2021 Fiscal Year Annual Research Report
温度可変固体NMRを用いた両性電解質高分子の脱水制御による凍結保護作用の解明
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20H04532
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
松村 和明 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (00432328)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 文晶 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級研究員 (00450411)
Rajan Robin 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (70848043)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 凍結保存 / 両性電解質高分子 / NMR / 保護 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度温度可変NMRにてカルボキシル化ポリリジン溶液の低温における分子挙動を詳細に調べた結果、水、塩、ポリマーのそれぞれのダイナミクスが細胞の凍結保護効果に大きな影響を及ぼしていることを確認した。今年度は、合成により得た、側鎖構造の異なる両性電解質高分子の凍結保護効果を調べ、その低温時のダイナミクスをNMRにて測定した。その結果、側鎖のカチオンとアニオンが共に強電解質である構造の両性電解質高分子（PAMPS-APTAC)では、細胞の凍結保護効果がほとんど見られなかった。一方で、カルボキシル化ポリリジン(PLL-SA)と同じく、弱電解質の両性電解質高分子（PDMAEMA-MA)では高い細胞保護効果が確認された。これらの化合物の水溶液を-40℃から室温まで、1H-および23Na-NMRにて測定したところ、どちらも水分子の運動性に関してはPLL-SAに比べ低温での抑制の度合いは小さかった。一方、Naイオンの運動性についてはPDMAEMA-MAにおいてPAMS-APTACより高温で抑制される結果となった。解離度の小さな側鎖のポリマーの方がナトリウムイオンをトラップすることが出来ることが分かり、低温での水の粘度上昇抑制効果よりむしろNaイオントラップによる浸透圧急上昇の抑制効果が強く凍結保護に効いていることが分かった。
また、浸透圧の急上昇によるショックを和らげる作用があることをこの2年でNMRを用いることにより確認してきたが、その効果に加えて脱水時の細胞膜保護作用が必要となることが考えられる。現在、その効果を探るべく凍結解凍後の細胞膜の安定性などを調べる実験を行っている。
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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
昨年度、NMRによる分子運動性の測定から、細胞の脱水制御機構を凍結保護の機序として提唱した。その結果を報告した論文が1年で12回引用され、Top10%論文となるなど、研究成果が認められつつある。また、今年度は合成の両性電解質高分子においても同様の手法で分子運動性を評価したところ、水の運動性とNaイオンの運動性が、高分子の構造により変化することがわかり、大変興味深い結果となった。このことは高分子化合物の構造を変化させることで凍結保護の機序が変化する可能性を示唆しており、細胞や組織など凍結する対象により構造を最適化出来る可能性もある。このような結果は当初予測していた研究の推進方向とおおむね一致しており、研究は順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、合成両性電解質高分子の構造と凍結保護効果の関係をNMRを中心に調べていく。また、脱水による保護作用であるからには、浸透圧に対して耐性が必要である。たとえば、高張の溶液中で細胞を培養すると細胞は脱水ダメージにより死滅する。そこに両性電解質高分子を添加しておくことで細胞へのダメージの軽減を確認した。このことは細胞の脱水時のダメージの軽減に高分子が関連していることを示している。今後は、浸透圧からの保護作用を含め凍結保存効果を総合的に理解し、細胞だけでなく再生組織などの高次構造体の新しい凍結保存法の確立を目指していく。
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