JP2007197382A

JP2007197382A - 半導体ナノ粒子

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Publication number: JP2007197382A
Application number: JP2006019240A
Authority: JP
Inventors: Hisahiro Okada; 尚大岡田; Kazuyoshi Goan; 一賀午菴; Kazuya Tsukada; 和也塚田
Original assignee: Konica Minolta Medical and Graphic Inc
Current assignee: Konica Minolta Medical and Graphic Inc
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】がんの治療などに用いることができる、活性酸素発生速度が従来よりも高い半導体ナノ粒子を提供する。
【解決手段】コアシェル構造をもつ半導体ナノ粒子のシェルの一部が欠損していることにより、あるいはコアの一部がアモルファスであることなどにより得られる、発光量子効率が０.１〜５０％、好ましくは０.１〜２０％、より好ましくは０.１〜５％である半導体
ナノ粒子。発光量子効率がこれらの所定の範囲にある場合、紫外線を照射したときの半導体ナノ粒子の活性酸素発生速度は１ｍＬ／min／ｇ以上に達することが可能であり、がん
細胞を死滅させるために効果的である。
【選択図】なし

Description

本発明は、生体物質を対象とした蛍光標識剤として用いられ、またがん細胞を死滅させる作用をも有する、半導体ナノ粒子に関する。

半導体ナノ粒子は、生体標的物質（タンパク質、例えば抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチドなど）を対象とした蛍光標識剤として用いられている物質である。この半導体ナノ粒子のは、発光スペクトルがシャープな形状である（半値幅が狭い）こと、発光強度が強いこと、励起波長と発光波長が離れているため検出精度が高いこと、粒子サイズに応じて励起波長を制御できること、ならびに蛍光寿命が長いことなど、有機蛍光色素と比較して有利な点をもっており、優れた蛍光標識剤として注目されている。

近年、半導体ナノ粒子を蛍光標識剤としてがん細胞に吸着させ、励起光を照射した際に、がん細胞の一部が死滅することが明らかとなった（非特許文献１参照）。その原理としては、半導体ナノ粒子に吸収されたエネルギーの一部が、この半導体ナノ粒子の近辺に存在する酸素と反応して活性酸素を発生させることに費やされ、この活性酸素ががん細胞のアポトーシスを誘導することが指摘されている。

このように、半導体ナノ粒子はがんの治療にも応用可能であることが示されたが、どのような半導体ナノ粒子を用いることが好適であるか、またそのような半導体ナノ粒子をどのようにして製造するかについて、未だ充分な検討は行われていない。なお、従来の蛍光体については一般的に量子効率の高いものの利用が図られてきている。例えば特許文献１では、放電容器に誘電体バリヤ放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスを充填し、放電容器の壁の少なくとも一部に蛍光体を設けた誘電体バリヤ放電蛍光ランプにおいて、該蛍光体として量子効率が１を越える蛍光体を使用することが提案されており、特許文献２では、ブラウン管や医薬品開発に使用されるラジオイムノアッセイ用の蛍光ビーズなどに用いられる蛍光体として、一次粒子の中央粒径が０．０５μｍ〜２μｍの範囲に有り、かつ、内部量子効率が０．５〜１の範囲にある蛍光体を利用することが提案されている。
特開平６−２１５７３６号公報特開２００４−１４３２７７号公報 Nature Biotechnology. November 2004, Volume 22 No 11. pp1360-1361: Quantum dots as photosensitizers?

本発明は、がんの治療などに用いることができる、活性酸素発生速度が従来よりも高い半導体ナノ粒子を提供することを目的とする。

本願発明者らは、例えばコアシェル構造をもつ半導体ナノ粒子のシェルの一部が欠損していることにより、あるいはコアの一部がアモルファスであることなどにより得られる、発光量子効率が０.１〜５０％、好ましくは０.１〜２０％、より好ましくは０.１〜５％
である半導体ナノ粒子は、活性酸素発生速度が従来の半導体ナノ粒子よりも高いことを見出し、本願発明を完成させるに至った。発光量子効率がこれらの所定の範囲にある場合、紫外線を照射したときの半導体ナノ粒子の活性酸素発生速度は１ｍＬ／min／ｇ以上に達
することが可能である。このような半導体ナノ粒子は、がん細胞を死滅させるために効果
的であり、その表面にがん細胞に特異的に結合しうる部位を有する修飾基を導入することにより、抗がん剤の有効成分として用いることができる。

本発明により、活性酸素発生速度が高まった、がん細胞を死滅させるために好適に用いることのできる半導体ナノ粒子を提供することが可能となる。

半導体ナノ粒子
本発明に用いられる半導体ナノ粒子は、ナノオーダーの粒子中に空間的に励起子を閉じ込め、いわゆる量子閉じ込め効果により、バルク以上の発光強度が得られる蛍光物質である。この半導体ナノ粒子は、その粒径により発光強度や蛍光波長が変化することが知られており、所望の粒径のものを適宜調製することが可能である。

本発明においては、上記半導体ナノ粒子は、球状の半導体ナノ粒子からなるコアと、該コアとは異なる組成からなり該コアを被覆する層状のシェルとで構成される、いわゆるコアシェル構造を有する半導体ナノ粒子であることが望ましい。

上記半導体ナノ粒子を構成する物質は特に制限されず、例えば、ＣｕＣｌ等のI-VII族
化合物半導体、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ等のII-VI族化合物半導体、ＩｎＡｓ等のIII-V族化合物半導体またはＳｉ、Ｇｅ等のIV族半導体もしくはこれらの化合物半導体などの結晶を適宜選択して用いることができる。また、上記コアおよびシェルの構成については、例えば、ＣｄＳｅをコア／ＺｎＳをシェル、Ｓｉをコア／ＳｉＯ₂をシェルとするなど、用いる半
導体ナノ粒子に応じて好適な組み合わせを適宜選択することができる。本発明では、環境汚染や人体に対する毒性が懸念される物質を用いることなく、しかも発光が良好であることから、Ｓｉをコア／ＳｉＯ₂をシェルとする、またはＧｅをコア／ＧｅＯ₂をシェルとするコアシェル構造を有する半導体ナノ粒子を用いることが好適である。

＜発光量子効率および活性酸素発生速度＞
本発明の半導体ナノ粒子の発光量子効率は、ガン細胞に対する攻撃性の点から低い方が好ましく、通常０.１〜５０％、好ましくは０.１〜２０％、より好ましくは０.１〜５％
である。ここで、発光量子効率とは、半導体ナノ粒子に吸収された光子の個数に対する、半導体ナノ粒子から放射された光子の個数の比として定義される。発光量子効率が上記の範囲内である半導体ナノ粒子は、発光量子効率が下がることにより活性酸素生成に用いられるエネルギーが生じるため、活性酸素発生速度が従来の半導体ナノ粒子よりも高い。したがって、紫外線（例えば一般的に使用される波長である３６５ｎｍ）を照射したときの活性酸素発生速度が１ｍＬ／min／ｇ以上にも達し、がん細胞を死滅させるのに効果的で
ある。

コアシェル構造を有する半導体ナノ粒子において、シェルの一部が欠損することにより、すなわちコアの表面の一部がシェリングされないことにより、バンドギャップに乱れが生じ、本来発光に関わるエネルギーが熱および活性酸素生成に用いられるため、発光量子効率が上記の範囲内である半導体ナノ粒子を得ることが可能である。また、コアの一部がアモルファス（非晶質）であることにより、すなわち結晶性でない部分を含む半導体をコアとすることにより、同様にバンドギャップに乱れが生じ、本来発光に関わるエネルギーが熱および活性酸素生成に用いられるため、発光量子効率が上記の範囲内である半導体ナノ粒子を得ることが可能である。

なお、上記量子効率は、例えば特開平９−２９２２８１号公報に記載された方法などにより測定することが可能である。上記活性酸素発生速度は、例えばLUMI-COUNTER 2500を
用いる方法などにより測定することが可能であり、２７℃における値である。また、シェルの一部が欠損していることは、ＴＥＭにより確認することが可能であり、コアの一部がアモルファスであることも、ＴＥＭにより確認することが可能である。

修飾基
本発明の半導体ナノ粒子をがん細胞に特異的に結合させてアポトーシスを誘発させようとする場合、通常は、半導体ナノ粒子の表面に、がん細胞に特異的に結合しうる部位を有する「修飾基」を導入する必要がある。この修飾基は、例えば、がん細胞を特異的に認識し、これに結合しうる部位（以下「がん細胞結合部位」という。）、無機蛍光ナノ粒子の表面に直接結合している部位（以下「表面結合部位」という。）およびこれらの生体物質結合部位と表面結合部位を連結している中間部位（以下「スペーサー」という。）から構成される。なお、本発明の半導体ナノ粒子は、本発明による効果を阻害しない範囲において、必要に応じてその他の修飾基を有することも可能である。

上記がん細胞結合部位としては、がん組織指向性を付与する機能物質が好適であり、例えば、がん細胞表面の糖鎖の構造を認識しこれに結合するタンパク質であるレクチンや、がん細胞の特有抗原に対する抗体（例えば抗腫瘍抗体の抗CD90抗体）などが挙げられる。

このようながん細胞結合部位を介して、本発明の半導体ナノ粒子をがん細胞のみに結合させることが可能である。したがって、抗がん剤に含有させて生体内に投与し、がん腫瘍組織に結合させるよう利用することができる。

製造方法
＜半導体ナノ粒子の調製＞
本発明の半導体ナノ粒子は、例えば、ＣＶＤ法、レーザーアブレーション法、シラン分解法、Ｓｉ電極蒸発法などの気相法や、電気分解法、逆ミセル法などの液相法を用いて製造することが可能である。これらの製造方法において、反応条件を調整し、例えば、コアシェル構造を有する半導体ナノ粒子のシェルの一部を欠損させることにより、あるいは、コアの一部をアモルファスにすることにより、量子効率が前述の所定の範囲内にある半導体ナノ粒子を得ることが可能である。

本発明の一態様として、Ｙ字型反応装置の流路合流点において、四塩化ケイ素溶液と還元剤（硫酸ヒドラジンなど）とを混合して反応させることによりシリコンナノ粒子を形成させ、得られたシリコンナノ粒子を加熱酸化することによりＳｉＯ₂のシェルを形成させ
る製造方法が挙げられる。この製造方法において、コアの表面を１００％シェリングする温度（例えば８０℃）よりも低い温度で反応させることにより、シェルがコア全体を充分に覆いきれなくなり、シェルの一部が欠損した半導体ナノ粒子を得ることが可能である。また、コアの一部がアモルファスである半導体ナノ粒子は、例えば低温で形成することにより製造することが可能である。

＜修飾基の導入方法＞
本発明の修飾基は、半導体ナノ粒子の表面に結合しうる化合物を用いて前記表面結合部位を形成し、この化合物に前記がん細胞結合部位を形成する物質を結合させることにより、導入することが可能である。また、表面結合部位を形成する化合物に、スペーサーを形成する化合物を結合させた後、前記がん細胞結合部位を形成する物質を結合させてもよい。

表面結合部位を形成する化合物としては、例えば、無機物と有機物とを結合させるために広く用いられている化合物であるシランカップリング剤を用いることができる。このシランカップリング剤は、分子の一端に加水分解でシラノール基（Ｓｉ-ＯＨ）を与えるエ
トキシ基またはメトキシ基を有し、他端にチオール基（メルカプト基）、アミノ基、エポキシ基（グリシジル基）、アルデヒド基などの官能基を有する化合物であり、例えば、メルカプトプロピルトリエトキシシランなどが挙げられる。シランカップリング剤は、例えば半導体ナノ粒子とともに水系溶媒中で攪拌するなど、公知の手法を用いて反応させることにより、酸素原子を介して蛍光ナノ粒子と結合する。

表面結合部位を形成する化合物としては、例えば、無機物と有機物とを結合させるために広く用いられている化合物であるシランカップリング剤を用いることができる。このシランカップリング剤は、分子の一端に加水分解でシラノール基（Ｓｉ-ＯＨ）を与えるエ
トキシ基またはメトキシ基を有し、他端にチオール基（メルカプト基）、アミノ基、エポキシ基（グリシジル基）、アルデヒド基などの官能基を有する化合物であり、例えば、メルカプトプロピルトリエトキシシランなどが挙げられる。そして、常法によりシランカップリング剤と半導体ナノ粒子とを反応させることにより、酸素原子を介して両者は結合し、半導体ナノ粒子の表面修飾が行われる。

また、上記シランカップリング剤の代わりに、ジメルカプトコハク酸や１１−メルカプトウンデカン酸などを用いて表面結合部位を形成することもできる。例えば、後述するような逆ミセル法により半導体ナノ粒子を製造した場合、その表面はＴＯＰＯ（tri-n-octylphosphine oxide）などで被覆されているが、これとジメルカプトコハク酸とを置換反応させることが可能である。これにより、ジメルカプトコハク酸は硫黄原子を介して半導体ナノ粒子の表面に結合するが、他端にはカルボキシル基を有するため、下記のようながん細胞結合部位を結合させることができる。

本発明では、上記シランカップリング剤などの表面結合部位を形成する化合物に、スペーサーとして、ｓｕｌｆｏ−ＳＭＣＣ（maleimidomethylcyclohexanecalboxylic acid sulfohydroxysuccinimide ester sodium salt）などのビファンクショナルクロスリンカー
と呼ばれる有機分子を結合させてもよい。

例えば、上記ｓｕｌｆｏ−ＳＭＣＣは、アミノ基またはチオール基に対する指向性を有する反応部位を２つ有するので、その片方を例えばシランカップリング剤に結合させ、他方を生体物質結合部位を形成するための化合物との結合に用いることができる。また、日ファンクショナルクロスリンカーとしては、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などのオキシアルキレンの両端に、表面結合部位を形成する物質と、生体物質結合部位を形成する物質とに結合しうる機能性官能基が導入された構造のものを用いることもできる。

一方、がん細胞結合部位は、上述したようなレクチンまたは抗体の一部に、表面結合部位またはスペーサーを形成する化合物が有する官能基と結合しうる官能基をあらかじめ公知の方法に従って導入することにより、それらの化合物と結合させることが可能である。例えば、カルボキシル基を有するジメルカプトコハク酸と、アミノ基が導入されたレクチンとを反応させた場合、アミド結合により、修飾基にレクチンが導入される。また、レクチンまたは抗体などのタンパク質が有するジスルフィド結合の一部を失活しない範囲で還元剤を用いて切断することにより、これらのタンパク質にチオール基を導入し、部位Ｂに結合させることも可能である。

実施例および比較例
（比較例１）
四塩化ケイ素を０.１mol／Ｌとなるよう純水に溶解させ、これをＡ液とした。また、硫酸ヒドラジンを０.１mol／Ｌとなるよう純水に溶解させ、これをＢ液とした。これらのＡ、Ｂ両液を８０℃に保持し、直径１ｍｍのＹ字型反応装置に導入して反応させ、平均粒径５.７ｎｍのＳｉ半導体ナノ粒子を得た。これをサンプル１とする。なお、Ｓｉ半導体ナ
ノ粒子の平均粒径は、サンプル１の３００個の粒径をＴＥＭにて測定した結果から求めたものであり、下記の実施例１〜３においても同様である。

（実施例１）
四塩化ケイ素を０.１mol／Ｌとなるよう純水に溶解させ、これをＡ液とした。また、硫酸ヒドラジンを０.１mol／Ｌとなるよう純水に溶解させ、これをＢ液とした。これらのＡ、Ｂ両液を５０℃に保持し、直径１ｍｍのＹ字型反応装置に導入して反応させ、平均粒径５.７ｎｍのＳｉ半導体ナノ粒子を得た。これをサンプル２とする。

（実施例２）
四塩化ケイ素を０.１mol／Ｌとなるよう純水に溶解させ、これをＡ液とした。また、硫酸ヒドラジンを０.１mol／Ｌとなるよう純水に溶解させ、これをＢ液とした。これらのＡ、Ｂ両液を４０℃に保持し、直径１ｍｍのＹ字型反応装置に導入して反応させ、平均粒径５.７ｎｍのＳｉ半導体ナノ粒子を得た。これをサンプル３とする。

（実施例３）
四塩化ケイ素を０.１mol／Ｌとなるよう純水に溶解させ、これをＡ液とした。また、硫酸ヒドラジンを０.１mol／Ｌとなるよう純水に溶解させ、これをＢ液とした。これらのＡ、Ｂ両液を３０℃に保持し、直径１ｍｍのＹ字型反応装置に導入して反応させ、平均粒径５.７ｎｍのＳｉ半導体ナノ粒子を得た。これをサンプル４とする。

［試験例］
上述のようにして得られたサンプル１〜４の粒子を１０μgずつ分取した。ＮＥＣ製Ｆ
Ｌ６ＢＬ−Ｂを使用し３６５ｎｍの近紫外線を照射し、発光をコニカミノルタセンシング社製CS-200で測定することにより、３６５ｎｍの励起光での量子効率を計測した。また、LUMI-COUNTER 2500を用いて、活性酸素生成速度を測定した。

これらの試験例の結果は、表１に示したとおりである。

Claims

シェルの一部が欠損していることを特徴とするコアシェル構造を有する半導体ナノ粒子。
コアの一部がアモルファスであることを特徴とするコアシェル構造を有する半導体ナノ粒子。
発光量子効率が０.１〜５０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導
体ナノ粒子。
発光量子効率が０.１〜２０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導
体ナノ粒子。
発光量子効率が０.１〜５％であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体
ナノ粒子。
波長３６５ｎｍの紫外線を照射したときの半導体ナノ粒子による活性酸素発生速度が１ｍＬ／min／ｇ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体ナノ
粒子。
がん細胞に特異的に結合しうる部位を有する修飾基を表面に有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体ナノ粒子。
請求項７に記載の半導体ナノ粒子を含有する抗がん剤。