ナノ粒子による遺伝子編集が嚢胞性線維症の実験モデルでCFTR機能を回復

UCLAの研究チームは、ヒト気道細胞に正常な遺伝子全長を挿入できる脂質ナノ粒子ベースの遺伝子編集アプローチを開発した。これは、嚢胞性線維症の実験室モデルで重要な生物学的機能を回復させ、遺伝性肺疾患に対する変異非依存型の遺伝子治療に向けた新たな道筋を示す可能性がある。Advanced Functional Materialsに掲載されたこの研究は、脂質ナノ粒子を設計することで、ウイルスベクターを用いずに、大きな全長遺伝子をゲノムへ正確に挿入するために必要な分子カーゴを運搬できることを示した。

嚢胞性線維症は、気道細胞表面で塩化物イオンと水の移動を助けるチャネルをコードする単一遺伝子、cystic fibrosis transmembrane conductance regulator、すなわちCFTRの変異によって引き起こされる。CFTRモジュレーターとして知られる高い効果を持つ薬剤は、多くの嚢胞性線維症患者の治療を一変させたが、患者の約10%ではCFTRタンパク質がほとんど、あるいはまったく産生されず、これらの薬剤が作用する標的が存在しない。

嚢胞性線維症を引き起こしうるCFTR遺伝子の変異は1,700種類以上あるため、研究チームは、それぞれを個別に修正するのではなく、単一の編集でこれらすべての異常に対応できる汎用的アプローチの開発を目指した。本研究では、脂質ナノ粒子を非ウイルス性送達システムとして用い、3つの遺伝子編集構成要素を同時に運ぶよう設計した。すなわち、DNAを正確な位置で切断するCRISPR機構、正しいゲノム部位を標的化するガイド分子、そして機能的なCFTR遺伝子の完全なコピーをコードするDNAテンプレートである。

研究チームはこのシステムを、既存薬に反応しない重症の嚢胞性線維症変異を持つ実験室培養ヒト気道細胞で検証した。ナノ粒子は、細胞の約3%から4%に正常なCFTR遺伝子を送達することに成功した。修正された細胞の割合は比較的小さかったにもかかわらず、この治療は細胞集団全体で正常なCFTRチャネル機能の88%から100%を回復させた。

研究チームによると、この回復の強さは、遺伝子がどこに挿入されたかだけでなく、どのように設計されたかも反映している。置換されたCFTR遺伝子は、細胞内に入った後のタンパク質産生を最大化するよう設計されており、修正された細胞数が少なくても大きな効果を発揮できるようにした。この遺伝子設計はコドン最適化として知られ、タンパク質自体を変えることなくCFTRタンパク質の産生を高める。

繰り返し再投与が必要なメッセンジャーRNAを送達するアプローチとは異なり、この新しい戦略では修正された遺伝子をゲノムに直接挿入するため、細胞とその子孫細胞が時間の経過とともに機能的なCFTRを産生し続けられる可能性がある。ただし、長期的な利益を得るには、最終的に遺伝子編集を気道幹細胞へ到達させる必要がある。これらの細胞は肺の保護被覆の深部に存在し、人の生涯を通じて気道を再生する。こうした細胞への到達は、気道自体が異物粒子を遮断するようにできていることに加え、嚢胞性線維症患者では粘稠な粘液がさらなる障壁となるため、今後の最大の課題の1つであり続ける。

研究チームは今回の成果を概念実証と位置づけており、持続性のある1回限りの治療を実現するには、今後、気道幹細胞への送達を改善する必要があると述べた。