国立先进工业科学技术研究所 [主席：石村和彦]（以下简称“AIST”）纳米材料研究部[研究主任：原繁树]纳米生物材料应用小组 Maki Nakamura，CNT 功能控制小组首席研究员 汤田正子，国立大学法人信州大学客座研究员 [滨田校长]国家宏]（以下简称“信州大学”）与跨学科研究小组生物医学研究所所长 Naoto Saito 合作，破骨细胞抑制剂的纳米复合材料。已证实联合治疗可提高药物疗效，有望用于治疗转移性骨肿瘤。
在患有转移性骨肿瘤的患者中，抑制破骨细胞增殖有望通过减少骨质破坏和减轻疼痛来改善患者的生活质量 (QOL)。这次，为了增强破骨细胞抑制剂伊班膦酸钠的效果，碳纳米角和磷酸钙复合的破骨细胞抑制剂（纳米复合材料）。这种纳米复合材料以比单独使用伊班膦酸盐更低的剂量抑制破骨细胞增殖。这种纳米复合材料预计将有助于开发转移性骨肿瘤的新疗法，提高伊班膦酸盐的疗效。
这项技术的详细信息将于2021年1月7日（美国东部标准时间）发表在美国化学会期刊上ACS 应用材料与界面
含有破骨细胞抑制剂的纳米复合材料示意图（左上），电子显微照片（左下），破骨细胞的预期作用（右）
健康的骨骼是通过生成骨骼的成骨细胞和溶解和吸收骨骼（骨吸收）的破骨细胞的平衡功能来维持的。另一方面，当癌细胞到达骨骼增殖并形成转移性骨肿瘤时，破骨细胞被激活，骨吸收进展，使骨骼变脆，引起骨折和剧烈疼痛，显着降低患者的生活质量。此外，导致癌症生长的蛋白质从骨折的骨头中释放出来，癌症就会进展。是一种破骨细胞抑制剂二磷酸盐强烈吸附在骨表面，并与骨成分一起被破骨细胞吸收，诱导细胞死亡。当破骨细胞减少时，骨吸收就会受到抑制，这有望减少骨质破坏和疼痛，并抑制癌细胞生长。然而，由于双膦酸盐是静脉内给药，因此有报道称由于体循环而产生严重的副作用，并且少量的双膦酸盐是有效的。药物输送系统的实际应用是所期望的。
在AIST，我们相信碳纳米角聚集体具有直径约100 nm的球形结构和高吸附物质的能力，可用作药物递送系统的药物载体，并且迄今为止已经开发了适用于药物递送系统的碳纳米角的表面改性技术和药物缀合技术。2008 年 9 月 23 日，AIST 新闻稿）。此外，我们认为纳米至亚微米尺寸的磷酸钙颗粒是骨的主要无机成分，具有优异的生物相容性，可用作药物载体，并开发了一种与药物、抗菌剂等复合颗粒的生产技术。(2016年11月18日，AIST主要研究成果）。同时，信州大学一直在使用碳纳米管等纳米碳材料进行破骨细胞抑制剂的研究和开发（2014 年 4 月 18 日，信州大学新闻稿）。
这一次，我们的目标是通过使用碳纳米角作为药物载体并将其与双膦酸盐结合来提高疗效并减少副作用。
这项研究和开发是在日本学术振兴会科学研究（A）“在空间和时间上控制癌症转移的骨环境的生物活性添加碳的开发和安全性评估（2017-2021）”，研究主任齐藤直人（信州大学）的挑战研究（探索性）“针对转移的功能性纳米碳颗粒的创建”的指导下进行的骨肿瘤治疗（2021-2022）”，研究代表 Maki Nakamura (AIST)。
这次，我们使用碳纳米角聚集体作为药物载体，其毒性低，适合破骨细胞摄取。我们应用产业技术研究院的碳纳米角表面修饰/药物结合技术和磷酸钙复合粒子制造技术，通过磷酸钙将碳纳米角与二膦酸盐的一种伊班膦酸盐结合起来，制造出封装破骨细胞抑制剂的纳米复合材料（纳米复合材料）。伊班膦酸盐不具有强疏水基团，很难吸附于高度疏水性的碳纳米角，并且不能与碳纳米角直接缀合。因此，结合是通过磷酸钙介导实现的，磷酸钙对伊班膦酸盐具有高亲和力。通过将碳纳米角和伊班膦酸盐添加到作为磷酸钙原料的离子水溶液（由钙离子、磷酸根离子等组成）中，可以获得由碳纳米角、伊班膦酸盐和磷酸钙三种成分组成的封装破骨细胞抑制剂的纳米复合材料。图 1 显示了纳米复合材料的电子显微照片和元素分布。
图1 扫描电子显微照片（左）、透射电子显微照片（中）以及碳（C，绿色）和钙（Ca，粉色）（右）的元素分布
信州大学培养了作为破骨细胞模型的细胞，并向其中添加了新开发的纳米复合材料分散体，以评估纳米复合材料对细胞的影响。大量纳米复合材料被细胞吸收，表现出细胞抑制作用，降低细胞存活率（图2，红色）。由于即使单独添加碳纳米角或伊班膦酸盐，其浓度与所添加的纳米复合材料大致相同（图2，绿色和蓝色），也没有观察到细胞抑制效果，因此可以说，通过组合增加了伊班膦酸盐的破骨细胞抑制效果。纳米复合物进入细胞溶酶体（图3左）。溶酶体内部保持微酸性，随着环境从中性变为微酸性，溶解度增加的磷酸钙逐渐溶解在溶酶体内，释放出伊班膦酸盐（图3中），这被认为会导致破骨细胞死亡（图3右）。因此，如果将新开发的纳米复合材料局部给予转移性骨肿瘤部位，就会被癌细胞激活的破骨细胞主动摄取，预计少量的伊班膦酸盐就能有效抑制破骨细胞，也有望减少全身副作用，因此有望应用于转移性骨肿瘤的治疗。
图2 添加含破骨细胞抑制剂的纳米复合物、碳纳米角和伊班膦酸钠后48小时的细胞活力（以未添加样品的系统（灰色）为100%计算）
图3破骨细胞摄取的含破骨细胞抑制剂的纳米复合材料的预期细胞内行为的示意图
未来我们会通过动物实验等来验证效果，并在验证的基础上，进一步优化含破骨细胞抑制剂的纳米复合材料的结构和组成，对其进行改进，使其能够更有效地被破骨细胞摄取，同时也会考虑使用双膦酸盐的类型，以提高其功效，瞄准临床应用。
论文标题：使用磷酸钙作为介体制备的负载伊班膦酸盐的碳纳米角及其对巨噬细胞和破骨细胞的影响
作者：Maki Nakamura、Katsuya Ueda、Yumiko Yamamoto、Kaoru Aoki、Minfang 张、Naoto Saito、Masako Yudasaka
杂志名称：ACS 应用材料与界面
DOI：https://dxdoiorg/101021/acsami0c20923