2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Phototherapeutic Drugs and Elucidation of Single Molecule Dynamics Using Highly Bright Stable Quantum Dots and Innovative 3D cell system
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21H01753
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
高野 勇太 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (60580115)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮武 由甲子 北海道大学, 医学研究院, 助教 (10421984)
平田 恵理 北海道大学, 歯学研究院, 助教 (10722019)
山田 勇磨 北海道大学, 薬学研究院, 准教授 (60451431)
繁富 香織 北海道大学, 高等教育推進機構, 特任准教授 (90431816)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 量子ドット凝集体 / 三次元培養 / 光増感剤 / 活性酸素 / ミトコンドリア / 周囲炎 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、当初計画通り「(I):3D培養系で高い浸透性・発光性・安定性をもつ機能化量子ドットの合成と培養組織内動態の解明（１～2年目計画）」と「(II):マイクロ組織内の分子動態解明を利用した高効果光がん治療薬の開発（2～3年目計画）」を遂行した。(I)について、量子ドットの化学修飾法について確立するとともに、表面修飾に応じた3次元培養細胞における動態を解明した。端的には、化合物の拡散において2次元培養細胞系に比べて3次元培養細胞では概ね10倍～20倍の時間を要することをタイムラプス顕微鏡観察で明らかにした。現在は、この知見を利用した光殺がん効果の検証を行っている。
また量子ドットの機能化に関して、従来のように単体の量子ドットを利用した発光ラベルの他に、量子ドット凝集体を利用することでより長時間露光や環境変化に対しても安定に発光をつづける発光ラベルが得られることを見出した（論文準備中）。この知見は、長時間観察が必要になることの多い3次元培養細胞系において、有用な発光ラベル調製法となりえる。また言い換えると、3次元細胞系を基軸にした展開を行っていた本研究ゆえに見いだせた知見である。
また(II)に関して、各種光増感剤の改良・新規開発を行った。我々がこれまでも用いているπ拡張型ポルフィリン分子(rTPA)を利用した系（成果論文1報）の他、一重項酸素の検知を同時に行える光増感剤の開発に成功した（成果論文2報）。前者では、DDSキャリアと複合化したrTPAにおいて、DDSキャリアとrTPAの至適混合比の効果を見出した。π拡張型ポルフィリンなどの分子では、分子凝集により光増感作用が減弱される。この減弱を混合比の最適化によって最小化できることを見出した。今後は、本研究による開発分子をもとに、量子ドット発光ラベルとの複合化により、高効果光がん治療薬向け化合物を開発する。
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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
本年度は、当初計画通り「(I):3D培養系で高い浸透性・発光性・安定性をもつ機能化量子ドットの合成と培養組織内動態の解明（研究１～2年目計画）」を概ね終了し、3年目開始現在において「(II):マイクロ組織内の分子動態解明を利用した高効果光がん治療薬の開発（研究２～３年目計画）」を中心に研究遂行している。現状では、量子ドットと光増感剤分子に関する研究を併行して進めていることが多いが、今後は、量子ドットに光殺がん化合物を担持した量子ドット-rTPA複合体などを開発し、その効果の検証とブラッシュアップを行うことで、高効果光がん治療薬向けの化合物の完成に向かう。
さらに研究を若干前倒しして「(III):マイクロ組織を活用した光治療薬開発プロセスの一般化（研究３～４年目計画）」の一部にも着手し、歯科医療応用に向けた実験を開始した。細菌実験と3次元細胞培養系の利用をベースに、歯科向け光治療薬開発への基盤を整えた。
一方で、3次元培養基板自身の改良についても検討を重ねている。これまでできなかった96ウェルプレートでのアッセイなどの可能性を検証中である。
以上のように、研究は申請書記載の当初計画案にそっておおむね順調に進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、これまでの知見をもとに開発した分子群、量子ドット複合体群およびナノカーボン複合体群を用いて「(II):マイクロ組織内の分子動態解明を利用した高効果光がん治療薬の開発」に関して2次元細胞および3次元細胞内での動態検証と光機能性効果の実証を行う。レーザー顕微鏡を用いた1分子レベル観察や長時間タイムラプス観察により、効果的な光治療薬に必要な要件を明らかにする。また、光増感剤について、すでに用いているrTPA等の他に、近赤外光を効率よく吸収し、殺がん細胞効果を発揮する分子やナノ物質の新規開発も行い、最終目的化合物のバリエーションを増強する。さらに、リポソーム型ドラッグデリバリキャリアとの複合化による機能化を検討する。ドラッグデリバリキャリアに内包させる殺がん化合物の極性とキャリアのマッチングをもと、殺がん効果の最適化や、細胞内動態の最適化を行う。得られた知見をフィードバックし、「(I):3D培養系で高い浸透性・発光性・安定性をもつ機能化量子ドットの合成と培養組織内動態の解明」の再最適化も視野に入れたうえで、高効果光がん治療薬向けの化合物を作製する。量子ドットについては、表面への化学修飾だけでなく、量子ドット自身の自己組織化を利用した高効率フォトラベルあるいは光機能性材料としての確立も目指す。これら研究の遂行から得られる知見を組み合わせ、3次元細胞に対する高効果光がん治療薬向けの化合物の完成に向かう。
そして「(III):マイクロ組織を活用した光治療薬開発プロセスの一般化」として、歯科応用やミトコンドリア病などの光治療への展開も検討する。
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