JP7208226B2

JP7208226B2 - 機能粒子

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Publication number: JP7208226B2
Application number: JP2020515744A
Authority: JP
Inventors: マイケルエグルストン; シュレーヤスシャー
Original assignee: ノキアテクノロジーズオーユー
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2038-09-14
Also published as: US11579070B2; US20200264090A1; CN111108386A; JP2021502544A; EP3460472A1; WO2019058026A1; EP3460472B1

Description

側面は、一般に、機能粒子およびその使用のための方法に関する。

背景

バイオセンシングは、健康モニタリングおよび医学診断の一部として使用でき、概して、体から採取された試料についてin vitroで行われる。例えば、試料がセンシング素子と相互作用したときに発生する生物学的相互作用に応答して測定可能な信号を発生させるために、プローブ／センシング素子および変換素子を用いることができる。

摘要

一例によれば、機能粒子が提供される。前記機能粒子は、第１の構造形態において第１の光スペクトルシグネチャを有し、第２の構造形態において第２の光スペクトルシグネチャを有する。前記機能粒子は、誘電体コアおよびコアの周りの誘電体コーティングを備えることができる。粒子コアおよびコーティングのうちの一方、他方または両方のために様々な物質が用いられてよく、それらの例は以下に記載される。例えば、ポリマー誘電体物質のようなポリマー物質をコアおよびコーティングのいずれかまたは両方に用いることができる。

一例において、前記第１の構造形態は、コアおよびコーティングを備え、前記第２の構造形態は、コーティングのないコアを備える。代わりに、前記第１の構造形態は、前記機能粒子が非膨潤または膨潤状態であることを含み、前記第２の構造形態は、前記機能粒子が対応する膨潤または非膨潤状態であることを含む。代わりに、前記第１の構造形態は、コアおよびコーティングを備え、前記第２の構造形態は、コアを、改質されたコーティングとともに備えてもよい。（改質された、膨潤した、膨潤していない、分解されたなどの）コーティングが粒子の屈折率、吸収または偏光に変化を生じさせて、それにより、粒子の光スペクトルに変化をもたらす。すなわち、一例において、粒子は、第１および第２の構造形態においてそれぞれ異なる屈折率、吸収または偏光を有する。

一例によれば、機能粒子の光スペクトルシグネチャにおける変化を検出するための方法が提供され。この方法は、第１の光スペクトルシグネチャをもつ機能粒子を提供することと；分光型光コヒーレンストモグラフィーを用いて第１の光スペクトルシグネチャを検出することと；前記機能粒子を認識し、それに結合し、それに対する親和性を有し、またはそれを改質する物質の存在下で、前記機能粒子の第１の光スペクトルシグネチャから第２の光スペクトルシグネチャへの変化を追跡することとを含む。変化を検出することは、前記機能粒子の屈折率、吸収および偏光のうちの１つ以上における変化を検出することを含むことができる。前記方法は、その物質の存在下で分解するように構成された第２の物質で粒子コアを被覆することを含んでもよい。粒子コアおよびコーティングは、誘電体物質とすることができる。一例において、前記方法は、in vivoで、またはin vitroで行われる。

一例によれば、被験者における診断または予後モニタリングを支援するための方法が提供される。前記方法は、第１の光スペクトルシグネチャをもつ機能粒子を提供することと；分光型光コヒーレンストモグラフィーを用いて被験者における第１の光スペクトルシグネチャを検出することと；前記機能粒子を認識し、それに結合し、それに対する親和性を有し、またはそれを改質する物質の存在下で、前記機能粒子の第１の光スペクトルシグネチャから第２の光スペクトルシグネチャへの変化を追跡することとを含む。

一例によれば、診断または予測用途のための機能粒子の使用に関する発明が提供される。前記機能粒子は、第１の構造形態において第１の光スペクトルシグネチャを有する。また前記機能粒子は、前記機能粒子を認識し、それに結合し、それに対する親和性を有し、またはそれを改質する物質の存在下で、第２の構造形態において第２の光スペクトルシグネチャを有する。その物質は、機能粒子の屈折率、吸収または偏光における変化をその存在が引き起こす、バイオマーカー、酵素、タンパク質、炭水化物、低分子薬物または核酸とすることができる。

一例によれば、機能粒子を備える、診断または予測用途における使用のためのキットが提供される。前記機能粒子は、第１の構造形態において第１の光スペクトルシグネチャを有し、第２の構造形態において第２の光スペクトルシグネチャを有しする。分光型光コヒーレンストモグラフィー装置が前記機能粒子の第１の光スペクトルシグネチャから第２の光スペクトルシグネチャへの変化を追跡し、または検出するように構成される。

次に、実施形態が、単に例として、添付図面を参照して記載される。

一例による５μｍの直径をもつ高誘電率（屈折率、ｎ＝１．９）球の散乱振幅の概略図である。一例による１００ｎｍ誘電体コーティングで被覆された金ナノロッドの散乱スペクトルの概略図である。一例による機能粒子の光スペクトルシグネチャにおける変化を示す概略図である。一例による方法のフローチャートである。一例による方法のフローチャートである。

説明

本明細書に記載されるシステムおよびプロセスを当業者が具現し、実装することを可能にするために、実施形態例が以下に十分詳細に記載される。重要なのは、実施形態を多くの代わりの形態で提供できて、それらが本明細書に提示される例に限定されると解釈すべきではないと理解することである。

このように、実施形態は、様々に修正されて、様々な代わりの形態をとりうるが、それらの具体的な実施形態が以下に例として図面に示され、詳細に記載される。開示される特定の形態に限定することは意図されない。逆に、添付の特許請求の範囲内に入るすべての修正形態、均等物、および選択肢が含まれるべきである。適切な場合には、図面および発明を実施するための形態を通じて実施形態例の要素が一貫して同じ参照数字で示される。

実施形態を記載するために本明細書に用いられる用語法は、範囲を限定することを意図しない。本文書における単数形の使用は、１つより多い指示対象の存在を排除すべきではない。言い換えれば、単数で言及される要素は、文脈が明確に別段に示さない限り、１つ以上を含むことができる。「備える」や「含む」等の用語は、特徴やアイテム、ステップ、オペレーション、要素、および／または構成要素の存在を表すが、１つ以上の他の特徴、アイテム、ステップ、オペレーション、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しない。

別段に定義されない限り、本明細書に用いられるすべての用語（技術および科学用語を含む）は、当技術分野における慣例に従って解釈されるべきである。一般的に用いられている用語も、関連する技術分野における慣例に従って解釈されるべきであり、本明細書において明示的にそのように定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されるべきではない。

現在、特定のバイオマーカーの存在の検出は、試料を患者（例えば、血液、尿、バイオプシーなど）から採取して、それらの試料を検査室で分析することによって実行できる。特定のバイオマーカーを検出するための従来の方法は、ストリンジェントな微生物学的および生化学的分析に依存し、最もポピュラーなのは、ＥＬＩＳＡ（ｅｎｚｙｍｅ－ｌｉｎｋｅｄｉｍｍｕｎｏｓｏｒｂｅｎｔａｓｓａｙ：酵素結合免疫吸着アッセイ）およびＰＣＲ（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅｃｈａｉｎｒｅａｃｔｉｏｎ：ポリメラーゼ連鎖反応）である。しかしながら、これらの方法は、時間がかかり、労働集約的であり、器械類のみならず高価な試薬ゆえに費用がかかり、注意深く訓練された人員を必要とする。

かかる従来の生化学ベースの方法と比較して、バイオセンサは、よりポータブルで費用対効果が高く、必要な試料調製および試薬がより少ない。しかしながら、これらのデバイスは、比較的大きいサイズ（少なくともミリメートル～センチメートル・スケール）および生物学的に不適合なパッケージングゆえに体外で用いられる。それらは、信号の測定結果を取得して、断続的なモニタリングをできるだけ可能にするために外部器械類への配線も必要としがちである。

一例によれば、体内のバイオマーカーを継続的にモニターするための非侵襲的な方法が提供される。チューナブルな光シグネチャを保有する機能粒子を光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：ｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）ベースのモニタリングシステムを用いて検出することができて、それにより、in vivoで遠隔バイオセンシングを行うことが可能になる。

従来のＯＣＴは、３Ｄ体積で構造情報を検出することが可能である。分光型ＯＣＴは、ＯＣＴシステムに固有の広帯域波長情報を用いて、画像化されている標的から分光情報を抽出する機能イメージング方法である。分光型ＯＣＴは、ＯＣＴイメージングにおける蛍光タグの代用として、明確な共鳴ピークをもつ金属ナノ粒子が標的生体分子に「くっつく」機能をもたされた、ナノ粒子タグとともに主に用いられてきた。時とともに、これらのナノ粒子は、目的の生体分子に「くっつけられる」ため、その周りに大きい集合体を形成する。これらのナノ粒子は、ＯＣＴ画像のコントラストを向上させる明確なスペクトル共鳴を有するため、分光型ＯＣＴを用いることによって、大きい集合体をもつこれらの領域を容易に同定することができる。これは、実効的に染色のように機能し、特定の生体分子がハイライトされる。しかしながら、機能ナノ粒子は、試料中に何らかの標的生体分子があるかどうかに係わらず、そこに存在するので、分光型ＯＣＴは、いずれの種類のバイオセンサとしても機能せず、ＯＣＴ画像のコントラストを増加させるためにナノ粒子の集合に依存する他のＯＣＴ方法と類似している。加えて、（例えば、グルコースが血液および間質液中にあるように）生体分子が組織中に均一に分布するならば、機能ナノ粒子も均一に分布することになり、測定信号は、標的生体分子がそこになかった場合の信号と同じに見えるであろうという理由で、分光型ＯＣＴは、クラスタ化された生体分子に対してのみ機能する。

一例によれば、（散乱および／または吸収のような）特定の光シグネチャを有する粒子を体内に用いる（例えば、局所クリームにより皮膚を介して、経口摂取、または血流中への注入などを介して置く）ことができる。バイオマーカーの存在下で変化するように、粒子の光シグネチャを適合させることができて、光スペクトルシグネチャにおけるこの変化を、体外に位置するであろうが体中数センチメートルまでを画像化することが可能な、分光型ＯＣＴを用いて、体内で、検出することができる。これは、in vivoのＯＣＴ検出を行うために多数のナノ粒子の集合体には依存しない。むしろ、より少ない粒子を用いることを可能にし、かつ多重化された検出を可能にする、単一の共鳴粒子の改質または崩壊がある。

一例によれば、機能粒子は、粒子の第１の構造形態において第１の光スペクトルシグネチャおよび粒子の第２の構造形態において第２の光スペクトルシグネチャを有する。それに応じて、粒子の構造形態における変化は、その光学特性における変化につながることになり、その変化を追跡し、または決定することできる。

図１は、一例による５μｍの直径をもつ高誘電率（屈折率、ｎ＝１．９）球の散乱振幅の概略図である。図５の例では、機能粒子１００が薄い物質１０３（ｎ＝１．４５）で被覆された誘電体コア１０１（ｎ＝１．９）を備える。粒子１００は、粒子がコア１０１およびコーティング１０３を備える、粒子の第１の構造形態において第１の光スペクトルシグネチャ、およびコーティング１０３が分解されるか、または別の状況では存在せずにコア１０１のみを残した粒子の第２の構造形態において第２の光スペクトルシグネチャを有する。すなわち、図１の例において、第１の光シグネチャは、ｎ＝１．４５である粒子１００の第１の屈折率に関係し、粒子の第２の光シグネチャは、ｎ＝１．９である（すなわち、コーティングが何も存在しない）粒子１０１の第２の屈折率に関係する。

このように、コーティング１０３が除去され、もしくは別の状況では分解されるか、または存在しないときには、粒子１００の散乱スペクトルがレッド・シフトする。粒子１００についてコーティング有りおよび無しの両方の散乱スペクトルが示された図１に散乱スペクトルにおけるシフトが示される。

一例において、粒子１００のコーティング１０３、またはシェルを、例えば、バイオマーカーのような、別の物質の存在下で分解するようなものにすることができる。かかる物質の存在下では、それゆえに、コーティング１０３が分解することになり、粒子１００の光学特性を変化させて、結果として、その後の散乱スペクトルが変化するであろう。

粒子サイズの変化は小さいので、従来のＯＣＴ方法ではいずれの変化も区別できないであろう。しかしながら、一例によれば、粒子１００の光スペクトルを分光型ＯＣＴで追跡することにより、例えば、図１に示されるような、小さい構造変化をいっそう明白なスペクトル変化によって検出することができる。

一例によれば、粒子コアおよび粒子コーティングを様々な天然および合成物質から作ることができる。以下は、いくつかの例である。

天然物質：
キトサン、コラーゲン、アルギン酸塩、デキストラン、ゼラチン、およびアルブミン。

合成物質（通常、本質的にポリマー）：
ポリスチレン、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸メチル［ＰＭＭＡ］、ポリエチレングリコール［ＰＥＧ］、ポリ（乳酸）［ＰＬＡ］、ポリ（グリコール酸）［ＰＧＡ］、ポリ（ラクチド－ｃｏ－グリコール酸）［ＰＬＧＡ］、ポリ（Ｎ－イソプロピルアクリルアミド）［ｐＮＩＰＡＭ］、ポリ（ε－カプロラクトン）［ＰＣＬ］、およびポリ（３－ヒドロキシブチレート－ｃｏ－３－ヒドロキシバレラート)［ＰＨＢＶ］。

他のタイプの物質（一般に、コアとしてのみ用いられるであろう）：
ガラス、チタニア、セラミック、シリカ、磁性、および金属製（金、銀）。

一例によれば、機能粒子を皮膚へ注入するか、またはそれらの粒子が間質液に浸された真皮層を次に拡散するように局所クリームを用いることによって皮下に置くことができる。一例において、特定のバイオマーカーまたは生化学的キューに応答して変化するように粒子のアウターシェル層の特性を操作または構成することができる。この光学的変化（すなわち、第１から第２の光スペクトルシグネチャへのシフトを提供する）を、代わりに、可逆的であってよく、それにより、粒子における化学的変化を通じて粒子の屈折率を変化させるか、または物質の吸収スペクトルを変化させる、粒子の膨湿または分解によって生じさせることもできる。すなわち、粒子の第１から第２の構造形態への変化（逆もまた同様）は、コーティングの除去もしくは分解または膨潤／解膨潤によることができる。一例において、２つの構造形態の組み合わせを用いることができる。すなわち、粒子は、第１の物質の存在下で分解するコーティングおよび第２の物質の存在下で膨潤するコアを備えることができる。

それに応じて、粒子が特定の生体分子（例えば、癌マーカー）と接触するときに、アウターシェルが分解できて、光学特性におけるその後の変化を分光型ＯＣＴを用いて遠隔的に検出することができる。ＯＣＴシステムは、卓上用、または体外に位置する集積ウェアラブルデバイスのいずれかとするができるであろう。

分解の代わりに、一定のバイオマーカーの存在下で屈折率が変化するような機能を有する物質で粒子を被覆できる。図２は、一例による１００ｎｍ誘電体コーティングで被覆された金ナノロッドの散乱スペクトルの概略図である。誘電体コーティングが屈折率を変化させるので、金ナノ粒子の散乱共鳴も変化する。コーティングが、例えば、周囲のグルコース濃度に比例して屈折率を変化させない機能を有していれば、そのときには粒子を血流中へ注入するか、または皮膚の真皮層中に置くことができるであろう。次に、血液グルコース・レベルをin vivoで決定するために、分光型ＯＣＴを用いて金ナノロッドの散乱スペクトルを検出できるであろう。粒子からの全散乱は、相対的に一定のままなので、従来のＯＣＴ方法を用いて観察できる変化は存在しないであろう。しかしながら、分光型ＯＣＴが採用されれば、ピーク光共鳴におけるこのシフトを検出できるであろう。図２の例では、金ナノロッドは、直径が３０ｎｍおよび長さが１７５ｎｍであり、１００ｎｍの厚さの誘電体物質で被覆されている。誘電体コーティングの誘電定数が１．３３から１．４５へ変化するにつれて、金ナノロッドの散乱スペクトルが示される（図２の右側）。

図３は、一例による機能粒子の光スペクトルシグネチャにおける変化を示す概略図である。図３ａは、粒子３０１の光シグネチャを示し、粒子は、コア３０３およびコーティング３０５を備える。図３ｂでは、予測可能な仕方でコーティング３０５に影響を及ぼす生物学的または化学的キューに粒子３０１が曝露される。すなわち、コーティング３０５は、生物学的または化学的キューの存在に反応するように構成される。生物学的または化学的キューへの曝露の結果が図３ｃに示され、同図ではコーティング３０５が改質されて、それにより、粒子の光学スペクトルが変わる。図３ｃの例では、粒子コーティングへのいくつかの潜在的な変化が示される－コーティングを生物学的または化学的キューの存在下で改質する（３１０）ことができて、それにより、粒子の屈折率、吸収または偏光の変化をもたらし、コーティングは、膨潤する（３１１）ことも、もしくは逆にサイズが減少することもあり、またはコーティングが分解する（３１２）こともある。分解は、コーティングが粒子のコア上にもはや存在しない程度まで著しいこともある。

図４は、一例による方法のフローチャートである。より具体的には、図４は、一例による機能粒子の光スペクトルシグネチャにおける変化を検出するための方法のフローチャートである。ブロック４０１において、第１の光スペクトルシグネチャをもつ粒子が提供される。第１の光スペクトルシグネチャは、粒子の第１の構造形態によって規定される。例えば、上記のように、この第１の構造形態を粒子のサイズ（例えば、粒子が膨潤または非膨潤状態にある）によって、またはコーティングによって提供できる。ブロック４０３において、第１の光スペクトルシグネチャが分光型光コヒーレンストモグラフィーを用いて検出される。これをin vivoまたはin vitroで行うことができる。ブロック４０５において、粒子を認識する、それへ結合する、それに対する親和性を有するまたはそれを改質する物質の存在下で粒子の第１の光スペクトルシグネチャから第２の光スペクトルシグネチャへの変化が追跡される。すなわち、粒子の光スペクトルシグネチャの変化が検出される。

図５は、一例による方法のフローチャートである。より具体的には、図５は、一例による診断または予後モニタリングを支援するための方法のフローチャートである。ブロック５０１において、第１の光スペクトルシグネチャをもつ粒子が提供される。第１の光スペクトルシグネチャは、粒子の第１の構造形態によって規定される。例えば、上記のように、この第１の構造形態を粒子のサイズ（例えば、粒子が膨潤または非膨潤状態にある）によって、またはコーティングによって提供できる。ブロック５０３において、第１の光スペクトルシグネチャが分光型光コヒーレンストモグラフィーを用いて検出される。これをin vivoまたはin vitroで行うことができる。ブロック５０５において、粒子を認識する、それへ結合する、それに対する親和性を有するまたはそれを改質する物質の存在下で粒子の第１の光スペクトルシグネチャから第２の光スペクトルシグネチャへの変化が追跡される。すなわち、粒子の光スペクトルシグネチャの変化が検出される。

一例によれば、特定の刺激／バイオマーカーの存在下で変化するように機能粒子を多くの仕方で作ることができる。例えば、特定の酵素の存在下で分解を容易にするために、酵素で切断可能なペプチドをポリマー粒子の主鎖中へ組み込むことができる。

酵素の発現および活性は、癌、疾患、炎症、または病理学的障害に伴って変わることが知られている。このように、一例において、関連付けられた蛋白質分解酵素（例えば、マトリックスメタロプロテアーゼ、ＭＭＰ）によって特異的に認識される認識要素（例えばペプチド鎖／リンカー、ポリマー－ペプチドコンジュゲート）を有するように、粒子を適合させることができる。酵素とペプチド・ベースの認識要素との間のその後の相互作用は、ペプチドの開裂につながり、次には、粒子全体の分解につながり、それにより、光スペクトルシグネチャが変わる。

別の例では、生化学物質の存在下で膨湿／解膨潤を容易にするために、低分子ベースの認識要素を粒子の主鎖中へ組み込むことができる。この例では、標的化学物質の認識要素への結合がポリマー粒子内の電荷分布または疎水性／親水性相互作用を変えて、浸透による膨湿／解膨潤をもたらす。例えば、粒子のポリマー主鎖に共有結合されたフェニルボロン酸誘導体へ結合するグルコース。

一例によれば、機能粒子に特有の光シグネチャを同定し、モニターするための分光型ＯＣＴの利用は、体内バイオセンシングおよび連続モニタリングを可能にする。上記のように、粒子サイズ、形状および組成が誘電体粒子の光学特性を規定し、表面特性を変化させることによってそれをさらに調節できる。周囲環境中の特定の分析物に表面が反応するようにするようにして、遠隔バイオセンシングのための多用途のin vivo・センサをもたらすために、様々な化学機能化を用いることができる。

本明細書では、機能粒子とは、特定の用途のための機能を有する表面を有する粒子または他の小さい局在化された対象物を指す。そのような機能を有するようにすることは、粒子の表面改質を含む。すなわち、粒子は、コアおよびコーティングを含み、上記のように、特定のバイオマーカーの存在下で反応するようにコーティング（少なくとも）を調整できる。別の例では、上記のように、粒子は、バイオマーカーの存在下で粒子が（コーティングだけでなく）全体として反応しうるように機能化される。例えば、上記のように、粒子は、膨潤／解膨潤できて、この構造変化は、コーティングに限られてもよく、または粒子全体にわたって生じてもよく、そのケースでは粒子が、例えば、単一の物質から形成されてもよい。

本発明を他の特定の装置および／または方法で具現することもできる。記載された実施形態は、あらゆる点で説明的で、制限的ではないと考えられるべきである。特に、本発明の範囲は、本明細書における記載および図によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の意味および均等の範囲内に入るすべての変更がそれらの範囲内に包含されるべきである。粒子という用語は、ロッドまたはストリングのような形状または形成物を含み、球状または他の回転楕円体形状に限定することは意図されない。

Claims

人体に実施される診断方法において使用されるための機能粒子であって、
第１の物理的構造形態において第１の光スペクトルシグネチャを有し、第２の物理的構造形態において第２の光スペクトルシグネチャを有し、
誘電体コアおよび前記誘電体コアに全体的に施される誘電体コーティングを備え、
さらに前記機能粒子は、
・前記コアおよびコーティングが損なわれていない時は前記第１の物理的構造形態にあり、前記コアが損なわれていないが前記コーティングは質が低下した場合は前記第２の物理的構造形態にあり、及び、
・前記第１の物理的構造形態において前記機能粒子は非膨潤または膨潤状態にあり、前記第２の物理的構造形態において前記機能粒子は対応する膨潤または非膨潤状態にある、
機能粒子。
前記第１および第２の構造形態においてそれぞれ異なる屈折率、吸収または偏光を有する、請求項１に記載の機能粒子。
前記第１の光スペクトルシグネチャから前記第２の光スペクトルシグネチャへの変化は、前記第１の物理的構造形態と前記第２の物理的構造形態との間の前記機能粒子の前記屈折率、吸収および偏光のうちの１つ以上における変化に由来する、請求項２に記載の機能粒子。
前記誘電体コーティングは、生物学的マーカー物質の存在下で分解するように構成される、請求項１～３のいずれか一項に記載の機能粒子。
人体に実施される診断方法において使用されるためのキットであって、
請求項１から３のいずれかに記載の機能粒子と；
前記機能粒子の前記第１の光スペクトルシグネチャから第２の光スペクトルシグネチャへの変化を追跡し、または検出するように構成された分光型光コヒーレンストモグラフィー装置と；
を備える、キット。