DNAワクチン接種

DNAワクチン接種あるいはDNAワクチン投与は、特定の抗原のDNAコード配列を免疫化された種の細胞にトランスフェクトする技術である。

DNAワクチンは、免疫応答が求められる抗原をコードするDNA配列を含む遺伝子操作されたプラスミドを注入することによって機能するため、細胞は直接、抗原を産生し、防御免疫応答を引き起こす。DNAワクチンには、より広範囲の免疫応答タイプを誘発する能力など、従来のワクチンに比べて理論上の利点があるとされる。いくつかのDNAワクチンが獣医用にテストされている。動物の疾患において効果が得られている場合とそうでない場合がある。2016年8月の時点で、米国ではヒトへの使用が承認されたDNAワクチンはない。ヒトのウイルス性、細菌性、寄生虫性疾患、および癌に対するアプローチについての研究が進行中である。

1. 歴史
-----

DNAワクチンはいわゆる「第3世代ワクチン」である。100年以上の間、ワクチン接種は免疫系を刺激するため免疫系が直接反応する特定の抗原を導入するか、病気を引き起こすことなく宿主内で複製し、抗原を合成できる弱毒化した感染性の病原体を導入するかのいずれかのアプローチによって影響を受けてきた。そして、ワクチン接種に対する根本的に新しいアプローチが開発された。

DNAワクチンには、病原体からの特定のタンパク質をコードするDNAが含まれ、DNAは体内に注入され、細胞に取り込まれるとされる。細胞の通常の代謝プロセスは、取り込んだプラスミドの遺伝暗号に基づいてタンパク質を合成する。これらのタンパク質には細菌やウイルスに特徴的なアミノ酸配列の領域が含まれているため、外来性として認識され、宿主細胞によって処理されて表面に表示されると、免疫系に警告が発せられ、免疫反応が引き起こされる。あるいは、細胞の取り込みを容易にするために、DNAをタンパク質にカプセル化する。このキャプシドタンパク質がDNAに含まれている場合、得られるワクチンは、復帰のリスクなしに生ワクチンの効力を組み合わせることにある。

1983年、ニューヨーク州保健局のEnzoPaolettiとDennisPanicaliは、遺伝子工学を使用して通常の天然痘ワクチンを他の病気を予防できるワクチンに変換することにより、組換えDNAワクチンを製造する戦略を考案した。彼らは、他のウイルスの遺伝子を挿入することにより、牛痘ウイルスのDNAを改変した。1993年、JeffreyUlmerとMerckResearch Laboratoriesの同僚は、インフルエンザ抗原をコードするプラスミドDNAをマウスに直接注射すると、インフルエンザウイルスによるその後の実験的感染から動物が防御されることを実証した。2016年に、ジカウイルスのDNAワクチンが国立衛生研究所でヒトでのテストを開始した。この研究は、18歳から35歳までの最大120人の被験者を対象に計画された。別々に、InovioPharmaceuticalsとGeneOneLife Scienceは、マイアミでジカ熱に対する異なるDNAワクチンのテストを開始した。 NIHワクチンは高圧下で上腕に注射される。 2016年8月の時点で、大量のワクチンの製造方法は未解決のままであった。 HIVを予防するためのDNAワクチンの臨床試験が進行中である。

2. アプリケーション
-----------

米国では、ヒトでの使用が承認されているDNAワクチンは存在していない。病気から身を守るのに十分な強さの反応を引き起こした実験的試験はほとんどなく、この技術の有用性は人間で証明されていない。ウエストナイルウイルスから馬を防御するための獣医用DNAワクチンが承認されている。抗毒素血清を開発する手段として、DNA免疫も研究されている。DNA免疫は、モノクローナル抗体誘導の技術プラットフォームとして使用できる。

3. 利点
-----

感染のリスクなし
MHCクラスI分子とクラスII分子の両方による抗原提示
タイプ1またはタイプ2に向けてT細胞応答を極性化する
目的の抗原に焦点を当てた免疫反応
開発と生産の容易さ
保管と出荷の安定性
費用対効果
ペプチド合成、組換えタンパク質の発現と精製、および毒性アジュバントの使用の必要性を排除
免疫原の長期持続性
インビボでの発現は、タンパク質が通常の真核生物の構造により近く、翻訳後修飾を伴うことを保証

4. 有害な影響
--------

タンパク質免疫原に限定される
細胞増殖を制御する遺伝子に影響を与えるリスク
DNAに対する抗体産生を誘導する可能性
産生された抗原に対する耐性の可能性
細菌および寄生虫タンパク質の非定型処理の可能性
プラスミドDNAナノ粒子の鼻スプレー投与を使用して、脳細胞などの非標的細胞をトランスフェクトする場合の可能性

5. プラスミドベクター
------------

5.1. ベクターデザイン
-------------

DNAワクチンは、高活性の発現ベクターを使用した場合に最良の免疫応答を引き出す。これらは通常、目的の遺伝子のinvivo転写および翻訳を駆動する強力なウイルスプロモーターからなるプラスミドである。イントロンは、mRNAの安定性を改善し、タンパク質の発現を増加させるために含まれる場合がある。プラスミドには、ウシ成長ホルモンやウサギのベータグロブリンポリアデニル化配列などの強力なポリアデニル化/転写終結シグナルも含まれている。ポリシストロン性ベクターは、複数の免疫原を発現するため、または免疫原と免疫刺激タンパク質を発現するために構築されることがある。

プラスミドは免疫原が発現される「媒体」であるため、最大のタンパク質発現のためにベクターデザインを最適化することが不可欠である。タンパク質発現を増強する1つの方法は、真核細胞の病原性mRNAのコドン使用頻度を最適化することである。病原体はしばしば標的種とは異なるAT含有量を持っているため、免疫原の遺伝子配列を変更して、標的種でより一般的に使用されるコドンを反映させると、その発現が改善される可能性がある。

別の考慮事項は、プロモーターの選択である。 SV40プロモーターは、ラウス肉腫ウイルスプロモーターによって駆動されるベクターの発現率がはるかに高いことが研究で示されるまで、従来から使用されていた。最近では、サイトメガロウイルスの前初期プロモーターを使用することで発現率がさらに上昇している。メイソンファイザーモンキーウイルス-CTEを含めると、revの有無にかかわらずエンベロープ発現が増加する。さらに、CTE + revコンストラクトはCTE単独ベクターよりも免疫原性が有意に高い。発現率を改善するための追加の修飾には、エンハンサー配列、合成イントロン、アデノウイルス三者リーダー配列の挿入、およびポリアデニル化および転写終結配列への修飾が含まれる。DNAワクチンプラスミドの例は、SV40プロモーターを使用するpVACである。

構造的不安定現象は、プラスミド製造、DNAワクチン接種および遺伝子治療にとって特に懸念される。プラスミドバックボーンに関連するアクセサリー領域は、広範囲の構造的不安定性現象に関与している可能性がある。遺伝的不安定性のよく知られた触媒には、直接、逆方向、およびタンデムリピートが含まれ、これらは多くの市販のクローニングおよび発現ベクターで顕著である。したがって、無関係な非コードバックボーン配列の減少または完全な排除は、そのようなイベントが起こる傾向を著しく減少させ、その結果、プラスミド全体の組換えの可能性を減少させる可能性がある。

5.2. プラスミドのメカニズム
----------------

プラスミドがトランスフェクトされた細胞核に挿入されると、外来抗原のペプチドストリングをコードする。その表面に、細胞は組織適合遺伝子複合体クラスIとクラスII分子の両方を持つ外来抗原を表示する。次に、抗原提示細胞はリンパ節に移動し、T細胞によってシグナル伝達された抗原ペプチドと共刺激分子を提示し、免疫応答を開始する。

5.3. ワクチン挿入のデザイン
----------------

免疫原は、抗体または細胞傷害性T細胞の応答を改善するために、さまざまな細胞内コンパートメントを標的にする。分泌型または原形質膜結合型の抗原は、細胞質ゾルの抗原よりも抗体反応の誘導に効果的であるが、細胞傷害性T細胞の反応は、抗原を細胞質分解およびその後の主要な組織適合性の複合体クラスI経路への侵入に標的化することで改善する。これは通常、N末端ユビキチンシグナルの追加によって達成される。

タンパク質のコンフォメーションも抗体反応に影響を与える可能性がある。 「秩序だった」構造は、秩序のない構造よりも効果的である。さまざまな病原体に由来する一連のミニ遺伝子は、特にTHエピトープも含まれている場合、一部の病原体に対する細胞傷害性T細胞の応答を引き起こす。

6. デリバリー
--------

DNAワクチンは複数の方法で動物組織に導入されている。最も人気のある2つのアプローチは、1999年に生理食塩水中のDNAを標準的な皮下注射針を使用することであった。または遺伝子銃を使用することもある。他のいくつかの技術は、その間に文書化されている。

6.1. 生理食塩水の注射
-------------

生理食塩水の注射は通常、骨格筋の筋肉または皮下で行われ、細胞外の空間にDNAを送達します。これは、1）