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

産業技術総合研究所(以下、産総研)は、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。

同研究は、産総研バイオメディカル研究部門の山添泰宗主任研究員によるもので、同研究成果は、11月16日に学術誌「Biomaterials」にオンライン掲載された。

血管や臓器の中で働くナノマシンやマイクロマシンを使って、病気の診断、病変部への薬の投与、有害物質の除去などを行う治療法が期待を集めている。体内で働くナノ・マイクロマシンは、安全性の高い素材で作られ、また、役割を終えた後には体内で分解されてなくなるのが理想的である。タンパク質は、生体適合性や生分解性が有り、また、結合、触媒、伝達、輸送など多岐にわたる機能を持つので、ナノ・マイクロマシンの素材として有望だが、多くのタンパク質は非常に繊細であり、少しの刺激によって容易にその立体構造が壊れて機能も失われる。この取り扱いの困難さのために、複数のタンパク質を部品として、乾燥状態にも耐えられる強さと高度な機能を備えたナノ・マイクロマシンを組み立てることは困難であった。

産総研では、今回、異なる機能を持つ3種類のタンパク質(血清アルブミン、SOD、抗体)を組み合わせて、過剰な活性酸素を除去できるタンパク質マイクロマシンの開発に取り組んだ。まず、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、これをアルブミンなどで構成されるマイクロマシンの本体部分に組み込む。水に不溶性のマイクロマシンを作るために化学処理が必要であるが、タンパク質の構造が破壊されないように、架橋剤を用いた化学処理の反応条件を最適化した。また、反応液に安定剤を加えて、乾燥工程でのタンパク質の構造破壊を防止している。なお、安定剤は全て、マイクロマシン作製後に溶出させて取り除くことができる。

このタンパク質マイクロマシンは、外部刺激(熱、pH変化、乾燥)に対して高い安定性を示し、直径約100µm、中央部で薄く(約170nm)、外周部で厚い(約740nm)円形の薄いシート状となった。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、マイクロマシンは、表面に組み込まれている抗体の働きにより良好に細胞を捕捉できることが分かった。マイクロマシンに捕捉された細胞から周囲に分泌された活性酸素の量を測定したところ、フリーの状態の細胞に比べて70%減少することが分かった。また、薬剤結合マイクロマシンは、薬剤を周囲に放出することで、捕捉していないものの近くにある細胞についても活性酸素の生成を著しく抑制できることも分かった。

今回、天然素材で安全性の高いタンパク質を使って、高度な機能を備えたマイクロマシンを構築できることが実証されたため、タンパク質を使った安全・安心・高機能な医療用デバイスの開発が進むと期待される。今後は、炎症性サイトカインに結合する抗体などを組み込んで、潰瘍性大腸炎やクローン病などの炎症性疾患の治療に役立つタンパク質マイクロマシンを開発するという。また、今回開発した作製手法をバイオセンサーやウェアラブルデバイスなどのデバイス開発にも応用していくということだ。