細胞膜の膜組成を模倣した人工細胞膜リポソームの構築

真核細胞膜のリン脂質二重膜の組成は、内膜と外膜で異なるリン脂質から構成されたリン脂質組成非対称膜になっております。古典的なリポソーム作製法ではリン脂質を混和して作製するため、リン脂質組成非対称膜をもったリポソーム作製は困難です。近年、マイクロデバイスの利用によるリン脂質非対称膜リポソーム作製法が考案されていますが、リポソームの安定性の面で問題があります。

そこで、マイクロデバイス内で平面のリン脂質非対称膜を作製し、この平面リン脂質非対称膜にジェット水流を印加することにより、シャボン玉のようにリポソームを形成する方法を考案しました [1]。安定なリン脂質非対称膜リポソームであるため、リン脂質非対称膜上でリン脂質の分子運動や膜タンパク質の取込み挙動の観察に成功しています。さらに、多種類のリン脂質非対称膜リポソームが作製できるデバイスの作製にも成功しています [2]。

[1] Kamiya et al., Nature Chemistry Vol. 8 (2016) pp.881-889.
[2] Gotanda and Kamiya et al., Sensors and Actuators B: Chemical Vol. 261 (2018) pp.392-397
神谷ら、生物物理　(2018) Vol.58 No.6 pp.291-296.
神谷ら、生化学 (2018) Vol.90, pp.225-229.

膜タンパク質の機能解析と工学的利用

細胞膜に存在しているタンパク質を膜タンパク質といいます。膜タンパク質は、細胞内外の物質輸送やシグナル伝達等の細胞に重要な機能を司っています。膜タンパク質は創薬のターゲットとして有望なため、膜タンパク質の機能解析研究が進められています。リポソームに膜タンパク質を再構成したプロテオリポソームによる膜タンパク質の機能解析は、精製された単一種類の膜タンパク質自身の素反応を詳細に解析可能です。プロテオリポソームは、膜タンパク質を発現させた細胞を破砕し様々なステップを経て作製されます。

バキュロウイルスの膜融合能を利用したプロテオリポソーム作製法を確立し、アドレナリンレセプター[1]、コネキシン[2]、カドヘリン[3] 等の膜タンパク質の機能観察に成功しています。特に、カドヘリンリポソームは、ガン細胞に特異的に結合し、カドヘリンリポソームは効率的に細胞内へ取り込まれることを発見しました。これは、膜タンパク質を利用した新しいドラッグデリバリーシステム(DDS)が構築可能となります。

細胞小器官に発現しているイオンチャネルを含む粗精製膜画分を用いたイオンチャネルの機能計測にも成功しています[4]。

[1] Kamiya et al., Biochimica et Biophysica Acta – Biomembranes Vol. 1798 (2010) pp. 1625-1631.
[2] Kamiya et al., Biotechnology and bioengineering, Vol. 107 (2010) pp. 836-843.
[3] Kamiya et al., Biomaterials, Vol. 32 (2011) pp.9899-9907.
[4] Kamiya et al., Scientific Reports, Vol. 8 (2018) 17498.

化学・生物学分野へ応用するマイクロデバイスの開発

微細加工技術を用いることによりマイクロサイズの微小流路を作成することが可能です。微小流路は、体積よりも表面積の効果が支配的になるので、反応や温度制御を迅速に正確に行うことができます。近年、化学や生物分野の研究で広く用いられている技術です。

対数濃度勾配を作成可能なマイクロデバイスを考案し、膜タンパク質の薬物阻害曲線を簡便に作成することが可能になりました[1]。静水圧を利用して、細胞を任意の順番や形状で並べるデバイスを考案しています[2]。このデバイスは、空間的に細胞を制御した状態で細胞間相互作用が観察でき、詳細な細胞間相互作用の理解が可能になります。

リン脂質組成非対称膜リポソームの作成においてもマイクロデバイスを利用しています。

[1] Abe and Kamiya et al., Analyst, Vol. 140 (2015) pp.5557-5562.
[2] Kamiya et al., Advanced Healthcare Materials, Vol.7（2018）1701208.