針

米国化学会より2023年4月2日

写真の MOF-Jet は、針の痛みを感じることなく細胞に遺伝子治療を「発射」することができます。 クレジット: ジェレマイア・ガッセンスミス

科学者たちは、粉末ワクチンと圧縮ガス駆動の「MOF-Jet」を使用した、痛みのないワクチン投与方法の開発に向けた取り組みを進めている。 このシステムは、針や冷蔵を必要とせずに、癌やその他の病気に対する治療法を提供できる可能性があります。 ACSの2023年春のハイブリッド会議で発表されたこのプロジェクトは、パンデミックのさなか、主任研究者のジェレミア・ガッセンスミス博士が自宅で圧縮ガス動力のジェット噴射システムを実験したときに発案された。

針が好きな人はいませんが、多くのワクチンや生物製剤を体内に投与するためには必要です。 しかし、泡のおもちゃで腕を叩くような、ほんの少しの圧力で、それらを皮膚を通して吹き飛ばすことができたらどうなるでしょうか? 今日、科学者たちはそれを現実にするためのステップを報告します。 冷蔵を必要としない粉末ワクチンと圧縮ガスによって駆動されるシステムを使用する同社の「MOF-Jet」は、比較的痛みのない方法で癌やその他の病気に対する治療薬を簡単に投与できる可能性がある。

研究者らは、米国化学会（ACS）の春季会合で研究結果を発表する予定だ。 ACS Spring 2023 は、3 月 26 日から 30 日までバーチャルおよび対面で開催されるハイブリッド会議で、幅広い科学トピックに関する 10,000 以上のプレゼンテーションが行われます。

このプロジェクトのアイデアは、パンデミックによる退屈から生まれました。 このプロジェクトの主任研究員であるジェレマイア・ガッセンスミス博士は、家に閉じこもっている間にいじれるよう、圧縮ガス動力のジェット噴射システムの安価な部品を注文していた。 その後、全員がキャンパスに戻った後、彼は研究室の大学院生であるヤリニ・ウィジェスンダラに部品を手渡し、「これで何ができるか見てください」という指示を出した。

Wijesundara, who is presenting the work at the meeting, took these instructions in stride. She had previously researched other jet injectors dating back to the 1960s that use compressed gas to inject a narrow stream of fluid. If the injectors could be modified to fire solids, she figured, they could deliver cargo encased in metal-organic frameworks, or MOFsMetal–organic frameworks (MOFs) are a new class of porous material compounds consisting of metal-to-organic ligand interactions. MOFs show promise to improve the efficiency and effectiveness of practical gas separation systems and are of interest for the storage of gases such as hydrogen and carbon dioxide." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> MOFも同様です。 これらのフレームワークは多孔質の結晶構造であり、分子の「ケージ」のように機能して、核酸やタンパク質などのさまざまな物質をカプセル化します。 Wijesundara 氏は、ジェット インジェクターと MOF に関する研究室の既存の研究を組み合わせて、「MOF-Jet」を作成しました。 ジェットは文字通り、空気を吹き込んで粉末を細胞に送り込むことができます。 ガッセンスミス氏とウィジェスンダラ氏は両方ともテキサス大学ダラス校に在籍しています。

ジェット注射器は以前、軍で広く使用されていましたが、痛みがあり、液体が飛び散ることが多く、B型肝炎などの他の病気を蔓延させる可能性がありました。現代の子孫は「遺伝子銃」であり、通常は獣医学や獣医学で使用されます。数万ドルかかる場合があります。 これらの装置はまた、生物学的積荷を細胞内に発射する。 この場合、カーゴは、通常は金またはタングステンで作られた金属微粒子の表面に付着します。 しかし、金属粒子が皮膚に浸透すると、そこに残り、生体物質の分解を加速する可能性があります。

別の戦略は、貨物を MOF の中に入れることです。 ガッセンスミス氏のグループは以前、ゼオライト系イミダゾレートフレームワーク8（ZIF-8）と呼ばれるMOFと協力していた。 「金と比べて安価で、核酸などの生体物質を保護します」とウィジェスンダラ氏は説明する。 「ワクチン製剤を粉末として室温で保管することもできるため、多くの液体ワクチンに必要な極度の低温が不要になります。」

研究チームは、さまざまな生物学的物質を ZIF-8 内に包み、急速に分解されないよう保護しました。 物質を細胞に送り込むために、研究チームは遺伝子銃をヒントにした独自の改良型「MOF-Jet」を使用した。 ウィジェスンダラ氏は、この装置用の「弾丸」を作成し、それぞれに機能化された ZIF-8 を 1 回分装填し、ガスを一吹きして粉末製剤を細胞内に発射しました。これは「向けて撃つ」だけで簡単でした。 彼らはシステムをテストし、MOF-Jet が ZIF-8 に包まれた遺伝子をタマネギ細胞に、ZIF-8 に包まれたタンパク質をマウスに送達することを示しました。 ガッセンスミス氏によると、注射器からの爆発は「ナーフの弾丸で撃たれたような」感じで、針で刺されるよりもずっと痛みが少ないという。

By tinkering with the MOF-Jet, Wijesundara soon realized that cargo release could be tuned by simply changing the injector's carrier gas. ZIF-8 is sensitive to acidic environments, and when carbon dioxide reacts with water in cells, it makes carbonic acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">酸はMOFを分解するのに役立ちます。 「二酸化炭素を吹き込むと、細胞内でより早く積荷を放出しますが、通常の空気を使用した場合は4、5日かかります」と彼女は説明する。 これは、同じ薬剤がその処方を変更することなく、異なるタイムスケールで放出される可能性があることを意味します。 「そのことに気づいたら、多くの可能性が広がりました」とガッセンスミス氏は言います。

研究チームは現在、この方法を利用して、最も重篤な皮膚がんである黒色腫の潜在的な治療法として化学療法剤とアジュバントを投与しています。 MOF-Jetは広範囲に物質を散布できるため、現在の送達方法である針を使用するよりもがん治療薬を黒色腫に均一に散布できる可能性があると研究者らは述べている。 また、キャリアガスを制御するだけで、患者のニーズに応じて、速放または徐放の時間枠で化学療法薬を投与することができます。 研究はまだ進行中ですが、予備実験では有望な結果が得られています。 ウィジェスンダラ氏とガッセンスミス氏は、MOF-Jet の適応性により、獣医学から農業、あるいはいつかは人間のワクチン接種や治療に至るまで、幅広い応用が可能になる可能性があると述べています。

研究者らは、陸軍研究所、国立科学財団、ウェルチ財団からの支援と資金提供に感謝しています。

タイトルCarrier gas triggered controlled biolistic delivery of DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person's body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">有機金属フレームワークからの DNA およびタンパク質治療薬

抽象的なThe efficacy and specificity of protein, DNA, and RNARibonucleic acid (RNA) is a polymeric molecule similar to DNA that is essential in various biological roles in coding, decoding, regulation and expression of genes. Both are nucleic acids, but unlike DNA, RNA is single-stranded. An RNA strand has a backbone made of alternating sugar (ribose) and phosphate groups. Attached to each sugar is one of four bases—adenine (A), uracil (U), cytosine (C), or guanine (G). Different types of RNA exist in the cell: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), and transfer RNA (tRNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> RNA ベースの薬はクリニックで人気があります。 ただし、これらの薬剤は注射によって投与されることが多く、熟練した医療従事者が必要であり、生物有害廃棄物も生成されます。 ここでは、製剤を変更することなく、バーストまたは徐放のいずれかを可能にする、制御された送達を可能にするアプローチを報告します。 我々は、ゼオライトイミダゾレートフレームワーク8（ZIF-8）内にカプセル化すると、生体分子が粉末製剤中で安定し、低コストのガス動力の「MOF-Jet」で生きている動物や植物の組織に噴射できることを示した。 さらに、MOF-Jet で使用されるキャリア ガスを慎重に選択することで、その放出プロファイルを調整できます。 私たちの in vitro および in vivo 研究では、CO2 を使用すると、一時的で弱酸性の局所環境が生成され、ZIF-8 が即時に溶解して生体分子がほぼ​​瞬時に放出されることが明らかになりました。 逆に、空気を使用すると、ZIF-8 はゆっくりと生分解し、1 週間かけて生体分子を放出します。 これは、ZIF-8 を使用した生体分子の制御されたバイオリスティック送達の最初の例であり、基礎および応用科学研究に強力なツールを提供します。