分子は，腫瘍化したがん細胞の成長抑制にも大きく寄与する可能性が示唆された．特に，60時間の培養によって腫瘍化したがん細胞と効果的に複合粒子は反応し，複合粒子添加後1時間で細胞形状に沿った細胞標識を達成でき，細胞増殖抑制と迅速な標識が同時に達成された．
現在，マイクロリアクターによる核形成と粒成長過程を分離した新規合成技術によって均一粒子形状をもったHA単相の合成に成功した．さらに，一重項励起酸素生成可能な色素 (メチレンブルーなど) の複合技術も確立している．次年度において，「細胞の診断と治療の両立」を達成できる見込みである．
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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
バイオイメージングに用いる生体親和性と発光効率の両方に優れたナノ材料創製技術を進展させ，同ナノ材料への治療能の付与を実現した．具体的に，発光特性を付与するために毒性の低いEu (III) イオンを水酸アパタイト (HA) 結晶構造中に置換したナノ粒子を開発し，この素材へクエン酸を表面偏析させることによって高い発光効率を創出した．これまで報告されているEu (III) イオンを置換したHAに対して10倍高い内部量子収率を示し，肉眼で視認できる強い発光であった．さらに，葉酸によってナノ粒子の表面を修飾すると，がん細胞への取り込み効率が高まり，クエン酸分子の反応によって細胞の増殖を抑制できることが判明した．本ナノ粒子は，生体へ極めて優しい材料のみから構成されたバイオイメージングと治療を両立する新素材であり，体内・外で観察する必要のある特定細胞および細胞集合体を高精度に診断・治療するためのナノバイオセラミックスとしての実用が期待される．
次年度に向けて，「細胞診断・治療」を実現するための材料合成も進めており，マイクロリアクターによる核形成と粒成長過程を分離した新規合成技術により，均一な粒子形状を有する水酸アパタイト単相の合成に成功している．一重項励起酸素生成可能な色素 (メチレンブルーなど) の複合技術も確立しているため，当初の目標であった「細胞の診断と治療の両立」を達成できる段階にある．
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| Strategy for Future Research Activity |
がん細胞標識と同時にがん細胞の増殖抑制を両立させることには成功しているが，細胞中での粒子の挙動解明には至っていない．具体的にどのようなメカニズムでがん細胞の増殖抑制が達成されたのかが不明であるため，その解明が研究の今後の課題であると考えている．
最終的に，がん細胞の診断と治療を両立するセラノスティクスナノ粒子として実用することを目指しており，バイオ・医療分野における発光ナノ素材として 幅広い活用が期待される新素材開発を推進予定である．具体的に，マイクロリアクターによる核形成と粒成長過程を分離した新規合成技術により，均一な粒子形状を有する水酸アパタイト単相の合成に成功している．さらに，一重項励起酸素生成可能な色素 (メチレンブルーなど) の複合技術も確立しているため， 当初の目標「細胞の診断と治療の両立」を達成する新素材の開発も鋭意推進する．
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