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温度可変固体NMRを用いた両性電解質高分子の脱水制御による凍結保護作用の解明

研究課題

研究課題/領域番号 20H04532
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分90120:生体材料学関連
研究機関北陸先端科学技術大学院大学

研究代表者

松村 和明  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (00432328)

研究分担者 林 文晶  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級研究員 (00450411)
Rajan Robin  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (70848043)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2021年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2020年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
キーワード凍結保護 / 両性電解質高分子 / 固体NMR / 凍結保存 / メカニズム / 高分子 / バイオマテリアル / NMR / 保護 / 両性電解質高分子化合物
研究開始時の研究の概要

本研究の目的は、両性電解質高分子化合物の凍結挙動解析による凍結保護機序の解明である。乾燥/凍結耐性生物が持つ特殊な保護タンパク質との共通性である多数のイオン性残基から、凍結濃縮時の細胞脱水コントロールが凍結保護のメカニズムであるとの仮説を立てた。温度可変固体NMRの手法を独自に開発し、凍結時の分子挙動から、細胞に与える浸透圧、脱水作用を考察し真のメカニズムにせまる。機序の解明により、最適分子設計が可能となり、これまで保存困難であった細胞や組織、臓器の保存技術への応用も期待できる。

研究成果の概要

両性電解質高分子が示す細胞の凍結保護効果の機序解明とその作用を用いた三次元細胞構造体の凍結保存に関して重要な知見を得た。メカニズム解明のため、温度可変固体NMRを用いた両性電解質高分子溶液の水分子、塩分子、高分子鎖の低温でのダイナミクスを調べた。これにより、低温時に形成される高分子マトリックス中に水分子や塩分子が閉じ込められることで浸透圧調整が行われ、細胞の脱水が制御されること、および低温時の水分子の運動性が強く抑制されることにより、細胞外の氷晶刺激による細胞内氷晶の形成が阻害されることが主なメカニズムであることであることが判明した。この機序を利用し、種々の細胞や細胞塊の凍結保存に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

医学生物学研究に重要な細胞の凍結保護作用について、毒性の低い凍結保護剤である高分子による保護効果についてのメカニズムの解明に成功した。このことは学術的に高い意義をもつだけでなく、毒性が低く効果の高い保護剤の分子設計につながる。また、氷晶形成の抑制効果を用いることで三次元細胞構造体の凍結保護に期待がもたれるなど、移植医療や再生医療にも貢献できる可能性がある。

報告書

(5件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (45件)

すべて 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 5件、 査読あり 15件、 オープンアクセス 10件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 6件、 招待講演 10件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Aydin Adnan Menderes University(トルコ)

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      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Aydin Adnan Menderes University(トルコ)

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      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] Aydin Adnan Menderes University(トルコ)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Enhancement of cryopreservation with intracellularly permeable zwitterionic polymers2023

    • 著者名/発表者名
      Yamasaki Ryota、Rajan Robin、Matsumura Kazuaki
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 59 号: 94 ページ: 14001-14004

    • DOI

      10.1039/d3cc04092e

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cryopreservation of rat embryos at all developmental stages by small-volume vitrification procedure and rapid warming in cryotubes2023

    • 著者名/発表者名
      Seki Shinsuke、Kawabe Toshiaki、Yamazaki Wataru、Matsumura Kazuaki、Oikawa Takanori、Obata Takahiro、Higashiya Misako、Yano Megumi、Eto Tomoo
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1 ページ: 20903-20903

    • DOI

      10.1038/s41598-023-47394-0

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Successful production of offspring derived from mouse zygotes vitrified with carboxylated ε-poly-L-lysine and polyvinyl alcohol without serum2023

    • 著者名/発表者名
      ISHII Midori、KAMOSHITA Maki、KURIHARA Yoshihiro、MATSUMURA Kazuaki、HYON Suong-Hyu、ITO Junya、KASHIWAZAKI Naomi
    • 雑誌名

      Journal of Reproduction and Development

      巻: 69 号: 1 ページ: 53-55

    • DOI

      10.1262/jrd.2022-121

    • ISSN
      0916-8818, 1348-4400
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improved fertility of frozen‐thawed porcine spermatozoa with 3,3‐dimethylglutaric anhydride poly‐L‐lysine as a novel cryoprotectant2023

    • 著者名/発表者名
      Jin Hansol、Choi Wooyoon、Matsumura Kazuaki、Hyon Suong‐hyu、Gen Yuki、Hayashi Masakazu、Kawabata Tadahiro、Ijiri Moe、Miyoshi Kazuchika
    • 雑誌名

      Animal Science Journal

      巻: 94 号: 1

    • DOI

      10.1111/asj.13821

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Polyampholyte‐Based Polymer Hydrogels for the Long‐Term Storage, Protection and Delivery of Therapeutic Proteins2023

    • 著者名/発表者名
      Rajan Robin、Kumar Nishant、Zhao Dandan、Dai Xianda、Kawamoto Keiko、Matsumura Kazuaki
    • 雑誌名

      Advanced Healthcare Materials

      巻: in press 号: 17 ページ: 2203253-2203253

    • DOI

      10.1002/adhm.202203253

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Design of self-assembled glycopolymeric zwitterionic micelles as removable protein stabilizing agents2023

    • 著者名/発表者名
      Rajan Robin、Matsumura Kazuaki
    • 雑誌名

      Nanoscale Advances

      巻: 5 号: 6 ページ: 1767-1775

    • DOI

      10.1039/d3na00002h

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 凍結保護物質の化学2022

    • 著者名/発表者名
      松村 和明
    • 雑誌名

      低温生物工学会誌

      巻: 68 号: 1 ページ: 9-16

    • DOI

      10.20585/cryobolcryotechnol.68.1_9

    • ISSN
      1340-7902, 2424-1555
    • 年月日
      2022-04-15
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Bridging polymer chemistry and cryobiology2022

    • 著者名/発表者名
      Matsumura Kazuaki、Rajan Robin、Ahmed Sana
    • 雑誌名

      Polymer Journal

      巻: 55 号: 2 ページ: 105-115

    • DOI

      10.1038/s41428-022-00735-8

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of different carboxylated poly l-lysine and dimethyl sulfoxide combinations on post thaw rabbit sperm functionality and fertility2021

    • 著者名/発表者名
      Niyazi Kucuk, Sanan Raza, Kazuaki Matsumura, Ugur Ucan, Ilker Serin, Ahmet Ceylan, Melih Aksoy
    • 雑誌名

      Cryobiology

      巻: 102 ページ: 127-132

    • DOI

      10.1016/j.cryobiol.2021.07.001

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 側鎖構造の異なる両性電解質高分子による細胞凍結保護効果2021

    • 著者名/発表者名
      山﨑椋太、Robin Rajan、 林文晶、 長島敏雄、 松村和明
    • 雑誌名

      低温生物工学会誌

      巻: 67 号: 2 ページ: 125-128

    • DOI

      10.20585/cryobolcryotechnol.67.2_125

    • NAID

      130008119839

    • ISSN
      1340-7902, 2424-1555
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Gene expression analysis of human induced pluripotent stem cells cryopreserved by vitrification using StemCell Keep2021

    • 著者名/発表者名
      Akemi Ota, Suong-Hyu Hyon, Shoichiro Sumi, Kazuaki Matsumura
    • 雑誌名

      Biochemistry and Biophysics Reports

      巻: 28 号: 2 ページ: 101172-101172

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.1c01126

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Molecular mechanisms of cell cryopreservation with polyampholytes studied by solid-state NMR2021

    • 著者名/発表者名
      Matsumura Kazuaki、Hayashi Fumiaki、Nagashima Toshio、Rajan Robin、Hyon Suong-Hyu
    • 雑誌名

      Communications Materials

      巻: 2 号: 1 ページ: 15-15

    • DOI

      10.1038/s43246-021-00118-1

    • NAID

      120006959320

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Review of the current state of protein aggregation inhibition from a materials chemistry perspective: special focus on polymeric materials2021

    • 著者名/発表者名
      Rajan Robin、Ahmed Sana、Sharma Neha、Kumar Nishant、Debas Alisha、Matsumura Kazuaki
    • 雑誌名

      Materials Advances

      巻: 2 号: 4 ページ: 1139-1176

    • DOI

      10.1039/d0ma00760a

    • NAID

      120006959319

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 浸透圧ダメージ保護機能に伴うカルボキシル化ポリリジンの凍結保護効果2020

    • 著者名/発表者名
      塚田 友梨子、松村 和明
    • 雑誌名

      低温生物工学会誌

      巻: 66 号: 2 ページ: 111-114

    • DOI

      10.20585/cryobolcryotechnol.66.2_111

    • NAID

      130007991373

    • ISSN
      1340-7902, 2424-1555
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular Design of Polyampholytes for Vitrification-Induced Preservation of Three-Dimensional Cell Constructs without Using Liquid Nitrogen2020

    • 著者名/発表者名
      Matsumura Kazuaki、Hatakeyama Sho、Naka Toshiaki、Ueda Hiroshi、Rajan Robin、Tanaka Daisuke、Hyon Suong-Hyu
    • 雑誌名

      Biomacromolecules

      巻: 21 号: 8 ページ: 3017-3025

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.0c00293

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 両性電解質高分子による細胞凍結保存とその再生医療応用2023

    • 著者名/発表者名
      松村和明, Robin Rajan
    • 学会等名
      第13回イオン液体討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞医薬品の凍結保存におけるDMSO 低減のための両性ポリマー 機能 評価2023

    • 著者名/発表者名
      石原幹生、 秋山真一、 増本新也、松村和明
    • 学会等名
      第45回日本バイオマテリアル学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fundamentals and applications of polymeric cryoprotectants2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuaki Matsumura, Robin Rajan
    • 学会等名
      9th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems (9 IDMRCS)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 両性電解質高分子の構造と凍結保護効果の関係2023

    • 著者名/発表者名
      山﨑椋太, Rajan Robin, 松村和明
    • 学会等名
      第11回日本バイオマテリアル学会北陸信越ブロック若手発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 温度可変固体NMRを用いた側鎖構造と凍結保護効果の相関2022

    • 著者名/発表者名
      山﨑椋太、林文晶、長嶋敏雄、Rajan Robin、松村和明
    • 学会等名
      第71回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 凍結保護剤としての応用を目指したトレハロースポリマーの合成2022

    • 著者名/発表者名
      加藤裕介、ラジャン ロビン、松村和明
    • 学会等名
      第71回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Thermal hysteresis and ice recrystallization inhibition activities of antifreezing protein-poly(vinyl alcohol) conjugates2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Kato, Sakae Tsuda, Robin Rajan, Kazuaki Matsumura
    • 学会等名
      The 59th Annual Meeting of the Society for Cryobiology CRYO2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Antifreeze Properties of Antifreeze Protein-Poly(vinyl alcohol) Conjugates2022

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Kato, Sakae Tsuda, Robin Rajan, Kazuaki Matsumura
    • 学会等名
      IBP 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高分子による細胞凍結保存ーその基礎と応用2022

    • 著者名/発表者名
      松村和明
    • 学会等名
      Cryopreservation Conference 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分子による細胞・組織の凍結保存と再生医療への応用2022

    • 著者名/発表者名
      松村和明
    • 学会等名
      第20回日本再生歯科医学会学術大会「シンポジウム」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞凍結保護高分子化合物の基礎と応用2022

    • 著者名/発表者名
      松村和明
    • 学会等名
      第41回整形外科バイオマテリアル研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 凍結過程におけるポリマーと塩の相互作用2021

    • 著者名/発表者名
      山﨑椋太、Robin Rajan、林文晶、長嶋敏雄、松村和明
    • 学会等名
      第66回低温生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 凍結保護剤の化学2021

    • 著者名/発表者名
      松村和明
    • 学会等名
      第66回低温生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Protection of cells and biomolecules by polyampholytes2021

    • 著者名/発表者名
      Kazuaki Matsumura, Robin Rajan
    • 学会等名
      APA Bioforum International e-Conference on Polymeric Biomaterials & Bioengineering
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 両性電解質高分子の凍結保護効果の解明と生体材料応用2021

    • 著者名/発表者名
      松村和明
    • 学会等名
      第70回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Protection of proteins from freezing stress using polyampholyte based graft polymers2021

    • 著者名/発表者名
      Robin Rajan, Nishant Kumar, Kazuaki Matsumura
    • 学会等名
      8th Asian Biomaterials Congress
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 浸透圧傷害緩和作用を有する両性電解質高分子の凍結保護効果2021

    • 著者名/発表者名
      塚田友梨子、松村和明
    • 学会等名
      第43回日本バイオマテリアル学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 浸透圧ダメージからの保護によるカルボキシル化ポリリジンの凍結保護作用2021

    • 著者名/発表者名
      塚田友梨子、松村和明
    • 学会等名
      第10回北信越ブロック研究発表会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Dehydration controlling mechanism of cryoprotection of membrane non-penetrating polyampholytes cryoprotectants by solid-state NMR2020

    • 著者名/発表者名
      Kazuaki Matsumura, Fumiaki Hayashi, Toshio Nagashima, Robin Rajan, Suong-Hyu Hyon
    • 学会等名
      World Biomaterials Congress 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 凍結保護効果をもつ両性電解質高分子の合成と構造機能相関2020

    • 著者名/発表者名
      山﨑椋太、Robin Rajan、松村和明
    • 学会等名
      第30回MRS-J
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 浸透圧傷害への保護機能に伴う両性電解質高分子の凍結保護効果2020

    • 著者名/発表者名
      塚田友梨子、松村和明
    • 学会等名
      Cryopreservation Conference 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 両性電解質高分子による細胞凍結保存の機序とその応用2020

    • 著者名/発表者名
      松村和明
    • 学会等名
      Cryopreservation Conference 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthetic polymers as alternative cryoprotective agents and a look into their mechanism of cryoprotection2020

    • 著者名/発表者名
      Robin Rajan, Kazuaki Matsumura
    • 学会等名
      第65回低温生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 浸透圧ダメージ保護機能に伴う両性電解質高分子の凍結保護効果2020

    • 著者名/発表者名
      塚田友梨子、松村和明
    • 学会等名
      第65回低温生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 凍結保護高分子の合成とその構造機能相関2020

    • 著者名/発表者名
      山﨑椋太、松村和明
    • 学会等名
      第65回低温生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 高分子化合物による細胞の凍結保護効果の機序を解明-再生組織などの長期保存技術の開発に貢献-

    • URL

      https://www.jaist.ac.jp/whatsnew/press/2021/02/post_588.html

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2025-01-30  

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