東京科学大学は11月10日、ワインや茶に含まれる渋み成分「タンニン酸」を利用して、がん組織にゲノム編集酵素を届けるナノマシンを開発したと発表した。

マウスを用いた実験では、対照群と比較して血中滞留性と腫瘍集積性が向上し、腫瘍組織でのゲノム編集効率が高くなることが確認された。さらに、がん遺伝子を標的としてゲノム編集を行うことで、腫瘍の増大を有意に抑制する効果があることが確認された。

研究を行ったのは、東京科学大学（Science Tokyo）生命理工学院 生命理工学系の松尾拓海修士学生（研究当時）、同大学 総合研究院 化学生命科学研究所の本田雄士助教（兼 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＞主任研究員）、西山伸宏教授（兼 同センター 副研究統括／主幹研究員）らのグループ。研究成果は10月14日付（現地時間）で学術誌『ACS Applied Materials & Interfaces』にオンライン掲載された。

  • ナノマシンを利用したRNP送達技術の概念図

    ナノマシンを利用したRNP送達技術の概念図

CRISPR / Cas9によるゲノム編集の仕組みと課題

ゲノム編集技術「CRISPR / Cas9」は、DNAの特定の配列を切断する酵素「Cas9」と、切断する場所を指定するガイドRNAを利用して遺伝子を改変する技術。ガイドRNAが標的となるDNAの配列を見つけ、Cas9がその部分を切断する。狙ったDNA配列を比較的容易に編集できる技術として研究が進められている。

Cas9とガイドRNAを結合させた複合体「RNP（Ribonucleoprotein）」を細胞に直接届ける方法は、転写・翻訳の過程を経ずに速やかにゲノム編集が起こり、酵素が体内に長く留まらないため、オフターゲット作用（狙っていない遺伝子への影響）が少ない利点がある。

しかしRNPは約12ナノメートルとやや大きく、表面がわずかに負に帯電しているため、細胞膜を越えて核まで届きにくい。また、細菌由来のタンパク質と一本鎖RNAからなるため、血中のRNA分解酵素やタンパク質分解酵素によって速やかに分解されてしまう課題もあった。

RNPは血液中で分解・排泄されやすく、細胞内にも取り込まれにくいという課題から、静脈注射によって投与したRNPを、ゲノム編集の標的となるがん組織まで効率的に届ける技術が求められている。

タンニン酸を使った直径約30ナノメートルのナノマシンを開発

研究グループは今回、赤ワインや茶などに多く含まれるタンニン酸とフェニルボロン酸を導入した高分子を組み合わせ、RNPを内包する直径約30ナノメートルのナノマシンを開発した。

タンニン酸は植物由来のポリフェノールの一種で、タンパク質などの生体分子と結合する性質を持つ。研究グループは、RNP、タンニン酸、フェニルボロン酸導入高分子を水中で順に混ぜることにより、RNPを1分子ずつ内包した直径約30ナノメートルの三元複合体を作製することに成功した。

この複合体では、高分子のポリエチレングリコール（PEG）鎖が外殻を形成し、血清溶液中およびRNA分解酵素存在下でもRNPの分解が起きなかった。一方で、pH5.5ではRNPを放出し、DNA切断活性の回復が確認された。

ナノマシンの外側を覆う高分子が血液中でのRNPの分解を防ぐ一方、細胞内に取り込まれると酸性環境に反応してRNPを放出する仕組みだ。

このナノマシンを担がんマウスに静脈注射したところ、RNPを単独で投与した場合には2時間後に血液中からほぼ消失したのに対し、ナノマシンに搭載したRNPは投与6時間後にも血液中に残存。また、腫瘍への集積量はRNP単独投与の2～4倍に高まった。

さらに、腫瘍に発現させた発光遺伝子を標的としてゲノム編集を行った結果、有意にその発光強度を減少させることに成功した。腫瘍組織を解析したところ、ゲノム編集効率（挿入欠失変異の頻度）はRNP単独では1.5%であったのに対し、ナノマシンでは37.2%に達していた。

  • RNPサンプルの体内動態の比較実験。各RNPサンプルをマウスに投与した場合の（A）血中滞留性と（B）腫瘍集積性を比較

    RNPサンプルの体内動態の比較実験。各RNPサンプルをマウスに投与した場合の（A）血中滞留性と（B）腫瘍集積性を比較

  • RNPサンプルの腫瘍に対するゲノム編集と治療効果。各RNPサンプルをマウスに投与した場合の腫瘍における（A）ゲノム編集と（B）治療効果を比較

    RNPサンプルの腫瘍に対するゲノム編集と治療効果。各RNPサンプルをマウスに投与した場合の腫瘍における（A）ゲノム編集と（B）治療効果を比較

ナノマシンで腫瘍の増大を抑制、がん治療への応用可能性を検証

研究グループは、開発したナノマシンによるがん治療への応用可能性も検証した。

細胞分裂に必要な酵素「PLK1（polo-like kinase 1：ポロ様キナーゼ1）」を標的とするガイドRNAをナノマシンに搭載してマウスに投与したところ、腫瘍の増大が有意に抑制された。

腫瘍組織ではPLK1タンパク質の減少に加え、細胞死を示す活性化カスパーゼ-3の増加が確認され、ゲノム編集を介した腫瘍増大の抑制効果が示された

また、KRAS遺伝子に「G13D変異」を持つヒト大腸がん細胞を用いた腫瘍モデルでも、変異KRASを標的としたゲノム編集によって腫瘍の増大を抑制した。

反復投与後のマウスでは、体重減少や血液検査値の異常、主要臓器の病理学的異常は認められなかったという。

研究グループは今後、肝臓や腎臓などの正常な臓器で意図しないゲノム編集が発生していないかを詳しく検証し、安全性の確認を進める方針だ。