「 脾臓にmRNAを送り届け、ワクチンへ応用 」【内田智士 教授】
公開日：2024.3.5
「 脾臓にmRNAを送り届け、ワクチンへ応用 」
― 核酸工学を応用したmRNA送達システムの開発 ―
― 核酸工学を応用したmRNA送達システムの開発 ―
ポイント
- メッセンジャーRNA (mRNA)※1を脾臓に送達することで、がんワクチン※2として優れた機能を示すことが知られています。
- 研究グループは、mRNAにポリエチレングリコール(PEG)※3を修飾するmRNA工学※4の手法を用いて、新たなmRNA送達ナノ粒子※5を開発しました。
- このナノ粒子を用いることで、マウス脾臓の抗原提示細胞※6に安全かつ効率的にmRNAを送達することに成功しました。
- 本システムは、マウスにおいて、優れたワクチン効果を示したことから、今後、がん免疫治療などへの医療応用が期待されます。
東京医科歯科大学難治疾患研究所先端ナノ医工学分野の内田教授の研究グループは、川崎市産業振興財団ナノ医療イノベーションセンター(iCONM)、京都府立医科大学、杏林大学、東京大学との共同研究で、脾臓にmRNAを送り届けるナノ粒子を開発し、mRNAワクチンとしての有用性を実証しました。この研究は文部科学省科学研究費補助金ならびに国立研究開発法人日本医療研究開発機構(AMED)の支援のもとでおこなわれたもので、その研究成果は、Wileyが発刊する国際科学誌Small Science誌に、2024年2月22日にオンライン版で発表されました。
研究の背景
図1. 高分子型mRNA送達ナノ粒子の調製(a)と、血液中での動態(b)。
メッセンジャーRNA (mRNA)※1を静脈内に投与して脾臓に送達することで、全身性の免疫を効率的に誘導できることが知られていました。がん免疫治療の分野で近年注目されているがんワクチン※2としての応用が期待されています。mRNAを送達する方法として、新型コロナウイルスのmRNAワクチンでも用いられたような脂質からなるナノ粒子が主に用いられています。しかし、脂質性のナノ粒子は肝臓へ移行しやすい性質を持つほか、炎症反応を惹起することで副反応を起こしやすいといった課題がありました。
高分子からなるナノ粒子は、これらの課題を克服する手法として期待されています。正電荷を持つ高分子と負電荷を持つmRNAを混合して得られるナノ粒子が長年開発されてきました(図1a)。しかし、このナノ粒子は、そのままでは血液中のタンパク質、血小板などと結合し、大きな凝集塊を形成し、肺の血管を閉塞させてしまいます(図1b左)。すると、脾臓などの標的組織にmRNAを送達できないだけでなく、このような肺塞栓は重篤な副作用の原因となります。一方で、ナノ粒子の表面をPEG※3で覆うと、周囲の分子、細胞のナノ粒子への吸着を防ぐことができ、この課題を解決することができます(図1b右)。しかし、ナノ粒子を過剰にPEGで覆うと、標的の細胞とナノ粒子の結合も阻害され、mRNAは標的細胞に送達されなくなってしまいます。従って、ナノ粒子を適切な量のPEGで覆う方法が必要となります。しかし、高分子ナノ粒子表面の精密なPEG密度の制御は難しく、これまで高分子ナノ粒子を用いた脾臓へのmRNA送達は、ほとんど検討されてきませんでした。
高分子からなるナノ粒子は、これらの課題を克服する手法として期待されています。正電荷を持つ高分子と負電荷を持つmRNAを混合して得られるナノ粒子が長年開発されてきました(図1a)。しかし、このナノ粒子は、そのままでは血液中のタンパク質、血小板などと結合し、大きな凝集塊を形成し、肺の血管を閉塞させてしまいます(図1b左)。すると、脾臓などの標的組織にmRNAを送達できないだけでなく、このような肺塞栓は重篤な副作用の原因となります。一方で、ナノ粒子の表面をPEG※3で覆うと、周囲の分子、細胞のナノ粒子への吸着を防ぐことができ、この課題を解決することができます(図1b右)。しかし、ナノ粒子を過剰にPEGで覆うと、標的の細胞とナノ粒子の結合も阻害され、mRNAは標的細胞に送達されなくなってしまいます。従って、ナノ粒子を適切な量のPEGで覆う方法が必要となります。しかし、高分子ナノ粒子表面の精密なPEG密度の制御は難しく、これまで高分子ナノ粒子を用いた脾臓へのmRNA送達は、ほとんど検討されてきませんでした。
研究成果の概要
今回、研究グループで開発を進めてきたmRNA工学※4の手法を応用しました。実際には、まずPEGと結合したRNA (PEG-RNA)をハイブリダイゼーション※7によりmRNAに結合させ、mRNAにPEGを結合させます(図2a)。この方法では、PEG-RNAはそのRNA配列に対応して、mRNA鎖上の1箇所にのみ結合します。PEG-RNAの配列の種類に応じて、決まった数だけPEG-RNAが結合したmRNAを調製することができます。その後、高分子と混合することでナノ粒子を調製します。この方法では、mRNAに結合させるPEGの数や長さを変えることで、簡便かつ精密にナノ粒子表面のPEG密度を制御することができます。
そこで、表面のPEGの密度や長さの異なる様々なナノ粒子を調製し(図2b)、マウスへ投与することでその機能を調べました。生きたマウスの血管を直接顕微鏡観察したところ、PEGのないナノ粒子や、十分にPEGで覆われていないナノ粒子は、血液中に投与してから1分以内に大きな凝集塊を形成していました(図2c)。結果的に、肺の血管を閉塞させ、肺にmRNAを送達していました(図2d)。一方で、PEG化することで、血液中での凝集や、肺血管の閉塞を防ぐことができました(図2c)。しかし、長いPEGや高密度のPEGで被覆したナノ粒子は、細胞との接着が抑制されるため、全身のどの臓器の細胞に対しても、mRNAを効果的に送達することができませんでした(図2d)。一方で、適切な密度のPEGで被覆したナノ粒子は、脾臓の細胞に効率的にmRNAを送達していました(図2d)。
より詳細に調べたところ、脾臓の中でもワクチンで重要な役割を果たす抗原提示細胞※6にmRNAが効率的に取り込まれていることが分かりました。そこで、ワクチンとしての機能を評価したところ、細胞性免疫が強く誘導されていることが分かりました。この細胞性免疫は、がん免疫治療においてがん細胞を殺傷する上で重要とされているため、がんワクチン※2としての応用が期待されます。
そこで、表面のPEGの密度や長さの異なる様々なナノ粒子を調製し(図2b)、マウスへ投与することでその機能を調べました。生きたマウスの血管を直接顕微鏡観察したところ、PEGのないナノ粒子や、十分にPEGで覆われていないナノ粒子は、血液中に投与してから1分以内に大きな凝集塊を形成していました(図2c)。結果的に、肺の血管を閉塞させ、肺にmRNAを送達していました(図2d)。一方で、PEG化することで、血液中での凝集や、肺血管の閉塞を防ぐことができました(図2c)。しかし、長いPEGや高密度のPEGで被覆したナノ粒子は、細胞との接着が抑制されるため、全身のどの臓器の細胞に対しても、mRNAを効果的に送達することができませんでした(図2d)。一方で、適切な密度のPEGで被覆したナノ粒子は、脾臓の細胞に効率的にmRNAを送達していました(図2d)。
より詳細に調べたところ、脾臓の中でもワクチンで重要な役割を果たす抗原提示細胞※6にmRNAが効率的に取り込まれていることが分かりました。そこで、ワクチンとしての機能を評価したところ、細胞性免疫が強く誘導されていることが分かりました。この細胞性免疫は、がん免疫治療においてがん細胞を殺傷する上で重要とされているため、がんワクチン※2としての応用が期待されます。
図2. mRNA工学を用いたナノ粒子表面のPEG密度の制御。(a)ナノ粒子の調製法。(b)PEG密度の異なるナノ粒子。(c)マウス血液中での動態。(d)ルシフェラーゼmRNAを送達。
研究成果の意義
mRNAを生体に投与し、医療応用を目指す際には、ナノ粒子に搭載しmRNAを分解から保護し、標的の臓器に送り届ける必要があります。これまで、脂質を用いたmRNA送達ナノ粒子が主に用いられてきましたが、脂質は、生体内での動態や安全性に課題を残しています。mRNAの医療応用を拡大させる上で、目的に応じて送達手法に関する他の選択肢も必要です。今回、高分子を用いたmRNA送達システムのワクチンへの有用性を実証することで、今後、より安全かつ効果的なワクチン開発を目指す上での礎を築くことができました。今後、システムの更なる機能向上や、がんなど疾患モデルへの展開により、実用化を目指します。
また、mRNA送達の研究では、脂質や高分子などの開発が主に行われてきましたが、mRNAの設計に着目した研究はほとんどありません。本研究は、研究グループが開発を進めてきたmRNA工学を用いたmRNA送達システムの開発という点でも、独自性と重要性を有します。
また、mRNA送達の研究では、脂質や高分子などの開発が主に行われてきましたが、mRNAの設計に着目した研究はほとんどありません。本研究は、研究グループが開発を進めてきたmRNA工学を用いたmRNA送達システムの開発という点でも、独自性と重要性を有します。
用語解説
※1メッセンジャーRNA (mRNA)・・・・・・・・細胞の中で、翻訳されタンパク質を産生します。例えば、新型コロナウイルスワクチンでは、細胞の中でウイルスのタンパク質を産生し、それに対して免疫が誘導されます。ワクチンや治療に役立つタンパク質を産生するmRNAを生体に投与することで、様々な病気の予防、治療に用いることができます。
※2がんワクチン・・・・・・・・がんでのみ発現するタンパク質、がん細胞で多量発現するタンパク質に対応したmRNAを投与すると、がん細胞を殺傷する免疫が誘導されます。
※3ポリエチレングリコール(PEG)・・・・・・・・生体材料として医薬品にも幅広く用いられてきており、ナノ粒子の表面に搭載することで、周囲の分子のナノ粒子への吸着を抑制する、ナノ粒子の異物認識を軽減するといった作用が得られます。
※4mRNA工学・・・・・・・・DNAやRNAといった核酸の設計を工夫することで、医薬品等への応用において機能を高めることを、核酸工学と呼びます。その中で、mRNA工学はmRNAを対象とします。
※5mRNA送達ナノ粒子・・・・・・・・mRNAを生体へ投与する際、体の中での分解を防ぎ、さらに標的の細胞に送達するために、mRNAをナノ粒子に搭載します。100ナノメートル (1ミリメートルの1万分の1)程度の大きさのナノ粒子がよく用いられます。
※6抗原提示細胞・・・・・・・・樹状細胞やマクロファージなど、ワクチンでの免疫応答の引き金を引く細胞のことです。mRNAワクチンでは、抗原提示細胞にmRNAを送達することが重要です。
※7ハイブリダイゼーション・・・・・・・・RNAやDNAといった核酸が、対になる配列を持つ核酸と特異的に結合する過程のことです。
※2がんワクチン・・・・・・・・がんでのみ発現するタンパク質、がん細胞で多量発現するタンパク質に対応したmRNAを投与すると、がん細胞を殺傷する免疫が誘導されます。
※3ポリエチレングリコール(PEG)・・・・・・・・生体材料として医薬品にも幅広く用いられてきており、ナノ粒子の表面に搭載することで、周囲の分子のナノ粒子への吸着を抑制する、ナノ粒子の異物認識を軽減するといった作用が得られます。
※4mRNA工学・・・・・・・・DNAやRNAといった核酸の設計を工夫することで、医薬品等への応用において機能を高めることを、核酸工学と呼びます。その中で、mRNA工学はmRNAを対象とします。
※5mRNA送達ナノ粒子・・・・・・・・mRNAを生体へ投与する際、体の中での分解を防ぎ、さらに標的の細胞に送達するために、mRNAをナノ粒子に搭載します。100ナノメートル (1ミリメートルの1万分の1)程度の大きさのナノ粒子がよく用いられます。
※6抗原提示細胞・・・・・・・・樹状細胞やマクロファージなど、ワクチンでの免疫応答の引き金を引く細胞のことです。mRNAワクチンでは、抗原提示細胞にmRNAを送達することが重要です。
※7ハイブリダイゼーション・・・・・・・・RNAやDNAといった核酸が、対になる配列を持つ核酸と特異的に結合する過程のことです。
論文情報
掲載誌：Small Science
論文タイトル：Poly(ethylene Glycol) (PEG)–OligoRNA Hybridization to mRNA Enables Fine‐Tuned Polyplex PEGylation for Spleen‐Targeted mRNA Delivery
DOI: https://doi.org/10.1002/smsc.202300258
研究者プロフィール
鈴木 美紀 （スズキ ミキ） Suzuki Miki
京都府立医科大学 大学院医学研究科
医系化学 研究員
・研究領域
医薬品化学、生物学
持田 祐希 （モチダ ユウキ） Mochida Yuki
東京医科歯科大学 難治疾患研究所
先端ナノ医工学分野 講師
・研究領域
バイオマテリアル、薬物送達システム
京都府立医科大学 大学院医学研究科
医系化学 研究員
・研究領域
医薬品化学、生物学
持田 祐希 （モチダ ユウキ） Mochida Yuki
東京医科歯科大学 難治疾患研究所
先端ナノ医工学分野 講師
・研究領域
バイオマテリアル、薬物送達システム
内田 智士 （ウチダ サトシ） Uchida Satoshi
東京医科歯科大学 難治疾患研究所
先端ナノ医工学分野 教授
・研究領域
mRNA医薬、薬物送達システム、核酸工学
東京医科歯科大学 難治疾患研究所
先端ナノ医工学分野 教授
・研究領域
mRNA医薬、薬物送達システム、核酸工学
問い合わせ先
＜研究に関すること＞
東京医科歯科大学難治疾患研究所
先端ナノ医工学分野 内田智士(ウチダサトシ）
E-mail：uchida.anme[@]tmd.ac.jp
＜報道に関すること＞
東京医科歯科大学 総務部総務秘書課広報係
〒113-8510 東京都文京区湯島1-5-45
E-mail：kouhou.adm[@]tmd.ac.jp
川崎市産業振興財団ナノ医療イノベーションセンター
TEL：044-589-6326
E-mail：iconm-pr[@]kawasaki-net.ne.jp
※E-mailは上記アドレス[@]の部分を@に変えてください。