Hydrogel crosslinking mechanisms influence the release and functional delivery of lipid nanoparticles

ワクチンは、感染症に対する最も強力な盾として長らく機能してきました。それは免疫系に対し、害を及ぼす前に侵入者を認識して撃退する方法を教え込むものです。数十年の間、この訓練は、病原体の断片やその無毒化されたバージョンを注入することに依存していました。近年、より柔軟で新しい技術であるメッセンジャーRNA（mRNA）ワクチンが登場しました。ウイルスの一部を届ける代わりに、これらのワクチンは、細胞自身に特定のタンパク質を作らせるための遺伝的な指示書を届け、それによって免疫系を同様に効果的に訓練します。これら壊れやすい指示書を細胞内に取り込ませるために、科学者たちは「脂質ナノ粒子」と呼ばれる脂肪で作られた微小な泡の中に包み込みます。この泡が遺伝情報の荷物を保護し、細胞の外壁を通り抜けやすくするのです。しかし、課題も残っています。一度注入されると、これらの指示書はすぐに使い果たされてしまい、訓練のシグナルが消えてしまうことが多いのです。対照的に自然界では、脅威が数日から数週間にわたって現れることがあり、それが免疫系に対して、より強く長く続く防御を築くための時間を与えます。科学者たちは、薬の徐放性カプセルのように、これらの指示書をゆっくりと放出させ、訓練のシグナルをより長く活性状態に保てるようなデリバリーシステムを作れないかと考え続けてきました。

研究チームは、「ハイドロゲル」と呼ばれる柔らかいゼリー状の物質が、これらの脂肪の泡の「保留容器」として機能するかどうかをテストすることで、この問題を解決しようと試みました。ハイドロゲルとは分子のネットワークであり、水を閉じ込めており、非常に柔らかいゼラチニウムデザートのように、大部分が液体でありながら形状を維持する構造を持っています。研究者たちは、このゼリーの中にワクチンの泡を混ぜ合わせ、時間をかけてゆっくりと脱出させる方法を見いだせるかどうかを確認したいと考えました。しかし、彼らはすべてのゼリーが同じではないことも知っていました。強い化学結合によって保持されているものもあれば、電気的な引力によるものもあり、またタンパク質が自然に絡まり合う仕組みによるものもあります。チームは、ゼリーの構築方法の違いによって、泡の動き方や生存期間、そして最終的に外に出た際に本来の役割を果たせるかどうかが変わると推測しました。答えを見つけるため、彼らはそれぞれ独自の形成様式を持つ4種類の異なるタイプのハイドロゲルを作成し、そこにワクチンの泡を充填しました。

まず、科学者たちは、これらのゼリーの中で泡が生き残ることができるかをチェックしました。彼らは2種類の泡を使用しました。一つは移動を追跡するための光る染料が入ったもので、もう一つは蛍光タンパク質を作る実際の遺伝的指示書が入ったものです。彼らはこれら4種類のハイドロゲル・システムの中に泡を入れ、数日間にわたって何が起こるかを観察しました。その結果、4種類すべてのタイプにおいて、いずれかのタイミングで泡が放出されることは分かりましたが、その速度と放出量は、使用したゼリーのレシピによって劇的に異なっていました。最初のタイプのゼリーを繋ぎ止めている化学結合を用いた手法では、最も高い制御が可能でした。材料の量を変更することで、泡を速く出すことも遅く出すこともできました。しかし、これが最善のシナリオであっても、一部の光る染料が完全に回収される前に漏れ出してしまったことから、泡がわずかにストレスを受けていることが示唆されました。別のタイプ、つまり電気的な電荷によって保持されているゼリーでは、泡は出てくるものの、サイズが不揃いでバラつきが生じてしまいました。3番目の、温められるとゲル化する温度感受性素材で作られたタイプは、泡を非常に素早く放出しましたが、ゼリー自体があまりにも急速に溶解したため、泡を残留物から分離することが困難でした。天然のタンパク質を用いた4番目のタイプは、最も複雑なものでした。ゼリーが完全には溶けなかったため正確な放出量の測定は困難でしたが、そこから出現した泡の状態は極めて良好でした。

次に、研究者たちは旅路を通じて泡自体に変容がないかを確認するために、顕微鏡を用いて調査を行いました。彼女たちは個々の粒子を薄い氷の層の中に凍結させた状態で観察できる強力な顕微鏡を使用しました。その結果、泡は保管されていた温度に応じて見た目が変化することが判明しました。低温環境に置かれた泡は、やや緩んで形が不規則に見えました。しかし、試験管の中にあろうともしくはハイドロゲルの直後であろうとも、体温に近い温度に保たれた泡は、よりコンパクトで緻ло密な姿をしていました。この変化は、ゼリーが存在しない状況でも単なる熱の影響によって発生しており、これは泡が温まると自然に引き締まることを示しています。決定的なことに、研究者たちは、ハイドロゲルが泡を破壊したりその構造を損なったりしていないことを見出しました。粒子は完全な状態で維持されており、働く準備ができていたのです。

最も重要なテストは、泡がゼリーから脱出した後にメッセージを正しく伝えられるかどうかでした。チームはヒト細胞の層の上にハイドロゲルを配置し、泡が漂い降りて細胞内に入るのを待ちました。その結果、あらゆるタイプのハイドロゲルから抽出された泡が、正常に細胞に取り込まれていることが確認されました。さらに、細胞が指示を受け取り、目的のタンパク質の生成を開始しているかどうかを調べたところ、明確な結果が出ました。タンキ型プロテインベースのゼリーを通ってきた泡は、ゼリーに入っていなかった泡と同様に有効であり、標的となるタンパク質を高レベルで産生していました。化学結合型のゼリーからも来た泡も良好に機能しましたが、ゼリーがより高密度になるにつれて性能がわずかに低下しました。一方で、電位差を利用したゼリーおよび温度感受性のゼリーを経由した泡は、パフォーマンスが低下しており、特に後者は、たとえ泡自体の構造が無事であったとしても、情報を伝えるという任務において苦戦していました。

これらの発見は、ワクチンを保持する材料がいかに重要であるかを明らかにしています。テストされたすべてのハイドロゲルが泡を放出することはできましたが、どの程度の精度で泡の形状を維持し、貨物をどれだけうまく届けられるかは、まさにゼリーの構成方法にかかっていました。身体の自然な環境を模倣したタンキ型（プロテインベース）のゼリーは、最も有望であることが証明され、ワクチンの指示書の持つ力を最大限に保存していました。本研究は、高度なワクチンを実現するための徐放システムを作ることが可能であることを示すとともに、そのためにはデリバリーに使用する材料の慎重な選択が必要であることを示しています。適切な種類のゼリーを選択することで、科学者たちは免疫系がワクチンを目にする時間を延長し、疾患に対するより強く持続的な防御をもたらすことができる可能性があります。この研究は、身体のトレーニング信号を必要な限り活動状態に保つための、より優れたワクチン配送システムの設計に向けた明確な道筋を示しています。