DNA分子をベースにした複雑な合成ワクチンが作られた

より安全で効果的なワクチンを開発する方法を模索し、アリゾナ州立大学バイオデザイン研究所の科学者たちは、DNAナノテクノロジーと呼ばれる有望な分野に着目し、全く新しいタイプの合成ワクチンを開発している。

ナノレターズ誌に最近発表された研究で、バイオエンジニアリング研究所の免疫学者ユン・チャン氏は、著名なDNAナノテクノロジストのハオ・ヤン氏を含む同僚と協力し、自己組織化の3次元DNAナノ構造上に配置することで標的部位に安全かつ効率的に送達できる世界初のワクチン複合体を合成した。

「ハオ氏がDNAを遺伝物質ではなく、機能するプラットフォームとして捉えるべきだと提案したとき、私はこのアプローチを免疫学に応用することを思いつきました」と、生命科学部の准教授であり、バイオエンジニアリング研究所感染症・ワクチンセンターの研究員でもあるチャン氏は語る。「これは、DNAキャリアを用いて合成ワクチンを開発する絶好の機会となるでしょう。」

「大きな疑問は、それが安全かどうかでした。私たちは、体内で安全かつ強力な免疫反応を引き起こすことができる分子群を作りたかったのです。ハオ氏のチームはここ数年、様々なDNAナノ構造を設計していたので、私たちはこれらの構造の潜在的な医療用途を見つけるために協力し始めました。」

アリゾナ州の科学者らが提案した方法のユニークな点は、抗原キャリアが DNA 分子であるという点です。

この学際的研究チームには、アリゾナ大学の生化学の大学院生で論文の筆頭著者であるシャオウェイ・リウ氏、ヤン・シュー教授、生化学講師のヤン・リウ氏、生物科学部の学生クレイグ・クリフォード氏、中国の四川大学の大学院生タオ・ユ氏も含まれていた。

チャン氏は、ワクチン接種の広範な普及が公衆衛生における最も重要な成果の一つをもたらしたと指摘する。ワクチンの開発は、免疫系を刺激するタンパク質からウイルス様粒子を合成する遺伝子工学の技術に大きく依存している。これらの粒子は実際のウイルスと構造が似ているものの、疾患を引き起こす危険な遺伝子成分は含まれていない。

生体分子に2次元または3次元の形状を与えることができるDNAナノテクノロジーの重要な利点は、体内の天然分子に典型的な機能を実行できる非常に正確な方法を使用して分子を作成できることです。

「様々なサイズと形状のDNAナノ構造を試し、そこに生体分子を加えて、体がどのように反応するかを調べました」と、化学生化学部門長であり、バイオエンジニアリング研究所の単分子生物物理学センターの研究者であるヤン氏は説明する。科学者たちが「バイオミミクリー」と呼ぶ手法により、彼らが試験したワクチン複合体は、天然のウイルス粒子のサイズと形状に近似している。

研究者らは、この構想の実現可能性を実証するために、免疫刺激タンパク質ストレプトアビジン（STV）と免疫増強薬CpGオリゴデオキシヌクレオチドを別々のピラミッド型分岐DNA構造に結合させ、最終的に合成ワクチン複合体を得ることに成功した。

研究チームはまず、標的細胞がナノ構造を吸収できることを証明する必要があった。ナノ構造に発光タグ分子を付着させることで、ナノ構造が細胞内の適切な位置を見つけ、免疫反応を引き起こすのに十分な数時間にわたって安定した状態を維持することを検証できた。

その後、マウスを用いた実験で、科学者たちはワクチンの「ペイロード」を、マクロファージ、樹状細胞、B細胞といった抗原提示細胞といった様々な構成要素間の相互作用を調整する、体の免疫反応連鎖の最初のリンクである細胞に送達することに取り組みました。ナノ構造が細胞内に侵入すると、「分析」され、細胞表面に「提示」され、体の防御反応を誘発する中心的な役割を果たす白血球であるT細胞によって認識されます。T細胞は、B細胞が外来抗原に対する抗体を産生するのを助けます。

すべての変異体を信頼性をもってテストするため、研究者らは細胞に完全なワクチン複合体とSTV抗原単独、そしてCpGエンハンサーと混合したSTV抗原の両方を注入した。

70日間の投与期間後、研究者らは、ワクチン複合体全体を接種したマウスが、CpG/STV混合物によって誘発される免疫反応の9倍も強い免疫反応を示したことを発見しました。最も顕著な反応は、四面体（ピラミッド型）構造によって引き起こされました。しかし、ワクチン複合体に対する免疫反応は、特異的（すなわち、実験者が用いた特定の抗原に対する生体の反応）かつ効果的であるだけでなく、細胞に導入された「空の」DNA（生体分子を含まない）に対する免疫反応が見られなかったことから、安全であるとも認識されました。

「とても嬉しかったです」とチャン氏は言う。「予想通りの結果が見られて本当に嬉しかったです。生物学では滅多にない経験ですから。」

製薬業界の未来は標的薬にある

現在、研究チームはDNAプラットフォームを用いて特定の免疫細胞を刺激し、免疫反応を誘発する新たな方法の可能性を検討しています。この新技術は、複数の有効成分を含むワクチンの開発や、標的を変化させることで免疫反応を制御することに活用できる可能性があります。

さらに、この新技術は、標的治療の新しい方法、特に身体の厳密に指定された部位に送達され、危険な副作用を引き起こさない「標的」薬剤の製造を開発する可能性を秘めています。

最後に、DNA 分野はまだ初期段階ですが、アリゾナの研究者による科学的研究は、医学、電子工学、その他の分野に重要な実際的影響をもたらします。

チャン氏とヤン氏は、ワクチンの製法についてはまだ多くの知見と最適化が必要だと認めているものの、その発見の価値は否定できない。「概念実証が得られたことで、無限の数の抗原を持つ合成ワクチンを製造できるようになりました」とチャン氏は結論づけている。

この研究に対する財政的支援は、米国国防総省と国立衛生研究所から提供されました。

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ]