国立产业技术综合研究所［理事长中钵良二］（以下简称“AIST”）纳米材料研究部［研究部部长佐佐木刚］生物医学研究部首席研究员宫子英二郎［研究部部长大宫胜宏］研究小组组长土井元通，公立大学法人大阪府立大学［主席兼校长辻］［博］与研究生院河野健二教授合作工程学院，利用光产生热量是可能的碳纳米管 (CNT)以及在特定温度下释放封装分子的温度敏感性脂质体线虫秀丽隐杆线虫可以控制体内细胞功能的分子复合物 (纳米机器人) 已开发。
这一进展使得远程控制活体细胞表面的特定蛋白质成为可能。它还有望成为在分子和细胞水平上阐明病理机制并开发新疗法的工具。
有关这项研究的详细信息，请参阅德国化学杂志应用化学国际版2015年7月4日（日本时间）。
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(a) 由碳纳米管和脂质体制成的纳米机器人的概念图和 (b) 纳米机器人的电子显微照片
白色箭头表示脂质体，红色箭头表示CNT
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纳米技术，允许分子在纳米尺度上按需要排列和排列（1纳米是十亿分之一米），是整个科学技术的一个重要主题。近年来，由规则组装和组织的分子构成的具有先进功能的纳米机器人备受关注。特别是在癌症和免疫疾病等医学领域，需要尽快实现在生物环境中发挥高效功能的创新纳米机器人。
产业技术研究院正在研究利用近红外激光容易发热的纳米碳材料的特性（光加热特性)，目前我们已经开发出一种可以在体内发电的光热发电装置(2011 年 10 月 27 日 AIST 新闻稿)，在体内产生靶向生理活性物质的基因表达控制技术(2012 年 4 月 24 日 AIST 新闻稿)，一种模仿生物功能的新型分子传输系统 (2012 年 11 月 28 日 AIST 新闻稿)，利用光能控制活细胞的技术(2014 年 10 月 27 日 AIST 新闻稿)等正在开发中。这次，我们致力于开发一种分子复合物，可以通过在分子水平上结合碳纳米管和脂质体来控制细胞功能。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金“挑战探索性研究（2015）”和“年轻研究（A）（2013-2014）”以及新一代研究所2014年研究补助金的支持。
如果您尝试将碳纳米管按原样分散在水中，它们会由于强烈的分子间相互作用而聚集成束或颗粒。产业技术研究院正在根据用途进行研究开发，以提高CNT的分散性。亲和素、聚乙二醇 (PEG)、磷脂 (PL)（亲和素-PEG-PL）被涂覆在单壁碳纳米管（SWCNT）的表面并分散在水中。另一方面，为了赋予脂质体温度敏感性（42℃左右结构变化），各种磷脂和胆固醇的量，可以与亲和素生物素被附着在表面上。然后，利用抗生物素蛋白和生物素的结合自组织创建了由碳纳米管和脂质体组成的分子复合物。 （概念图）。这种分子复合体对应的是“纳米机器人”，可以比作纳米级的机器人，当它受到近红外区域的光能时，就会释放出它所含有的分子（比如药物），而这种药物可以控制细胞功能。
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图1 纳米机器人控制细胞功能的概念图(a)和线虫运动抑制效果(b)
比例尺：50 μm |
我们使用由约1000个细胞组成的线虫验证了新开发的纳米机器人的运动抑制效果，该纳米机器人是碳纳米管和脂质体的复合分子体（图1（a））。温度敏感脂质体是钠通道抑制剂阿米洛利分散在水溶液中并置于线虫体内显微注射器注入近红外激光（波长808 nm）对阿米洛利敏感钠通道当存在时，快速移动的线虫逐渐减慢并最终完全停止移动（图1（b））。这被认为是因为当近红外激光照射时，碳纳米管的光热特性导致碳纳米管附近的温度迅速升高，改变了温度敏感脂质体的结构，释放出内部的阿米洛利，抑制了线虫阿米洛利敏感通道蛋白。此外，当仅注射含有阿米洛利的温度敏感脂质体时，即使用近红外激光照射，也没有发生阿米洛利释放或线虫运动障碍。
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| 图2 纳米机器人的细胞毒性(a) 和生物相容性(b) |
接下来，人宫颈上皮样癌细胞（HeLa 细胞）评估了新开发的纳米机器人的细胞毒性和生物相容性。和线虫。首先，将分散有纳米机器人、碳纳米管和脂质体的三种培养液给予HeLa细胞。WST-1 方法4 小时和 24 小时后测量活 HeLa 细胞的百分比（图2（a））。结果，在任何情况下都没有观察到由于施用而导致的细胞存活率降低。此外，当将这些物质注入线虫体内并在线虫生命周期中进行超过5天的生物相容性评估（生存力和繁殖力的判断）时，在所有测试中纳米机器人和脂质体对线虫的影响都极小（图2（b））。此外，当将CNT单独施用到线虫体内时，线虫存活率为60％，这被认为是CNT被视为线虫体内的异物的正常生物反应，并且表明与CNT表面结合的脂质体进一步提高了生物相容性。
未来，我希望应用这项技术来开发研究工具，通过检查仅存在于活组织非常有限区域的个体细胞功能，在分子和细胞水平上阐明病理状况，例如癌症和免疫疾病。另一方面，纳米材料对生物体的健康影响尚不清楚，因此我们将继续评估使用碳纳米管生产的各种物质的细胞毒性和生物相容性，旨在开发可以在生物体中安全可靠使用的材料和系统。