脂質ナノ粒子でCFTR遺伝子全長を送達、嚢胞性線維症の遺伝子治療に前進

UCLAの研究者らは、ヒト気道細胞に健常な遺伝子を丸ごと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、嚢胞性線維症の実験モデルで重要な生物学的機能を回復させた。これは、遺伝性肺疾患に対する変異非依存の遺伝子治療へ向けた新たな道筋となる可能性がある。Advanced Functional Materialsに掲載された本研究は、ウイルスベクターを用いずに、ゲノムへ大型の全長遺伝子を精密に挿入するために必要な複雑な分子カーゴを運べるよう、脂質ナノ粒子を設計できることを示した。

「精密な遺伝子挿入に必要なものをすべて、単一の非ウイルス送達システムに詰め込めることを示しました。これは、多様な疾患原因変異にまたがって機能し得る遺伝子治療を開発するうえで重要な一歩です」と、UCLA Broad Stem Cell Research Centerのメンバーである本研究の上級著者は述べた。

嚢胞性線維症は、嚢胞性線維症膜貫通型コンダクタンス調節因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator）であるCFTRという単一遺伝子の変異により生じる。CFTRは、気道細胞表面を介した塩化物イオンと水の移動を助けるチャネルをコードしている。このチャネルが適切に機能しないと、肺の粘液が濃厚で粘稠となり、細菌を捕捉して慢性感染と進行性の肺障害を引き起こす。CFTRモジュレーターとして知られる非常に有効な薬剤により、多くの嚢胞性線維症患者の治療は大きく変わった一方で、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、薬剤が作用する標的そのものが存在しない。

「その患者さんたちにとって、遺伝子治療は単なる改善ではありません――実際、唯一の選択肢です」と、幹細胞センターでトランスレーショナル研究の副ディレクターも務める共著者は述べた。「まず細胞に、タンパク質を作れる能力を与える必要があります」

嚢胞性線維症を引き起こし得るCFTR遺伝子の変異は1,700種類以上あるため、研究チームは、個別に修正するのではなく、1回の編集でこれらの誤りのいずれも補正できる普遍的なアプローチの開発を目指した。多くの実験的遺伝子治療は、遺伝物質を細胞に運ぶためにウイルスベクターに依存している。強力である一方、ウイルスを用いる方法は製造コストが高く、運べる遺伝物質量に制限があり、免疫系がそれらを認識して反応し得るため、複数回の投与が難しいことがある。

そこでUCLAのチームは、非ウイルス送達システムとして脂質ナノ粒子を用いた。粒子は、3つの遺伝子編集コンポーネントを同時に輸送できるよう設計された。すなわち、DNAを特定の部位で切断するCRISPR machinery、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。

「それらすべてを単一の粒子に収めること――特にCFTRのような大きな遺伝子では――これまで示されていませんでした」と、UCLAのJonas lab出身で最近Ph.D.を取得した本研究の筆頭著者は述べた。「『大きな遺伝子』問題を解決できれば、他の多くの疾患にも道が開けます」

研究者らは、既存薬に反応しない重篤な嚢胞性線維症変異を有する、培養下で作製したヒト気道細胞でこのシステムを検証した。ナノ粒子は細胞の約3～4%に健常なCFTR遺伝子を送達することに成功した。補正された細胞の割合は比較的小さいにもかかわらず、この治療により、細胞集団全体で**正常CFTRチャネル機能の88%～100%**が回復した。

研究者らによれば、この回復の大きさは遺伝子の挿入部位だけでなく、その設計にも由来する。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、少数の補正細胞であっても大きな効果をもたらし得るようにした。この遺伝子設計はcodon optimization（コドン最適化）として知られ、UCLAの別の研究室の共同研究者らにより開発されたもので、タンパク質自体を変えることなくCFTRタンパク質産生を高める。

繰り返し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、新たな戦略では補正遺伝子をゲノムへ直接挿入するため、細胞とその子孫が時間とともに機能的な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のためには、遺伝子編集が最終的に気道幹細胞へ到達する必要がある。気道幹細胞は肺の防御性ライニングの深部に存在し、生涯にわたり気道を再生する。

「これらの幹細胞は寿命が長く、気道を絶えず再生します」と、UCLA David Geffen School of Medicineの小児科および呼吸器内科の教授でもある共著者は述べた。「それらを補正できれば、理論上、健常な細胞の持続的な供給源になり得ます」

それらの細胞へ到達することは、今後の最大の課題の一つである。気道は外来粒子を遮断するようにできており、嚢胞性線維症患者では、粘稠な粘液が追加のバリアとなる。