| 研究課題/領域番号 |
20J20027
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| 研究機関 | 長岡技術科学大学 |
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研究代表者 |
山田 伊織 長岡技術科学大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| キーワード | 無機／有機複合体 / バイオマテリアル / リン酸カルシウム / 水酸アパタイト / リン酸八カルシウム / 層状構造 / セラノスティクス |
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| 研究実績の概要 |
微小がん部位の診断と治療を両立する生体安全性の高いリン酸八カルシウム(OCP)の創製を目指し，Eu(III)イオン(Eu3+)ドープOCP(OCP:Eu)とコハク酸(Suc)イオン修飾OCP:Eu(Suc-OCP:Eu)の二つの系を創製した。また並行して，OCPやハイドロキシアパタイト(HA)とのポルフィリン(Por)の複合を検討した。
前者の取り組みにおいて，XRDとXRFから，OCPの層状構造を維持しながらEu3+がドープされたことがわかった。Suc-OCP:EuにおいてはSucイオン修飾により層間距離が増加した。FT-IRから，Suc-OCP:EuにおいてSucイオンの吸収帯が観測され，固体31P-NMRから水和層に存在するリンのピークが消失したことから，水和層中のリン酸水素とSucイオンが置換していると考えられた。両系においてEu3+由来の赤色発光が観測され，発光強度，効率ともにEu濃度の増加に伴い増加した。OCP:Eu系よりもSuc-OCP:Eu系の方が発光強度，効率ともに高く，層間の有機修飾により発光特性が向上した。これはSucイオンにより層間距離が増大し，Eu3+と欠陥や水分子との距離が増加して消光が抑制され，さらにEu3+の配位状態が変化してEu3+の対称性が下がり，f-f遷移がより許容されたためと考えられた。擬似体液中におけるSuc-OCP:EuからのSucイオンの徐放は一週間持続し，徐放後も目視で観測可能な発光強度を有していた。
後者の取り組みにおいて，XRDから，1 μMのPor水溶液中で，Porがα相リン酸三カルシウム(α-TCP)からHAへの加水分解を促進する結果が得られた。吸収スペクトルの経時変化から，Porの吸収帯はHAが生成するタイミングで短波長シフトした。このシフトはPorの吸着形態に起因しており，PorはHA上に立体的に吸着すると考えられた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本年度は，コハク酸(Suc)イオンによるリン酸八カルシウム(OCP)の層間有機修飾とEu(III)イオン(Eu3+)による光機能化を両立し，さらに，ポルフィリン(Por)のリン酸カルシウムとの複合と，加水分解に与える影響を考察した。
具体的に，Sucを含有したEu3+ドープOCP(Suc-OCP:Eu)を創製し，Eu3+ドープOCP(OCP:Eu)をリファレンスとして，Sucイオンの発光特性へ与える影響と，擬似体液中におけるSucイオンの溶出挙動に与えるEu3+の影響を評価した。両系において目視可能な赤色発光を示し，Suc-OCP:Euの方がOCP:Euよりも発光強度，効率共に高いことがわかった。これは，Sucイオン修飾に伴う層間距離増大による濃度消光の抑制に加えてEu3+の対称性の低下によるf-f遷移の許容化によるものと結論づけている。また，Sucイオンの徐放は，一週間以上持続し，Eu3+濃度により徐放挙動が制御された。そして徐放一週間後のSuc-OCP:Euも発光強度を維持することを見出している。つまり，このSuc-OCP:Eu粒子を体内に導入した際，赤色発光によるがん部位の観測ができ，更に，がん細胞中で細胞増殖抑制能を持つSucイオンを一週間以上にわたって放出でき，診断と治療の両立が期待される。
純水中とPor水溶液中におけるα相リン酸カルシウム(α-TCP)の加水分解反応速度から，Porの影響を考察した。純水中に比べ，1 μM Por水溶液中ではα-TCPから水酸アパタイト(HA)への加水分解が促進される知見を得た。また，α-TCPからHAに転化する時間と，吸着したPorの吸収帯が短波長シフトする時間が一致し，HA上でのPorの吸着形態が立体的であることがわかった。今後無機／有機複合メカニズムの解明や，リン酸カルシウムとPorの複合による診断と治療の両立が期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
がん細胞へ特異結合する細胞結合分子の修飾技術開発:2年目
ポルフィリン(Por)含有Euドープリン酸八カルシウム(OCP:Eu)ナノ結晶表面への細胞結合分子の修飾は，2段階の反応により達成する。細胞結合分子として，がん細胞表面に超過剰発現する葉酸受容体，HER2受容体を標的とした葉酸分子，HER2抗体を用いる。先ず，液相反応により3-アミノプロピルシランをPor含有OCP:Euナノ結晶表面へ結合させ，最表面へアミノ基を露出させる。次いで，アミノ基と細胞結合分子内のカルボン酸の脱水縮合反応により細胞結合分子をナノ結晶表面へ共有結合を介して形成させる。がん細胞への特異的な結合・取込に効果的な修飾分子密度(分子専有面積)を見出す。
生体内での診断法の実証とその場治療技術への展開:3年目
細胞へ結合・取込させて標識挙動を評価し，高感度・高選択的なイメージングを実証する。濃度の異なるナノ結晶分散液を添加し，分裂・増殖挙動を計測し，細胞毒性を評価する。次いで，モデル微小がんへナノ結晶分散液を添加し，細胞周期・接着密度，ナノ結晶の結合・取込挙動を解明する。更に，微小癌(領域直径が2 mm 以下)を持つマウス検体に対し，消化管または腹腔から小型蛍光内視鏡でアクセスできる臓器・組織へナノ結晶を噴霧により投与し，生きている状態でのリアルタイムな超早期微小癌の検出を実証する。次いでがん細胞内へのナノ結晶の取込後，レーザー光照射のみによって，Por を介して一重項酸素(1O2)を放出させる。この評価は，1,3-ジフェニルイソベンゾフランが特異的に1O2と反応して生じる吸光度減少と，1O2が三重項基底状態へ戻る際に発する光(波長1270 nm)によって1O2を定量する。光照射時間と1O2生成量の関係を解明し，照射時間を最適化する。つまり，光検出した微小な悪性腫瘍を「その場で」治療する技術へと展開する。
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