最新の研究成果

ポイント

◇光誘導加速^※1により、がん治療に有用な分子を濃縮して、狙った細胞内に導入。
◇細胞内小器官^※2の染色試薬を従来の1000分の1の濃度で狙った細胞に導入し染色に成功。
◇細胞死を起こす薬剤を従来の100分の1の濃度で導入し、狙ったがん細胞を破壊。

概要

さらには数十nmol/L（n(ナノ)：10^-9）レベルの低濃度の抗がん活性ペプチド(R8-PAD)をがん細胞内に濃縮導入し、狙った細胞群のアポトーシス（細胞死の一種）を誘発することにも成功しました。
本研究成果により、低濃度の薬剤を狙った病原細胞に選択的に導入することによる副作用低減のための知見獲得や、高価な新薬の細胞試験における薬剤量を大幅削減して開発コストの低減が可能となり、創薬プロセスの期間短縮や開発費削減にもつながると期待されます

本研究成果は、2022年12月16日、「Nano Letters」にオンライン掲載されました。

狙った細胞に選択的に生物機能性分子を導入する技術の開発は基礎研究のみならず臨床においても重要課題です。薬学・生物・物理・化学の分野を超えた共同研究を通じて、歴代の大学院生達の協力の下、細胞内導入の光誘導加速の新原理と技術を開発しました。本成果をがん診断・治療などに貢献できる医療技術に応用展開し、人類の健康に役立つ技術創出に邁進します。

中瀬所長補佐   飯田所長　床波副所長

研究の背景

細胞膜は細胞の恒常性を維持するためのバリアであり、ペプチド、タンパク質、核酸などの生物学的機能分子を細胞内に送り届けます。特定の細胞内小器官に生物機能性分子を到達させて細胞機能を操作するためには細胞膜透過が必要不可欠です。たとえば、がん細胞を細胞死の一種であるアポトーシスなどで死滅させるためにも細胞膜透過の効率を向上させる必要があります。従来の細胞内取込のプロセスにはエンドサイトーシス^※3などさまざまなプロセスがありますが、いずれも数μmol/L～数十μmol/L（μ(マイクロ)：10^-6、）と高濃度の生物機能性分子が必要であり、また低い細胞膜透過性のために狙った細胞内小器官に生物機能性分子を到達する確率が低く薬物活性が低いことが問題視されています。現在、細胞膜透過性を高め、細胞内へ高効率に送達可能な運搬体をつくる研究開発が盛んに行われています。しかし、細胞膜を通過し細胞内へ効果的に機能分子を送り届けるためには、数十μmol/L程度のペプチド濃度が必要でした。
加えて、細胞選択性が乏しいことで、がん細胞だけでなく正常な細胞へのダメージも避けられず、狙った細胞のみへの投与を高効率に行う技術構築が必要であり、副作用を避けるために低濃度の薬剤を狙った病原細胞に選択的に導入する技術の開発が切望されていました。また、選択的な細胞機能制御による薬効評価の高効率化が実現できれば、個々の細胞と薬剤の相性を調べる手法開発を加速することができ、創薬・医療分野の発展も期待されます。

研究の内容

細胞内小器官であるミトコンドリアだけを染色するMitoTrackerという低分子を用いた実験では、従来の自然の細胞内導入では500 nmol/L以上必要であり、図2のレーザー照射点から離れた場所での比較実験結果から100分の１に相当する5 nmol/Lや1000分の１に相当する500 pmol/Lのように低濃度ではほとんど細胞内に入らずミトコンドリアを染色できていないことが分かります。一方でレーザー照射点付近の実験結果では、わずか1000分の1の濃度である500 pmol/Lでも光誘起バブル近傍の細胞内のミトコンドリアだけを選択的に染色できることを明らかにしました（図2）。
さらに、光誘導加速により従来法よりも100分の1の濃度に相当する50 n mol/LのR8-PADを用いてアポトーシスへの誘導に成功し（図3）、非常に効率的で選択的な細胞内への取り込みと狙ったがん細胞の破壊に成功しました。

図3. R8-PADの細胞内導入の光誘導加速の実験結果。 (a) 50 nMレーザー照射あり、(b) 50 nMレーザー照射なし、(c)5μMレーザー照射なし。


本研究の推進に当たり、中瀬生彦教授、二木史朗教授、床波志保准教授、飯田琢也教授が本研究のデザインに貢献しました。宮井萌氏(飯田研で2017年修士取得)、野口公輔氏(中瀬研で2020年博士取得)、山本靖之氏(飯田研で2019年博士取得)、西村勇姿博士(飯田研で2018年博士取得)、大村美香大学院生(中瀬研現M1)、林康太大学院生(飯田研現D2)、中瀬、飯田は細胞内光誘導の実験を遂行しました。田村守特任講師と飯田は光誘起集合における温度や流速分布に関する理論計算を実行しました。

期待される効果・今後の展開

細胞への取り込み、細胞膜への浸透、細胞質輸送を極低濃度の標的分子により効率的に行える革新的な技術を提供する本研究成果は、細胞への薬効評価の高効率化や副作用の低減などに関する新たな知見を与えるものです。本研究成果により、高価な新薬の細胞試験における薬剤量を大幅に削減して低コスト化や創薬プロセスの加速にもつながることが期待されます。たとえば、選択的な細胞機能制御や薬効評価、個々の細胞と薬剤の相性をハイスループット（自動的かつ高速に細胞への薬剤活性などを評価）に調べる手法の提供やプレシジョン・メディスン（精密医療）やテーラーメード医療など創薬・医療分野へのブレークスルーを与え得るものです。現在、本研究成果の基礎部分の発明も特許査定を受けており、製薬メーカーなどとの産学連係での研究開発も進めていきます。

資金情報

本研究はJST未来社会創造事業「低侵襲ハイスループット光濃縮システムの開発 (JPMJMI18GA、JPMJMI21G1)」(研究開発代表者：飯田琢也)、科研費基盤研究(A)「ホウ素中性子捕捉療法（BNCT）におけるテーラーメード型癌腫標的薬剤の創製研究」(16H02612)(研究代表者：中瀬生彦)、「多種生体サンプルを標的としたオンデマンド光誘導加速システムの創成」(17H00856)(研究代表者：飯田琢也)JST創発的研究支援事業「バイオミメティック電極による外場誘導型エコシステムの創成(JPMJFR201O)」(研究代表者：床波志保)、大阪府立大学キープロジェクト（「LAC-SYSプロジェクト ―次世代バイオフォトニクスが拓く未来―」）などの支援の下で実施されました。

用語解説

※1　光誘導加速：大面積に光の力や光誘起対流を発生させて生体分子間の衝突確率を飛躍的に高めて分子認識を高効率に引き起こす　　　　　こと。

※2　細胞内小器官：細胞の内部で分化した形態や機能を持つ構造の総称であり、たとえば、核、小胞体、ゴルジ体、エンドソーム、リソソーム、ミトコンドリアなどが例として挙げられる。本研究で対象としたミトコンドリアは脂質二重層から成る外膜と内膜を有しており、様々なタンパク質を膜に有している。また、電子と酸素分子を利用してATPを合成することが知られており、細胞死の一種であるアポトーシスでも重要な役割を担う。

※3　エンドサイトーシス：細胞外の分子などを細胞が取り込む過程の1つである飲食作用のことを指す。分子の種類によっては極性を持　ちサイズが大きいものがあるが、これらは疎水性の細胞膜を通り抜ける事ができないため、細胞表面の受容体に分子を結合した後、膜変形によりこれらの分子を取り込む過程のことをエンドサイトーシスと呼ぶ。

※4　プラズモニック超放射：金属はその内部を電子が自由に走り回ることができるため高い導電性や金属光沢を示すことは良く知られている。一方で、金属から成る100ナノメートル（nm: ナノメートルは100万分の1ミリメートル）以下のサイズのいわゆる金属ナノ粒子では内部の表面近傍に束縛された自由電子が「局在表面プラズモン」と呼ばれる状態を形成する。金属ナノ粒子が高密度に集積すると、各粒子中の局在表面プラズモンが光電磁場を介して相互作用することで光散乱効率が高まると同時にスペクトル幅が増大し、分極間相互作用による長波長シフトも起こる。例えば、可視域に含まれる500～600ナノメートルに共鳴波長を有する金ナノ粒子が高密度に集積した場合には、赤外波長のレーザーに対する散乱だけでなく吸収も増大することを、これまでの理論研究で明らかにしている。

※5　ガラスボトムディッシュ：細胞培養用の小型容器で中心付近に直径12mm程度の小さな円形の1 mm程度の深さの窪みがあり、その部分に細胞と培養液を保持できる。

掲載誌情報

プレスリリース全文 (1.2MB) 

研究内容に関する問い合わせ先

大学院理学研究科/LAC-SYS研究所
教授/所長補佐：中瀬生彦（なかせ いくひこ）
TEL：072-254-9895
E-mail：i-nakase[at]omu.ac.jp　 [at]を＠に変更してください

教授/所長：飯田琢也（いいだ たくや）
TEL：072-254-8132
E-mail：t-iida[at]omu.ac.jp　 [at]を＠に変更してください

報道に関する問い合わせ先

大阪公立大学 広報課
TEL：06-6605-3411
E-mail：koho-list[at]ml.omu.ac.jp　[at]を＠に変更してください