ゲスト寄稿 | 「ナノダイアモンド」と「癌治療研究」

ナノ粒子を用いた癌治療研究について解説します。

「ナノ」研究のどこが特別なのでしょうか?

実際、ナノ粒子は、単にサイズが小さいだけです。ナノ粒子は、生きている細胞に入るのに十分な小ささですが、相当量の低分子医薬を運ぶ、または発光中心を注入する能力は維持しています。従来のマクロスケールの材料と比較して、ナノ材料は特殊な光電子特性、力学特性、および磁気特性を有しています。比較的巨大な表面積を持つので、あらゆる種類の高分子の結合を可能にする反応基を大量に提供します。これらの特性はすべて、核酸、タンパク質、膜、細胞小器官、さらには細胞全体など、あらゆる種類の生物学的実体とのユニークな相互作用をもたらします。このような相互作用の種類と結果は、次に、各ナノ粒子のコロイド特性、生物学的相手の特性、およびナノ粒子表面と生物学的対象物との間の熱力学的交換に依存します。多くの科学的関心は、薬物送達剤としてのナノ粒子の使用に集中しています。最初に、リポソームやポリマーナノ粒子が研究されてきましたが、数十年経っても、これらの材料を用いた癌治療に関する臨床試験で進行中のものが少数あります。特に遺伝子治療との関連で、全く新しい治療法を形成しつつあります。初めて成功したヒトでの臨床試験は、2010年にNature誌に発表されました(1)。ここでは、Davisらは、腫瘍細胞の標的化のためのポリエチレングリコール-トランスフェリンと、リボヌクレオチド還元酵素に特異的なsiRNAとで装飾されたシクロデキストリンベースのポリマーナノ粒子を使用しました。複合体(直径約70nm)は、転移性メラノーマ患者に静脈内投与されました。治療用複合体は腫瘍に蓄積し、標的とするmRNAとタンパク質のレベルを低下させる結果となりました。ナノ粒子で送達された全身投与型siRNAが、標的腫瘍細胞でRNA干渉を誘発することをヒトにおいて示した初めての報告です。

癌研究におけるナノダイヤモンド

新しい診断・治療用デリバリーシステムの調製と応用に関する研究は、より重要性を増しています。標的部位での効率的な取り込みや、薬物動態、生分解、系内分布などが良好であることなど、理想的な特性を持つ薬剤担体の同定を目指して、新たなデリバリーシステムが模索されています。最近では、無機材料の生理化学的特性が、診断・治療用のデリバリー手段としての使用に適していることから、無機材料の人気が高まっています。ナノダイヤモンドは、新しいクラスの炭素材料であり、生命システムと高い適合性を示すとともに、その他にも有利な特性を持っています。その優れた生体適合性に加えて、様々な薬物、イメージング剤、核酸、およびタンパク質を結合して送達するのに高い汎用性があります。この材料は、商業生産に容易にスケールアップすることもできます(2)。容易に目で確認することができるダイヤモンド装飾ジュエリーとは対照的に、ナノダイヤモンド(主に約5nmの粒子径)は、カーボン含有爆薬の爆発による安価な大規模合成によって製造することができます。超ナノ結晶ナノダイヤモンド粒子(1~150nm)は、高圧高温プロトコルを用いて製造されます。製造法の種類によって、ナノダイヤモンドのサイズ、形状、および表面特性が決まり、得られたナノダイヤモンドは、特定用途の使用を可能にするためにさらに修飾することができます。特にナノダイヤモンドは、癌治療において薬物送達剤やリアルタイムイメージング用のセンサーとして利用されました。これまでのところ、癌治療や診断におけるナノダイヤモンドの使用について、84件の論文が発表されています。ほとんどの研究では、ドキソルビシン、パクリタキセル、シスプラチンなどの従来の薬剤との組み合わせでのナノダイヤモンドの使用に焦点が当てられています。ナノダイヤモンドは、コロイド分散液として使用されるか、ポリマーグリッドに埋め込まれています。数件の研究では、ナノダイヤモンドをさらにターゲット分子や細胞浸透ペプチドTATでコーティングすると、より効果的な抗癌作用が得られることが報告されています。その後、核酸を送達するナノダイヤモンドに関する研究が行われるようになりました。ここで、ほとんどの場合、核酸はポリマーコーティングまたはアンカーを介して連結されています。

癌治療におけるナノダイヤモンドの使用に関する最初のエビデンスは、2010年にGuanらによって発表されました(3)。著者らは、ナノダイヤモンドによるシスプラチンの送達と酸性細胞内環境での放出の結果、ヒト子宮頸癌細胞(Hela細胞株)の増殖が抑制されたことを報告しました。2011年、Chowら(4)は、乳腺腫瘍や肝臓癌などの治療抵抗性癌への、ナノダイヤモンドによるドキソルビシンの送達を報告しました。この論文も、ナノダイヤモンドが腫瘍への薬物送達を可能にしたことを示しましたが、このアプローチは治療効果の向上にもつながりました。ドキソルビシン修飾ナノダイヤモンドの使用により、これまで腫瘍抵抗性の要因であった薬物排出を克服しました。影響を受けた腫瘍細胞はアポトーシスを起こし、従来のドキソルビシンのみで治療した場合に比べて、腫瘍の増殖が有意に抑制されました。ドキソルビシンの抗癌作用の増加に加えて、ナノダイヤモンドとの結合により、生体内での毒性の副作用も減少しました。

大腸癌細胞(CT26.WT)は35nmの蛍光ナノダイヤモンド(白色)を細胞内に取り込みます。細胞核をDAPI(赤紫色)で染色し、F-アクチンをファロイジン(青色)で染色しました。多色共焦点解析;共焦点顕微鏡オリンパスFV1000で可視化、固定細胞、40倍、Eva Neuhӧferova、LaMBI。

最適な薬物送達システムは、治療薬を使用せずに適用した場合に最小の毒性を示さなければならず、かなりの量の潜在的担体の制限要因となります。Liら(5)の報告には、無血清環境で効果を発揮するナノダイヤモンドの毒性が記載されています。血清タンパク質はナノダイヤモンドと相互作用し、ナノダイヤモンド表面にタンパク質コロナを形成します。ナノダイヤモンド表面に吸着された血清タンパク質の量は、37℃で48wt%と高いものでした。血清を含む完全培地に分散させたナノダイヤモンドに細胞を曝露すると、ナノダイヤモンドは細胞内コンパートメントに入っても有意な毒性を示しませんでした。しかし、無血清培地に分散させたナノダイヤモンドの取り込み後、著者らは多量の細胞死を確認しました。吸着された「保護」タンパク質は、ナノダイヤモンド分散液を安定化し、凝集体のサイズを小さくします。これは、ナノダイヤモンドを静脈内薬物送達に使用する際の重要な問題です。

Xiら(6)が報告した注目すべき研究では、神経膠芽腫の治療にナノダイヤモンドを使用することが議論されています。ここでは、ナノダイヤモンドが、対流強化送達(CED)によるドキソルビシンの送達システムとして機能します。CED法は、血液脳関門での透過不足を克服することが想定されています。血液脳関門は、全身投与された抗癌剤が脳内で十分に蓄積するのを妨げるため、膠芽腫の治療における主要な障害となっています。

蛍光ナノダイヤモンドは、結腸癌細胞HT-29のトランスフェクションをモニターするためのインターナリゼーションプローブとして機能します。A) ナノダイヤモンド(赤色)とフルオレセイン(緑色)からなるpH感受性センサー。フルオレセインは細胞内に取り込まれると信号が減少しますが、蛍光ナノダイヤモンドは取り込まれた後も信号が見えています。B)ナノダイヤモンドを取り込んだHT-29細胞の詳細(赤色)。共焦点顕微鏡オリンパスFV1000で可視化、生細胞、40倍(B -ズーム4倍)、Veronika Benson、LaMBI。

遺伝子治療は、癌治療の個別化に向けて大きな期待が寄せられています。ここでは、最適な送達システムがまだ見つかっておらず、ナノマテリアルは有望な技術的アプローチとなっています。Alhaddadら(7)は、ナノダイヤモンドを使用したユーイング肉腫細胞へのsiRNA送達を報告しています。in vitro試験では、ポリマーでコーティングされたナノダイヤモンドとEWS-Fli1特異的siRNAの複合体が、タンパク質発現だけでなくEWS-Fli1遺伝子の減少を誘発することが示されました。送達機能の次に、蛍光ナノダイヤモンドでは、その固有の発光により、担持した薬物の追跡が可能になります。ナノダイヤモンドの光学特性は、標的細胞やそのコンパートメントとの相互作用を可視化するだけでなく、治療負荷や細胞の動きをモニターすることで、生物学や医学の進歩につながる大きな機会をもたらします。

今のところ、抗癌剤用のデリバリーシステムとしてのナノダイヤモンドについては、臨床試験はありませんが、いくつかの特許があります。一つは特に興味深いもので、この研究では、NDを薬剤として、具体的にはフリーラジカルを発生させる薬剤を癌治療に使用することが報告されています。フリーラジカルは、照射後、ナノダイヤモンドの表面で発生します。ナノダイヤモンドと放射線増感剤の組み合わせは、さらに効果的でした(8)。

まとめると、標的細胞と新たなナノ特異的相互作用を行うナノダイヤモンドキャリアは、生体適合性が高く、治療効果と治療の安全性を高めるドラッグデリバリーの新しい戦略となります。

参考文献

  1. Davis et al. Nature 2010; 464: 1067.
  2. Passari et al. Nanosci Nanotechnol 2015; 15(2):972.
  3. Guan et al.  Small 2010; 6: 1514.
  4. Chow, et al., Sci Transl Med 2011; 3: 73ra21.
  5.  Li et al. Biomaterials 2010; 31: 8410.
  6.  Xi et al. Nanomedicine 2014; 10: 381.
  7.  Alhaddad et al. PLoS One 2012; 7: e52207.
  8.  Petit et al. 2014; FR 2993180 A1 20140117, WO 2014009930, A1 20140116.

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著者について

Veronika Benson博士は、生物医学の分野で博士号を取得し、キャリアの大半の期間、癌の診断と治療に使用される新しいアプローチの開発に関心を抱いてきました。著者のプロジェクトは、癌生物学と免疫学の基礎研究、特に薬物によるシグナル伝達経路の変化と遺伝子発現制御に特化してきました。現在は、チェコ科学アカデミーの学際的なチームを率いています。現在、彼女の分子生物学・免疫学研究室(Laboratory of Molecular Biology and Immunology; LaMBI)は、癌、糖尿病、神経変性疾患などのヒト疾患の治療において新たなアプローチとなるナノダイヤモンドシステムの開発に注力しています。

 

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Posted:
4 January, 2016

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