ラットにおけるBBB対応イズロン酸2-スルファターゼの脳内送達

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血液脳関門 MPS II イズロン酸2-スルファターゼ 酵素補充療法 脳脊髄液 脳 薬物動態

血液脳関門を通過する酵素補充療法によるハンター症候群の治療

背景紹介

ハンター症候群（Mucopolysaccharidosis II, MPS II）は、iduronate-2-sulfatase (IDS)酵素の欠損によって引き起こされるまれな遺伝性代謝疾患です。この酵素の欠損により、糖アミノグリカン（例えばヘパラン硫酸やデルマタン硫酸）が細胞や組織に蓄積し、重度の神経系および末梢組織の病変を引き起こします。酵素補充療法（Enzyme Replacement Therapy, ERT）は末梢組織の症状を治療するために一定の成功を収めていますが、血液脳関門（Blood-Brain Barrier, BBB）の存在により、従来の静脈内投与によるERTは中枢神経系（CNS）の病変を効果的に緩和することができません。

血液脳関門は、脳の微小血管内皮細胞が密着結合によって形成されており、ほとんどの大きな分子が脳内に入るのを防ぎます。そのため、大きな分子薬物（例えば酵素）を効果的に脳内に送達することが、ハンター症候群などの中枢神経系疾患の治療における重要な課題となっています。近年、研究者たちは受容体媒介性トランスサイトーシス（Receptor-Mediated Transcytosis, RMT）に基づく技術を開発し、特定の受容体を標的とすることで大きな分子薬物を脳内に送達しようと試みています。

研究の出典

本研究は、Will J. Costainらが主導し、カナダ国立研究評議会（National Research Council Canada）とベルギーのOxyrane社の研究チームによって行われました。この研究は2025年にFluids and Barriers of the CNS誌に掲載され、タイトルは《In vivo brain delivery of BBB-enabled iduronate 2-sulfatase in rats》です。研究の目的は、単ドメイン抗体（Single-Domain Antibodies, sdAbs）とIDS酵素を融合させ、血液脳関門を通過できる酵素補充療法を開発し、ハンター症候群の中枢神経系症状を治療することでした。

研究のプロセスと結果

1. タンパク質の設計と生産

研究チームはまず、IDS酵素と単ドメイン抗体を融合させた複数の融合タンパク質を設計し、生産しました。これらの融合タンパク質には、インスリン様成長因子1受容体（IGF1R）を標的とする単ドメイン抗体（例えばIGF1R3H5）、ヒト血清アルブミン（HSA）、または抗血清アルブミン単ドメイン抗体（例えばR28とM79）が含まれています。これらの融合タンパク質は、酵母株Yarrowia lipolyticaで発現され、多段階のクロマトグラフィーによって精製されました。

実験結果：

  • 表面プラズモン共鳴（Surface Plasron Resonance, SPR）技術を用いて、研究チームはIGF1R3H5単ドメイン抗体がヒトIGF1Rに対して高い親和性（Kd = 7.5 nM）を持つことを確認しました。融合タンパク質の親和性は低下しましたが、依然としてIGF1Rとの結合能力を保持していました。
  • 抗血清アルブミン単ドメイン抗体（例えばR28とM79）も、ヒト血清アルブミンおよびマウス血清アルブミンに対して高い親和性を示しました。

2. 体外血液脳関門透過性研究

研究チームは、ラット脳内皮細胞モデル（SV-ARBEC）を使用して、融合タンパク質の血液脳関門透過性を評価しました。見かけの透過係数（Papp）を測定することで、研究チームはIGF1R3H5を融合させたIDS酵素（IGF1R3H5-IDS）が、体外モデルにおいてIDS酵素よりも有意に高い透過性を示すことを発見しました。

実験結果：

  • IGFR3H5-IDSのPapp値は250で、IDS酵素（Papp = 9）および陰性対照A20.1（Papp = 5）よりも有意に高くなりました。
  • HSAまたは抗血清アルブミン単ドメイン抗体を融合させたIDS酵素（例えばIGF1R3H5-IDS-HSAおよびIGF1R3H5-IDS-R28）も高い透過性を示しました。

3. 体内薬物動態研究

研究チームは、ラットモデルで体内薬物動態（Pharmacokinetics, PK）研究を行い、異なる融合タンパク質の血清および脳脊髄液（Cerebrospinal Fluid, CSF）中の分布と消失を評価しました。

実験結果：

  • IDS酵素とIGF1R3H5-IDSは、血清中の半減期（t1/2α）が10分未満であり、迅速に消失することが示されました。
  • HSAまたは抗血清アルブミン単ドメイン抗体を融合させたIDS酵素（例えばIGF1R3H5-IDS-HSAおよびIGF1R3H5-IDS-R28）は、血清中の半減期が大幅に延長され、AUC（曲線下面積）が8〜11倍増加しました。
  • 脳脊髄液中では、IGF1R3H5-IDS-HSAおよびIGF1R3H5-IDS-R28のAUCがそれぞれ42倍および52倍増加し、これらの融合タンパク質が脳内でのIDS酵素の暴露量を大幅に増加させることが示されました。

4. 脳内分布研究

研究チームは、脳組織分画実験を通じて、融合タンパク質の脳実質（Parenchyma）および脳血管中の分布を検証しました。

実験結果：

  • IDS酵素は脳実質中ではほとんど検出されませんでしたが、IGF1R3H5-IDSおよびIGF1R3H5-IDS-R28は脳実質中の濃度が脳血管中の濃度よりも有意に高く、これらの融合タンパク質が脳実質に効果的に送達されることが示されました。

結論と意義

本研究は、血液脳関門を通過できるIDS酵素補充療法を開発し、単ドメイン抗体とHSAを融合させることで、IDS酵素の血清中の半減期を大幅に延長し、脳内での暴露量を増加させることに成功しました。この戦略は、ハンター症候群の中枢神経系治療に新しい可能性を提供するだけでなく、他の血液脳関門を通過する必要がある酵素補充療法にも重要な技術プラットフォームを提供します。

研究のハイライト：

  1. 革新的な送達戦略：単ドメイン抗体とHSAを融合させることで、IDS酵素の血液脳関門通過と血清半減期の延長を実現しました。
  2. 顕著な脳内送達効果：IGF1R3H5-IDS-HSAおよびIGF1R3H5-IDS-R28は、脳脊髄液および脳実質中の濃度が大幅に増加し、中枢神経系治療における潜在的可能性を示しました。
  3. 広範な応用前景：この技術プラットフォームは、他の血液脳関門を通過する必要がある酵素補充療法にも応用可能であり、科学的および臨床的に重要な価値を持っています。

その他の価値ある情報

研究チームは、融合タンパク質の親和性が低下したにもかかわらず、その体内での機能が顕著に影響を受けなかったことも指摘しています。さらに、研究チームが開発した酵母発現システムと精製プロセスは、大規模生産の実現可能性も提供しています。

この研究は、ハンター症候群およびその他の中枢神経系疾患の治療に新しい考え方と方法を提供し、科学的および臨床的に重要な意義を持っています。