[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

磁力で生体触媒反応を制御する

[スポンサーリンク]

今回は、先月創刊されたことで話題のNature Catalysisから論文を紹介します。テーマは、酵素の反応を磁場で遠隔コントロールするという内容で、磁性ナノ粒子をうまく化学修飾することで、生体触媒の反応性を制御しています。磁力や光、超音波など、物理的な力を使ったガン治療が近年注目されていますが、本手法は、物理的な力と酵素の反応をうまく組み合わせたおもしろい研究です。

“Magnetic field remotely controlled selective biocatalysis”

Zakharchenko, A.; Guz, N.; Laradji, A. M.; Katz, E.; Minko, S. Nature Catalysis 2017, 1, 73. DOI: 10.1038/s41929-017-0003-3

1. 磁性ナノ粒子によるドラッグデリバリー

図1. 磁気ナノ粒子を用いたドラッグデリバリーの例。

ガン治療においては、正常な細胞を傷つけず、ガン細胞だけをうまく攻撃する技術が重要です。最近特に注目されているのは、磁性ナノ粒子を用いた手法です。磁性粒子を用いれば、外部磁場によって粒子を特定の位置に集めたり、交流磁場によって標的の組織を加熱することができます。例えば、温度応答性分子でコーティングした磁性ナノ粒子を用いれば、外部から磁場をかけて標的の位置を加熱することで、生体内のpHや塩濃度変化に頼らず薬剤分子を放出することができます(図1)。しかしながら、このような方法では、高温で不安定なタンパクを用いることはできません

そこで、ジョージア大学のMinko教授らは、磁力で粒子同士がくっつくことを巧みに利用して生体触媒反応をコントロールし、薬剤を放出する手法を開発しました。

2. 磁場による酵素反応のコントロール

図2. ポリマーでコーティングされた磁性ナノ粒子。

彼らはまず、SiO2で被覆された磁性ナノ粒子をブロックポリマーでコーティングしました(図2)。内側のブロックはポリアクリル酸(PAA)で、酵素による加水分解反応に適した酸性環境を生み出します。外側は、側鎖にポリエチレングリコールメチルエーテルを持つポリマー(PPEGMA)で、酵素と基質が反応しないためのバリアとして働きます。さらに、彼らは酵素と基質をそれぞれ磁性ナノ粒子に担持しました(図2;酵素NP, 基質NP)。磁場のない状態では、これらの磁性ナノ粒子は分散しており、ポリマーに覆われた酵素と基質は反応しません。これらの粒子に磁場をかけると、粒子同士が磁力よって配列し、酵素と基質が近づくため、触媒反応が起こります。触媒反応によって薬剤分子が生み出されるように反応をデザインしておけば、磁場に応じた薬剤放出が可能になります。

3. 磁場による抗ガン剤の放出

彼らは、パパインというタンパク分解酵素とドキソルビシン(DOXという抗ガン剤を用いて薬剤放出を行いました。彼らの手法では、DOXはウシ血清アルブミン(BSA)と結合した状態で粒子に担持され、パパインによって切り出される仕組みになっています。

まず彼らは、粒子溶液を蛍光測定用セルに入れ、磁場をかけながらDOXの蛍光強度変化を調べました。すると、図3のように、磁場をかけてから0, 1, 24時間と時間が経つにつれ、蛍光強度が大きくなることが観察されました。これは、ポリマー構造内に遮蔽されていたDOXが粒子外に放出されたことを示唆しています。

図3. DOXの蛍光強度変化。1, 2, 3はそれぞれ磁場をかけてから0, 1, 24時間後。(論文より)

さらに彼らは、磁性ナノ粒子から放出されるDOXがガン細胞に与える効果を検証しました。図4aは、それぞれ「磁性粒子なし」「磁場なし」「磁性粒子・磁場あり」の条件で培養したマウス乳癌細胞(4T1細胞)の様子を示しています。「磁性粒子・磁場あり」の条件では、「磁性粒子なし」や「磁場なし」の条件と比べ、ガン細胞の増幅が抑えられています。また、「磁性粒子なし」の条件における細胞数を基準とし、細胞の生存率を算出すると、図4bのようになります。いずれの粒子濃度においても、「磁性粒子・磁場あり」の条件で、細胞数が格段と少なくなっていることが分かります。

図4. ガン細胞の増幅阻害(論文より)。(a) 培養後24時間の4T1細胞の様子。(b) 各DOX濃度での4T1細胞の生存率。水色:磁性粒子なし、灰色:磁場なし、赤:磁性粒子・磁場あり。

4. おわりに

今回の研究では、酵素と基質の相互作用を磁場とポリマーでうまく制御し、(i) 刺激に応じて酵素反応を起こせること、(ii) 酵素反応を遠隔操作できること、 (iii) 必要ないときに酵素反応が起こるのを抑えることが達成されています。今後、様々な薬剤分子の輸送に応用されることが期待できます。

参考文献

  • Torchilin, V. P. Nat. Rev. Drug Discov. 2014, 13, 813. DOI: 10.1038/nrd4333
  • Hayashi, K.; Nakamura, M.; Miki, H.; Ozaki, S.; Abe, M.; Matsumoto, T.; Sakamoto, W.; Yogo, T.; Ishimura, K. Theranostics 2014, 4, 834.
 DOI: 10.7150/thno.9199

関連書籍

関連リンク

kanako

kanako

投稿者の記事一覧

大学院生。化学科、ケミカルバイオロジー専攻。趣味はスポーツで、アルティメットフリスビーにはまり中。

関連記事

  1. 化学探偵Mr.キュリー9
  2. 化学者も参戦!?急成長ワクチン業界
  3. コーヒーブレイク
  4. 有機ルイス酸触媒で不斉向山–マイケル反応
  5. 細胞の中を旅する小分子|第二回
  6. 可視光増感型電子移動機構に基づく強還元触媒系の構築
  7. CO2の資源利用を目指した新たなプラスチック合成法
  8. 【22卒就活イベント(東京・大阪)/修士1年 技術系職種志望者対…

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 3級C-H結合選択的な触媒的不斉カルベン挿入反応
  2. 荘司 長三 Osami Shoji
  3. 首席随員に野依良治氏 5月の両陛下欧州訪問
  4. 堀場雅夫 Masao Horiba  
  5. 細野 秀雄 Hideo Hosono
  6. 【書籍】研究者の仕事術~プロフェッショナル根性論~
  7. パテントクリフの打撃顕著に:2012製薬業績
  8. 4-メルカプト安息香酸:4-Mercaptobenzoic Acid
  9. がん細胞をマルチカラーに光らせる
  10. 第63回―「生物のコミュニケーションを司る天然物化学」矢島 新 教授

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2018年2月
« 1月   3月 »
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728  

注目情報

注目情報

最新記事

Delta 6.0.0 for Win & Macがリリース!

NMR解析ソフトDeltaの最新版6.0.0がリリースされました!&nb…

こんなのアリ!?ギ酸でヒドロカルボキシル化

可視光レドックス触媒によるギ酸を炭素源としたヒドロカルボキシル化が開発された。チオール触媒を介したラ…

ポンコツ博士研究員の海外奮闘録 ケムステ異色連載記

本稿は,世間一般にほとんど知られていない地方私立大学で学位を修了し,エリートでもなく何も成し遂げてい…

新型コロナの飲み薬モルヌピラビルの合成・生体触媒を用いた短工程化

新型コロナウイルス (SARS-CoV-2) 感染症に対する飲み薬として、Merck…

秋吉一成 Akiyoshi Kazunari

秋吉 一成(あきよしかずなり)は日本の有機化学者である。京都大学大学院 工学研究科 高分子化学専攻 …

NIMS WEEK2021-材料研究の最新成果発表週間- 事前登録スタート

時代を先取りした新材料を発信し続けるNIMS。その最新成果を一挙ご紹介する、年に一度の大イベント「N…

元素記号に例えるなら何タイプ? 高校生向け「起業家タイプ診断」

今回は化学の本質とは少し離れますが、元素をモチーフにしたあるコンテンツをご紹介します。実験の合間…

多価不飽和脂肪酸による光合成の不活性化メカニズムの解明:脂肪酸を活用した光合成活性の制御技術開発の可能性

第346回のスポットライトリサーチは、東京大学 大学院総合文化研究科(和田・神保研究…

10手で陥落!(+)-pepluanol Aの全合成

高度な縮環構造をもつ複雑天然物ペプラノールAの全合成が、わずか10工程で達成された。Diels–Al…

吉野彰氏が2021年10月度「私の履歴書」を連載。

今年の10月はノーベル化学賞が有機化学分野から出て、物理学賞を真鍋淑郎先生が受賞して、非常に盛り上が…

Chem-Station Twitter

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP