脂質ナノ粒子が完全なCFTR遺伝子を送達、嚢胞性線維症の遺伝子治療が前進

UCLAの研究者らは、脂質ナノ粒子ベースの遺伝子編集法を開発した。この方法は、ヒト気道細胞に健康な遺伝子全体を挿入し、嚢胞性線維症の実験モデルにおいて重要な生物学的機能を回復させることができ、遺伝性肺疾患に対する変異非依存的遺伝子治療への新たな道を切り開く可能性がある。Advanced Functional Materials誌に掲載されたこの研究は、脂質ナノ粒子が、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に正確に挿入するために必要な複雑な分子カーゴを運ぶように設計できることを示している。

「この研究は、正確な遺伝子挿入に必要なすべてを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ています。これは、多くの異なる病気の原因となる変異にわたって機能する遺伝子治療の開発に向けた重要な一歩です」と、研究の上席著者でUCLAブロード幹細胞研究センターのメンバーである人物は述べている。

嚢胞性線維症は、単一の遺伝子である嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子（CFTR）の変異によって引き起こされる。この遺伝子は、気道細胞の表面で塩化物と水を移動させるのに役立つチャネルをコードしている。チャネルが正常に機能しないと、肺の粘液は濃くて粘着性になり、細菌を閉じ込め、慢性感染症と進行性の肺障害につながる。CFTRモジュレーターとして知られる非常に効果的な薬剤が多くの嚢胞性線維症患者の治療を変えてきたが、約10%の患者はCFTRタンパク質をほとんどまたはまったく産生せず、それらの薬剤が作用する標的が何もない。

「そうした患者にとって、遺伝子治療は改善策であるだけでなく、実際に唯一の選択肢です」と、研究の共著者で幹細胞センターのトランスレーショナルリサーチ副所長は述べた。「そもそも細胞にタンパク質を作る能力を与えなければなりません」

CFTR遺伝子には嚢胞性線維症を引き起こす可能性のある1,700以上の異なる変異があるため、研究チームは、個別に対処するのではなく、一度の編集でこれらの誤りのいずれかを修正できる普遍的なアプローチの開発を目指した。ほとんどの実験的遺伝子治療は、ウイルスベクターに頼って遺伝物質を細胞に送達している。ウイルスベクターは強力だが、製造コストが高く、運べる遺伝物質の量に制限があり、免疫系が認識して反応する可能性があるため、複数回投与することが難しい。

UCLAのチームは代わりに、非ウイルス性送達システムとして脂質ナノ粒子を使用した。この粒子は、正確な位置でDNAを切断するCRISPR機構、正しいゲノム部位を標的とするガイド分子、そしてCFTR遺伝子の完全で機能的なコピーをコードするDNAテンプレートという3つの遺伝子編集成分を同時に輸送するように設計された。

「これらすべてを単一の粒子に詰め込むこと、特にCFTRのように大きな遺伝子を詰め込むことは、これまでに示されていなかったことです」と、研究の筆頭著者でUCLAのJonas研究室の最近の博士号取得者である人物は述べた。「『大きな遺伝子』の問題を解決できれば、他の多くの疾患への扉も開かれます」

研究者らは、既存の薬剤に反応しない重度の嚢胞性線維症変異を持つ実験室で培養したヒト気道細胞でこのシステムを試験した。ナノ粒子は、健康なCFTR遺伝子を細胞の約3～4%に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いにもかかわらず、治療により細胞集団全体で正常なCFTRチャネル機能の88%から100% が回復した。

研究者らによると、その回復の強さは、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を反映している。置換されたCFTR遺伝子は、細胞に入るとタンパク質生産を最大化するように設計されており、少数の修正細胞であっても大きな効果をもたらすことができる。コドン最適化として知られるこの遺伝子設計は、UCLAの研究室の共同研究者らによって開発され、タンパク質自体を変えることなくCFTRタンパク質の生産を向上させる。

反復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、この新戦略は修正された遺伝子を直接ゲノムに挿入するため、細胞とその子孫が時間の経過とともに機能的なCFTRを産生し続ける可能性がある。しかし、長期的な利益のためには、遺伝子編集は最終的に、肺の保護内層の奥深くに位置し、人の生涯にわたって気道を再生する気道幹細胞に到達する必要がある。

「これらの幹細胞は長命で、絶えず気道を再生しています」と、UCLAのDavid Geffen医学部の小児科および肺医学の教授でもある共著者は述べた。「もしこれらの細胞を修正できれば、理論上は健康な細胞の永続的な供給源を得ることができます」

これらの細胞に到達することは、今後の最大の課題の1つであり続けている。気道は異物を遮断するように設計されており、嚢胞性線維症の患者では、粘着性の高い粘液がさらなる障壁を作り出している。