2019 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding of direct permeation of nanoparticle across cell membrane by means of artificial cell membrane system and molecular dynamics simulation
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18H03536
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
仲村 英也 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00584426)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノ粒子 / 細胞膜 / ナノバイオ界面 / 細胞膜透過 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、『微弱な電場の印加によってナノ粒子が細胞膜を低侵襲で直接透過する』新奇な透過現象に焦点を当て、人工細胞膜実験と分子動力学計算の双方からその透過機構を理解するとともに、ナノ粒子の細胞膜透過の制御技術開発に繋げる。令和元年度の研究実績は以下の通りである
1.電場印可環境におけるナノ粒子の細胞膜透過を実験により解析した。実験では前年度に構築したマルチウェルデバイスを用いた。はじめに、膜破壊電位を予め測定し、これよりも小さい電位(膜破壊電位の0.8倍)を基本印可条件として用いた。この電場の印加前後において、各ウェルにおける水溶液の吸光度を測定したところ、初期にナノ粒子を配置したcis sideにおいては吸光度の低下が、trans sideにおいては吸光度の増加が見られ、人工細胞膜を介したナノ粒子の移動が確認できた。さらに形成された脂質膜の状態を示す膜容量を測定したところ、電位印加前後でほとんど変化していないことから膜の状態は同等であることがわかった。以上のことから、本実験で、膜破壊電位よりも小さい微弱な電位でもナノ粒子が細胞膜を低侵襲で透過することが初めて実証された。
2.前年度までに構築した計算コードを用いて、分子動力学(MD)シミュレーションの結果から、ナノ粒子と細胞膜の接触界面における局所的な膜電位を算出した。その結果、ナノ粒子の細胞膜透過は、以下のメカニズムで起こることが分かった：①ナノ粒子が細胞膜表面に付着した際、その接触界面において膜電位が局所的に増強される。そして，②この増強された膜電位が臨界電位を超えるとナノ粒子の細胞膜直接透過を引き起こす。さらに，③ナノ粒子の膜透過後は，局所的に高い膜電位が消失するため，細胞膜は自己修復する。すなわち、外部から印加した微弱な電場にナノ粒子の表面電位を重畳することで、ナノ粒子の細胞膜透過が起こることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画段階で最も難しいと予想していた、人工細胞膜実験によるナノ粒子の細胞膜透過現象の検証を進めることができ、目標としていたナノ粒子の細胞膜透過を確認することができた。また、実験検証を予定よりも早く終えることができたため、次年度の研究に用いるナノ粒子試薬の選定・キャラクタリゼーションや、リン脂質分子試薬の選定・人工細胞膜作成試験を前倒しで実施することができ、次年度の実験研究に向けた準備を進めることができた。計算でも、計画していた内容を終えることができたため、次年度に使用する計算モデルの準備（異なる粒子物性を持つナノ粒子の計算モデル構築）を進めることができ、次年度のシミュレーション研究に向けた準備を前倒しで進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、まず、ナノ粒子物性が、電場印加環境におけるナノ粒子の細胞膜透過現象に及ぼす影響を実験で解析しつつ、分子動力学計算により界面電気現象を詳細に解析する。まず、表面が負に帯電した粒子径が10 nmのオクタンチオール修飾金ナノ粒子(市販品・既に選定済み)の透過現象を実験および計算の両面から解析し、粒子の帯電極性が細胞膜透過性に及ぼす影響について調べる。次に、粒子径が5 nm～100 nmのナノ粒子を用いて、粒子径が細胞膜透過性に及ぼす影響についても調べる。
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Research Products
(8 results)
