CRISPR治療の未来を拓く！安全で高効率な遺伝子編集ツールの新たな"運び屋"とは？

 「クリスパーは医学の全分野を変える可能性を秘めています」と、論文の上級著者は語ります。「しかし、私たちが設計するデリバリービークル（運び屋）は、遺伝子ツールそのものと同じくらい重要なのです。クリスパーと球状核酸（SNA）という2つの強力なバイオテクノロジーを組み合わせることで、私たちはクリスパーの治療ポテンシャルを最大限に引き出す戦略を生み出しました。」 

数えきれないほどの病気の根底にある遺伝暗号を書き換える力を持つクリスパーは、医療に革命をもたらす大きな可能性を秘めています。しかし、科学者たちがその遺伝子編集ツールを、関連する細胞や組織に安全かつ効率的に送り届けることができない限り、その可能性は手の届かないままです。 

今回、ノースウェスタン大学の化学者らが、クリスパーの送達を劇的に改善し、その有用性の範囲を広げる可能性のある新しいタイプのナノ構造を発表しました。脂質ナノ粒子球状核酸と呼ばれるこの微小な構造は、Cas9酵素、ガイドRNA、DNA修復テンプレートといったクリスパー編集ツールの完全なセットを、高密度で保護的なDNAの殻に包み込んで運びます。このDNAコーティングは、その積み荷を保護するだけでなく、LNP-SNAがどの臓器や組織に移動するかを決定し、細胞への侵入を容易にします。

様々なヒトおよび動物の細胞タイプを用いた実験室でのテストにおいて、LNP-SNAは、新型コロナウイルスワクチンで使用されている標準的な脂質粒子送達システムと比較して、最大3倍も効果的に細胞に侵入し、毒性もはるかに低く、遺伝子編集効率を3倍に高めました。この新しいナノ構造はまた、現行の方法と比較して、正確なDNA修復の成功率を60%以上も向上させました。

この研究は2025年9月4日付けの米国科学アカデミー紀要（PNAS: Proceedings of the National Academy of Sciences）に掲載されました。論文タイトルは「A General Genome Editing Strategy Using CRISPR Lipid Nanoparticle Spherical Nucleic Acids（CRISPR脂質ナノ粒子球状核酸を用いた汎用ゲノム編集戦略）」です。 

この研究は、より安全で信頼性の高い遺伝子治療への道を開き、ナノ材料の成分だけでなく、その「構造」がいかにその効果を決定するかという重要性を強調しています。この原理は、構造ナノ医療という新たな分野の基礎をなすものであり、ノースウェスタン大学のチャド・A・マーキン博士（Chad A. Mirkin, PhD）らによって開拓され、世界中の何百人もの研究者によって探求されています。

「クリスパーは、遺伝子の欠陥を修正して病気へのかかりやすさを減少させ、さらには病気そのものをなくすことさえ可能な、信じられないほど強力なツールです」と、今回の研究を主導したマーキン博士は述べています。「しかし、クリスパーを重要な細胞や組織に届けることは困難です。適切な細胞、そしてその細胞内の適切な場所に到達するには、ちょっとした奇跡が必要です。私たちは遺伝子編集に必要なツールを送達するためにSNAを用いることで、クリスパーの効率を最大化し、送達可能な細胞や組織の種類の数を拡大することを目指しました。」

ナノテクノロジーとナノ医療のパイオニアであるマーキン博士は、ノースウェスタン大学のウェインバーグ文理学部でジョージ・B・ラスマン記念化学教授、マコーミック工学部で化学・生物工学、生物医工学、材料科学・工学の教授、フェインバーグ医学部で医学教授を務め、国際ナノテクノロジー研究所のエグゼクティブディレクターであり、ノースウェスタン大学ロバート・H・ルリー総合がんセンターのメンバーでもあります。

マーキン博士は化学者であり、世界的に有名なナノサイエンスの専門家です。SNAおよびSNAベースのバイオ検出・治療法、ディップペン・ナノリソグラフィ（DPN: dip-pen nanolithography）および関連するカンチレバーフリーのナノパターニング・材料発見手法、オンワイヤー・リソグラフィ（OWL: on-wire lithography）および同軸リソグラフィ（COAL: co-axial lithography）、高面積高速印刷（HARP: high-area rapid printing）の発見と開発、さらに超分子化学とナノ粒子合成への貢献で知られています。彼は870以上の論文と世界中で1,200以上の特許出願（430以上が発行済み）を執筆し、Nanosphere、TERA-print、Azul 3D、Flashpoint Therapeutics、Mattiqなど複数の企業を設立しています。

クリスパーには"運び屋"が必要 

クリスパーのツールが細胞内の標的に到達すると、遺伝子を無効にしたり、変異を修正したり、新しい機能を追加したりすることができます。しかし、クリスパーは自力で細胞に入ることはできません。常にデリバリービークルを必要とします。

現在、科学者はこの機能のために、主にウイルスベクターと脂質ナノ粒子（LNP: Lipid Nanoparticle）を使用しています。ウイルスは本来、細胞に忍び込むのが得意で効率的ですが、人体に免疫応答を引き起こさせ、痛みを伴う、あるいは危険な副作用をもたらす可能性があります。一方、LNPはより安全ですが、非効率です。細胞内のコンパートメントであるエンドソームに閉じ込められ、積み荷を放出できない傾向があります。

「実際に細胞内に入るクリスパーツールの割合はごくわずかで、核まで到達するのはさらにごく一部です」とマーキン博士は言います。「別の戦略として、体から細胞を取り出し、クリスパーの構成要素を注入してから細胞を体内に戻す方法がありますが、ご想像の通り、これは非常に非効率的で非現実的です。」

DNAで包まれた"タクシー"

この障壁を乗り越えるため、マーキン博士のチームは、ノースウェスタン大学のマーキン博士の研究室で以前に発明された、直鎖状ではなく球状のDNAおよびRNAであるSNAに注目しました。この球状の遺伝物質はナノ粒子のコアを囲み、その内部に積み荷を詰め込むことができます。直径約50ナノメートルのこの微小な構造は、標的への送達のために細胞に侵入する能力が証明されています。すでに7つのSNAベースの治療法がヒトでの臨床試験段階にあり、その中には臨床段階のバイオテクノロジースタートアップであるFlashpoint Therapeutics社が開発中のメルケル細胞がんに対する第2相臨床試験も含まれています。

 今回の研究で、マーキン博士のチームは、内部にクリスパーのツールを搭載したLNPコアから始めました。そして、その粒子の表面を短いDNA鎖の高密度な層で装飾しました。このDNAは細胞表面の受容体と相互作用できるため、細胞はSNAを容易に吸収します。また、このDNAは特定の細胞タイプを標的とする配列で設計することも可能で、より選択的な送達が実現できます。

「粒子の構造を少し変えるだけで、細胞がそれを取り込む効率は劇的に変わります」とマーキン博士は説明します。「SNAの構造はほとんどすべての細胞タイプに認識されるため、細胞はSNAを積極的に取り込み、迅速に内部に取り込みます。」

全面的に向上した性能 

クリスパーを搭載したLNP-SNAの合成に成功した後、マーキン博士と彼のチームは、それを皮膚細胞、白血球、ヒト骨髄幹細胞、ヒト腎臓細胞などを含む細胞培養に加えました。 

その後、チームはいくつかの重要な要素を観察・測定しました。細胞が粒子をどの程度効率的に取り込むか、粒子が細胞に対して毒性を持つか、そして粒子が遺伝子をうまく送達したかです。彼らはまた、細胞のDNAを分析し、クリスパーが望ましい遺伝子編集を行ったかを確認しました。すべての項目において、このシステムはクリスパーのツールを成功裏に送達し、複雑な遺伝子改変を可能にする能力を実証しました。

次に、マーキン博士は複数の生体内疾患モデルでこのシステムをさらに検証する計画です。このプラットフォームはモジュール式であるため、研究者は幅広いシステムや治療用途に適合させることができます。ノースウェスタン大学のバイオテクノロジースピンアウト企業であるFlashpoint Therapeutics社は、この技術を臨床試験に迅速に進めることを目標に商業化を進めています。

「クリスパーは医学の全分野を変える可能性を秘めています」とマーキン博士は締めくくります。「しかし、私たちが設計するデリバリービークルは、遺伝子ツールそのものと同じくらい重要なのです。クリスパーとSNAという2つの強力なバイオテクノロジーを組み合わせることで、私たちはクリスパーの治療ポテンシャルを最大限に引き出す戦略を生み出しました。」

 この研究「A General Genome Editing Strategy Using CRISPR Lipid Nanoparticle Spherical Nucleic Acids」は、米空軍科学研究局（助成番号FA9550-22-1-0300）、米国科学財団（助成番号DMR-2428112）、およびBachrach財団を通じたEdgar H. Bachrach氏の支援を受けました。

画像：球状核酸に囲まれたLNPの描写 (Credit: Mirkin group, Northwestern)

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