ナノテクノロジーでがんを制圧する新しい治療法

医療・医学

Cancer is a very clever, adaptable disease. To defeat it, says medical researcher and educator Paula Hammond, we need a new and powerful mode of attack. With her colleagues at MIT, Hammond engineered a nanoparticle one-hundredth the size of a human hair that can treat the most aggressive, drug-resistant cancers. Learn more about this molecular superweapon and join Hammond’s quest to fight a disease that affects us all.

がんは非常に賢く、適応性のある病気です。医学研究者で教育者のポーラ・ハモンドは、それを打ち負かすためには新しい強力な攻撃方法が必要だと述べています。

MITの同僚と共に、ハモンドは人間の毛髪の1/100のサイズのナノ粒子を設計しました。このナノ粒子は、最も攻撃的で薬剤耐性のあるがんを治療できます。この分子レベルの超兵器について詳しく学び、ハモンドのがんとの闘いに参加しましょう。

タイトル A new superweapon in the fight against cancer
がんとの戦いにおける新しい超兵器
スピーカー ポーラ・ハモンド
アップロード 2016/05/07

「がんとの戦いにおける新しい超兵器(A new superweapon in the fight against cancer)」の文字起こし

Cancer affects all of us — especially the ones that come back over and over again, the highly invasive and drug-resistant ones, the ones that defy medical treatment, even when we throw our best drugs at them.

Engineering at the molecular level, working at the smallest of scales, can provide exciting new ways to fight the most aggressive forms of cancer.

Cancer is a very clever disease. There are some forms of cancer, which, fortunately, we’ve learned how to address relatively well with known and established drugs and surgery. But there are some forms of cancer that don’t respond to these approaches, and the tumor survives or comes back, even after an onslaught of drugs.

We can think of these very aggressive forms of cancer as kind of supervillains in a comic book. They’re clever, they’re adaptable, and they’re very good at staying alive. And, like most supervillains these days, their superpowers come from a genetic mutation.

The genes that are modified inside these tumor cells can enable and encode for new and unimagined modes of survival, allowing the cancer cell to live through even our best chemotherapy treatments. One example is a trick in which a gene allows a cell, even as the drug approaches the cell, to push the drug out, before the drug can have any effect. Imagine — the cell effectively spits out the drug. This is just one example of the many genetic tricks in the bag of our supervillain, cancer. All due to mutant genes.

So, we have a supervillain with incredible superpowers. And we need a new and powerful mode of attack. Actually, we can turn off a gene. The key is a set of molecules known as siRNA. siRNA are short sequences of genetic code that guide a cell to block a certain gene. Each siRNA molecule can turn off a specific gene inside the cell.

For many years since its discovery, scientists have been very excited about how we can apply these gene blockers in medicine. But, there is a problem. siRNA works well inside the cell. But if it gets exposed to the enzymes that reside in our bloodstream or our tissues, it degrades within seconds. It has to be packaged, protected through its journey through the body on its way to the final target inside the cancer cell.

So, here’s our strategy.

First, we’ll dose the cancer cell with siRNA, the gene blocker, and silence those survival genes, and then we’ll whop it with a chemo drug.

But how do we carry that out?

Using molecular engineering, we can actually design a superweapon that can travel through the bloodstream. It has to be tiny enough to get through the bloodstream, it’s got to be small enough to penetrate the tumor tissue, and it’s got to be tiny enough to be taken up inside the cancer cell. To do this job well, it has to be about one one-hundredth the size of a human hair.

Let’s take a closer look at how we can build this nanoparticle.

First, let’s start with the nanoparticle core. It’s a tiny capsule that contains the chemotherapy drug. This is the poison that will actually end the tumor cell’s life. Around this core, we’ll wrap a very thin, nanometers-thin blanket of siRNA. This is our gene blocker. Because siRNA is strongly negatively charged, we can protect it with a nice, protective layer of positively charged polymer. The two oppositely charged molecules stick together through charge attraction, and that provides us with a protective layer that prevents the siRNA from degrading in the bloodstream.

We’re almost done.

But there is one more big obstacle we have to think about. In fact, it may be the biggest obstacle of all. How do we deploy this superweapon? I mean, every good weapon needs to be targeted, we have to target this superweapon to the supervillain cells that reside in the tumor. But our bodies have a natural immune-defense system: cells that reside in the bloodstream and pick out things that don’t belong, so that it can destroy or eliminate them. And guess what? Our nanoparticle is considered a foreign object.

We have to sneak our nanoparticle past the tumor defense system. We have to get it past this mechanism of getting rid of the foreign object by disguising it.

So we add one more negatively charged layer around this nanoparticle, which serves two purposes.

First, this outer layer is one of the naturally charged, highly hydrated polysaccharides that reside in our body. It creates a cloud of water molecules around the nanoparticle that gives us an invisibility cloaking effect. This invisibility cloak allows the nanoparticle to travel through the bloodstream long and far enough to reach the tumor, without getting eliminated by the body.

Second, this layer contains molecules which bind specifically to our tumor cell. Once bound, the cancer cell takes up the nanoparticle, and now we have our nanoparticle inside the cancer cell and ready to deploy.

Alright! I feel the same way. Let’s go!

The siRNA is deployed first. It acts for hours, giving enough time to silence and block those survival genes. We have now disabled those genetic superpowers. What remains is a cancer cell with no special defenses. Then, the chemotherapy drug comes out of the core and destroys the tumor cell cleanly and efficiently. With sufficient gene blockers, we can address many different kinds of mutations, allowing the chance to sweep out tumors, without leaving behind any bad guys.

So, how does our strategy work? We’ve tested these nanostructure particles in animals using a highly aggressive form of triple-negative breast cancer. This triple-negative breast cancer exhibits the gene that spits out cancer drug as soon as it is delivered. Usually, doxorubicin — let’s call it “dox” — is the cancer drug that is the first line of treatment for breast cancer. So, we first treated our animals with a dox core, dox only. The tumor slowed their rate of growth, but they still grew rapidly, doubling in size over a period of two weeks. Then, we tried our combination superweapon. A nanolayer particle with siRNA against the chemo pump, plus, we have the dox in the core. And look — we found that not only did the tumors stop growing, they actually decreased in size and were eliminated in some cases. The tumors were actually regressing.

What’s great about this approach is that it can be personalized. We can add many different layers of siRNA to address different mutations and tumor defense mechanisms. And we can put different drugs into the nanoparticle core. As doctors learn how to test patients and understand certain tumor genetic types, they can help us determine which patients can benefit from this strategy and which gene blockers we can use.

Ovarian cancer strikes a special chord with me. It is a very aggressive cancer, in part because it’s discovered at very late stages, when it’s highly advanced and there are a number of genetic mutations. After the first round of chemotherapy, this cancer comes back for 75 percent of patients. And it usually comes back in a drug-resistant form. High-grade ovarian cancer is one of the biggest supervillains out there. And we’re now directing our superweapon toward its defeat.

As a researcher, I usually don’t get to work with patients. But I recently met a mother who is an ovarian cancer survivor, Mimi, and her daughter, Paige. I was deeply inspired by the optimism and strength that both mother and daughter displayed and by their story of courage and support. At this event, we spoke about the different technologies directed at cancer. And Mimi was in tears as she explained how learning about these efforts gives her hope for future generations, including her own daughter.

This really touched me. It’s not just about building really elegant science. It’s about changing people’s lives. It’s about understanding the power of engineering on the scale of molecules. I know that as students like Paige move forward in their careers, they’ll open new possibilities in addressing some of the big health problems in the world — including ovarian cancer, neurological disorders, infectious disease — just as chemical engineering has found a way to open doors for me, and has provided a way of engineering on the tiniest scale, that of molecules, to heal on the human scale.

Thank you.

「がんとの戦いにおける新しい超兵器(A new superweapon in the fight against cancer)」の和訳

がんは私たちすべてに影響を与えます。特に、繰り返し再発し、非常に侵襲的で薬剤耐性を持つがん、最良の薬を投与しても医療治療に反応しないがんです。

分子レベルでのエンジニアリング、つまり最小のスケールでの作業は、最も攻撃的な形態のがんと戦うための新しい興味深い方法を提供することができます。

がんは非常に賢い病気です。幸いなことに、私たちが既知の薬や手術で比較的うまく対処できるがんの形態もあります。しかし、これらのアプローチに反応しないがんもあり、腫瘍は生き残るか、薬の猛攻撃の後でも再発します。

これらの非常に攻撃的ながんの形態を、まるでコミックブックのスーパーヴィランのように考えることができます。彼らは賢く、適応力があり、生き残るのが非常に上手です。そして、最近のスーパーヴィランのほとんどのように、彼らの超能力は遺伝子変異から来ています。

これらの腫瘍細胞の内部で修飾された遺伝子は、新しい想像もしなかった生存方法を可能にし、エンコードすることができ、がん細胞が最良の化学療法治療を受けても生き残ることができます。例として、遺伝子が細胞に薬が接近する際に、その薬を細胞外に押し出すことを可能にするトリックがあります。想像してみてください。細胞が実質的に薬を吐き出すのです。これは、がんというスーパーヴィランの多くの遺伝子トリックの一例に過ぎません。すべて変異した遺伝子のためです。

私たちは、信じられないほどの超能力を持つスーパーヴィランに直面しています。そして、新しい強力な攻撃方法が必要です。実際、私たちは遺伝子をオフにすることができます。鍵となるのはsiRNAと呼ばれる分子群です。siRNAは遺伝コードの短い配列で、細胞に特定の遺伝子をブロックするよう指示します。各siRNA分子は、細胞内の特定の遺伝子をオフにすることができます。

その発見以来、長年にわたり、科学者たちはこの遺伝子ブロッカーを医療に応用することに非常に興奮してきました。しかし、問題があります。siRNAは細胞内でうまく機能しますが、血流や組織内に存在する酵素に曝露されると数秒で分解してしまいます。そのため、siRNAは体内を移動し、最終的な標的であるがん細胞内に到達するまでに保護されなければなりません。

そこで、私たちの戦略をご紹介します。

まず、がん細胞にsiRNA、つまり遺伝子ブロッカーを投与し、これらの生存遺伝子を沈黙させ、次に化学療法薬で攻撃します。

しかし、これをどうやって実行するのでしょうか?

分子工学を用いて、血流を通って移動できるスーパウェポンを実際に設計することができます。血流を通るのに十分小さく、腫瘍組織に浸透できるほど小さく、がん細胞内に取り込まれるのに十分小さくなければなりません。この仕事をうまくやるためには、人間の髪の毛の100分の1のサイズである必要があります。

ナノ粒子の構築方法を詳しく見てみましょう。

まず、ナノ粒子のコアから始めます。これは化学療法薬を含む小さなカプセルです。この毒が実際に腫瘍細胞の命を終わらせます。このコアの周りに、非常に薄いナノメートル単位のsiRNAのブランケットを巻きます。これが私たちの遺伝子ブロッカーです。siRNAは強く負に帯電しているため、正に帯電した保護層のポリマーで保護します。正反対に帯電した分子同士が電荷の引力で結びつき、これが血流中でsiRNAが分解するのを防ぐ保護層を提供します。

ほぼ完成です。

しかし、まだ考えなければならない大きな障害がもう一つあります。実際、これが最大の障害かもしれません。このスーパーヴェポンをどうやって配備するかです。つまり、すべての良い武器にはターゲットが必要です。私たちはこのスーパーヴェポンを腫瘍に存在するスーパーヴィラン細胞に向けなければなりません。しかし、私たちの体には自然な免疫防御システムがあります。血流中に存在し、異物を見つけてそれを破壊または排除する細胞です。そしてどうでしょう?私たちのナノ粒子は異物と見なされます。

私たちはナノ粒子を腫瘍の防御システムをすり抜けさせなければなりません。異物を排除するメカニズムを回避するために、それを偽装しなければなりません。

そこで、このナノ粒子の周りにもう一層の負に帯電した層を追加します。この層には二つの目的があります。

まず、この外層は、私たちの体内に存在する自然に帯電した高水和ポリサッカライドの一種です。これはナノ粒子の周りに水分子の雲を作り出し、目に見えないマント効果をもたらします。この目に見えないマントにより、ナノ粒子は体に排除されることなく、長く遠くまで血流を通って腫瘍に到達することができます。

第二に、この層には腫瘍細胞に特異的に結合する分子が含まれています。一度結合すると、がん細胞はナノ粒子を取り込み、ナノ粒子はがん細胞内に入り、準備が整います。

さあ、行きましょう!

まず、siRNAが展開されます。これは数時間作用し、生存遺伝子を沈黙させてブロックする時間を与えます。これで、がん細胞の遺伝的なスーパーパワーを無効化しました。残るのは、特別な防御がないがん細胞です。次に、化学療法薬がコアから放出され、腫瘍細胞をクリーンかつ効率的に破壊します。十分な量の遺伝子ブロッカーがあれば、多くの異なる種類の突然変異に対応でき、悪者を残さずに腫瘍を一掃するチャンスが生まれます。

では、この戦略はどのように機能するのでしょうか?私たちは、非常に攻撃的なトリプルネガティブ乳がんを用いて、動物でこれらのナノ構造粒子をテストしました。このトリプルネガティブ乳がんは、がん薬が投与されるとすぐにそれを排出する遺伝子を持っています。通常、ドキソルビシン(以下「ドックス」と呼びます)は、乳がん治療の第一選択薬です。まず、ドックスコア、つまりドックスのみで動物を治療しました。腫瘍の成長速度は遅くなりましたが、それでも急速に成長し、2週間でサイズが倍になりました。

次に、私たちのコンビネーションスーパーヴェポンを試しました。化学療法ポンプに対するsiRNAを含むナノレイヤー粒子と、コアにはドックスを含んでいます。そしてご覧ください。腫瘍は成長を止めただけでなく、実際にサイズが縮小し、いくつかの場合には消滅しました。腫瘍は実際に退縮していたのです。

このアプローチの素晴らしいところは、個別化が可能であることです。さまざまな突然変異や腫瘍の防御メカニズムに対応するために、多くの異なる種類のsiRNAを追加できます。また、ナノ粒子のコアには異なる薬を入れることができます。医師が患者を検査し、特定の腫瘍の遺伝子タイプを理解する方法を学ぶことで、この戦略から恩恵を受けることができる患者や、使用する遺伝子ブロッカーを特定するのに役立ちます。

卵巣がんには特別な思い入れがあります。このがんは非常に進行が早く、発見されたときには多くの場合、非常に進んだ段階であり、数多くの遺伝子変異があります。化学療法の最初のラウンドの後、このがんは75%の患者で再発します。そして通常、再発時には薬剤耐性の形態で戻ってきます。高悪性度の卵巣がんは、最も大きなスーパーヴィランの一つです。私たちは今、このスーパーヴィランを打ち負かすために、私たちのスーパーヴェポンを向けています。

研究者として、私は通常患者と直接関わることはありません。しかし、最近、卵巣がんの生存者である母親のミミさんとその娘のペイジさんに会いました。母と娘が見せた楽観主義と強さ、そして彼女たちの勇気と支えの物語に深く感動しました。このイベントでは、がんに対するさまざまな技術について話し合いました。ミミさんは涙を浮かべながら、これらの取り組みを知ることで未来の世代、特に自分の娘に希望を持てると語ってくれました。

このことは私にとって非常に感動的でした。それは単に優れた科学を作り上げることではなく、人々の生活を変えることなのです。分子レベルでの工学の力を理解することなのです。ペイジさんのような学生がキャリアを進めるにつれて、卵巣がんや神経疾患、感染症など、世界の大きな健康問題に対処する新しい可能性を開くでしょう。化学工学が私に道を開いてくれたように、分子のレベルで工学を行い、人間のレベルで癒す方法を提供してくれたように。

ありがとうございました。

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