［医薬品医療機器レギュラトリーサイエンス，PMDRS, 54（4），286〜290（2023）］

特集

mRNA 医薬―技術開発と求められる評価科学―

環境応答性脂質様材料を基盤としたmRNA デリバリー技術
田中 浩揮＊，秋田 英万＊

messenger RNA Delivery System Using Ionizable Lipids
Hiroki TANAKA ＊ and Hidetaka AKITA ＊1. はじめにが明らかになるにつれ，IVT‑mRNA の免疫刺激性インビトロ転写反応により合成される基の導入などといった RNA 分子のクオリティの向が Cap1 構造の付加，RNA 分子の精製，化学修飾塩

transcribed messenger RNA（IVT‑mRNA）は，生上により，回避できることが明らかとなってきた．

体内へ導入されると細胞質でタンパク質へと翻訳さ一方，IVT‑mRNA は酵素分解に脆弱な分子であれる．IVT‑mRNA はその塩基配列を設計することり，生体へそのままの形で導入されると容易に破壊により，天然・非天然を問わず，多様なタンパク質されて，機能を失う．また，負電荷かつ水溶性のポを生体へと導入できることから，次世代の遺伝子治リマーであるため，細胞膜を超えて作用部位である療を担う核酸として期待されている．特に，IVT‑細胞質へ自発的にたどり着くことは困難である．こmRNA に病原体のタンパク質をコードしたうえでのことから，IVT‑mRNA を生体内で機能させるた

生体内に投与する RNA ワクチンの技術は，2019 年

めには，本分子の安定性を高めつつ細胞質へと送りに発生した新型コロナウイルスによるパンデミック届けるための Drug Delivery System（DDS）が必要に対する決定的な対抗策となった．本 RNA ワクチとなる．

ンが，ウイルスのゲノム配列の同定からわずか１年

本稿では，RNA ワクチンの実用化を導いた脂質以内に実用化されたことは，遺伝情報を基盤とするナノ粒子（LNP）技術において，その機能で重要な迅速な創薬が可能な mRNA 医薬品の有用性を端的役割を果たす環境応答性の脂質材料について概説すに示すものといえよう．

る．

RNA 分子を用いた遺伝子導入は 1980 年代から試みられてきたが，当時の技術で作成された RNAは，場合によって細胞死を引き起こすほどの強い免pH 感受性脂質による細胞内動態の2. 制御

疫応答を引き起こしたため，医療応用を考える際の障壁になると認識されていた．しかし，このような任意の遺伝情報をコードさせた核酸分子を細胞内激しい応答の引き金となる免疫活性化のメカニズムへ導入し，細胞自身にタンパク質を発現させるとい＊ 東北大学薬学部・大学院薬学研究科 薬物送達学分野 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6‑3（〒 980‑8578）
Laboratory of DDS Design and Drug Disposition, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Tohoku University, 6‑3, Aoba, Aramaki,
Aoba‑ku, Sendai 980‑8578, Japan286

医薬品医療機器レギュラトリーサイエンス

Vol. 54 No. 4（2023）

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［田中ら：環境応答性脂質様材料を基盤とした mRNA デリバリー技術］

う試みは，長年の間，プラスミド DNA 分子を用いは 20 塩基対程度の短鎖二本鎖 RNA であり，配列特て行われてきた．DNA もまた負電荷かつ水溶性の異的に mRNA をノックダウンすることができる．

ポリマーであり，細胞質へ自発的に到達することはしたがって，疾患の原因となるタンパク質の発現を困難である．DNA を細胞へ導入するため，正電荷特異的に抑制し，治療ができる．pH 感受性脂質のを有するカチオン性ポリマーやカチオン性脂質が開siRNA 送達効率は，粒子形成を担う疎水性足場と発されてきた．これらの材料は，静電的相互作用にpH 感受性を担う第三級アミンの組み合わせによっより核酸をナノサイズの粒子へと凝縮化できる．更て決定される．足場構造の検討により，かさ高い足に，形成したナノ粒子表面の正電荷が細胞表面の負場構造がエンドソーム膜との融合や膜破壊に有効で電荷成分と相互作用するため，細胞内へ核酸を効率あることが示唆され，脂肪酸鎖としては不飽和結合的に送達することができる．

を二つ有するリノール酸が優れている．また，一般一方でカチオン性材料は，核酸の過剰な凝縮化やに遊離の第三級アミン分子の pKa は 9〜12 程度であ生体分子との非特異的な相互作用を介して毒性を誘る一方，LNP 表面に濃縮された第三級アミンは 5〜起するなどの問題を抱えていた．これらのカチオン8 程度の pKa を示す．LNP 表面の pKa はエンドソー性材料の問題点は，分子内に含まれる第四級アンモム脱出の効率を左右する極めて重要な性質であり，ニウム塩構造が，周囲の環境を問わず常に正電荷を静脈内投与によってマウス肝臓へ siRNA を送達す帯びており，非特異的な静電的相互作用を引き起こる場合は，6.2〜6.5 の狭い範囲に最適値を有するこすことに由来する．このため，必要な時・場所におとが明らかとなった．

いてのみ正電荷を獲得する材料として，pH 感受性かさ高い足場構造と最適な pKa を持つ頭部の組脂質が開発された（Fig. 1）．pH 感受性脂質は，酸性み合わせとして見出された化合物が，DLin‑MC3‑環境下においてのみプロトン化を受ける第三級アミDMA である（Fig. 2）1）．DLin‑MC3‑DMA に加え，ン構造を有するため，酸性緩衝液を用いた製剤化の粒子安定化のためのヘルパー脂質としてリン脂質，過程と，細胞内で酸性エンドソーム中から脱出するコレステロール，Polyethylene glycol 結合型脂質過程においてのみ，静電的相互作用を発揮すること（PEG 脂質）からなる siRNA‑LNP は優れた siRNAができる．
pH 感受性脂質の開発は，Short interfering RNA

送達効率を有し，現在はオンパットロ®（トランスサイレチン型アミロイドーシス治療薬）の製剤のな（siRNA）の医療応用を目的に行われてきた．siRNAか で， 実 際 に 医 療 へ と 応 用 さ れ て い る．DLin‑pHp H ឤཷᛶ⬡㉁䠄䠄౛౛䠖DODAP䠅䠖 DODAP䠅䜹䝏䜸䞁ᛶ⬡㉁䠄౛䠖䠄౛䠖DOTAP䠅DOTAP䠅➨୕⣭䜰䝭䞁➨ᅄ⣭䜰䞁䝰䝙䜴䝮ሷOOˇNNOO᰾㓟⢏Ꮚ໬ᖖ䛻㟁Ⲵ䜢䜒䛱᰾㓟䛸┦஫స⏝䛩䜛㓟ᛶ⦆⾪ᾮ୰䛷䝥䝻䝖䞁໬䛥䜜᰾㓟䛸┦஫స⏝䛩䜛యෆືែ㠀≉␗ⓗ┦஫స⏝䛻䜘䜚ẘᛶ➼䜢㉳䛣䛩㟁Ⲵ䜢ᣢ䛯䛪㠀≉␗ⓗ䛺┦஫స⏝䜢ᅇ㑊䛷䛝䜛⣽⬊ෆືែ⣽⬊⭷ 㻛㻌䜶䞁䝗䝋䞊䝮⭷䛸ຠ⋡ⓗ䛻┦஫స⏝䛩䜛㓟ᛶ໬䛻క䛔Ⲵ㟁䛧䜶䞁䝗䝋䞊䝮⭷䛸┦஫స⏝䛩䜛᰾㓟ᨺฟ㐣๫䛺จ⦰໬䛻䜘䜚᰾㓟ᨺฟ䛜㜼ᐖ䛥䜜䜛㟁Ⲵ䜢ᣢ䛯䛪᰾㓟䜢ᨺฟ䛷䛝䜛

Fig. 1

カチオン性脂質と pH 感受性脂質の比較

Pharmaceutical and Medical Device Regulatory ScienceVol. 54 No. 4（2023）

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［田中ら：環境応答性脂質様材料を基盤とした mRNA デリバリー技術］

MC3‑DMA が持つ問題点はその生分解性の低さで2010 年代から精力的に開発されてきた．RNA ワクあり，生体からのクリアランスが非効率的であるたチンの技術が成熟しつつあるなか，SARS‑CoV‑2

め，高投与量時に生体に毒性を示す可能性が示唆さによるパンデミックが発生し，これに対応するためれていた．に開発された mRNA‑LNP 型の RNA ワクチンがス

そ こ で， 安 全 性 の 向 上 を 目 的 に，DLin‑MC3‑

パイクバックス筋注（モデルナ社）及びコミナティ

DMA の疎水性足場にエステル結合を導入した pH筋注（ファイザー社）である．スパイクバックス筋2）感受性脂質が L319 である ．エステル結合の導入位

注に用いられた SM‑102 とコミナティ筋注に用いら置を検討することで，元となった DLin‑MC3‑DMAれた ALC‑0315 は，どちらもかさ高く，生分解性をと同等の活性を維持しながらも，投与 24 時間後の有する疎水性足場を有しており，siRNA‑LNP の知肝臓への蓄積性を劇的に低減することに成功した．

見が活用されていることがわかる（Fig. 2）．

siRNA‑LNP の開発過程において，『かさ高い疎水mRNA‑LNP 型の RNA ワクチンは，抗原特異的性足場構造を有すること』，『pKa が 6.2〜6.5 程度のな濾胞性ヘルパーT 細胞や胚中心 B 細胞の増殖を誘値であること』，『分子構造中に生分解性の結合を有起することができる．このような抗原特異的な獲得

す る こ と 』 の ３ 条 件 を 満 た す pH 感 受 性 脂 質 が，免疫の活性化には，抗原タンパク質の導入と同時にRNA 分子の安全かつ効率的な細胞質送達に重要で自然免疫系の活性化が必須である．RNA ワクチンあることが明らかとなった．に含まれる IVT‑mRNA には，自然免疫系の刺激を回 避 す る よ う な 工 夫 が 施 さ れ て い る こ と か ら，
LNP 自身が自然免疫系を活性化している可能性がmRNA-LNP を基盤とする
3. RNA ワクチンの開発考えられる．実際に，抗原タンパク質と核酸を含まない empty‑LNP（eLNP）を混合して投与すると，

IVT‑mRNA は，塩基配列の設計により任意のタ血中抗体価の上昇がみられ，所属リンパ節におけるンパク質を生体へ導入することができる．これを利抗原特異的な濾胞性ヘルパーT 細胞の増加や胚中心用し，病原微生物のタンパク質を IVT‑mRNA にB 細胞の成熟といった，mRNA‑LNP ワクチンの機コードして生体へ投与する RNA ワクチン技術は，能が再現された 3）．eLNP の免疫刺激性は pH 感受性

感染 症 に 対 す る 新 た な 医 療 の モ ダ リ テ ィ と し て脂質に依存しており，pH 感受性脂質を含まない粒

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Fig. 2288

RNA 医薬品に使用された pH 感受性脂質

医薬品医療機器レギュラトリーサイエンス

Vol. 54 No. 4（2023）

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子では上記のような抗体の産生が見られない．
LNP の投与から 24 時間後，投与部位である皮下や筋肉において Il‑1β，Il‑6 等の炎症性サイトカイに繰り返し投与することで，血中の FGF 濃度の維持と肥満マウスに対する治療効果が確認されている7）．

ンと，Ccl2，Ccl7 等のケモカインの産生が観察され，単球や好中球の浸潤が認められた 4）．eLNP のアジュバント能には Dose 依存性があり，脂質量と5. 終わりにして 125μg の LNP を抗原とともに投与した場合にLNP を代表とする脂質型の mRNA ベクターは優は，アラムアジュバントと MPLA の混合物に匹敵れた遺伝子導入効率を持つ．また，本来備わった免する抗体産生を引き起こした．また，LNP と抗原

疫刺激性は mRNA‑LNP の RNA ワクチンへの応用を別の部位に投与した場合や，LNP の投与部位へに極めて有用であった．しかしながら，mRNA‑投与 24 時間後に抗原を投与した場合には，抗体産LNP の高い遺伝子導入効率を遺伝子治療へと幅広生は認められていない 5）．これらの結果から，LNPく応用するためには，免疫刺激性の原因を理解し戦による炎症は，局所的かつ一時的なものであること略的に回避することが必須であろう．

が示唆されている．このような自然免疫の活性化は文

RNA ワクチンが機能するためには極めて重要であるものの，LNP のどのような因子が免疫活性化を誘導するのか，更に，どのような細胞，更には受容体が生体内でそれを感知するのかについて，詳細なメカニズムは明らかとなっていない．

献1）Semple, S.C.; Akinc, A.; Chen, J.; Sandhu, A.P.; Mui, B. L.;
Cho, C. K.; Sah, D.W.; Stebbing, D., Crosley, E. J.;
Yaworski, E.; Hafez, I. M., Dorkin, J. R. ; Qin, J. ; Lam,K.; Rajeev, K. G. ; Wong, K. F. ; Jeffs, L. B.; Nechev, L.;
Eisenhardt, M. L.; Jayaraman, M.; Kazem, M.; Maier, M.
A.; Srinivasulu, M.; Weinstein, M. J. ; Chen, Q.; Alvarez,R. ; Barros, S. A.; De, S.; Klimuk, S. K.; Borland, T.;

4. 免疫刺激性の回避

Kosovrasti, V.; Cantley, W. L.; Tam, Y. K.; Manoharan,

上述の通り，LNP は免疫系を刺激する能力が備わっていたため，RNA ワクチンを成立させるための基盤技術となった．しかし，ワクチン以外の遺伝

M.; Ciufolini, M. A.; Tracy, M. A.; de Fougerolles, A.;
MacLachlan, I.; Cullis, P. R.; Madden, T. D. and Hope,
M. J. Rational design of cationic lipids for siRNAdelivery.

. 2010, 28（2）, p.172‑176.

子治療を考えた際には，LNP の免疫刺激性が治療

2）Maier, M. A.; Jayaraman, M.; Matsuda, S.; Liu, J.; Barros,用タンパク質に対する獲得免疫を活性化する懸念がS.; Querbes, W.; Tam, Y. K.; Ansell, S. M.; Kumar, V.;ある．このことから，mRNA 医薬品の対象疾患をQin, J.; Zhang, X.; Wang, Q.; Panesar, S.; Hutabarat, R.;

拡大するためには，LNP の免疫刺激性を回避しな

Carioto, M.; Hettinger, J.; Kandasamy, P.; Butler, D. ;Rajeev, K. G.; Pang, B.; Charisse, K.; Fitzgerald, K.; Mui,ければならない．
免疫刺激の回避を目的に現在行われている戦略

B. L.; Du, X.; Cullis, P.; Madden, T. D.; Hope, M. J.;
Manoharan, M. and Akinc, A. Biodegradable lipids

が，ステロイド系抗炎症薬の併用である．構造安定

enabling rapidly eliminated lipid nanoparticles for化を目的に，LNP に含有されているコレステロー

systemic delivery of RNAi therapeutics.

ルの一部をデキサメタゾンに置換することで，血中6）の TNFαの上昇を回避することができる ．また，ステロイドを長期にわたりナノ粒子に保持させる目的で，薬物の脂質誘導体化についても検討が進められている．mRNA‑LNP の自己投与を目指して，ス.

2013, 21（8）, p.1570‑1578.
3）Alameh, M. G.; Tombácz, I.; Bettini, E.; Lederer, K.;
Sittplangkoon, C.; Wilmore, J. R.; Gaudette, B. T.;
Soliman, O. Y.; Pine, M.; Hicks, P.; Manzoni, T. B.; Knox,J. J.; Johnson, J. L.; Laczkó, D.; Muramatsu, H.; Davis, B.;
Meng, W.; Rosenfeld, A. M.; Strohmeier, S.; Lin, P. J. C.;

テロイド系抗炎症薬であるロフレポニドとブデゾニ

Mui, B. L.; Tam, Y. K.; Karikó, K.; Jacquet, A.;

ドの脂質誘導体化と LNP への搭載が行われた．

Krammer, F.; Bates, P.; Cancro, M. P.: Weissman, D.;

本 LNP は投与部位における自然免疫の活性化をPrak, E. T. Luning.; Allman, D.; Locci, M. and Pardi, N.

防 ぐ こ と が 可 能 で あ り， 線 維 芽 細 胞 成 長 因 子 21

Lipid nanoparticles enhance the efficacy of mRNA and（FGF21）を搭載した免疫回避型の mRNA‑LNP 皮下protein subunit vaccines by inducing robust T

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follicular helper cell and humoral responses.

.

2021, 54（12）, p. 2877‑2892. e7.

6）Zhang, H.; Han, X.; Alameh, M. G.; Shepherd, S. J.;
Padilla, M. S.; Xue, L.; Butowska, K.; Weissman, D. and4）Ndeupen, S.; Qin, Z.; Jacobsen, S.; Bouteau, A.;
Estanbouli, H. and Igyártó, B. Z. The mRNA‑LNP

Mitchell, M. J. Rational design of anti‑inflammatory
lipid nanoparticles for mRNA delivery.

platformʼs lipid nanoparticle component used in
preclinical vaccine studies is highly inflammatory.

Wallin, S.; Dekker, N.; Barlind, L.; Davies, N.; Seeliger,. 2021, 24（12）, 103479.
5）Thoryk, E. A.; Swaminathan, G.; Meschino, S.; Cox, K. S.;
Gindy, M.; Casimiro, D. R. and Bett,. 2022, 110（5）, p.1101‑1108.
7）Bartesaghi, S.; Wallenius, K.; Hovdal, D.; Liljeblad, M.;
F.; Winzell, M. S.; Patel, S.; Theisen, M.; Brito, L.;

A. J. Co‑Bergenhem, N.; Andersson, S. and Peng, X. R.

Administration of Lipid Nanoparticles and Sub‑Unit

Subcutaneous delivery of FGF21 mRNA therapy

Vaccine Antigens Is Required for Increase in Antigen‑reverses obesity, insulin resistance, and hepatic

Specific Immune Responses in Mice.

steatosis in diet‑induced obese mice.

（）.

2016, 4（4）,47.

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医薬品医療機器レギュラトリーサイエンス. 2022, 28, p.500‑513.

Vol. 54 No. 4（2023）

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