核酸デリバリー研究のための革新的な脂質
核酸デリバリーシステムの歴史と進化
mRNAとリポソームはともに1960年代に初めて発見され、1978年にリポソームは、真核細胞にmRNAをデリバリーするために使用されました1,2。mRNAを細胞に注入できるようになっても、治療薬として使用するには、体内に注入されたmRNAが急速に分解されるなど、克服すべき技術的課題がいくつかありました。1990年には、裸のmRNAがラットの筋肉に注入され、in vivoでの直接的な遺伝子導入が可能であることが証明されました3。早くも1995年には、がん抗原を持つ最初のmRNAワクチンが報告されています4。さらに最近では、脂質ナノ粒子（LNP）が、SARS-CoV-2と闘うことができるmRNAのデリバリーや、CRISPR／Cas-9遺伝子編集技術に用いられています。
mRNAとそのデリバリーは、裸のmRNAからリポソームによるデリバリー、そしてLNPへと、過去数十年の間に大きく進化しています。
デリバリーシステムが変化するだけでなく、その個々の成分も、現在の課題や需要に対応するために常に進化しています。今日まで、LNPは主に以下の成分を用いて調製されています。
ホワイトペーパー：核酸デリバリーのための革新的な脂質
最近の研究は、封入・導入の効率と安定性を改善し、LNP治療薬の全身毒性を軽減する新しい方法の発見を目指しています。LNP成分がどのように進化しているのか、そしてLNP技術がどこへ向かっているのか、ご紹介いたします。
今後の陽イオン性脂質に関する考察
LNP製剤では、負に帯電したmRNAを複合化するために陽イオン性脂質が使用されます。陽イオン性脂質は、LNPの調製自体で大きな役割を果たすだけでなく、mRNAを標的細胞に投与する際にも大きな役割を果たします。RNAを封入したLNPは細胞膜と融合し、その後、細胞基質へと送り込まれます。陽イオン性脂質は、見かけの酸解離定数（pKa）が適切になるように設計しなければなりません。陽イオン性脂質の見かけのpKaは、LNP表面でのpKaと考えられます。現在、FDA承認済み治療薬に含まれる陽イオン性脂質は、いずれも見かけのpKaが6～7です。このことは、陽イオン性電離性脂質が全身循環中で中性電荷を維持し（脂質のpKaを上回るpH、pH約7.5）、エンドソームで正電荷を帯び（pH約6.5）、膜融合とそれに続く細胞質への放出を促進する能力にとって極めて重要です5。
LNPの重要な成分として、新しい陽イオン性脂質が、mRNAの複雑化、エンドソームの膜融合、細胞質への内容物の放出を最適化するために研究されています。Avantiの陽イオン性脂質に関する最新情報はこちら。
PEG化された脂質と、LNPにおけるステルス剤の未来
歴史的に、ポリエチレングリコール（PEG）脂質は、LNP製剤に最適なポリマー-脂質結合体です。PEG脂質は、タンパク質のLNPへの結合を抑制、全身循環時間の延長、LNPの間接的な標的指向能力を補助、LNPの自己組織化を促進、LNPのサイズと安定性の制御のために使用されます。PEG脂質を配合したLNPは、細網-内皮クリアランスシステムを迂回して全身循環に留まることができるため、「ステルス剤」と呼ばれています5。
PEG脂質は素晴らしいものですが、一部には課題もあります。これらの課題は、一般的に「PEGのジレンマ」と呼ばれています6。
- PEG鎖が長いという立体上の障害は、細胞が治療薬を取り込む能力を損ないます。
- PEG化はまた、ナノ粒子のエンドソームからの脱出を妨げ、デリバリーシステムの活性低下につながります。
- PEG化されたシステムの反復投与は、血液クリアランスの加速（ABC）と呼ばれる現象を引き起こすことがあります。
LNPにおけるPEG-脂質の他の代替物質が検討されており、最近の研究では、ポリサルコシン（pSar）-脂質が有望な代替物質であることが確認されています。pSar脂質は、アミノ酸サルコシンをベースとした高分子-脂質結合体であり、PEG-脂質と同様のステルス特性を示しています。これまでの研究では、ウサギ、ゼブラフィッシュ胚、マウスに投与した場合、ポリサルコシン-脂質はPEG-脂質よりも低い免疫原性反応を誘導することも示されています。さらに最近では、mRNA-LNPでpSar-脂質を評価し、高いRNA導入能力と向上した安全性プロファイルを示しました7。
vantiは、PEGフリーのmRNAデリバリー研究のために、ポリマー鎖長と脂質鎖長がさまざまに異なるpSar-脂質をご提案いたします。
コレステロールとその構造類似体
LNPのもう一つの主要成分はコレステロールであり、最終製剤のおよそ35〜45％を占めます。コレステロールは、脂質層の隙間を埋めることで安定性を高める働きをし、RNAの導入を助けます。コレステロールは、脂質ベースデリバリーシステムに実効性を持たせるために必要なものですが、コレステロールを使いすぎると粒子形成を妨げる可能性があります。
コレステロールはLNP製剤の大部分を占めるため、より効果的な代替品を見つけようとする研究努力は理にかなっていると言えます。コレステロール類似体は天然に多く存在して入手可能であるため、コレステロールの構造類似体への置換を評価することは、Modernaとオレゴン州立大学との共同研究の重要な出発点でした。彼らは、9,10-セコステロイド、C-24アルキル、五環系ステロイドの3つのステロイド群が、結果として生じるLNP製剤の粒子径、mRNA封入効率、導入効率にどのような影響を及ぼすかを評価しました7。
評価したコレステロール類似体の中で、β-シトステロールが頭一つ抜けていることが証明されました。β-シトステロールLNPは、コレステロール対照物と同等の粒子径（直径約100 nm）と封入効率（mRNAを200 ng使用して約95％）を示しました。β-シトステロール置換LNPが際立っていたのはその導入効率で、コレステロール対照物よりも数倍上回っていました。そのため、同等のサイズと封入効率と合わせ、著しく向上した導入効率により、β-シトステロールは将来のRNA-LNPにおいてコレステロールに代わる興味深い選択肢となります8。Avantiは現在、β-シトステロール（植物ステロールからの合成）をご提供しています。
LNPは、多くの病気の診断、予防、疾患対応のためのデリバリーシステムとして、世界中の研究所で評価されています。新たなデリバリーの課題に直面したとき、Avantiはその課題に取り組む革新的な脂質をご提供します。製品ごとのご質問や、カスタムプロジェクトに関するご相談は、こちらからお問い合わせください。
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Avanti Polar Lipidsが開発する高純度の極性脂質は、複雑な治療薬のデリバリーシステムや次世代mRNAワクチンに使用されています。これらは、リン脂質、陽イオン性脂質、PEG脂質、ステロールなどの膨大なポートフォリオを持つ、脂質ナノ粒子（LNP）デリバリー技術に使用される高度に特殊化された脂質です。
Avantiには、さまざまな医薬品用途に向けたカスタムの脂質ベースドラッグデリバリーシステムを開発する製剤部門があり、脂質の開発、cGMP下でのスケールアップと製造に関する豊富な専門知識を有しています。
2. Ostro M.J., Giacomoni D., Lavelle D., Paxton W., Dray S. Evidence for translation of rabbit globin mRNA after liposome-mediated insertion into a human cell line. Nature.1978;274:921–923.
3. Wolff JA, Malone RW, Williams P, Chong W, Acsadi G, Jani A, Felgner PL. Direct gene transfer into mouse muscle in vivo. Science. 1990 Mar 23;247(4949 Pt 1):1465-8. doi: 10.1126/science.1690918. PMID: 1690918.
4. Conry RM, LoBuglio AF, Wright M, Sumerel L, Pike MJ, Johanning F, Benjamin R, Lu D, Curiel DT. Characterization of a messenger RNA polynucleotide vaccine vector. Cancer Res. 1995 Apr 1;55(7):1397-400. PMID: 7882341.
5. Hald Albertsen C, Kulkarni JA, Witzigmann D, Lind M, Petersson K, Simonsen JB. The role of lipid components in lipid nanoparticles for vaccines and gene therapy. Adv Drug Deliv Rev. 2022 Sep;188:114416. doi: 10.1016/j.addr.2022.114416. Epub 2022 Jul 3.
6. Fang Y, Xue J, Gao S, Lu A, Yang D, Jiang H, He Y, Shi K. Cleavable PEGylation: a strategy for overcoming the "PEG dilemma" in efficient drug delivery. Drug Deliv. 2017 Dec;24(sup1):22-32. doi: 10.1080/10717544.2017.1388451.
7. Sara S. Nogueira, Anne Schlegel, Konrad Maxeiner, Benjamin Weber, Matthias Barz, Martin A. Schroer, Clement E. Blanchet, Dmitri I. Svergun, Srinivas Ramishetti, Dan Peer, Peter Langguth, Ugur Sahin, and Heinrich Haas. ACS Applied Nano Materials 2020 3 (11), 10634-10645. DOI: 10.1021/acsanm.0c01834
8. Patel S, Ashwanikumar N, Robinson E, Xia Y, Mihai C, Griffith JP 3rd, Hou S, Esposito AA, Ketova T, Welsher K, Joyal JL, Almarsson Ö, Sahay G. Naturally-occurring cholesterol analogues in lipid nanoparticles induce polymorphic shape and enhance intracellular delivery of mRNA. Nat Commun. 2020 Feb 20;11(1):983. doi: 10.1038/s41467-020-14527-2. Erratum in: Nat Commun. 2020 Jul 6;11(1):3435. PMID: 32080183; PMCID: PMC7033178.