ナノシェル

ナノシェル、またはナノシェルプラズモンは、誘電体コアが薄い金属シェル（通常は金）で覆われた球状ナノ粒子の一種です。^[1]これらのナノシェルには、プラズモンと呼ばれる準粒子が含まれており、プラズモンは集団励起または量子プラズマ振動であり、電子がすべてのイオンに対して同時に振動します。

同時振動はプラズモン混成と呼ばれるもので、振動の調整可能性は内殻と外殻の混合と関連しており、内殻と外殻は混成して低エネルギーまたは高エネルギーを与えます。この低エネルギーは入射光と強く結合しますが、高エネルギーは反結合であり、入射光と弱く結合します。混成相互作用はシェル層が薄いほど強くなるため、シェルの厚さと粒子全体の半径によって、どの波長の光と結合するかが決まります。^[2]ナノシェルは、可視領域と近赤外領域にまたがる広範囲の光スペクトルにわたって変化させることができます。光とナノ粒子の相互作用は電荷の配置に影響し、結合強度に影響します。基板と平行に偏光した入射光は s 偏光を与えます (図 1b)。そのため、電荷は基板表面から遠くなり、シェルとコア間の相互作用が強くなります。そうでない場合は p 偏光が形成され、より強くシフトしたプラズモンエネルギーが得られ、相互作用と結合が弱くなります。

ナノシェルの発見は、 2003年にライス大学のナオミ・J・ハラス教授とそのチームによってなされました。彼女と彼女のチームがナノシェルを発見したとき、当初はそのようなナノシェルがどのような可能性を秘めているのか確信がありませんでした。「私たちは『まあ、これは何の役に立つのだろう』と言いました」とハラスはCNNに語りました。多くの提案の後、さまざまな種類の生物医学的応用を探しているバイオエンジニアとの継続的なコラボレーションから癌治療が生まれました。^[3]「私たちのビジョンの1つは、癌の1回の訪問による診断と治療です」とハラスは述べました。^{[4] 2003年、ハラスは}Nanotechnology Nowから2003年の最優秀発見賞を受賞しました。^[4]

金ナノシェルを合成する最先端の方法は、マイクロ流体複合フォームを使用することです。この方法は、プラズモニックナノシェルを合成する標準的なリソグラフィー法に代わる可能性があります。以下に説明する製造プロセスは、シンガポールの化学および生体分子工学部の Suhanya Duraiswamy と Saif A. Khan が行った実験です。この方法は実験ではありますが、ナノシェル合成の未来を表しています。

ナノシェルの製造に必要な材料は以下のとおりです。テトラエチルオルトケイ酸、水酸化アンモニウム、ヒドロキシルアミン塩酸塩、3-アミノプロピルトリス、テトラクロロ金酸(III)三水和物、テトラキス(ヒドロキシメチル)ホスホニウム塩化物、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、エタノール、超純水、王水で洗浄し、水で十分にすすいだガラス器具。^[5] )

この方法でナノシェルを合成する最初のステップは、反応が起こるデバイスを作成することです。マイクロ流体デバイスのパターンは、ネガ型フォトレジスト SU-8 2050 を使用して、標準的なフォトリソグラフィーによってシリコン ウェーハ上に作製されました。その後、デバイスはソフト リソグラフィー技術を使用してポリジメチルシロキサン (PDMS) で成形されました。(40) 簡単に説明すると、PDMS は SU-8 マスター上に 70 °C で 4 時間成形され、剥離、切断、洗浄されました。入口と出口の穴 (外径 1/16 インチ) がデバイスに打ち抜かれました。マイクロチャネルは、35 秒間の短い空気プラズマ処理の後、PDMS の薄い層でプレコートされたガラス スライドに不可逆的に結合されました。マイクロチャネルは長方形の断面を持ち、幅 300 μm、深さ 155 μm、長さ 0.45 m です。^[5]

ナノ粒子の実際の製造には、「金をシードしたシリカ粒子と金メッキ溶液と還元剤溶液の混合物であるシリコンオイルをマイクロ流体デバイスに送り込み、同時に窒素ガスをシリンダーから送り込む」という作業が含まれます。^[5]その後、メッキ溶液は制御された環境で 24 時間以上熟成されます。熟成プロセスの後、液体はマイクロ流体デバイスから収集され、遠心分離機に入れられます。結果として得られる液体は、表面にオイルの層があり、その下にはナノシェルを含む溶液があります。

この方法が革命的なのは、反応を起こす時間とめっき溶液の濃度を変えることで、金ナノシェルのサイズと相対的な厚さを制御できるからです。これにより、研究者は光学用でも癌治療用でも、それぞれのニーズに合わせて粒子をカスタマイズできます。

金殻ナノ粒子は、シリカやリポソームのコア^[6]と金の殻を持つ球状のナノ粒子で、がん治療やバイオイメージングの強化に使用されています。がん の検出と治療を 1 回で行うことができるセラノスティック プローブは、殻に結合部位があり、目的の場所 (通常はがん細胞) に付着できるナノ粒子で、デュアル モダリティ イメージング(X 線と放射性核種イメージングを使用するイメージング戦略) と近赤外蛍光^[7]によって画像化できます。金ナノ粒子が使用される理由は、その鮮明な光学特性がサイズ、形状、表面プラズモンによって制御されるためです。金ナノ粒子 (AuNP など) には、生体適合性があり、複数の異なる分子や基本材料を殻に付着できる柔軟性があるという利点があります (通常、金に付着できるものはほとんど何でも、金ナノ殻に付着でき、がんの特定と治療に役立てることができます)。ガンの治療は、プラズモニクスで発生する散乱と吸収によってのみ可能になります。散乱下では、金メッキされたナノ粒子は、粒子のサイズと形状に応じて適切な波長に調整された画像化プロセスで見えるようになります。吸収下では、光熱アブレーションが発生し、ナノ粒子とその周辺がガン細胞を死滅させる温度まで加熱されます。これは、「水の窓」（800～1300 nmのスペクトル範囲）を利用することで、体内の細胞へのダメージを最小限に抑えて実現されます。^[1]人体の大部分は水であるため、これにより、使用される光とレンダリングされる効果が最適化されます。

これらの金ナノシェルは、貪食作用を利用して腫瘍に運ばれます。貪食作用では、貪食細胞が細胞膜を通してナノシェルを飲み込み、内部のファゴソーム、つまりマクロファージを形成します。その後、ナノシェルは細胞に運ばれ、通常は酵素を使用して代謝され、細胞外に送り出されます。これらのナノシェルは代謝されないため、効果を発揮するには腫瘍細胞内にあるだけでよく、腫瘍細胞を死滅させるには光誘導細胞死（上記参照）が使用されます。このスキームは図 2 に示されています。

ナノ粒子ベースの治療薬は、抗体の助けを借りずにナノスケールの構造を腫瘍に受動的に取り込むことができる特性である、強化された浸透性と保持効果を利用することで、腫瘍にうまく送達されています。[4] 腫瘍の重要な領域にナノシェルを送達することは非常に困難な場合があります。ほとんどのナノシェルは、上図に示すように、送達のために腫瘍の単球の自然なリクルートメントを利用しようとします。この送達システムは「トロイの木馬」と呼ばれています。^[8]

このプロセスは、腫瘍が約 3/4 マクロファージであるため非常に効果的であり、単球が腫瘍に取り込まれると、貨物ナノ粒子を維持するためにも必要となるマクロファージに分化します。ナノシェルが壊死中心に到達すると、近赤外線照明を使用して腫瘍に関連するマクロファージが破壊されます。

さらに、これらのナノ粒子は、光活性化時にアンチセンスDNAオリゴヌクレオチドを放出するように作ることができます。これらのオリゴヌクレオチドは、遺伝子治療を行うために光熱アブレーション治療と組み合わせて使用​​されます。これは、ナノ粒子複合体が細胞内に送達され、その後、光誘導により表面からDNAが放出されるため実現されます。これにより、細胞の内部操作が可能になり、細胞群が平衡状態に戻るのを監視する手段が提供されます。^[9]

がん治療におけるナノシェルプラズモニクスのもう一つの例は、ナノ粒子の中に薬剤を入れ、それを媒体として使って毒性のある薬剤をがん部位にのみ送達するというものである。^[10]これはナノ粒子の外側を酸化鉄でコーティングすることで実現され（MRI装置で簡単に追跡できる）、腫瘍の領域が薬剤を充填したナノ粒子でコーティングされると、共鳴光波を使用してナノ粒子が活性化され、薬剤が放出される。

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