リポソーム

リポソームは、少なくとも1つの脂質二重層を持つ球形の小さな人工小胞です。^[2]疎水性および/または親水性、生体適合性、粒子サイズ、およびその他の多くの特性により、^{[2]リポソームは、} mRNAワクチンおよびDNAワクチンの脂質ナノ粒子などの医薬品および栄養素の投与のための薬物送達媒体として使用できます。 ^[3]リポソームは、生体膜を破壊することによって（超音波処理などによって）調製できます。

リポソームは、ほとんどの場合、リン脂質^[4]、特にホスファチジルコリンとコレステロール^{[2]で構成されていますが、}脂質二重層構造と互換性がある限り、卵やホスファチジルエタノールアミンなどに含まれる脂質など、他の脂質も含まれることがあります。 ^[5]リポソームの設計では、目的の細胞や組織に付着するための表面リガンドが使用されることがあります。 ^[1]

小胞構造に基づいて、リポソームには7つの主要なカテゴリがあります：多重膜大（MLV）、オリゴラメラ（OLV）、小型単層（SUV）、中型単層（MUV）、大型単層（LUV）、巨大単層（GUV）、および多小胞（MVV）です。^[6]リポソームの主なタイプは、多重膜小胞（MLV、複数のラメラ相 脂質二重層を含む）、小型単層リポソーム小胞（SUV、1つの脂質二重層を含む）、大型単層小胞（LUV）、および渦巻状小胞です。あまり望ましくない形態は、1つの小胞に1つ以上のより小さな小胞が含まれる多小胞リポソームです。

リポソームはリソソームやミセル、逆ミセルと混同しないでください。^[8]リポソームとは対照的に、ミセルには通常、脂肪酸または界面活性剤の単層が含まれています。^[9]

リポソームという言葉は、ギリシャ語のlipo (脂肪) とsoma (体) という 2 つの単語に由来しており、その構成が主にリン脂質であることからこのように名付けられています。

リポソームは、1961年にイギリスの血液学者アレック・ダグラス・バンガム^{[10] [11] [12]}によってケンブリッジのバブラム研究所で初めて記述され、その研究結果は1964年に発表されました。この発見は、バンガムとRWホーンが研究所の新しい電子顕微鏡で乾燥したリン脂質にネガティブ染色を加えてテストしていたときに起こりました。プラズマ膜との類似性は明らかで、顕微鏡写真は細胞膜が二重脂質構造であることを示す最初の証拠となりました。翌年、バンガムと彼の同僚マルコム・スタンディッシュ、およびアメリカ人医師ジェラルド・ワイスマンは、この閉じた二重層構造の完全性と、洗剤処理後にその内容物を放出する能力（構造関連潜伏期間）を確立しました。^[13]ケンブリッジのパブでバンガムと議論しているとき、ワイスマンは、研究室で研究していたリソソームにちなんで、この構造を「リポソーム」と名付けました。リソソームとは、洗剤やストレプトリジンによって構造に関連した潜伏状態を破壊できる単純な細胞小器官です。^[14]リポソームは、ネガティブ染色透過型電子顕微鏡によって、ミセルや六角形の脂質相と容易に区別できます。^[15]

バンガムは同僚のジェフ・ワトキンスとスタンディッシュとともに、1965年にリポソーム「産業」の先駆けとなる論文を執筆した。その頃、ワイスマンがババラムでバンガムに加わった。後に、当時ニューヨーク大学医学部の名誉教授だったワイスマンは、ケンブリッジのパブで二人が座り、細胞内部と外部環境を隔てる脂質シートの役割について考えていたことを思い出した。この洞察は、二重らせんの発見が遺伝学に与えた影響と同じような影響を細胞機能に与えるだろうと彼らは感じていた。バンガムは脂質構造を「マルチラメラスメクティックメソフェーズ」、あるいは「バンガソーム」と呼んでいたため、ワイスマンはよりユーザーフレンドリーなリポソームという用語を提案した。^{[16] [17]}

リポソームは、脂質二重層の形で疎水性膜に囲まれた水溶液コアを有し、コアに溶解した親水性溶質は二重層を容易に通過することができない。疎水性化学物質は二重層と結合する。この特性を利用して、疎水性分子および/または親水性分子をリポソームに充填することができ、このプロセスはカプセル化として知られている。 ^[18]通常、リポソームは、捕捉する化合物を含む溶液で調製され、タンパク質などの親水性化合物をカプセル化する場合は水溶液、^{[19] [20]}、または疎水性分子をカプセル化する場合は脂質を混合した有機溶媒の溶液のいずれかとなる。カプセル化技術は、リポソーム形成中の分子の確率的捕捉に依存する受動的と、荷電脂質または膜貫通イオン勾配の存在に依存する能動的の2種類に分類できる。^[18] 考慮すべき重要なパラメータは「カプセル化効率」であり、これはリポソーム溶液中に存在する化合物の量を調製中に使用された化合物の総初期量で割ったものとして定義されます。^[21] 最近の発展では、単一分子実験におけるリポソームの応用により、「単一実体カプセル化効率」の概念が導入されました。この用語は、特定のリポソームに必要な数の化合物のコピーが含まれる確率を指します。^[22]

分子を作用部位に送達するために、脂質二重層は細胞膜などの他の二重層と融合し、リポソームの内容物を送達することができる。しかしながら、これは複雑で非自発的な事象であり、^[23]栄養素や薬物送達には当てはまらない。DNAまたは薬物（通常は膜を透過して拡散できない）の溶液でリポソームを調製することにより、脂質二重層を通過して（無差別に）送達することができる。^[24]リポソームは、他の方法で薬物を送達するように設計することもできる。低（または高）pHのリポソームは、溶解した水性薬物が溶液中で荷電されるように（つまり、pHが薬物のpI範囲外になるように）構築することができる。リポソーム内でpHが自然に中和されると（プロトンは一部の膜を通過できる）、薬物も中和され、膜を自由に通過できるようになる。これらのリポソームは、直接的な細胞融合ではなく、拡散によって薬物を送達する働きをする。ただし、この pH 調節通路の有効性は、問題の薬物の生理化学的性質 (例: pKa および塩基性または酸性の性質) に依存しますが、多くの薬物では非常に低くなります。

同様のアプローチは、膜貫通pH勾配を持つ空のリポソームを注入することにより、薬物の生体解毒にも利用できます。この場合、小胞はシンクとして機能し、血液循環中の薬物を除去して毒性効果を防ぎます。^{[25]リポソーム薬物送達の別の戦略は、}エンドサイトーシスイベント をターゲットにすることです。リポソームは、自然なマクロファージ 貪食の有効なターゲットとなる特定のサイズ範囲で作ることができます。これらのリポソームは、マクロファージのファゴソーム内にある間に消化され、薬物を放出する可能性があります。リポソームは、他の細胞タイプでのエンドサイトーシスを活性化するために、オプソニンやリガンドで装飾することもできます。

pH 感受性リポソームに関しては、エンドサイトーシスを介して細胞内に薬剤を送達する 3 つのメカニズムがあります。^[26]これは、エンドソーム内の酸性環境により可能になります。^[26]最初のメカニズムは、エンドソーム内でリポソームを不安定化させることで、エンドソーム膜に孔が形成され、リポソームとその内容物が細胞質に拡散します。^[26]もう 1 つは、エンドソーム内のカプセル化された内容物が放出され、最終的にエンドソーム膜を通過して細胞質に拡散することです。 [ ^26]最後に、リポソームの膜とエンドソームが融合し、カプセル化された内容物が細胞質に放出され、接触時間が最小限であるため、リソソームレベルでの分解が回避されます。^[26]

ドキソルビシン（ドキシル）やダウノルビシンなどの特定の抗がん剤は、リポソームに封入して投与することができます。リポソームシスプラチンは、 EMEAから膵臓がんの希少疾病用医薬品の指定を受けています。 ^[27]ある研究では、新しいナノ粒子技術として、バルルビシンを充填した免疫リポソーム（Val-IL）の有効性と調製の容易さについて、有望な前臨床デモンストレーションが提供されています。血液がんの場合、Val-ILは、標的小胞を介した細胞死に基づく正確で効果的な治療法として使用できる可能性があります。^[28]

リポソームを使用してDNA を宿主細胞に導入または形質転換することをリポフェクションと呼びます。

遺伝子や薬物送達用途に加えて、リポソームは繊維への染料の送達、^[29]植物への農薬の送達、食品への酵素や栄養補助食品の送達、皮膚への化粧品の送達のためのキャリアとして使用することができます。^[30]

リポソームは、造影超音波検査で使用される一部のマイクロバブル造影剤の外殻としても使用されます。

最近まで、リポソームの臨床用途は標的薬物送達であったが、特定の食事および栄養補助食品の経口送達のための新しい用途が開発されている。^[31]リポソームのこの新しい用途は、従来の経口食事および栄養錠剤およびカプセルの吸収率と生物学的利用能が低いことに一部起因している。多くの栄養素の経口生物学的利用能と吸収率が低いことは、臨床的に十分に文書化されている。[ 32 ^{]したがって、}親油性および親水性栄養素をリポソーム内に自然にカプセル化することは、胃系および小腸の破壊的な要素を回避し、カプセル化された栄養素を細胞および組織に効率的に送達するための効果的な方法であると考えられる。^[33]

栄養補助食品という用語は、栄養素（nutrient）と医薬品（pharmacolate）を組み合わせた造語で、もともとスティーブン・デフェリスによって造られ、彼は栄養補助食品を「病気の予防や治療を含む医療または健康上の利益をもたらす食品または食品の一部」と定義しました。^[34]しかし、現在のところ、栄養補助食品を、食品（食事）サプリメント、ハーブ製品、プレバイオティクスおよびプロバイオティクス、機能性食品、強化食品などの他の食品由来のカテゴリーと区別するための決定的な定義はまだありません。^[35]一般的に、この用語は、日常の食事の栄養価に加えて健康上の利益をもたらすことが期待される食品源由来の製品を説明するために使用されます。これらの製品には、ビタミン、ミネラル、アミノ酸、必須脂肪酸、繊維、さまざまな植物やハーブの抽出物など、栄養的または生理学的効果（EU指令2002/46/EC）を持つさまざまな栄養素やその他の物質が含まれている可能性があります。リポソーム栄養補助食品には、健康増進効果のある生理活性化合物が含まれています。リポソームに生理活性化合物を封入することは魅力的です。なぜなら、リポソームは、経口摂取時に生理活性物質が消化管内で遭遇する深刻な障害を克服できることが示されているからです。^[36]

製造時に得られるリポソームの割合、実際に封入されるリポソームの量、リポソーム自体の実際の品質と長期安定性には、いくつかの要因が広範囲に影響を及ぼします。^[37]これらは、(1) リポソーム自体の実際の製造方法と調製、(2) リポソームの配合と製造に使用される原料リン脂質の構成、品質、および種類、(3) 安定しており封入された成分を保持する均一なリポソーム粒子サイズを作成する能力です。これらは、食事や栄養補助食品に使用するための効果的なリポソームキャリアを開発するための主要な要素です。

リポソーム調製方法の選択は、主に以下のパラメータに依存する：^{[38] [39]}

1. 封入される物質の物理化学的特性とリポソーム成分の物理化学的特性。
2. 脂質小胞が分散している媒体の性質
3. 捕捉された物質の有効濃度とその潜在的な毒性。
4. 小胞の適用/送達中に関与する追加のプロセス。
5. 意図された用途に対する小胞の最適なサイズ、多分散性および保存期間、および、
6. バッチ間の再現性と安全で効率的なリポソーム製品の大規模生産の可能性

有用なリポソームは、自発的に形成されることは稀である。典型的には、水などの極性溶媒中の（リン）脂質の分散液に十分なエネルギーを供給し、多重膜凝集体をオリゴ膜または単膜二重膜小胞に分解した後に形成される。^{[5] [24]}

したがって、リポソームは、リン脂質などの両親媒性脂質の分散液を水中で超音波処理することによって作成できます。 ^[8]低せん断速度により、多層リポソームが作成されます。タマネギのように多くの層を持つ元の凝集体は、徐々に小さくなり、最終的には単層リポソームになります（サイズが小さく、超音波処理によって生じた欠陥のため、不安定になることがよくあります）。超音波処理は、カプセル化する薬物の構造を損傷する可能性があるため、一般的に「粗雑な」調製方法と見なされています。押し出し、マイクロミキシング^{[40] [41] [42]}およびモザファリ法^{[43]などの新しい方法は、ヒト用材料の製造に使用されています。}ホスファチジルコリン以外の脂質を使用すると、リポソームの調製が大幅に容易になります。^[5]

リポソーム研究のさらなる進歩により、リポソームは体内の免疫系、特に網内系(RES) の細胞による検出を回避できるようになりました。これらのリポソームは「ステルス リポソーム」として知られています。これらは G. Cevc と G. Blume ^[44]によって最初に提案され、その後すぐに L. Huang とVladimir Torchilinのグループによって独立して提案され^[45]、膜の外側に PEG (ポリエチレングリコール) を散りばめて構築されています。体内で不活性なPEG コーティングにより、薬物送達メカニズムの循環寿命が長くなります。研究では、PEG 化リポソームが抗 IgM 抗体を誘発し、脂質投与量と注射間隔に応じて、再注射時にリポソームの血液クリアランスが向上することも示されています。^{[46] [47]} PEGコーティングに加えて、一部のステルスリポソームには、標的薬物送達部位での特定の発現を介して結合できるように、リポソームにリガンドとして結合したある種の生物種もあります。これらの標的リガンドは、モノクローナル抗体（免疫リポソームを形成）、ビタミン、または特定の抗原である可能性がありますが、アクセス可能でなければなりません。^[48]標的リポソームは、体内の特定の細胞タイプを標的とし、通常は全身に送達される薬剤を送達できます。自然に毒性のある薬剤は、病変組織にのみ送達される場合、全身毒性が大幅に低下します。形態学的にリポソームに関連するポリマーソームも、このように使用できます。また、形態学的にリポソームに関連するのは、非侵襲性の経皮物質送達用に設計された、トランスファーソームと呼ばれる高度に変形可能な小胞です。^[49]

リポソームは人工細胞のモデルとして使用されます。

リポソームは、細菌毒素の中和剤として、単独で、または従来の抗生物質と組み合わせて使用​​することができます。多くの細菌毒素は、宿主細胞膜の特定の脂質を標的とするように進化しており、それらの特定の脂質標的を含むリポソームによって誘引され、中和することができます。^[50]

2018年5月に発表された研究では、栄養失調や病気の植物を治療するための肥料栄養素の「ナノキャリア」としてのリポソームの使用の可能性も調査されました。結果は、これらの合成粒子が「裸の栄養素よりも植物の葉に浸透しやすい」ことを示しており、作物の収穫量を増やすためのナノテクノロジーの利用をさらに検証しています。^{[51] [52]}

機械学習はリポソーム研究に貢献し始めています。例えば、 深層学習は、脂質膜穿孔ペプチドと相互作用するショ糖負荷リポソームとヌクレオチド負荷リポソームを含む多段階バイオアッセイを監視するために使用されました。^[53]人工ニューラルネットワークは、酢酸ロイプロリド負荷リポソームの配合パラメータを最適化し^[54] 、リポソームの粒子サイズと多分散指数を予測するためにも使用されました。^[55]

• アゾトソーム
• ラメラ（細胞生物学）
• ラングミュア・ブロジェット膜
• 脂質二重層
• 標的薬物送達

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• リポソーム研究ジャーナル