人工細菌「注射器」は人間の細胞に薬物を投与できる

上: ジョゼフ・クライツ、WITH

病気やその他の状態を治療するための高度で効果的な薬であっても、標的とする体の一部または特定の細胞に到達できなければ役に立ちません。 しかし、科学者たちは、特定の細菌に自然に見られる小さな注射器のような構造を使用して、小さなタンパク質を特定の細胞に送達する新しい方法を発見しました。 3月29日にNature誌に掲載されたこの研究は、医療における薬物送達システムの改善につながる可能性がある。

研究共著者でマサチューセッツ工科大学（MIT）研究者のジョセフ・クライツ氏は、「分娩は依然として医療における重大なボトルネックである」と述べた。 「過去数十年にわたって多くの強力な新しい治療法が開発されてきましたが、これらの治療法を体内の適切な細胞に届けるためには、豊富な選択肢が必要になります。」

この研究では、クライツ氏、ブロード研究所研究員のフェン・チャン氏、およびチームの残りのメンバーが自然からインスピレーションを得て、この問題を回避する方法を見つけた小さな微生物に頼った。 内部共生細菌、つまり生存のために宿主細胞に依存する細菌は、細胞外収縮注入システム (eCIS) などのツールを開発しました。このシステムでは、細菌は小さな注射器のようなナノマシンを使用してタンパク質ペイロードを宿主細胞に注入します。 細菌 Photorhabdus asymbiotica の場合、宿主細胞は線虫の腸内を裏打ちする細胞です。 新しい研究では、Zhang氏とチームは、フォトラブダス社のいわゆるナノシリンジを再設計して、さまざまなタンパク質を標的にしてヒトや動物の細胞に送達できるようにした。

研究者らはまず、Photorhabdus 病原性カセット (PVC) が宿主細胞に非天然タンパク質を送達できることを確認しました。 彼らはこれらの実験に Cre-loxP システムを使用しました。このシステムでは、宿主細胞における GFP 発現は、loxP 配列に隣接する STOP コドンによって妨げられました。 Cre リコンビナーゼを添加すると、酵素は loxP 部位を認識し、STOP コドンを切除しました。 したがって、活性な GFP 発現は、細胞への Cre 送達の成功の指標として機能しました。

しかし、真の課題は、PVC を使用してヒトまたはマウスの細胞（PVC が標的とすることが知られている昆虫の宿主細胞とは非常に異なる細胞）を標的とすることです。 そもそもPVCが昆虫細胞をどのように認識するのか科学者たちさえよくわかっていなかったことも、事態をさらに悪化させた。 しかし、既知のことは、これらの PVC が、収縮尾を使用して遺伝物質を細菌に注入するウイルスであるバクテリオファージによって使用される構造に似ているということです。

「我々は、PVCが尾部繊維と呼ばれる小さなタンパク質フィラメントを介して細胞を認識しているのではないかと考えましたが、このシステムの標的特異性を変えるためにこれらの尾部繊維をどのように修飾する必要があるのか​​は、当初は明らかではありませんでした」とKreitz氏は述べた。

アミノ酸配列からタンパク質の 3D 構造を予測できる強力な AI プラットフォームである AlphaFold を使用することで、チームは PVC の尾部繊維をモデル化し、それが標的受容体にどのように結合するかをよりよく理解できるようになりました。 次に研究者らは、ヒト肺腺癌細胞上の受容体を特異的に認識するようにPVC尾部繊維を再設計した。 再設計された尾繊維を使用して、試験管内でさまざまな種類のタンパク質をこれらの細胞にロードすることができました。細胞を死滅させる細菌の天然の有毒タンパク質と、細胞を緑色に変える非天然のCreです。 彼らは現在、ヒトの細胞にタンパク質を特異的かつ効果的にマイクロインジェクションできる送達ツールを手に入れた。

「このアプローチのプログラム可能な性質は、将来的に標的または組織の選択性の改善を達成するのに役立つかもしれないと想像できます」と、この研究には関与していないMITの研究者アンジェラ・ケーラー氏はサイエンティスト誌に語った。

次に研究者らは、CRISPR ゲノム編集コンポーネントを標的細胞に送達するシステムの能力を in vitro でテストしました。 CRISPR テクノロジーは治療研究に広く採用されていますが、標的送達はこの分野で依然として大きな課題です。 「私たちは、この配送方法のツールボックスを拡大し続けています。 私たちにはゲノム編集機械や送達する分子の種類などのツールボックスがあり、現在はその送達ツールボックス自体を拡張しているところです」と、ノースカロライナ州立大学で CRISPR に協力している研究者で、この研究には関与していないロドルフ・バラングー氏は語った。科学者。