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金ナノ粒子の表面デザインを駆使したプロテインコロナの光制御法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 22K19929
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分90:人間医工学およびその関連分野
研究機関北海道大学

研究代表者

三友 秀之  北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (50564952)

研究分担者 佐藤 信一郎  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (10262601)
研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
キーワード金ナノ粒子 / 表面修飾 / プロテインコロナ
研究開始時の研究の概要

光機能性を有する金ナノ粒子を用いたナノ粒子医療においては、粒子が血中を安定に滞留し、対象とする疾患部位に特異的に作用するターゲット能が重要である。しかし、血中に投与されると粒子の表面に様々なタンパク質が吸着してプロテインコロナを形成し、マクロファージに認識されて排除されたり、目的細胞へのターゲット能が失われたりする。本研究では、金ナノ粒子の表面デザインの検討により、このような課題を解決する“プロテインコロナを制御する手法”の開発に取り組む。

研究実績の概要

本研究では、高い光機能性と生体適合性を有する金ナノ粒子を用いたナノ粒子医療の開発に取り組んでいる。ナノ粒子医療においては、粒子が血中を安定に滞留し、対象とする疾患部位に特異的に作用するターゲット能が重要である。しかし、一般的に、ナノ粒子が血中に投与されると粒子の表面に様々なタンパク質が吸着してプロテインコロナを形成し、マクロファージに認識されて排除されたり、目的細胞へのターゲット能が失われたりする。このような課題に対し、これまで吸着性を低減するための表面デザインが検討されてきた。本研究では、一歩進んだ“プロテインコロナを制御する手法”の開発を目指し、粒子の表面デザインについて検討している。具体的には、タンパク質が吸着することで粒子の凝集体形成を抑制しつつ、免疫システムから異物として認識されないようにしながらも、マクロファージが認識するようなタンパク質は吸着せず、さらには、特定の部位に到着した際には光刺激によってターゲット能を発揮できるナノ粒子の創製を目指している。
これまでに、研究代表者が開発してきた温度応答性を付与する表面被覆分子による機能化を拡張し、よりオリゴエチレングリコール分子鎖が長い分子と混合することで、生体環境中に存在する生体分子群(タンパク質等)の粒子表面への過剰な吸着を抑制でき、血清をいれた細胞培養液中において体温付近での鋭敏な温度応答性を示すナノ粒子の表面デザインを見いだした。令和5年度は、この生体分子群の吸着性の制御を目指し、タンパク質に焦点を当て、タンパク質の吸着に関する検討を行った。その結果、血清に含まれている主成分であるBSAが粒子表面に相互作用することで分散安定化に寄与していることが確認された。一方で、血清(FBS)を加えたときとは異なる挙動も観察され、BSA以外にも粒子へ相互作用に関係する成分が存在することが示唆された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

前年度までに、研究代表者が開発してきた温度応答性を付与する表面被覆分子による機能化を拡張し、よりオリゴエチレングリコール分子鎖が長い分子と混合することで、粒子表面への生体環境中に存在する生体分子群(タンパク質等)の過剰な吸着を抑制でき、血清をいれた細胞培養液中において体温付近での鋭敏な温度応答性を示すナノ粒子の表面デザインを見いだした。当該年度においては、この生体分子群の吸着性の制御を目指し、吸着に関与している主成分としてタンパク質に焦点を当て、タンパク質の吸着に関する検討を行った。実験に用いた牛胎児血清(FBS)中に含まれる成分のうち最も多い成分は牛血清アルブミン(BSA)であるため、まずはBSAについて検討した。その結果、BSAを導入することで、培養液(DMEM培地)などの高塩濃度環境中におけるナノ粒子の凝集が抑制される効果が確認され、BSAが粒子表面に相互作用することで安定化に寄与していることが確認された。一方で、血清(FBS)を加えたときとは異なる挙動も観察され、BSA以外にも粒子と相互作用して分散安定化に関係する成分が存在することが示唆された。また、FBS成分の存在によって培地環境で安定化(分散)している粒子の温度応答性の可逆的な集合化現象において、冷却時の分散状態に戻る過程に非常にゆっくりとしたヒステレシス現象が存在することも確認され、ナノ粒子間と粒子-タンパク質間の競合的な相互作用の存在が示唆された。

今後の研究の推進方策

今後は、タンパク質の吸脱着におけるタンパク質の相互作用の強度や選択性についてのより具体的な評価を進めるとともに、実際の応用を志向した血中での挙動の解明や光刺激による表面物性の制御性についての検討を進めていく。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 5件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Dynamic Orientation Control of Gold Nanorods in Polymer Brushes by Their Thickness Changes for Plasmon Switching2024

    • 著者名/発表者名
      Sekizawa Yu、Hasegawa Yuka、Mitomo Hideyuki、Toyokawa Chisato、Yonamine Yusuke、Ijiro Kuniharu
    • 雑誌名

      Advanced Materials Interfaces

      巻: 11 号: 11 ページ: 2301066-2301066

    • DOI

      10.1002/admi.202301066

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Size Segregation of Gold Nanoparticles into Bilayer-like Vesicular Assembly2023

    • 著者名/発表者名
      Wei Jinjian、Yu Yi、Matsuo Yasutaka、Zhang Liang、Mitomo Hideyuki、Chen Yuqin、Ijiro Kuniharu、Zhang Zhide
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 39 号: 49 ページ: 17939-17946

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.3c02628

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] DNA-Functionalized Silver Nanoparticles in an Alcoholic Solvent for Environment-Dictated Multimodal Actuation2022

    • 著者名/発表者名
      Kong Li、Wang Luyang、Shi Yali、Peng Lin、Liang Xingguo、Wang Guoqing、Mitomo Hideyuki、Takarada Tohru、Ijiro Kuniharu、Maeda Mizuo
    • 雑誌名

      ACS Applied Nano Materials

      巻: 5 号: 8 ページ: 10321-10330

    • DOI

      10.1021/acsanm.2c01493

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Three-dimensional structure determination of gold nanotriangles in solution using X-ray free-electron laser single-particle analysis2022

    • 著者名/発表者名
      Nakano Miki、Miyashita Osamu、Joti Yasumasa、Suzuki Akihiro、Mitomo Hideyuki、Niida Yoshiya、Yang Ying、Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Tono Kensuke、Ohashi Haruhiko、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、BESSHO YOSHITAKA、Ijiro Kuniharu、Nishino Yoshinori、Tama Florence
    • 雑誌名

      Optica

      巻: 9 号: 7 ページ: 776-784

    • DOI

      10.1364/optica.457352

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Hysteresis in the Thermo-Responsive Assembly of Hexa(ethylene glycol) Derivative-Modified Gold Nanodiscs as an Effect of Shape2022

    • 著者名/発表者名
      Mba Joshua Chidiebere、Mitomo Hideyuki、Yonamine Yusuke、Wang Guoqing、Matsuo Yasutaka、Ijiro Kuniharu
    • 雑誌名

      Nanomaterials

      巻: 12 号: 9 ページ: 1421-1421

    • DOI

      10.3390/nano12091421

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Core?Gap?Shell Nanoparticles@Polyaniline with Tunable Plasmonic Chiroptical Activities by pH and Electric Potential Dual Modulation2022

    • 著者名/発表者名
      Lin Han、Mitomo Hideyuki、Yonamine Yusuke、Guo Zhiyong、Ijiro Kuniharu
    • 雑誌名

      Chemistry of Materials

      巻: 34 号: 9 ページ: 4062-4072

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.2c00313

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] オリゴエチレングリコール被覆金ナノ粒子の表面特性と機能制御2023

    • 著者名/発表者名
      三友秀之、丹羽萌乃佳、熊 坤、与那嶺 雄介、居城 邦治
    • 学会等名
      第72回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] オリゴエチレングリコール被覆金ナノ粒子のデザインと表面物性2023

    • 著者名/発表者名
      三友秀之
    • 学会等名
      第74回コロイドおよび界面化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 丹羽萌乃佳、三友秀之、熊坤、与那嶺雄介、居城邦治2023

    • 著者名/発表者名
      生体環境中における分散性改善に向けたオリゴエチレングリコール被覆温度応答性金ナノ粒子の表面デザイン
    • 学会等名
      第74回コロイドおよび界面化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 生体環境中における分散性改善に向けた温度応答性金ナノ粒子の表面分子デザイン2023

    • 著者名/発表者名
      丹羽萌乃佳、三友秀之、熊 坤、与那嶺雄介、居城邦治
    • 学会等名
      日本化学会 第103春季年会(2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 金ナノ粒子表面のアルカンチオール交換による表面物性の再設計2022

    • 著者名/発表者名
      熊 坤・三友 秀之・与那嶺 雄介・居城 邦治
    • 学会等名
      第73回コロイドおよび界面化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Surface Design of Thermo-Responsive Gold Nanoparticles Coated with OEG-Based Alkane Thiols for Medical Applications2022

    • 著者名/発表者名
      Xiong Kun, Hideyuki Mitomo, Honoka Niwa, Yusuke Yonamine, Kuniharu Ijiro
    • 学会等名
      The 22nd International Vacuum Congress
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] フォトサーマルセラピー応用に向けた温度応答性金ナノ粒子の表面分子デザイン2022

    • 著者名/発表者名
      丹羽萌乃佳、三友秀之、熊 坤、与那嶺雄介、居城邦治
    • 学会等名
      第32回バイオ・高分子シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Hysteresis on assembly/disassembly of gold nanodiscs coated with thermo-responsive molecules2022

    • 著者名/発表者名
      Joshua Chidiebere Mba, Hideyuki Mitomo, Yusuke Yonamine, Yasutaka Matsuo, Kuniharu Ijiro
    • 学会等名
      第71回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Thermo-responsive assembly of gold nanodiscs functionalized with hexa (ethylene glycol) derivatives2022

    • 著者名/発表者名
      Joshua Chidiebere Mba, Hideyuki Mitomo, Yusuke Yonamine, Yasutaka Matsuo, Kuniharu Ijiro
    • 学会等名
      ナノ学会第20回大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 研究室HP

    • URL

      https://chem.es.hokudai.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

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