自己組織的構造転移に基づいた無機クラスターの生理活性機能の発現

山形大学理学部
並河 英紀

抗生物質と多剤耐性菌
Penicillin

Methicillin

バクテリアの進化速度＞

Vancomycine

抗生物質の開発速度

2015年05月08日 15時51分 Copyright © The Yomiuri Shimbun「海外半年以上」滞在の半数、多剤耐性菌に感染
海外に半年以上滞在した日本人の約半数が、複数の抗生物質が効かない多剤耐性菌の「ＥＳＢＬ産生大腸菌」に感染していたことが、東京医大などの研究チームの調査で分かった。 研究チームは、海外赴任がある企業の協力を得て、２０１２年９月から１５年３月までの間、２０～５０歳代の男女４５人について渡航前と帰国後のふん便を調査。その結果、２２人からＥＳＢＬ産生大腸菌を検出。渡航先別では、サハラ以南のアフリカが最多の７人、東南アジア６人、南アジア５人、中東・北アフリカ４人。欧米の赴任者７人からは検出されなかった。
多剤耐性菌は、過剰や過少な抗生物質の使用などにより変異した細菌。複数の抗生物質を分解する能力がある。健康な人が感染してもすぐに発病するわけではなく、今回感染が確認された２２人も無症状だった。ただ、抵抗力が弱い入院患者らの場合は、重症化につながる恐れがある。

従来のantibioticsとは異なる原理で機能するantibioticsの探索が持続可能な人類の生命維持に必須2015年05月08日 15時51分 Copyright © The Yomiuri Shimbun「海外半年以上」滞在の半数、多剤耐性菌に感染■A post-antibiotic era（一般的な感染症や怪我が死を招く時代）は，SFではなく21世紀の現実的な未来．
海外に半年以上滞在した日本人の約半数が、複数の抗生物質が効かない多剤耐性菌の「ＥＳＢＬ産生大腸菌」に感染していたことが、東京医大などの研■にもかかわらず、多剤耐性菌に関究チームの調査で分かった。 研究チームは、海外赴任がある企業の協力をする地球規模での把握が出来ていな得て、２０１２年９月から１５年３月までの間、２０～５０歳代の男女４５い．
人について渡航前と帰国後のふん便を調査。その結果、２２人からＥＳＢＬ産生大腸菌を検出。渡航先別では、サハラ以南のアフリカが最多の７人、東■企業にはもはや新しい抗生物質を開発する経済的インセンティブは無南アジア６人、南アジア５人、中東・北アフリカ４人。欧米の赴任者７人かい．
らは検出されなかった。
多剤耐性菌は、過剰や過少な抗生物質の使用などにより変異した細菌。複■早急に地球規模の監視ネットワー数の抗生物質を分解する能力がある。健康な人が感染してもすぐに発病するクの構築と，post-antibiotic eraの到来
わけではなく、今回感染が確認された２２人も無症状だった。ただ、抵抗力へ向けた対策が必須．
が弱い入院患者らの場合は、重症化につながる恐れがある。

従来のantibioticsとは異なる原理で機能するantibioticsの探索が持続可能な人類の生命維持に必須

生命に学ぶ：自己組織的膜破壊による自然免疫
ポア形成ペプチド

エネルギーランドスケープ耐性獲得性が低い

Nature Review Microbiology, 7, 245 (2009).

S. Neidle et al., Molecular Simulations and Biomembranes:
From Biophysics to Function (2010).

エネルギー地形に沿った自己組織的な構造転移が機能発現の鍵
適切なデザインが適切な物性を引き出す

生命に学ぶ：自己組織的膜破壊による自然免疫

人工材料へ：化学的・物理的安定性の向上

news in Nature (28 SEP 2011)” With hundreds of nanoproducts currently being tested in humans,
recommendations aim to safeguard trial participants.”
HIVreceptor

Metal nanoparticles (Ag, Cu)
Metal oxide naoparticles (ZnO, TiO2)
etc...

anti-HIVnano-agent人工生理活性ナノ材料の光と影

適切なデザインが適切な物性を引き出す
http://news.mit.edu/2012/cancer-particle-0404

生理活性ナノ粒子
高分子ナノ粒子

B. Wang et al., Proc. Natl. Acad. Sci., 105, 18171 (2008).

膜表面に吸着し脂質分子再配向

金属ナノ粒子B. Y. Moghadam et al., Langmuir, 28, 16318 (2008).

膜内へ侵入しポア形成

エネルギー地形に沿った自己組織的な構造転移
適切なデザインが適切な物性を引き出す

生理活性ナノ粒子
生体機能

人工材料

安定性
低コスト
易合成性
細胞膜標的性

生理活性ナノ粒子
生体機能

人工材料

サイズ分散性H. Nabika et al., J. Phys. Chem. B, 107, 9161 (2003).

ナノ粒子からナノクラスターへ
60 nmの標準Auナノ粒子

1 nmの金属酸化物クラスター
XM12O40n-

安定性
低コスト
易合成性
細胞膜標的性

安定性
低コスト
易合成性
細胞膜標的性

多分散性

単分散性（分子性）

ポリオキソメタレート（POM）
10 Åアニオン性金属酸化物
with definite molecular formula12.2 Å

14.8 Å

XaMbOcnSi, Al, P… Mo, W…

XM12O40n-✅アミロイドβペプチド✅リン酸化酵素✅プリオン

X2M18O62n-

X6M30O110n-✅細胞（細胞膜）etc.

ポリオキソメタレート（POM）
Surfactant Encapsulated Cluster (SEC)
cationic surfactant

SEC

anionic POM

H. Li et al., Angew. Chem. Int. Ed., 46, 1300 (2007).

✅アミロイドβペプチド✅リン酸化酵素
✅プリオン

POM +

界面活性剤 =SEC

POM +リン脂質=SEC？

POM + リン脂質二重膜 = SEC？

二重膜から脂質分子を奪いSECを形成するなら、細胞膜標的性を有する生理活性材料として機能できる。

✅細胞（細胞膜）

Keggin [SiW12O40]4-

POM + 脂質膜 =(SiW124-)

lipid: solid-supported DMPC bilayer
3.84 µM

A38.4 µM

10 Å
384 µM

500 µM

3840 µM

beforeB

10 µm

no change

partial desorption

completedesorption

afterC

POMが脂質分子を奪い微小構造物への自己組織的転移を誘起

POM + 脂質膜 =lipid: solid-supported DMPC bilayer
POM: SiW12O404- 162 µM

POMは溶液側から作用し外層膜から脂質分子を脱離

Keggin [SiW12O40]4(SiW124-)
10 Å

Keggin [SiW12O40]4-

温度依存性(SiW124-)

Lipid desorption efficiency /%lipid: solid-supported DMPC bilayer[POM] 3.84 µM

10 Å

500 µM

3840 µM

TmTm

temperature/℃temperature/℃

Tm

gel

fluidtemperature/℃

Leaky interface at Tm
L. Yang et al., Langmuir, 31, 2187 (2015).

POMは溶液側から作用し不安定領域から脂質分子を脱離

DLS測定

Keggin [SiW12O40]4(SiW124-)
10 Å

リポソームの崩壊と微小構造体の形成を確認

Keggin [SiW12O40]4-Leakage実験(SiW124-)10 Å

liposome collapse
FL intensity

100% leakage+ POM

leakagequenched dyeemissive dyetime

脂質分子の脱離がリポソームの崩壊を誘導する

Leakage実験
lipid: egg-PC liposome
Keggin10 Å[PW12O40]3- (PW123-)

6-threshold (mM)

Dawson12.2 Å[P2W18O62]6- (P2W186-)[SiW12O40]4- (SiW124-)

静電気的相互作用？

5 min

4-3-0.04 0.1

7π-A実験：脂質電荷依存性
Cationic DPTAP+-+-

Zwitterionic egg-PC++--+-Anionic POPG

-+-

膜の結晶化

膜の膨張-

カウンターカチオンの吸着

強い作用を及ぼすのは最外層にカチオン性部位のあるリン脂質
POMとリン脂質の静電的相互作用がトリガー

π-A実験：POM濃度依存性
lipid: egg-PC monolayer[SiW12]
3.3 mM High leakage
0.33 mM Middle leakage
0.033 mM Low leakage
0 mM

area / Å2 molecule-1

POM + surfactant = SEC(Surface Encapsulated Cluster)H. Li et al., Angew. Chem. Int. Ed., 46, 1300 (2007).

π-A実験

静電気的相互作用 自己組織的構造変化

POM + surfactant = SEC(Surface Encapsulated Cluster)H. Li et al., Angew. Chem. Int. Ed., 46, 1300 (2007).

ここまでのまとめ

静電気的相互作用 自己組織的構造変化✔

POMが脂質分子の電荷（化学的性質）・相状態（熱力学的性質）を認識し吸着✔

吸着後、POM-リン脂質間で自己組織的に構造転移✔

不安定化による膜崩壊が誘発拡散性の定量評価：平均二乗変位（MSD）解析
50 molecules (trajectories) in each condition

50 µM

30 µM

0 µM

100 µM

200 µM

不動性成分

拡散性の定量評価：平均二乗変位（MSD）解析
拡散係数解析

異常指数解析

𝑟𝑟 2 = 4𝐷𝐷𝜏𝜏 𝛼𝛼

D: 拡散係数α: 拡散異常指数α>1α=1α<1

異方性拡散ブラウン拡散
閉じ込め拡散拡散係数は低下しているが、等方拡散は維持されているランダムな拡散抑制状態（SEC?）の形成

異常拡散成分

POM－脂質会合体
TR-DHPE

mobileTR-DHPE単体またはSECが欠陥にトラップ

immobile

異常拡散成分
TR-DHPEの場合

SECの場合相互作用によるタンデム拡散

二重膜界面でのSECの逐次的脱離・吸着

TR-DHPEではなくSECによる拡散挙動を確認
POMが脂質分子との会合体SECを形成

Effect of POM to lipid membrane
POM has both macroscopic and microscopic effect on the lipid diffusivity in the membrane,
offering novel function as membrane-targeting bioactive nanomaterials.

脂質二重膜に吸着したPOMが脂質分子との自己組織的な再構成を誘起し、水溶性SECへと転移し脱離することで細胞膜を崩壊

まとめ✔

脂質分子との静電気的相互作用が膜構造の自己組織的変化を誘発✔

相界面など熱力学的に特異かつ構造揺らぎの大きな部位に対して選択的に相互作用する✔

水溶性のPOM-脂質会合体を構築し膜から脱離することで細胞膜崩壊を誘発

特定の無機クラスターは細胞膜の化学的・熱力学的性質を認識因子としたmembrane-targeting nano-medicineとしての機能性を有し、独自の作用機構で微生物（細胞膜）との相互作用を形成させることが可能となる。