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ナノバイオテクノロジーの医学における応用(その3)

2016年 4月28日

楊慧:河北大学基礎医学院

丁良:河北大学基礎医学院

岳志蓮:Intelligent Polymer Research Institute, University of Wollongong

その2よりつづき)

2.  ナノ診断学

 ナノ診断学は、分子診断学におけるナノバイオテクノロジーの応用であり、オーダーメイド医療の発展に重要な意義を持つ。現在、臨床診断分野におけるナノテクノロジー研究は、主にナノバイオセンサー [39,40] と画像形成技術 [41,42] 、細胞レベルの修復を行うナノロボットの使用及び製造、バイオマーカーの抽出及び測定等 [43,44] の分野に集中しており、疾病の早期診断と治療効果の向上を目標としている。

2.1 バイオ分子のin vitro検査

 極めて感度の高いバイオ分子の検査方法は、臨床診断に貢献する [45,46] 。被検査分子の含有量は非常に少ないため、検査方法については感度が高く要求される。ナノ材料に特有の性質によって分子検査の感度と簡便性は大いに引き上げられ [47,48] 、さまざまな超微量バイオ分子検査における信号増幅方法が研究されている [49,50] 。丁良ら [51] はナノ結晶中の陰イオン交換反応により放出される陰イオンを利用して蛍光染料を誘導して微量バイオ分子の検査に用い、良好な効果を得た。実験の結果、Z nSナノ粒子の陰イオン交換増幅器による検査性能はELISA法より優れ、検出限界は1000倍であることが明らかになった。簡易式の臨床検査設備によるバイオマーカーの検査の可能性が示されている。

2.2In vivo診断

2.2.1金ナノ粒子

 金ナノ粒子は無毒かつ生体適合性の良好なナノ材料であり、合成方法は簡単で、粒径は制御可能であり、表面の化学的性質は活発で、他の物質の修飾又は吸着が容易な上に、独特の光電性能があるため、近年、生 物学分野におけるナノ金粒子の応用について国内外で広く研究が行われている。Fengら [52] はポリエチレングリコール-ブドウ糖- 金ナノ粒子(PEG-Glu-GNPs)を画像プローブに利用してCT及びPETスキャンの造影剤を作製し、ナ ノ金粒子を注射したマウスに高解像度マイクロCTスキャン検査を行い、グレースケールと微粒子の排泄に関して時間当たりの減衰値を測定した。P EG-Glu-GNPsを注射すると腫瘍の輪郭は周辺組織からはっきりと区別できるようになるため、この種の複雑なプローブによって体内疾患の早期診断が可能となり、生 物分子の病理学的及び生理学的作用のさらなる理解に役立つ。Liuら [53] は、金ナノ粒子を封入した新型のガラス毛細管を用いて大脳のドーパミンを反応させた結果、Nafion-modified Au/GCNEは麻酔下ラットの線条体のドーパミンの測定に効果的に使用できることを発表した。Kempenら [54] が光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡によるポジショニングにより、金ナノ粒子が凝集する脳腫瘍モデルを観察した結果、ナノ粒子は脳腫瘍細胞が含まれるエリアでのみ凝集され、正 常な脳組織の周囲では見出されないことが分かった。

2.2.2量子ドット(半導体ナノ結晶)

 量子ドットとはCdSeをコアとし、CdS又はZnSをシェルとするコア・シェル型ナノ結晶体を言い、優れたスペクトル性能を持つ。水溶性の量子ドットは生物・化 学等の研究分野で幅広い応用の可能性を示している。量子ドットは細胞毒性が低いため、生きた細胞及び体内の非同位体をマーカーとするバイオ分子の超高感度検査に使用できる。李朝煇ら [55] は逆相乳化技術を利用し、CdTe量子ドットをコアに、SiO2をシェルとして、表面にアミノ基とリン酸基を帯びたコア・シェル型量子ドット蛍光ナノ粒子を作製した。この粒子は良好な水溶性を有し、大 きさが均一なことから、CdTe量子ドットの不安定性を効果的に改善し、肝実質細胞の識別に成功した。量子ドット技術には独特のマーカーという特徴があるため、将 来的にはバイオ分子検査の先端技術となることが期待され、DNA検査(DNAチップ)、タンパク質検査(タンパク質チップ)及びタンパク質-タンパク質間(抗原-抗体、リガンド-レセプター、酵素-基質)の 反応原理により先端的な方法を提供するだろう。また、バイオ画像及びバイオ製薬技術の急速な発展も促し、疾病診断及び治療の進歩にも貢献するだろう。

2.2.3磁性ナノ粒子

 スケールの比較的大きい磁性ナノ粒子は強磁性を呈し、交番磁界の作用下ではヒステリシス現象により発熱するため、がんの標的温熱療法に用いられる [56] 。一方、粒径が20 nmを下回る磁性ナノ粒子は超常磁性を呈するため、臨床診断領域に広く応用される。現在、臨床診断領域で比較的成熟し、発展が速い応用例には、主に核磁気共鳴画像法、バイオ分離、細 胞スクリーニング等がある。(1)核磁気共鳴画像法(MRI)は新しい医学画像診断技術として近年急速な発展を見せており、提供されるMRI特有の情報は疾病診断で大きな潜在的アドバンテージがある。超 常磁性酸化鉄及び磁性ナノ粒子の生体組織内における特異的分布を利用することで、該当部位における腫瘍と正常組織とのMRI対比度を効果的に引き上げることから、造影増強剤としてMRIで応用され、腫 瘍とその他疾病の診断に用いられている [57] 。(2)バイオ分離。磁性ナノ粒子は優れた操作性や比表面積が大きい等の長所があるため、機能化磁性ナノ粒子の応用には大きな魅力がある [58] 。現在、磁気分離の研究は、血液中の金属イオンの除去や、タンパク質・核酸等の凝集、固定化酵素の回収及び重複等、生物分野のさまざまな領域に及んでいる [59] 。Yan研究チーム [60] は、磁性酸化鉄粒子をキャリアとしてタンパク酵素Aを固定し、かつ、B型肝炎ウイルス表面の抗原抗体と特異的な結合を生じるその特性を利用して、B型肝炎ウイルスを測定するという目的を達成した。(3)細 胞スクリーニング。組織又は血液中にがん細胞が微量しか存在しない場合に、特定の技術で正確に検査できることで、疾病の早期診断及び治療を実現することは、患者に貴重な治療期間をもたらし、治 癒率を向上させることになる。このため、細胞スクリーニングには重要な意味がある。免疫磁気ビーズ細胞スクリーニング法では、複雑な細胞混合物から数分内で高純度の細胞を分離することができる。Mousaviら [61] は、金ナノベルトと結合する新型のマイクロ流体チップを開発し、高効率の免疫電磁ビーズ法を利用してヒトの血液中に微小量しか存在しない細胞を補足したことから、高 純度標的細胞を簡便かつ効果的に検査するという目的を果たした。これらのことから、将来的には、さらに精密な細胞スクリーニング技術が研究分野として注目されることは予想がつく [62]

 機能化された磁性ナノ材料はすでに幅広い応用を見せているとは言え、より簡便な製造工程や斬新な機能化方法をいかにデザインし、磁性ナノ材料自体により良好な分散性及び耐用性を持たせるかについては、依 然として研究者が模索すべきテーマである。

2.2.4ナノバイオセンサー

 がん研究分野においては、ナノテクノロジーを利用して作られたセンサーによるさまざまながんの早期診断は現実味を帯びてきている [63] 。ナノセンサーの感度は非常に高く、血液検査の際にセンサー内にあらかじめセットしたがん細胞の抗体が抗原に遭遇すると、センサー内の電流に変化が生じ、こ の電流の変化により血液中のがん細胞の種類及び濃度を判断することができる。現在、この領域に投じられるベンチャー投資はますます多くなっているが、実用化においては解決すべき技術的難題がまだ幾分存在する。今 後、さまざまなナノセンサーが集められてヒトの体内に設置され、各種疾病の早期検査に使用されるだろう。

2.2.5バイオチップ

 バイオチップは遺伝生物学とナノテクノロジーの融合による産物であり、半導体チップと異なり、非常に小さい幾何学的スケールの表面積上に一種又は多種の生物活性を集積した分子を修飾することで、微 量の生理サンプル又は生体サンプルからもさまざまな生物細胞、生物分子及びDNAの特性を同時に検出できる上に、物質間の相互作用から生命のミクロ活動における規則性を見出すことができる。統合試験、並 行試験及び迅速試験が可能であるという長所によって、バイオチップ技術は21世紀の医用生体工学における先端科学技術となっている。ナノ構造の陳列に基づくタンパク質チップ及びマイクロ流体チップ技術は、診 断学及びバイオセンシング技術における応用で大きな潜在性を有する [64] 。Aliら [65] が作製した酸化ニッケル・ナノロッドに基づくマイクロ流体バイオチップは、電気化学検査法を採用してヒトの血液中の総コレステロール濃度を測定し、線形範囲は1.5-10.3 mmol/Lで、感 度は0.12 mA·mmol-1·cm-2にまで達する。DNAチップ技術により大量の遺伝子情報が迅速に分析できるため、医用生体工学の領域では遺伝子発現及び変異に関する情報を収集し、かつ、研 究することができる上に、ヒトのさまざまな細胞及び組織における遺伝子発現のモニタリングに用いることで、がん又はその他の疾病に対応する遺伝子の変化を検出することができる。

2.2.6ナノロボット

 ナノテクノロジーと分子生物学の結合により、生体分子工学という新たな領域が開拓されるであろう。「ナノロボット」とは、分子レベルの生物学的原理を原型に、ナノ空間を操作できる「機能分子デバイス」を 設計・製造したものである。イスラエルの科学者が開発した「カプセル内視鏡」では、小型カメラを一般の風邪薬よりもやや大きいカプセル内に設置し、毎秒14枚の頻度で消化管内の様子を撮影すると同時に、外 部に設置された画像受信機に画像を送信することで、ヒトの消化管内の腫瘍の観察を可能にした。さらには、ナノロボットをヒトの血管内に注入して全身の健康診断を行ったり、脳血管内の血栓を溶かしたり、心 臓動脈壁の脂肪性沈着物を除去する等、アテローム性動脈硬化の治療に用いることができる。また、ウイルスを貪食してがん細胞を殺すことができ、カ テーテル挿入法によってナノロボットを尿道又は胆道内に導入して結石の存在部位に送り込み、結石を直接打ち砕くことで腎結石や胆管結石の治療を行うことができる。ヒ トの臓器の修復作業や美容整形手術を行うこともでき、遺伝子から有害なDNAを除去し、正常なDNAを遺伝子に取り付けることで遺伝子欠損又はウイルスを根本的に治療し、人体を正常に機能させることができる。将 来的には、ナノロボット・ドクターが疑わしい病変組織を発見すると、直ちに「アーム」を伸ばしてサンプルを取って生体検査を行うといった研究方向への発展が期待される。ナノロボットは、体 内のバイオセンシング及び生体賦活物質のスマート輸送に大きな潜在性を有する [66]

3.  ナノ材料及びナノバイオテクノロジーの安全性問題

 ナノテクノロジーの急速な発展に伴い、ナノ粒子を含む工業廃水の排出が避けられない問題となった [67] 。また、ナノ材料の潜在的な免疫毒性による副作用については、まだ十分な関心を集めていない [68] 。ナノ粒子はヒトの皮膚を直接透過してさまざまな炎症を引き起こし、細胞膜を透過して細胞内部に異物を送り込み、ヒトの脳組織、免疫及び生殖システム等に損傷をもたらす。例えば、二 酸化チタンは飲用水中に集積されやすいため、環境を汚染し、健康に影響をもたらす。二酸化チタンのナノ粒子に接触すると、ヒトの肺に炎症が生じる可能性がある。銀ナノ粒子は現在すでに大量に使用されている。研 究によれば、環境中における銀ナノ粒子の集積量は低いものの、水中の無脊椎動物に損傷をもたらす。カーボンナノチューブは工業及び実験に必須の材料だが、カ ーボンナノチューブを注射したマウスにはアテローム性動脈硬化やミトコンドリアのデオキシリボ核酸(DNA)の損傷等の反応が生じる。摂取量が多い場合は、筋肉細胞にも毒性があり、ヒ トの健康に悪影響を与える可能性がある。このように、ナノバイオテクノロジーの応用には一定の安全性問題があるとは言え、その応用はますます広範囲に及んでいることから、今 後のナノテクノロジーのテーマへの方向性が示されていると言えよう。つまり、安全性をいかに高めるかという問題が研究目標の一つとなる。

4. 将来性

 ナノバイオテクノロジーには大きな潜在性があるため、伝統医学に多大なる影響をもたらし、臨床治療及び診断技術の研究において広大な市場とイノベーションのチャンスを提供するだろう。臨床では、良 好な生体適合性を持ち、標的指向性がさらに改善されたナノ医薬品、生体工学材料及び人工臓器の設計やin vivo診断及び治療を一体化したナノ粒子のデザインが今後の研究テーマとなるだろう。また、診 断学においては、より高い感度を持ち、応答性がさらに向上した臨床診断試薬が開発されれば、疾病予防及び治療に貴重なエビデンスを提供できるだろう。患者の個体差については、ナ ノ臨床医学及び分子バイオマーカーを結合させたオーダーメイド医療により高い治療効果と安全性が確保されるだろう [69]

(おわり)

参考文献

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※本稿は楊慧、丁良、岳志蓮「納米生物技術在医学中的応用」(『生物技術通報』2016年1期、)を『生物技術通報』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技 術有限公司


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