Origami ワクチンは癌と戦うために折り畳まれる

Jul 11, 2023

ステファニーは、2021 年に編集アシスタントとして Drug Discovery News に入社しました。彼女は 2019 年にカリフォルニア大学ロサンゼルス校で博士号を取得し、Discover Magazine などに寄稿しています。

正確に折り重ねると、かつては 1 枚の紙だったものから蝶が現れます。 伝統的な折り紙芸術は、一連の複雑で繊細な折り目から紙の動物に命を吹き込みます。 折り紙の精度に触発された生物工学者は、そのアイデアを紙よりもはるかに古い媒体である DNA に拡張しました。 そうすることで、彼らは免疫系ががんと闘うのを助ける新しい方法を生み出しました。

DNA origami は、プラグ アンド プレイの一種のプラットフォームのようなものです。 抗原を交換してさまざまながんに合わせたり、抗原を交換して感染症に合わせたりできます。 - Yang (Claire) Zeng、ハーバード大学生物インスピレーション工学研究所、Wyss Institute

がんワクチンは、免疫系を活性化して腫瘍を死滅させます。 免疫反応を高めるために腫瘍抗原とアジュバントをバンドルすることにより、ワクチンは細胞傷害性 T 細胞を活性化し、他の免疫経路を増幅して腫瘍細胞を死滅させます。 DNA 折り紙ナノ構造は、その小さなサイズと完全なプログラム可能性により、新しく改良されたがんワクチン送達システムとして登場しました (2)。

DNA オリガミ ワクチンは、一本鎖の DNA が折り畳まれているか、短い相補的な DNA 配列と一緒に保持されています。 これらの DNA 鎖は自己集合してエレガントな三次元ナノ構造を形成します。 科学者はコンピュータープログラムを使用して、正確な折り目を持つDNA折り紙構造を設計し、多くの場合、ワクチン抗原やアジュバントなどの分子を特定の数と配置でその上に結合します。 サイズが小さいため、免疫細胞はこれらの折り紙ナノ構造を容易に取り込み、理想的なワクチン送達容器となります。

「DNA 折り紙は、プラグ アンド プレイの一種のプラットフォームのようなものです」と、ハーバード大学生物インスピレーション工学研究所の癌免疫学者で生物工学者のヤン (クレア) ゼン氏は言う。 「抗原を交換してさまざまながんに適応させたり、抗原を交換して感染症に適応させたりすることができます。」

適切なタイミングで適切な免疫細胞に貨物を届けることは、がんワクチンが直面する大きな課題の 1 つです。 国立ナノ科学技術センターの生物工学者、Baoquan Ding 氏と彼のチームは、巧妙な工学技術を駆使して、中にサプライズを備えたリガトーニの形をしたソリューションを設計しました (3)。

ディン氏と彼のチームはマウスを使って、DNA 折り紙ワクチンを皮膚の下に注射した。 ナノ構造は、ワクチンを取り込む準備ができている樹状細胞が豊富に存在する部位であるリンパ節に輸送された。 リンパ節では、「免疫系の細胞は基本的にこの構造をエンドソームに飲み込む」と同氏は述べた。

エンドソーム内部の pH が外部の細胞環境に比べて酸性であるため、Ding の管状 DNA 折り紙構造は継ぎ目に沿って縦に裂け、平らになって長方形のシートになります。 この DNA 折り紙キャリアの意図的な変換により、がんワクチンの成分が必要なときに、必要な場所、つまり免疫細胞内で正確に明らかになります。 腫瘍特異抗原と 2 つの異なるアジュバントは、そのフラットな活性化配向で、腫瘍細胞に対する免疫細胞の応答を強化します。

これは非常に強力なテクノロジーですが、まだ初期段階にあります。 – Baoquan Ding、国立ナノ科学技術センター

Moderna や Pfizer-BioNTech が製造する SARS-CoV-2 ワクチンなど、一部のワクチンではワクチン成分を樹状細胞に送達するために脂質ナノ粒子 (LNP) が必要ですが、LNP は決してまったく同じサイズではありません。

「そのサイズが約100ナノメートルであれば、常にマイナスかプラス30ナノメートルです。そのサイズは正確ではありません」とディン氏は語った。 このため、「粒子内に mRNA 分子が何個あるかはわかりません」。

しかし、DNA折り紙ワクチンの場合、「細孔のサイズ、形状、形状、分子量は、単一塩基レベルに至るまで非常に正確です。そして、アジュバントの数、そして折り紙構造内に封入される抗原の数を正確に制御できます。」彼が追加した。 この精度により、ワクチンを取り込んだ細胞が一貫した免疫応答を生成できるようになります。

ディン氏と彼のチームが、pH活性化DNA折り紙ワクチンが黒色腫または癌腫のマウスをどの程度治療できるかをテストしたところ、ワクチンを投与されたマウスはワクチンを投与されなかったマウスよりも長く生存し、腫瘍の成長がはるかに遅いことが判明した。 ワクチンは腫瘍の転移や再発も抑制した。

ディン氏と彼のチームは、他のグループと協力して、DNA 折り紙ワクチンをヒト以外の霊長類でテストし、最終的には臨床試験を実施したいと考えている。

「これは非常に強力な技術ですが、まだ初期段階にあります」とディン氏は語った。 「大きな可能性を秘めています。」

小さく複雑な構造に折り畳まれる遺伝物質は DNA だけではありません。 RNAでも可能です。 実際、多くのウイルスが RNA を遺伝物質として使用するため、人体は RNA を脅威として認識することが多いため、折り紙ワクチンを構成する RNA はそれ自身のアジュバントとして機能し、免疫応答をそれ自体で増幅させることができます。

RNA ベースのプラットフォームのこれらの利点を考慮して、アリゾナ州立大学の生物工学者 Hao Yan と癌免疫学者 Yung Chang は、長方形のナノ構造に自己集合する RNA の一本鎖で構成される RNA 折り紙ワクチンを設計しました (4)。 一本鎖のRNAからRNAオリガミを作製できるため、研究チームは、結合するために多数の短いDNAまたはRNAの支持鎖を必要とする他のヌクレオチドベースのオリガミと比較して、この構造を合成する時間とコストを削減できる。 ヤンと彼の同僚は、これまでに DNA 折り紙と RNA 折り紙の両方を使って、ひし形、長方形、ハートなど、あらゆる種類の形状を作成しました (5)。

典型的な直線状態の RNA とは異なり、チャンとヤンがそれを折りたたんだとき、その RNA 折り紙のナノ構造は驚くほど安定していました。 RNA 折り紙構造は、同じ折り畳まれていない RNA 配列を分解する血漿および血清中の RNA 消化酵素による損傷に耐性がありました。

「これは実際に冷蔵庫で1年以上保存できるナノ構造です」とチャン氏は語った。 「安定性のおかげで、安定化するために脂質ナノ粒子をすべて必要としないため、実際に製造コストが大幅に削減されます。」

結腸がんのマウスモデルを使用して、Yan と Chang は、科学者がワクチンを投与した時期に応じて、RNA origami ワクチンが腫瘍形成を防ぎ、既存の腫瘍を縮小させたと報告しました。 次に研究者らは、RNAオリガミワクチンを接種したマウスに追加の結腸がん細胞を再投与したが、腫瘍は成長せず、がんに対する免疫が発達していることが示された。

Chang氏とYan氏は現在、腫瘍特異的抗原をRNA折り紙ナノ構造に結合させることに取り組んでおり、黒色腫マウスモデルでそれをテストしている。 彼らは、RNA 折り紙ワクチンを他のモデルでテストすることに熱心であり、ワクチンをさらに開発するために会社をスピンアウトすることに取り組んでいます。

「実際、私たちはこのプラットフォームが従来のプラットフォームと比較してうまく機能し、コスト効率も高いという非常に説得力のあるデータを持っています」とチャン氏は語った。 「私はこのワクチンプラットフォームについて非常に楽観的です。」

小さなひもで飾られた角氷のように、DoriVac と名付けられた Zeng の DNA 折り紙ワクチンは、効果的ながんワクチンを作る上で精度がいかに重要であるかを示しています。

一般的なワクチンアジュバントである CpG オリゴデオキシヌクレオチド (CpG) は、樹状細胞内の TLR9 受容体に結合して、ワクチン接種に対する免疫応答を増幅します。 しかし、ワクチン上に存在する CpG 分子の密度が異なると、多様な免疫応答が活性化されます (6)。 CpG 密度が高いと、がん免疫療法に最適な細胞性免疫応答が引き起こされ、CpG 密度が低いと体液性応答が活性化されます。

ほとんどのワクチンについて、「他のナノ粒子を介して送達される場合、その場合、それは単なる平均的なナノ間隔に過ぎない。正確なナノ間隔ではない」とゼン氏は述べた。 この不正確な CpG 間隔により、さまざまな免疫反応が混在する可能性があり、がんワクチンの有効性が低下します。 「DNA 折り紙を使用すると、正確なナノスケールの間隔を提供でき、その間隔が腫瘍細胞を殺すことができる免疫応答を誘導するのに適切な間隔であるかどうかを調査できます。」

最近のプレプリントで、Zeng らは、片面に異なる腫瘍抗原を付着させ、CpG アジュバントを 2.5 nm、3.5 nm、5 nm、または 7 nm の正確な間隔で配置した、複数の異なる正方形ブロック DNA 折り紙ワクチンについて説明しました。個々の CpG 分子 (7)。

彼らは、DNA origami ワクチン上に 3.5 nm 間隔で配置された CpG 分子が、インビトロと黒色腫のマウスモデルの両方で最良の免疫応答を引き起こすことを発見しました。 研究者らがマウスに最適化された DNA 折り紙ワクチンを投与し、黒色腫がん細胞で治療したところ、ワクチンを投与されたマウスのうち 1 匹だけが腫瘍を発症しました。 この DNA オリガミ ワクチンをすでに確立した腫瘍の治療に使用すると、マウスの生存期間が延長され、腫瘍の成長が遅くなりました。

最も衝撃的なのは、Zeng氏と彼女のチームが悪性黒色腫またはリンパ腫のマウスをDNA origamiワクチンと免疫チェックポイント阻害剤である抗PD-L1で治療したところ、その併用効果によりさらに強力な抗がん反応があることを発見したことである。 黒色腫グループでは、試験した5匹のマウスのうち4匹が生き残り、リンパ腫グループではすべてのマウスが生き残りました。

「これらすべての要素が組み合わさることで、抑制的な腫瘍微小環境を実際に逆転させ、免疫チェックポイント阻害剤などの他の免疫療法の反応性を高めることができます」とZeng氏は述べた。

彼女と彼女のチームは現在、ヒト化マウスモデルで DNA オリガミワクチンの有効性をテストしており、間もなく毒性と安全性のテストを行う予定です。 Zeng 氏は、来年夏頃にこのテクノロジーに基づいた会社をスピンアウトする予定です。

「私たちはすでに、DNA折り紙ナノ粒子が次世代のワクチンになる可能性を期待しています」と彼女は語った。

ステファニーは、2021 年に編集アシスタントとして Drug Discovery News に入社しました。彼女は 2019 年にカリフォルニア大学ロサンゼルス校で博士号を取得し、Discover Magazine などに寄稿しています。

2023年2月号