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2021 Fiscal Year Research-status Report

高分子-細胞膜間の運動性が低下した水和水量を指標とする癌細胞標的化技術の確立

Research Project

Project/Area Number 21K18066
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

西田 慶  東京工業大学, 生命理工学院, 助教 (30895272)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2023-03-31
Keywords細胞標的化 / 細胞材料間相互作用 / 非特異的相互作用 / 水素結合 / 非水溶性高分子 / コアセルベート液滴
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、タンパク質間相互作用が生じ得るタンパク質の表面には運動性の低下した水分子が多量に水和していることに着目し、高分子材料および細胞膜間の水和水量を指標とした細胞標的化技術の確立を目的とした。運動性が低下した水和水はタンパク質間接触が生じる初期段階において、水素結合網を形成することで自由エネルギーを安定化し、タンパク質間相互作用の形成を促進することが示唆されている。そこで申請者は、タンパク質間相互作用で見られる水和水の運動性による相互作用力を、材料-細胞膜表面間の相互作用に適応できないかと考えた。細胞膜の構成成分は細胞種によって異なることから、細胞膜表面上の水和水もまた異なると予想し、高分子材料側の運動性が低下した水和水量を適切に調整することで特定の細胞に対して高い相互作用力が誘起されると期待した。このような研究概念を立証するために本年度は、1. 高分子材料および細胞膜の水和水の評価、2. 水分子に着目した癌細胞と高分子材料間の相互作用力の評価を実施した。また、高分子材料のコアセルベート様の微粒子を作製することに成功し、高分子材料の水和水量を精密に反映した微粒子として評価に用いた。水和水量の異なる高分子からなるコアセルベート微粒子を作製し、複数の細胞種に対して添加した。その結果、コアセルベート液滴は水和水量に依存して、細胞に対する集積性が変化することを見出した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、1. 高分子材料および細胞膜の水和水の評価、2. 水分子に着目した癌細胞と高分子材料間の相互作用力の評価を実施した。本研究の基盤材料として、結合水量が異なる複数のpoly(2-methoxyethyl acrylate) (PMEA)類似体を合成した。PMEA類似体を適切に、水中で水和させることで、コアセルベート様の微粒子を形成することを見出した。脂質表面の水和状態を評価するためのプローブとして知られるLurdanを各微粒子に挿入し、液滴の水和状態を評価した。その結果、液滴の結合水量は、熱量分析から求めた高分子の結合水量を反映していることが明らかとなった。同様に、特定のヒト癌細胞とヒト正常線維芽細胞にlaurdanを挿入することで、細胞膜上の水和状態を検討したところ、癌細胞において水和水量が少ないことが示唆された。そこで、各コアセルベート微粒子を各細胞に添加した結果、細胞膜の水和水量が少ない癌細胞に対して、水和水量が多いコアセルベート微粒子が顕著に集積し得ることを見出した。さらなる評価を通して、高分子材料側の運動性が低下した水和水量を適切に調整することで水和水量を指標とした細胞標的化技術の確立に繋がると期待される期待される。

Strategy for Future Research Activity

細胞膜側における水和水量を決定する要因を、癌細胞と高分子材料間の相互作用力の評価を通して実施する。特に、細胞膜上のコレステロール含有量や糖鎖発現量と水和水量の関係に着目して検討を行う。得られた知見をもとに、細胞膜モデルを用いたメカニズムをQCM-Dを用いて評価する。コアセルベート微粒子の構築により、実験動物に対して適応可能となったため、実験マウスレベルにおける癌組織集積性の評価を検討する。

Causes of Carryover

研究計画において、水晶振動子マイクロバランス (QCM-D)による評価を実施する必要が生じたため次年度において購入を予定している。

  • Research Products

    (19 results)

All 2022 2021

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Surfactant-Free Suspension Polymerization of Hydrophilic Monomers with an Oil-in-Water System for the Preparation of Microparticles Toward the Selective Isolation of Tumor Cells2022

    • Author(s)
      Nishimura Shin-nosuke、Nishida Kei、Shiomoto Shohei、Tanaka Masaru
    • Journal Title

      Materials Advances

    • DOI

      10.1039/D2MA00129B

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Roles of interfacial water states on advanced biomedical material design2022

    • Author(s)
      Nishida Kei、Anada Takahisa、Tanaka Masaru
    • Journal Title

      Advanced Drug Delivery Reviews

      Volume: 186 Pages: 114310~114310

    • DOI

      10.1016/j.addr.2022.114310

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nanoscopic analyses of cell-adhesive protein adsorption on poly(2-methoxyethyl acrylate) surfaces2022

    • Author(s)
      Nishida Kei、Baba Koki、Murakami Daiki、Tanaka Masaru
    • Journal Title

      Biomaterials Science

    • DOI

      10.1039/D2BM00093H

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Biocompatible poly(N-(ω-acryloyloxy-n-alkyl)-2-pyrrolidone)s with widely-tunable lower critical solution temperatures (LCSTs): a promising alternative to poly(N-isopropylacrylamide)2022

    • Author(s)
      Nishimura Shin-nosuke、Nishida Kei、Ueda Tomoya、Shiomoto Shohei、Tanaka Masaru
    • Journal Title

      Polymer Chemistry

      Volume: 13 Pages: 2519~2530

    • DOI

      10.1039/d2py00154c

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Selective Accumulation to Tumor Cells with Coacervate Droplets Formed from a Water-Insoluble Acrylate Polymer2022

    • Author(s)
      Nishida Kei、Nishimura Shin-nosuke、Tanaka Masaru
    • Journal Title

      Biomacromolecules

      Volume: 23 Pages: 1569~1580

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.1c01343

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Modulation of Biological Responses of Tumor Cells Adhered to Poly(2-methoxyethyl acrylate) with Increasing Cell Viability under Serum-Free Conditions2022

    • Author(s)
      Nishida Kei、Sekida Shogo、Anada Takahisa、Tanaka Masaru
    • Journal Title

      ACS Biomaterials Science & Engineering

      Volume: 8 Pages: 672~681

    • DOI

      10.1021/acsbiomaterials.1c01469

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A β-hairpin peptide with pH-controlled affinity for tumor cells2022

    • Author(s)
      Nishimura Shin-nosuke、Nishida Kei、Tanaka Masaru
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 58 Pages: 505~508

    • DOI

      10.1039/D1CC06218B

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Smart Vinyl Polymers Inspired from Poly(vinyl-2-pyrrolidone): A Promising Alternative to Conventional Biocompatible Synthetic Polymers2021

    • Author(s)
      Shin-nosuke Nishimura, Kei Nishida, Tomoya Ueda, Masaru Tanaka
    • Organizer
      MRM2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Specific cell recognition based on a dense phase enriched in water-insoluble polymer2021

    • Author(s)
      Kei Nishida, Masaru Tanaka
    • Organizer
      第43回日本バイオマテリアル学会/第8回アジアバイオマテリアル学会
    • Invited
  • [Presentation] 含水高分子コーティングが細胞接着及び三次元組織化に与える影響2021

    • Author(s)
      河原 道治, 上原 広貴, 西田 慶, 穴田 貴久, 田中 賢
    • Organizer
      第43回日本バイオマテリアル学会/第8回アジアバイオマテリアル学会
  • [Presentation] 側鎖にピロリドン環を有するビニルポリマー薄膜上における間葉系細胞の接着および分化挙動2021

    • Author(s)
      西村 慎之介, 西田 慶, 上田 智也, 田中 賢
    • Organizer
      第43回日本バイオマテリアル学会/第8回アジアバイオマテリアル学会
  • [Presentation] PMEA誘導体を用いた細胞-高分子基板間相互作用の制御による細胞の三次元組織化2021

    • Author(s)
      河原 道治, 上原 広貴, 西田 慶, 穴田 貴久, 田中 賢
    • Organizer
      化学フェスタ2021
  • [Presentation] ピロリドン環を側鎖に有するスマートビニルポリマーの設計: 水中での温度応答特性と細胞親和性2021

    • Author(s)
      西村慎之介, 西田慶, 田中 賢
    • Organizer
      第70回高分子討論会
  • [Presentation] 非水溶性高分子が形成するバイオ界面: 癌細胞選択性の発現2021

    • Author(s)
      西田慶, 穴田貴久, 田中 賢
    • Organizer
      第50回医用高分子シンポジウム
  • [Presentation] 微小な pH 変化に応答して細胞認識性が向上するペプチドリガンドの開発2021

    • Author(s)
      西村慎之介, 西田慶, 中尾俊介, 上原広貴, 穴田貴久, 田中賢
    • Organizer
      第37回DDS学会
  • [Presentation] アクリレート骨格を有する高分子液滴による細胞選択な集積性の発現2021

    • Author(s)
      西田慶, 田中 賢
    • Organizer
      第37回DDS学会
  • [Presentation] ポリ(2-メトキシエチルアクリレート)からなるマイクロ粒子の調製と細胞親和性2021

    • Author(s)
      西村慎之介, 西田慶, 中尾俊介, 上原広貴, 穴田貴久, 田中賢
    • Organizer
      第70回高分子年次大会
  • [Presentation] Bio-interface composed of water-insoluble polymers tailoring cell adhesion strength based on a water content2021

    • Author(s)
      Kei Nishida, Takahisa Anada, Shingo Kobayashi, Masaru Tanaka
    • Organizer
      第70回高分子年次大会
  • [Presentation] 細胞-高分子基板間相互作用制御による三次元細胞組織化2021

    • Author(s)
      河原道治, 上原広貴, 西田慶, 穴田貴久, 田中賢
    • Organizer
      第70回高分子年次大会

URL: 

Published: 2022-12-28  

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