JP2008189784A - Stimulus-responsive protein nanoparticles - Google Patents
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Abstract
【課題】架橋化されたタンパク質構造体を含む、刺激応答性架橋化タンパク質ミセルの提供。
【解決手段】構造体を構成するタンパク質は、好ましくはアスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基、及びリジン残基を有し;かつ架橋化は、好ましくはアスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基の-COOH基とリジン残基又はN末の-NH2基との縮合反応により形成されるものである。用いられるタンパク質の特に好ましい例は、β-カゼインである。本発明の架橋化タンパク質ミセルは、特定の温度を境に低温側では溶解、高温側では不溶化を起こす固有の下限臨界溶液温度(LCST: lower critical solution temperature)を有する。本発明の刺激応答性架橋化タンパク質ミセルは、生物分離、バイオセンシング、固定化酵素、ドラッグデリバリーシステムにおける応用が期待される。
【選択図】なしA stimulus-responsive cross-linked protein micelle comprising a cross-linked protein structure is provided.
The protein constituting the structure preferably has an aspartic acid or glutamic acid residue, and a lysine residue; and the cross-linking is preferably a -COOH group of the aspartic acid or glutamic acid residue And a lysine residue or an N-terminal -NH 2 group. A particularly preferred example of the protein used is β-casein. The cross-linked protein micelle of the present invention has an inherent lower critical solution temperature (LCST) that dissolves on the low temperature side and insolubilizes on the high temperature side at a specific temperature. The stimuli-responsive crosslinked protein micelle of the present invention is expected to be applied in biological separation, biosensing, immobilized enzyme, and drug delivery system.
[Selection figure] None
Description
本発明は、架橋化されたタンパク質構造体を含む、刺激応答性架橋化タンパク質ミセルに関する。本発明の架橋化タンパク質ミセルは、特定の温度を境に低温側では溶解、高温側では不溶化を起こす固有の下限臨界溶液温度(LCST: lower critical solution temperature)を有する。本発明の刺激応答性架橋化タンパク質ミセルは、生物分離、バイオセンシング、固定化酵素、ドラッグデリバリーシステムにおける応用が期待される。 The present invention relates to a stimulus-responsive crosslinked protein micelle comprising a crosslinked protein structure. The cross-linked protein micelle of the present invention has an inherent lower critical solution temperature (LCST) that dissolves on the low temperature side and insolubilizes on the high temperature side at a specific temperature. The stimuli-responsive crosslinked protein micelle of the present invention is expected to be applied in biological separation, biosensing, immobilized enzyme, and drug delivery system.
近年、材料の特性をナノスケールで利用する新しいバイオテクノロジー(ナノバイオテクノロジー)分野の研究が活発化している。この分野では、高分子やペプチドの組成や配列を設計することでその配列もしくは組成特有の自己組織化能を付加することで、それらの自己組織化から成るナノスケールの構造体をボトムアップ型で創製する研究が盛んに行われている。 In recent years, research in a new biotechnology (nanobiotechnology) field that utilizes the properties of materials on a nanoscale has become active. In this field, by designing the composition and arrangement of macromolecules and peptides, and adding the self-organization ability peculiar to the arrangement or composition, a nanoscale structure consisting of these self-organizations is bottom-up. Research to create is actively conducted.
中でも、温度や電気、光化学的刺激などの外部刺激に対して何らかの応答を示すナノ構造体はインテリジェント材料として注目を浴びており、カプセル化やドラッグデリバリー、ナノ又はマイクロサイズの反応器などへの応用が期待されている。温度やpH 等の外部刺激に応答する生体適合性材料として、例えばポリ-N-イソプロピルアクリルアミド(PNIPAAm)が知られている(特許文献1)。PNIPAAm は水溶液の温度変化により溶解性が不連続かつ可逆的に変化する(温度応答性高分子)。また、Elastin-Like Protein(ELP)(非特許文献1)という温度応答性タンパク質が注目され、その温度応答性を利用した研究が進められている。例えば、遺伝子組み換え技術を利用して、ELPの温度応答性を示すペプチド配列を遺伝子組み換え操作により異種タンパク質に組み込むことことにより、様々な応用が検討されている。 Above all, nanostructures that exhibit some kind of response to external stimuli such as temperature, electricity, and photochemical stimuli are attracting attention as intelligent materials, and are applied to encapsulation, drug delivery, nano or micro size reactors, etc. Is expected. For example, poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAAm) is known as a biocompatible material that responds to external stimuli such as temperature and pH (Patent Document 1). The solubility of PNIPAAm changes discontinuously and reversibly with temperature change of the aqueous solution (temperature-responsive polymer). In addition, a temperature-responsive protein called Elastin-Like Protein (ELP) (Non-patent Document 1) has attracted attention, and research utilizing the temperature responsiveness has been underway. For example, various applications have been studied by incorporating peptide sequences exhibiting ELP temperature responsiveness into heterologous proteins by genetic recombination using genetic recombination techniques.
また、ナノサイズの高分子微粒子に三次元網目架橋を施すことで得られる高分子ゲル微粒子(ナノゲル)が生命科学やバイオナノテクノロジー分野で注目されている。ナノゲルは、高分子と比べて分解に対する抵抗性があり、ゲルマトリクス内への物質の取り込みが可能であり、またサイズが薬物運搬体のサイズとして適しているなどの特徴を有しているため、ドラックデリバリーシステムへの応用等が期待されている。例えば、カルボキシル基やアミノ基を有するブロックコポリマーが形成するミセルをジアミンとEDC又はグルタルアルデヒドで架橋化したナノ粒子が報告されている(非特許文献2)。この粒子は膨潤度に対する応答性があると言及されている。また、ブロックコポリマーをCa2+イオンでコアを作ってミセル化し、これをジアミンとEDCで架橋化してナノ粒子を作った報告がされている(非特許文献3)。この粒子は、pHに応答して膨潤挙動が変化するため、DDSへの使用可能性が考察されている。さらに、金ナノ粒子をコアにして、その表面をポリアクリル酸誘導体ポリマーでコーティングしたものを、ジアミンでEDCを使って表面架橋したものが報告されている(非特許文献4)。 In addition, polymer gel fine particles (nanogels) obtained by subjecting nanosize polymer fine particles to three-dimensional network crosslinking are attracting attention in the fields of life science and bio-nanotechnology. Nanogels are more resistant to degradation than macromolecules, can incorporate substances into the gel matrix, and have features such as the size being suitable as the size of the drug carrier, Application to drug delivery systems is expected. For example, nanoparticles in which micelles formed by a block copolymer having a carboxyl group or an amino group are crosslinked with diamine and EDC or glutaraldehyde have been reported (Non-patent Document 2). The particles are said to be responsive to swelling. In addition, it has been reported that block copolymers are made into micelles with Ca 2+ ions to form micelles, and then crosslinked with diamine and EDC to produce nanoparticles (Non-patent Document 3). Since the swelling behavior of these particles changes in response to pH, the possibility of use in DDS is considered. Furthermore, a material in which a gold nanoparticle is used as a core and the surface thereof is coated with a polyacrylic acid derivative polymer is surface-crosslinked with diamine using EDC (Non-patent Document 4).
一方、カゼインは乳タンパク質の主要なリンタンパク質であり、αs1-、αs2-、β-、κ-カゼインと呼ばれる4 種類のカゼイン成分から構成されている。これらのカゼイン成分はそれぞれ単独では特定の高次構造をもたないが、その高い両親媒性、高い界面活性から、水中でその濃度や環境に応じて独自の分子集合体を形成することが知られている(非特許文献a)。すなわち、カゼインは柔軟性の高いミセル様の形態をとっている。カゼインは、天然に豊富に存在する安価なタンパク質でもある。本発明者らは、カゼインにより形成されるミセル構造を化学的手法により共有結合的に架橋化することでナノスケールのタンパク質構造体を調製することを試みた。この手法によれば、合成高分子や合成ペプチドを必要としないことから、既往のナノ材料に比べ、極めて簡便に、短時間に、且つ安価にナノ粒子を調製することができるので、実用的な応用も期待できると思われる。本発明者らは、カゼインミセルをトランスグルタミナーゼで酵素架橋するとナノ粒子が調製できることについて報告した(特許文献2)
上述したナノ粒子は、いずれも熱応答性を示すものではない。
本発明者らは、今回、β-カゼインにより形成されるミセル構造を、水溶性カルボジイミド(WSC)溶液を用いて化学的に架橋化することにより、ナノスケールのタンパク質構造体得た。そして、その機能評価を行ったところ、架橋化β-カゼインミセルは、温度やpHといった外部因子に対する応答性を示すことを見いだし、本発明を完成した。
None of the nanoparticles described above exhibit thermal responsiveness.
The present inventors have now obtained a nanoscale protein structure by chemically crosslinking the micelle structure formed by β-casein using a water-soluble carbodiimide (WSC) solution. As a result of functional evaluation, it was found that the cross-linked β-casein micelle exhibits responsiveness to external factors such as temperature and pH, and the present invention has been completed.
[架橋化タンパク質ミセル]
本発明は、以下を提供する:
1) 架橋化されたタンパク質構造体を含む、刺激応答性架橋化タンパク質ミセル。
2) 構造体を構成するタンパク質が、アスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基、及びリジン残基又はN末の-NH2基を有し;かつ架橋化が、アスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基の-COOH基とリジン残基又はN末の-NH2基との縮合反応により形成されるものである、上記1)に記載の架橋化タンパク質ミセル。
3) タンパク質が、β-カゼインである、上記2)に記載の架橋化タンパク質ミセル。
4) 上記1)〜3)のいずれか1に記載の架橋化タンパク質ミセルの表面が修飾されている、修飾架橋化タンパク質ミセル。
[Crosslinked protein micelle]
The present invention provides the following:
1) A stimuli-responsive crosslinked protein micelle comprising a crosslinked protein structure.
2) The protein constituting the structure has an aspartic acid residue or glutamic acid residue, and a lysine residue or an N-terminal -NH 2 group; and the cross-linking is an aspartic acid residue or a glutamic acid residue- The cross-linked protein micelle according to 1) above, which is formed by a condensation reaction between a COOH group and a lysine residue or an N-terminal -NH 2 group.
3) The crosslinked protein micelle according to 2) above, wherein the protein is β-casein.
4) A modified crosslinked protein micelle, wherein the surface of the crosslinked protein micelle according to any one of 1) to 3) above is modified.
本発明の架橋化タンパク質ミセル(本明細書中では、本発明の「ナノ粒子」ということもある。)は、適当な溶媒中でミセル形成可能な両親媒性のタンパク質を素材とし、ミセルを構成するタンパク質同士が架橋化された構造を有する。素材として用いることができるタンパク質は、ミセル形成可能であり、かつ適切な方法でミセルを構成するタンパク質同士を架橋化することができるものであれば、特に限定されないが、架橋化を容易に行うことができ、また得られる架橋化タンパク質ミセルに後述する刺激応答性を充分にもたせることができるとの観点からは、フリーの-COOH基及び-NH2基を有するタンパク質、例えば、アスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基、及びリジン残基又はN末-NH2基(α-アミノ基)を有するタンパク質を用いることが好ましい。このようなタンパク質を用いる場合、架橋は、-COOH基と-NH2基との縮合反応により形成することができる。 The crosslinked protein micelle of the present invention (in the present specification, sometimes referred to as “nanoparticle” of the present invention) is composed of an amphipathic protein capable of forming micelles in a suitable solvent as a material. Proteins that are cross-linked. The protein that can be used as a material is not particularly limited as long as it can form micelles and can crosslink proteins that constitute micelles by an appropriate method. From the viewpoint that the obtained crosslinked protein micelle can have sufficient stimulus responsiveness described later, a protein having a free —COOH group and —NH 2 group, for example, an aspartic acid residue or It is preferable to use a protein having a glutamic acid residue and a lysine residue or an N-terminal —NH 2 group (α-amino group). When such a protein is used, the cross-linking can be formed by a condensation reaction between a —COOH group and a —NH 2 group.
本発明に用いることのできるタンパク質の例として、カゼインを挙げることができる。β-カゼインは、形成するミセルが、他のカゼイン成分に比べ最も単分散性が高いことから、特に好ましい例である。β-カゼインは1分子中に4個のアスパラギン酸残基(-COOH基)と19個のグルタミン酸残基(-COOH基)、そして11個のリジン残基(-NH2基)とN末のα-アミノ基を有しており、WSC(水溶性カルボジイミド、化学名:1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド)溶液を用いることでβ-カゼインミセルを架橋化することが可能である。 An example of a protein that can be used in the present invention is casein. β-casein is a particularly preferred example because the micelles that are formed have the highest monodispersity compared to other casein components. β-casein consists of 4 aspartic acid residues (-COOH group), 19 glutamic acid residues (-COOH group), 11 lysine residues (-NH 2 group) and N-terminal in one molecule. It has an α-amino group, and β-casein micelles can be crosslinked by using WSC (water-soluble carbodiimide, chemical name: 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) solution. It is.
本発明により得られる架橋化β-カゼインミセルは、ほぼ球状である。架橋化β-カゼインミセルの粒径は、5〜100nm(例えば10〜30nm)とすることができ、通常のβ-カゼインミセルの粒径(15〜20nm)とほぼ同じとすることができる。 The cross-linked β-casein micelle obtained by the present invention is almost spherical. The particle diameter of the crosslinked β-casein micelle can be 5 to 100 nm (for example, 10 to 30 nm), and can be almost the same as the particle diameter (15 to 20 nm) of normal β-casein micelle.
本発明の架橋化タンパク質ミセルの粒径の測定には、当業者には良く知られた手法を用いることができ、例えば、動的光散乱光度計(DLS)、原子間力顕微鏡(AMF)観察により、測定することができる。本明細書でミセルの粒径を示す場合は、特別な場合を除き、DLSによる散乱強度から求めた平均値を示す。 For the measurement of the particle size of the crosslinked protein micelle of the present invention, a technique well known to those skilled in the art can be used. For example, observation using a dynamic light scattering photometer (DLS) or atomic force microscope (AMF) Can be measured. In the present specification, when the particle size of micelles is indicated, an average value obtained from the scattering intensity by DLS is indicated unless otherwise specified.
本発明の架橋化β-カゼインミセルにおいては、通常、アミノ基の30〜98%が架橋化されている。架橋化の程度は、後述する架橋化反応において、用いる架橋化剤の濃度により、調製することができる。例えば、25 mM WSCにより架橋化したβ-カゼインミセルの場合では20〜40%、250 mM WSCで架橋化したβ-カゼインミセルの場合では50〜70%のアミノ基を架橋化することができる。 In the crosslinked β-casein micelle of the present invention, usually 30 to 98% of the amino groups are crosslinked. The degree of crosslinking can be prepared depending on the concentration of the crosslinking agent used in the crosslinking reaction described below. For example, in the case of β-casein micelles crosslinked with 25 mM WSC, 20-40% amino groups can be crosslinked, and in the case of β-casein micelles crosslinked with 250 mM WSC, 50-70% amino groups can be crosslinked.
本発明の架橋化タンパク質ミセルは、その表面を修飾することができる。修飾には、標識化(例えば、酵素標識、FITC標識、ビオチン標識、金コロイド標識すること)が含まれる。 The surface of the crosslinked protein micelle of the present invention can be modified. Modifications include labeling (eg, enzyme labeling, FITC labeling, biotin labeling, gold colloid labeling).
[架橋化タンパク質ミセルの製造方法]
本発明はまた、以下も提供する:
5)ミセルを構成するタンパク質同士を、架橋化剤を用いて、架橋化させる工程を含む、架橋化タンパク質ミセルの製造方法。
6) タンパク質が、アスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基、及びリジン残基又はN末の-NH2基を有し;かつ架橋化がアスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基の-COOH基とリジン残基又はN末の-NH2基との縮合反応により形成されるものである、請求項5に記載の製造方法。
7)タンパク質が、カゼインであり;かつ架橋化剤が、1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミドである、上記6)に記載の製造方法。
[Method for producing crosslinked protein micelle]
The present invention also provides the following:
5) A method for producing a cross-linked protein micelle, comprising a step of cross-linking proteins constituting the micelle using a cross-linking agent.
6) The protein has an aspartic acid residue or glutamic acid residue, and a lysine residue or an N-terminal -NH 2 group; and the cross-linking is an aspartic acid residue or a glutamic acid residue -COOH group and a lysine residue. or those formed by the condensation reaction of the -NH 2 group at the end N, the manufacturing method according to claim 5.
7) The production method according to 6) above, wherein the protein is casein; and the crosslinking agent is 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide.
ミセルを構成するタンパク質同士の架橋は、種々の手法により共有結合を形成するように行うことができる。架橋化には、公知の方法を用いることができるが、後述するように、架橋化されたミセルが所望の性質、すなわち刺激応答性を有するか否かを確認する必要がある。本発明者らは、酵素学的手法のあるものを利用した場合には、得られた架橋化タンパク質ミセルに熱応答性が見られなかったことを確認している。本発明においては、架橋化剤を用いて化学的に共有結合を形成するように架橋化を行うことが好ましい。 Crosslinking between proteins constituting the micelles can be performed so as to form a covalent bond by various methods. A known method can be used for crosslinking, but it is necessary to confirm whether or not the crosslinked micelle has a desired property, i.e., stimulus responsiveness, as described later. The present inventors have confirmed that when a certain enzymatic method is used, the resulting cross-linked protein micelles did not show thermal responsiveness. In the present invention, it is preferable to perform crosslinking so as to form a covalent bond chemically using a crosslinking agent.
架橋化の際には、用いるタンパク質がミセル形成可能である溶媒、及びミセル形成可能なタンパク質濃度が選択される。架橋化剤としては、公知のものを用いることができる。
タンパク質として、アスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基、及びリジン残基又はN末の-NH2基を有するものを使用する場合は、架橋化は、アスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基の-COOH基とリジン残基又はN末の-NH2基との縮合反応により形成することができ、架橋化剤としては、水溶性カルボジイミド(化学名:1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド)を用いることができる。このような架橋化反応は、通常、pH 5.0〜9.0の水系溶媒中で、温度0〜60℃の範囲で、1〜48時間以内に進行する。架橋化剤としては、グルタルアルデヒドも使用可能であるが、得られる架橋化ミセルの性質を確認する必要がある。
In cross-linking, a solvent in which the protein to be used can form micelles and a protein concentration capable of forming micelles are selected. A well-known thing can be used as a crosslinking agent.
When a protein having an aspartic acid residue or glutamic acid residue and a lysine residue or N-terminal -NH 2 group is used as a protein, the cross-linking is performed with the -COOH group of the aspartic acid residue or glutamic acid residue. It can be formed by a condensation reaction with a lysine residue or N-terminal -NH 2 group, and as a crosslinking agent, water-soluble carbodiimide (chemical name: 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) Can be used. Such a crosslinking reaction usually proceeds within 1 to 48 hours at a temperature of 0 to 60 ° C. in an aqueous solvent having a pH of 5.0 to 9.0. Although glutaraldehyde can be used as a crosslinking agent, it is necessary to confirm the properties of the resulting crosslinked micelle.
本発明者らの検討によると、水溶性カルボジイミドを用いる場合、反応は4℃で安定に進行する。15℃以上になると、ミセル間での架橋化を制御するのが難しく、凝集物が多くなり、収率が劣ることがある。一般に、カゼインのミセル構造形成は高温で促進されると思われ、4℃ではモノマー−ミセル間の平衡はほとんどモノマー側に偏っていると報告されている(J. Colloid. Int. Sci., 258, 33-39, 2003)。4℃における反応で、球状のナノ粒子が形成可能なのは、驚くべきことである。また、架橋化反応の際の緩衝液濃度には至適な範囲が存在し、高すぎる場合には、架橋化反応そのものが阻害される可能性があるため架橋化率が低くなり、得られる架橋化ミセルが熱応答性を示さないことがある。一方、低すぎる場合は、架橋化率は高くなるが、理由は定かではないが、得られる架橋化ミセルの熱応答性が悪くなる(後述する相転移温度が、高温側に大きくシフトする)ことがある。結果から考察すると、ナノ粒子はできているけれど、異なる構造のナノ粒子が調製されているのかもしれない。さらに、架橋化反応の際には、架橋化剤の濃度の影響も考慮することができ、水溶性カルボジイミドのストック溶液を1M程度にすることで、安定にナノ粒子が調製可能である。 According to the study by the present inventors, when water-soluble carbodiimide is used, the reaction proceeds stably at 4 ° C. If it is 15 ° C. or higher, it is difficult to control the cross-linking between micelles, the aggregates increase, and the yield may be inferior. In general, casein micelle formation seems to be promoted at high temperatures, and it has been reported that at 4 ° C, the equilibrium between monomer and micelle is almost biased to the monomer side (J. Colloid. Int. Sci., 258 , 33-39, 2003). It is surprising that spherical nanoparticles can be formed by reaction at 4 ° C. In addition, there is an optimum range for the buffer solution concentration during the crosslinking reaction, and if it is too high, the crosslinking reaction itself may be inhibited, resulting in a low crosslinking rate and resulting crosslinking. Micelle may not show thermal responsiveness. On the other hand, if it is too low, the crosslinking rate will be high, but the reason is not clear, but the thermal responsiveness of the resulting crosslinked micelles will deteriorate (the phase transition temperature described later will be greatly shifted to the high temperature side) There is. Considering the results, nanoparticles may be formed, but nanoparticles with different structures may have been prepared. Furthermore, in the cross-linking reaction, the influence of the concentration of the cross-linking agent can be taken into consideration, and nanoparticles can be stably prepared by setting the stock solution of water-soluble carbodiimide to about 1M.
架橋化反応の進行の確認は、反応生成物の分子量を、例えばSDS-変性ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS-PAGE)で確認することにより、行うことができる。
タンパク質として、β-カゼインを用いる場合の架橋化反応の具体的な条件は、本発明の実施例を参考にすることができる。
調製された架橋化タンパク質ミセルは、孔径0.2μm程度の膜フィルターを通過させるか、ゲル濾過等の公知の手法により、精製することができる。
Confirmation of the progress of the crosslinking reaction can be performed by confirming the molecular weight of the reaction product by, for example, SDS-denaturing polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE).
For specific conditions for the crosslinking reaction when β-casein is used as the protein, the examples of the present invention can be referred to.
The prepared cross-linked protein micelle can be purified by passing through a membrane filter having a pore size of about 0.2 μm or by a known technique such as gel filtration.
[架橋化タンパク質ミセルの機能・用途]
本発明の架橋化タンパク質ミセルは、刺激(例えば、温度、pH、塩濃度)応答性である。例えば、架橋化していないβ-カゼインミセルは、その水溶液を70℃まで昇温しても凝集は観察されないが、架橋化処理を施したものは、熱応答性を示し、高温ではミセルが凝集して不溶化し、濁った溶液となる。
[Functions and uses of cross-linked protein micelles]
The cross-linked protein micelles of the present invention are responsive to stimuli (eg, temperature, pH, salt concentration). For example, β-casein micelles that are not crosslinked are not aggregated even when the aqueous solution is heated to 70 ° C, but those that have undergone crosslinking treatment exhibit thermal responsiveness, and micelles aggregate at high temperatures. It becomes insoluble and becomes a cloudy solution.
また、濁度の中間値をとる温度を転移温度(Tt)とすると、架橋化β-カゼインミセルは、溶液のpH が高くなると、転移温度は大きく高温側にシフトし、pHを7から8に変えるだけでΔTt=40℃にも達しうる(図1-4参照)。これは、pHの上昇に伴い表面電荷が負に大きくシフトし、架橋化β-カゼインミセル同士の静電反発により粒子間の接触が抑制されることで凝集が抑制されるからであると考えられる。 Also, assuming that the temperature at which the turbidity takes an intermediate value is the transition temperature (T t ), the cross-linked β-casein micelle greatly shifts to a higher temperature when the pH of the solution increases, and the pH is shifted from 7 to 8 ΔT t = 40 ° C can be reached just by changing to (see Figure 1-4). This is considered to be because the surface charge is greatly shifted negatively as the pH is increased, and aggregation is suppressed by suppressing contact between particles due to electrostatic repulsion between cross-linked β-casein micelles. .
さらに架橋化β-カゼインミセル溶液の塩濃度について検討すると、転移温度はNaClの添加に伴い徐々に低下することが分かっている(図1-5参照)。
このように、架橋化β-カゼインミセルに代表される本発明の架橋化タンパク質ミセルは、溶液pHの変化により転移温度の制御が可能であり、また、共存イオン種及び緩衝種(本発明者らの検討によると、リン酸緩衝液とトリス緩衝液では、やや違う挙動を示す。)又はその濃度によっても、転移温度の制御が可能である。
Further examination of the salt concentration of the cross-linked β-casein micelle solution shows that the transition temperature gradually decreases with the addition of NaCl (see Figure 1-5).
Thus, the cross-linked protein micelle of the present invention represented by the cross-linked β-casein micelle can control the transition temperature by changing the solution pH, and is also capable of coexisting ion species and buffer species (the present inventors). The phosphate buffer and the Tris buffer show slightly different behaviors), or the transition temperature can also be controlled by the concentration.
したがって、本発明は以下も提供する:
8)請求項1〜3のいずれか1項に記載の架橋化タンパク質ミセルを用いる、標的物の分離、検出、薬剤の送達、安定化、精製又は反応の制御方法。
9)架橋化タンパク質ミセル表面を修飾する工程を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の架橋化タンパク質ミセルの刺激応答性の制御方法。
Thus, the present invention also provides:
8) A method for separation, detection, drug delivery, stabilization, purification, or reaction control using the crosslinked protein micelle according to any one of claims 1 to 3.
9) The method for controlling the stimulus responsiveness of a crosslinked protein micelle according to any one of claims 1 to 3, comprising a step of modifying the surface of the crosslinked protein micelle.
本発明の刺激応答性架橋化タンパク質ミセルは、生物分離、標的分子の検出、バイオセンシング、固定化酵素、及びドラッグデリバリーシステム(DDS)における応用が期待される。 The stimulus-responsive cross-linked protein micelle of the present invention is expected to be applied to biological separation, target molecule detection, biosensing, immobilized enzyme, and drug delivery system (DDS).
例えば、本発明の刺激応答性架橋化タンパク質ミセルを分離材料として用いる場合、ナノ粒子表面にリガンドを提示させ、標的物を結合させた後、加熱による凝集でもって沈殿させて分離することが可能である。生体試料の中から、あるリガンド(分子量に制限されず、ナノ粒子表面に提示できるものでありさえすればよい。)に特異的な親和性を有する標的を選択的に回収する技術は、種々の解析において極めて重要な技術である。実際、ELPを使った応用例は、抗体結合タンパク質との組み合わせによるアフィニティー分離を介した免疫測定(例えば、Anal. Chem., 77, 2318-2322, 2005)や、プロテオーム解析を志向している(例えば、J. Proteome Res., 4, 2355-2359, 2005)。本発明のナノ粒子の利用に際しても、同様の利用が期待できる。また、本発明のナノ粒子の利用に際しては、磁性ナノ粒子や、温度応答性磁性粒子についての応用例を参考にすることができる。 For example, when the stimulus-responsive crosslinked protein micelle of the present invention is used as a separation material, it is possible to present a ligand on the surface of a nanoparticle, bind a target substance, and precipitate by aggregation by heating to be separated. is there. There are various techniques for selectively recovering a target having a specific affinity for a certain ligand (which is not limited by molecular weight and needs only to be displayed on the surface of a nanoparticle) from a biological sample. This is an extremely important technique in analysis. In fact, application examples using ELP are aimed at immunoassay (eg, Anal. Chem., 77, 2318-2322, 2005) through affinity separation in combination with antibody-binding proteins and proteome analysis ( For example, J. Proteome Res., 4, 2355-2359, 2005). The same use can be expected when using the nanoparticles of the present invention. Moreover, in using the nanoparticles of the present invention, application examples of magnetic nanoparticles and temperature-responsive magnetic particles can be referred to.
なお、本発明において、素材としてカゼインを用いた場合、得られるナノ粒子は、本来生分解性があることにも着目すべきである。
本発明のナノ粒子の内部に薬剤等を保持させて利用する場合には、架橋化前のミセル内に所望の物質を保持させ、その後、架橋化することもでき、また、ミセルは架橋化後に疎水性が上がる(ANSの蛍光強度が上がる)ことから、架橋化後に、疎水性薬物を系加えることにより、ミセル内に分配することも可能であろう。ミセル内部が疎水性であることを考慮すると、内部に保持させる物質は、ある程度疎水性のものが好ましいと思われる。本発明のナノ粒子の利用により、疎水性物質を過飽和濃度においても透明で安定に可溶化させることも可能である。
In the present invention, when casein is used as a material, it should be noted that the obtained nanoparticles are inherently biodegradable.
When the drug or the like is retained inside the nanoparticles of the present invention, a desired substance can be retained in the micelle before crosslinking, and then crosslinked, and the micelle can be crosslinked after crosslinking. Since hydrophobicity increases (ANS fluorescence intensity increases), it may be possible to partition into micelles by adding a hydrophobic drug to the system after crosslinking. Considering that the inside of the micelle is hydrophobic, it seems that the substance to be retained inside is preferably hydrophobic to some extent. By using the nanoparticles of the present invention, it is possible to solubilize a hydrophobic substance transparently and stably even at a supersaturated concentration.
一方で、カゼインミセルそのものは、それほど疎水性の高いコアを有していないため、ミセル内部に保持させる物質は疎水性物質に限定されないと思われる。内部に保持させる物質に関し、分子量の制限はないと思われ、例えば、ペプチド、siRNA等、比較的小さな生理活性物質のキャリアとしても本発明のナノ粒子は利用可能であろう。 On the other hand, since the casein micelle itself does not have a highly hydrophobic core, the substance held inside the micelle is not limited to a hydrophobic substance. Regarding the substance to be held inside, there seems to be no molecular weight limitation. For example, the nanoparticles of the present invention may be used as a carrier for relatively small physiologically active substances such as peptides and siRNA.
本発明のナノ粒子をDDSにおいて利用するのであれば、タンパク質としては、抗原性のないヒト由来の両親媒性タンパク質(例えば、母乳由来カゼイン)を用いることも好ましいであろう。また、本発明の架橋化タンパク質ミセルは、水中で粒径の比較的揃った安定なミセルであり、かつ刺激応答性であることから、特に、長期投与が必要な薬物、分解し易い薬物の運搬体として、注射剤、経口投与剤、経皮又は経粘膜投与のための剤として、好適に用いうる。本発明の架橋化タンパク質ミセルは、外部から刺激(例えば温度)に応答して、患部への薬物の集積性の制御、例えば炎症反応等により温度が上昇した患部での薬物の局所投与等のために用いうる。 If the nanoparticles of the present invention are used in DDS, it may be preferable to use a human-derived amphiphilic protein having no antigenicity (for example, breast milk-derived casein) as the protein. In addition, the crosslinked protein micelle of the present invention is a stable micelle having a relatively uniform particle size in water and is responsive to stimuli. Therefore, in particular, it transports drugs that require long-term administration and drugs that are easily degraded. As a body, it can be suitably used as an agent for injection, oral administration, transdermal or transmucosal administration. The cross-linked protein micelle of the present invention is used for controlling the accumulation of drugs in the affected area in response to an external stimulus (for example, temperature), for example, local administration of the drug in the affected area where the temperature has increased due to an inflammatory reaction or the like. Can be used for
なお、架橋化β-カゼインミセルの凝集-可溶化の繰り返し実験では、数回目までは可逆性が観察されたが、それ以降では凝集体が再可溶化しにくくなることが分かっている。これは、凝集-可溶化が疎水相互作用を駆動力としており、加熱-冷却サイクルを繰り返しているうちに、架橋化β-カゼインミセルの一部が徐々に不可逆的に変性し、架橋化β-カゼインミセル間で安定な凝集構造体を形成してしまうためと推察される。 In repeated experiments of aggregation and solubilization of cross-linked β-casein micelles, reversibility was observed up to several times, but it has been found that the aggregate is less likely to be resolubilized thereafter. This is because aggregation-solubilization uses hydrophobic interaction as a driving force, and during repeated heating-cooling cycles, some of the cross-linked β-casein micelles gradually denatured irreversibly, and cross-linked β- It is assumed that a stable aggregate structure is formed between the casein micelles.
1.架橋化β-カゼインミセルの調製:
β-カゼイン(5 mg)を50 mM リン酸緩衝液(pH 7.0)950 μLに溶かし、β-カゼイン水溶液を調製した。その後、あらかじめ用意していた所定濃度の水溶性カルボジイミド(WSC)水溶液を、室温(20 ℃)で撹拌しながらβ-カゼイン水溶液に50 μL 添加した。添加後、室温で12 時間撹拌し、架橋化β-カゼインミセルを調製した。最後に、調製された架橋化β-カゼインミセル溶液をPD10 カラムによりゲル濾過することで精製して用いた。
1. Preparation of cross-linked β-casein micelles:
β-casein (5 mg) was dissolved in 950 μL of 50 mM phosphate buffer (pH 7.0) to prepare a β-casein aqueous solution. Thereafter, 50 μL of a predetermined concentration of water-soluble carbodiimide (WSC) aqueous solution prepared in advance was added to the β-casein aqueous solution while stirring at room temperature (20 ° C.). After the addition, the mixture was stirred at room temperature for 12 hours to prepare crosslinked β-casein micelles. Finally, the prepared crosslinked β-casein micelle solution was purified by gel filtration through a PD10 column and used.
調製サンプルの架橋化は、SDS-変性ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS-PAGE)により確認した。その結果を図1-1に示す。β-カゼインのみ(レーンB)のバンドはおおよそ25 kDa に存在し、β-カゼイン+WSC (レーンC, レーンD)ではレーンB よりも高分子量側にバンドが確認されたことから、β-カゼインはWSC によって架橋化されたことが示された。 Crosslinking of the prepared sample was confirmed by SDS-denatured polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). The results are shown in Figure 1-1. The band of β-casein alone (lane B) is located at approximately 25 kDa, and β-casein + WSC (lane C, lane D) has a higher molecular weight than lane B. Was shown to be crosslinked by WSC.
次に、架橋化したβ-カゼイン中のアミノ基の数を定量した。架橋化反応にβ-カゼイン中のアミノ基が関与するので、アミノ基を定量することで架橋化率を算出ことができる。ここでは、トリニトロベンゼンスルホン酸によるアミノ基のTNP化に基づき、アミノ基定量を行った。その結果、25 mM WSCにより架橋化したβ-カゼインミセルの場合では20〜40 %のアミノ基が、250 mM WSCで架橋化したβ-カゼインミセルの場合では50〜70%のアミノ基が架橋化されていることがわかった。 Next, the number of amino groups in the crosslinked β-casein was quantified. Since the amino group in β-casein is involved in the crosslinking reaction, the crosslinking rate can be calculated by quantifying the amino group. Here, amino group quantification was performed based on TNP conversion of amino groups with trinitrobenzenesulfonic acid. As a result, in the case of β-casein micelles crosslinked with 25 mM WSC, 20-40% amino groups are crosslinked, and in the case of β-casein micelles crosslinked with 250 mM WSC, 50-70% amino groups are crosslinked. I found out.
2.架橋化β-カゼインミセルの構造評価:
WSCによりβ-カゼインミセルを架橋化可能なことが分かった。次に、架橋化β-カゼインミセルの構造に関する情報を得るため、DLS測定及びAFM観察を行った。
2. Structural evaluation of cross-linked β-casein micelles:
It was found that β-casein micelles can be cross-linked by WSC. Next, in order to obtain information on the structure of the crosslinked β-casein micelle, DLS measurement and AFM observation were performed.
図1-2にDLS測定による架橋化による粒径分布(散乱強度分布)の変化を示す。図より、架橋化β-カゼインミセルの粒径分布は、架橋化処理を施していないβ-カゼインミセルよりも若干小さくなった。しかし、β-カゼインミセル(粒径分布:5〜200 nm)と架橋化β-カゼインミセル(平均粒径:約20 nm)の粒径分布は大きく異なり、より単分散のナノ粒子を定量的に得ることができた。 Figure 1-2 shows changes in particle size distribution (scattering intensity distribution) due to cross-linking by DLS measurement. From the figure, the particle size distribution of the cross-linked β-casein micelle was slightly smaller than that of the β-casein micelle not subjected to the cross-linking treatment. However, the particle size distribution of β-casein micelles (particle size distribution: 5 to 200 nm) and cross-linked β-casein micelles (average particle size: about 20 nm) differ greatly, and more monodisperse nanoparticles can be quantitatively analyzed. I was able to get it.
次に、AFM観察を行った結果を図1-3に示す。AFM 観察の結果、架橋化したβ-カゼインミセルは球状形態であることから、やはりミセルを構成するタンパク質分子間架橋が主に起こったものと考えられる。 Next, the results of AFM observation are shown in Figure 1-3. As a result of AFM observation, cross-linked β-casein micelles have a spherical shape, and it is considered that cross-linking between protein molecules constituting the micelles mainly occurred.
以上の結果から、WSC を使ってβ-カゼインミセルを架橋化することにより、ミセルを構成するβ-カゼインが分子間架橋されることにより、球状のナノ構造体の調製が可能なことが示された。 From the above results, it was shown that by using β-casein micelles with WSC, β-casein constituting the micelles can be intermolecularly crosslinked to prepare spherical nanostructures. It was.
3.架橋化β-カゼインミセルの外部因子応答性:
図1-4に加熱による濁度変化を示す。まず、架橋化操作を施していないカゼイン水溶液を加熱したが、70℃までの昇温では凝集は観察されなかった。また、25mM WSCで架橋化したサンプルについても同様の検討を行ったが、やはり熱凝集は見られなかった。一方、250mM WSCで架橋化処理を施したものは、顕著な熱応答性を示した。そこでまず、溶液のpH 変化に対する温度応答性を検討した。具体的には、調製した架橋化β-カゼインミセルをpH 6(50 mM リン酸緩衝液),pH 7〜9(50 mM Tris-HCl 緩衝液)により溶媒置換したものを使用してpHの影響を調べた。塩濃度の影響は架橋化β-カゼインミセル(Tris-HCl 緩衝液pH 7)について調べた。昇温速度は0.5 ℃/minとした。
3. External factor responsiveness of cross-linked β-casein micelles:
Figure 1-4 shows changes in turbidity due to heating. First, the casein aqueous solution not subjected to the crosslinking operation was heated, but no aggregation was observed when the temperature was raised to 70 ° C. A similar study was performed on a sample crosslinked with 25 mM WSC, but no thermal aggregation was observed. On the other hand, those subjected to crosslinking treatment with 250 mM WSC showed remarkable thermal response. Therefore, first, the temperature responsiveness to the pH change of the solution was examined. Specifically, the effect of pH using the prepared cross-linked β-casein micelles with solvent substitution with pH 6 (50 mM phosphate buffer), pH 7-9 (50 mM Tris-HCl buffer) I investigated. The effect of salt concentration was examined on cross-linked β-casein micelles (Tris-HCl buffer pH 7). The heating rate was 0.5 ° C./min.
異なるpHにおける温度と濁度の関係を調べた。濁度の中間値をとる温度を転移温度(Tt)とした。架橋化β-カゼインミセル溶液のpH が高くなると、転移温度は大きく高温側にシフトし、pHを7から8に変えるだけでΔTt=40℃にも達することがわかった。また、転移温度と架橋化β-カゼインミセルの表面電荷の関係検討したところ、pHの上昇に伴い表面電荷が負に大きくシフトすることが分かった。したがって、pHの上昇に伴い転移温度が高くなったのは、架橋化β-カゼインミセル同士の静電反発により粒子間の接触が抑制されることで凝集が抑制され、結果として転移温度が上昇したと考えられる。 The relationship between temperature and turbidity at different pH was investigated. The temperature at which the intermediate value of turbidity was obtained was defined as the transition temperature (T t ). It was found that when the pH of the cross-linked β-casein micelle solution was increased, the transition temperature was greatly shifted to the higher temperature side, and ΔT t = 40 ° C was reached only by changing the pH from 7 to 8. In addition, the relationship between the transition temperature and the surface charge of the cross-linked β-casein micelle was examined, and it was found that the surface charge shifted greatly negatively with increasing pH. Therefore, the transition temperature increased with the increase in pH because the electrostatic repulsion between the cross-linked β-casein micelles prevented the contact between the particles, thereby suppressing the aggregation, resulting in an increase in the transition temperature. it is conceivable that.
次に塩(NaCl)濃度と転移温度の関係を調べた。図1-5より、転移温度はNaClの添加に伴い徐々に低下した。塩の添加に伴う転移温度の低下は、ナノ粒子表面の水和構造の破壊により熱凝集が促進されたためと考えられる。
以上より、pH変化に伴うナノ粒子表面電荷の変化により転移温度の制御が可能なこと、また、共存イオン種によっても転移温度が変化することが確認された。
Next, the relationship between the salt (NaCl) concentration and the transition temperature was examined. From Fig. 1-5, the transition temperature gradually decreased with the addition of NaCl. The decrease in transition temperature accompanying the addition of salt is thought to be because thermal aggregation was promoted by the destruction of the hydration structure on the nanoparticle surface.
From the above, it was confirmed that the transition temperature can be controlled by changing the surface charge of the nanoparticles as the pH changes, and that the transition temperature changes depending on the coexisting ion species.
4.架橋化β-カゼインミセルの温度による凝集制御:
架橋化β-カゼインミセルの凝集-可溶化の繰り返し実験を行った。具体的には、架橋化β-カゼインミセル溶液を37 ℃で10分間撹拌し、600 nmの吸光度を測定した後、4 ℃で1時間撹拌し、再度600 nmの吸光度を測定するという操作を5回繰り返した。その結果、3回目までは十分な可逆性が観察されたが、3回目以降では凝集体が再可溶化しにくくなった。このことは、凝集-可溶化が疎水相互作用を駆動力としており、加熱-冷却サイクルを繰り返しているうちに、架橋化β-カゼインミセルの一部が徐々に不可逆的に変性し、架橋化β-カゼインミセル間で安定な凝集構造体を形成してしまうためと推察される。
4). Control of aggregation of cross-linked β-casein micelles by temperature:
Repeated experiments of aggregation-solubilization of cross-linked β-casein micelles were performed. Specifically, the procedure of stirring the cross-linked β-casein micelle solution at 37 ° C. for 10 minutes, measuring the absorbance at 600 nm, stirring at 4 ° C. for 1 hour, and measuring the absorbance at 600 nm again was performed. Repeated times. As a result, sufficient reversibility was observed up to the third time, but the aggregates were difficult to re-solubilize after the third time. This is because aggregation-solubilization is driven by hydrophobic interaction, and during repeated heating-cooling cycles, some of the cross-linked β-casein micelles are gradually irreversibly denatured and cross-linked β -It is assumed that a stable aggregate structure is formed between the casein micelles.
なお、加熱による凝集の様子を撮影したものを、図1-6として示した。
[結論]
水溶性架橋剤(WSC)を使ってβ-カゼインミセルが構成するカゼイン分子間を架橋化し、タンパク質性ナノ構造体の調製に成功した。得られた架橋化β-カゼインミセルは温度応答性を有していること、さらに僅かなpH変化により転移温度の制御が可能なことが明らかとなった。
A photograph of the state of aggregation by heating is shown in FIG. 1-6.
[Conclusion]
We succeeded in preparing proteinaceous nanostructures by cross-linking between casein molecules composed of β-casein micelles using a water-soluble crosslinking agent (WSC). It was revealed that the obtained crosslinked β-casein micelle has temperature responsiveness and that the transition temperature can be controlled by a slight pH change.
[実験操作]
1.架橋化β-カゼインミセルの調製:
β-カゼイン(40 mg)を50 mM リン酸緩衝液(pH 7.0)6 mLに溶かし、β-カゼイン水溶液を調製した。その後、あらかじめ用意していた1Mの水溶性カルボジイミド(WSC)ストック水溶液を、4 ℃で撹拌しながらβ-カゼイン水溶液に2 mL 添加した。添加後、4 ℃で24 時間撹拌し、架橋化β-カゼインミセルを調製した。最後に、調製された架橋化β-カゼインミセル溶液を、メンブレンフィルター(孔径0.2μm)に通過させ、ろ液をPD10 カラムによりゲル濾過することで精製して用いた。
[Experimental operation]
1. Preparation of cross-linked β-casein micelles:
β-casein (40 mg) was dissolved in 6 mL of 50 mM phosphate buffer (pH 7.0) to prepare a β-casein aqueous solution. Thereafter, 2 mL of a 1M aqueous solution of water-soluble carbodiimide (WSC) prepared in advance was added to the β-casein aqueous solution while stirring at 4 ° C. After the addition, the mixture was stirred at 4 ° C. for 24 hours to prepare crosslinked β-casein micelles. Finally, the prepared crosslinked β-casein micelle solution was passed through a membrane filter (pore size 0.2 μm), and the filtrate was purified by gel filtration through a PD10 column and used.
2.架橋化β-カゼインミセル溶液の評価:
2.1 タンパク質濃度の測定
調製した架橋化β-カゼインミセル溶液のタンパク質濃度をBCA法ならびに紫外部の吸光度によって測定した。
2. Evaluation of cross-linked β-casein micelle solution:
2.1 Measurement of protein concentration The protein concentration of the prepared cross-linked β-casein micelle solution was measured by BCA method and absorbance in the ultraviolet region.
2.2 熱応答性の評価
調製した架橋化β-カゼインミセル溶液を400 μlマイクロチューブに取り出し、ドライヤーで加熱することによって熱応答性の有無を測定した。
2.2 Evaluation of thermal responsiveness The prepared cross-linked β-casein micelle solution was taken out into a 400 μl microtube and heated with a dryer to determine the presence or absence of thermal responsiveness.
2.3 濁度変化の測定
調製した架橋化β-カゼインミセル溶液の濁度変化を、分光光度計を用いて測定した。測定波長はタンパク質の吸収がない600 nmを使用し、温度は15-75 ℃の間を1℃あるいは2 ℃/minの割合で変化させた。
2.3 Measurement of turbidity change The turbidity change of the prepared crosslinked β-casein micelle solution was measured using a spectrophotometer. The measurement wavelength was 600 nm where no protein was absorbed, and the temperature was varied between 15-75 ° C at a rate of 1 ° C or 2 ° C / min.
2.4 架橋率の測定
調製した架橋化β-カゼインミセル溶液をそれぞれ1 ml取り出し、2 %ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)水溶液を1 ml添加した後、4 %炭酸水素ナトリウム溶液(pH 8.0)を1 ml添加した。さらに0.1 %トリニトロベンゼンスルホン酸(TNBS)水溶液を1 ml添加し、アルミホイルで遮光した後、40 ℃の恒温槽で攪拌しながら2時間反応させた。反応後の溶液に、1 N塩酸を1 mlを添加して反応を停止し、340 nmの吸光度を測定した。同時に架橋化を行なっていないβ-カゼインミセル溶液で検量線を作成し、反応に関与したアミノ基の数から架橋率を算出した。
2.4 Measurement of cross-linking rate Take 1 ml of each prepared cross-linked β-casein micelle solution, add 1 ml of 2% sodium dodecyl sulfate (SDS) aqueous solution, and then add 1 ml of 4% sodium hydrogen carbonate solution (pH 8.0). did. Further, 1 ml of a 0.1% trinitrobenzenesulfonic acid (TNBS) aqueous solution was added, light-shielded with aluminum foil, and reacted for 2 hours with stirring in a 40 ° C. constant temperature bath. 1 ml of 1N hydrochloric acid was added to the solution after the reaction to stop the reaction, and the absorbance at 340 nm was measured. At the same time, a calibration curve was prepared with a β-casein micelle solution that had not been crosslinked, and the crosslinking rate was calculated from the number of amino groups involved in the reaction.
2.5 疎水性強度の測定
架橋化β-カゼインミセル溶液1 mlに8-アニリノ-1-ナフタレンスルホン酸(ANS)を最終濃度が10 μMになるように添加し、350 nmの波長で励起させ、480 nmにおける蛍光強度を測定することで、カゼインミセルの疎水性の強さを評価した。
2.5 Measurement of hydrophobic strength Add 8-anilino-1-naphthalenesulfonic acid (ANS) to 1 ml of cross-linked β-casein micelle solution to a final concentration of 10 μM, and excite it at a wavelength of 350 nm. The hydrophobic intensity of casein micelles was evaluated by measuring the fluorescence intensity at nm.
2.6 粒径及びζ電位の測定
調製した架橋化β-カゼインミセル溶液の粒径分布・ζ電位の測定を、Zetasizer-nano ZS90を用いた 動的光散乱法及び電気泳動法によって行った。
2.6 Measurement of particle size and zeta potential The particle size distribution and zeta potential of the prepared cross-linked β-casein micelle solution were measured by dynamic light scattering and electrophoresis using Zetasizer-nano ZS90.
3.架橋化β-カゼインミセルのナノ粒子構造の確認:
1 M MgCl2 溶液を10 mM Tris-HCl(pH7.5)を使って希釈し、2 mM MgCl2溶液を調製した。この溶液を用いて架橋化したβ-カゼインミセル溶液を1 μg/mlになるように希釈した。この希釈したβ-カゼインミセル溶液をMica基板に10 ml滴下し、蒸留水でやさしく洗浄した。蒸留水で洗浄した後、AirでMica基板周辺の水滴を除去し、Mica基板を2時間半程度真空乾燥させた。2時間半後、調製したMica基板を原子間力顕微鏡(AFM)を使って観察した。
3. Confirmation of nanoparticle structure of cross-linked β-casein micelles:
The 1 M MgCl 2 solution was diluted with 10 mM Tris-HCl (pH 7.5) to prepare a 2 mM MgCl 2 solution. A β-casein micelle solution crosslinked with this solution was diluted to 1 μg / ml. 10 ml of this diluted β-casein micelle solution was dropped on a Mica substrate and gently washed with distilled water. After washing with distilled water, the water droplets around the Mica substrate were removed with Air, and the Mica substrate was vacuum dried for about 2.5 hours. Two and a half hours later, the prepared Mica substrate was observed using an atomic force microscope (AFM).
4.架橋化β-カゼインミセルの熱応答性に対するタンパク濃度の影響:
調製した架橋化β-カゼインミセル溶液を希釈し、0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mg/mlの架橋化β-カゼインミセル溶液を調製した。調製した架橋化β-カゼインミセル溶液の濁度変化を、分光光度計を用いて測定した。測定波長はタンパク質の吸収がない600 nmを使用し、温度は15-75 ℃の間を2 ℃/minの割合で変化させた。
4). Effect of protein concentration on thermal response of cross-linked β-casein micelles:
The prepared crosslinked β-casein micelle solution was diluted to prepare 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 mg / ml crosslinked β-casein micelle solutions. The turbidity change of the prepared cross-linked β-casein micelle solution was measured using a spectrophotometer. The measurement wavelength was 600 nm without protein absorption, and the temperature was varied between 15-75 ° C at a rate of 2 ° C / min.
5.架橋化β-カゼインミセルの粒子表面の機能化とその評価:
5.1 FITCラベル化
調製した架橋化β-カゼインミセル溶液をPD 10カラムを用いて100 mM炭酸ナトリウム緩衝液(pH8.5)でバッファー置換を行った後、ジメチルスルホキシドに溶解した1.0 mg/mlのFITC溶液を200μl添加した。4 ℃で24 時間攪拌した後、PD 10カラムを用いて50 mMのリン酸緩衝液(pH 7.0)でゲルろ過することで不純物の除去とバッファー置換を行った。調製したFITCラベル化カゼインミセル溶液を上記2に示した方法で評価し、加熱後に遠心分離をかけることで沈殿物を得た。
5. Functionalization and evaluation of cross-linked β-casein micelle particle surface:
5.1 FITC labeling The prepared cross-linked β-casein micelle solution was replaced with 100 mM sodium carbonate buffer (pH 8.5) using a PD 10 column, and then 1.0 mg / ml FITC dissolved in dimethyl sulfoxide. 200 μl of solution was added. After stirring at 4 ° C. for 24 hours, impurities were removed and the buffer was replaced by gel filtration using a PD 10 column with 50 mM phosphate buffer (pH 7.0). The prepared FITC-labeled casein micelle solution was evaluated by the method shown in 2 above, and a precipitate was obtained by applying centrifugation after heating.
5.2 Biotinラベル化
調製した架橋化β-カゼインミセル溶液をPD 10カラムを用いて100 mM炭酸ナトリウム緩衝液(pH8.5)でバッファー置換を行った後、ジメチルスルホキシドに溶解した1.0 mg/mlのBiotin-OSu(BI)及びBiotin-(AC5)2-Osu(BII)溶液を200μl添加した。4 ℃で24 時間攪拌した後、PD 10カラムを用いて50 mMのリン酸緩衝液(pH 7.0)でゲルろ過することで不純物の除去とバッファー置換を行った。調製したビオチンラベル化カゼインミセル溶液を上記2に示した方法で評価し、ビオチン化試薬のリンカー部位の長さが熱応答性にどのような違いをもたらすかを検討した。
5.2 Biotin labeling After replacing the prepared cross-linked β-casein micelle solution with a 100 mM sodium carbonate buffer (pH 8.5) using a PD 10 column, 1.0 mg / ml Biotin dissolved in dimethyl sulfoxide 200 μl of -OSu (BI) and Biotin- (AC 5 ) 2 -Osu (BII) solution were added. After stirring at 4 ° C. for 24 hours, impurities were removed and the buffer was replaced by gel filtration using a PD 10 column with 50 mM phosphate buffer (pH 7.0). The prepared biotin-labeled casein micelle solution was evaluated by the method shown in 2 above, and the difference in the length of the linker site of the biotinylated reagent in the thermal response was examined.
6.ビオチンラベル化 架橋化β-カゼインミセルのアビジンターゲティング評価:
調整したビオチンラベル化 架橋化β-カゼインミセル溶液を0.5 mg/mlに希釈し、50 mMのリン酸緩衝液(pH 7.0)に溶解した1.0mg/ml アビジン溶液を10μlずつ150μlまで添加して20℃における濁度変化を測定した。またそれぞれの溶液に関して、白濁が生じないアビジン添加量(25mM WSC架橋化サンプルにおいて150μl, 250mM WSC架橋化サンプルにおいて30μl添加)における熱応答性及び、白濁を生じたアビジン添加量(250 mM WSC架橋化サンプルにおいて150μl添加)における熱応答性をそれぞれ検討した。アビジントラップの実験では、FITCラベル化アビジン(Sigma社)を架橋化β-カゼインミセル溶液あるいはビオチンラベル化架橋化β-カゼインミセル溶液に適当量加え、加熱凝集の後、遠心分離を施し、上清の蛍光強度を測定した。
6). Biotin-labeled cross-linked β-casein micelles evaluated for avidin targeting:
Prepared biotin-labeled cross-linked β-casein micelle solution diluted to 0.5 mg / ml, 1.0 mg / ml avidin solution dissolved in 50 mM phosphate buffer (pH 7.0) was added in 10 μl aliquots to 150 μl, and 20 The change in turbidity at 0 ° C. was measured. In addition, for each solution, the thermal responsiveness at the avidin addition amount (150 μl in the 25 mM WSC cross-linked sample, 30 μl addition in the 250 mM WSC cross-linked sample) and the avidin addition amount (250 mM WSC cross-linked) that caused white turbidity did not occur. Each sample was examined for thermal response at 150 μl). In the experiment of avidin trap, FITC-labeled avidin (Sigma) was added to a cross-linked β-casein micelle solution or biotin-labeled cross-linked β-casein micelle solution, and after heat aggregation, centrifuged, and the supernatant The fluorescence intensity of was measured.
[結果と考察]
1.架橋化β-カゼインミセル溶液の原子間力顕微鏡観察:
結果を図2-1に示した。図より、AFM画像における基板表面での平均粒径半径は25 mM, 250 mM WSCによる架橋化サンプルでそれぞれ20.0 nm, 20.7 nmであった。この結果より架橋化β-カゼインミセルの粒径がそれぞれ20.0 nm, 21.5 nmという結果が計算によって得られ、確かにナノサイズの粒子が調製できていることが確認できた。以前に測定した動的光散乱(DLS)法による粒径では、それぞれZ-Averageの値として24.6 nm,20.9 nmという結果が得られており、今回のAFM測定とDLS粒径測定にある程度の整合性があることが確認できた。
[Results and discussion]
1. Atomic force microscopy of cross-linked β-casein micelle solution:
The results are shown in Fig. 2-1. From the figure, the average particle diameter radii on the substrate surface in the AFM image were 20.0 nm and 20.7 nm for the crosslinked samples with 25 mM and 250 mM WSC, respectively. From these results, it was confirmed by calculation that particle sizes of the crosslinked β-casein micelles were 20.0 nm and 21.5 nm, respectively, and it was confirmed that nano-sized particles could be prepared. The previously measured dynamic light scattering (DLS) particle size results in Z-Average values of 24.6 nm and 20.9 nm, respectively, which are somewhat consistent with the current AFM and DLS particle size measurements. It was confirmed that there is sex.
2.架橋化β-カゼインミセルの熱応答性に対するタンパク濃度の影響:
結果を図2-2に示した。図より、タンパク濃度が高いほど鋭い熱応答性を示すことが明らかとなった。0.5 mg/mlでは相転移温度が34℃であるのに対し、2.0 mg/mlでは25℃とより素早い応答が見られた。1.5 mg/ml以上では比較的同じような応答性が見られ、鋭い応答性にはある程度のタンパク質濃度が必要であることが明らかとなった。この結果から、タンパク濃度によるミセルの会合状態の変化や、ミセル間での相互作用の強さに違いがあるのではないかと考えられる。
2. Effect of protein concentration on thermal response of cross-linked β-casein micelles:
The results are shown in Fig. 2-2. From the figure, it became clear that the higher the protein concentration, the sharper the thermal response. At 0.5 mg / ml, the phase transition temperature was 34 ° C, while at 2.0 mg / ml, a faster response was seen at 25 ° C. A relatively similar response was seen at 1.5 mg / ml and above, and it was revealed that a certain level of protein concentration was required for a sharp response. From this result, it is considered that there is a difference in the change in the association state of micelles depending on the protein concentration and the strength of interaction between micelles.
3.架橋化β-カゼインミセル粒子表面のFITCラベル化とその影響:
結果、加熱によって白濁したサンプルを遠心にかけたところ、図2-3に示すとおり橙色の沈殿物が得られ、粒子表面への修飾がたしかになされていることが確認できた。
3. FITC labeling on the surface of crosslinked β-casein micelle particles and its effects:
As a result, when the sample that became cloudy by heating was centrifuged, an orange precipitate was obtained as shown in Fig. 2-3, and it was confirmed that the particle surface was modified.
4.架橋化β-カゼインミセル粒子表面のビオチンラベル化とその影響:
ビオチン化試薬として、以下に示す2種のリンカー鎖長の異なる試薬を用いた。
4). Biotin labeling on the surface of crosslinked β-casein micelle particles and its effects:
As biotinylation reagents, the following two types of reagents having different linker chain lengths were used.
ビオチンラベル化による熱応答性挙動の変化を図2-4に示した。ビオチンラベル化により、熱応答性が若干鈍化することが明らかとなった。熱応答性を示したのはいずれも250 mM WSC架橋化サンプルであったが、リンカー部位の長いBIIの方がリンカー部位の短いBIよりも低温で相転移挙動を示した。図2-5から、ラベル化によって疎水性強度が弱まっていることが分かる。この性質の変化によって、相転移温度が高温へシフトしたのではないかと考えられる。 Changes in the thermoresponsive behavior due to biotin labeling are shown in Figure 2-4. It was clarified that the thermal responsiveness was slightly decreased by biotin labeling. All of the 250 mM WSC cross-linked samples showed thermal response, but BII with a longer linker site showed a phase transition behavior at a lower temperature than BI with a shorter linker site. Figure 2-5 shows that the hydrophobic strength is weakened by labeling. It is thought that the phase transition temperature has shifted to a high temperature due to this change in properties.
5.ビオチンラベル化 架橋化β-カゼインミセルのアビジンターゲティング評価:
ビオチンラベル化サンプルのアビジン添加に伴う濁度変化測定の結果を図2-6に示した。図に示す通り、250 mM WSC架橋化サンプルでは、ともに40μl程度のアビジン添加によって白濁が生じ始めた。一方、25 mM WSC架橋化サンプルでは、薄い白濁が視覚的に確認できるものの、凝集による強い白濁は見られなかった。このことから、どちらのサンプルにおいてもアビジンの添加によってビオチン-アビジンの特異的な結合が生じているものと考えられ、250 mM WSC架橋化サンプルにおいては加熱なしでもアビジンの添加によって若干の凝集が段階的に起こることが確認された。
5. Biotin-labeled cross-linked β-casein micelles evaluated for avidin targeting:
Fig. 2-6 shows the results of measurement of turbidity changes associated with the addition of avidin to biotin-labeled samples. As shown in the figure, in the 250 mM WSC cross-linked sample, white turbidity started to occur when about 40 μl of avidin was added. On the other hand, in the 25 mM WSC cross-linked sample, although light turbidity could be visually confirmed, strong turbidity due to aggregation was not observed. This suggests that biotin-avidin specific binding occurs in both samples due to the addition of avidin, and in the 250 mM WSC cross-linked sample, slight aggregation occurs in the sample even without heating. Has been confirmed to occur.
次にアビジンを含むビオチンラベル化サンプルの熱応答性挙動の結果を図2-7に示した。すでにアビジンの添加によって白濁が見られたサンプルにおいても加熱により徐々に濁度が増していった。その挙動はアビジン非共存下と同等であり、架橋化ミセルが本来有する熱応答性挙動に大きな変化は見られないことが確認された。 Next, the results of the thermoresponsive behavior of biotin-labeled samples containing avidin are shown in Fig. 2-7. The turbidity gradually increased by heating even in the sample that had already been clouded by the addition of avidin. The behavior was equivalent to that in the absence of avidin, and it was confirmed that there was no significant change in the thermoresponsive behavior inherent to the crosslinked micelles.
以上の結果を踏まえ、FITCラベル化アビジン(Sigma社)を用いて、実際にアビジンをトラップできるかどうかを確認した。加熱凝集、遠心操作の後、可溶性画分に残った蛍光強度の測定から、BII-ラベル化架橋化カゼインミセルは、35nMのFITCラベル化アビジンの85%をトラップできることを確認した。BI-ラベル化架橋化カゼインミセルはややトラップ率が低かった(図2-8)。 Based on the above results, it was confirmed whether or not avidin could actually be trapped using FITC-labeled avidin (Sigma). From the measurement of fluorescence intensity remaining in the soluble fraction after heat aggregation and centrifugation, it was confirmed that BII-labeled crosslinked casein micelles could trap 85% of 35 nM FITC-labeled avidin. BI-labeled cross-linked casein micelles had a slightly lower trap rate (Figure 2-8).
以上より、架橋化カゼインミセル溶液が20nm程度のナノ粒子であることが確認された。またナノ粒子表面の修飾が可能であり、修飾によって表面電荷や熱応答性挙動などの様々な特性の変化が明らかとなった。さらにビオチン修飾によってアビジンターゲティングが可能であることが明らかとなった。 From the above, it was confirmed that the crosslinked casein micelle solution was about 20 nm nanoparticles. In addition, the nanoparticle surface can be modified, and the modification revealed various changes in properties such as surface charge and thermal response behavior. Furthermore, it became clear that avidin targeting is possible by biotin modification.
Claims (9)
架橋化が、アスパラギン酸残基又はグルタミン酸残基の-COOH基と、リジン残基又はN末の-NH2基との縮合反応により形成されるものである、請求項1に記載の架橋化タンパク質ミセル。 The protein constituting the structure has an aspartic acid residue or glutamic acid residue, and a lysine residue or an N-terminal -NH 2 group; and the cross-linking is an aspartic acid residue or a glutamic acid residue -COOH group 2. The cross-linked protein micelle according to claim 1, which is formed by a condensation reaction of lysine residues or an N-terminal -NH 2 group.
架橋化剤が、1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミドである、請求項6に記載の製造方法。 The production method according to claim 6, wherein the protein is casein; and the crosslinking agent is 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide.
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| WO2009090962A1 (en) * | 2008-01-15 | 2009-07-23 | Shiseido Company, Ltd. | Microparticle film composition |
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- 2007-02-02 JP JP2007024913A patent/JP2008189784A/en active Pending
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