ナノ粒子による核酸の輸送(4)-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。
標的となる重要な遺伝子が明らかになり、
その遺伝子を編集したり、
活性を変える事ができれば、
1つ、根本的な治療になりますが、
それを阻んでいるのが細胞特異的な標的性が
困難であるからであると理解しています。

例えば、癌など様々な疾患で
全ゲノム関連遺伝子評価が行われています。
それによって、場合によれば、数百個以上の
遺伝子異常が確認されることがありますが、
病気において重要な遺伝子を見つける事も出来ます。
このような解析を有効にするためには
1つの大きな柱となるのが遺伝子治療です。
重要な遺伝子異常を標的として、
その遺伝子を改変する事ができれば、
病状が改善する可能性があります。
しかし、上述したように
その組織に有効に、特異的に核酸を輸送し、
さらには無数の膜を超えて細胞核まで届けるには
いくつかの大きなハードルがあります。

そのような標的性以外にも
導入するナノ粒子が
例えば免疫的な拒絶反応が起こらないような
生体内で安全なものが強く求められています。
上述した免疫系は異物に対する高い除去能力を持っています。
通常、静脈注射などによる循環器を通した輸送では
血中に多種多様な免疫細胞が存在しているので
その複雑な監視を逃れる必要があります。

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課題がありますが、
それらを満たす潜在性を有しています。
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。
例えば、生物学的分析では
マーカー遺伝子、遺伝子のバーコード化によって、
ナノ粒子が標的細胞に届いたかどうか？
といった検査にも使うことができます。
また、遺伝子はタンパク質を生み出す元となる物質なので
タンパク質の分析、補充、生成を
人為的に行うことができます。
ワクチンにおいて
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。
このワクチンは樹状細胞などで
大量の新型コロナウィルスのSタンパク質を生み出し、そ
れを抗原とした免疫反応を
利用していると考えられています。
従って、ナノ粒子、mRNA(核酸)の技術は
現在ワクチンでは広く普及しています。
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。

ナノ粒子には
〇脂質ナノ粒子
〇ポリマーナノ粒子
〇金属ナノ粒子
〇ペプチドナノベクトル
〇ウィルスナノベクトル
〇シリカキャリア
〇カーボンナノチューブキャリア
など様々な種類がありますが、
それぞれ利点と欠点があります。
従って、目的に応じてナノキャリアを変える、
あるいは複数のナノキャリアを混合させて
利用することも考える必要があります。
しかし、今までのデザインでは
標的となる細胞種特異的な(Cell-type-specific)輸送の
問題は未解決のままです。
このような輸送キャリアの問題もありますが、
一方で、積荷となる核酸によっても効果は異なってきます。
例えば
脂質ベースのナノキャリアを使ったmRNAワクチンは
いくつかの種類がありますが、
mRNAの構造によって効果が大きく異なる
場合がありました(2)。
従って、ナノ粒子と搭載される核酸ともに
効果を得るための最適化が必要です。
また、細胞種特異的輸送系統(*)で示してきたように
ナノ粒子表面に細胞特異的な装飾因子を結合させることで
標的性が上がる可能性があります。
(*)Cell-type-specific delivery system

//細胞種特異的輸送系統の観点//ーー
細胞種特異的輸送系統のナノキャリアとしては
上述した脂質ナノ粒子を始めとした
いくつかの種類が考えられますが、
挙げられていないキャリアとして
「エクソソーム」があります。
ナノキャリアとして細胞を選ぶことの利点は
表面タンパク質を遺伝子の作用によって
任意に作製できる可能性があるということです。
一方、脂質ナノ粒子の場合は
表面で結合させる必要があります。
従って、
遺伝子を元にタンパク質を作製できれば
アンカーとして使うための選択肢が増えるため
特異的輸送として適していると考えられます。
しかし、細胞内には代謝機能があるために
積荷である薬剤や核酸が代謝されてしまう可能性
あるいは核酸ではそこで表現されてしまう事も考えられます。
従って、荷物の安定性を維持することが難しいです。
また細胞自身が細胞死したり、毒性を持つことも考えられます。
では、エクソソームではどうでしょうか？
径が小さくなるため、
プロトコル、スループットの問題はあるかもしれないですが、
調べる限りにおいては
エクソソームの中には複雑な細胞内小器官がないので
輸送のキャリアとして使うことができる可能性があります(3)。
つまり、キャリアとして安定性を保つことができる可能性です。
そのエクソソームに
細胞種特異的な表面タンパク質を
細胞内の機序を利用しながら作製することができるか？
ということです。

(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)
Gebre, M. S. et al. 
Optimization of non-coding regions improves protective efficacy of an mRNA SARS-CoV-2 vaccine in nonhuman primates. 
Preprint at bioRxiv 
https://doi.org/10.1101/2021.08.13.456316 (2021).
(3)
Jasvinder SinghBhatti et al.
Chapter 7 - Exosome nanocarriers: A natural, novel, and perspective approach in drug delivery system
Nanoarchitectonics in Biomedicine 2019, Pages 189-218