偶然のイノベーション: ノートルダム寺院の予期せぬ発見で薬効が強化

ノートルダム大学 2023年6月6日

ブラッドリー・スミス教授率いるノートルダム大学の研究チームは、修飾シリカ粒子に既存の薬剤を充填することで薬剤の効果を高める新しい技術を偶然発見したと、ジャーナル「Nanoscale」で詳述している。 クレジット: Nanoscale、2022、DOI: 10.1039/D2NR05528G、英国王立化学会

ノートルダム大学の研究者らは、熱変性シリカ粒子に薬剤を充填することで薬剤の有効性を高める低コストの方法を発見しました。 変化した粒子は化学物質を保持し、その放出速度を制御できるため、薬物送達システムの改善とバイオミネラリゼーションの新たな理解への道を提供します。

ジャーナルNanoscaleで報告された新しく発見された技術は、既存の薬の有効性を高めるための低コストの方法を提供します。

"If you take sand and heat it to 500 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">「摂氏、何も変わりません」とノートルダム大学のエミール・T・ホフマン科学教授ブラッドリー・スミス氏は語った。ノートルダム大学の統合画像施設の所長でもあるスミス氏は、カンジア・ザイ氏とカサンドラ・シェイファー氏の二人の話を聞いて困惑した。彼の研究室で働いていた化学生化学学科の博士課程の学生らは、砂の主成分であるシリカの粒子の構造が摂氏80度（コーヒー一杯の温度と同じ）で変化したことを発見した。

発見は偶然に起こりました。 粒子は顕微鏡で見ると非常に小さく、直径は人間の髪の毛の1000分の1でした。 しかし、新品の衣料品に付属するパッケージに「シリカゲル」とマークされている大型の粒子と同様、これらの粒子は多孔質であり、化学物質を保持する可能性があります。 この場合、その化学物質はマウスの腫瘍を検出するために使用される青色の染料でした。

スミスの研究室で開発された新しい染料は、粒子の狭い細孔に入るまでに長い時間がかかりました。 そこで、分子をより速く動かすために、シェーファーとザイは混合物を沸騰直前まで温め、一晩放置した。 翌日彼らが戻ってきたとき、粒子が青くなっているのが見えました。

色素が完全に浸透したことを確認するために、シェーファー氏とザイ氏は、ノートルダム総合画像処理施設の顕微鏡専門家、タチアナ・オルロワ氏とマクシム・ジューコフスキー氏の協力を求めた。

クレジット: Nanoscale、2022、DOI: 10.1039/D2NR05528G、英国王立化学会

Orlova 氏と Zhukovskyi 氏は、染料が注入されただけでなく、シリカ粒子自体の形状が変化していることを示す高解像度の電子顕微鏡画像を作成しました。 元の粒子は、オレンジの皮のような細孔が軽く点在する孤立した球体でした。 新しい構造は球状で、色素を満たした小さな小球で構成されていました。 また、そこかしこに小さな穴があり、中には中空の芯が見えていました。 全体的なユニットは中空のラズベリーに似ていました。

最初の発見の驚きの後には、多くの実践的な疑問が生じました。 研究者らは、他にどのような化学物質を同様のラズベリー形状の粒子に充填できるでしょうか? そして最も重要なことは、それらの化学物質は、周囲の構造が形状を変えた後でも活性を維持するのでしょうか?

同じ博士課程の学生であるジョーダン・チャスティーンは、抗がん剤を使用してこのプロセスを繰り返しながら、これらの質問に取り組みました。 一連の検査の後、粒子に充填された抗がん剤がまだ活性を持ち、がん細胞を殺す能力があることを確認した。

この発見は、既存の薬をより効果的にするための新しいツールを提供するとスミス氏は述べた。

「私たちが今持っているのは、アミンを含む薬剤のカタログ全体を調べる方法であり、私たちが発見した簡単な手順に従うことで、より効果的であるか、望ましくない副作用が少ない既存の薬剤の新しいバージョンを作成することができます。 " 彼は言った。

スミス氏と彼の学生たちは、装填手順を微妙に変えることで粒子の厚さを変えることができ、粒子を微調整してさまざまな速度で薬物を放出するための多数の新しいオプションを提供できることを発見しました。 新しい粒子のユニークな構造により、複数の成分（たとえば、外層に薬物を、「ラズベリー」の内側に染料）を充填することも可能になり、薬物の放出方法を観察する研究者の能力が向上する可能性がある。

さらに、この新しい粒子は、バイオミネラリゼーションとして知られる、ほとんど理解されていない生物学的現象にも光を当てるとスミス氏は述べた。

「アミンを含む薬剤には、シリカの分解と再形成プロセスを加速する特定の化学的特性があることがわかりました。これは自然界で起こっていることと同様であると考えています」と同氏は述べた。 スミス氏は、微視的なプランクトンの一種である珪藻と、シリカから形成された繊細なガラスのような殻を例に挙げた。

「これらの微生物は、砂を取り込み、それを自分の殻に改造することを可能にするメカニズムを持っています」と彼は言いました。 「そして、彼らは有機分子を使用して比較的低温でそれを行っているのは明らかです。私たちが発見したのは、そのプロセスの背後にある化学の一部である可能性があります。」

スミスと彼の研究室は革新を続けるにつれて、自然と研究室での発見の両方からインスピレーションを得ています。 同氏は、「ここでの広範な教訓は、自然のプロセスがどのように機能するかを研究室で発見でき、その知識を利用してそのプロセスを模倣してまったく新しいものを設計できるということだ」と述べた。

参考文献: 「穏やかな条件下でのシリカ ナノ粒子のリモデリング: 同時ペイロード負荷によるメソ多孔性ナノ粒子から中空ナノ粒子への多彩なワンステップ変換」 Cassandra C. Shaffer、Canjia Zhai、Jordan L. Chasteen、Tatyana Orlova、Maksym Zhukovskyi、Bradley D. Smith 著2022 年 11 月 21 日、Nanoscale.DOI: 10.1039/D2NR05528G

This discovery was made possible with funding from the National Science Foundation and the National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">国立衛生研究所。