人間の体内を自由に動き回る、究極の「マシン」【前編】

究極のウェアラブルを飛び超えて、体内に先端技術を入れて生活できたら?

ウェアラブルのガジェットをはじめ、日常生活で最先端技術を身に付けることが当たり前になりつつある現在、そんな“インストーラブル(インストール可能)”な研究が進んでいる。

それが、ナノサイズの“マシン”を体内に入れて、病気の予防・治療をはじめとする医療を実現する『ナノマシンDDS(ドラッグ・デリバリー・システム)』だ。

手塚治虫の伝説的マンガや名作映画『ミクロの決死圏』をはじめ、さまざまなで作品で描かれた“夢の体内探検”を彷彿させるナノマシンDDS(ドラッグ・デリバリー・システム)

その神秘的な機能や、現在までの研究成果、さらに私たちの生活に起こる画期的な変化などについて、ナノ医療の権威である(公財)川崎市産業振興財団ナノ医療イノベーションセンター長(東京大学名誉教授)・片岡一則氏に語っていただいた(全3回)。

 

単なる「デリバリー」を超える、“身体の中のサービス業”

――まず、DDS(ドラッグ・デリバリー・システム)の概念についてお教えください。

DDSとは人間の体内に薬を運ぶシステムのことで、DDSの基本概念は私が研究を始めた1990年代前半にはすでにありました。

当時行われていたDDSの研究は、水に溶けない脂質の粒子に薬をくるんで、血管を通じて体内の必要な場所に運んでいって、薬を作用させて病気を治療しようというものでした。

――先生が研究されているDDSには「ナノマシン」という冠がついていますが、これはどうしてですか?

私がもっとも重視したのが、「デリバリーを超える」ということだったからです。

たとえば、一般的な宅配ピザのデリバリーは、ピザを持っていって、玄関でハンコをもらって帰るだけですよね。これは、単なるデリバリー(配達)です。

しかし、もし家の中まで入って、ピザを切り分けて、さらにお客様の好みに応じてトッピングを変えたり、サイドメニューをつくったりして、最後に後片付けもして帰るというところまでやれば、もっと便利な「サービス」になります。

このように、ただ薬を運ぶだけではなく、「必要なときに、必要な場所で、必要な働きをする」機能を、小さなウィルスサイズの中に入れ込んだ“身体の中のサービス業”のようなシステムをつくりたいという想いから、「極小のナノサイズで、適切に働く」という意味を込めて「ナノマシン」と名付けました。

 

なぜ、「マシン」なのか?

――「マシン」と聞くと、機械というイメージがあります。

たしかに、精密な機械工学の原理に則れば「マシン」とは呼べないのかもしれません。

しかし、私たちは最初からこの技術の将来の進化を先取りした設計を行っているため、あえて「ナノマシン」という言葉を使って従来の技術と差別化しています。

――体内に運べるものは薬だけですか?

そもそも、この研究は「体内にものを送り込んで、目的地まで正確に届けるシステム」に私が興味を持ったところからスタートしました。ですから、工学的な概念でいえば、薬以外のものも運べます。

例えば、遺伝子を運べば遺伝子治療になりますし、造影剤を運べばバイオイメージング診断などに利用できます。

『ナノマシンDDS(ドラッグ・デリバリー・システム)』の模型。

 

体内で発見されない「ステルス化」を実現

――従来のDDSとの具体的なちがいは何ですか?

まず一つは、私たちの技術の原点である「ステルス化」です。

ナノマシンとは、1mmの5万分の1にあたる50ナノメーター(nm)の小さな粒子で、大きさは肝炎ウィルスとほとんど同サイズです。

通常、ウィルスが体内に入ったら異物として認識されるのと同様に、このような粒子もすぐに見つかって処理されてしまいます。それは、体内に入った異物を発見する「細網内皮系」と呼ばれる細胞があるからなんです。

そこで、私たちの技術では、粒子の表面に水に馴染みやすい柔軟な高分子を密集させています。そうすると、イメージとしては、海中のワカメのように非常に滑らかな表面になります。その表面で粒子全体を覆うと、細網内皮系がこの粒子、つまりナノマシンを見つけられなくなってしまうのです。

このように、身体の中を自由に動けるようにしたのが、私たちのナノマシンの大きな特長です。

 

水に入れるだけで、自動的に粒子ができる!?

――どうやって、ナノマシンの粒子をつくるのですか?

それが、もう一つの大きな特長で、デリバリーシステムとして幅広い用途で使えるために、粒子化するプロセス自体に普遍性をもたせています。

粒子をつくる方法はいろいろあって、これまでは粒子によってケースバイケースでした。そこで、一つの定まった原理でつくりたいと考えてたどり着いたのが「自己組織化」です。

「自動会合」とも呼ばれますが、簡単に言うと、組み合わせることでさまざまな形をつくれるレゴブロックと同じように、高分子をブロック(=レンガ)状にして、水中に入れるだけで高分子同士が自動会合して粒子ができるようにしたのです。

――水の中に入れるだけで、自動的に粒子ができるということですか?

そうです。まず、粒子のもとになる高分子の構造を細工して、2つのブロックがつながっている「ブロックポリマー」といわれる状態にします。

その1つのブロックを水に馴染みやすい構造にしておいて、もう1つのブロックを水に馴染みにくい構造にします。そして、そのブロックポリマーを水中で会合させると、水に馴染みやすいブロックは水と接したいので外側に出てシェル(殻)になり、水に馴染みのないブロックは内側になってコア(芯)になります。こうして、二重の構造を持つ「ミセル」という球形の高分子が完成します。

――とても簡単に粒子化できるんですね。

このミセルのシェルになるブロックを、先述のワカメの表面のように柔軟にしておけば、ステルス化も実現できます。また、コアの中に薬などを入れることもできるわけです。

さらに、同じものを大量生産できますから、ナノマシンが今後実用化されていくためには非常に重要な特長です。

逆に、粒子化のプロセスが複雑な状態では、製品化がむずかしくなったり、高価格になったりしてしまい、せっかく人間の役に立つDDSが普及しなくなってしまいます。そういった点でも、自己組織化は不可欠です。

 

誰もつくれないのなら、自分でやろう

――ナノマシンDDSの研究を始められたきっかけは何ですか?

そもそも、私は大学院で応用化学の高分子材料の研究をしていて、大学院の博士過程の途中から「バイオマテリアル」と呼ばれる医療用の抗血栓性材料などの研究を始めました。

人間の体内に人工臓器や人工心臓、人工血管などを入れると、血液の中にある血小板という細胞がくっついてきて、それが引き金で血栓ができてしまいます。その問題を解決するために、生体の異物認識に対してステルス化した材料をつくっていました。

その研究の一方で、「薬の分野に高分子が使えないか」とも考えていました。DDSの研究会にも参加したのですが、当時は明確な方法が確立されていなかったので、「それなら自分でやろう」と思ったのが、現在の研究をスタートしたきっかけです。

『ナノマシンDDS(ドラッグ・デリバリー・システム)』の概念図。画像提供:公益財団法人川崎市産業振興財団ナノ医療イノベーションセンター

 

常識を破った、逆転の発想

――薬のデリバリーの研究は、医学や薬学の側からスタートするというイメージがありましたが、別の切り口からのアプローチだったのですね。

そうですね、私の場合は、薬を運ぶデリバリーシステム自体を新しくつくろうという風に考えたんです。通常とは異なる工学的な観点から入ったこともあって、ステルス化や自己組織化に重要ポイントを置いたという経緯があります。

さらに、体内のさまざまな信号をキャッチしてナノマシンの構造を変化させて薬を出したり、あるいは体外から光や超音波などのエネルギーを与えて構造を変化させることでナノマシン内の薬や遺伝子が働いたりといった、体内で“ワーク”するアクティブな機能を入れたことも、私たちの研究の大きな特徴です。

英語で「スマートファンクション」と呼ばれる、このインテリジェント機能を意識的に入れ込んだことは、非常に重要だと思っています。

 

【取材協力】

片岡一則●工学博士。東京大学名誉教授・政策ビジョン研究センター特任教授。公益財団法人川崎市産業振興財団副理事長・ナノ医療イノベーションセンター長。1950年、東京都生まれ74年、東京大学工学部卒業。79年、東京大学工学部博士課程修了。東京女子医科大学助教授、東京理科大学教授などを経て、1998年より東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻教授に就任。2004年より東京大学大学院医学系研究科附属疾患生命工学センター教授を併任。2016年東京大学の定年退職に伴い、現職に着任。日本バイオマテリアル学会賞(1993年)や、ドイツで最も栄誉あるフンボルト賞(2011年)、江崎玲於奈賞(2012年)、高分子学会高分子科学功績賞(2014年)など、受賞多数。

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