mRNA-脂質ナノ粒子による医療と展望

//背景//---
日本ではファイザー/ビオンテック社、モデルナ社の
メッセンジャーRNA(mRNA)ワクチンの接種が進んでいます。
専門家だけではなく、一般の人においても
mRNAという名前の認知が進んでいる事は思いの他大きいと思っています。
このような社会的認知も
医療の発展を推し進める一つの重要な要素だからです。
例えば、公的機関、民間からの
経済的な支援も得られやすくなります。
現時点で少なくとも数億人に対して
これらのmRNAワクチンの接種が進んでいて、
新型コロナウィルスに関しては
メリットがデメリットを大きく上回ることは
世界的に証明されています。
日本でも65歳以上の高齢の方の接種率が80%を超えていて、
なおかつ疫学的にも感染者の割合が減っている事から
ワクチンのメリットを実感する事ができます。
このような「ナノ粒子」を使って
mRNAを輸送する方式は他の感染症、癌、遺伝子性の疾患など
様々な疾患に対して応用が可能です。
比較的安価で、開発から早期に臨床まで到達できた功績は
今後の医療を大きく推し進めるものだと考えられます。
後述する細胞特異的輸送系統においても
新型コロナウィルスワクチンの普及は
発展途上国や経済的に恵まれない人も含めて
「誰でも受けられる治療」の実現に大きく貢献するものです。
すでに企業は技術や臨床データを蓄積、保有している事から
その延長線上において実現する事が可能になります。
そうすると今治療が困難な疾患に罹患している人に対して
できるだけ早く、安価にmRNAを使った治療や
細胞得的輸送系統を使った治療を届ける事ができる可能性があります。
今後、新型コロナウィルスの供給体制を各国が整える事が確実です。
日本でもワクチンの開発が進んでいますが、
このようなナノ粒子を使った薬剤の技術を保有することで
その企業指針、経営戦略と整合性を有する場合において、
細胞特異的輸送系統への相転換をスムーズに進める事ができます。
---
Xucheng Hou, Tal Zaks, Robert Langer, Yizhou Dong(敬称略)ら
医療研究グループは新型コロナウィルスで使われている
脂質ナノ粒子のmRNA輸送技術、その効果について
多角的な観点で総括しています(1)。
Tal Zaks氏はモデルナ社に属しており、
モデルナ社のmRNAワクチンの技術の詳細を含んだ
内容となっているものであると認識しています。
本日は、細胞特異的輸送系統を含めて
独自の観点を加えながら内容の一部を読者の方と情報共有したいと思います。

//輸送媒体の選択//---
mRNAを輸送するナノ粒子、キャリアの選択肢として
脂質、脂質様材料、ポリマー、たんぱく質派生物、金属など
様々な選択肢がありますが、
脂質ナノ粒子が今まで多く研究されており、成功を収めています(2-5)。
ファイザー/ビオンテック社、モデルナ社の
新型コロナウィルスのワクチンでは脂質ナノ粒子が使われています。

//輸送媒体そのものの機能性//---
今普及しているインフルエンザワクチンなどを含めた
感染症に対するワクチンは
通常はその効果を高めるためにアドジュバント(免疫補強剤)が
使われることが一般的です。
このようなアドジュバントは主に骨髄性の免疫細胞に作用することで
特異的な免疫発展、免疫機能を発揮することに貢献します。
以前から、今普及しているmRNAワクチンに対して
アドジュバントの有無について関心がありました。
このような免疫を補強するアドジュバントの機能は
ナノキャリアそのものに付随している可能性があります。
例えば、DDABというアンモニア系の脂質は
mRNAワクチンにおいて免疫機能を誘発する
アドジュバントの機能がある事が示されています(6,7)。
このような材料も含めて
「Self-adjuvant lipid」と呼ばれる
アドジュバントの効果が高い材料もあります(8,9)。
実際に抗体価を上げる効果に加えて、
インターフェロンの反応性を高めるSTNIG経路を刺激する事
Tリンパ球の反応性を高める事、
癌治療に適用された場合には
癌組織の成長を抑制する効果などが確認されています。

//生理学的な障壁//---
新型コロナウィルスワクチンの例では
肩の付近から筋肉注射されて、ナノ粒子が静脈に侵入して
血中で骨髄性免疫細胞である樹状細胞やマクロファージを認識して
その細胞内に取り込まれます。
細胞内に取り込まれる際には細胞膜が変形し、
エンドソームと呼ばれる細胞膜に保護されながら
ナノ粒子が細胞質に侵入します。
そしてエンドソームからナノ粒子が逃れて
ナノ粒子からmRNAが放出された後、
タンパク質によって翻訳されて
mRNAの情報に基づく任意のタンパク質が作られます。
そしてそのたんぱく質は細胞外に放出されます。
新型コロナウィルスのワクチンの場合は
このたんぱく質が新型コロナウィルスのSタンパク質となります。
このSタンパク質はACE2受容体を認識して細胞内感染します。
このSタンパク質に対して免疫機能が働いて抗体を放出し、
細胞内増殖能力を持つウィルスへの暴露がない状態で
免疫機能を獲得する事ができます。
(参考文献(1) Fig.3a参照)
---
このような流れの中で
ナノ粒子に包まれたmRNAは生理学的な障壁がいくつか存在します。
大きく分けて細胞外と細胞内の障壁があります。
Xucheng Hou氏らは具体的に以下の4つの障壁を挙げています(1,10,11)。
それぞれの対策も挙げられています(1)。
-
①生体内の体液からの劣化を防ぐ。
→静電気的な相互作用を利用することで材料の安定性を上げて
体液などによる材料の劣化を防ぐことができます(12,13)。
-
②標的外細胞による自食、肝臓、腎臓などによる取り込みを防ぐ。
→材料の選択。PEG脂質はこれらによる取り込みが低い
ことが示されています(14)。
-
③標的細胞までの輸送と細胞内侵入の効率。
→標的細胞特異的な抗体でコートすることで輸送効率が向上します(15)。
ここに関しては細胞特異的輸送系統の考え方が役に立ちます。
-
④エンドソームからの放出と翻訳の効率。
→機序については未知の部分が大きいです。
しかし、エンドソームは負に帯電しているので
それと引き合う形でナノ粒子を正に帯電させることで
その静電引力によってエンドソームからの放出効率を上げることが
できるかもしれないとされています(16-18)。

//投与、輸送経路//---
Xucheng Hou氏らの図示(参考文献(1)Fig.3b)のように
患部局所的に投与する方法や
呼吸器を通じて投与する方法もあります。
一方、新型コロナウィルスのワクチンのように
静脈を通した投与の場合には
肝臓に溜まりやすいという性質もありますが、
血管と関連性の深いリンパ節にも蓄積しやすいという特徴があります(1)。
リンパ節は免疫発展に関わっているため
mRNA特異的な抗原に合わせたT細胞反応性を示します(19-21)。
-
新型コロナウィルスによる抗体反応が高いことは
薬剤としての成功を意味します。
CAR治療などを参考にすると
CAR治療の対象は血液性の癌が主要です。
つまりB細胞など血中に存在する免疫細胞が標的となっています。
CAR治療は免疫細胞からなるナノ粒子なので
基本的なコンセプトとしては
新型コロナウィルスのmRNAワクチンと類似性を見出せます。
またこのワクチンの標的も
同様に血中に存在する骨髄性の免疫細胞です。
このことから「現時点では」
ナノ粒子を使った輸送系統においては、
血中に存在する免疫細胞を標的とすることが成功を収めやすいと
考えることができます。
-
癌の治療においては、
癌組織内に直接、ワクチンを注入する方法が検討されています。
それによって特異的な免疫反応を高める事に成功しています(22-25)。

//製造技術//---
誰でも安価に受けられる医療を目指すためには
採用される薬剤における製造技術の発展は欠かすことができません。
新型コロナウィルスのワクチンで採用された
脂質ナノ粒子とmRNAの組み合わせにおいて
pHや混合比、速度などが最適化されています(26,27)。
また効率の良い封入技術や
ナノ粒子の大きさの管理などが項目として挙げられます(26,27)。
-
新型コロナウィルスのワクチンの製造は
ウィルスのゲノム分析の一カ月後には
臨床で適用できる品質のワクチンの製造が可能であるとされています(28)。
このような迅速性は
mRNAを使った医療の普及に貢献すると考えられます。

//保管//---
ナノ粒子を使った薬剤を普及させるためには
「off the shelf」つまり
在庫があってすぐに入手可能な状態である事が必要です。
そのためにはナノ粒子と封入材料の安定性と保管条件について
考える必要性があります。
そのためには分解などを防ぐために
温度や周辺環境などを考える必要性があります。
例えば、モデルナ製のmRNA-1273では
-15℃から-20℃での保管が
数か月という長期的な保存においては必要になります。
その様な条件の他に材料の性質を守るために抗凍結剤が必要になります(1)。

//安全性//---
ナノ粒子や細胞などを使った薬剤では
作用させる薬剤をそれらの材料で覆うため
普通の薬剤と比べて体に入れる物質の種類が多くなります。
身体に異物をいれるということに他ならないので
投与した時の拒絶反応、副反応について
慎重に評価する必要性があります。
例えば、
PEG脂質ナノ粒子を体内に入れた時には
このPEGを排除するために抗体が自然に産生されます。
この抗体によって副反応を示すことが報告されています(29,30)。
-
おそらく新型コロナウィルスのワクチン接種後に
注入部位の痛みや発熱の症状が出る事がありますが、
その原因は脂質ナノ粒子に原因があるのではないか？
と考えています。
しかし、このような副反応は
1日、2日で収まるケースがほとんどで許容範囲内といえます。
新型コロナウィルスに感染する、
あるいは重症化する事と天秤にかけたら、
接種のベネフィットが大きく上回ると考える団体、人は多い
という認識です。
このような許容できる副反応に抑える事が出来ている事から
ナノ粒子の選択において成功していると評価する事ができます。

//臨床試験対象の疾患//---
Xucheng Hou氏らはTable 1に臨床試験中のmRNAナノ粒子治療を
まとめています(1)。
新型コロナウィルスの他に
インフルエンザ、ジカウィルス、RSウィルス
サイトメガロウィルス、チクングンヤ熱ウィルス
狂犬病ウィルス
-
肺癌、大腸癌、膵臓癌、皮膚癌、乳癌
子宮頸がん、卵巣癌
-
メチルマロン酸血症、プロピオン酸血症
オルニチントランスカルバミラーゼ欠損症、
嚢胞性線維症、
トランスチレチンアミロイド症
-
これらが現在臨床試験中です。

//癌治療//---
癌治療には内科的な治療においては
化学療法、放射線療法がメインとして存在し
その次の候補として免疫療法があります。
脂質ナノ粒子を使った薬剤輸送においては
潜在的には化学療法的な治療も可能だと考えられますが、
現時点でmRNAを封入したナノ粒子における癌治療の方式は
免疫療法です。
従って、腫瘍組織に常在する免疫機能を高めることを
目的としています(31)。
また、このmRNAは他の免疫治療と組み合わせることができます。
例えば、
免疫チェックポイント抑制剤との組み合わせ
これについて検討されています(31-36)。
また最先端の治療として
CAR-T療法の標的をmRNAによって癌細胞に発現させて
CAR-T療法の効果を高めようという方式が提案されています(37)。

//細胞特異的輸送系統//---
脂質ナノキャリアの場合は、遺伝子を使って
ナノキャリア表面に任意のタンパク質受容体を
自然形成する事は難しいかもしれません。
従って、抗体をコートして標的性を上げるように
脂質ナノキャリアに抗体のコンセプトを拡張して
任意のタンパク質でコートする事によって
細胞ではなく、脂質ナノキャリアで
細胞特異的輸送系統が実現する可能性があります。
その際、任意のタンパク質の結合部位が
うまく露出するように結合位置をどのように制御するか
という課題があると考えられます。
また標的までその付着が適切に維持されるかという課題もあります。
一方、
今、脂質ナノ粒子を使った
mRNAワクチンは数十億の人に供給が可能になっています。
細胞特異的輸送系統が
発展途上国の人も含め、どの人にも届く医療になるための
有力な選択肢として、脂質ナノキャリアがあります。
臨床まで実現した今までの成功の
延長線上で開発することができるからです。

//Discussion//---
 The most triumph of mRNA vaccine against SARS-CoV-2 is that you can provide the-state-of-the-art medicine at extremely low cost ($39 per 2 doses), by which mRNA vaccine prevails in the global society within 1.5 years. It takes time over 25 years since the development of lipid nanoparticles, and you can yield triumph now. This success can be applied to the other diseases including influenza, cancer. You have already huge clinical data and epidemiological data about SARS-CoV-2 vaccine, in which safety and clinical effect were proved. These precious data can be applied to cell-specific delivery system, because the fundamental concept is similar. For “ubiquitous” medicine of cell-specific delivery system including the developing countries, the technology of lipid nanoparticle-mRNA can be taken advantage fully because of extremely low cost. This technology can be one of the main candidates in the cell-specific delivery system. 

(Reference)
(1)
Xucheng Hou, Tal Zaks, Robert Langer & Yizhou Dong 
Lipid nanoparticles for mRNA delivery
Nature Reviews Materials (2021)
---
Author information
Affiliations
Division of Pharmaceutics & Pharmacology, College of Pharmacy, The Ohio State University, Columbus, OH, USA
Xucheng Hou & Yizhou Dong
Moderna, Inc., Cambridge, MA, USA
Tal Zaks
David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA
Robert Langer
Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA
Robert Langer
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