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体に有害な活性酸素を除去できる「タンパク質」マイクロマシンを開発 ~タンパク質を部品として使い,高度な機能を備えた構造体を作る~

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所(産総研)は2017年11月17日,バイオメディカル研究部門次世代メディカルデバイス研究グループの山添 泰宗 主任研究員が,3種類のタンパク質だけからなり,活性酸素を除去できる高機能なマイクロメートルスケールの構造体(タンパク質マイクロマシン)を開発した,と発表した.本研究は,独立行政法人 日本学術振興会の科学研究費助成事業による支援を受けて行われ,成果の詳細はBiomaterials誌のオンライン版で早期公開された(注).

 将来の病気の診断や治療に,体内で働くナノ・マイクロマシンの活用が期待されている.このナノ・マイクロマシンは生体に害を及ぼすようなものではあってはならず,役割を終えれば分解されてなくなることが望まれる.タンパク質は安全で高機能なナノ・マイクロマシンの素材として有望であるが,タンパク質は取り扱いが難しく,少しの刺激で容易にその立体形状が壊れて機能が失われる.そのため,高機能を有し,乾燥状態にも耐えられるナノ・マイクロマシンをタンパク質で組み立てることは困難であった.

 産総研では,これまで,タンパク質を原料として高機能材料の創製に取り組んでおり,今回は,3種類のタンパク質(血清アルブミン,スーパーオキシドディスムターゼ(SOD),抗体)を組み合わせて,体内で炎症を引き起こし,さまざまな病気に結びつく過剰な活性酸素を除去するナノ・マイクロマシンの開発を行った.ナノ・マイクロマシンの本体部分は,活性酸素を除去するSODで構成され,表面には標的となる細胞を捕捉する抗体が組み込まれている.抗体部分で活性酸素を分泌する細胞を捕捉し,本体内部のSODが活性酸素を除去する.本体のアルブミンに抗炎症剤を結合させておくと,細胞の活性酸素の生成を抑制することもできる.

 タンパク質マイクロマシンは,抗原・抗体反応を利用して基板上に抗体を規則正しく並べ,そこにアルブミン,SOD,架橋剤,安定剤からなる反応液を加え,それを乾燥して基板から剥離して作られる.マイクロマシン内部にあるSODは,架橋構造や周囲のアルブミンにより,通常の溶液状態より熱,pH変化,乾燥などの外部刺激に対して安定である.抗体部分も内部に埋め込んだような形でマイクロマシン表面に存在し,抗原との結合部以外の大部分はタンパク質に取り囲まれており,これも外部刺激に対して安定化されている.

 開発されたタンパク質マイクロマシンは,直径約100µm,厚みは中央部が約170nm,外周部が約740nmの凹んだ円盤状シートである.このマイクロマシンを活性酸素を分泌する細胞と混合したところ,組み込まれた抗体の作用により細胞を捕捉できることが確認された.捕捉された細胞から周囲に分泌された活性酸素は,捕捉されない細胞に比べ70%の減少が見られた.これはマイクロマシン内部のSODの効果によるものである.また,ジアポシニン(細胞の活性酸素分泌を抑制する抗炎症剤)を結合させたマイクロマシンを細胞と共存させた実験では,マイクロマシンから放出されたジアポシニンにより,マイクロマシンに捕捉されていない周辺の細胞でも,活性酸素の生成が抑制されることも確認された.

 山添研主任究員によると,今後は,潰瘍性大腸炎やクローン病などの炎症性疾患の治療を目指したタンパク質マイクロマシン開発を行うという.

(注)Hironori Yamazoe,"Multifunctional protein microparticles for medical applications", Biomaterials, Vol.155, February 2018, Pages 1-12, doi:10.1016/j.biomaterials.2017.10.045