Projects | Masaharu Somiya

タンパク質デザインと細胞内薬物送達

Wed, 03 Apr 2024 03:00:00 +0000

AlphaFold2に代表されるように、近年の機械学習関連分野の発展の恩恵を受けて、タンパク質の構造予測が高精度にできるようになりました。それに伴い、タンパク質の構造や機能を新しく「設計(デザイン)」することも可能になってきています。私は計算機上で設計したタンパク質を細胞内薬物送達に応用することを目指して、主に二つのテーマに挑戦しています。

膜融合タンパク質の設計

膜融合タンパク質は、エンベロープウイルスが宿主細胞内に侵入して感染を成立させるために不可欠のタンパク質です。膜融合タンパク質は、ウイルスの膜と宿主細胞の膜を物理的に引き寄せ、押し付けるあうことで脂質二重膜同士を融合させ、ウイルスの内包物であるDNAやRNAといった遺伝情報を宿主細胞内に移行させます。このような膜融合タンパク質を人工的に設計することができれば、任意の組織や細胞に対して効率的に、薬物を送達することのできる新たなドラッグデリバリーキャリアをつくることができます。

タンパク質ナノ粒子の設計

キャプシドウイルスは、タンパク質から構成される粒子(キャプシド)の内部にDNAやRNAといった遺伝情報を搭載した、いわばナノマシンです。近年、タンパク質複合体を計算機上で設計する手法を用いることで、タンパク質を立体空間に対称的に整列させて、ナノ粒子をデザインすることが可能になっています。このような手法を使うことで、キャプシドウイルスのような構造・外観をもつ人工ナノ粒子を新たに設計し、このナノ粒子に薬物を搭載すれば、ウイルスベクターのように振る舞うドラッグデリバリーキャリアをつくることができると考えられます。

Reference

Yang EC, Divine R, Miranda MC, Borst AJ, Sheffler W, Zhang JZ, Decarreau J, Saragovi A, Abedi M, Goldbach N, Ahlrichs M, Dobbins C, Hand A, Cheng S, Lamb M, Levine PM, Chan S, Skotheim R, Fallas J, Ueda G, Lubner J, Somiya M, Khmelinskaia A, King NP, Baker D., “Computational design of non-porous, pH-responsive antibody nanoparticles,” bioRxiv, p. 2023.04.17.537263, Apr. 2023, doi: 10.1101/2023.04.17.537263.

細胞外小胞(EV)の細胞内動態と内包物放出

Tue, 26 Jul 2022 03:00:00 +0000

細胞から分泌される膜小胞である細胞外小胞(extracellular vesicles, EVs)は、しばしばエクソソームなどとも呼ばれますが、ある細胞から分泌され別の細胞に取り込まれることで細胞間の情報伝達に関与していると考えられています。しかしながら、EVがどのように細胞内に取り込まれ、どのようなメカニズムで内包物を放出しているのかはほとんど分かっていません。そこで、EVの細胞内動態、特に膜融合や細胞質への内包物放出を定量的に解析する手法を開発しています。これまでに、生物発光を利用してEVタンパク質の細胞質への放出を生細胞でリアルタイムに解析できる実験系を開発しました。また、EVがエンドソーム膜と融合する効率をレポーターアッセイで簡便に測定する実験系を開発し、プレプリントで公開しています。なお、EVの細胞内動態の解析に使えるプラスミドはAddgeneから入手可能です。発光を測定する機器さえあれば、だれでも使用可能な系だと思います。

Reference

M. Somiya, “Where does the cargo go?: Solutions to provide experimental support for the ‘extracellular vesicle cargo transfer hypothesis,’” Journal of Cell Communication and Signaling, vol. 14, no. 2, pp. 135–146, Jun. 2020, doi: 10.1007/s12079-020-00552-9.
M. Somiya and S. Kuroda, “Real-Time Luminescence Assay for Cytoplasmic Cargo Delivery of Extracellular Vesicles,” Anal. Chem., vol. 93, no. 13, pp. 5612–5620, Apr. 2021, doi: 10.1021/acs.analchem.1c00339.
M. Somiya and S. Kuroda, “Reporter gene assay for membrane fusion of extracellular vesicles,” J. Extracel. Vesicle, e12171, Nov. 2021, doi: 10.1002/jev2.12171.
M. Somiya and S. Kuroda, “Verification of extracellular vesicle-mediated functional mRNA delivery via RNA editing", bioRxiv, Jan. 2022, doi: 10.1101/2022.01.25.477620.

ナノ粒子を利用したRNA送達技術の開発

Tue, 26 Jul 2022 00:33:07 +0000

RNAを利用したワクチンや治療薬の実用化が近年加速しています。COVID-19に対するmRNAワクチンや、複数の核酸医薬品が上市されるようになり、その適用範囲は今後も拡大していくと考えられます。しかしRNAの治療薬への応用にはまだ課題があります。その一つがRNAを生体内で送達するための「デリバリー技術」です。例えばRNA送達用のデリバリー技術として、脂質ナノ粒子(lipid nanoparticle, LNP)は最も強力なプラットフォームの一つです。非LNP系デリバリー技術として、細胞外小胞やウイルス様粒子を利用したRNA送達法の開発を行っています。

References

M. Somiya, K. Sakaeda, Y. Ishii, and S. Kuroda, “Cytoplasmic delivery of small interfering RNA by photoresponsive non-cationic liposomes,” Journal of Drug Delivery Science and Technology, vol. 63, p. 102488, Mar. 2021, doi: 10.1016/j.jddst.2021.102488.
M. Somiya et al., “One-step scalable preparation method for non-cationic liposomes with high siRNA content,” International Journal of Pharmaceutics, vol. 490, no. 1–2, pp. 316–323, Jul. 2015, doi: 10.1016/j.ijpharm.2015.05.072.
M. Somiya and S. Kuroda, “Verification of extracellular vesicle-mediated functional mRNA delivery via RNA editing", bioRxiv, Jan. 2022, doi: 10.1101/2022.01.25.477620.

B型肝炎ウイルスの感染メカニズムの同定と感染阻害剤の同定

Wed, 06 Oct 2021 14:13:18 +0000

B型肝炎ウイルス(hepatitis B virus)はヒトの肝臓に感染するウイルスです。HBVの受容体は2012年に発見されましたが、HBVが受容体に結合して細胞内に取り込まれ、細胞質にゲノムを放出して感染を成立させるメカニズムについては、多くが不明です。またHBVの初期感染機構が同定できれば、そのメカニズムに基づく新たな抗ウイルス剤の開発につながると期待できます。これまでに、HBVの表面抗原を酵母で発現させることによって得られる中空ナノ粒子(HBVワクチンとほぼ同等の成分です)をHBVのモデルとして、受容体との結合、細胞内に取り込まれる過程、細胞質に内包物を放出する過程などを研究してきました。現在は、これらのメカニズムに基づく感染阻害剤の同定にも取り組んでいます。

References

M. Somiya et al., “Intracellular trafficking of bio-nanocapsule-liposome complex: Identification of fusogenic activity in the pre-S1 region of hepatitis B virus surface antigen L protein.,” Journal of controlled release, vol. 212, pp. 10–8, 2015, doi: 10.1016/j.jconrel.2015.06.012.
Q. Liu et al., “Mutational analysis of hepatitis B virus pre-S1 (9-24) fusogenic peptide,” Biochemical and Biophysical Research Communications, vol. 474, no. 2, pp. 406–412, 2016, doi: 10.1016/j.bbrc.2016.04.125.
M. Somiya et al., “Cellular uptake of hepatitis B virus envelope L particles is independent of sodium taurocholate cotransporting polypeptide, but dependent on heparan sulfate proteoglycan,” Virology, vol. 497, pp. 23–32, 2016, doi: 10.1016/j.virol.2016.06.024.
Q. Liu, M. Somiya, M. Iijima, K. Tatematsu, and S. Kuroda, “A hepatitis B virus-derived human hepatic cell-specific heparin-binding peptide: identification and application to a drug delivery system,” Biomater. Sci., vol. 7, no. 1, pp. 322–335, 2019, doi: 10.1039/C8BM01134F.
M. Nanahara, Y.-T. Chang, M. Somiya, and S. Kuroda, “HBV Pre-S1-Derived Myristoylated Peptide (Myr47): Identification of the Inhibitory Activity on the Cellular Uptake of Lipid Nanoparticles,” Viruses, vol. 13, no. 5, 2021, doi: 10.3390/v13050929.
K. Takagi, M. Somiya, J. Jung, M. Iijima, and S. Kuroda, “Polymerized Albumin Receptor of Hepatitis B Virus for Evading the Reticuloendothelial System,” Pharmaceuticals, vol. 14, no. 5, 2021, doi: 10.3390/ph14050408.

ウイルスの感染機構を利用した薬物送達法の開発

Wed, 15 Sep 2021 08:30:42 +0000

ウイルスは細胞膜を突破して宿主細胞内にゲノムを送達し、自身を複製することで感染を成立させます。この仕組みを利用することで、細胞内に治療効果のある薬物を送達することができると考えられます。特に興味があるのは、ウイルス粒子が細胞膜を壊したり、細胞膜とウイルスの膜を融合させる過程です。このメカニズムを詳しく調べ、既存のナノ粒子に応用することができれば、薬物送達の効率を飛躍的に高めることができると期待しています。

Publications

M. Somiya et al., “Intracellular trafficking of bio-nanocapsule-liposome complex: Identification of fusogenic activity in the pre-S1 region of hepatitis B virus surface antigen L protein.,” Journal of controlled release, vol. 212, pp. 10–8, 2015, doi: 10.1016/j.jconrel.2015.06.012.
M. Somiya and S. Kuroda, “Development of a virus-mimicking nanocarrier for drug delivery systems: The bio-nanocapsule,” Advanced Drug Delivery Reviews, vol. 95, pp. 77–89, Dec. 2015, doi: 10.1016/j.addr.2015.10.003.
M. Somiya et al., “Cellular uptake of hepatitis B virus envelope L particles is independent of sodium taurocholate cotransporting polypeptide, but dependent on heparan sulfate proteoglycan,” Virology, vol. 497, pp. 23–32, 2016, doi: 10.1016/j.virol.2016.06.024.