hon p.1 [100%]YAKUGAKU ZASSHI 130(12) 1671―1677 (2010)  2010 The Pharmaceutical Society of Japan

1671―Review―

金ナノロッドと近赤外光を用いた診断・治療システム
新留琢郎，,a,b,c,d 塩谷 淳，a 秋山泰之，a 大賀 晃，a野瀬圭介，a Dakrong Pissuwan，a 新留康郎aTheragnostic Approaches Using Gold Nanorods and Near Infrared Light
Takuro NIIDOME,,a,b,c,d Atsushi SHIOTANI,a Yasuyuki AKIYAMA,a Akira OHGA,aKeisuke NOSE,a Dakrong PISSUWAN,a and Yasuro NIIDOMEaaFaculty of Engineering, bCenter for Future Chemistry, cInternational Research Center for Molecular Systems,Kyushu University, 744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka 8190395, Japan, and dPRESTO, Japan Scienceand Technology Agency, 418 Honcho, Kawaguchi, Saitama 3320012, Japan(Received September 1, 2010)
Gold nanoparticles have unique optical properties such as surface-plasmon and photothermal eŠects. Such properties have resulted in gold nanoparticles having several clinical applications. Gold nanorods (which are rod-shaped goldnanoparticles) show a surface plasmon band in the near-infrared region. They have therefore been proposed as contrastagents for bioimaging, or as heating devices for photothermal therapy. Polyethylene glycol-modiˆed gold nanorods systemically administrated into mice can be detected with integrating sphere, and the stability of the gold nanorods in blood‰ow evaluated. After intravenous injection of gold nanorods followed by near-infrared laser irradiation, signiˆcanttumor damage triggered by the photothermal eŠect was observed. To deliver gold nanorods to the target tissue, thermosensitive polymer gel-coated gold nanorods were prepared. After intravenous injection of the gel-modiˆed goldnanorods and irradiation of the tumor, a larger amount of gold was detected in the irradiated tumor than in the non-irradiated tumor. This eŠect is due to the hydrophobic interaction between the cellular membrane or the extracellularmatrix and the gel surfaces induced by the photothermal eŠect. Furthermore, the photothermal eŠect enhanced the permeability of the stratum corneum of the skin. As a result of treatment of the skin with ovalbumin and gold nanorods followed by near-infrared light irradiation, a signiˆcant amount of protein was detected in the skin. The gold nanorods
therefore showed several functions as a photothermal nanodevice for bioimaging, thermal therapy, and a drug delivery
system.

Key words―gold nanorods; near infrared; photothermal eŠect; drug delivery system

1.

はじめにフルエンザ感染の簡易診断のための色素が挙げられ

球状金ナノ粒子は可視光域（ 500 nm 付近）に吸る．金は“高価なもの”というイメージがあるが，収を持ち，赤い色素として古くから知られてい1 グラム約 3500 円（2010 年 8 月 11 日現在の金相場）る．1) 特にステンドグラスにみられる厳かな赤色はであり，それを原料に金ナノ粒子を作製したとして何百年経っても色褪せることはなく私たちの心を落も大きなコストはかからず，安価な材料であると言ち着かせてくれる．一方，私たちの日常生活でも金える．ちなみに，ドキソルビシンを試薬として購入ナノ粒子は利用されている．薬局で販売されている

しても，5 ミリグラムで 1 万円前後はする．近年，妊娠検査キットの，あるいは，病院で行われるイン

この金ナノ粒子を病気の診断や治療に応用しようと

a九州 大学大 学院工 学研究 院，b 同 未来化 学創 造セン

ター，c 同分子システム科学センター（〒 819 0395 福岡 市 西 区 元 岡 744 ），d 科 学 技 術 振 興 機 構 さ き が け（〒3320012 埼玉県川口市本町 418）
e-mail: niidome.takuro.655＠m.kyushu-u.ac.jp
本総説は，日本薬学会第 130 年会シンポジウム S10 で発表されたものを中心に記述したものである．

いう研究が盛んになってきている．
暗視野顕微鏡を用いて，金ナノ粒子を観察するとキラキラ輝きながらブラウン運動する様子が観察される．これは金ナノ粒子からの強い光散乱によるもので， El-Sayed らのグループは金ナノ粒子表面を上皮成長因子（ Epidermal Growth Factor ） EGF レhon p.2 [100%]1672

Vol. 130 (2010)

セプター抗体で修飾し，細胞に結合させ，この細胞象物に合わせて，自由に選択できる．さらに，吸収からの散乱光を利用してがん細胞のイメージングにした光エネルギーを効率よく熱に変換する効果（フ成功した．2,3) ほかにも，薬物送達システムにおけるォトサーマル効果）も示し，この特性を利用すれキャリアーとしても期待されている．例えば，抗がば，体内に存在する金ナノロッドを体外から照射すん剤であるメソトレキセートを金表面に吸着させ，る近赤外光で加熱することが可能になる．超短パル

担がんマウスに投与すると，メソトレキセート単独スレーザーを利用すれば，二光子励起発光も起こるの場合に比べ，高い抗がん活性が認められた．メソので，一般の蛍光イメージングのように，高感度なトレキセートが金ナノ粒子表面に集積したことによバイオイメージング技術へと発展させることもできる濃縮効果であると考えられている．4) Gibson らはるだろう．このように，近赤外光吸収，発光，フォパクリタキセルを金表面に共有結合で修飾し，そのトサーマル効果という特性を活かした新しい診断・効果を評価している．5)

治療を実現するナノ材料として期待されている．

このように，金ナノ粒子は診断・治療のための機

3.

金ナノロッドの生体適合性化

能性ナノ材料として期待されているが，ここで利用

金ナノロッドを作製する際に共存させる CTAB

できる光は 500 nm 付近の可視光である．しかし，は，そのミセル構造がロッド形成時の結晶成長を制

可視光は生体組織への透過性が低く，応用範囲が制御することに加え，作製後の分散安定性に重要な働限される．そこで，組織透過性の高い近赤外光の利きをしている．しかし，この CTAB は界面活性剤用が好ましい．本総説では近赤外域に強い吸収を持であり，強い細胞毒性を持つ．したがって，バイオ

つ金ナノ粒子，特に金ナノロッドを用いたイメージ

サイエンスあるいはメディカル分野でこの金ナノロングや治療法について紹介したい．

ッドを応用するためには，分散安定性を保ちつつ，2.

金ナノロッド生体適合化する必要がある．そこで，われわれはポ

金ナノロッドは棒状の金ナノ粒子で，短軸方向のリエチレングリコール（ PEG ）鎖で金表面を修飾

電子振動に由来する 500 nm 付近（可視光域）の吸した．7) その結果，粒子のゼータ電位はほぼ中性と収と長軸方向に由来する 800900 nm 付近（近赤外なり，電子顕微鏡観察からも金ナノロッド周囲に域）の吸収を持つ（ Fig. 1 ）． 1997 年に Yu らによPEG 鎖が密に修飾されていることがわかった．培って報告されたこの粒子はカチオン性界面活性剤，養細胞毒性に対する毒性は認められず，また，マウ

hexadecyltrimethylammonium bromide （ CTAB ）のスへ静脈投与後，6 時間後においても，投与量の 30ミセル存在下で簡便に作製できる．6) また，サイズ％が血中を循環し，高い血中滞留性を持つことがわやアスペクト比（長軸/短軸比）を変えることによかった．最終的に金ナノロッドは肝臓と脾臓に蓄積り，光学特性をチューニングでき，用いる光源や対するが，短期的な肝毒性，腎毒性，サイトカイン応答といった副作用はみられなかった．
4.

体内に存在する金ナノロッドの分光分析

われわれはマウス体内に存在する金ナノロッドの直接観察を試みた．まず行ったことは，近赤外光源の上にマウスを乗せ，近赤外光を検出できる CCDカメラで観察した．マウス腹部は明るく観察され，比較的近赤外光を通すことが確認できた．そこに，Fig. 1. Absorption Spectrum of Gold Nanorods and a TEM
Image of the Gold Nanorods

新留琢郎

1966 年鹿児島県生まれ．94 年九州大学
大学院理学研究科博士課程修了，博士（理学）．長崎大学工学部，同大学大学
院生産科学研究科助手を経て， 04 年より九州大学大学院工学研究院助教授，そして，07 年より准教授．無機ナノ粒
子と機能性有機分子を組み合わせた次世代医療ナノ材料の研究を行っている．

hon p.3 [100%]

No. 12

PEG 修飾金ナノロッドを腹腔内投与，あるいは，尾静脈投与すると，その腹部が暗くなる様子が観察された．そこで，この様子を分光学的に解析するた1673のイメージングへも発展できると考えている．
5.

金ナノロッドを造影剤として用いたバイオイ

メージング

めに，積分球という分光装置を用いた．積分球は物

金ナノロッドに光照射すると，熱が発生すると同体からの反射光を測定する装置で，その反射光スペ時に超音波も発生する（オプトアコースティック効

クトルから吸収スペクトルも得られる装置である．

果）．その発生場所を従来の超音波エコー画像診断

われわれはマウスをこの積分球のポートに乗せ，マ装置の技術を使うことによって，金ナノロッドの存ウス腹部の吸収スペクトルを測定した（ Fig. 2 ）．

在場所を画像化できる． Eghtedari らは PEG 修飾

その結果，金ナノロッドに由来する明確な吸収スペ金ナノロッドをヌードマウスの皮下に投与し，そこクトルが観察され，マウス体内を循環する金ナノロへ，波長 757 nm のパルスレーザー（平均パワー密ッドの直接検出に成功した．8) また，900 nm におけ

度 6 mJ/ cm2 ）を照射しながら，超音波信号を検出る吸収値の時間経過を追跡した結果，それは減少した（ Fig. 3 ）．その結果，金分布の 2 次元画像はし，その減少速度から半減期を算出することができもちろんのこと，深度方向の情報も得ることができた． PEG 修飾金ナノロッドの場合は 200 分程度でた．9) 超音波を検出するこの方法は体内深部のイあり， CTAB で安定化している金ナノロッドの半メージングを可能にするが，光照射の深度に関する減期は 0.8 分であったことから， PEG 修飾するこ限界も残る．しかし，カテーテルを通して，レーとにより血中安定性が飛躍的に向上していることをザー照射すれば，適用範囲は広がるのではないかと定量的に示すことができた．このような吸収による期待される．

金ナノロッドのモニタリングは LED 光源でも達成

6.

可能であり，安価な検出システムをつくることがでがん組織を局所的に加熱し，治療するハイパーきると期待している．また，組織透過性が高いと期サーミアという手法がある．金ナノロッドをがん組待される超短パルスレーザー光を光源として用い，織に集積させ，近赤外光を照射すれば，そのフォトトモグラフィー技術と組み合わせることで，3 次元サーマル効果により同様の効果が期待される．そこ

がんのフォトサーマル治療でわれわれは，担がんマウスの腫瘍内に金ナノロッドを局所投与し，そこへ近赤外レーザー光を照射

Fig. 2. Schematic Representation of the Spectroscopic Analysis of Gold Nanorods in a Mouse
The anesthetized mouse was placed on a port of an integrating sphere.
Monochromatic light from a spectrophotometer was introduced into the abdomen of the mouse through optical ˆbers.

Fig. 3. Schematic Representation of in vivo Experiment toDetect Subcutaneously Injected Gold Nanorods Using Single-channel Acoustic Transducer

hon p.4 [100%]1674

Vol. 130 (2010)（Nd: YAG レーザー波長 1064 nm ，周波数 20 Hz ，能になれば，病変部位のイメージングによる診断とパワー～ 750 mW ，ビーム径 5 mm ，時間 3 分）し副作用の少ない効果的なフォトサーマル治療が実現た．その結果，腫瘍の成長抑制が観察された（Fig.

するだろう．

4)．10) 金ナノロッドを静脈投与し，レーザー光照射した場合にも腫瘍の増殖抑制は認められたが，その7.

フォトサーマル効果によりコントロールされる金ナノロッドのデリバリーシステム効果は低かった．これは， PEG 修飾金ナノロッド

一般に，薬物のデリバリーにおいて，標的となるは腫瘍組織の Enhanced Permeation and Retention

細胞を認識する化合物（リガンドや抗体など）で修（EPR ）効果により正常組織より高濃度に蓄積して飾するという手法が用いられる．腫瘍においては，はいるが，腫瘍への局所投与の場合に比べればそのEPR 効果もターゲティングの重要な要素となる．

量は少なく，そのために効果が弱かったと考えられこのような手法を用いて，金ナノロッドをターゲテる．したがって，より高い抗腫瘍効果を得るためにィングした報告は既にいくつかある．12,13) そこで，は金ナノロッドの腫瘍への積極的なターゲティング

われわれは金ナノロッドのフォトサーマル効果を活が必要であることが指摘された．

かしたターゲティングができないかと考えた．つまDickerson らも， PEG 修飾金ナノ粒子を局所あり，親水性ポリマーである N- ポリイソプロピルア

るいは静脈投与し，担がんマウスの腫瘍部位にレー

クリルアミドは加熱すると，相転移を起こし，疎水ザー照射し（波長 808 nm，平均パワー密度 12 W/性に変わる．この温度感受性ポリマーを金ナノロッ

cm2 ，ビーム径 6 mm ，時間 10 分），腫瘍の成長抑ド表面に修飾すれば，フォトサーマル効果により光制を評価した．その結果，有意な抗腫瘍効果が認め照射した場合にのみ相転移が起こると期待されられ，この場合も，局所投与の方がより高い効果をる．14,15) そして，生体組織中でこの現象を起こせみせた．さらに，レーザー光を照射し，各場所でのば，光照射部位のみで相転移が起こるため，金ナノ吸収スペクトルを測定することにより，金ナノロッロッドが細胞表面や細胞間マトリクスに吸着するだ

ドの in vivo イメージングに成功している．11) 金ナろうというシナリオである（ Fig. 5 ）．実際に，こノロッドの病変部位への正確なターゲティングが可の温度感受性ポリマーゲルで修飾した金ナノロッドを左右に 2 つの腫瘍を移植したマウスへ尾静脈投与し，その後，右腫瘍に近赤外レーザー光を照射した
結果，右腫瘍への有意な金の蓄積が認められた．この結果はレーザー照射可能な任意の部位に金ナノロッドを集積させることができることを示しており，腫瘍のみならず，様々な疾患に適用が期待される．

Fig. 4.

Tumor Growth after Photothermal Treatment

Tumor-bearing mice were injected with PEG-modiˆed gold nanorods
and laser irradiated (Nd: YAG laser 1064 nm, 20 Hz, 750 mW, 3 min).
Direct injection of the gold nanorods and the laser irradiation (●). Intravenous injection of the gold nanorods and the laser irradiation (○).
Direct injection of gold nanorods alone (□). Direct injection of 5％ glucose
and the laser irradiation (■). Non-treated mice (▲).

Fig. 5.

Targeting Strategies of Gold Nanorods

Controlled retention system triggered by phase-transition of thermosensitive polymer (N-isopropylacrylamide）gel.

hon p.5 [100%]

No. 12

8.

プロテアーゼ活性に応答するデリバリーシス

テム

1675

状は変わらないまま，連続的な温度上昇が起こるが，パルスレーザー光を照射すると，金原子の再配一方，腫瘍特異的に発現しているプロテアーゼに置が起こり，球状へと変化することを明らかにして応答して集積するシステムも構築した（ Fig. 6 ）．

いる．そして，ロッドが球状に変化すれば表面積がすなわち，金表面にペプチド鎖を介して PEG 鎖を小さくなり，結果的に修飾した PEG 鎖の一部が解修飾する．このペプチド鎖を腫瘍選択的に発現して離することがわかった．17) 照射するレーザー光を選いるプロテアーゼの基質配列とすれば，腫瘍部位で択することによって，単純な加熱や修飾分子の放出のみペプチド鎖が切断される．すると，金ナノロッをコントロールでき，金ナノロッドは高次の薬物デド表面は疎水性に変わり，周辺組織に蓄積するだろ

リバリーシステムを支えるプラットフォームとしてう．これまでにマトリクスメタロプロテアーゼやウ期待される．

ロキナーゼ様プラスミノーゲンアクチベーターの基

フォトサーマル効果で発生する熱を皮膚の物質透質配列を使って，これらプロテアーゼ存在時にのみ過性の亢進に利用する試みも行っている．もともと金ナノロッドが凝集することを確認した．現在，担皮膚の角質層は異物が体内に侵入するのを防ぐもの

がんマウスを使って， in vivo での評価を行っていであるために，疎水性の低分子化合物を除いて，物る．

質透過性は極めて低い．しかし，タンパク質や核酸

9.

フォトサーマル効果を利用した薬物デリバ

リーシステム
金ナノロッドを薬物キャリアーとし，その薬物放出をフォトサーマル効果によりコントロールしようという試みが報告された．16) フォトサーマル効果により発生した熱で，薬物を放出させるシステムで，温度感受性分子として二本鎖 DNA が利用された．
フォトサーマル効果により金ナノロッド表面の温度が上昇すれば，二本鎖 DNA は解離し，固定されていない DNA 鎖は遊離する（Fig. 7)．このシステムを利用して，遊離した一本鎖 DNA をアンチセンスDNA として機能させることに成功している．

われわれも， PEG 修飾金ナノロッドにおいて，連続波レーザー光を照射すれば，金ナノロッドの形Fig. 7. Schematic Representation of Remote Controlled
Release of DNA Oligonucleotides Mediated by Photothermal EŠect of the Gold nanorods
Fig. 6.

Targeting Strategies of Gold Nanorods

Controlled retention system triggered by releasing of PEG chain fromthe gold surface.

The sense DNA oligonucleotides are attached to the surface of goldnanorods with a thiol bond. The antisense DNA oligonucleotides are hybridized with the sense DNA oligonucleotides. These antisense DNA oligonucleotides are released after laser irradiation due to the photothermal eŠect.

hon p.6 [100%]1676

Vol. 130 (2010)

といった親水性高分子を皮膚から体内に入れることREFERENCESができれば，高分子薬物はもちろんのこと，ワクチンの投与ルートにもなり，注射を必要としない安全

1)で簡便なワクチン接種を実現する．そこでまず，金ナノロッドと抗原タンパク質との複合体をつくらせるのであるが，ここでは内部に金ナノロッドとタンパク質を固体コアとして持つ solid-in-oil（S/O）エ2)
3)

マルジョンを作製した． S / O エマルジョンはタンパク質の経皮吸収を促進するが，その吸収（角質層4)透過）は十数時間かかり，より迅速な経皮吸収システムが求められていた．18) そこで，金ナノロッドを内部の固体相に混合し，そのフォトサーマル効果による経皮吸収効率の向上を評価した．その結果，より多くのタンパク質が皮内に移行することが明らかになり，さらに，抗体産生も認められた．今後，投5)6)

与量や光照射の最適化を行う必要はあるが，ヒートショックタンパク質の誘導もできるこの手法はがん7)ワクチンへの応用も含めて，その可能性は極めて高いと期待している．
8.

おわりに

金ナノロッドは調製が容易で，粒径制御も可能

8)で，粒子表面の様々な化学修飾も行える．また，光吸収や二光子励起発光に加え，光散乱，フォトサー

9)

マル効果，フォトアコースティック効果といった有機分子にはない特徴を持っている．一方で，ナノ粒子であるがゆえの毒性の問題がよく指摘される．慎10)

重な解析が待たれるところではあるが，金自体は生体適合性を持つ金属であり，生体内では比較的早期に粒子同士が凝集し，ナノサイズの特性を失うこと

11)も考えられる．いずれにせよ，分光学から化学，生物学，薬学，医学といった様々な分野から多くの研究者が集まり，それぞれの知恵を出し合って，新しいテクノロジーが次々と生まれ，様々な評価が進んでいる．今後，次世代の医療を担う新規ナノ材料として大きく発展するものと期待している．

12)
13)

なお，本研究の中の動物実験は九州大学動物実験規則に則り，九州大学動物実験委員会の承認を受

14)

け，行われたものである．
謝辞

本研究は科学研究費補助金基盤研究 B

15)（ 19300172, 22300158 ）及び科学技術振興機構さきがけ「界面の構造と制御」の支援によって行われた．

16)``Colloidal Gold: Principles, Methods, andApplications,'' ed. by Hayat M. A., AcademicPress, San Diego, 1989.
El-Sayed I. H., Huang X., El-Sayed M. A.,
Cancer Lett., 239, 129135 (2006).
El-Sayed I. H., Huang X., El-Sayed M. A.,
Nano Lett., 5, 829834 (2005).
Chen Y. H., Tsai C. Y., Huang P. Y., Chang
M. Y., Cheng P. C., Chou C. H., Chen D. H.,
Wang C. R., Shiau A. L., Wu C. L., Mol.
Pharm., 4, 713722 (2007).
Gibson J. D., Khanal B. P., Zubarev E. R., J.
Am. Chem. Soc., 129, 1165311661 (2007).
Yu Y.-Y., Chang S.-S., Lee C.-L., Wang C.
R. C., J. Phys. Chem. B., 101, 66616664(1997).
Niidome T., Yamagata M., Okamoto Y.,
Akiyama Y., Takahashi H., Kawano T.,
Katayama Y., Niidome Y., J. Control.
Release, 114, 343347 (2006).
Niidome T., Akiyama Y., Shimoda K., Kawano T., Mori T., Katayama Y., Niidome T.,
Small, 7, 10011007 (2008).
Eghtedari M., Oraevsky A., Copland J. A.,
Kotov N. A., Conjusteau A., Motamedi M.,
Nano Lett., 7, 19141918 (2007).
Niidome T., Akiyama Y., Yamagata M.,
Kawano T., Mori T., Niidome Y., KatayamaY., J. Biomater. Sci., Polym. Ed., 20, 1203
1215 (2009).
Dickerson E. B., Dreaden E. C., Huang X.,
El-Sayed I. H., Chu H., Pushpanketh S.,
McDonald J. F., El-Sayed M. A., Cancer
Lett., 269, 5766 (2008).
Liao H., Hafner J. H., Chem. Mater., 17,46364641 (2005).
Huang X., El-Sayed I. H., Qian W., El-SayedM. A., J. Am. Chem. Soc., 128, 21152120(2006).
Shiotani A., Mori T., Niidome T., Niidome
Y., Katayama Y., Langmuir, 23, 40124018(2007).
Kawano T., Niidome Y., Mori T., Katayama
Y., Niidome T., Bioconjugate Chem., 20, 209
212 (2009).
Lee E. S., Liu G. L., Kim F., Lee L. P., Nanohon p.7 [100%]

No. 1217)

Lett., 9, 562570 (2009).
Yamashita S., Niidome Y., Katayama Y., Niidome T., Chem. Lett., 38, 226227 (2009).

167718)

Tahara Y., Honda S., Kamiya N., Piao H.,
Hirata A., Hayakawa E., Fujii T., Goto M.,
J. Control. Release, 131, 1418 (2008).