合成生物学を基礎とした生細胞治療への道(2)

//背景//---
生細胞治療の実現のためには段階があると思っています。
総括論文では年表、マイルストーンが図示されることが
頻繁にあります。
下述するCAR-T療法やmRNAワクチンなどの実現は
生細胞治療を含む細胞特異的輸送系統のマイルストーンの
1つになります。このような実績、基礎、臨床結果
あるいは課題、弊害、有害事象などを掴み
より困難である生細胞治療や細胞特異的輸送系統に
適用していく必要があります。
ー
Andres Cubillos-Ruiz, Tingxi Guo, Anna Sokolovska, Paul F. Miller, James J. Collins, Timothy K. Lu & Jose M. Lora 
(敬称略)からなる医療研究グループは
生きた細胞に対して合成生物学に基づいて
狙いの特性を持つようにエンジニアリングする事を目的として
現在まで理解されている事を総括しています(1)。
細胞特異的輸送系統(Cell-type-specific delivery system)の観点を
含めながら独自の視点、考察を加えながら
読者の方と情報共有したいと思います。

//次世代のCAR-T免疫療法//---
癌の免役療法の中にキメラ抗原によって
表面装飾したT細胞を患者さんの中に入れて
その表面装飾されたタンパク質によって
標的となる癌細胞だけを認識して
その抗原認識によって免疫細胞が活性化されるように
プログラムされた免疫療法をCAR-T療法といいます。
CAR-T療法は血液性の癌への適用が主要となっています(2)。
しかしながら、副作用、制御性、柔軟性(適応性)、特異性において
課題があるのが現状です。
その課題を解決するためにロジックゲートでいう
AND, ORなどの複数の抗原認識受容体のパターンによって
適応性や特異性を上げようとする研究もあります(3,4)。
その他にはAndres Cubillos-Ruiz氏らがRef.(1)Fig.4で示しているように
外因性の要因である物質(リガンド)が
〇活性(ON)/不活性(OFF)のスイッチの機能を有する方式、
癌細胞が放出する抗原や、その抗原に対する抗体が
それぞれ存在、結合した時のみにT細胞が活性化される方式、
一方、通常細胞が放出する抗原やそれに対する抗体において
NOTゲート(不活性)になるような方式などが考えられています。
ー
病変部位特異的な表面タンパク質(複合体)を如何に作製できるか？
これが生細胞を使った治療においては重要になります。
例えば、インテグリンはα鎖、β鎖の異種接合(ヘテロダイマー)から
なる表面タンパク質です。
癌治療において転移性癌にだけ見られる型も存在しますが、
血管壁など周辺に同じ型のインテグリンが存在すると
オフターゲットの原因となります。
CAR免疫療法でも明らかになっているように
単一の結合だけをアンカー、スイッチする輸送系統は
おそらく制御性、環境順応性、特異性の低さに直面すると考えられます。
上述したように癌組織などの病変部位に現れる
癌特異的な抗原などによって輸送細胞が遺伝回路で
トリガーされる信号がANDゲートとして
病変部位の近接領域で働くような系統とすることで
オフターゲットを防ぐことができる可能性があります。

//バクテリア単細胞//---
菌の中には乳酸菌やビフィズス菌などのように善玉菌があります。
それが含まれる飲料を積極的にとることは
プロバイオティクスと呼ばれますが、
このような消化器によいとされる善玉菌に対して
合成生物学に基づいて細胞をエンジニアリングする事は
より制御性、環境適応性、特異性を上げられる可能性があります。
これを薬剤などを運ぶ輸送媒体として使う事も考えられます。
もともと乳酸菌にはLpp20という受容体があり
マウスの腸においては病原体のコロニー形成を防ぐ
役割があるということが示されています(5)。
こういった機能をより高めるというエンジニアリングも考えられます。
ー
(癌治療への応用)
1800年代からバクテリアは癌に効くということが知られていました。
想定されている一つの作用はバクテリアによって
免疫機能が高められて、その免疫によって癌が退行するということです。
よって、バクテリアを利用した癌治療が考えられますが、
有毒性、副作用もあり、効果とトレードオフになっています(6)。
しかし、大腸菌の中で毒性の少ない系統を使って
癌組織に吸着因子(結合親和性を持つ表面タンパク質など)を
作製し、癌組織への走化性(向性)を高めたうえで
治療する事などが検討されています(1)。
また、ウィルスを介して、バランスが崩れている癌組織周辺の
免疫機能、代謝機能をサイトカインや抗体などを通して
整えることが挙げられています(1)。
但し、微生物の単細胞をキャリアとして使う場合には
腸や肺などもともと微生物が多い臓器、組織と
そうではない臓器、組織の癌に対する効果と弊害のバランス関係は
異なると考えられます。

//製造上の問題//---
(Ref.(1) Box.3参照)
ー
生細胞ベース治療はまだ黎明期なので、
細胞培養、発酵などを含めた細胞の増殖などの製造においては
産業界のノウハウなどを取り入れる必要があるとされています(1)。
しかし、遺伝子操作を任意に行った状態で
量産性、再現性を維持できるか？といった課題もあります(7,8)。

//臨床応用の課題//---
(Ref.(1) Box.4参照)
ー
元々、生物学と工学などを融合させる合成生物学においては
倫理的な問題が指摘されています。
どのような副作用を引き起こすか生物学の複雑性の中で
未知の部分があるからです。
そのような社会的なためらいがあるため
臨床試験、承認を管理するFDAを中心に
医療提供を受ける患者の利益とリスクの天秤の中で
慎重かつ十分なエビデンスベースの議論が必要になります。
ー
細胞治療においてはすでに承認されているCAR-T療法などの
データを参考にすることができると思います。
一方、細胞特異的輸送系統では
輸送媒体、表面タンパク質、積載物質の
少なくとも3つのコンポーネントがあり
想定される組み合わせは膨大であるため
どのように臨床試験プログラムを設定するか？
という根本的な議論も必要です。
カプセルの中に入れる薬のようにカプセル承認が短縮されると
予期しない有害事象が生じる可能性もあります。
多くのデータの積み上げが必要で、
安全性を十分に担保した状態で進めるためには
効率的に進めたとしても数十年はかかる可能性があります。
提案した筆者としては、技術が独り歩きしないように
医療倫理、安全性の領域の立ち位置にいる必要性がある
と考えています。

(My message for the important readers)
 When I was a corporate technician, I came up with the new technology and experience the innovative development. This technology is entirely new, but there are many hurdles like the cell-type-specific delivery system. Unfortunately, I and my team could not accomplish this project due to time-resource issue. However, one person said, “Your technology and knowledge could be applied to the other technologies, so it is worth trying even if your challenge is failed.” for me during our project. In order to bring the new technology to practical use, we need to overjump “Death valley”, so we need absolute determination for success. However, natural science is iron-hearted, and is based on natural providence, so we may face many unexpected results, but these unexpected results are not always negative one. We may get many by-products during the challenge for the cell-type-specific delivery system, in which innovative discovery may be included. The challenge always entails huge risk on financial, human and time resource, but this risk could be significantly reduced if many by-products during the R & D are included. This by-product is surely meaningful more and more if there are many challenging and hurdles for accomplishment. 

(Reference)
(1)
Andres Cubillos-Ruiz, Tingxi Guo, Anna Sokolovska, Paul F. Miller, James J. Collins, Timothy K. Lu & Jose M. Lora 
Engineering living therapeutics with synthetic biology
Nature Reviews Drug Discovery (2021)
---
Author information
Affiliations
Department of Biological Engineering, Synthetic Biology Center, Institute for Medical Engineering and Science, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA
Andres Cubillos-Ruiz & James J. Collins
Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard University, Boston, MA, USA
Andres Cubillos-Ruiz & James J. Collins
MIT Synthetic Biology Center, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA
Tingxi Guo & Timothy K. Lu
Department of Electrical Engineering and Computer Science, Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA
Tingxi Guo & Timothy K. Lu
Synlogic, Inc., Cambridge, MA, USA
Anna Sokolovska
Artizan Biosciences, New Haven, CT, USA
Paul F. Miller
Intergalactic Therapeutics, Boston, MA, USA
Jose M. Lora
(2)
Frigault, M. J. & Maus, M. V. 
State of the art in CAR T cell therapy for CD19 +  B cell malignancies. 
J. Clin. Invest. 130, 1586–1594 (2020).
(3)
Hegde, M. et al. 
Combinational targeting offsets antigen escape and enhances effector functions  of adoptively transferred T cells in glioblastoma.  
Mol. Ther. 21, 2087–2101 (2013).
(4)
Kloss, C. C., Condomines, M., Cartellieri, M., Bachmann, M. & Sadelain, M. 
Combinatorial antigen recognition with balanced signaling promotes selective tumor eradication by engineered T cells.  
Nat. Biotechnol. 31, 71–75 (2013).
(5)
Zhang, R. et al. 
An engineered Lactococcus lactis strain exerts significant immune responses through efficient expression and delivery of Helicobacter pylori Lpp20 antigen. 
Biotechnol. Lett. 38, 2169–2175 (2016).
(6)
Forbes, N. S. 
Engineering the perfect (bacterial) cancer therapy. 
Nat. Rev. Cancer 10, 785–794 (2010).
(7)
Wu, G. et al. 
Metabolic burden: cornerstones in synthetic biology and metabolic engineering applications. 
Trends Biotechnol. 34, 652–664 (2016).
(8)
Rugbjerg, P. & Sommer, M. O. A. 
Overcoming genetic heterogeneity in industrial fermentations. 
Nat. Biotechnol. 37, 869–876 (2019).