新たな送達法でCRISPR遺伝子編集効率が最大90％に向上

科学者らは、遺伝子編集とmRNA治療の有効性を劇的に高める2つの異なる画期的戦略を明らかにし、実験室での成功を臨床応用へと移す際に長らく障壁となってきた課題に対処した。

Biohubの研究者らは、3つのアミノ酸—methionine、arginine、serine—の併用投与により、治療ペイロードの送達を最大20倍まで増幅し、in vivoでのCRISPR遺伝子編集効率を控えめな25％からほぼ90％へと引き上げられることを見いだした。この発見は分子医療にとって画期となる。というのも、脂質ナノ粒子は実験室では驚異的な性能を示す一方で、生体内で同等の成功へと結びつけることに長年苦戦してきたからである。

Dr. Daniel Zongjie WangとDr. Shana O. Kelleyが率いるBiohubチームは、ナノ粒子そのものに目を向けるのではなく、膜相互作用を調節する細胞環境と代謝状態に焦点を当てることで問題を捉え直した。研究者らがヒト血漿様培地を用いてより実際に近い生理環境をモデル化すると、細胞によるLNPの取り込みは急激に低下した。さらに代謝解析と遺伝学的解析により、アミノ酸関連経路の減衰が重要なボトルネックであることが特定された。

医薬品グレードのmethionine、arginine、serineのみから成る最適化カクテル—臨床使用で安全と考えられ、広く入手可能な3つのアミノ酸—は、変革的な効果を示した。このアミノ酸サプリメントは、多様な細胞種においてmRNAカーゴの取り込みと機能発現を大幅に高めた。この効果は、筋肉内、気管内、静脈内のいずれの投与経路でも一貫しており、ナノ粒子の脂質組成や遺伝子カーゴの種類にも依存しなかった。

機序としては、アミノ酸サプリメントの同時送達が特定の細胞取り込み経路を調節し、脂質ナノ粒子が侵入する細胞内への「入口」を実質的に広げるようだ。アミノ酸代謝回路を活性化することで、細胞は代謝的にプライミングされ、ナノキャリアをより効率的に取り込み、治療ペイロードを放出できるようになる。

acetaminophen誘発性急性肝不全の前臨床マウスモデルでは、アミノ酸サプリメントの追加により、LNPに封入した成長ホルモンmRNAによる治療後の生存率が危険なほど低い33％から完全生存へと転換した。この顕著な改善は、血清中治療タンパク質レベルの約9倍の増加と、肝障害および炎症マーカーがほぼ健常の基準値へ正常化することを伴った。肺組織を標的とする遺伝子編集応用では、このサプリメントにより、通常20～30％の範囲にあるCRISPR-Cas9編集効率が、単回投与のみで前例のない85～90％へと跳ね上がった。

別の研究として、カリフォルニア大学バークレー校で遺伝子編集の先駆者かつノーベル賞受賞者のJennifer Doudnaが率いるチームは、ウイルスのように細胞間を広がる自己複製型CRISPRシステムを開発した。科学者らは、CRISPR機構を封入できるウイルス様トランスポーターを細胞に作らせるための遺伝子指令を追加した。処置された細胞内で産生されると、CRISPRカーゴは隣接細胞へと運ばれる。

NANoparticle-Induced Transfer of Enzyme（NANITE）と呼ばれるこのシステムは、担体分子とCRISPR機構の遺伝子指令を、単一の環状DNAに組み合わせる。これにより、Cas9酵素は細胞内で両者が作られている間に送達タンパク質と物理的に結び付いた状態になる。また最終的な送達ビークルがガイドRNAも封入することを意味する。ガイドRNAはCas9をDNA標的へ結び付ける「ブラッドハウンド」である。

善意のウイルスのように、NANITEは最初に少数の細胞へ「感染」する。侵入すると、各細胞に完全なCRISPRツールを作らせ、それをパッケージ化して他の細胞へ送り出すよう指令する。改良版エディターは、標準的なCRISPRと比べ、培養細胞の遺伝子編集においておよそ3倍効果的であった。また、遺伝性代謝疾患を持つマウスでは有害タンパク質量を低下させたが、元のバージョンは同じ用量ではほとんど効果がなかった。

遺伝子エディターは、疾患の根底にある遺伝学的基盤を上書きまたは修復することで医療を変革すると期待されるが、これらのツールはすべて1つの基本要件によって制約される。すなわち、病的な細胞集団を上回るだけの十分な数の細胞が編集されなければならない。鎌状赤血球症を抑えるには、血液幹細胞のおよそ20％を修復する必要がある。筋力を低下させる遺伝性疾患であるDuchenne muscular dystrophyでは、標的細胞の15％超を編集する必要がある。

いったん細胞へ送達されると、編集機構は最初に侵入した細胞内に閉じ込められる。補うために科学者らはしばしば投与量を増やすが、これは免疫攻撃やオフターゲットの遺伝子編集を誘発するリスクがある。今回の2つの新たなアプローチはいずれも、遺伝子治療の送達におけるこの根本的な制約に対する解決策となり得る。