改変tRNAと吸入型ナノ粒子、嚢胞性線維症の未成熟ストップ信号を突破

トロント大学の研究チームは、ナンセンス変異が原因の嚢胞性線維症に対し、DNAそのものを改変せず、細胞内のタンパク質合成を一時的に迂回させるRNA技術を開発した。化学的に修飾したサプレッサー転移RNA（sup-tRNA）を、肺に届けやすいよう設計した脂質ナノ粒子（LNP）に載せ、吸入で投与する方法だ。変異したCFTRのメッセンジャーRNAにある「早すぎる停止信号」を読み越させ、全長のCFTRタンパク質を作らせる。 1

研究成果は気管支上皮細胞、マウスモデル、患者由来の嚢胞性線維症オルガノイドで示された。ただし、現時点ではあくまで前臨床段階の成果であり、人で有効性や安全性が確認された治療法ではない。

CFTRを途中で止める「ナンセンス変異」

ナンセンス変異は、タンパク質を作る遺伝情報の途中に、本来より早い終止コドン（ストップ信号）を生じさせる。細胞のリボソームはその信号を受け取ると翻訳を止めるため、タンパク質は途中で切れた不完全な形になる。

CFTR遺伝子でこの変異が起きると、塩化物イオンの通り道として働く十分な量の全長CFTRが作られないことがある。これは、すでに細胞が作ったCFTRの折りたたみや細胞膜への輸送、働きを改善するCFTRモジュレーターとは異なる問題だ。そもそも完全なタンパク質がほとんど作られなければ、モジュレーターだけでは補いきれない可能性がある。 12

ナンセンス変異は、遺伝性疾患全体の約11％に関係すると推定されている。同じタイプの翻訳エラーが複数の遺伝子で起こるため、安全に停止信号を読み越せる技術は、嚢胞性線維症以外にも応用できる可能性がある。 2

改変tRNAはどうやって停止信号を読み越すのか

通常のtRNAは、メッセンジャーRNA上のコドンを読み取り、対応するアミノ酸を運んでタンパク質を組み立てる。研究チームは、変異CFTRのメッセンジャーRNAに現れる特定の早期終止コドンを認識できるよう、tRNAのアンチコドンを設計した。

このsup-tRNAが誤って挿入された停止信号に到達すると、翻訳を終わらせる代わりにアミノ酸を組み込む。リボソームはそのままRNAを読み進め、全長CFTRを作れるようになる。つまり、DNA配列を修復するのではなく、遺伝情報の途中に入り込んだ「誤った停止指示」を一時的に迂回する仕組みだ。 14

RNAはゲノムを恒久的に変えることを目的としていないため、この方法は一過性の治療になる。将来、臨床応用に進んだ場合も、効果が続く期間と再投与の安全性によっては、繰り返し投与が必要になると考えられる。

化学修飾で改善した4つの課題

未修飾のsup-tRNAには、体内で十分長く安定しているか、正しいアミノ酸を結合できるか、効率よく終止コドンを読み越せるか、自然免疫を過剰に刺激しないかという課題がある。

研究チームは、天然のtRNAにも見られる部位特異的な化学修飾を導入した。報告された効果は次の通りだ。

• tRNAに正しいアミノ酸を結合させるアミノアシル化の改善
• 早期終止コドンの読み越し効率の向上
• 機能活性の持続時間の延長
• 自然免疫の活性化の抑制

提供された研究情報では、修飾の具体的な名称は明らかにされていない。そのため、シュードウリジンなど特定の化合物だと断定することはできない。 158

停止コドンを読み越せても、アミノ酸の結合が不十分だったり、すぐ分解されたり、強い免疫反応を引き起こしたりすれば、治療への応用は難しい。今回の設計は、こうした複数のボトルネックを同時に改善しようとした点に特徴がある。

なぜ吸入投与なのか：肺を狙うLNP設計

研究チームは、一般的なメッセンジャーRNAとは構造的な特徴が異なるtRNA cargoに合わせ、イオン化脂質ナノ粒子の組成を調整した。複数の製剤を送達性能で比較し、その中から選んだLNPを吸入投与して、肺組織や気道細胞にRNAを届けることを目指した。 18

これは非ウイルス型の送達法だ。LNPは治療用RNAを細胞内へ運ぶが、ウイルスベクターを使ったり、修復した遺伝子をゲノムに恒久的に組み込んだりはしない。2023年の先行研究でも、LNPで運んだsup-tRNAがマウスでナンセンス変異タンパク質の機能回復につながることが示されており、今回の肺向け・tRNA向け設計の基盤となった。 4

細胞、マウス、患者由来オルガノイドで確認されたこと

化学修飾sup-tRNAと吸入型LNPを組み合わせた治療では、複数の実験系でCFTRの産生と、それに伴うチャネル機能の回復が報告された。

• ヒト気管支上皮細胞：早期終止コドンの読み越しが促され、全長CFTRの産生が回復した。
• 嚢胞性線維症マウスモデル：吸入投与したRNAが肺に到達し、最長でおよそ40日間にわたり機能活性が確認された。ただし、これはマウスでの前臨床データであり、ヒトにも同じ期間続くとは限らない。 16
• 患者由来オルガノイド：4種類のCFTR変異を持ち、そのうち2種類がナンセンス変異であるモデルで、全長CFTRの産生が回復した。 18

一方、オルガノイドの結果は、この方法の重要な限界も示した。新たに作られたCFTRは、適切に折りたたまれ、細胞膜へ運ばれ、イオンチャネルとして十分に働くために、エレクサカフトール、テザカフトール、イバカフトールの配合薬であるTrikaftaを必要とした。

したがって、少なくとも一部の変異では、治療の考え方は「まずタンパク質の産生を再開させ、その後、救出されたタンパク質の性質をモジュレーターで整える」となる可能性が高い。sup-tRNAがCFTRモジュレーターを完全に置き換えるとは限らない。 13

約1割の患者に関係する可能性

CFTRナンセンス変異を持つ患者では、全長CFTRがほとんど作られないため、TrikaftaなどのCFTRモジュレーターだけでは十分な効果が得られない場合がある。この研究は、そうした患者集団に対し、薬が働くための「材料」を先に作らせるアプローチを示したものだ。

ただし、対象となる変異の種類や、回復したCFTRがどの程度機能するかは患者ごとに異なる。研究結果は、すべてのナンセンス変異、あるいは嚢胞性線維症患者全体に同じ効果があることを意味しない。

嚢胞性線維症を超える可能性

3種類すべての終止コドンを認識するsup-tRNAを、理論上は設計できる。適切なtRNAを選び、正しいアミノ酸を挿入し、必要な組織へ十分な量を届け、通常の翻訳を損なわずに機能させられれば、同じ変異タイプを持つさまざまな遺伝性疾患に応用できる可能性がある。

ただし、変異を読み越せば必ず正常なタンパク質になるわけではない。挿入されたアミノ酸の違いをタンパク質が許容できるか、救出されたタンパク質が正しく折りたたまれるか、安定化薬が必要かは、遺伝子や変異ごとに異なる。

また、送達方法は臓器によって変わる。肺への吸入に適したLNPが、そのまま肝臓、筋肉、脳、腎臓で使えるとは限らない。臓器ごとに、別のナノ粒子設計や投与経路が必要になる可能性がある。 34

ヒト治療までに残る安全性の課題

臨床応用に向けては、少なくとも次の点を確認する必要がある。

• 正常な終止コドンまで意図せず読み越してしまわないか
• 翻訳の変化によって、有害なタンパク質や誤ったアミノ酸置換が生じないか
• 吸入投与を繰り返した場合に、LNPとRNAが安全かつ有効か
• 肺のどの範囲に分布し、どの程度の期間、作用が続くか
• LNPやRNAが炎症などの免疫反応を引き起こさないか

外部の報道では、マウスで用量依存的な炎症が見られた可能性や、吸入型LNPに伴う呼吸器の安全性が論点として指摘されている。これらは、ヒトでの試験に進む前に慎重な検証を要する課題だ。 613

今回の主な進展は、tRNAの化学設計と、肺を標的にした送達技術を組み合わせたことにある。読み越し効率、持続性、アミノ酸の結合、免疫反応、肺への到達を同時に改善することで、前臨床モデルと患者由来モデルで意味のあるCFTR産生・機能回復を実現した。

次の焦点は、この効果をヒトでも安全に、繰り返し、予測可能な形で再現できるかどうかだ。さらに、変異によっては、sup-tRNA単独ではなく、TrikaftaなどのCFTRモジュレーターや他のタンパク質安定化薬との併用が必要になる可能性も残されている。