精密医療実現の為のナノ粒子薬剤輸送

いつも記事を読んでくださり、ありがとうございます。

細胞特異的輸送系統において
「材料の研究、理解」は非常に重要だと考えています。
輸送媒体として何を選ぶか？
これについては非常に多くの選択肢がありますが、
材料の特性などを理解したうえで
安全性や薬効はもちろんですが、
コストや生産性の観点でも考える必要があります。
一つの基礎となるのが材料科学だからです。
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Mandana T. Manzari, Yosi Shamay, Hiroto Kiguchi(敬称略)
らアメリカで主に活動されている医療研究グループは
材料科学を扱うNature Reviews Materialsで
精密医療(個別医療:Precision Medicine)実現のための
薬剤輸送について総括報告されています(1)。
キナーゼ抑制剤を基軸して考えられていますが、
ここでは細胞特異的輸送系統の骨組みとなる
ナノ粒子の輸送に着目して内容を抽出して
その一部を追記、考察しながら
読者の方と情報共有したいと思います。
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//薬剤の輸送のための機会//ーーーーー
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(薬剤輸送の鍵となる観点)
・薬剤動態学(pharmacokinetics)
(※)薬剤がどのように化学反応して生理に影響を及ぼすか？
・生体内の分布(biodistribution)
・オン/オフ標的の毒性、副作用、副反応
・用量依存的な毒性(最大許容用量)
・薬剤耐性
--
(用量依存的な毒性)
基本的には治療のために治験で示された
薬効を発揮するための用量がありますが、
薬剤の毒性、副作用が強い場合には
リスクとベネフィットの天秤に乗せる事になります。
場合によっては薬効を得るための用量まで
副作用の懸念によって使用できないことがあります。
従って、
薬剤輸送効率が良ければ
特定の疾患を持つ細胞、組織に対しての
薬剤作用点をかなり高い水準においても
副作用がかなり少なくすることができると期待できます。
ただし、
この場合においても後述する
オンターゲットでの薬剤の毒性を
除外できるものではありません。
--
(オン/オフターゲット依存的な毒性)
オフターゲットとは
目的とする細胞、組織、臓器に薬剤が輸送されず
通常の細胞に作用して副作用を呈することです。
一方、オンターゲットとは
上述したように目的とする場所に薬剤が到達しても
その薬剤の作用によって副作用が生まれる事です。
例えば、
インテグリンを標的としてナノ粒子を輸送させた場合、
上手く技術が作用してインテグリンにナノ粒子を
アンカーさせる事が出来たとします。
そして、薬剤を無事放出する事が出来ましたが、
インテグリンに結合することでその細胞に
何らかの害を引き起こすことです。
これは標的とする場所に到達しても起こり得ることです。
--
(ナノ粒子輸送による一つの毒性回避策)
ナノ粒子は10～100nmの直径に設定されることが一般的です。
サイズが大きければ、血管内皮からの滲出を防ぐことができるため
毒性や副作用が減る可能性が示唆されています(2)。
例えば、癌組織では土台となる微小環境において
内皮から上皮への組織において細胞の連結が損なわれているために
組織の隙間が大きい状態になっています。
従って、通常の組織では通過しないけど、
癌組織だけに通過する最適なナノ粒子の径が存在します。
(参考文献(1) Fig.4より)
ーーーーー

//ナノ粒子による薬剤輸送//ーーーーー
ここからはナノ粒子輸送に絞った内容となります。
--
(目的)
ナノ粒子に薬剤を包む目的(3)
・吸収
・分布
・代謝
・分泌
・毒性
これらを薬剤本来が持つ特性に加えて
自由度を持たせて改変することにあります。
例えば、癌組織では
浸透率、保持効率がナノ粒子輸送で高まる可能性があります。
(enhanced permeability and retention (EPR) effect)
抗がん剤であるシスプラチンを脂質ナノ粒子で包むことにより
薬剤の密度が癌組織で10～200倍高まったことが
フェーズⅠの臨床経験で示されています(4)。
--
(ナノ粒子の種類)
大きく分けて２つの設計指針があります。
①膜で包む(閉空間を作る)
②結合させて複合体として輸送(開放空間)
また
①と②の組み合わせもあります。
①では
(リン)脂質、金属、ポリマーなどが挙げられます。
細胞そのものを使うという観点もあります。
②では
有名な構想としては
Antibody-drug conjugate(抗体薬物複合体)があり
これと類似するものです。
高分子などで出来たタンパク質などを
繊毛のように周りに伸ばして
そこに薬剤を挟むように結合させる設計。
また複雑なたんぱく質に
そのまま薬剤を結合させる設計もあります。
(参考文献(1) Fig.3を参照、追記)
-----
(生体分布：各臓器に対する輸送)
薬剤輸送を考える上では
細胞の表面のタンパク質をアンカーとして結合させる
あるいはケモカインとの相互作用によって
走化性を持たせるなど「ミクロ(微視的な)」視点があります。
一方で、人の身体は大きいですから
身体の循環の中で解剖学的にマクロな(巨視的な)視点で
薬剤輸送について考える必要があります。
各臓器の代謝を含めた取り込みの特徴をつかみ、
薬剤輸送の効率を高める必要があります。
-
ナノ粒子のサイズによって
・肝臓・脾臓・肺・心臓
これらへの薬剤輸送の分布は異なります(5,6)。
-
・肝臓
標的リガンド：Galactose
(※)アシアロ糖たんぱく質受容体と結合させるため
これは肝細胞に特異的に発現している受容体です(7)。
-
・脳
CD31/PECAM1(血漿内皮細胞吸着分子)(9)
マイクロ泡、集束超音波による頭蓋内輸送(12)
-
・肺
CD31/PECAM1(血漿内皮細胞吸着分子)(8)
噴霧器による鼻腔輸送(11)
-
・骨組織
CD31/PECAM1(血漿内皮細胞吸着分子)(10)
-----
(腫瘍組織への輸送)
標的とする受容体
・トランスフェリン受容体(13)
・葉酸受容体(13)
・細胞表面糖たんぱく質(13)
・EGFR(13)
・インテグリン
・前立腺特異的膜抗原(PSMA)(14)
・PECAM1(9)
・VEGFR(15)
・小窩(16,17)
・Pセレクチン(19)
・Eセレクチン(18)
ーーー
(※インテグリンについて)
コラーゲンなど細胞外マトリックスと相互作用します(23)。
血管の内皮細胞の表面に多く発現されており、
癌組織の成長に欠かせない血管生成や
白血球の分布、癌細胞の転移に関わります。
従って、インテグリンを細胞特異的輸送系統のアンカーとして
選択する場合には血管内皮に捕獲されて
輸送効率が落ちる事が考えられるため
血管内皮にはない型のインテグリンに特異的に結合する
装飾因子を実装する必要があります。
ーーー
アルギニン-グリシンーアスパラギン酸(RGD)は
αvβ3型のインテグリンと高い親和性があります
このRGDはナノ粒子、複合体など
ナノ粒子を使った特異的輸送系統において
広く研究されています(20-22)。
ーーーーー

//生産性、輸送モデルの計算//ーーーーー
この技術を通して命の格差ができる事は望ましい事ではありません。
一方で医療機関、医療機器、製薬メーカーの利益を担保することは
この構想が成功するかどうかに大きく関わる事です。
いずれにしてもこのベースとなるのが
生産性、生産効率を上げる事です。
この点に関しては理工学分野の貢献が非常に大きくなる
部分だと考えています。
--
薬剤をナノ粒子の中に搭載する効率が高いのは
現在調べられているところです。
・薬剤ナノ結晶(24,25)
・脂質ナノ粒子(26)
・ポリマーナノ粒子(27,28)
-----
(コンピューターによる計算) 
概念：「Nanoinfomatics」(29)
・コロイド凝集(30-32)
・脂質の形成状態(40)
・生体内の特性(33-34)
・分子と薬剤の相互作用(35-38)
(分子レベルを超えた領域でも)
・輸送媒体の戦略(39)
これらが検討されています。
--
コンピュータ、スーパーコンピューター、
人工知能(機械学習、深層学習)
畳み込み-ネットワークモデル(41,42)
量子コンピューター
これらを駆使して論理根拠のある薬剤設計ができれば
生産コストの削減、生産効率の向上に貢献して
「誰でも受けられる医療」につながると確信しています。
ーーーーー

//他の療法との併用//ーーーーー
放射線、超音波、光動力医療など
これらの医療との組み合わせが考えられます(43-45)。
例えば、
患部に放射線や超音波を照射することで
初めてナノ粒子が共鳴して開放するような働きをもたせつつ
(つまり薬剤を放出させるトリガー)
その照射自体も治療になるといった事も考えられます。
また、輸送プロセスそのものの効率を
上げる事においても外部からの非侵襲的なアプローチは
選択肢の一つだと考えられます。
ーーーーー


//細胞特異的輸送系統の観点//ーーーーーーーー
細胞特異的輸送系統の付加価値は
①ナノ粒子薬剤輸送の概念の一般化
②同時封入
③他の治療と併用
これらがあると思っています。
基本的には遺伝子などを使って
結合させたいエピトープ、結合部位に
特異的親和性のある装飾因子を
「遺伝子操作など」を使って作り込めるか？
あるいは
他の理工学的プロセスで作製できるか？
これに尽きるところがあります。
任意で制度の良い装飾因子を作り込める技術が確立すれば、
そこから開ける世界はかなり大きなものになると思っています。
従って、
任意の装飾因子を作りこめる事
これが技術的に鍵となる部分です。
ーーーーーーーー

以上です。

(参考文献)
(1)
Mandana T. Manzari, Yosi Shamay, Hiroto Kiguchi, Neal Rosen, Maurizio Scaltriti & Daniel A. Heller
Targeted drug delivery strategies for precision medicines
Nature Reviews Materials (2021)
https://doi.org/10.1038/s41578-020-00269-6
(2)
Bazak, R., Houri, M., El Achy, S., Kamel, S.  & Refaat, T. 
Cancer active targeting by nanoparticles: a comprehensive review of literature. 
J. Cancer Res. Clin. Oncol. 141, 769–784 (2015).
(3)
Farouk, F. & Shamma, R. 
Chemical structure modifications and nano-technology applications  for improving ADME- Tox properties, a review.  
Arch. Pharm. 352, 1800213 (2019).
(4)
Boulikas, T. 
Clinical overview on Lipoplatin:  a successful liposomal formulation of cisplatin.  
Expert Opin. Investig. Drugs 18, 1197–1218 (2009).
(5)
Elci, S. G. et al. 
Surface charge controls the suborgan biodistributions of gold nanoparticles. 
ACS Nano 10, 5536–5542 (2016).
(6)
Hirn, S. et al. 
Particle size-dependent and  surface charge-dependent biodistribution of  gold nanoparticles after intravenous administration. 
Eur. J. Pharm. Biopharm. 77, 407–416 (2011).
(7)
Thapa, B., Kumar, P., Zeng, H. B. & Narain, R. 
Asialoglycoprotein receptor-mediated gene delivery to hepatocytes using galactosylated polymers. 
Biomacromolecules 16, 3008–3020 (2015).
(8)
Parhiz, H. et al. 
PECAM-1 directed re-targeting of exogenous mRNA providing two orders of magnitude enhancement of vascular delivery and expression  in lungs independent of apolipoprotein E- mediated uptake. 
J. Control. Rel. 291, 106–115 (2018).
(9)
Dan, M., Cochran, D. B., Yokel, R. A. & Dziubla, T. D. 
Binding, transcytosis and biodistribution of anti- PECAM-1 iron oxide nanoparticles for brain- targeted delivery. 
PLoS ONE 8, e81051 (2013).
(10)
Heller, D. A. et al.
Modular ‘click- in-emulsion’ bone-targeted nanogels. 
Adv. Mater. 25, 1449–1454 (2013).
(11)
Reychler, G. & Michotte, J. B. 
Development challenges and opportunities in aerosol drug delivery systems  in non- invasive ventilation in adults. 
Expert Opin.  Drug Deliv. 16, 153–162 (2019).
(12)
Mainprize, T. et al. 
Blood- brain barrier opening in primary brain tumors with non- invasive MR- guided focused ultrasound: a clinical safety and feasibility study. 
Sci. Rep. 9, 321 (2019).
(13)
Bazak, R., Houri, M., El Achy, S., Kamel, S.  & Refaat, T. 
Cancer active targeting by nanoparticles: a comprehensive review of literature. 
J. Cancer Res. Clin. Oncol. 141, 769–784 (2015).
(14)
Hrkach, J. et al. 
Preclinical development and clinical translation of a PSMA- targeted docetaxel nanoparticle with a differentiated pharmacological profile.  
Sci. Transl. Med. 4, 128ra39 (2012).
(15)
Wang, Y., Huang, H. Y., Yang, L., Zhang, Z. & Ji, H. 
Cetuximab- modified mesoporous silica nano- medicine specifically targets EGFR- mutant lung cancer and overcomes drug resistance. 
Sci. Rep. 6, 25468 (2016).
(16)
Shamay, Y., Golan, M., Tyomkin, D. & David, A. 
Assessing the therapeutic efficacy of VEGFR-1-targeted polymer drug conjugates in mouse tumor models. 
J. Control. Rel. 229, 192–199 (2016).
(17)
Oh, P. et al. 
In vivo proteomic imaging analysis of caveolae reveals pumping system to penetrate solid tumors. 
Nat. Med. 20, 1062–1068 (2014).
(18)
Shamay, Y., Paulin, D., Ashkenasy, G. & David, A.  
E-selectin binding peptide–polymer–drug conjugates and their selective cytotoxicity against vascular endothelial cells. 
Biomaterials 30, 6460–6468 (2009).
(19)
Shamay, Y. et al. 
P-selectin is a nanotherapeutic delivery target in the tumor microenvironment.  
Sci. Transl. Med. 8, 345ra87 (2016).
(20)
Hallahan, D. E. et al. 
Targeting drug delivery to radiation- induced neoantigens in tumor microvasculature. 
J. Control. Rel. 74, 183–191 (2001).
(21)
Temming, K. et al. 
Delivery of the p38 MAPkinase inhibitor SB202190 to angiogenic endothelial cells: development of novel RGD- equipped and PEGylated drug–albumin conjugates using platinum(II)-based drug linker technology. 
Bioconjug. Chem. 17, 1246–1255 (2006).
(22)
Li, X. et al. 
Synthesis and biological evaluation  of RGD- conjugated MEK1/2 kinase inhibitors for integrin- targeted cancer therapy. 
Molecules 18, 13957–13978 (2013).
(23)
Seguin, L., Desgrosellier, J. S., Weis, S. M. &  Cheresh, D. A. 
Integrins and cancer: regulators of cancer stemness, metastasis, and drug resistance. 
Trends Cell Biol. 25, 234–240 (2015).
(24)
Shamay, Y. 
Quantitative prediction of self assembly yields tumor targeted nanoparticles. 
Nat. Mater. 17, 361–368 (2018).  
(25)
Tuomela, A., Hirvonen, J. & Peltonen, L. 
Stabilizing agents for drug nanocrystals: effect on bioavailability. 
Pharmaceutics 8, 16 (2016).
(26)
Guo, S. & Huang, L. 
Nanoparticles containing insoluble drug for cancer therapy. 
Biotechnol. Adv.  32, 778–788 (2014).
(27)
Woodhead, J. L. & Hall, C. K. 
Encapsulation efficiency and micellar structure of solute- carrying block copolymer nanoparticles. 
Macromolecules 44,  5443–5451 (2011).
(28)
Dinarvand, R., Sepehri, N., Manoochehri, S.,  Rouhani, H. & Atyabi, F. 
Polylactide- co-glycolide nanoparticles for controlled delivery of anticancer agents. 
Int. J. Nanomed. 6, 877–895 (2011).
(29)
Maojo, V. et al. 
Nanoinformatics: a new area  of research in nanomedicine. 
Int. J. Nanomed.  7, 3867–3890 (2012).
(30)
Seidler, J., McGovern, S. L., Doman, T. N. &  Shoichet, B. K. 
Identification and prediction of promiscuous aggregating inhibitors among known drugs. 
J. Med. Chem. 46, 4477–4486 (2003).
(31)
Irwin, J. J. et al. 
An aggregation advisor for ligand discovery. 
J. Med. Chem. 58, 7076–7087 (2015).
(32)
Feng, B. Y., Shelat, A., Doman, T. N., Guy, R. K.  & Shoichet, B. K. 
High-throughput assays for promiscuous inhibitors. 
Nat. Chem. Biol. 1,  146–148 (2005).
(33)
Puzyn, T. et al. 
Using nano- QSAR to predict  the cytotoxicity of metal oxide nanoparticles.  
Nat. Nanotechnol. 6, 175–178 (2011).
(34)
Zhang, Y. et al. 
Lipid- modified aminoglycoside derivatives for in vivo siRNA delivery. 
Adv. Mater.  25, 4641–4645 (2013).
(35)
Guo, C., Luo, Y., Zhou, R. & Wei, G. 
Probing the  self- assembly mechanism of diphenylalanine- based peptide nanovesicles and nanotubes. 
ACS Nano 6, 3907–3918 (2012).
(36)
Guo, C., Luo, Y., Zhou, R. & Wei, G. 
Triphenylalanine peptides self- assemble into nanospheres and nanorods that are different from the nanovesicles  and nanotubes formed by diphenylalanine peptides. 
Nanoscale 6, 2800–2811 (2014).
(37)
Lee, O. S., Stupp, S. I. & Schatz, G. C. 
Atomistic molecular dynamics simulations of peptide  amphiphile self- assembly into cylindrical nanofibers.  
J. Am. Chem. Soc. 133, 3677–3683 (2011).
(38)
Frederix, P. W. et al. 
Exploring the sequence space  for (tri-)peptide self- assembly to design and discover new hydrogels. 
Nat. Chem. 7, 30–37 (2015).
(39)
Shi, C. et al. 
A drug- specific nanocarrier design for efficient anticancer therapy. 
Nat. Commun. 6, 7449 (2015).  
(40)
Alskar, L. C., Porter, C. J. & Bergstrom, C. A. 
Tools  for early prediction of drug loading in lipid- based formulations. 
Mol. Pharm. 13, 251–261 (2016).
(41)
Deepak Baby, Arthur Van Den Broucke & Sarah Verhulst 
A convolutional neural-network model of human cochlear mechanics and filter tuning for real-time applications
Nature Machine Intelligence (2021)
(42)
Peter K. Koo & Matt Ploenzke 
Improving representations of genomic sequence motifs in convolutional networks with exponential activations
Nature Machine Intelligence (2021)
(43)
Sequist, L. V. et al. 
Phase III study of afatinib or cisplatin plus pemetrexed in patients with metastatic lung adenocarcinoma with EGFR mutations.  
J. Clin. Oncol. 31, 3327–3334 (2013).
(44)
Flaherty, K. T. et al. Improved survival with MEK inhibition in BRAF- mutated melanoma. 
N. Engl. J. Med. 367, 107–114 (2012).
(45)
Shamay, Y., Golan, M., Tyomkin, D. & David, A. 
Assessing the therapeutic efficacy of VEGFR-1-targeted polymer drug conjugates in mouse tumor models. 
J. Control. Rel. 229, 192–199 (2016).