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生体適合性金属ナノ材料の開発及びその医療応用に関する研究
呉工業高等専門学校自然科学系分野准教授 田中慎一
2018年 1月11日
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新しい医療診断技術や生体１分子計測へ向けた新規蛍光ナノプローブの開発
『sub nm』サイズ、『高輝度』でかつ『細胞無毒』な蛍光性白金ナノクラスターの開発
研究目的
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Energy
Au atom Au8 nanocluster
Au particle
1.4 Å2.7 Å
10~100 nm
ΔEg
Jelliumのモデルより求められた金ナノククラスターの分子軌道モデル
量子化された電子状態を持つため蛍光特性を持つことが期待される。
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Au5
Au8Au13
Au23
Au31Au5
Au8
Au13
Au nanocluster
R. M. Dickson et al., Annu. Rev. Phys. Chem. 2007
Au nanocluster
Au5 Au8 Au13
2 Å
Au atom
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W. Wei et al., JACS 2011 133 2060-2063
Cu nanocluster
R. M. Dickson et al, JACS 2008 130 5038
470 nm 520 nm 570 nm
620 nm 720 nm
R. M. Dickson et al., PNAS 2007 104 12616
Ag nanocluster
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-光学特性：蛍光波長が構成原子数（分子サイズ）に依存（量子サイズ効果）幅広い蛍光波長
-高光安定性：退色が少ない。
-小さい分子サイズ（< 1 nm）：立体障害が少ない。
-生物学的性質：低い細胞毒性
-電子顕微鏡でも観察可能
金属（Au、Ag、Cu）ナノクラスターの特徴
光学顕微鏡で、観察したい生体高分子の実時間計測を実施するだけでなく、電子顕微鏡観察によって分子レベルで細胞内の生体高分子の分布と
生体分子会合体の分子構造の解析が可能となる。
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Catalytic performance
Fluorescent property
Pt nanocluster
高い化学的安定性や生体適合性を持つ白金ナノクラスターも蛍光特性を示す。
金ナノクラスターと併用することで、生細胞や生体内での異種類の生体反応を同時に観察できる。
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（１） 運動能の獲得
（２）癌細胞の浸潤
血流に乗って移動
血管壁に接着
（３）癌の転移（新たな癌組織の形成）PAR1
癌細胞
血管
白金ナノクラスター
MMP1
金ナノクラスター
癌転移機構の解明
癌組織
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NaBH4（Reduction）
Platinum ion
PAMAM (G4-OH)
Dendrimer Pt nanocluster
Synthesis of Pt nanocluster
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Ligand exchange of Pt nanocluster
PAMAM (G4-OH)
Pt nanocluster
Ligand
Exchange
( MAA )
COOHHS
COOHS
CO
OH
S
COOH S
CO
OH
S
(MAA)- Pt nanocluster
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Electronspray ionization (ESI) mass spectrometry
Pt5(MAA)8
COOHS
CO
OH
S
COOH S
CO
OH
S
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Fluorescent spectrum and lifetime
PAMAM (G4-OH)
Pt nanocluster
PAMAM (G4-OH)
Pt nanocluster
・白金ナノクラスター (470 nm, 8.8 ± 0.5 nsec)の蛍光波長と蛍光寿命はPAMAM (G4-OH) (450
nm, 6.3 ± 0.5 nsec)とは異なっていた。
・量子収率：１８ ％
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Preparation of Pt nanocluster bio-imaging probes
COOHS
CO
OH
S
COOH S
CO
OH
S
(MAA)- Pt nanocluster
Protein A
EDC/Sulfo-NHS
NH2
anti-CXCR4-Ab
T. Jin, S. Tanaka et. al., Molecular Biosystems, 6 (2010)
2325-2331
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Fluorescent image merged with DIC image
HeLa Cell
with Pt nanocluster without Pt nanocluster
20 um 20 um
S. Tanaka et. al., Angewandte Chemie International Edition 50
431 (2011)
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Cell viability test of Pt nanoclusters
S. Tanaka, J. Miyazaki, D. K. Tiwari, T. Jin and Y. Inouye,
Angew. Chem. Int. Ed. 50 431(2011)
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生体適合性金属ナノプローブの合成
生体適合性分子プローブ・近赤外蛍光性：生体内の深部でも観察可能・低細胞毒性：長時間の観察・分子サイズが小さい：生体分子機構を阻害しない
よりサイズの大きい（構成原子数の多い）金属ナノクラスターの開発
in vivo imaging Cancer tissue
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NaBH4（Reduction）
Platinum ion
PAMAM (G4-OH)
Dendrimer Pt nanocluster
Synthesis of Pt nanocluster
より多くの金属イオンをPAMAM (G4-OH) Dendrimer 中に取り込ませる。
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還元反応前に低温で反応させ、PAMAM (G4-OH) Dendrimer のアミノ基へ金属イオンを配位させる。
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Ligand-to-metal charge transfer (LMCT) (250 nm) を測定して、PAMAM
(G4-OH)とPt ionとの配位結合の形成を評価する。
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Reduction
Pt(IV) Pt(II)
Pt ionsとPAMAM (G4-OH)との錯体形成は反応開始後24時間で最大となる。
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Reduction
Citric acid
Pt nanocluster
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Purification of Pt nanoclusters with HPLC
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20001000 40003000m/z
2353.22
ESI mass spectrum
The peak, m/z=2353.22, is assigned
to [Pt8L8+3Na+4H]- (L = C2H2O2S),
and shows Pt nanoclusters consist
of eight platinum atoms.
Fluorescence lifetime
The fluorescence lifetime of Pt8nanoclusters was obtained by
single exponential fitting (6.5 ±0.5 ns). The absolute QY of
synthesized Pt nano-clusters is
28 %.
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Fluorescent image merged with DIC image
HeLa Cell
with Pt cluster without Pt cluster
20 um
20 um
S. Tanaka, K. Aoki, A. Muratsugu, H. Ishitobi, T. Jin and Y.
Inouye
Opt. Matel. Express. 3 157 (2013)
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Fabrication of red-emitting Pt nanoclusters
The synthesized Pt nanoclusters emitted red luminescence with
an
emission peak at 630 nm.
Pt nanocluster
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明視野像 蛍光像
SK-BR-3 Cell
20 um
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STEM Image
Hitachi Spherical Aberration
Corrected STEM HD-2700
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白金ナノクラスターを脚と後背部の皮下に導入したモデルマウス
in vivoイメージング
チューブ内における近赤外蛍光性白金ナノクラスターの発光
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蛍光性白金ナノクラスターの特徴
（１）細胞毒性が低い
（２）高い量子収率
（３）構成原子数を制御することで青色（470 nm）～近赤外（750
nm）の蛍光特性を持つ金属ナノクラスターを実現した。
（４）化学的に安定：退色が少ない
（５）電子顕微鏡でも観察可能であるため、電顕・蛍光分子プローブとして応用可能。
まとめ
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本技術に関する知的財産権
発明の名称：白金ナノ粒子含有組成物、白金ナノ粒子、及び
それらの製造方法
出 願 番 号：特願2015-114261
出 願 人：独立行政法人国立高等専門学校機構
発 明 者：田中慎一
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自然科学系分野 准教授
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ＴＥＬ 0823-73-8433
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