ナノ粒子による核酸の輸送(7)-無機材料ナノ粒子-

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複数の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。
また、全ゲノム関連遺伝子評価から
標的とする遺伝子(群)を絞り込むところにも
まだ課題がある可能性があります。
個人差が大きければ、それも阻害要因となります。

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。
そのため特にナノ粒子の生体に対する互換性や
ナノ粒子表面の特性が重要になります。

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)。
その内容の一部について
読者の方と情報共有したいと思います。

無機のナノ粒子は核酸の輸送媒体だけではなく
生体内イメージングにも使われます。
その具体的な材料は
〇金
〇シリカ
〇酸化鉄
これらが挙げられています(1)。
これらは特定の大きさ、構造、形にエンジニアリング
することができます(2)。
無機材料から成るナノ粒子のうち
金と酸化鉄は無毒のナノ材料であると考えられています(3,4)。
無機材料から成るナノ粒子は
免疫細胞と相互作用し、
免疫機能を高めたり、抑えたりすることができます。
免疫システムとどのように関わるかは
ナノ粒子の表面化学特性が大きく影響を与えます。
従って、金、酸化鉄は無毒ですが、
免疫系と相互作用する事によって、
身体の中で拒絶反応が生じる事があると考えられます。
従って、
ナノ粒子として生体内に注入するときには
主に免疫系との相互作用を検査する事が大切です。
また、生体内細胞との生物学的互換性が最大となるような
ナノ粒子の設計が大切になります(5)。
その設計項目とは例えば、
〇大きさ
〇溶解性
〇表面状態(リガンドなど)
これらが挙げられます。
従って、脂質ナノ粒子など、
他の粒子の重要な設計項目と類似しています。

//金ナノ粒子//ーー
金ナノ粒子は特異的な光学特性、易合成性
易表面機能化を示します。
例えば、光学特性は
ナノ粒子の大きさによって変わり、
ナノ粒子径が100nm以下では吸光度おいて
鋭利な波長ピークを与える事ができます。
この特性をイメージングに使うことができます。
一方で、積荷である核酸を
共有結合、非共有結合で複合体化させ
輸送する事も出来ます(6)。
例えば、
核酸のらせん構造を13-15nmの金ナノ粒子に
共有結合で固定する事ができます(7-9)。
この方法はDNAやsiRNAで使われます。
表面の機能化においては
PEIやPAMAMsなどのポリマーを
ナノ粒子に結合する事もできます。
また、細胞種特異的輸送系統(*)で示されるように
(*)Cell-type-specific delivery system
標的細胞表面受容体にナノ粒子が結合して
特異的な相互作用をするようなリガンドを
無機材料ナノ粒子の表面に形成することもできます(10)。
ナノ粒子の標的細胞の輸送効率は
〇リガンド長さ
〇リガンド密度
〇リガンドによる疎水性
〇リガンドによる結合親和性
これらが関わるとされています(11)。

//メソ細孔シリカナノ粒子//ーー
メソ細孔シリカナノ粒子とは
球状のナノ粒子に無数の穴(細孔)が空いている構造です。
そのコアの径は100～250nmが採用されます。
それは、
〇高い生体内互換性
〇細孔構造の任意設計性
これらのためです(12)。
積荷である核酸分子は弱い非共有結合性の相互作用によって
メソ細孔シリカナノ粒子に積載されます(13)。
〇細孔の大きさ
〇表面機能化
これらは核酸積載量や核酸放出効率に大きな影響を与えます。
例えば、
細孔の穴が小さい(2.5-5nm)と
小さな核酸(small siRNAなど)を制御して
放出する事ができます。
一方で穴が大きい場合(≒15nm)には
大きな核酸(pDNAなど)の積載量や放出速度が向上します。
従って、メソ細孔のサイズは搭載する核酸によって
変える必要があります。
一方
負に帯電したメソ細孔シリカナノ粒子は
陽イオン表面機能化によって電荷中性度を
調整することができます。
この電荷中性度は
〇核酸積載効率
〇タンパク質(デブリ)の吸着
〇核酸放出効率
これらに大きな影響を与えます(14)。
これらの電荷中性度は
〇PEI
〇Dendrimers
〇Lipids
これらを表面に装飾化することによって
調整することができます。

//酸化鉄ナノ粒子//ーー
酸化鉄ナノ粒子は
〇Fe3O4
〇Fe2O3
これらからなります。
これらは特定の大きさで超常磁性となります。
このような磁性ナノ粒子では
磁化の向きが温度の影響でランダムに反転します。
このように温度によって磁性が変わるので
熱を利用した治療に使われることがあります。
これを室温近くで利用するためには
ナノ粒子サイズを10nm以下と十分小さくする必要があります(17)。
もし、磁化の向きを変える事が出来れば、
外因性の温度によってナノ粒子の磁性を制御する事ができる
ことを意味します。
核酸を輸送するときには
核酸は陰イオン電荷をもつので
それと静電気的相互作用を持ち引き合うように
表面が陽イオン化するような機能性を与える事が
多いとされています。
このような構想の中で
50-100nmのLipidoidコートの酸化鉄ナノ粒子が
siRNA輸送において最適になると示されています(15)。
このような脂質コートの形態として
ミセル構造が作用されます(16)。
核酸が積載されたLipidoidを持つ酸化鉄ナノ粒子は
効率的にsiRNAとpDNAを輸送、また
核酸のトランスフェクションが試験管で確認されています。
従って、酸化鉄の場合は
ミセル構造のコアのマトリックス上の外側の部分に
核酸がまとわりつくように積載されていると理解しています。

(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)
Mitchell, M. J. et al. Engineering precision 
nanoparticles for drug delivery. Nat. Rev. Drug Discov. 
20, 101–124 (2021).
(3)
Luther, D. C. et al. Delivery of drugs, proteins,  
and nucleic acids using inorganic nanoparticles.  
Adv. Drug Deliv. Rev. 156, 188–213 (2020).
(4)
Arami, H., Khandhar, A., Liggitt, D. & Krishnan, K. M. 
In vivo delivery, pharmacokinetics, biodistribution and 
toxicity of iron oxide nanoparticles. Chem. Soc. Rev. 
44, 8576–8607 (2015)
(5)
Soenen, S. J. et al. Cellular toxicity of inorganic 
nanoparticles: common aspects and guidelines for 
improved nanotoxicity evaluation. Nano Today 6, 
446–465 (2011).
(6)
Cutler, J. I., Auyeung, E. & Mirkin, C. A. Spherical 
nucleic acids. J. Am. Chem. Soc. 134, 1376–1391 
(2012).
(7)
Conde, J. et al. Dual targeted immunotherapy via in vivo 
delivery of biohybrid RNAi–peptide nanoparticles  
to tumor-associated macrophages and cancer cells. 
Adv. Funct. Mater. 25, 4183–4194 (2015).
(8)
Conde, J., Oliva, N. & Artzi, N. Implantable hydrogel 
embedded dark-gold nanoswitch as a theranostic probe 
to sense and overcome cancer multidrug resistance. 
Proc. Natl Acad. Sci. USA 112, E1278–E1287 (2015).
(9)
Gilam, A. et al. Local microRNA delivery targets 
Palladin and prevents metastatic breast cancer.  
Nat. Commun. 7, 12868 (2016).
(10)
Donahue, N. D., Acar, H. & Wilhelm, S. Concepts of 
nanoparticle cellular uptake, intracellular trafficking, 
and kinetics in nanomedicine. Adv. Drug Deliv. Rev. 
143, 68–96 (2019).
(11)
Hak, S. et al. The effect of nanoparticle polyethylene 
glycol surface density on ligand-directed tumor 
targeting studied in vivo by dual modality imaging. 
ACS Nano 6, 5648–5658 (2012).
(12)
Luther, D. C. et al. Delivery of drugs, proteins,  
and nucleic acids using inorganic nanoparticles.  
Adv. Drug Deliv. Rev. 156, 188–213 (2020).
(13)
Tang, S., Huang, X., Chen, X. & Zheng, N. Hollow 
mesoporous zirconia nanocapsules for drug delivery. 
Adv. Funct. Mater. 20, 2442–2447 (2010).
(14)
Ahmadi, E., Dehghannejad, N., Hashemikia, S., 
Ghasemnejad, M. & Tabebordbar, H. Synthesis and 
surface modification of mesoporous silica nanoparticles 
and its application as carriers for sustained drug 
delivery. Drug Deliv. 21, 164–172 (2014).
(15)
Li, J., Xue, S. & Mao, Z.-W. Nanoparticle delivery 
systems for siRNA-based therapeutics. J. Mater. 
Chem. B 4, 6620–6639 (2016).
(16)
Jiang, S., Eltoukhy, A. A., Love, K. T., Langer, R.  
& Anderson, D. G. Lipidoid-coated iron oxide 
nanoparticles for efficient DNA and siRNA delivery. 
Nano Lett. 13, 1059–1064 (2013).
(17)
Tobias Neuberger et al.
Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications: Possibilities and limitations of a new drug delivery system
Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 293, Issue 1, May 2005, Pages 483-496