細胞内応答駆動型超分子によるバイオ分子間反応解析

• Project Area: Molecular Science for Nanomedicine
• Project/Area Number: 23107004
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 由井 伸彦 Tokyo Medical and Dental University, 生体材料工学研究所, 教授 (70182665)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金野 智浩 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80371706) ; 徐 知勲 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (20611544) ; 田村 篤志 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (80631150)
• Project Fiscal Year: 2011-07-25 – 2016-03-31(Estimated)
• Project Status: Adopted(Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥96,980,000 (Direct Cost : ¥74,600,000、Indirect Cost : ¥22,380,000); Fiscal Year 2015 : ¥14,430,000 (Direct Cost : ¥11,100,000、Indirect Cost : ¥3,330,000); Fiscal Year 2014 : ¥15,340,000 (Direct Cost : ¥11,800,000、Indirect Cost : ¥3,540,000); Fiscal Year 2013 : ¥18,850,000 (Direct Cost : ¥14,500,000、Indirect Cost : ¥4,350,000); Fiscal Year 2012 : ¥19,110,000 (Direct Cost : ¥14,700,000、Indirect Cost : ¥4,410,000); Fiscal Year 2011 : ¥29,250,000 (Direct Cost : ¥22,500,000、Indirect Cost : ¥6,750,000)
• Keywords: 超分子 / ポリロタキサン / シクロデキストリン / siRNA / 酵素 / ライソゾーム病 / オートファジー / 動的超分子 / 細胞内分解 / 細胞内取り込み

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、環状分子の空洞部に線状高分子が貫通したインターロック構造の超分子ポリロタキサン（PRX)を基盤材料として、細胞内反応の解析、および治療技術への応用を目的としている。前年度までの研究で、細胞内環境で超分子骨格が分解する細胞内分解性PRXを設計し、核酸
タンパク質の細胞内導入キャリアとしての機能評価を進め、PRX骨格の有用性を明らかとしてきた。一方、細胞内分解性PRXが細胞内で分解し、多数の環状分子（シクロデキストリン）を放出する現象に着目し、これを利用したライソゾーム病治療について検討を進めてきた。先天的な遺伝子変異によりリソソームにコレステロールが慢性的に蓄積するニーマンピック病C型に対し、PRXはリソソーム内のコレステロール異常蓄積を改善することを明らかとした。
ニーマンピック病C型を含むライソゾーム病ではリソソーム機能の異常により、細胞のタンパク質分解機能であるオートファジーが正常に機能していないことが明らかとされている。特にニーマンピック病C型では定常状態でオートファゴソームの蓄積が認められる。このようなニーマンピック病C型におけるオートファジー機能異常に対し、細胞内分解性PRXを作用させることでオートリソソームの形成を促進し、オートファジー機能を正常細胞と同程度まで改善することを明らかとした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本申請課題の最終的な目標はポリロタキサンの治療技術への応用である。オートファジーの機能異常は多くの神経変性疾患で認められており病態の主因と考えられている。ポリロタキサンによるオートファジー機能の改善を利用することで、様々な疾患治療へと展開できる可能性が期待される。また、前年度まで検討を進めてきたPRXによる核酸、タンパク質デリバリーについては、超分子構造の有用性を明らかとするとともに、一部の実験系についてはin vivoでの実験を開始することができた。よって、当初の計画通りに研究が進展していると考えられる。

Research Output

• [Journal Article] Increasing the repeating units of ethylene glycol-based dimethacrylates directed towards reduced oxidative stress and co-stimulatory factors expression in human monocytic cells (2015)
  • Author(s): A. Tamura, I. Fukumoto, N. Yui, M. Matsumura, H. Miura
  • Journal Title: Journal of Biomedical Materials Research Part A Volume : 103 Pages : 1060-1066
  • DOI: 10.1002/jbm.a.35251
• [Journal Article] β-Cyclodextrin-threaded biocleavable polyrotaxanes ameliorate impaired autophagic flux in Niemann-Pick type C disease (2015)
  • Author(s): A. Tamura, N. Yui
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume : 290 Pages : 9442-9454
  • DOI: 10.1074/jbc.M115.636803
• [Journal Article] Tailoring the supramolecular structure of aminated polyrotaxanes toward enhanced cellular internalization (2014)
  • Author(s): Nanako Yokoyama, Ji-Hun Seo, Atsushi Tamura, Yoshihiro Sasaki, Nobuhiko Yui
  • Journal Title: Macromolecular Bioscience Volume : 14 Pages : 359-368
  • DOI: 10.1002/mabi.201300198
• [Journal Article] Spontaneous assembly into pseudopolyrotaxane between cyclodextrins and biodegradable polyphosphoester ionomers (2014)
  • Author(s): Atsushi Tamura, Masahiro Tokunaga, Yasuhiko Iwasaki, Nobuhiko Yui
  • Journal Title: Macromolecular Chemistry and Physics Volume : 215 Pages : 648-653
  • DOI: 10.1002/macp.201300774
• [Journal Article] Lysosomal-specific cholesterol reduction by biocleavable polyrotaxanes for ameliorating Niemann-Pick type C disease (2014)
  • Author(s): Atsushi Tamura, Nobuhiko Yui
  • Journal Title: Scientific Reports Volume : 4 Pages : 4356
  • DOI: 10.1038/srep04356
• [Journal Article] Supramolecular flower micelle formation of polyrotaxane-containing triblock copolymers prepared from macro-chain transfer agent bearing molecular hooks (2014)
  • Author(s): A. Tamura, H. Tanaka, N. Yui.
  • Journal Title: Polymer Chemistry Volume : 5 Pages : 4511-4520
  • DOI: 10.1039/C4PY00379A
• [Journal Article] Threaded macromolecules as a versatile platform for biomaterials (2014)
  • Author(s): A. Tamura, N. Yui
  • Journal Title: Chemical Communications Volume : 50 Pages : 13433-13446
  • DOI: 10.1039/C4CC03709J
• [Journal Article] Cell membrane-permeable and cytocompatible phospholipid polymer nanoprobes conjugated with molecular beacons (2014)
  • Author(s): X. Lin, T. Konno, K. Ishihara
  • Journal Title: Biomacromolecules Volume : 15 Pages : 150-157
  • DOI: 10.1021/bm401430k
• [Journal Article] Quantitating distance-dependent, indirect cell-cell interactions with a multilayered phospholipid polymer hydrogel (2014)
  • Author(s): B. Gao, T. Konno, K. Ishihara
  • Journal Title: Biomaterials Volume : 35 Pages : 2181-2187
  • DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.11.060
• [Journal Article] Multilayered phospholipid polymer hydrogels for releasing cell growth factors (2014)
  • Author(s): J. Choi, T. Konno, K. Ishihara
  • Journal Title: Biomaterials and Biomedical Engineering Volume : 1 Pages : 1-12
  • DOI: 10.12989/bme.2014.1.1.001
• [Journal Article] Molecular logistics using cytocleavable polyrotaxanes for the reactivation of enzymes delivered in living cells (2013)
  • Author(s): Atsushi Tamura, Go Ikeda, Ji-Hun Seo, Koji Tsuchiya, Hirofumi Yajima, Yoshihiro Sasaki, Kazunari Akiyoshi, Nobuhiko Yui.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume : 3 Pages : 2252
  • DOI: 10.1038/srep02252
• [Journal Article] A supramolecular endosomal escape approach for enhancing gene silencing of siRNA using acid-degradable cationic polyrotaxanes (2013)
  • Author(s): Atsushi Tamura, Nobuhiko Yui
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry B Volume : 1 Pages : 3535-3544
  • DOI: 10.1039/C3TB20514B
• [Journal Article] Sensitization potential of dental resins: 2-hydroxyethyl methacrylate and its water-soluble oligomers induce immunostimulatory effect (2013)
  • Author(s): Izumi Fukumoto, Atsushi Tamura, Mitsuaki Matsumura, Hiroyuki Miura, Nobuhiko Yui
  • Journal Title: PLoS One Volume : 8 Pages : e8254
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0082540
• [Journal Article] Redox phospholipid polymer microparticles as doubly functional polymer support for immobilization of enzyme oxidase (2013)
  • Author(s): Xiaojie Lin, Tomohiro Konno, Madoka Takai, Kazuhiko Ishihara
  • Journal Title: Colloids and Surfaces B. Biointerfaces Volume : 102 Pages : 857-863
  • DOI: 10.1016/j.colsurfb.2012.09.024
• [Journal Article] A simple procedure for the preparation of precise spatial multicellular phospholipid polymer hydrogels (2013)
  • Author(s): Botao Gao, Tomohiro Konno, Kazuhiko Ishihara
  • Journal Title: Colloids and Surfaces B. Biointerfaces Volume : 108 Pages : 345-351
  • DOI: 10.1016/j.colsurfb.2013.02.022
• [Journal Article] Phospholipid polymer hydrogel microsphere modulates the cell cycle profile of encapsulated cells (2013)
  • Author(s): Tatsuo Aikawa, Tomohiro Konno, Kazuhiko Ishihara
  • Journal Title: Soft Matter Volume : 9 Pages : 4628-4634
  • DOI: 10.1039/C3SM50394A
• [Journal Article] The use of the mechanical microenvironment of phospholipid polymer hydrogels to control cell behavior (2013)
  • Author(s): Haruka Oda, Tomohiro Konno, Kazuhiko Ishihara
  • Journal Title: Biomaterials Volume : 34 Pages : 5891-5896
  • DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.04.015
• [Journal Article] Different Mechanisms for nanoparticle formation between pDNA and siRNA using polyrotaxane as the polycation (2012)
  • Author(s): Y.Yamada, M.Hashida, T.Nomura, H.Harashima, Y.Yamasaki, K.Kataoka, A.Yamashita, R.Katoono, N.Yui
  • Journal Title: ChemPysChem Volume : 13(印刷中)
  • DOI: Doi:10.1002/cphc.201100800
• [Journal Article] Quantitative and mechisim-based investigation of post-nuclear gene delivery events for transgene expression by biocleavable polyrotaxanes with well controlled cationic density (2012)
  • Author(s): Y.Yamada, T.Nomura, H.Harashima, A.Yamashita, N.Yui
  • Journal Title: Biomaterials Volume : 33(印刷中)
• [Journal Article] 硫酸化糖鎖高分子によるグリコサミノグリカンモデルポリマーの合成とアミロイド阻止機能 (2012)
  • Author(s): 三浦佳子、坂本祥吾、福田知博、由井伸彦
  • Journal Title: 高分子論文集 Volume : 69 Pages : 47-53
  • DOI: Doi:10.1295/koron.69.47
• [Journal Article] Continuous preparation of a spherical phospholipid polymer hydrogel for cell encapsulation using a flow-focusing microfluidic channel device (2012)
  • Author(s): T.Aikawa, T.Konno, M.Takai, K.Ishihara
  • Journal Title: Langmuir Volume : 28 Pages : 2145-2150
  • DOI: doi:10.1021/la2037586
• [Journal Article] Regulation of cell proliferation by multilayered phospholipid polymer hydrogel coatings through controlled release of paclitaxel (2012)
  • Author(s): J.Choi, T.Konno, M.Takai, K.Ishihara
  • Journal Title: Biomaterials Volume : 33 Pages : 954-961
  • DOI: doi:10.1016/j.biomaterials.2011.10.006
• [Journal Article] Fabrication of polymeric electron-transfer mediator/enzyme hydrogel multilayer on an Au electrode in a layer-by-layer process (2012)
  • Author(s): Z.Li, I.Konno, M.Takai, K.Ishihara
  • Journal Title: Biosensors and Bioelectronics Volume : 34 Pages : 191-196
  • DOI: doi:10.1016/j.bios.2012.01.042
• [Presentation] Biocleavable cyclodextrin-based polyrotaxanes for the therapy of lysosomal storage disorders (2014)
  • Author(s): A. Tamura, N. Yui
  • Organizer: The 10th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2014)
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市)
  • Year and Date: 2014-12-02 – 2014-12-05
• [Presentation] 細胞内分解性ポリロタキサンによるライソゾーム病由来細胞のオートファジー機能正常化 (2014)
  • Author(s): 田村篤志, 由井伸彦
  • Organizer: 第36回日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀 (東京都江戸川区)
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-18
• [Presentation] ポリロタキサンの超分子構造が酵素静電複合体の物理化学的性質と酵素活性に与える影響 (2014)
  • Author(s): 池田剛, 田村篤志, 由井伸彦
  • Organizer: 第36回日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀 (東京都江戸川区)
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-18
• [Presentation] ポリロタキサンの動的骨格を活かした細胞機能の調節－新たな治療法を目指してー (2014)
  • Author(s): 由井伸彦
  • Organizer: 第15回リング・チューブ超分子研究会シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス (東京都目黒区)
  • Year and Date: 2014-10-27 – 2014-10-28
• [Presentation] 細胞内分解性超分子を基盤とした難治性代謝疾患治療 (2014)
  • Author(s): 田村篤志, 由井伸彦
  • Organizer: 第63回高分子討論会
  • Place of Presentation: 長崎大学文教キャンパス (長崎県長崎市)
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] 化学組成の異なる分解性ポリロタキサンの調整とニーマンピック病C型細胞からのコレステロール除去作業の評価 (2014)
  • Author(s): 田村篤志, 由井伸彦
  • Organizer: 第31回 シクロデキストリンシンポジウム
  • Place of Presentation: 島根県民会館 (島根県松江市)
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-12
• [Presentation] Designing cytocleavable polyrotaxanes as a vehicle for molecular logistics of biomacromolecular delivery into target cells (2014)
  • Author(s): N. Yui
  • Organizer: The 6th Forum on New Materials
  • Place of Presentation: Palazzo dei Congressi (Italy)
  • Year and Date: 2014-06-15 – 2014-06-19
• [Presentation] Significance of supramolecular frames of CD- based polyrotaxanes as biomaterials: extracellular and intracellular approaches (2014)
  • Author(s): N. Yui
  • Organizer: 17th International Cyclodextrin Symposium
  • Place of Presentation: Saarland University (Germany)
  • Year and Date: 2014-05-29 – 2014-05-31
• [Presentation] Lysosomal CD release from biocleavable polyrotaxanes directed toward ameliorating lysosomal storage disorders (2014)
  • Author(s): A. Tamura, N. Yui
  • Organizer: 17th International Cyclodextrin Symposium
  • Place of Presentation: Saarland University (Germany)
  • Year and Date: 2014-05-29 – 2014-05-31
• [Presentation] In vitro試験法による歯科用レジン成分の感作性評価 (2013)
  • Author(s): 福本いづみ, 田村篤志, 由井伸彦, 松村光明, 三浦宏之
  • Organizer: 第35回 日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀, 東京
  • Year and Date: 20131125-20131126
• [Presentation] 超分子骨格が細胞-マテリアル間相互作用に与える影響の検討 (2013)
  • Author(s): 横山奈那子，徐 知勲，田村篤志，由井伸彦
  • Organizer: 第35回 日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀, 東京
  • Year and Date: 20131125-20131126
• [Presentation] 分解性機能を有するポリロタキサン－酵素複合体の調製と細胞内導入への応用 (2013)
  • Author(s): 池田 剛, 田村篤志, 由井伸彦
  • Organizer: 第35回 日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀, 東京
  • Year and Date: 20131125-20131126
• [Presentation] ポリロタキサンを表層に有する自己組織化ナノ粒子の調製と標的指向化の検討 (2013)
  • Author(s): 田中 朝, 田村篤志, 由井伸彦
  • Organizer: 第35回 日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀, 東京
  • Year and Date: 20131125-20131126
• [Presentation] Biodegradable supramolecular nanocarriers for enhancing the intracellular activity of delivered biomacromolecules (2013)
  • Author(s): Atsushi Tamura, Nobuhiko Yui
  • Organizer: 第35回 日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀, 東京
  • Year and Date: 20131125-20131126
• [Presentation] 超分子骨格の特性を活かしたバイオマテリアルの創発 (2013)
  • Author(s): 由井伸彦
  • Organizer: 第8回四大学連合文化講演会
  • Place of Presentation: 一橋講堂, 東京
  • Year and Date: 20131011-20131011
• [Presentation] Supramolecular logistics using cytocleavable polyrotaxanes for modulating cellular functions (2013)
  • Author(s): Nobuhiko Yui
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Nanomedicine Molecular Science
  • Place of Presentation: Sanjyo Conference Hall, The University of Tokyo, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20131008-20131010
• [Presentation] 細胞内特異的にシクロデキストリンを徐放可能な超分子ナノメディシンの設計とライソゾーム病治療への展開 (2013)
  • Author(s): 田村篤志, 由井伸彦
  • Organizer: 第30回 シクロデキストリンシンポジウム
  • Place of Presentation: くまもと県民交流会館パレア, 熊本
  • Year and Date: 20130912-20130913
• [Presentation] Optimizing the molecular structure of polyrotaxanes for efficient intracellular delivery. (2013)
  • Author(s): Nanako Yokoyama, Ji-Hun Seo, Atsushi Tamura, Nobuhiko Yui
  • Organizer: The 25th European Conference on Biomaterials (ESB)
  • Place of Presentation: Madrid, Spain
  • Year and Date: 20130908-20130912
• [Presentation] Emerging biomaterials functions through supramolecular polyrotaxanes. The 7th World Congress on Biomimetics (2013)
  • Author(s): Nobuhiko Yui, Ji-Hun Seo, Atsushi Tamura
  • Organizer: The 7th World Congress on Biomimetics, Artificial Muscles and Nano-Bio (BAMN2013)
  • Place of Presentation: Jeju Island, South Korea
  • Year and Date: 20130826-20130830
• [Presentation] Supramolecular polyelectrolyte complexes for enhancing the intracellular activity of delivered biomacromolecules (2013)
  • Author(s): Atsushi Tamura
  • Organizer: 5th TMDU International Summer Program 2013 (ISP2013)
  • Place of Presentation: Tokyo Medical and Dental University, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20130826-20130829
• [Presentation] 細胞内環境特異的に活性化される分解性ポリロタキサン－酵素複合体の設計と機能評価 (2013)
  • Author(s): 池田 剛, 田村篤志, 土屋好司, 矢島博文, 由井伸彦
  • Organizer: 第42回 医用高分子シンポジウム
  • Place of Presentation: 産業技術総合研究所 臨海副都心センター, 東京
  • Year and Date: 20130729-20130730
• [Presentation] Effect of supramolecular structure of cytocleavable cationic polyrotaxanes in intracellular uptake and gene silencing of siRNA. (2013)
  • Author(s): Atsushi Tamura, Nobuhiko Yui
  • Organizer: The 40th Annual Meeting & Exposition of the Controlled Release Society
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center, Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 20130721-20130724
• [Presentation] 分解性ポリロタキサンによる酵素デリバリーと細胞内での酵素活性発現 (2013)
  • Author(s): 田村篤志, 池田 剛, 由井伸彦
  • Organizer: 第29回 日本DDS学会学術集会
  • Place of Presentation: 京都テルサ, 京都
  • Year and Date: 20130704-20130705
• [Presentation] カチオン性ポリロタキサンの細胞内取り込みにおける超分子骨格の影響 (2013)
  • Author(s): 横山奈那子, 徐 知勲, 田村篤志, 由井伸彦
  • Organizer: 第29回 日本DDS学会学術集会
  • Place of Presentation: 京都テルサ, 京都
  • Year and Date: 20130704-20130705
• [Presentation] Cytoplasmic small intefering RNA delivery using cytocleavable polyrotaxanes. (2013)
  • Author(s): Nobuhiko Yui, Atsushi Tamura
  • Organizer: The 7th International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2013)
  • Place of Presentation: Suntec Singapore, Suntec City, Singapore
  • Year and Date: 20130630-20130705
• [Presentation] Enhanced cytoplasmic delivery of small interfering RNA using acid-degradable cationic polyrotaxanes. (2013)
  • Author(s): Atsushi Tamura, Nobuhiko Yui
  • Organizer: The 4th Asian Biomaterials Congress
  • Place of Presentation: The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China
  • Year and Date: 20130626-20130629
• [Presentation] 超分子バイオマテリアルによる生体分子の細胞内送達とイメージング (2013)
  • Author(s): 田村篤志
  • Organizer: 新学術領域ナノメディシン分子科学セミナー 高精度分子イメージングで拓く医学新領域
  • Place of Presentation: 東京医科歯科大学, 東京
  • Year and Date: 20130611-20130611
• [Presentation] 超分子骨格構造が制御されたポリロタキサン含有ABAトリブロック共重合体の合成 (2013)
  • Author(s): 田中 朝, 田村篤志, 徐 知勲, 由井伸彦
  • Organizer: 第62回 高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館, 京都
  • Year and Date: 20130529-20130531
• [Presentation] Acid-degradable polyrotaxanes for promoting endosomal escape of siRNA (2013)
  • Author(s): Atsushi Tamura, Nobuhiko Yui
  • Organizer: 第62回 高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館, 京都
  • Year and Date: 20130529-20130531
• [Book] ゲルテクノロジーハンドブック (2014)
  • Author(s): 金野智浩
  • Total Pages: 789-792
  • Publisher: 株式会社エヌ・ティー・エス
• [Book] Intracellular Delivery II (2014)
  • Author(s): T. Konno
  • Total Pages: 255-264
  • Publisher: Springer
• [Book] 未来医療を支える先端バイオマテリアル (2012)
  • Author(s): 由井伸彦
  • Publisher: エヌティーエス(印刷中)
• [Remarks]
  • URL: http://www.tmd.ac.jp/i-mde/www/material/index3.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.labonet.info/yui/
• [Patent(Industrial Property Rights/JSPS)] ポリロタキサン、及びライソゾーム病に対する医薬組成物
  • Inventor(s): 田村篤志, 由井伸彦.
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 東京医科歯科大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2013-172994
  • Filing Date: 2013-08-23
  • Application Year: 2013
• [Patent(Industrial Property Rights/JSPS)] 骨形成因子安定保持剤、骨形成因子活性化剤、骨形成因子の安定保持方法、及び骨形成因子の活性化方法
  • Inventor(s): 寺内正彦、池田 剛、田村篤志、山口 聰、原田 清、由井伸彦
  • Industrial Property Rights Holder: 寺内正彦、池田 剛、田村篤志、山口 聰、原田 清、由井伸彦
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2014-224265
  • Filing Date: 2014-11-04
  • Application Year: 2014