mRNAワクチンの革命は、数十年にわたる基礎科学研究の成果;カリコ氏ら、ラスカー賞受賞

投稿日: 2021年9月26日 作成者: marugametorao


The mRNA vaccine revolution is the dividend from decades of basic science research

Arturo Casadevall

Published September 24, 2021

J Clinical Invest

https://www.jci.org/articles/view/153721

2021年度ラスカー・デベイキー臨床医学研究賞は、Katalin Karikó博士とDrew Weissman博士のmRNAワクチンの実現に向けた重要な貢献を称えて授与されます。このアプローチの有用性と有効性は、COVID-19の予防のためのワクチンを迅速に展開したことで十分に証明されました。mRNAワクチンは、SARS-CoV-2を抑制するための非常に強力な武器であるだけでなく、将来のワクチンアプローチを変革することが期待されており、その開発は医療における真の革命と言えます。

ワクチン開発の歴史的枠組み
　疾病予防のためのワクチン接種の歴史は古く、天然痘予防のための種痘にまで遡ることができます。mRNAワクチンは、核酸を用いて微生物の抗原を組織内で産生させることで、従来のワクチン戦略とは根本的に異なるアプローチをとるものです。

mRNAワクチンは、20世紀半ばに核酸が遺伝をもたらすことが発見され(2)、その10年後にはDNAの構造が解明された(3)ことで始まった分子生物学革命の直接的な産物です。その後、実験室内で核酸の複製やタンパク質の発現を可能にする技術が爆発的に普及しました。1986年には、B型肝炎の表面抗原を発現させて作った最初の組換えワクチンが認可されました(1)。1989年には、ルシフェラーゼをコードする外因性のmRNAをリポソームを用いて細胞株に導入し、酵素を発現させることが可能であることを示し、mRNAワクチンへの道を開く重要な発見となりました(4)。mRNAワクチンの開発に関する優れたレビューについては、過去の出版物を参照してください（5、6）。

Karikó博士とWeissman博士の貢献を理解するためには、mRNAワクチンの開発が大きな障害となっていた、免疫学、ウイルスの病原性、分子生物学の交差点を再考する必要があります。mRNAワクチンが機能するためには、核酸が宿主細胞に入り、そこで翻訳されてタンパク質抗原を発現する必要があります(5)。

細胞への侵入の問題は、リポソームと呼ばれる中空の脂質球体にmRNA分子をパッケージすることで解決されましたが、これはユビキタスなRNAaseによる分解からも保護されます(5)。しかし、コロナウイルスなど多くのウイルスがRNAのゲノムを持っており、細胞内でのRNAの存在がウイルス感染のサインとなることから、免疫系はRNAに非常に敏感です。RNAを検出した宿主の免疫系は、Toll様受容体を介して、タンパク質の合成を停止したり、核酸を分解したりする細胞反応を引き起こしますが、これではRNAワクチンの仕組みが成り立ちません。そのため、mRNAワクチンを実現するには、RNAに対する免疫系の監視機構を回避して、免疫反応を起こさない方法を見つける必要がありました。

KarikóとWeissmanの主な貢献
　2005年、Karikó博士とWeissman博士は、プソイドリジンなどの修飾ヌクレオシドで作られたRNAは、Toll様受容体を活性化して炎症反応を引き起こすことはないと報告しました(7)。この画期的な発見は、RNAの免疫認識と活性化の問題を解決し、mRNAワクチンの概念を実現するものでした。その後、彼らは、プソイドウリジンをmRNAに組み込むことで、mRNAの免疫刺激性が低下するだけでなく、核酸の安定性が高まることを実験で実証しました。これらの特性を組み合わせることで、コード化されたタンパク質を発現させることができ、効果的なワクチンを作ることができました(8)。このようにして、mRNAワクチンの臨床開発が始まったのです。

mRNAワクチン開発に貢献するその他の分野
　ここで、mRNAワクチンの開発に必要な幅広い知識を振り返ってみたいと思います。mRNAワクチンの開発を成功させるためには、さまざまな分野の科学者の協力が必要でした。

　科学の進歩には、さまざまな分野が複雑に絡み合っていますが、mRNAワクチンの開発には、分子生物学、脂質化学、微生物学、免疫学の4つの分野がそれぞれ重要な貢献をしていることがわかります（図1）。この系譜の中で、カリコ博士とワイスマン博士の貢献は、明らかに複数の分野（mRNA化学、免疫学、ワクチン）にまたがっていますが、おそらく免疫学の系譜の中で最もよく当てはまるでしょう（図1）。mRNAワクチンの科学的祖先における画期的な発見の多くは、ノーベル賞で認められていますが、そうでないものもあります。mRNAワクチンを祖先に持つノーベル賞の多くは、分子生物学や免疫学の分野で授与されていますが、これはノーベル賞が基礎科学への貢献を評価する傾向があることと一致しています（9）。

図1
COVID-19に対するmRNAワクチンを製造するために、4つの主要な研究ラインが集結しています。主要な発見はハイライトされています（完全なリストではありません）。ノーベル賞を受賞した発見は赤いフォントで示しています。Karikó博士、Weissman博士とその共同研究者の貢献を青字で示しています。

　核酸が注目されている一方で、mRNAワクチンの開発成功に最も過小評価されているのは、リポソームおよびナノ粒子技術の開発です。1965年、リン脂質が自己組織化して二重膜で区切られた構造になり、カチオンを封じ込めることができるという画期的な論文が発表されました(10)。mRNAに適したリポソームデリバリーシステムの開発は、何十年にもわたる厳しい実験を経て、1990年代にドラッグデリバリーの手段として有効性が確認されました(11)。脂質小胞にmRNAを封入することで、mRNAの分解を防ぎ、細胞内へのデリバリーが可能となり、これがなければmRNAワクチンは実現しなかったでしょう。その他の知られざる貢献としては、何十年にもわたって収集されたRNA化学や核酸酵素学に関する知識があり、これがRNA修飾のための重要な知識となっています。

SARS-CoV-2用のmRNAワクチンの開発には、コロナウイルスの生物学と免疫学に関するウイルス学のコミュニティが蓄積した膨大な知識も必要でした。コロナウイルスのスパイクタンパク質に対する抗体が中和することを示した初期の研究は、鳥類のコロナウイルスを用いて行われました。1980年代には、ノーベル賞を受賞したハイブリドーマ技術の成果であるモノクローナル抗体（mAb）を用いて、鳥類コロナウイルスIBDスパイク糖タンパク質の超可変領域にあるエピトープに結合すると、ウイルスを中和できることが示されました（12、13）。さらに、これらの研究では、スパイクタンパク質に1つのアミノ酸が変化するだけで、mAb中和能力が失われることが示され(12)、mAb COVID-19療法の効果を低下させるSARS-CoV-2の変異株の出現を予測していました(14)。2003年に発生したSARSに続いてMERSが発生したことで、コロナウイルスがヒト集団に及ぼす脅威が確立され、2019年にCOVID-19が発生したときには膨大な量の研究が行われていました。

　COVID-19以前は、mRNAワクチンの開発研究のほとんどががんを対象に行われていました(5)。これは、mRNAワクチンが大きな特異性をもたらすと期待されていたからです。この特異性は、悪性組織の希少な変異遺伝子に対する反応を誘発し、正常組織には影響を与えないようにするために必要でした。感染症の分野では、HIVとインフルエンザウイルスに対するmRNAワクチンの開発が行われました。これらのウイルスは抗原性のばらつきが大きいことで知られており、前者の場合はワクチンを成功させることができず、後者の場合は毎年ワクチンを接種する必要があります。ヒトで評価された最初の感染症に対するmRNAワクチンは、狂犬病ウイルスを対象としたもので、臨床試験では機能的な抗体を誘発することが示されました(15)。

人類にとっての変革の時
　SARS-CoV-2に対するmRNAワクチンの成功は、この技術が、防御免疫を引き起こす抗原としてタンパク質が特定できるあらゆる病原体を対象に適用できることを意味しています。このアプローチは、インフルエンザワクチンのように、ウイルスの種類を推測する必要があり、製造スケジュールに柔軟性がないなど、現在使用されているワクチンを時代遅れにする可能性があります。

　また、HIVのように、これまでワクチンを作るのが難しかった微生物に対する新しいワクチンを迅速に開発できる可能性もあります。現在利用可能なワクチンを調査すると、すべての抗ウイルスワクチンは、不活化または弱毒化されたウイルスまたはその成分のタンパク質に対する免疫反応を引き起こすものであり、mRNAワクチンは容易に製造できるように設計されています。細菌性疾患の場合、最も成功しているワクチンはトキソイドと多糖類-タンパク質複合体ですが、トキソイドは毒素を変性させて新たな抗原を作るのに対し、複合体ワクチンは抗原の認識に複雑な振り付けを必要とするため、どちらもmRNAワクチンでは容易に再現できません。しかし、mRNAワクチンの成功は、防御免疫反応を引き起こす細菌、真菌、寄生虫のタンパク質抗原の新たな探索を刺激することになるかもしれません。

　mRNAワクチンの話は、基礎科学に投資することで社会が得られる大きな利益を示しています。RNA、脂質化学、細胞生物学、免疫学、ウイルスの構造など、必要な知識を記述した何千もの論文のどれか1つでもあれば、いつの日か人類が新たなウイルスの脅威にこれほど迅速に対応できるようになるとは、過去の研究者や科学を観察していた人はほぼ確実に予想できなかったでしょう。

　21世紀に入ってからの21年間で、人類は、SARS、MERS、エボラ出血熱、ジカ熱、インフルエンザ、SARS-CoV-2など、少なくとも6つの大規模なウイルス感染症の発生に直面してきました。感染症の脅威に加えて、気候変動、生態系の劣化、食糧供給の不確実性、社会の不安定性などの災難もあり、人類は前途多難な状況に直面しています。これらの課題にはそれぞれ異なる解決策が必要ですが、共通しているのは、基礎研究から得られた知識は、人類が実存する脅威に対処するための新たな選択肢を与えるものであり、その知識は広範なものでなければならず、骨の折れる科学的作業を通じて得られるものでなければならないということです。基礎科学への継続的な投資は、人類にとって最良の保険です。

References

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Summary

DNA and RNA stimulate the mammalian innate immune system through activation of Toll-like receptors (TLRs). DNA containing methylated CpG motifs, however, is not stimulatory. Selected nucleosides in naturally occurring RNA are also methylated or otherwise modified, but the immunomodulatory effects of these alterations remain untested. We show that RNA signals through human TLR3, TLR7, and TLR8, but incorporation of modified nucleosides m5C, m6A, m5U, s2U, or pseudouridine ablates activity. Dendritic cells (DCs) exposed to such modified RNA express significantly less cytokines and activation markers than those treated with unmodified RNA. DCs and TLR-expressing cells are potently activated by bacterial and mitochondrial RNA, but not by mammalian total RNA, which is abundant in modified nucleosides. We conclude that nucleoside modifications suppress the potential of RNA to activate DCs. The innate immune system may therefore detect RNA lacking nucleoside modification as a means of selectively responding to bacteria or necrotic tissue.

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KatalinKarikó1HiromiMuramatsu1Frank AWelsh1JánosLudwig2HirokiKato3ShizuoAkira3DrewWeissman41Department of Neurosurgery, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania, USA2Laboratory of RNA Molecular Biology, The Rockefeller University, New York, New York, USA3Department of Host Defense, Research Institute for Microbial Diseases, Osaka University, Osaka, Japan4Department of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania, USA

In vitro–transcribed mRNAs encoding physiologically important proteins have considerable potential for therapeutic applications. However, in its present form, mRNA is unfeasible for clinical use because of its labile and immunogenic nature. Here, we investigated whether incorporation of naturally modified nucleotides into transcripts would confer enhanced biological properties to mRNA. We found that mRNAs containing pseudouridines have a higher translational capacity than unmodified mRNAs when tested in mammalian cells and lysates or administered intravenously into mice at 0.015–0.15 mg/kg doses. The delivered mRNA and the encoded protein could be detected in the spleen at 1, 4, and 24 hours after the injection, where both products were at significantly higher levels when pseudouridine-containing mRNA was administered. Even at higher doses, only the unmodified mRNA was immunogenic, inducing high serum levels of interferon-α (IFN-α). These findings indicate that nucleoside modification is an effective approach to enhance stability and translational capacity of mRNA while diminishing its immunogenicity in vivo. Improved properties conferred by pseudouridine make such mRNA a promising tool for both gene replacement and vaccination.

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米の医学賞「ラスカー賞」にコロナワクチン開発貢献カリコ氏ら

https://www3.nhk.or.jp/news/html/20210925/k10013276041000.html

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