2022 Fiscal Year Annual Research Report
NVセンター導入ナノダイヤモンドを基盤とする生体内計測システムの創出
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21H03832
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
長田 健介 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 分子イメージング診断治療研究部, 上席研究員 (10396947)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
阿部 浩之 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 量子機能創製研究センター, 主任研究員 (30354947)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ナノダイヤモンド / NVセンター / ナノセンサー / PEG化 / ステルス化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞や体の中の局所でおこっている化学反応を捉えることができれば、生命科学を飛躍的に発展させる基礎知見となるのみならず、その知見を創薬と医療に展開し、健康社会を充実させることにつながる。ナノダイヤモンド（ND）に存在する「窒素－空孔（NV）センター」は、それを可能にするポテンシャルな素材として注目されている。しかしながら、ND中のNVセンターは極少量しか含まれていないこと、ならびに生体環境中において粒子間ならびに生体物質間で凝集してしまうことが応用の妨げとなっている。本研究では、電子線加速機を使ってND中にNVセンターを人工的に多数造り込むこと、ならびに高分子化学技術によって生体適合性高分子であるポリエチレングリコール（PEG）を修飾し、凝集を抑制することを行い、応用への壁を乗り越えることを目的としている。初年度は、生体計測応用に最も汎用的と考えられる粒径50nmのNDに対して、NVセンター増設とPEG修飾法の開発を進めた。NVセンターの増設は、電子線照射により空孔Vを作製し、それを熱処理により窒素Nとカップリングさせる手順で行った。22年度は、各種条件検討を進め、NV-由来の蛍光強度が増大したNDを得た。NDのPEG修飾法について、22年度では、各種分光法、表面電位測定、酸塩基滴定、熱重量測定、比表面積測定を用いて反応の進行を定量的に解析しつつ、修飾するPEGの分子量を2k - 40kに拡張した。その際、分子量の異なるPEG修飾の効果を定量するために、隣接PEG鎖との重なり合い度をパラメータとして定義し、反応条件およびアルブミンをモデルとしてタンパク質吸着抑制効果を検証した。これにより、PEG分子量、重なり合い度、タンパク質吸着抑制効果の相互相関を明らかにした。
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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
22年度の目標は、電子線照射によるNVセンター増設の条件最適化、ならびにNDへのPEG修飾法の検討を進め、PEG化NDのプロトタイプを得ること、そして修飾PEGの定量解析法を開発することであった。NVセンター増設に関して、電子線照射量、NVカップリングのための熱処理温度と時間、不純物である表面グラファイト層除去のための空気中での熱処理条件の検討を進め、NV-由来の蛍光強度が増大したNDを得ることができた。PEG修飾に関しては、酸化処理によるカルボン酸の導入、アミノ基への変換、PEG付加反応の条件を最適化し、分子量の異なるPEG修飾に拡張した。さらに、分子量の異なるPEG間で一律に比較するパラメーターとして、隣接PEG鎖間の重なり合い度で規格化し、PEG分子量、重なり合い度、タンパク質吸着抑制効果の相互相関を明らかにした。このように、NVセンター増設の条件最適化ならびにPEG化NDの作成、さらにその定量評価法を確立しており、22年度の計画を概ね達成した。これより本研究は順調に進んでいると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
NVセンターの増設に成功したことから、電子線照射条件ならびに熱処理のシークエンス、表層のグラファイト層除去のための熱処理温度と時間などを変数としてNV-由来の蛍光強度を最大とする方法論を見出すとともに、蛍光強度とODMRにおける検出感度との相関を検討する。PEG修飾に関しては、PEG分子量、隣接鎖との重なり合い度、タンパク質吸着抑制効果の相互相関を明らかにしたことで、PEG修飾法に一定の目処が立った。これより、NVセンター導入NDへのPEG修飾を開始し、細胞さらには小動物への適用を試みる。他方、さらなる高密度修飾を目標として、表面開始重合による修飾法の検討を開始する。2023年度の課題としては、当研究費で雇用していた博士研究員離職にともなう技術移転がある。これについては手順書の作成や情報の共有を通じて切れ目なく次期研究員に移転し、研究を推進する。
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Research Products
(18 results)
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[Journal Article] Size-tunable PEG-grafted copolymers as a polymeric nanoruler for passive targeting muscle tissues.2022
Author(s)
M. Naito, Y. Watanuki, K. Toh, J. Yum, B. S. Kim, K. Taniwaki, S. Ogura, H. Ishida, M. Cho, H. Chaya, K. Miyajima, K. Osada, K. Minegishi, Y. Aoki, Y. Yamasaki, K. Miyata,
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Journal Title
Journal of Controlled Release
Volume: 347
Pages: 607-614
DOI
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[Journal Article] Delivery of aPD-L1 antibody to i.p. tumors via direct penetration by i.p. route: beyond EPR effect.2022
Author(s)
M. Yamamoto, T. Kurino, R. Matsuda, H. S. Jones, Y. Nakamura, T. Kanamori, A. B. Tsuji, A. Sugyo, R. Tsuda, Y. Matsumoto, Y. Sakurai, H. Suzuki, M. Sano, K. Osada, T. Uehara, Y. Ishii, H. Akita, Y. Arano, A. Hisaka, H. Hatakeyama,
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Journal Title
Journal of Controlled Release
Volume: 352
Pages: 328-337
DOI
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[Patent(Industrial Property Rights)] 単一高分子粒子、活性分子複合体、単一高分子粒子の製造方法、腫瘍サイズの計測方法、腫瘍内の微細構造の計測方法、生体組織のイメージング方法、ドラッグデリバリーシステム、造影剤キット2023
Inventor(s)
長田健介, 力山和晃, 住吉晃, 青木伊知男, 内藤瑞, 等
Industrial Property Rights Holder
長田健介, 力山和晃, 住吉晃, 青木伊知男, 内藤瑞, 等
Industrial Property Rights Type
特許
Industrial Property Number
PCT/JP2023/11719
Overseas
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[Patent(Industrial Property Rights)] 単一高分子粒子、活性分子複合体、単一高分子粒子の製造方法、腫瘍サイズの計測方法、腫瘍内の微細構造の計測方法、生体組織のイメージング方法、ドラッグデリバリーシステム、造影剤キット2022
Inventor(s)
長田健介, 力山和晃, 住吉晃, 青木伊知男, 内藤瑞, 等
Industrial Property Rights Holder
長田健介, 力山和晃, 住吉晃, 青木伊知男, 内藤瑞, 等
Industrial Property Rights Type
特許
Industrial Property Number
2022-067148
