
遺伝子治療は、細胞へのDNAの送達を利用します。これは、以下にまとめたいくつかの方法で実現できます。主な方法は、組換えウイルス(生物学的ナノ粒子またはウイルスベクターと呼ばれることもあります)を使用する方法と、裸のDNAまたはDNA複合体(非ウイルス性)を使用する方法の2つです。
すべてのウイルスは宿主に結合し、複製サイクルの一環として宿主細胞に遺伝物質を導入します。この遺伝物質には、ウイルスのコピーを増やすための基本的な「指示」が含まれており、体内の通常のウイルス産生機構をハッキングしてウイルスの必要に応じて増殖させます。宿主細胞はこれらの指示に従い、ウイルスのコピーをさらに増殖させ、感染細胞をますます増やしていきます。ウイルスの中には、ゲノムを宿主の細胞質に挿入するものの、実際には細胞内に侵入しないものもあります。また、タンパク質分子に偽装して細胞膜を貫通し、細胞内に侵入するものもあります。
ウイルス感染には、溶菌性ウイルスと溶原性ウイルスの2つの主要なタイプがあります。溶菌性ウイルスは、DNAを挿入した直後に急速にウイルスを増殖させ、細胞から破裂してより多くの細胞に感染します。溶原性ウイルスは、自身のDNAを宿主細胞のDNAに組み込み、誘因に反応するまで何年も体内で生存することがあります。ウイルスは細胞と同様に増殖し、誘因が見つかるまでは身体に害を及ぼしません。誘因は宿主のDNAを放出し、それを用いて新たなウイルスを産生します。
レトロウイルスの遺伝物質はRNA分子の形をしているのに対し、宿主の遺伝物質は DNA の形をしています。レトロウイルスが宿主細胞に感染すると、その RNA を逆転写酵素とインテグラーゼという酵素と一緒に細胞に導入します。レトロウイルスのこの RNA 分子は、宿主細胞の遺伝物質に組み込まれる前に、RNA 分子から DNA のコピーを生成する必要があります。RNA 分子から DNA のコピーを生成するプロセスは逆転写と呼ばれます。これは、ウイルスが持つ逆転写酵素と呼ばれる酵素の 1 つによって実行されます。この DNA コピーが生成され、宿主細胞の核内で遊離した後、それは宿主細胞のゲノムに組み込まれる必要があります。つまり、細胞内の大きな DNA 分子 (染色体) に挿入される必要があります。このプロセスは、ウイルスが持つインテグラーゼと呼ばれる別の酵素によって行われます。
ウイルスの遺伝物質が挿入されたことで、宿主細胞は新しい遺伝子を含むように改変されたと言えます。この宿主細胞が後に分裂すると、その子孫はすべて新しい遺伝子を含むことになります。レトロウイルスの遺伝子は、必ずしもすぐに情報を発現するとは限りません。
レトロウイルスを用いた遺伝子治療の問題の一つは、インテグラーゼ酵素がウイルスの遺伝物質を宿主ゲノムの任意の位置に挿入できること、つまり遺伝物質を染色体にランダムに挿入してしまうことである。遺伝物質が宿主細胞の元々の遺伝子の真ん中に挿入されてしまった場合、その遺伝子は破壊されてしまう(挿入変異)。その遺伝子が細胞分裂を制御する遺伝子だった場合、制御不能な細胞分裂(すなわち、がん)が起こる可能性がある。この問題は、最近、ジンクフィンガーヌクレアーゼ[ 1 ]を利用したり、 βグロビン遺伝子座制御領域などの特定の配列を組み込んで特定の染色体部位に組み込みを指示したりすることで対処され始めている。
レトロウイルスベクターを用いたX連鎖重症複合免疫不全症(X-SCID)の治療における遺伝子治療試験は、現在までに最も成功した遺伝子治療の応用例である。フランスと英国では20人以上の患者が治療を受け、高い免疫システムの再構築率が観察されている。フランスのX-SCID遺伝子治療試験で治療を受けた患者に白血病が報告されたため、米国では同様の試験が制限または中止された。 [ 2 ]現在までに、フランスの試験では4人の子供、英国の試験では1人の子供が、レトロウイルスベクターによる挿入変異の結果として白血病を発症した。これらの子供のうち1人を除く全員が、従来の抗白血病治療によく反応した。アデノシンデアミナーゼ(ADA)酵素の欠損(SCIDの一形態)によるSCIDを治療するための遺伝子治療試験[ 3 ]は、米国、英国、アイルランド、イタリア、日本で比較的成功を収めながら継続されている。
アデノウイルスは、遺伝物質を二本鎖DNAの形で運ぶウイルスです。ヒトにおいて呼吸器、腸管、眼の感染症(特に風邪)を引き起こします。これらのウイルスが宿主細胞に感染すると、自身のDNA分子が宿主細胞に導入されます。アデノウイルスの遺伝物質は、宿主細胞の遺伝物質に(一時的に)組み込まれることはありません。DNA分子は宿主細胞の核内に自由のまま残され、この余分なDNA分子内の指示は他の遺伝子と同様に転写されます。唯一の違いは、これらの余分な遺伝子は細胞分裂の際に複製されないため、その細胞の子孫は余分な遺伝子を持たないという点です。
その結果、アデノウイルスによる治療は、宿主細胞のゲノムへの組み込みがないため、SCID試験で見られるタイプの癌は予防できるものの、増殖する細胞集団への再投与が必要となる。このベクターシステムは癌治療への利用が推進されており、実際に癌治療薬として認可された最初の遺伝子治療製品であるゲンディシンはアデノウイルスである。アデノウイルスp53をベースとした遺伝子治療薬であるゲンディシンは、2003年に中国の食品医薬品規制当局によって頭頸部癌の治療薬として承認された。イントロジェン社の同様の遺伝子治療薬であるアドベキシンは、2008年に米国食品医薬品局(FDA)によって却下された。 [ 4 ]
アデノウイルスベクターの安全性に関する懸念は、1999年に遺伝子治療試験に参加していたジェシー・ゲルシンガー氏が死亡した後に高まりました。それ以来、アデノウイルスベクターを用いた研究は、遺伝子的に制限されたウイルスのバージョンに焦点が当てられてきました。
サイトメガロウイルス(CMV)は、ロセオロウイルスを含むβヘルペスウイルス亜科に属します。CMVは、ヒトCMV(HCMV)、マウスCMV(MCMV)、アカゲザルCMV(RhCMV)など、様々な哺乳類宿主と共進化してきました。CMVは、巨大なDNAゲノムを持ち、健康な宿主では感染しても通常は無症候性です。
サイトメガロウイルス(CMV)を遺伝子治療ベクターとして初めて研究した論文は2000年に発表された。CMVの造血前駆細胞への親和性とゲノムサイズ(230 kbp)の大きさが当初は研究者の注目を集めた。[ 5 ] CMVをベースとしたワクチンベクターはその後、T細胞応答を誘導するために利用されてきた。[ 6 ]最近では、テロメラーゼとフォリスタチンを含むCMVがマウスの静脈内および鼻腔内に投与され、健康寿命の延長が期待されている。[ 7 ]
上述のウイルスベクターは、最も効率的に感染する自然宿主細胞集団を有する。レトロウイルスの自然宿主細胞範囲は限られており、アデノウイルスとアデノ随伴ウイルスは比較的広範囲の細胞に効率的に感染できるものの、一部の細胞型はこれらのウイルスにも感染抵抗性を示す。感受性細胞への付着と侵入は、ウイルス表面のタンパク質エンベロープによって媒介される。レトロウイルスとアデノ随伴ウイルスは膜を覆う単一のタンパク質を有するのに対し、アデノウイルスはエンベロープタンパク質とウイルス表面から伸びる繊維の両方で覆われている。これらのウイルスのエンベロープタンパク質は、ヘパリン硫酸などの細胞表面分子に結合し、潜在的宿主の表面に局在する。また、特異的なタンパク質受容体にも結合し、ウイルスタンパク質に侵入を促進する構造変化を誘導するか、エンドソームにウイルスを局在させ、内腔の酸性化によってウイルスコートのリフォールディングを誘導する。どちらの場合でも、潜在的な宿主細胞に侵入するには、ウイルスの表面にあるタンパク質と細胞の表面にあるタンパク質との間に好ましい相互作用が必要です。
遺伝子治療の目的のために、遺伝子治療ベクターによる形質導入の影響を受ける細胞の範囲を限定したい場合もあれば、拡大したい場合もある。この目的のために、内因性ウイルスエンベロープタンパク質を他のウイルスのエンベロープタンパク質、またはキメラタンパク質に置換したベクターが数多く開発されている。このようなキメラは、ビリオンへの組み込みに必要なウイルスタンパク質の部分と、特定の宿主細胞タンパク質と相互作用するための配列から構成される。エンベロープタンパク質が上記のように置換されたウイルスは、擬似型ウイルスと呼ばれる。例えば、遺伝子治療試験に用いられる最も一般的なレトロウイルスベクターは、水疱性口内炎ウイルス由来のエンベロープタンパク質( Gタンパク質)でコーティングされたサル免疫不全ウイルス(VSV)レンチウイルスである。このベクターはVSV G擬似型レンチウイルスと呼ばれ、ほぼあらゆる細胞に感染する。この親和性は、このベクターをコーティングしているVSV Gタンパク質の特徴である。ウイルスベクターの指向性を単一または少数の宿主細胞集団に限定する試みは数多く行われてきました。この進歩により、比較的少量のベクターを全身投与することが可能になります。これにより、標的細胞へのオフターゲット改変の可能性が制限され、医療界からの多くの懸念が軽減されるでしょう。指向性を制限する試みのほとんどは、抗体断片を含むキメラエンベロープタンパク質を用いています。これらのベクターは、「魔法の弾丸」のような遺伝子治療の開発に大きな期待が寄せられています。
ONYX-015と呼ばれる複製能を持つベクターは、腫瘍細胞の複製に使用されます。E1B-55kdウイルスタンパク質が欠失した状態では、アデノウイルスは感染したp53(+)細胞に非常に急速なアポトーシスを引き起こし、その結果、ウイルスの子孫が劇的に減少し、その後の拡散が抑制されることが明らかになりました。アポトーシスは主にE1B-55kdのp300不活性化能によるものです。p53(-)細胞では、E1B-55kdの欠失はアポトーシスに影響を与えず、ウイルスの複製は野生型ウイルスと同様に進行し、大量の細胞が死滅します。
複製能を欠損したベクターは、いくつかの必須遺伝子を削除します。削除された遺伝子は体内で依然として必要なため、ヘルパーウイルスまたはDNA分子に置き換えられます。[ 8 ]
複製能欠損型ベクターは必ず「トランスファーコンストラクト」を含む。トランスファーコンストラクトは、導入される遺伝子、すなわち「トランスジーン」を運ぶ。また、ウイルスゲノムの全体的な機能に必要な配列、すなわちパッケージング配列、複製のための反復配列、そして必要に応じて逆転写のプライミング配列も運ぶ。これらは、ウイルスゲノムおよび対象遺伝子と同じDNA断片上に存在する必要があるため、「シスアクティングエレメント」と呼ばれる。トランスアクティングエレメントは、異なるDNA分子上にコードされる可能性のあるウイルスエレメントである。例えば、ウイルス構造タンパク質は、ウイルスゲノムとは異なる遺伝子エレメントから発現される可能性がある。[ 8 ]
単純ヘルペスウイルスはヒト神経向性ウイルスです。これは主に神経系における遺伝子伝達について研究されています。野生型のHSV-1ウイルスはニューロンに感染し、宿主の免疫応答を回避しますが、それでも再活性化してウイルス複製の溶解サイクルを引き起こす可能性があります。そのため、複製能力を欠いたHSV-1の変異株が一般的に使用されます。潜伏ウイルスは転写的には明らかではありませんが、正常に機能し続けることができるニューロン特異的プロモーターを有しています。HSV-1に対する抗体はヒトによく見られますが、ヘルペス感染による合併症は比較的まれです。[ 9 ] まれに脳炎が発生する可能性があるため注意が必要です。HSV-2は一般的に泌尿生殖器領域を支配する神経細胞に向性があり、脳の重篤な病変を宿主にもたらす可能性があるため、HSV-2をウイルスベクターとして使用することには一定の根拠があります。
非ウイルス法は、ウイルス法に比べていくつかの利点を有しており、その例としては、大規模生産が容易であること、宿主免疫原性が低いことなどが挙げられます。以前は、遺伝子のトランスフェクションと発現レベルが低いことが非ウイルス法の不利な点でしたが、近年のベクター技術の進歩により、ウイルスと同等のトランスフェクション効率を持つ分子や技術が開発されました。[ 10 ]
これは非ウイルス性トランスフェクションの最も簡便な方法です。裸のDNAプラスミドを筋肉内注射する臨床試験は一定の成功を収めていますが、他のトランスフェクション方法と比較して発現量が非常に低いという問題があります。プラスミドを用いた試験に加えて、裸のPCR産物を用いた試験も行われており、プラスミドと同等かそれ以上の成功を収めています。裸のDNAの細胞への取り込みは一般的に効率が悪いです。裸のDNAの取り込み効率を向上させるための研究により、電気穿孔法、超音波穿孔法、高圧ガスを用いてDNAでコーティングされた金粒子を細胞内に打ち込む「遺伝子銃」の使用など、いくつかの新しい方法が開発されています。 [ 11 ]
エレクトロポレーションは、高電圧の短いパルスを用いてDNAを細胞膜を越えて輸送する方法です。この衝撃によって細胞膜に一時的な孔が形成され、DNA分子が通過できるようになると考えられています。エレクトロポレーションは一般的に効率的で、幅広い細胞種に有効です。しかし、エレクトロポレーション後の細胞死率が高いため、臨床応用を含め、その用途は限られています。
近年、電子雪崩トランスフェクションと呼ばれる新しい電気穿孔法が遺伝子治療実験に用いられています。高電圧プラズマ放電を用いることで、非常に短い(マイクロ秒)パルスを用いてDNAを効率的に導入することができます。この技術は電気穿孔法と比較して、効率が大幅に向上し、細胞へのダメージも軽減されます。
粒子衝撃法、あるいは遺伝子銃法は、DNAトランスフェクションのもう一つの物理的な方法です。この技術では、DNAを金粒子にコーティングし、DNAを細胞内に浸透させる力を発生させる装置に装填します。すると、金粒子は「停止」ディスク上に残ります。
ソノポレーションは、超音波周波数を用いてDNAを細胞内に導入します。音響キャビテーションのプロセスにより細胞膜が破壊され、DNAが細胞内へ移行すると考えられています。
マグネトフェクションと呼ばれる方法では、DNA を磁性粒子と複合させ、磁石を組織培養皿の下に置いて DNA 複合体を細胞単層と接触させます。
流体力学的送達は、大量の溶液を血管系(下大静脈、胆管、尾静脈など)に急速に注入する手法である。この溶液には、 DNAプラスミドやsiRNAなど、細胞に挿入される分子が含まれており、これらの分子の細胞への輸送は、注入された大量の溶液によって生じる高静水圧によって促進される。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
遺伝子治療における合成オリゴヌクレオチドの使用は、疾患プロセスに関与する遺伝子を不活性化することです。これにはいくつかの方法があります。一つの戦略は、標的遺伝子に特異的なアンチセンス抗体を用いて、欠陥遺伝子の転写を阻害することです。もう一つの戦略は、 siRNAと呼ばれる小さなRNA分子を用いて、欠陥遺伝子のmRNA転写産物中の特定の配列を切断するよう細胞に信号を送り、欠陥mRNAの翻訳を阻害することで、遺伝子の発現を阻害することです。さらに別の戦略では、標的遺伝子の転写を活性化するために必要な転写因子のデコイとして、二本鎖オリゴデオキシヌクレオチドを使用します。転写因子は欠陥遺伝子のプロモーターではなくデコイに結合するため、標的遺伝子の転写が抑制され、発現が低下します。さらに、一本鎖DNAオリゴヌクレオチドは、変異遺伝子内の一塩基変化を誘導するために使用されています。オリゴヌクレオチドは、修復の鋳型塩基として機能する中心塩基(標的塩基)を除き、標的遺伝子と相補的にアニールするように設計されます。この技術は、オリゴヌクレオチド媒介遺伝子修復、標的遺伝子修復、または標的ヌクレオチド改変と呼ばれます。
新しいDNAを細胞内に効率よく送達するには、DNAを損傷から保護し、正に帯電させる必要があります。当初、合成ベクター用のリポプレックスの構築には、陰イオン性脂質と中性脂質が使用されていました。しかし、毒性がほとんどなく、体液と適合性があり、組織特異的に適応させる可能性があったにもかかわらず、製造が複雑で時間がかかるため、陽イオン性脂質に注目が集まりました。
カチオン性脂質は、その正電荷の性質を利用して、負に帯電したDNA分子を凝縮し、DNAをリポソームに封入しやすくするために、当初は用いられました。その後、カチオン性脂質の使用によってリポプレックスの安定性が著しく向上することが明らかになりました。また、その電荷の性質から、カチオン性リポソームは細胞膜と相互作用するため、エンドサイトーシスが細胞がリポプレックスを取り込む主な経路であると広く考えられていました。エンドサイトーシスによってエンドソームが形成されますが、遺伝子がエンドソーム膜を破って細胞質へ放出されない場合、遺伝子はリソソームへと送られ、そこでDNAは機能を果たす前に全て破壊されてしまいます。また、カチオン性脂質自体はDNAを凝縮してリポソームに封入できるものの、「エンドソームからの脱出」能力がないため、トランスフェクション効率が非常に低いことも判明しました。しかし、ヘルパー脂質(通常はDOPEなどの電気的に中性な脂質)を添加してリポプレックスを形成すると、はるかに高いトランスフェクション効率が観察されました。その後、特定の脂質がエンドソーム膜を不安定化し、エンドソームからのDNAの脱出を促進することが発見され、これらの脂質は融合性脂質と呼ばれています。カチオン性リポソームは遺伝子送達ベクターの代替として広く使用されていますが、用量依存的な毒性が観察されており、治療用途が制限される可能性があります。[ 15 ]
リポプレックスの最も一般的な用途は、癌細胞への遺伝子導入であり、導入された遺伝子は細胞内の腫瘍抑制制御遺伝子を活性化し、癌遺伝子の活性を低下させます。最近の研究では、リポプレックスが呼吸器上皮細胞への遺伝子導入に有用であることが示されています。
ポリマーソームは、両親媒性ブロック共重合体からなるリポソーム(脂質二重層を持つ小胞)の合成バージョンです。親水性または疎水性の内容物を封入することができ、DNA、タンパク質、薬剤などの輸送物を細胞に送達するために使用できます。リポソームと比較したポリマーソームの利点としては、安定性、機械的強度、血中循環時間、貯蔵容量などが挙げられます。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
ポリマーとDNAの複合体はポリプレックスと呼ばれる。[ 15 ] [ 19 ]ほとんどのポリプレックスはカチオン性ポリマーで構成され、その製造はイオン相互作用による自己組織化に基づいている。ポリプレックスとリポプレックスの作用機序の重要な違いの1つは、ポリプレックスはDNAを細胞質に直接放出できないことである。その結果、粒子の取り込み中に形成されるエンドサイトーシス小胞からのナノ粒子の脱出を促進するために、不活化アデノウイルスなどのエンドソーム溶解剤との共トランスフェクションが必要であった。しかし、DNAがエンドリソソーム経路から脱出するメカニズム、すなわちプロトンスポンジ効果の理解が深まったことで、[ 20 ]ポリマー骨格へのプロトン化可能な残基の組み込みなどの新しいポリマー合成戦略が生まれ、ポリカチオンベースのシステムの研究が活性化した。[ 21 ]
ポリカチオンナノキャリアは、毒性が低く、充填容量が大きく、製造が容易なため、免疫原性が高く、潜在的な発がん性を持つウイルスベクターや、用量依存的な毒性を引き起こす脂質ベースのベクターなどの競合製品に比べて、大きな可能性を秘めています。ポリエチレンイミン[ 22 ]やキトサンは、遺伝子送達治療薬の開発のために広く研究されているポリマーキャリアです。ポリ(β-アミノエステル) [ 23 ]やポリホスホラミデート[ 24 ]などの他のポリカチオンキャリアも、潜在的な遺伝子キャリアのライブラリーに追加されつつあります。ポリマーやコポリマーの多様性に加えて、これらのポリマーナノキャリアは、サイズ、形状、表面化学を制御しやすいため、標的化能力や、強化された透過性および保持効果を活用する上で優位性があります。[ 25 ]
デンドリマーは、球状の高度に分岐した高分子です。粒子の表面は様々な方法で官能基化することができ、得られる構造体の特性の多くは、その表面によって決まります。
特に、カチオン性デンドリマー、すなわち正の表面電荷を持つデンドリマーを構築することが可能です。DNAやRNAなどの遺伝物質が存在する場合、電荷の相補性により、核酸とカチオン性デンドリマーは一時的に会合します。目的の標的に到達すると、デンドリマー-核酸複合体はエンドサイトーシスによって細胞内に取り込まれます。
近年、トランスフェクション剤のベンチマークはカチオン性脂質です。これらの競合試薬には、一部の細胞種へのトランスフェクション能力の欠如、強力なアクティブターゲティング能力の欠如、動物モデルとの非適合性、そして毒性といった限界が報告されています。デンドリマーは、堅牢な共有結合構造と分子構造、ひいてはサイズに対する高度な制御性を備えています。これらを組み合わせることで、既存のアプローチに比べて大きな利点が得られます。
デンドリマーの製造は、これまで多くの遅い反応を伴う、時間と費用のかかるプロセスであり、これが商業開発の大きな障害となっていました。ミシガン州に拠点を置くデンドリティック・ナノテクノロジーズ社は、動力学的駆動化学を用いてデンドリマーを製造する方法を発見しました。このプロセスは、コストを3分の1に削減するだけでなく、反応時間を1ヶ月以上から数日に短縮することに成功しました。この新しい「Priostar」デンドリマーは、DNAまたはRNAペイロードを運ぶように特別に設計されており、毒性をほとんど、あるいは全く与えずに、高効率で細胞に導入することができます。
金、シリカ、酸化鉄(例:マグネトフェクション)、リン酸カルシウムなどの無機ナノ粒子は、遺伝子送達能力があることが示されている。[ 26 ]無機ベクターの利点としては、保存安定性、製造コストと製造時間の短縮、免疫原性の低さ、微生物による攻撃への耐性などが挙げられる。100 nm未満のナノサイズ材料は、DNAまたはRNAを効率的に捕捉し、エンドソームから分解されることなく脱出させることが示されている。無機物は、密度が高く培養皿の底面に優先的に配置されるため、付着細胞株のin vitroトランスフェクションが改善されることも示されている。量子ドットもまた効果的に使用されており、遺伝子治療と安定した蛍光マーカーの結合を可能にしている。遺伝子と治療薬の同時送達に使用できる人工有機ナノ粒子も開発中である。[ 27 ]
細胞透過性ペプチド(CPP)は、ペプチド伝達ドメイン(PTD)とも呼ばれ、短いペプチド(40アミノ酸未満)であり、様々な分子と共有結合または非共有結合しながら細胞膜を効率的に通過し、これらの分子の細胞内への侵入を促進します。細胞への侵入は主にエンドサイトーシスによって起こりますが、他の侵入メカニズムも存在します。CPPのカーゴ分子の例としては、核酸、リポソーム、低分子量薬物などがあります。 [ 28 ] [ 29 ]
CPPカーゴは、CPP配列に局在配列を組み込むことで、特定の細胞小器官に誘導することができます。例えば、核局在配列は、 CPPカーゴを核内に誘導するために一般的に用いられます。[ 30 ]ミトコンドリアへの誘導には、ミトコンドリア標的配列を用いることができ、この方法はプロトフェクション(外来ミトコンドリアDNAを細胞のミトコンドリアに挿入する技術)で用いられています。 [ 31 ] [ 32 ]
遺伝子導入法にはそれぞれ欠点があるため、複数の技術を組み合わせたハイブリッド法が開発されています。例えば、ビロソームは、リポソームと不活化HIVウイルスまたはインフルエンザウイルスを組み合わせます。この方法は、ウイルスまたはリポソーム単独の方法よりも、呼吸器上皮細胞への遺伝子導入効率が高いことが示されています。他の方法としては、他のウイルスベクターをカチオン性脂質と混合したり、ウイルスをハイブリダイズさせたりする方法があります。
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