ワインの“渋み”成分を活用したナノマシンで、高効率でのがんゲノム編集を達成

2026年11月10日公開

全身投与型のがんゲノム編集治療への応用に期待

プレスリリース研究生命理工学融合理工学 Total Health Design

ポイント

ワインなどの渋み成分 “タンニン酸”を用いて、ゲノム編集酵素Cas9とガイドRNAの複合体（RNP）を静脈注射のみで腫瘍に届けるナノマシンを開発
血中でRNPを分解から守ることで、RNP単独投与よりも高いゲノム編集効率を達成
がん遺伝子を標的とすることで腫瘍の増大を有意に抑制できることを確認

概要

東京科学大学（Science Tokyo）生命理工学院生命理工学系の松尾拓海修士学生（研究当時）、同大学総合研究院化学生命科学研究所の本田雄士助教（兼川崎市産業振興財団ナノ医療イノベーションセンター＜iCONM＞主任研究員）、西山伸宏教授（兼同センター副研究統括／主幹研究員）らの研究グループは、同大学生命理工学院生命理工学系の刑部祐里子教授らと共同で、ゲノム編集酵素Cas9とガイド（sgRNA）複合体（RNP）^[用語1]を、静脈注射によって腫瘍へ選択的に届けるナノマシン^[用語2]を開発しました。

ゲノム編集治療において、RNPをそのまま投与する方法には、ゲノム編集が速やかに完了し、副作用が少ないという利点があります。しかし、RNPは血中で速やかに分解・排泄されるため、これまでのゲノム編集研究は、RNPを局所注射するか、RNPが集積しやすい肝臓などの腫瘍を対象とするものに限られていました。

今回開発したナノマシンは、ワインや茶の渋み成分であるタンニン酸（Tannic Acid）^[用語3]と、フェニルボロン酸ジオール^[用語4]を導入した精密合成高分子を、水中でRNPと順番に混ぜ合わせるだけで形成される、直径約30 nmの三元系複合体です。血中ではRNPを酵素分解から保護し、細胞内に取り込まれた後のエンドソームの酸性環境に応答して、RNPを放出することができます。

このナノマシンを担がんマウスに静脈投与したところ、RNP単独と比べて血中滞留性と腫瘍集積性が大きく向上し、腫瘍組織でのゲノム編集効率がRNP単独での投与よりも高くなりました。さらに、がん遺伝子を標的としてゲノム編集を行うことで、腫瘍の増大を有意に抑制する効果があることが確認されました。

本研究成果は、これまで肝臓や脾臓に限られていた全身投与型ゲノム編集の適用範囲を固形がんへと広げるものであり、今後のがんゲノム編集治療への応用が期待されます。

本研究成果は10月14日付（現地時間）「ACS Applied Materials & Interfaces」誌にオンライン掲載されました。

図1. ナノマシンを利用したRNP送達技術の概念図。ポリフェノール（タンニン酸）を活用したナノマシンがRNPをがん細胞内の標的箇所にピンポイントで送達し、がん治療を達成

背景

ゲノム編集技術CRISPR/Cas9は、狙った遺伝子を改変できる画期的な技術として、医療や農業への応用が急速に進んでいます。細胞内へゲノム編集酵素を届ける方法にはいくつかありますが、あらかじめCas9タンパク質とガイドRNAを結合させた複合体（RNP）をそのまま届ける方法は、転写・翻訳の過程を経ずに速やかにゲノム編集が起こり、酵素が体内に長く留まらないため、オフターゲット作用（狙っていない遺伝子への影響）が少ないという大きな利点があります。

しかし、RNPの臨床応用には2つの壁がありました。1つは、RNPが約12 nmとやや大きく、さらに表面がわずかに負に帯電しているため、細胞膜を越えて核まで届きにくいことです。そしてもう1つは、細菌由来のタンパク質と一本鎖RNAからなるため、血中のRNA分解酵素やタンパク質分解酵素によって速やかに分解されてしまうことです。このため、これまでの生体内でのゲノム編集研究は、RNPを患部へ直接注射する方法、従来のRNP送達手段である脂質ナノ粒子が自然に集まりやすい肝臓や脾臓のがんを対象とするものに限られていました。こうした背景から、RNPを静脈注射した上で、血中で守りながら固形がんにまで届けることで、がん細胞の中でだけ働かせるようにする送達技術が求められていました。

研究グループはこれまでの研究で、ワインやお茶の“渋み”成分で、ポリフェノールの一種であるタンニン酸を用いた薬物送達ナノマシンを構築してきました。タンニン酸は、水素結合や疎水性相互作用を介してタンパク質やウイルスと複合体をつくる性質と、フェニルボロン酸と可逆的なエステル結合（ボロン酸エステル）を形成する性質を兼ね備えています。そこで研究グループは、このタンニン酸にボロン酸導入高分子を組み合わせることで、生体分子を搭載した三元系複合体を構築してきました^{[参考文献1]}。この三元系複合体は、生体内の通常pH（〜7.4）では安定ですが、狙った細胞内のエンドソームの酸性環境（pH 5.5付近）では中身を放出できるため、狙った場所の細胞内でのみ活性をOnにすることが可能です。そこでこの三元系複合体を利用してRNPを標的カ所に送達し、ゲノム編集を実現する送達システムを着想しました（図1）。

研究成果

今回、研究グループは、RNP、タンニン酸、フェニルボロン酸導入高分子を水中で順番に混ぜることにより、RNPを1分子ずつ内包した直径約30 nmの三元複合体を作製することに成功しました。この複合体では、高分子のポリエチレングリコール（PEG）鎖が外殻を形成することで、血清溶液中およびRNA分解酵素存在下でも、RNPの分解が起きませんでした。一方で、pH5.5ではRNPを放出し、そのDNA切断活性の回復が確認されました。

この三元複合体をナノマシンとして担がんマウスに静脈投与する実験を行いました。その結果、RNP単独の場合には投与2時間後には血中からほぼ消失したのに対し、RNPを搭載したナノマシンは投与6時間後でも血中に残存し、腫瘍への集積量はRNP単独の2〜4倍に高まりました（図2）。さらに、腫瘍で発現させた発光遺伝子の編集実験を行いました。その結果、有意にその発光強度を減少させることに成功しました（図3A）。腫瘍組織を解析したところ、ゲノム編集効率（挿入欠失変異の頻度）はRNP単独では1.5％にとどまりましたが、本ナノマシンでは37.2％に達しました。

さらにこのナノマシンに、細胞分裂に必須の酵素PLK1^[用語5]を標的とするガイドRNAを搭載して投与したところ、腫瘍の増大が有意に抑制されました（図3B）。腫瘍組織ではPLK1タンパク質の減少とアポトーシス（細胞死）の指標である活性化カスパーゼ-3の増加が確認され、ゲノム編集を介した治療効果であることが裏付けられました。加えて、KRAS遺伝子^[用語6]にG13D変異を持つヒト大腸がん細胞の腫瘍モデルでも、変異KRASを標的として腫瘍増大を抑制でき、標的遺伝子を替えることで幅広いがんに応用できる可能性が示されました。反復投与後も体重減少、血液検査値の異常、主要臓器の病理学的異常は認められませんでした。

図2. RNPサンプルの体内動態の比較実験。各RNPサンプルをマウスに投与した場合の（A）血中滞留性と（B）腫瘍集積性を比較した。

図3. RNPサンプルの腫瘍に対するゲノム編集と治療効果。各RNPサンプルをマウスに投与した場合の腫瘍における（A）ゲノム編集と（B）治療効果を比較した。

社会的インパクト

本研究で開発されたポリフェノールナノマシンは、RNPを用いた生体内ゲノム編集を実現させる画期的な技術です。現在、核酸-脂質ナノ粒子を用いたゲノム編集システムの臨床試験が進められていますが、標的可能な臓器は肝臓など一部に限られる上に、死亡例が見受けられるなど課題が挙げられています。RNP-ポリフェノールナノマシンを用いた本技術は、このような従来技術と構成成分や体内挙動・メカニズムが異なっていることから、これらの課題を克服できる可能性を秘めています。

今回開発したナノマシンは、RNPに対する複雑な化学修飾などを必要とせず、「混ぜるだけ」という簡便な方法で作製可能です。また、脂質ナノ粒子などの他の薬物送達システムのように、イオン化脂質の合成や特殊な製造装置も不要です。こうした製造面での簡便さも特筆すべきポイントであり、医薬品としての量産や実用化にも大きく貢献する技術だと言えます。

今後の展開

今回の研究では、新しい生体内ゲノム編集治療アプローチを構築することに成功しました。今回開発したナノマシンは今後、さらなる治療への展開が期待されます。このナノマシンは、分子修飾も容易であることから、環状ペプチドや糖鎖などの組織標的分子を導入することで、がんのみならず、様々な臓器選択性を付与することができます。また、RNPに搭載するガイドRNAの種類を変更することで、あらゆる遺伝子を標的化することが可能になり、幅広い応用が期待できます。今後は、肝臓・腎臓など正常臓器における意図しないゲノム編集の有無を詳細に検証し、安全なゲノム編集達成に向けた検討も合わせて行います。

付記

本研究は下記の支援により実施されました。

日本医療研究開発機構（AMED）（JP22am0401018、26ama221258s0101、23ak0101173）
国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）「共創の場形成支援プログラム（COI-NEXT）」川崎拠点（プロジェクトCHANGE）（JPMJPF2202）
科学研究費助成事業（JP22H00581、JP22K18193、JP21K20513、JP23H04060、JP24K03278、JP26K24035）

参考文献

[参考文献1]: Honda, Y., Nomoto, T., Matsui, M., et al., Sequential self-assembly using tannic acid and phenylboronic acid-modified copolymers for potential protein delivery, Biomacromolecules, 21 (2020) 3826–3835.
DOI：10.1021/acs.biomac.0c00903

用語説明

[用語1]: Cas9とガイド（sgRNA）複合体（RNP）：DNAを切断する酵素Cas9と、切断する場所を指定するガイドRNA（sgRNA）が結合した複合体。あらかじめ結合させた状態で細胞に届けると、遺伝子の読み取り・翻訳を経ずに速やかにゲノム編集が起こり、酵素が長く残らないため、意図しない場所での切断（オフターゲット作用）が少ない。
[用語2]: ナノマシン：生理活性物質を体内の狙った場所へ効率よく運び、必要なタイミングで放出させる機能を持つ1〜50 nm程度の大きさのナノ粒子。粒子径や外殻に配した分子の違いにより送達部位に特異性をもたせることができる。薬剤送達システム（ドラッグデリバリーシステム、DDS）の一種であり、特に高機能化されたものを「スマートナノマシン^®」と呼ぶ。
[用語3]: タンニン酸（Tannic Acid）：赤ワインや茶などに多く含まれる、植物由来のポリフェノール化合物の一種。疎水性相互作用や水素結合を介して、タンパク質など様々な生体分子と結合して複合体を形成する。
[用語4]: フェニルボロン酸ジオール：（隣り合う2つの水酸基）と可逆的にエステル結合を形成するホウ素化合物。中性付近では安定で、酸性条件では結合が外れるため、細胞内の酸性環境に応答して薬物を放出する材料として利用される。
[用語5]: PLK1（polo-like kinase 1、ポロ様キナーゼ1）：細胞分裂（有糸分裂）の進行に必須の酵素。多くのがんで過剰に発現し、がん細胞の増殖を支えている。PLK1を失ったがん細胞は正常に分裂できず、アポトーシス（細胞死）に至るため、抗がん治療の有望な標的とされている。
[用語6]: KRAS遺伝子：細胞の増殖シグナルを伝えるタンパク質の遺伝子。大腸がん、膵がん、肺がんなどで高頻度に変異が見つかり、変異するとシグナルが出続けてがん化を促す。代表的ながん遺伝子だが低分子薬での阻害が難しい。G12C変異などに対する阻害薬は承認されているものの、本研究で標的としたG13D変異に対する承認薬はなく、遺伝子そのものを壊すゲノム編集が有望なアプローチとなる。

論文情報

掲載誌：: ACS Applied Materials & Interfaces
タイトル：: Sequentially Self-Assembled Supramolecular Nanocomplexes Enable Systemic Cas9 RNP Delivery and In Vivo Tumor Genome Editing
著者：: Takumi Matsuo, Yuto Honda*, Toshizumi Chino, Takahiro Nomoto, Yuriko Osakabe, Yutaka Miura, Nobuhiro Nishiyama*
DOI：: 10.1021/acsami.6c14858