リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「医薬品の経皮吸収性の改善を目指した可視光応答性ナノ粒子の開発」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。
リケラボ

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

医薬品の経皮吸収性の改善を目指した可視光応答性ナノ粒子の開発

天本, 宇紀 東京大学 DOI:10.15083/0002002510

2021.10.15

概要

【序論】
　医薬品の経皮投与は、投与時の痛みの少なさや簡便さ、初回通過効果の回避など、利点が多く、患者に優しい投与経路である。しかし、皮膚が持つ強固なバリア機能によって、多くの医薬品は皮膚から吸収されないため、注射や点滴といった侵襲的な手法で投与する必要がある。例えば、重症度の高いアトピー性皮膚炎に対する新たな治療薬として、抗体医薬であるデュピクセントが2018年に上市され、高い治療効果を上げている。しかし、現在主流の治療薬であるステロイドやタクロリムスといった低分子医薬品に比べて経皮吸収性が低く、注射による投与が必要になるため、患者の生活の質を低下する要因が残る。もし、このような医薬品の経皮吸収性を改善できれば、注射剤を塗り薬として投与できるなど、より患者に優しい治療が可能となる。
　医薬品の経皮吸収経路は、細胞の中を通る細胞内経路、細胞と細胞の間を通る細胞間経路、毛穴や汗孔を通る付属器官経路の3つに分けられる(図1)。細胞内経路は角質細胞が、細胞間経路は細胞間脂質が障害となるが、付属器官経路はこれらの障害がないため、最も浸透しやすいとされる。しかし、その面積は皮膚全体の約0.1％と非常に少ないため、十分な量の医薬品を皮膚内に送達するためには、細胞内経路か細胞間経路からの吸収性を向上する必要がある。近年、医薬品を目的部位に運ぶキャリアとしてナノ粒子が注目されており、経皮投与用のナノ粒子も研究されている。しかし、先行研究では、付属器官経路からの浸透や、角質層までの浸透に留まった報告が多く、まだ有効な手法は見つかっていない。そこで、本研究では、より多くの医薬品を、より皮膚の深部へ送達できるナノ粒子の開発を目標とし、ナノ粒子の設計指針として、内包した医薬品を目的部位で放出するための内包物放出能、細胞内経路からの吸収を促進するための細胞膜透過性、細胞間経路からの吸収を促進するための両親媒性表面の3つを設定した。これらの機能を付与できる物質としてboron-dipyrromethene(BODIPY)に注目した。BODIPYにフェノール類を修飾したBODIPY誘導体が可視光で開裂反応を示すこと、細胞膜透過性に優れること、疎水性が高いことから、BODIPYをナノ粒子に組み込むことで、目的のナノ粒子の開発を試みた。

【本論】
1. 可視光応答性ナノ粒子の開発
　目的のナノ粒子を開発するべく、まず、可視光分解性モノマーを新たに合成した。本モノマーは、中心に可視光分解性BODIPY誘導体を持つことで可視光開裂性を有し、末端にエトキシシランを持つことでもう１つのモノマーであるオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)と共重合できる。開発した可視光応答性ナノ粒子(BSNP)は、TEOSの重合体であるシードナノ粒子(SDNP)をコア構造とし、その周囲をTEOSと光分解性モノマーの共重合体である光分解性の外殻が覆う、コア－シェル型のナノ粒子である(図3)。BSNPの表面は、TEOS由来のシラノール基と可視光分解性モノマー由来のBODIPYが存在する、両親媒性の表面である。まず、SDNPとBSNPの形状を透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、どちらも丸い粒子であった(図4AB)。また、SDNPは分散して存在したが、BSNPは房状にまとまって存在した。BSNPに可視光を照射した後も同様の丸い粒子が存在した(図4C)。次に、各ナノ粒子の粒子径を動的光散乱法で測定すると、SDNPは24nm、BSNPは60nmであったが、光照射後は44nmに小さくなった(図4D)。また、各ナノ粒子のゼータ電位も測定したところ、SDNPは-14mV、BSNPは-1.2mVであったが、照射後は-14mVになった。これらの結果から、BSNPに可視光を照射することでBODIPYが解離し、外殻が分解することがわかった。

2. 細胞膜透過性の評価
　ヒト表皮角化細胞株であるHaCaT細胞に、rhodamine B(RB)を内包したBSNP(RB@BSNP)を曝露した後、共焦点蛍光顕微鏡で観察した。比較対象には、RB単体とRB内包シリカナノ粒子(RB@SNP)を選択した。各物質を曝露した細胞の蛍光像を比較すると、RBとRB@SNPは細胞内にほとんど蛍光が見られなかったが、RB@BSNPは細胞質中に強い蛍光が見られた(図5)。このことから、BSNPは細胞膜透過性を有していることがわかった。

3. 内包物の放出制御
　核染色剤である4', 6-diamidino-2-phenylin dole(DAPI)を内包したBSNPをHaCaT細胞に取り込ませた後、光照射群と非照射群に分け、共焦点蛍光顕微鏡でタイムラプス観察した。すると、非照射群は時間が経過しても細胞内の蛍光強度に変化がなかったが、光照射群は時間とともに蛍光強度が増加し、細胞内にDPAI由来の蛍光が観察された(図6)。DAPIはDNAと複合体を形成することで、蛍光強度が20倍に増大する。そのため、非照射群では複合体が形成されておらず、BSNPに内包されたDAPIはDNAと結合できない状態にあった。また、光照射群では光照射によってDAPIが放出されたために、複合体が形成されたと考えられる。以上の結果から、BSNPは光照射による外殻の分解と同時に内包物を放出することがわかった。また、光照射によってその機能発現のタイミングを任意に調節できる。

4. 経皮吸収性の評価
　ブタ皮膚組織にテープストリッピング法を適用することで、角質層の損傷した皮膚組織を作成した。これにRB、RB@SNP、RB@BSNPの3種類の物質を塗布した後、その切片を共焦点蛍光顕微鏡で観察した。すると、RBとRB@SNPは角質層に留まったが(図7AB)、RB@BSNPは真皮まで浸透した(図7C)。内包物を高分子である20kDaのFITC-dextran(FD20)に変更し、同様の検討を行ったところ、FD20は角質層にもほとんど浸透しなかったが(図7D)、FD20@BSNPは真皮まで浸透した(図7E)。また、粒子径の異なるBSNPで同様の検討を行ったところ、粒子径が55nm以上のBSNPは皮膚内への浸透量が減少し、角質層にもほとんど浸透しなかった(図7F)。これらの結果から、BSNPの経皮吸収は、角質層への浸透と、角質層からそれ以下の層への浸透の2段階に分かれていると考えられる。角質層への浸透量のみを比較すると、粒子径が55nm以上で減少したが、同じ粒子径のSNPとBSNPではほとんど同じであった。損傷した角質層には、角質細胞と角質細胞の間に間隙が生じているだけでなく、細胞間脂質も減少している。そのため、角質層への浸透は、この間隙を浸透する細胞間経路優位の浸透であり、粒子径依存の浸透であると考えられる。次に、同じ粒子径のSNPとBSNPを比較すると、SNPは角質層に留まったが、BSNPは真皮まで浸透した。しかし、15nmと35nmのBSNPの浸透量は、ほとんど同じであった。角質層からより深部へ浸透する際、表皮と真皮の細胞や細胞間脂質が障害となるために、細胞膜透過性や両親媒性を持つBSNPのみが浸透できた。つまり、角質層からそれ以下の層への浸透は、細胞内経路と細胞間経路の両方から浸透し、粒子表面依存の浸透だと考えられる。以上のことから、BSNPは、アトピー性皮膚炎のように角質層の損傷した皮膚に対して高い経皮吸収性を有しており、高分子医薬品を真皮まで送達できるキャリアとしての利用が期待できる。

5. ナノ粒子表面の最適化
　BODIPYのベンゼン環に様々な官能基を付加したBODIPY誘導体を9種類合成した(図8A)。これらの細胞膜透過性と経皮吸収性を評価したところ、SMe基を付加したBODIPY-SMeが透過性も吸収性も高かった(図8BC)。また、BODIPY-SMe以外のBODIPY誘導体を見ると、CLogPが7.2付近を頂点とする山なりのグラフであることから、SMe基と細胞膜や細胞間脂質の間で何らかの相互作用が働き、細胞内への取り込みや皮膚内への浸透が促進されたことが示唆された。そこで、ナノ粒子の機能を最も向上できると考えられるBODIPY-SMeを表面に修飾したBSNP-SMeを新たに調製し、BSNPと比較したところ、細胞膜透過性は2倍に、経皮吸収性は4倍に増加した。SMe基のように単純な官能基を付加するだけで、さらに経皮吸収性の高いナノ粒子の開発に成功した。

【結論】
　本ナノ粒子は、表面に修飾したBODIPYによって、高い細胞膜透過性と両親媒性表面を有しており、アトピー性皮膚炎のように角質層の損傷した皮膚に対して高い経皮吸収性を示し、真皮まで浸透した。また、可視光を照射することで外殻が分解し、内包物を放出した。以上のことから、本ナノ粒子は、アトピー性皮膚炎用高分子医薬品の経皮吸収性を改善し、皮膚の深部まで送達可能なキャリアとしての利用が期待される。

論文の公開元へ

この論文で使われている画像

関連論文

関連論文をもっと見る

参考文献

[1] Mark R Prausnitz and Robert Langer. Transdermal drug delivery. Nature Biotechnology, 2008, 26, 1261-1268.

[2] Thomas Bieber. Mechanisms of disease: Atopic Dermatitis. The New England Journal of Medicine, 2008, 358, 1483-1494.

[3] 公益社団法人日本皮膚科学会, 一般社団法人日本アレルギー学会, アトピー性皮膚炎診療ガイドライン作成委員会. アトピー性皮膚炎診療ガイドライン 2018. 日皮会誌, 2018, 128, 12, 2431-2502.

[4] Suphiya Parveen, Ranjita Misra, and Sanjeeb K. Sahoo. Nanoparticles: a boon to drug delivery, therapeutics, diagnostics and imaging. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 2012, 8, 147-166.

[5] Jean C. Sung, Brian L. Pulliam and David A. Edwards. Nanoparticles for drug delivery to the lungs. TRENDS in Biotechnology, 2007, 25, 563-570.

[6] Tennyson L. Doane and Clemens Burda. The unique role of nanoparticles in nanomedicine: imaging, drug delivery and therapy. Chemical Society Reviews, 2012, 41, 2885-2911.

[7] Yasuhiro Matsumura and Hiroshi Maeda. A New Concept for Macromolecular Therapeutics in Cancer Chemotherapy:Mechanism of Tumoritropic Accumulation of Proteins and the Antitumor Agent Smancs. Cancer Research, 1986, 46, 6387-6392

[8] Younsoo Bae, Woo-Dong Jang, Nobuhiro Nishiyama, Shigeto Fukushima and Kazunori Kataoka. Multifunctional polymeric micelles with folate-mediated cancer cell targeting and pH-triggered drug releasing properties for active intracellular drug delivery. Molecular BioSystems, 2005, 1, 242-250.

[9] Ziyan Fang, Shuda Chen, Jiaming Qin, Bao Chen, Guanzhong Ni, Ziyi Chen, Jueqian Zhou, Ze Li, Yuping Ning, Chuanbin Wu and Liemin Zhou. Pluronic P85-coated poly(butylcyanoacrylate) nanoparticles overcome phenytoin resistance in P-glycoprotein overexpressing rats with lithium-pilocarpine-induced chronic temporal lobe epilepsy. Biomaterials, 2016, 97, 110-121.

[10] Francesca Larese Filon, Marcella Mauro, Gianpiero Adami, Massimo Bovenzi,and Matteo Crosera. Nanoparticles skin absorption: New aspects for a safety profile evaluation. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 2015, 72, 310-322.

[11] B.W. Barry. Novel mechanisms and devices to enable successful transdermal drug delivery. European Journal of Pharmaceutical Sciences, 2001, 14, 101-114.

[12] Anja Ostrowski, Daniel Nordmeyer, Alexander Boreham, Robert Brodwolf, Lars Mundhenk, Joachim W. Fluhr, Jürgen Lademann, Christina Graf, Eckart Rühl, Ulrike Alexiev and Achim D. Gruber. Skin barrier disruptions in tape stripped and allergic dermatitis models have no effect on dermal penetration and systemic distribution of AHAPS-functionalized silica nanoparticles. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 2014, 10, 1571-1581.

[13] Fiorenza Rancan, Qi Gao, Christina Graf, Stefan Troppens, Sabrina Hadam, Steffen Hackbarth, Cynthia Kembuan, Ulrike Blume-Peytavi, Eckart Rühl, Jürgen Lademann and Annika Vogt. Skin Penetration and Cellular Uptake of Amorphous Silica Nanoparticles with Variable Size, Surface Functionalization, and Colloidal Stability. ACS Nano, 2012, 6, 6829-6842.

[14] Simona Mura, Julien Nicolas and Patrick Couvreur. Stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery. Nature Materials, 2013, 12, 991-1003.

[15] Arwyn T. Jones and Edward J. Sayers. Cell entry of cell penetrating peptides: tales of tails wagging dogs. Journal of Controlled Release, 2012, 161, 582-591.

[16] Ikuhiko Nakase, Toshihide Takeuchi, Gen Tanaka and Shiroh Futaki. Methodological and cellular aspects that govern the internalization mechanisms of arginine-rich cell-penetrating peptides. Advanced Drug Delivery Reviews, 2008, 60, 598-607.

[17] Eric Busseron, Yves Ruff, Emilie Moulin and Nicolas Giuseppone. Supramolecular self-assemblies as functional nanomaterials. Nanoscale, 2013, 5, 7098-7140.

[18] Yuanru Li, Cuilian Dong, Dongmei Cun, Jie Liu, Rongwu Xiang and Liang Fang. Lamellar Liquid Crystal Improves the Skin Retention of 3-O-Ethyl-Ascorbic Acid and Potassium 4-Methoxysalicylate In Vitro and In Vivo for Topical Preparation. AAPS PharmSciTech, 2016, 17, 3, 767-777.

[19] Mirjam Gosenca, Marija Bešter-Rogač and Mirjana Gašperlin. Lecithin based lamellar liquid crystals as a physiologically acceptable dermal delivery system for ascorbyl palmitate. European Journal of Pharmaceutical Sciences, 2013, 50, 114-122.

[20] Andre Luis Menezes Carvalho, Jose Alexsandro da Silva, Ana Amelia Moreira Lira, Tamara Matos Freire Conceiçao, Rogeria de Souza Nunes, Ricardo Luiz Cavalcanti de Albuquerque Junior, Victor Hugo Vitorino Sarmento, Leila Bastos Leal and Davi Pereira de Santana. Evaluation of Microemulsion and Lamellar Liquid Crystalline Systems for Transdermal Zidovudine Delivery. Journal of Pharmaceutical Sciences, 2016, 105, 2188-2193.

[21] Shuhei Murayama, Fumi Ishizuka, Kaihei Takagi, Hirotaka Inoda, Akira Sano, Tomofumi Santa and Masaru Kato. Small Mesh Size Hydrogel for Functional Photocontrol of Encapsulated Enzymes and Small Probe Molecules. Analytical Chemistry, 2012, 84, 1374-1379.

[22] Takaki Amamoto, Tomofumi Santa and Masaru Kato. Reduction of Molecular Leaching from a Gel Matrix for the Precisely Controlled Release of Encapsulated Molecules by Light Stimulus. Chemical and Pharmaceutical Bulletin, 2014, 62(7), 649-653.

[23] Shuhei Murayama, Baowei Su, Kohki Okabe, Akihiro Kishimura, Kensuke Osada, Masayuki Miura, Takashi Funatsu, Kazunori Kataoka and Masaru Kato. NanoPARCEL: a method for controlling cellular behavior with external light. Chemical Communications, 2012, 48, 8380-8382.

[24] Fumi Ishizuka, Xiangsheng Liu, Shuhei Murayama, Tomofumi Santa and Masaru Kato. Development of a spatiotemporal method to control molecular function by using silica-based photodegradable nanoparticles. Journal of Materials Chemistry B, 2014, 2, 4153-4158.

[25] Egil Kvam and Rex M.Tyrrell. Induction of oxidative DNA base damage in human skin cells by UV and near visible radiation. Carcinogenesis, 1997, 18(12), 2379-2384.

[26] Laurent Marrot and Jean-Roch Meunier. Skin DNA photodamage and its biological consequences. Journal of the American Academy of Dermatology, 2008, 58(5), S139-S148.

[27] Andrew M. Smith, Michael C. Mancini and Shuming Nie. Second window for in vivo imaging. Nature Nanotechnology, 2009, 4, 710-711.

[28] Emmanuel Ruggiero, Silvia Alonso-de Castro, Abraha Habtemariam and Luca Salassa. Upconverting nanoparticles for the near infrared photoactivation of transition metal complexes: new opportunities and challenges in medicinal inorganic photochemistry. Dalton Transactions, 2016, 45, 13012-13020.

[29] Isabelle Aujard, Chouaha Benbrahim, Marine Gouget, Odile Ruel, Jean-Bernard Baudin, Pierre Neveu and Ludovic Jullien. o-Nitrobenzyl Photolabile Protecting Groups with Red-Shifted Absorption: Syntheses and Uncaging Cross-Sections for One- and Two-Photon Excitation. Chemistry - A European Journal, 2006, 12, 6865-6879.

[30] Guillaume Bort, Thibault Gallavardin, David Ogden and Peter I. Dalko. From One-Photon to Two-Photon Probes: “Caged” Compounds, Actuators, and Photoswitches. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52, 4526-4537.

[31] Nobuhiro Umeda, Hironori Takahashi, Mako Kamiya, Tasuku Ueno, Toru Komatsu, Takuya Terai, Kenjiro Hanaoka, Tetsuo Nagano and Yasuteru Urano. Boron Dipyrromethene As a Fluorescent Caging Group for Single-Photon Uncaging with Long-Wavelength Visible Light. ACS Chemical Biology, 2014, 9, 2242-2246.

[32] Hisato Sunahara, Yasuteru Urano, Hirotatsu Kojima, and Tetsuo Nagano. Design and Synthesis of a Library of BODIPY-Based Environmental Polarity Sensors Utilizing Photoinduced Electron-Transfer-Controlled Fluorescence ON/OFF Switching. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129, 5597-5604.

[33] Sven H. Behrens and David G. Grier. The Charge of Glass and Silica Surfaces. The Journal of Chemical Physics, 2001, 115, 6716-6721.

[34] Rongqin Ke, Wei Yang, Xiaohu Xia, Ye Xua and Qingge Li. Tandem conjugation of enzyme and antibody on silica nanoparticle for enzyme immunoassay. Analytical Biochemistry, 2010, 406, 8-13.

[35] Norbert Dinauer, Sabine Balthasar, Carolin Weber, Jorg Kreuter, Klaus Langer and Hagen von Briesen. Selective targeting of antibody-conjugated nanoparticles to leukemic cells and primary T-lymphocytes. Biomaterials, 2005, 26, 5898-5906.

[36] Sandeep Kumar Vashist, Edmond Lam, Sabahudin Hrapovic, Keith B. Male and John H. T. Luong. Immobilization of Antibodies and Enzymes on 3-Aminopropyltriethoxysilane-Functionalized Bioanalytical Platforms for Biosensors and Diagnostics. Chemical Reviews, 2014, 114, 11083-11130.

[37] Boukamp P, Petrussevska R T, Breitkreutz D, Hornung J, Markham A and Fusenig N E. Normal keratinization in a spontaneously immortalized aneuploid human keratinocyte cell line. Journal of Cell Biology, 1988, 106(3), 761-771.

[38] Ayush Verma and Francesco Stellacci. Effect of Surface Properties on Nanoparticle-Cell Interactions. Small, 2010, 6, 12-21.

[39] Hiroshi Yukawa, Yukimasa Kagami, Masaki Watanabe, Koichi Oishi, Yoshitaka Miyamoto, Yukihiro Okamoto, Manabu Tokeshi, Noritada Kaji, Hirofumi Noguchi, Kenji Ono, Makoto Sawada, Yoshinobu Baba, Nobuyuki Hamajima and Shuji Hayashi. Quantum dots labeling using octa-arginine peptides for imaging of adipose tissue-derived stem cells. Biomaterials, 2010, 14, 4094-4103.

[40] 梶原 直樹, 芝崎 太. 細胞膜透過性ペプチド. 日薬理誌, 2013, 141, 220-221.

[41] Shiroh Futaki. Internalization of Arginine–rich Cell–penetrating Peptides and Delivery of Biomacromolecules into Cells. 膜(MEMBRANE), 2011, 36, 4, 139-144.

[42] Artur Summerfielda, Franois Meurens and Meret E. Ricklin. The immunology of the porcine skin and its value as a model for human skin. Molecular Immunology, 2015, 66, 14-21.

[43] Biana Godin and Elka Touitou. Transdermal skin delivery: Predictions for humans from in vivo, ex vivo and animal models. Advanced Drug Delivery Reviews, 2007, 59, 1152-1161.

[44] Michael J. Cork, Simon G. Danby, Yiannis Vasilopoulos, Jonathan Hadgraft, Majella E. Lane, Manar Moustafa, Richard H. Guy, Alice L. MacGowan, Rachid Tazi-Ahnini and Simon J. Ward. Epidermal Barrier Dysfunction in Atopic Dermatitis. Journal of Investigative Dermatology, 2009, 129, 1892-1908.

[45] Ehrhardt Proksch, Johanna M. Brandner and Jens-Michael Jensen. The skin: an indispensable barrier. Experimental Dermatology, 2008, 17, 1063-1072.

[46] Jan D. Bos and Marcus M. H. M. Meinardi. The 500 Dalton rule for the skin penetration of chemical compounds and drugs. Experimental Dermatology, 2000, 9, 165-169.

[47] Myeong Jun Choi, Hongbo Zhai, Harald Löffler, Frank Dreher and Howard I. Maibach. Effect of Tape Stripping on Percutaneous Penetration and Topical Vaccination. Exogenous Dermatology, 2003, 2, 262-269.

[48] Katarína Staroňová, Jesper Bo Nielsen, Martin Roursgaard and Lisbeth E. Knudsen. Transport of SiO2 Nanoparticles through Human Skin. Basic & Clinical Pharmacology & Toxicology, 2012, 111, 142-144.

[49] Toshihiro Hirai, Tomoaki Yoshikawa, Hiromi Nabeshi, Tokuyuki Yoshida, Takanori Akase, Tomoaki Yoshikawa, Norio Itoh and Yasuo Tsutsumi. Dermal absorption of amorphous nanosilica particles after topical exposure for three days. Pharmazie, 2012, 67, 742-743.

参考文献をもっと見る