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日立高新技术在中国

功能性高分子的应用将推动分析化学和精准医疗事业的加速发展

~分离科学技术为新时代的医疗事业贡献力量~

《SI NEWS》第57-2刊中,刊载了庆应义塾大学金泽秀子老师撰写的“基于HPLC的同时超高速分离分析多种药物成分的方法”,为读者介绍了如何对含有两种以上有效成分的药物进行分离分析。
为深入了解科研工作者在医疗研究领域的最新进展,我们特地参观了芝共立校区内的实验室。

庆应义塾大学药学部 创药物理化学讲座 教授
金泽 秀子

庆应义塾大学药学部 创药物理化学讲座 教授 金泽 秀子

搞科研要站在巨人的肩膀上

为实现某种简便和直观性,在理论实践中诞生了学术领域。科研人员始终站在科学研究的最前线,他们打破学术界限,由此开辟了一片新天地。
探索更多药物的物理性和化学性,钻研以色谱仪为核心的分析化学仪器,设计并合成出功能性高分子。金泽秀子女士主要研究医学、工学、药学领域,但不专注于某个学科,旨在深化人类对生命科学课题的认知与理解。
在东京医科牙科大学医学部的实验室里,金泽女士完成了抗药性质粒的研究,并将此项研究写入了毕业论文。毕业后,她进入日本电信电话公社(现在的NTT)医用信息研究所,“深刻感觉到自身能力不足”。于是继续深造,在公立药科大学研究生学院研究科取得博士学位。随后,金泽女士获得了去东京大学生产技术研究所(东大生研)的学习机会。

“学校提供了良好的科研环境和平台,我遇到了一个千载难逢的好机会”。在这里,我有幸结识了享誉再生医学第一人、东京女子医科大学教授—冈野光夫先生,在药学系鲜有涉足的功能性高分子的合成,甚至是新型温感液相色谱仪的开发方面,他都给了我不少启发。

研发如何应用功能性高分子分离系统

“功能性高分子对热、光等物理性刺激或酸、碱等化学性刺激具有应激性,为适应外界刺激高分子会改变自身的结构和性质,所以功能性高分子对不同的刺激具有特异性”

功能性高分子内部的感温高分子Poly(Nisopropylacrylamide)(PNIPAAm)受到外界的温度刺激时,当温度高于低温临界溶解温度32℃时,聚合物链凝聚且不溶于水,呈现白浊现象。反之,低于32℃时,聚合物链与水分子结合、溶解,呈透明状,此现象为不可逆的吸放热现象。无数的科研学者投身于高分子应激性应用的研究中,1990年日本的冈野先生等人率先提出了“细胞片工程学”概念。将PNIPAAm固定于培养皿表面,随着温度的变化,样品表面由疏水性向亲水性发生转变,因此不需要蛋白酶分解,即可直接剥离细胞片。

“如果培养皿表面性质(亲水性、疏水性)改变,液相色谱仪表面填充剂的性质也会相应变化,由此可实现物质分离。”

东大生研时期,金泽女士采用多孔玻璃研究开发了液相色谱填充剂,此外,她还对生药成分进行分析,希望应用到功能性高分子的分离系统之中,而在此之前几乎没有相关有价值的文献报道,可谓是这方面研究的第一人。

大力推动“分离”技术革新,全新推出温感液相色谱仪

液相色谱仪是将待测样品注入流动相,泵入色谱柱内,利用固定相(色谱柱内的填充剂)和样品之间相互作用所产生的速度差,分离并检测出样品的成分。我们通常所使用的液相色谱仪的流动相内含盐类和甲醇、乙腈等有机溶剂,与固定相之间产生的作用力的大小、吸附能力强弱不同,随着流动相的移动,混合物在两相间经过反复多次的分配平衡,最终实现混合物中各组分的分离与检测。为实现最佳分离效果,需要考虑流动相的组成。为此,金泽女士引入了一个全新优化分离概念,不用改变流动相组成,可通过吸附在固定相表面的功能性高分子性质的显著变化,使组分实现最佳分离效果。

“固体表面吸附功能性高分子,改变了固体表面的性质。例如,本来是亲水性固体表面,由于受到外部温度刺激,表面会表现出疏水性。极小的温度变化也会导致物质的亲水性、疏水性变化。所以,即使流动相内不注入有机溶剂,固定相表面的性质也会变化,通过流动相内物质的吸附、解吸等,达到组分分离的效果。因此,这款温感液相色谱仪可以使用最简单的溶剂—水作为流动相”


2000年,金泽女士等人开发的全新分离系统发表在美国化学会(American Chemical Society)日刊 Analytical Chemistry并上了该期刊的封面,获得了国内外人士的高度好评。温感液相色谱仪是一款环保型分离仪器,它无需使用有机溶剂,也不用调整流动相,从而避免废液对环境的污染。而且它还可以避免因添加有机溶剂引起蛋白质变性或失活,为后基因组时代蛋白质分离的研究提供了无限可能。

“温感液相色谱仪可在不改变有机溶剂浓度的前提下,实现多种分离模式,因此可将该液相色谱仪应用于更多领域。例如,应用在再生医疗领域,在细胞治疗逐渐普遍化的今天,如何确保医疗服务质量?这就需要我们对蛋白质和细胞进行准确地分离分析,蛋白质是生物大分子,它和小分子不同,许多蛋白都和细胞有特异性的结合位点,单凭简单的分离模式难以实现蛋白和细胞的分离,而使用精心设计的功能性高分子,可以实现蛋白质、核酸等生物大分子和细胞的分离。”

功能性高分子为药物传输研究提供更多的可能

温感液相色谱仪也可用于药物传输系统(DSS)研究,有望完成精准向身体特定部位输送药物。

“将附着功能性高分子的纳米颗粒置于体内,通过控制相互作用力大小,使其到达癌细胞等的指定部位。但一旦载入体内,将伴随一生,所以要想真正应用这一技术还需要我们继续钻研,跨越一道道障碍”

金教授课题组研发的DDS旨在用于癌症治疗,将核酸药物注入表面为感温高分子的纳米载体内,然后将其直接作用于病原基因。纳米载体到达患处后,从外部加热该病患部位,核酸药物就会释放出来。通过细胞培养实验可知,通过上述方法,那些很容易被血液中各种酶破坏的核酸药物可以通过纳米载体,精准地运达癌细胞位置,然后快速被吸收。

深入研究生物体,为临床诊断和治疗提供新的途径和方法

病毒是将自身的遗传物质置于蛋白载体内,以稳定存活于生物体内。运用这一原理,研发出类似于病毒的纳米载体,可准确将药物或遗传物质送至目标位置(患处),并利用感温高分子将药物在体内释放。

“要将像病毒一样生物功能复杂的载体准确导入精密的人体结构中,这就需要对生物体的各个结构及功能结构十分了解,因此我对仿生学和生物体模仿学非常感兴趣。”

通过准确捕捉外部环境变化,生物体外形和功能作出敏锐反应。模拟这种原理,开始尝试人工材料的研发,这将推进功能性高分子的合成和DDS开发。而且,以生物模拟的功能聚合物为基础,开发出可使指定细胞发光的荧光探针,由此可将药物传送到指定细胞。荧光探针是一种生物成像技术,采用环境响应性高分子,可实时观测生物体内情况。

“我认为,由于荧光物质受周围环境影响,会产生发光或不发光现象,如果将荧光物质导入功能聚合物内,应该可以探索出更多新东西。在研发DDS过程中,在聚合物上附着荧光分子,可有效利用pH响应性和温度响应性等聚合物性质,获得直观图像。例如,癌细胞周围的pH值比正常部位的pH值低,所以可利用成像pH响应性,只照射癌细胞。”

科研人员在创造千分之一的可能性

金教授课题组通过“模拟”生物体功能,研发应激性聚合物合成技术和重构分离系统,为医学诊断和治疗作出贡献。为了让普通用户能够切实感受到这种具有划时代意义的分离方法的真正价值,日立高新技术公司将带领分析仪器厂家在硬件开发方面提供支持,与金教授课题组相互协助,共同进步。

“在液相色谱仪中,流动相中的有机溶剂浓度的变化对分离的效果远大于温度变化,但是温感液相色谱仪是通过温度变化来实现来物质分离的。如果没有仪器能够实现这些功能,那么我们辛苦研发的填充剂也将面临着推广难题。目前日立正在研发高性能柱温箱,利用它我们可以研制出一个新系统,使前处理过程简单化,还可以在线分析血清中的药物”

新任液相色谱仪科学会会长的金泽女士,还在庆应义塾大学设立了研究中心,以培养科研人才、探索医学、工学、药学的未知领域,她平时工作十分繁忙,但仍然对许多事物保持一颗好奇心,一想到什么,“就一定要尝试一下”,正因为如此,她的身上散发着独特的魅力。

“所谓的科研就是要经历无数失败,一般100次尝试中,有99次都是失败的,更甚者,1000次实验,999次都以失败告终。但是,只要成功1次,就会让人振奋不已,这种心情其他人不能理解,这也是科研人员永不放弃的动力。”

科研还讲究团队合作,光靠一个人不可能实现科学的进步。无论你发明了多么高级的东西,“没有人用,也卖不出去,岂不是形同虚设?所以,发明家的初衷是让更多的人使用自己的发明。”
金泽女士满怀科研的热情,朝着梦想不懈努力。

(采访・撰稿:石桥今日美)

编者按

每年一到了杉树花粉漫天飞舞的季节,我就明显感觉到身体是一个精密复杂的系统。仅仅30-40 µm的颗粒,就会引起身体的不适。我是过敏性体质,尽管我性格上不拘小节,身体却是十分敏感。但是,通过电子显微镜图像看到人体系统的连锁反应,我了解了过敏现象,这大概就是人类本能地容易相信自己“看到的东西”。在医疗领域快速发展的生物成像技术,未来会通过“可视化”治疗来治愈患者。我很荣幸能够听到金泽老师讲述如何将理论应用到实践中,再加上她本身的才学,即便在这个伤春的季节,我依旧能够感觉到一个崭新的时代,正在悄然开启。

(采访:大塚智惠)