トランスフェリン受容体を標的にして哺乳類の血液脳関門を越えてアンチセンスオリゴヌクレオチドを輸送する
はじめに
近年、オリゴヌクレオチドを基盤とした治療技術、例えばアンチセンスオリゴヌクレオチド（ASO）や小分子干渉RNA（siRNA）が、様々な神経疾病の治療に広く応用されています。これらの技術の応用は、標的RNAを選択的に調節できることに基づいており、これらの標的は通常他の治療法では調節が困難です。特に2016年にヌシネルセンが脊髄性筋萎縮症の治療薬として承認されて以来、中枢神経系（CNS）疾病におけるASOの潜在的可能性がさらに注目され、研究されています。しかし、オリゴヌクレオチドは、その固有の生物物理学的特性、例えば大きな分子量、電荷、骨格の化学的性質により、血液脳関門（BBB）を通過することが困難です。そのため、CNSに影響を与えるには、髄腔内注射によって直接脳脊髄液（CSF）に送達する必要があります。この送達方法には、脳の深部領域における薬物分布の不均一性や、髄腔内注射に関連する有害事象の可能性など、多くの制限があります。したがって、効率的かつ安全な送達方法を見つけることが急務となっています。
研究背景と出典
「Targeting the Transferrin Receptor to Transport Antisense Oligonucleotides Across the Mammalian Blood-Brain Barrier」と題されたこの研究論文は、Scarlett J. Barkerらのチームによって執筆され、Denali Therapeutics Inc.とIonis Pharmaceuticalsの2社の協力によって完成しました。この論文は2024年8月14日に「Science Translational Medicine」誌に掲載されました。本研究は、トランスフェリン受容体1（TfR1）に基づく送達プラットフォームを開発し、既存技術の制限を突破して、全身投与によりASOを哺乳類の脳に輸送することを目的としています。
研究方法
実験デザインと研究対象
本研究ではまず、エンジニアリングされたTfR1結合分子（オリゴヌクレオチド輸送担体：OTV）を用いて、TfR1遺伝子編集マウス（Tfr1mu/hu KIマウス）および非ヒト霊長類における生体内分布とRNA分解効果を検証しました。著者らは以下のステップで研究プロセスを詳細に説明しています：
1. OTV分子の作製と特性
研究チームは、CHO細胞系を用いてエンジニアリングされたFc領域を含むOTV分子を発現・精製しました。この領域はTfR1に特異的に結合し、通常のトランスフェリン結合には影響しません。その後、チームは化学合成法を用いて、標的ASOをOTVと安定的かつ部位特異的に結合させ、生成物の純度と結合比を質量分析およびゲル濾過クロマトグラフィーで分析しました。
2. 細胞内取り込みと輸送実験
研究者らは、in vitro実験によってOTVの細胞内取り込みと分布を検証しました。これには、HTFR1発現細胞への結合実験が含まれ、表面プラズモン共鳴（SPR）技術を用いてOTVとHTFR1の親和性を測定しました。さらに、二重標識されたOTVの神経細胞内分布を共焦点顕微鏡で詳細に観察し、OTVが細胞に取り込まれ、主に後期エンドソームとリソソームに局在することを確認しました。
3. 動物実験
マウスおよび非ヒト霊長類において、研究チームは全身静脈投与によってOTVを投与し、各組織サンプルを採取して、脳および末梢組織におけるASOの濃度と標的RNA（MALAT1）の分解効果を測定しました。特にマウスでは、RNA単一核シーケンシング技術を用いて、各種脳細胞タイプにおけるMALAT1レベルを詳細に分析しました。
研究結果
1. OTVの構築と結合特性
実験により、部位特異的に結合したOTV分子が、TfR1への高い親和性を維持しながら、ASOの結合と機能に影響を与えないことが示されました。この特性により、OTVが効率的に血液脳関門を通過し、ASOを放出できることが保証されました。
2. 細胞内分布と取り込み実験
細胞実験の結果、OTVが細胞に効率的に取り込まれ、主にエンドソームとリソソームに局在することが示されました。裸のASOと比較して、OTV分子の細胞内分布に有意な変化はなく、これはOTVがASOを効果的に運搬し、細胞内での安定性を向上させることを示しています。
3. 生体内効果
マウスモデルにおいて、全身投与されたOTVは脳および末梢組織におけるASOの濃度を有意に上昇させ、特に脳深部構造や筋肉組織において、OTVはMALAT1 RNAのより効果的な分解を示しました。単一核シーケンシングの結果、OTVはすべての主要な脳細胞タイプでMALAT1レベルを有意に低下させ、OTVが広範囲に分布し機能することを示しました。
非ヒト霊長類では、全身投与されたOTVがより均一なASO生体分布を実現し、髄腔内投与と比較して、OTVは脳深部領域へのASOの送達をより効果的に行い、投与部位における薬物の高濃度蓄積と関連する副作用を軽減しました。
結論と意義
研究の新規性と価値
本研究を通じて、著者らはTfR1に基づく新しいASO送達プラットフォームOTVを提案しました。この方法は従来の送達方法の限界を突破し、ASOの血液脳関門を越えた効率的な送達を実現するだけでなく、CNSおよび他の到達困難な末梢組織における薬物の分布と効果を大幅に向上させました。ASOの遺伝子治療における潜在的応用を考慮すると、OTVプラットフォームは将来、多くの神経変性疾患や末梢神経疾患の治療に使用される可能性があり、ASO治療の新しい道を切り開きました。
この研究は重要な科学的価値を持つだけでなく、ASO薬物の臨床応用に新しいアイデアと技術的サポートを提供し、既存の遺伝子治療の効果と安全性を大幅に向上させる可能性があり、関連疾患の患者に新たな希望と治療選択をもたらすことが期待されます。