| 研究課題/領域番号 |
22K18311
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
伊藤 大知 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50447421)
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| 研究分担者 |
山田 真澄 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30546784)
三野 泰志 岡山大学, 自然科学学域, 助教 (70709922)
稲垣 奈都子 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (00611419)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| キーワード | 人工酸素運搬体 / 赤血球 / 再生医療 / 組織工学 / 膜乳化 / コアシェル粒子 / フェーズフィールド法 / マイクロ流体デバイス |
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| 研究実績の概要 |
人工酸素運搬体は、将来、3次元組織工学・再生医療の細胞灌流培養プロセスにも必要不可欠である。本研究では、ヒト赤血球のサイズ・形状や力学特性を模倣した「cDFCs (concave-shaped Deformable PFC-based Oxygen Carriers)」の開発を試みている。cDFCsは、ヒト赤血球様のサイズと形状を持つコアシェル粒子で、コアのPFCは様々な溶媒の中で最大の酸素溶解度を持ち、酸素を吸収放散する。最終的に、体内で長時間循環可能な革新的なPFC酸素運搬体を実現することを目標としている。
本年度は、今まで用いていたシェル素材であるPLC（ポリ乳酸カプロラクトン共重合体）に加えて、PDMS-TPE（ポリジメチルシロキサン熱可塑性エラストマー）をシェル素材に用いた人工酸素運搬体の開発に成功した。PLCと異なって、PDMS-TPEでは、コアのPFOBに対するPDMS-TPEの比率を大きくすると、溶媒浸漬法を用いることなく、真球状から凹状形状に形状が変化し、シェルの厚みが薄くなるほど形状が赤血球に類似してくることに明らかになった。またシェル厚みの減少と形状の変化に伴って、酸素運搬体の変形能も大きくなることがわかった。さらに酸素透過性に優れたフッ化ポリイミドシェルと酸素溶解度に優れたFDC（パーフロロデカリン）をコアに持つ酸素運搬体の開発にも成功し、様々な性能の改善を達成した、異なった酸素運搬体群の創出に成功した。
さらにPLC/PFOB型酸素運搬体に、分散相にブロックコポリマーを添加するのみでPEG（ポリエチレングリコール）コーティングを施することに成功し、マクロファージの貪食を著しく抑えることに成功した。山田が開発したPDMSマイクロ流路によって、コアシェル粒子の深さ4μmの流路通過性が、コーティングの有無によって大きく変化することを見出した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
おおむね順調に進捗している。最大の課題であるより優れた変形性の獲得に向けて、PLCシェルよりも柔軟性と酸素透過性に優れた素材であるPDMS-TPEによって、新しい酸素運搬体を開発し、PLC/PFOB型よりもより柔軟性と酸素透過性に優れたcDFCsの開発に成功している。優れた酸素透過性と光透過性を利用して、プラチナ錯体であるハイポキシアで燐光を発する酸素プローブをシェル層に担持することで、酸素濃度測定と酸素運搬能を兼ね備えた酸素運搬体の開発にも成功している。さらにコーティングポリマーとして複数種類の検討を行ったが、PEGコーティングの密度を制御することによって、LPSで刺激したマクロファージ細胞株においても、ほぼファゴサイトーシスを抑えることに成功した。
酸素運搬能に関しては、今まで用いてきた低酸素でGFPを発現するhrHeLa細胞を用いて、酸素供給能の改善を図ってきたが、あらたに膵島β細胞株を用いたスフィロイド形成過程において、プレリミナリーな結果であるが本酸素運搬体の使用が効果的であることが示唆され、再生医療への応用展開に着手している。
三野らによって、相分離シミュレーションにおいても、パルスフィールズ法の改良によって、3成分系（F/O/W）液体が壁面を濡らした場合の計算により、凹状形状の形成メカニズムに迫ることも試みている。山田らによって、新たなマイクロ流路の開発も試みられており、スリット状の流路に加えて、多孔膜を組み合わせた新たな流路設計にも成功している。
以上のように、酸素運搬体の性能の進化と、評価技術の進歩に着実な進捗を見ており、動物モデルにおける評価への準備が大きく進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
酸素運搬体の素材や形状の改善による変形性能の進歩、およびコーティングや形状・柔軟性等によるIn vitroでのマクロファージによるファゴサイトーシスの大幅な抑制の２つの成果は、in vivo実験において、目標とする長期滞留性の獲得に向けて、大きなアドバンテージとなる。赤血球の寿命は120日程度であり、加齢とともに柔軟性を徐々に喪失することが知られており、古い赤血球は脾臓によって捕捉され、分解される。マイクロサイズの人工酸素運搬体も毛細血管の十分な変形通過性を獲得できない場合は、in vivoでの静脈投与において、脾臓や肺などに集積するもの考えられる。
現在、本研究で開発された、もっとも柔軟性に優れているPDMS-TPE/PFOB酸素運搬体に、PLC/PFOB酸素運搬体と同様の手法で、PEGコーティングを付与すること検討する。さらに柔軟性や形状異方性とファゴサイトーシス抑制の関係についての検討をおこなう。
本研究では、最終年度の2024年度において、１，２年目の成果を基盤に、マウスあるいはラットにおいて、in vivoイメージングを行い、酸素運搬体の体内動態を研究する。蛍光色素を封入した酸素運搬体群を開発することによってIVISにより臓器分布を解析する。またPFCに由来する核種から19F MRIを用いた解析によって、in situに臓器分布の変化を測定し、IVISのデータと比較検討する。また各個体の健康状態も重要な要素であり、酸素運搬体の血管閉塞などによる副作用がないことを同時に詳細に検討する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
最終年度に、集中的にin vivo実験を行うために、2年目の本年は、化学的な実験に集中して、酸素運搬体の改良と量産方法の検討に集中していた。来年度に、得られた成果をベースにして集中的にin vivo実験を実施する。このため、研究費使用計画を変更した。
シミュレーションにおいては、計算機の部品が不足しており、2次元を主体として計算を行った。また計算時間も非常にかかったが、非常にコストパフォーマンスが低かった。このために、シミュレーションモデルの開発を主に集中し、一部の予算を繰り越して、より性能の高い計算機リソースの整備を進めて、完成したモデルを用いて集中的に計算を行った方が効率的と考え、研究費使用計画を変更した。
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