ＣＮＴを応用した高機能生体材料創製のためのＣＮＴ・生体界面技術の構築と安全性評価

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24241045
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 齋藤 直人 信州大学, 学術研究院保健学系, 教授 (80283258)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 博之 信州大学, 学術研究院医学系, 教授 (40204490) ; 佐々木 克典 信州大学, 学術研究院医学系, 教授 (30170666) ; 樽田 誠一 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00217209) ; 宇田川 信之 松本歯科大学, 歯学部, 教授 (70245801)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ナノ機能材料 / ナノ粒子チューブ

Outline of Annual Research Achievements

CNT材料の研究として、細胞への取り込みを、細胞および分散剤を変えて検討した。細胞や分散剤によってCNTの取り込み量や取り込み形式が異なり、そのメカニズムを検討した。多くの細胞で、取り込み形式はエンドサイトーシスであり、細胞に取り込まれて毒性を示すことが明らかになった。しかし、例外的に細胞に取り込まれなくても毒性を示す場合、取り込まれても毒性を示さない場合があり、これらのメカニズムを検討した。また、分散剤によりCNT表面の特性が変化し、細胞への取り込みに影響することを示した。これらの研究は特にマクロファージを中心に実施し、細胞内外でのタンパクの発現を評価した。
CNTと細胞の界面について、継続して１本のCNTを１個の細胞に作用させる技術開発を進めた。CNT１本を把持することに成功したが、更に機器の改良が必要であった。
CNT単独で立体構築し、皮質骨の機械的特性にできるだけ近づけたブロック体を作製し、骨欠損修復のためのスキャフォルドとして有効性を検討した。CNT ブロックにBMPを添加してマウス背筋に埋植すると、ブロックに密着して骨形成が認められた。また、CNT ブロック上での細胞接着性と増殖性は良好であった。このCNTブロックは、一定の強度を必要とする部位の骨欠損を修復するための足場材として期待できることを明らかにした。
癌転移骨の制御を目的として、CNTを抗破骨細胞薬や抗癌剤のDDSに用いる研究をスタートさせた。使用するCNTを数種類選定し、薬による表面修飾を行った。癌細胞に作用させることで、増殖を抑制することを確認したが、更に再現性高める必要があった。
遺伝子改変発癌性マウス（rasH2）を用いたCNTの発癌性評価として、CNTを膝関節内に投与した結果を詳細に検討した。特に、CNTの体内動態と肺における反応に着目し、投与部位が大きく影響することを明らかにした。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

CNTと細胞の反応はそのメカニズムにまで検討することができた。１本のCNTを１個の細胞に作用させる技術開発では、CNT１本を把持する精度を高めることができた。CNT ブロックを足場材に応用する研究は大きく進歩し、論文を執筆中である。CNTをDDSに応用して癌転移骨の制御する研究をスタートした。多くの課題があり、今後の最重要テーマになると考えられた。遺伝子改変発癌性マウスによるCNTの埋め込み試験は、一定の動物実験を終了し、評価段階に入った。CNTの体内動態および発癌性に新しい知見が得られている。その他にもCNT複合材料の細胞反応および生体反応の検討にも着手し、広範囲の研究テーマを前進させることができたと考える。本研究課題を含む論文「Safe clinical use of carbon nanotubes as innovative biomaterials」を、Chemical Reviews（インパクトファクター45.661）に発表し、その他にも複数の関連論文を発表した。

Strategy for Future Research Activity

昨年度に引き続き、今年度もCNT開発および材料複合技術開発を、信州大学工学部およびカーボン科学研究所が行う。得られた材料を、信州大学と松本歯科大学において密に連携を保ちながら、生体組織や細胞との界面に着目して研究を進めていく。この際、医学の様々な分野と歯学に分担研究者がおり、それぞれの専門的知識と実験手技を動員・統合して、横断的な新知見を獲得する。得られた結果は随時工学にフィードバックし、生体との界面を制御する高機能生体材料を開発していく。実用化に最も重要な生体安全性は、昨年度同様にCNT・生体界面研究の結果を反映させ、安全性評価を実施する。研究計画の最終的なゴールは、CNTの癌治療に用いるDDS、イメージング等への応用、再生医療に用いるscaffold への応用、外科用インプラントへの応用等のための確固たる基盤技術を構築することである。さらに、CNTの生体材料としての国際的な安全性評価基準を構築して、臨床応用の実現を目指す。
平成26年度までは、主として基盤的な研究を実施してきた。平成27年度からは、これまでに行ってきた基盤研究で重要なものをさらに高度化すると共に、テーマを絞った応用研究に移行していく。特に癌転移骨空間においてCNTを応用して制御する研究、およびCNTを足場材として骨組織を再生する研究は新規性が高く、重点的に研究を実施する。

Research Products

• [Journal Article] Safe clinical use of carbon nanotubes as innovative biomaterials. (2014)
  • Author(s): Saito N, Haniu H, Usui Y, Aoki K, Hara K, Takanashi S, Shimizu M, Narita N, Okamoto M, Kobayashi S, Nomura H, Kato H, Nishimura N, Taruta S, Endo M.
  • Journal Title: Chem Rev Volume: 114 Pages: 6040-6079
  • DOI: 10.1021/cr400341h
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Biological responses according to the shape and size of carbon nanotubes in BEAS-2B and MESO-1 cells. (2014)
  • Author(s): Haniu H, Saito N, Matsuda N, Tsukahara T, Usui Y, Maruyama K, Takanashi S, Aoki K, Kobayashi S, Nomura H, Tanaka M, Okamoto M, Kato H.
  • Journal Title: Int J Nanomed Volume: 9 Pages: 1979-1989
  • DOI: 10.2147/IJN.S58661
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Influence of CNF content on microstructure and fracture toughness of CNF/alumina composites. (2014)
  • Author(s): Ueda N, Yamakami T, Yamaguchi T, Usui Y, Aoki K, Endo M, Saito N, Taruta S.
  • Journal Title: J Ceram Soc Jpn Volume: 122 Pages: 192-199
  • DOI: 10.2109/jcersj2.122.292
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Noncanonical Wnt5a enhances Wnt/b-catenin signaling during osteoblastogenesis. (2014)
  • Author(s): Okamoto M, Udagawa N, Uehara S, Maeda K, Yamashita T, Nakamichi Y, Kato H, Saito N, Minami Y, Takahashi N, Kobayashi Y.
  • Journal Title: Sci Rep-UK Volume: 4 Pages: 4493
  • DOI: 10.1038/srep04493
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] CNT redox potential in chemical reactions. (2014)
  • Author(s): Tsuruoka S, Matsumoto H, Koyama K, Akiba E, Yanagisawa T, Cassee FR, Saito N, Usui Y, Kobayashi S, Porterg DW, Castranovag V, Endo M.
  • Organizer: International Conference on Safe production and use of nanomaterials
  • Place of Presentation: Grenoble, France
  • Year and Date: 2014-11-18 – 2014-11-20
• [Presentation] Effects for osteosarcoma cells by carbon nanotubes. (2014)
  • Author(s): Aoki K, Okamoto M, Kobayashi S, Nomura H, Tanaka M, Kato H, Usui U, Haniu H, Saito N.
  • Organizer: ANZBMS Annual Scientific Meeting
  • Place of Presentation: Queenstown, New Zealand
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Noncanonical Wnt5a enhances Wnt/b-catenin signaling through the up-regulation of Lrp5/6 during osteoblastogenesis. (2014)
  • Author(s): Okamoto M, Udagawa N, Yamashita T, Uehara S, Aoki K, Haniu H, Kato H, Saito N, Takahashi N, Kobayashi Y.
  • Organizer: ANZBMS Annual Scientific Meeting
  • Place of Presentation: Queenstown, New Zealand
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Comparison of intraarticular reactions to Multi Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) by injection at once with three divided times. (2014)
  • Author(s): Nomura H, Haniu H, Takanashi S, Kobayashi S, Okamoto M, Aoki K, Maruyama K, Usui Y, Kato H, Saito N.
  • Organizer: 22th Annual Meeting of the European Orthopaedic Research Society
  • Place of Presentation: Nantes, France
  • Year and Date: 2014-07-02 – 2014-07-04
• [Presentation] Wnt5a up-regulated the expression of Lrp5/6 during osteoblastogenesis. (2014)
  • Author(s): Okamoto M, Udagawa N, Yamashita T, Uehara S, Kato H, Saito N, Takahashi N, Kobayashi Y.
  • Organizer: 5th International Conference on Osteoimmunology
  • Place of Presentation: Kos, Greece
  • Year and Date: 2014-06-15 – 2014-06-20