東 大志
熊本大學 研究生院生命科學研究部 製劑設計學領域 副教授
2022年起擔任A-STEP研究負責人
「創新日本走訪」系列採訪旨在介紹與社會應用為目標的研發一線。第17回介紹熊本大學研究生院生命科學研究部製劑設計學領域的東大志副教授，他利用超分子的特性，研發了將多種生物化合物有效導入細胞的「變化自如聚合體」並推進實用化。
以聚輪烷作為基礎骨架
名副其實的「超越分子的分子」
熊本大學正在開發使用超分子將核酸和蛋白質等多種生物化合物高效輸送到細胞中的劃時代藥物搬運系統，為此我們前往該校大江區進行了採訪。大江校區坐落在安靜的住宅區域，校內種植有多種藥用植物的藥草園。在2024年迎來建校50週年的研究生院生命科學研究部製劑設計學研究室裏，東大志副教授正在進行將生物化合物搬運到細胞中的「變化自如聚合體」的研發工作。
東大志副教授開發的聚合體以「聚輪烷（Polyrotaxane）」為基礎骨架的超分子構成。超分子是由多個分子聚集而成的、整體表現如同一個分子的物質。由於超分子能夠發揮單獨分子無法實現的多種功能，所以被稱為「超越分子的分子」，並被廣泛關注。東副教授表示，以超分子為專業的藥學人員很少，而這正是他的優勢所在。
聚輪烷是一種由被稱為「環糊精」的多個珠狀分子穿在細長繩子狀分子聚乙二醇上，並封閉兩端形成的化合物。環糊精可以沿著聚乙二醇鏈移動，通過在分子上附加能與搬運對象的化合物相輔作用的官能基，就可以按照搬運對象化合物的形狀和電荷分布變形，從而抓住化合物並將其傳送至細胞內部。
聚焦於編輯基因體的Cas9 RNP
不斷疊代，突破所有難關
「自由變化的聚合體」可以搬運多種化合物，東副教授團隊在本次研究中把重點放在了基因編輯中不可缺少的Cas9RNP上（圖1）。Cas9RNP是由包含切割DNA功能的蛋白質「Cas9」和起著剪切位點指引作用的核酸「向導RNA」所組成的複合體。由於它是親水性聚合物，單獨情況下無法被細胞吸收，也無法通過既往載體有效地導入細胞中。即使設法導入了，大部分也會在含有多種蛋白質與核酸分解酶的「胞內體」中遭到分解。因此，為了讓Cas9RNPs進入細胞，需要突破多個難關。
圖1聚輪烷的結構和本次研究開發的變化自如聚合體
Cas9RNP是用於編輯基因體的蛋白質核酸化合物。由於其親水性和聚合物等特性，很難將其導入到細胞內。若使用所開發的變化自如聚合體作為載體，則可以順利導入。
具體而言，上述操作需要Cas9RNP與載體相輔作用聯結在一起，需要能被高效吸收進入細胞內，進入細胞後需要在被胞內體分解前成功逃逸，還要從載體將Cas9RNP釋放並進入細胞並轉移到細胞核（圖2）。為瞭解決這些問題，東副教授的團隊首先在聚輪烷中使用了一種名為「雙胺基乙基醚」的官能基來構建超分子。已完成的第1代聚合體與Cas9RNP發生了強相輔作用，與既往方法相比，顯著提升了Cas9RNP導入細胞內的效率，但在胞內體逃逸方面仍存在問題。
圖2變化自如聚合體所擁有的破壁機制
為了在基因體編輯效率較高的狀態下將Cas9RNPs導入細胞，需要突破多個難關。
接下來，團隊改用「二乙烯三胺」作為官能基，製作了第2代聚合體，成功實現了胞內體逃逸。此外，通過改進鏈狀分子，使其能夠在細胞內釋放Cas9 RNP，又開發出了第3代和第4代聚合體。最終，第5代聚合體成功克服了將Cas9 RNP導入細胞內的所有難關（圖3）。東副教授表示：「第5代聚合體搭載的Cas9 RNP，其導入效率優於市面最高水平的載體，同時在安全性方面未發現任何令人擔心的問題。」
圖3變化自如聚合體的開發過程
通過反複試錯得到的第5代聚合體在本次研究中得到了進一步完善。導入到第5代聚合體的Cas9RNP，其細胞障礙性低於目前市場上最通用的導試劑Lipofectamine CRISPRMAX，具有相當或更好的in vitro基因體編輯效率。
通過A-STEP項目向第7代推進
新成立「超分子藥學」專業
東副教授在A-STEP項目的測試採用階段成功開發出了具有實用性的Cas9RNP載體。在此基礎上，他著手驗證變化自由的聚合體在其他化合物上的有用性，並進一步提升Cas9 RNP載體的性能，開發出了第6代聚合體。為此，他申請A-STEP項目中的育模製項目並成功入選。目前，研究團隊不僅將Cas9 RNP導入試劑優化至可以正式供應的水平，還通過實驗確認了變化自如聚合體導入其他化合物細胞的實用性，取得了顯著成果。
東副教授表示，未來將進一步推進開發，實現可將藥物等物質輸送至人體特定器官的第7代載體：「希望在開發新藥效成分或應對大流行病等緊急情況時，提供變化自如聚合體作為廉價、簡便和高效的載體使用。」 此外，東副教授還在思索實現全身投藥的策略。
回顧研究歷程，東副教授坦言，也曾經歷反復失敗的時期。當時，包括田原春徹在內的東教授實驗室的學生對其提供了很多幫助。「即使進展不順利，我也始終信任他們的精湛實驗技能，正因為如此才能夠向前邁進，沒有停滯不前」。
此外，他還表示，在育模製項目中，為每個課題配置的「推廣顧問」對推動社會應用的幫助也功不可沒。「推廣顧問指出，即使是以實際應用為目標的研究，也需要明確科學原理，這一建議成為我們將載體優化至第7代的重要啟示。」
東副教授等還成功將繩狀的聚輪烷分子兩端結合，合成了項鍊狀的「poly-catenane」。目前，它的用途尚不明確，但具有成為新的研究材料的可能性。東副教授長期致力於探索以環糊精為起點的超分子領域，這是藥學中相對少見的研究方向。如今，他成立了融合超分子科學與藥學的全新學科——「超分子藥學」專業。他計劃於2025年成立「超分子新功能研究會」，以開闢下一代藥學新領域。東副教授的挑戰還在繼續。（TEXT：伊藤左知子、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2025年1月
翻譯：JST客觀日本編輯部
