ナノ粒子による核酸の輸送(1)-概要-

例えば、細胞核内の特定の遺伝子を改変し、
遺伝子治療を行うためには
オフターゲットが無いように
特定の細胞に輸送し、細胞質を通って
核内の特定の遺伝子に作用させる必要があります。
従って、
そのような遺伝子治療においては
安全、効率的、特異的、病気を発生させない手段が
強く求められています。
RNAやDNAなどの核酸の輸送における
ナノ材料、ナノ粒子は上述した需要を満たし得る
1つの重要な方法であると考えられます。
また、ナノ粒子を使う事によって
特定の遺伝子をオフ/オンにする遺伝子治療だけではなく
〇生物的な分析
〇タンパク質の補充、生成
〇ワクチン
これらにも応用することができます。
実際に新型コロナウィルスで使われた
mRNAワクチンは上述したナノ粒子によって
自然免疫系細胞まで輸送されていると考えられています。
ーー
Bárbara B. Mendes, João Conniot, Aviram Avital, Dongbao Yao, Xingya Jiang, Xiang Zhou, Noga Sharf-Pauker, Yuling Xiao, Omer Adir. 
(敬称略)ら医療研究グループは
効果的な核酸の輸送デザインの方法と
それによる診断や治療の効果について総括されています(1)。
その内容の序章の一部について
読者の方と情報共有したいと思います。

遺伝子治療は
癌(2,3)、
嚢胞性線維症(4)、
心臓病(5)、
糖尿病(6)
血友病
HIV/AIDS(7)
これらを含む広範な疾患の生物学的治療として
採用されます。
遺伝子治療は
〇antisense DNA
〇mRNA
〇small interfering RNA
〇microRNA
〇CRISPR
これらなどを使って、
標的となる細胞内の遺伝子を改変したり
治療が必要な細胞の生物学的特徴を正常になるように
改変することが潜在的に可能です。
CRISPRなどによる病態においてキーとなる
遺伝子変異を編集し、改善させるだけではなく
新型コロナウィルスのmRNAのように
特定のタンパク質を生み出す事に寄る
免疫的アプローチによる治療も考えられます。
--
上述した遺伝子治療は3つの手法があります。
〇CRISPRによる遺伝子編集(Gain or loss)(8,9)
〇遺伝子発現の亢進(10-12)
-DNA plasmid (pDNA), 
-minicircle DNA (mcDNA), 
-Synthetic mRNA, 
-Circular RNA 
-Self-amplifying RNA (saRNA)
〇遺伝子発現の抑制(13,14)
-Small interfering RNA (siRNA), 
-Antisense oligo-nucleotides (ASOs), 
-Short hairpin RNA (shRNA)  
-MicroRNA (miRNA)
これらが挙げられています。
従って、遺伝子そのものを変えるだけではなく
その発現の程度を調整するアプローチもあります。
--
このように核酸に作用する薬剤は
従来の薬剤と比べて利点があります(15)。
しかし、それを実現する上で欠かせない
1つの方法であるナノ粒子による核酸の輸送には
様々な課題があります。
〇細胞内の活性サイトへの輸送
〇生体内の安定性
〇急速な(免疫細胞, 食作用などによる)除去
〇細胞膜に対する浸透性
-ナノ粒子の負の荷電、高い分子量、親水性が阻害要因(16)。
〇標的細胞による取り込み
〇エンドソームからの放出
これらが挙げられています。
また輸送媒体がRNAとDNAの場合で課題は変わってきます。
RNAは寿命が短いので、高頻度で投与する必要があります。
DNAは細胞核内への輸送における複雑性があります(17)。
--
ナノ粒子の選択としては
ウィルス性の有無があります。
ウィルス性のナノ粒子はDNAの輸送において
細胞内取り込み効率(transfection efficiency)が
高いと言われています。
例えば、
〇レトロウィルス
〇アデノウィルス
〇パルボウィルス
〇アデノ関連ウィルス
これらです。
これらの輸送媒体として
〇HIV/〇Cancer/〇筋ジストロフィー
これらの治療において長く使われきました(18)。
しかしながら、
このようなナノ粒子は
ウィルスベクトル粒子生体内導入、
前後に存在する抗体によって迅速に除去される
制限要因があります。
免疫的な事を含む副作用が生じる可能性があります(19,20)。

(参考文献)
(1)
Bárbara B. Mendes, João Conniot, Aviram Avital, Dongbao Yao, Xingya Jiang, Xiang Zhou, Noga Sharf-Pauker, Yuling Xiao, Omer Adir, Haojun Liang, Jinjun Shi, Avi Schroeder & João Conde 
Nanodelivery of nucleic acids
Nature Reviews Methods Primers volume 2, Article number: 24 (2022) 
(2)
Alvarez, E. M. et al. The global burden of adolescent 
and young adult cancer in 2019: a systematic  
analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. 
Lancet Oncol. 23, 27–52 (2022).
(3)
Global Burden of Disease 2019 Cancer Collaboration. 
Cancer incidence, mortality, years of life lost, years 
lived with disability, and disability-adjusted life years 
for 29 cancer groups from 2010 to 2019: a systematic 
analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. 
JAMA Oncol. https://doi.org/10.1001/jamaoncol. 
2021.6987 (2021).
(4)
Vos, T. et al. Global burden of 369 diseases and 
injuries in 204 countries and territories, 1990–2019: 
a systematic analysis for the Global Burden of Disease 
Study 2019. Lancet 396, 1204–1222 (2020).
(5)
Roth, A. G. et al. Global burden of cardiovascular 
diseases and risk factors, 1990–2019. J. Am. Coll. 
Cardiol. 76, 2982–3021 (2020).
(6)
Forouzanfar, M. H. et al. Global, regional, and national 
comparative risk assessment of 79 behavioural, 
environmental and occupational, and metabolic risks 
or clusters of risks, 1990–2015: a systematic analysis 
for the Global Burden of Disease Study 2015. Lancet 
388, 1659–1724 (2016).
(7)
Frank, T. D. et al. Global, regional, and national 
incidence, prevalence, and mortality of HIV,  
1980–2017, and forecasts to 2030, for 195 
countries and territories: a systematic analysis for  
the Global Burden of Diseases, Injuries, and Risk 
Factors Study 2017. Lancet HIV 6, e831–e859 
(2019).
(8)
Gillmore, J. D. et al. CRISPR–Cas9 in vivo gene editing 
for transthyretin amyloidosis. N. Engl. J. Med. 385, 
493–502 (2021).
(9)
Ruan, G.-X. et al. CRISPR/Cas9-mediated genome 
editing as a therapeutic approach for Leber congenital 
amaurosis 10. Mol. Ther. 25, 331–341 (2017).
(10)
McKay, P. F. et al. Self-amplifying RNA SARS-CoV-2 
lipid nanoparticle vaccine candidate induces high 
neutralizing antibody titers in mice. Nat. Commun.  
11, 3523 (2020).
(11)
Wesselhoeft, R. A., Kowalski, P. S. & Anderson, D. G. 
Engineering circular RNA for potent and stable 
translation in eukaryotic cells. Nat. Commun. 9, 2629 
(2018).
(12)
Dangouloff, T. & Servais, L. Clinical evidence 
supporting early treatment of patients with spinal 
muscular atrophy: current perspectives. Ther. Clin. 
Risk Manag. 15, 1153–1161 (2019).
(13)
Kay, M. A. State-of-the-art gene-based therapies: the 
road ahead. Nat. Rev. Genet. 12, 316–328 (2011).
(14)
Urits, I. et al. A review of patisiran (Onpattro®) for the 
treatment of polyneuropathy in people with hereditary 
transthyretin amyloidosis. Neurol. Ther. 9, 301–315 
(2020).
(15)
Dunbar, E. C. et al. Gene therapy comes of age. 
Science 359, eaan4672 (2018).
(16)
Jones, C. H., Chen, C.-K., Ravikrishnan, A., Rane, S.  
& Pfeifer, B. A. Overcoming nonviral gene delivery 
barriers: perspective and future. Mol. Pharm. 10, 
4082–4098 (2013).
(17)
Uchida, S. & Kataoka, K. Design concepts of polyplex 
micelles for in vivo therapeutic delivery of plasmid 
DNA and messenger RNA. J. Biomed. Mater. Res. A 
107, 978–990 (2019).
(18)
Bulcha, J. T., Wang, Y., Ma, H., Tai, P. W. L. &  
Gao, G. Viral vector platforms within the gene therapy 
landscape. Signal. Transduct. Target. Ther. 6, 53 
(2021).
(219)
Mancheño-Corvo, P. & Martín-Duque, P. Viral gene 
therapy. Clin. Transl. Oncol. 8, 858–867 (2006).
(20)
Selot, R. S., Jayandharan, G. R. & Hareendran, S. 
Developing immunologically inert adeno-associated 
virus (AAV) vectors for gene therapy: possibilities and 
limitations. Curr. Pharm. Biotechnol. 14, 1072–1082 
(2013).