タンパク質コロナ

タンパク質コロナは、ナノ粒子の表面の周りの生体分子（通常はタンパク質）の動的コーティングであり、生物学的媒体にさらされるとコロイドナノ材料中に自発的に形成されます。 ^{[1]タンパク質コロナは、サイズ、形状、組成、電荷、表面}官能基に応じてさまざまなパターンで形成され、温度、pH、せん断応力、浸漬媒体の組成、暴露時間などのさまざまな環境要因によって特性が変わります。 ^[2]これらのコーティングは、生化学的および生理化学的表面相互作用の条件に応じて変化します。^[1]タンパク質コロナの種類は、「ハード」と「ソフト」の2つのカテゴリに分けられることが知られています。^[2]「ハード」コロナは、ナノ粒子表面に不可逆的に結合した親和性の高いタンパク質を持ち、「ソフト」コロナはナノ粒子表面に可逆的に結合した親和性の低いタンパク質を持ちます。^[2]これらの可逆的に結合したタンパク質により、「ソフト」タンパク質コロナ内の生体分子は、さまざまな用途のために時間の経過とともに交換または分離することができます。^{[2]このプロセスは、溶液内に存在する分子間タンパク質-ナノ粒子およびタンパク質-タンパク質相互作用によって制御されます。 [2]}「ソフト」タンパク質コロナでは、表面でタンパク質の交換が観察されるのが一般的です。親和性の低い大きなタンパク質が最初にナノ粒子の表面に凝集することが多く、時間の経過とともに、親和性の高い小さなタンパク質がそれらを置き換え、コロナを「硬化」します。これは、Vroman効果として知られています。^[2]

複数の物理化学的および生化学的要因がタンパク質コロナの形成と構成に影響を与えることが知られています。これまでの多くの研究は、これらのプロセスを理解し、それをどのように利用できるかに焦点を当ててきました。

タンパク質の組成と濃度がタンパク質コロナにどのような影響を与えるかを調べるため、ある研究ではシリカナノ粒子を血漿培地で 1 時間培養し、コロナの形成を観察しました。^[3]タンパク質はシリカ表面に容易に吸着し、培養培地中に存在する血漿の量に応じて異なるパターンで発現することが分かりました。^[3]この実験は 3%、20%、80% の血漿で実施され、血漿の場合、低親和性タンパク質の濃度が高親和性タンパク質よりもはるかに高いため、血漿内での低親和性タンパク質の豊富さにより、ナノ粒子の表面で高親和性タンパク質を置き換える傾向があることがわかりました。 ^[3]このような研究から、特定の培地中の生物学的分子の重量と親和性に応じて、タンパク質コロナが大幅に変化する可能性があることが明らかになっています。^[3]

タンパク質コロナに影響を与えるもう一つの大きな要因は、曝露時間、つまりタンパク質でコーティングされたナノ粒子が流体媒体にさらされる時間です。^[4]ナノ粒子を生体分子媒体に導入するとすぐに、その表面にタンパク質コロナが形成されることはよく知られているため、ある研究では、ナノ粒子をヒト血漿などの生体液に曝露し、これらの媒体への曝露時間がコロナの形成にどのように影響するかを観察しました。^[4]わずか30秒の相互作用の後、約300個のタンパク質がナノ粒子表面に吸着していることが検出され、それらの分子の大部分は親和性（薬理学）が低く、分子量が大きいものでした。^[4] 1分以上の曝露後、異なるタンパク質コロナパターンが観察され、検出されたタンパク質のほとんどは親和性が高く、分子量が小さく、Vroman効果と一致していました。^[4]このように、ナノ粒子の生体液への曝露時間の長さは、タンパク質コロナの組成とパターンを大きく変える可能性があります。

曝露時間に加えて、せん断力という要因もあります。これまで研究者らは、変数を容易に制御できるように、非常に静的な条件下でタンパク質とナノ粒子の相互作用を研究してきました。しかし、これらの条件は、ナノ粒子が一般的にせん断応力や流体力学的流体条件にさらされる人体の条件をあまり反映していません。^[5]そのため、タンパク質コロナが人体でどのように耐えるかを理解するには、流体条件を考慮した実験が必要でした。ある研究では、流体の流れによってタンパク質コロナの生物多様性が高まり、環境に存在するせん断力によってその形状が変化することがわかりました。^[5]これら両方の要因がタンパク質コロナナノ粒子の機能化に影響を及ぼすため、これらの観察は、流体条件の存在下でタンパク質コロナを研究することの重要性を証明しました。

温度もタンパク質とナノ粒子の相互作用に大きく影響します。Cuナノ粒子に関する研究では、ナノ粒子の周囲温度が15℃、27℃、37℃から42℃に上昇すると、ナノ粒子表面に吸着するタンパク質の量も増加することが示されました。^[6]この発見は、タンパク質コロナを病気の治療に利用する取り組みにおいて特に興味深いものでした。なぜなら、これらの粒子を人体に導入する場合、高温で存在し機能する必要があるからです。発熱した人の場合、体温の変化により、ナノ粒子の生体内分布と生体内利用能が変化する可能性があります。^[6]したがって、研究者はタンパク質コロナに対する温度の影響を考慮することが重要です。^[6]

環境 pH もタンパク質コロナの形成に影響を与える可能性があります。タンパク質の特性と機能を研究する際には、pH が考慮すべき重要な要素であることが知られています。pH は、タンパク質とナノ粒子の相互作用におけるタンパク質の結合親和性を変化させ、ナノ粒子の表面に吸着されたタンパク質のパターンを変更します。^{[7] [8]}薬物送達方法に使用する場合、ナノ粒子は、血液(中性 pH)、曝露媒体 (pH 6.9-7.4)、細胞内液(pH 6.8)、リソソーム(pH 4.5-5) などの細胞取り込み経路で複数の異なる pH 変化を経験し、コロナを無傷で機能的に維持できる必要があります。^{[7] [8]}特に癌腫瘍は、酸性の微小環境を誘発することが知られており、ナノ粒子の周囲のタンパク質コロナを変更できる特定の種類のタンパク質を含み、薬物分子に対する身体の治療反応を大きく変える可能性があります。^[7]

最後に、ナノ粒子自体の組成は、その表面でのタンパク質コロナの形成に影響を与える可能性があります。ナノ粒子材料の親水性または疎水性の違いにより、コロナ内のタンパク質の量が決まります。^[9]通常、タンパク質は親水性材料よりも疎水性材料に吸着しやすいです。^[9]その結果、疎水性ナノ粒子は人体で粒子の凝集とオプソニン化を誘発する可能性が高く、血液中の全身循環時間を短縮する可能性があります。 ^[9]

さらに、形成と溶解性を助けるために、ナノ粒子の表面には「指紋」のように機能するリガンドと官能基が付いていることがよくあります。 ^[9]タンパク質指紋とは、リガンドやその他の方法を使用してタンパク質を区別または識別する能力を指します。^[9]これらの指紋により、ナノ粒子の組成を調整して、特定のタンパク質を表面に吸着させることができます。^[9]ナノ粒子の表面粗さもタンパク質コロナの形成に影響を与える可能性があります。ある研究では、粗いナノ粒子表面はナノ粒子と結合タンパク質の一部との間の反発相互作用を最小限に抑えることができ、吸着されるタンパク質の量が増えることがわかっているためです。^[10]

タンパク質コロナはさまざまな機能に利用できますが、主なものは薬物送達です。ナノ粒子が体液と接触したときに形成されるコロナは、重要な薬物分子やタンパク質を人体の必要な部位に送達する可能性について長い間研究されてきました。^[2]ナノ粒子は、ナノスケール化により、高い薬物充填効率と生物学的障壁を容易に通過する能力を持つことが知られています。^{[11] [12]}組成の調整可能性により毒性を制御することができ、特定の活動を実行できるさまざまな官能基のセットを含むように変更することもできます。^{[11] [12]}ナノ粒子のこれらの特性により、薬物送達機能に最適です。

タンパク質コロナ薬物送達の分野における主要な研究分野は、体内のナノ粒子の循環時間の研究である。薬物の効果を最適化するには、送達される場所とそこに留まる時間を特定することが非常に有用である。^[13]多くの場合、血液中のマクロファージはナノ粒子の存在を検知し、すぐに体内から排除しようと働く。^{[13] [14]}これは薬物送達の観点からは必ずしも良いことではないため、循環時間を延長する研究が行われた。タンパク質コロナにフィブリノーゲンなどのオプソニンが多数存在する場合、タンパク質はマクロファージの認識とそれに続くナノ粒子の消費を誘発する傾向があることがわかった。^{[13]逆に、コロナが}アルブミンなどのジオプソニンで飽和している場合、マクロファージは粒子の認識を低下させ、粒子の循環時間が大幅に増加する。^[13]この技術は、大まかに「ステルス効果」と呼ばれている。^[13]タンパク質コロナの内容を調整することで、ナノ粒子が体内に留まる時間を制御することができます。

前述のように、ナノ粒子は表面に化学選択性を誘導する特定の官能基を持つように成長させることができる。トランスフェリン、インスリン、葉酸などの機能性生体分子は、がんを標的とした薬物送達システムで一般的に使用されている。^[15]無水物、アミン、カルボキシル、チオールなどの他の小さな分子は、ナノ粒子を内皮細胞、膵臓細胞、活性化ヒトマクロファージと高い細胞結合性に導くために使用できる。 ^[15]アポE、アポA1、アポB-100などの特定のアポリポタンパク質は、神経系を標的とするナノ粒子を機能化できる可能性がある。^{[16] [17]}

ナノ粒子による薬物送達に関するもう一つのより差し迫った問題は、ナノ粒子が標的部位や様々な臓器に蓄積し、毒性を及ぼす可能性があることである。^[14]ナノ粒子のサイズが体内での分布を左右することが知られており、異なるサイズのナノ粒子は特定の臓器に蓄積する傾向がある。^[18]したがって、薬物送達中に標的部位でナノ粒子の分布と蓄積を考慮する場合、サイズは非常に重要な制御要因である。^[18]