変形性関節症に対する遺伝子治療

変形性関節症の遺伝子治療は、変形性関節症（OA）の治療に遺伝子治療を応用したものです。一連の介入として局所的または全身的に投与される薬物治療とは異なり、遺伝子治療は、 1回の局所注射後に持続的な治療効果を確立することを目的としています。^[1]

変形性関節症の主な危険因子は年齢^{[2] [3]}とボディマス指数^{[4] [3]であるため、OAは主に}老化に伴う疾患と考えられています。^{[5] [6]}身体が老化するにつれて、異化因子が同化因子よりも優勢になり始め、細胞外マトリックス遺伝子発現の減少^[7]と関節軟骨の細胞密度の低下^{[8] [7]}をもたらします。異化作用が最終的に同化作用よりも優勢になり、重度の軟骨侵食と骨髄病変/リモデリングが臨床的な変形性関節症として現れるようになります。関節の炎症もOAの重要なメカニズムであり^{[9] 、多くの炎症性サイトカイン、特にIL-1が病態生理学、 [10] [11]}ヒト遺伝学、^[12]および疾患の動物モデルに関係していることが示されています。 ^[13]さらに、変形性関節症には多くの遺伝因子があり、この疾患には追加の遺伝的危険因子が存在する可能性がある。

変形性関節症の潜在的な医学的管理のための遺伝子増強^[14] 、遺伝子置換、および新しいトランスジェニック遺伝子治療[ ^{15]戦略は、この慢性疾患の}病理学的メカニズムと可能な治療法を定義するための予備研究中です。ウイルスベクター遺伝子治療が主流ですが、治療遺伝子を送達する手段として、ウイルスベクターと非ウイルスベクターの両方が開発されています。^[16]

他のアプローチには、他の同化因子と抗異化因子が関与しています。体が老化するにつれて、異化因子が同化因子よりも優勢になります。変形性関節症では、異化因子が関節軟骨の劣化を促進し、軟骨の総細胞量を減少させます。^[17]体が若い間は、同化因子は失われた軟骨と軟骨生成細胞を置き換えることができますが、この能力は加齢とともに低下するようです。FGF18やPRG4の送達などの遺伝子増強アプローチは、関節内の自然な同化プロセスを増強して、軟骨変性の進行を遅らせることを目的としています。^{[14] [18]}同化因子は、繰り返しタンパク質を注射する形で投与すると臨床試験で効果があるようですが、関節の薬物動態のため、これらのアプローチでは両側の変形性関節症で年間最大12回の注射が必要となり、軟骨の増加が逆転するのを防ぐために無期限に継続する必要がある場合があります。^[19]遺伝子増強アプローチは、これらの因子の遺伝的指示を単回注射治療の形で投与することにより、同化タンパク質療法の成功を再現することを目指しています。^[14]

遺伝子は親から子へと受け継がれ、遺伝の構成要素です。遺伝子にはタンパク質を作るための指示が含まれています。遺伝子が正しい方法で正しいタンパク質を生成しないと、子供は遺伝性疾患を発症する可能性があります。遺伝子治療は、欠陥のある遺伝子や欠落した遺伝子を置き換えたり、過剰発現している遺伝子を打ち消したりすることを目的とした分子的方法です。この目的のために、遺伝子は送達ベクターに挿入され、欠陥のある遺伝物質を増強または置き換えるために標的細胞に投与される場合があります。^[20]遺伝子治療の最も一般的な形態は、正常な遺伝子を挿入して異常な遺伝子を置き換えることです。他のアプローチには、異常な遺伝子を修復したり、遺伝子のオン/オフの程度を変更したりすることが含まれます。ベクターを標的組織に転送するために、体外遺伝子転送と体内遺伝子転送という2つの基本的な方法論が利用されます。遺伝子治療の1つのタイプは、細胞療法（または遺伝子組み換え細胞療法）とも呼ばれ、患者の体外で遺伝子転送が行われるもので、体外遺伝子治療と呼ばれます。この遺伝子治療法は、侵襲的な手順で患者から最初に細胞を採取する必要があるため、より複雑です。^[21]採取した細胞も無菌状態で操作する必要があり、細胞やその遺伝物質を損傷しないように注意する必要がある。^[22]代替アプローチでは、治療を受けている患者から採取したものではない自己幹細胞を使用する。このようなアプローチでは、細胞が異物として検出された場合に細胞が体から排除されないように、「クローキング」技術に頼る必要がある。この「クローキング」には、細胞の表面で「食べないで」というシグナルを発現させて低免疫状態にするCD47遺伝子の挿入など、追加の遺伝子操作が必要になることが多い。^[23]変形性関節症に対する細胞療法の使用における大きな課題は、関節の性質であり、関節は大きなせん断を受けるため、移植された細胞が急速に失われる。変形性関節症の治療のための遺伝子組み換え細胞療法は現在、厳格に調査されており、その安全性と有効性の主張はFDAによって審査されていない。^[24]

原発性変形性関節症（OA）は、西洋世界で痛みと障害の主な原因となっている変性関節疾患です。^{[25] [26]関節}軟骨（可動骨の先端を覆う滑らかな組織）の正常な構造と機能が徐々に失われるのが特徴です。 ^[25]この慢性疾患は、関節軟骨だけでなく、軟骨下骨、滑膜、関節周囲組織にも影響を及ぼします。^{[25] OAの患者は激しい痛みと動きの制限を経験することがあり、身体が老化するにつれて病気が進行する傾向があります。OAは主に、軟骨細胞}外マトリックスの生化学的変化による関節の自然な老化の結果です。^{[26] [27]}

年齢^[25]とBMI ^[28]は変形性関節症の主な危険因子ですが、関節外傷や関節の機械的過負荷、関節不安定性などの要因が症状を加速または悪化させる可能性があります。関節損傷や軟骨下骨の損傷などの二次的要因によって引き起こされるOAは、二次性変形性関節症と呼ばれます。^{[25] [27]}軟骨の変性は自然には可逆的ではないため、進行し続け、最終的には潜在的な終末介入として関節置換術が必要になります。^[25] OAの有病率が高いため、関節軟骨の修復と再生が主要な研究分野になっています。^[25]変形性関節症に苦しむ人々の数の増加といくつかの遺伝子治療法の可能性は、この慢性疾患の治療のための遺伝子医薬品の開発に大きな注目を集めています。

治療用遺伝子を細胞に運ぶために、さまざまなベクターが開発されている。遺伝子送達ベクターには、遺伝子キャリアとしてウイルスを使用するウイルスベクターと、ポリマー、脂質ナノ粒子、リポソームなどの非ウイルス性因子を使用する2つの大きなカテゴリがある。^{[1] [29]}

ウイルスベクターは、遺伝子送達の作業を高い効率と特異性で行えるように進化したため、最も広く使用されている遺伝子送達方法です。ウイルスベクターを遺伝子送達に使用する場合、研究者はウイルスの不要な遺伝子をすべて除去し、少なくとも 1 つの治療用遺伝子に置き換えることを目指します。ウイルスベクターは進化の起源と幅広い用途が組み合わさって、遺伝子貨物を細胞に送達する上で非常に効果的であり、この送達方法の使用に伴うリスクを大幅に軽減します。

ウイルスベクターを全身投与または高用量で投与すると、炎症反応が誘発され、浮腫などの軽微な副作用や多臓器不全などの重篤な副作用を引き起こす可能性があります。^[30]また、ウイルスに対する免疫系の反応が強化されるため、遺伝子治療を繰り返し行うことが困難な場合もあります。しかし、関節に局所的に送達されたウイルスベクターは、関節領域内にうまく封じ込められ、前臨床および初期臨床研究に基づくと非常に忍容性が高いようです。^{[31] [1] [32]}さらに、治療用トランスジーン発現の持続性は非常に高いため、1回の注射療法で病気の進行を逆転させるのに十分である可能性があります。^[33]現在最も一般的に使用されているウイルスベクターはアデノ随伴ウイルス（AAV）です。AAVはヒトに疾患を引き起こさないようで、免疫原性が低く、複製されないため、多くの適応症で安全かつ有効であることが証明されています。^[24]アデノウイルスは変形性関節症の治療のために臨床研究も行われてきましたが、アデノウイルスは免疫原性が非常に高いため、最も成功した応用はアデノウイルスベクターワクチンの送達でした。^[34]

非ウイルス性の方法では、治療用DNA を、カチオン性脂質やリポソーム、ポリマー、ポリアミンやポリエチレンイミン、ナノ粒子などのさまざまな高分子と複合化します。^[1] FuGene 6 ^[35]と改変カチオン性リポソーム^[36]は、これまで軟骨への遺伝子送達に利用されてきた 2 つの非ウイルス性遺伝子送達方法です。FuGene 6 は非リポソーム脂質製剤で、さまざまな細胞株 (in vitro 研究に使用される癌細胞) のトランスフェクションに効果があることが証明されています。リポソームは遺伝子送達の潜在的な候補であることが示されており、^[37]このアプローチでは、カチオン性リポソームが細胞膜との相互作用を促進して核酸を送達するように作られています。^[38]非ウイルス性ベクターは、大量の治療用遺伝子を繰り返し送達する能力があり、大規模に製造するコストが低くなる可能性があります。非ウイルス性送達方法のもう 1 つの利点は、記憶免疫応答を引き起こさず、複数回投与できることです。非ウイルスベクターは利点があるにもかかわらず、比較的効率が低いこと、個々の製剤成分の毒性、および短期間の遺伝子発現のため、まだウイルスベクターに取って代わっていません。^[29]その結果、多くのウイルスベクターがいくつかの臨床研究で成功裏に使用されている一方で、関節内送達用の非ウイルスベクターはこれまでのところ前臨床でのみ研究されています。

変形性関節症の治療の対象となる細胞は、軟骨細胞、滑膜細胞、およびそれらの前駆細胞です。関節包は比較的よく収まっているため、関節内注射は治療遺伝子療法を標的細胞タイプに局所的に送達するのに非常に効果的です。

変形性関節症の治療は、以下の方法で成功する可能性がある。

• 軟骨のマトリックスまたは軟骨細胞含有量を再構築するための同化経路の刺激。このアプローチは病気の逆転をもたらす可能性がある^{[14] [19]}（例：FGF18を含む）。
• 軟骨のさらなる変性を防ぐため、異化経路を阻害します。このアプローチにより、病気の進行が遅くなる可能性がありますが、逆転は起こりません (例: IL-1Ra)。
• 損傷した細胞または組織を、マトリックスの有無にかかわらず細胞で置き換える。このアプローチは病気の病理を逆転させる可能性があるが、これまでのところ局所的な軟骨病変の治療にのみ成功している^[39]（例：MACIおよびHyalofast）。
• 痛みの軽減や骨棘形成などの病理学的または症状的な合併症を回避する^[40]（例としては、ステロイドや粘性補充剤が挙げられる）。

これまでのところ、最も有望な治療法は、軟骨同化を促進することに焦点を当てた治療法のようです。具体的には、FGF18の組み換えタンパク質類似体であるスプリフェルミンを使用する軟骨同化FGF18療法のみが、用量依存的に軟骨の厚さを増加させ、 [ ^19]関節置換への進行を阻止し、^[19]痛みと臨床的に意味のある症状の進行を軽減する能力を実証することができました。^{[19] [41]}この成功に基づいて、FGF18はOAの治療のための遺伝子治療としても研究されています。^[14]

前臨床研究ではいくつかの抗炎症または抗異化アプローチが報告されているが、これまでの臨床研究では病気の進行を抑える有効性を示す証拠は得られていない（例：IGF-I / IL-1RA、ステロイド）。^[42]いくつかの抗炎症治療は、長期使用により軟骨変性を促進することが実際に実証されている。^[43]

変形性関節症は主に加齢に伴う疾患であるが、ある程度の遺伝性を有する。^[44] 疫学的研究では、遺伝的要素がOAの重要な危険因子である可能性があることが示されている。^[45] インスリン様成長因子I遺伝子（IGF-1）、形質転換成長因子β、軟骨オリゴマーマトリックスタンパク質、骨形成タンパク質、およびその他の同化遺伝子候補は、OAの候補遺伝子である。^{[29] OAの遺伝子変化は、}コラーゲンなどの構造タンパク質の欠陥、または骨と軟骨の代謝の変化につながる可能性がある。OAは、主に多因子疾患であるため、 メンデル遺伝に従う単純な疾患とはみなされることはめったにない。

しかし、OA遺伝子治療の分野では、遺伝子異常や遺伝子多型に対抗するのではなく、治療用遺伝子産物の送達システムとしての遺伝子導入に研究の焦点が当てられてきました。関節軟骨のマトリックスの保護と修復に寄与する遺伝子が最も注目を集めています。これらの遺伝子は表1にリストされています。以下にリストされているすべての候補の中で、FGF18のみが初期の臨床試験でタンパク質レベルで成功しています。^[19]インターロイキン-1（IL-1）の作用を阻害するタンパク質（インターロイキン-1受容体拮抗薬/ IL-1Ra）などの他の候補は、タンパク質または遺伝子治療注射の両方として評価され、断念されたか（タンパク質の場合）、疾患改善の有効性が報告されませんでした（遺伝子治療の場合）。

前臨床研究では、炎症誘発性のインターロイキン-1（IL1）が関節痛、軟骨損失、炎症の原因であることが示唆されている。これまでの組み換えタンパク質を用いたアプローチではさまざまな結果が示されているが、遺伝子治療は依然としてIL-1阻害の有望な手段である。^[47]インターロイキン-1の効果を打ち消す可能性のある治療用遺伝子^[48] 、インターロイキン1受容体拮抗薬（IL-1Ra）は、現在、 AAVやアデノウイルスなどのいくつかの送達ベクターを用いた初期臨床試験で評価されている。IL-1の天然アゴニストは、インターロイキン-1受容体の細胞表面に非生産的に結合し、IL-1受容体を介してIL-1の活性を阻害するタンパク質である。^{[49] [50]} イヌ、ウサギ、ウマを対象とした多くの研究では、局所IL-1Ra遺伝子治療はOAの動物モデルにおいて安全かつ効果的であることが示唆されているが、^{[51] [52] [53]}タンパク質治療と遺伝子治療の両方が複数の臨床試験で評価されているにもかかわらず、これらの知見はいずれも臨床的有効性につながっていない。^{[54] [55]}

別の遺伝子治療アプローチでは、FGF-18 を潜在的な同化剤として使用します。スピリフェルミン(遺伝子治療ではなく FGF-18 タンパク質) を使用した以前の臨床試験では、プラセボ対照ランダム化臨床試験で、スピリフェルミンが用量依存的に軟骨の厚さを増加できることが示されました。 ^[19]この試験では、試験期間中に FGF18 が関節置換への進行を阻止する可能性も実証されました。最後に、FGF18 は、試験対象者全体と高リスクサブグループの両方で、痛み ( WOMAC ) と臨床的に意味のある症状の進行を軽減することができました。 ^{[19] [41]}これらの非常に有望な臨床結果に基づいて、FGF18 は変形性関節症の治療のための遺伝子治療として研究されています。^[14]

OA の場合、遺伝子導入に最も適した関節内部位は、滑膜と関節軟骨です。実験の進歩は、生体内および生体外プロトコルの両方を使用して、さまざまなベクターによる遺伝子改変に適した組織である、硝子軟骨や滑膜などの便利な関節内組織への遺伝子導入で最も多く達成されています。

軟骨細胞は分裂しない細胞（軟骨細胞前駆細胞を除く）で、コラーゲンとプロテオグリカンのネットワークに埋め込まれています。しかし、研究では、AAVまたはセンダイウイルスを含むリポソーム（HVJリポソーム）を関節内に注射することで、正常または関節炎の軟骨内の軟骨細胞に遺伝子を移すことができると示唆されています。^{[56] [57] [58]}軟骨細胞は関節の常在細胞と考えられており、滑膜細胞よりも回転率が低いため、軟骨細胞への遺伝子送達戦略はより高い耐久性をもたらす可能性があります。

軟骨への遺伝子導入の最も効率的な方法は、関節内注射によってAAVを関節に直接送達する生体内戦略です。研究されたAAV血清型のうち、AAV2は特に軟骨細胞と滑膜細胞への形質導入に効果的であるように見えますが、^{[59] [60]、} AAV血清型2.5は、ヒトの軟骨組織片と馬の関節への生体内送達に効率的であることが示されています。^[61]

現在評価されている軟骨細胞への遺伝子送達戦略としては、FGF18、PRG4、IL-1Raなどがある。^{[14] [1] [18]}

遺伝子送達の主な目的は、関節の内層を改変して、軟骨などの隣接組織の代謝に拡散して影響を与える治療分子の内因性供給源として機能できるようにすることである。RAおよびOAの動物モデルでは、ベクターの直接的な生体内注入、または自己滑膜細胞、皮膚線維芽細胞、または間葉系幹細胞などの他の細胞型を含む間接的な生体外方法によって、遺伝子を滑膜に送達することができる。滑膜の主な細胞型である滑膜細胞は線維芽細胞と密接に関連しており、比較的高いターンオーバー率を有する（たとえば軟骨細胞と比較した場合）。そのため、滑膜の遺伝子治療は耐久性が低いという課題を抱える可能性が高い。また、変形性関節症は軟骨組織の疾患であるため、滑膜の治療は間接的なアプローチであり、治療効果の欠如によって複雑になる可能性がある。^[59]

しかし、関節内腔に投与される遺伝子治療では、治療遺伝子が軟骨組織と滑膜組織の両方に送達される可能性が高いため、特定の送達ベクターを選択することで組織タイプの選択をさらに変更することができます。いくつかの送達ベクターとその利点と限界を表 2に示します。

間接的な体外アプローチには、滑膜、軟骨、または骨髄細胞の採取、採取した細胞の分離と培養、目的の治療遺伝子の体外導入、および関節への遺伝子操作された細胞の注入が含まれます。^[62]

ヒトの遺伝子治療に関する重要な問題の1つは安全性であり、特にOAのような衰弱性ではあるが致命的ではない疾患の遺伝子治療においては安全性が重要である。主な懸念は、アデノウイルスなどの特定のウイルスベクターの免疫原性が高く、病状をさらに悪化させる可能性があることである。レトロウイルスベクターは感染した細胞の染色体に永久的に組み込まれるため、腫瘍抑制遺伝子または癌遺伝子に組み込まれる可能性が常にあり、細胞の癌化につながる。^[63]その結果、最も先進的な治療法は、非組み込みベクター、低用量、および関節内（全身ではなく）送達の使用に焦点を当てている。遺伝子組み換えを含むすべてのアプローチは現在、FDA、EMA、またはその他の規制当局によって承認されておらず、安全性と有効性に関する声明は規制当局によって検討または承認されておらず、治療法は商業的に使用が承認されていない。

• 変形性関節症の疾患修飾薬
• 遺伝子治療におけるベクター
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