抗菌性、生分解性を付与した 医療用生体適合性ポリ …...0 4 8 16 32 64 125 250...
TRANSCRIPT
1
抗菌性、生分解性を付与した 医療用生体適合性ポリマー
山形大学 大学院理工学研究科 機能高分子工学専攻
助教 福島 和樹
2
研究の背景
細菌感染症 … ガン患者や免疫力の低い幼児・高齢者で重症化
（院内感染，移植片・医療デバイスの汚染）
これまでの対策
耐性菌の出現
抗生物質
細菌
細菌の細胞機能に作用
抗生物質 （低分子化合物）
CDC report ‘Antibiotic Resistance Threats in the U.S. 2013’
一部は効かない 生き残る 増殖する 別の細菌の耐性化
耐性菌発現のメカニズム
抗生物質の限界
3
従来技術（１）とその問題点
抗菌ペプチド （両親媒性・カチオン性）
細菌
（細胞膜：負に帯電）
細菌の細胞膜を破壊 （溶菌）
抗菌ペプチド
生体由来で低毒性・分解吸収性 疎水性＋カチオン性残基を有する 静電相互作用による細胞の物理的破壊
（溶菌） → 耐性菌発現を抑制
＜課題＞
↙ 生産性・コスト ↙ プロテアーゼ耐性（生体内での持続性） ↙ 加工性（医療デバイスの表面処理など）
4
従来技術（２）とその問題点
カチオン性ポリマー
溶菌機構を示す 生産・加工性に優れる 分子構造の調節・修正が可能
＜課題＞
↙ 生体適合性・細胞毒性 ↙ タンパク質吸着 ↙ 分解吸収性
Tew et al. PNAS 2002, 99, 5110-5114.
n = 2, 3, or 8
Kuroda et al., JACS 2005, 127, 4128-4129.
Tiller et al., PNAS 2001, 98, 5981-5985.
P1
P2
P3
5
従来技術（３）とその問題点
含カチオン生分解性ポリマー
溶菌機構を示す 酵素分解性の主鎖骨格 低い溶血性（細胞毒性）
＜課題＞
↙ グラム陰性菌・真菌類への活性 ↙ タンパク質吸着 ↙ 生分解速度の制御
Nederberg et al., Nature Chem. 2011, 3, 409-414.
Yang et al., Macromolecules 2013, 46, 8797-8807. 疎水構造が必要
↔ 多すぎると溶血性*増加
P4
P5
（*溶血：赤血球の破壊）
6
新技術
抗菌性・血液適合性を付与した生分解性ポリマー
n m
生分解性・酵素分解性
脂肪族ポリカーボネート
→ 酸性分解物を生成しない
⇒ 分解による炎症は軽微
カチオン性側鎖
→ 抗菌活性
エーテル側鎖
→ 血液適合性 ⇒ 溶血性の低減
7
新技術の特徴（１）
1級アンモニウム型生分解性ポリマー
1級アンモニウム 表面電位
0
+
pH
親水・カチオン
疎水・中性
0
+
pH
pH依存性なし
4級アンモニウム
中性域のpHではカチオン濃度は4級アンモニウムより少
なく，脱プロトン化した一部は疎水基として作用する
表面電位
PC2PA
1級アンモニウムの側鎖
8
新技術の特徴（２）
1級アンモニウム型生分解性ポリマー
1 mm
PC2PA (32 µg/mL) 大腸菌
PC2PA
大腸菌を 所定濃度のポリマー水溶液で24時間処理
ポリマー
大腸菌
水溶性 → 抗生物質と同様に使用可
グラム陰性菌に有効
溶菌効果
→ 耐性菌にも有効
細胞の物理的破壊を確認
9
新技術の特徴（３）
1級アンモニウム型生分解性ポリマー
PC2PA
ポリマー
大腸菌
最小発育阻止濃度 (MIC) : 16 μg/mL
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 2 4 6 8 24 48
濁度
(λ =
59
5 n
m)
処理時間 (時間)
0 4 8 16 32 64 125 250 500
所定濃度のポリマー水溶液で，所定時間処理した後の 大腸菌溶液の濁度 ⇒ 大腸菌の生存・増殖の尺度
ポリマー水溶液の濃度（μg/mL）
P4: 効果なし
P5: 125 μg/mL
10
新技術の特徴（４）
血液適合性生分解性ポリマー
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
PET PCME PTMC
PET上の細胞数に対する細胞数
血小板
血管内皮
n
特開2014-161675
PET PCME
10 mm
PCME
血小板粘着を抑制 → 血球細胞には不活性
通常細胞は良好に接着 → 低細胞毒性
n
PTMC
PCME上での血小板粘着は軽微
PTMC 上 で は血小板は粘着する
11
新技術の特徴（５）
血液適合性生分解性ポリマー
n PCME
緩やかな酵素分解性
PCME
PTMC
12
新技術の特徴（６）
PC2PA-PCME (1:1) 共重合体
PC2PAと同程度の抗菌活性を維持 n m
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 2 4 6 8 24 48
濁度
(λ =
59
5 n
m)
処理時間 (時間)
0 4 8 16 32 64 125 250 500
MIC = 32 μg/mL (@48h) 16 μg/mL (@24h)
ポリマー水溶液の濃度（μg/mL）
13
新技術の特徴（７）
PC2PA-PCME (1:1) 共重合体（PC2PAM）
PC2PAよりも溶血性が低下
n m
0
20
40
60
80
100
0 250 500 750 1000 1250 1500
ヒト赤血球の溶血度
(%
)
ポリマー濃度 (μg/ml)
PEG PEI PC2PA PC2PAM
従来よりも高い 細胞選択性 (= HC50/MIC)
65.4 (PC2PA)
>93.8 (PC2PAM)
0.67 (PEI)
< 10 (P3), > 16 (P5) HC50：溶血度50%の時のポリマー濃度 細胞選択性：正常細胞と細菌細胞の選択性（＝安全性）
14
新技術の特徴（まとめ） 従来技術(2) 従来技術(3) 新技術
ポリマー P3 P4 PC2PAM
分解吸収性 × ○ ○
生産・加工性 ○ ○ ○
安定性 ○ ○ ○
抗菌活性
グラム陽性 ○ ○ ○
グラム陰性 ○ △ ○
真菌類 ー △ △
溶血性 高 低 低
細胞選択性** 低 低 高
**高い細胞選択性：正常細胞には不活性で大腸菌に高い抗菌活性を示す
15
想定される用途
n m
（溶液用途）
抗生物質を補完または代替する抗菌薬
ＰＥＩに代わる遺伝子デリバリー用担体
（バルク用途）
生体吸収性材料・組織工学材料の抗菌表面処理
n/m = 1.0 ~ 0.25 ⇒ 水溶性
n/m < 0.25 ⇒ 非水溶性
16
実現に向けた課題
• より複数種の細菌類への効果、耐性菌への効果、薬剤耐性の発現について、試験が必要。
• 非水溶系材料の表面抗菌性についてもデータを取得していく。
• 最良の細胞選択性を示す共重合比(n/m)、分子量などの分子構造のパラメータの最適化。
• 実用化に向けて、現行のin vitro実験からin vivo（動物実験）への移行も検討していく。
17
本技術に関する知的財産権
発明の名称 ：
抗菌性ポリマー及びその製造方法並びに用途
出願番号 ：特願2014-097237
出願人 ：山形大学
発明者 ：
福島和樹、田中賢、佐々木彩乃、佐藤千香子、岸昂平
（参考）特開2014-161675
発明の名称：抗血栓性材料としての生体親和性ポリマー
出願人：山形大学
発明者：田中賢、福島和樹、井上裕人
