ナノ医療

ナノ医療はナノテクノロジーの医療への応用である。^{[1]ナノ医療は、}ナノ材料や生物学的デバイスの医療への応用から、ナノ電子バイオセンサー、さらには生物学的機械などの分子ナノテクノロジーの将来の応用まで多岐にわたる。ナノ医療の現在の課題は、ナノスケール材料（構造がナノメートル、つまり10億分の1メートルのスケールである材料）の毒性と環境への影響に関連する問題を理解することである。^{[2] [3]}

ナノマテリアルは、生物学的分子や構造と結合することで機能性を付加できます。ナノマテリアルのサイズは、ほとんどの生物学的分子や構造とほぼ同じであるため、生体内および生体外の両方の生物医学研究や応用に役立ちます。これまで、ナノマテリアルと生物学の統合により、診断装置、造影剤、分析ツール、理学療法アプリケーション、薬物送達媒体の開発が進んでいます。

ナノメディシンは、近い将来、価値のある研究ツールと臨床的に有用なデバイスのセットを提供することを目指しています。^{[4] [5]}全米ナノテクノロジーイニシアチブは、高度な薬物送達システム、新しい治療法、および生体内イメージングを含む可能性のある製薬業界での新しい商業的用途を期待しています。^[6]ナノメディシンの研究は、米国国立衛生研究所の共通基金プログラムから資金提供を受けており、4つのナノメディシン開発センターをサポートしています。^[7]この新しい形態の科学に資金を提供する目的は、生体組織の生物学的、生化学的、および生物物理学的メカニズムをさらに開発することです。^[7]今日、より多くの医療および製薬会社がナノメディカルの研究と投薬に関与するようになっています。これには、免疫学および線維性疾患の薬物送達システムに焦点を当てているブリストル・マイヤーズスクイブ、COVID-19ワクチンとmRNA治療薬の研究で知られるモデルナ、およびがんに焦点を当て、現在標的細胞への放射線の効果を高める薬を試験中の会社であるナノバイオティクスが含まれます。その他の企業としては、遺伝子医薬品を専門とし、細胞を標的とした脂質ナノ粒子を開発したジェネレーションバイオ、急性骨髄性白血病の治療薬であるVyxeosを開発し、がんや神経科学に注力しているジャズファーマシューティカルズなどがある。サイティバは、mRNAワクチンや核酸を利用したその他の治療法を含む、非ウイルス性のゲノム医薬品の送達システムの製造を専門とする企業であり、ラティオファームは、さまざまながんの治療薬であるパゼニールの製造で知られている。最後に、パシラは疼痛管理を専門とし、オピオイドを使用しない初の治療薬である変形性膝関節症の治療薬ジルレッタの製造で知られている。^[8]

ナノ医療の売上高は2015年に160億ドルに達し、毎年少なくとも38億ドルがナノテクノロジーの研究開発に投資されています。近年、新興ナノテクノロジーへの世界的な資金は年間45％増加しており、2013年には製品売上高が1兆ドルを超えました。^[9] 2023年には、世界市場は1,895.5億ドルと評価され、今後10年間で5,000億ドルを超えると予測されています。^[8]ナノ医療産業は成長を続けており、経済に大きな影響を与えると予想されています。

ナノテクノロジーは、ナノ粒子を使用して特定の細胞に薬物を送達する可能性をもたらしました。^{[10] [11]}この薬物送達システムの使用は、1974年にグレゴリー・グレゴリアディスによって初めて提案され、化学療法用の薬物送達システムとしてリポソームの概要を説明しました。^[12]活性薬剤を患部のみに沈着させ、必要以上の投与量を控えることで、全体的な薬物消費量と副作用を大幅に減らすことができます。標的薬物送達は、消費量と治療費の削減に伴い、薬物の副作用を減らすことを目的としています。さらに、標的薬物送達は、健康な細胞への望ましくない曝露を最小限に抑えることで、粗薬物または天然薬物の副作用を減らします。薬物送達は、体の特定の場所と一定期間の両方でバイオアベイラビリティを最大化することに重点を置いています。これは、ナノエンジニアリングされたデバイスによる分子標的によって実現できる可能性があります。^{[13] [14]}医療技術にナノスケールを使用する利点は、より小さなデバイスは侵襲性が低く、体内に埋め込むことができる可能性があること、さらに生化学反応時間が大幅に短いことです。これらのデバイスは、一般的な薬物送達よりも高速で感度が高いです。^[15]ナノ医療による薬物送達の有効性は、主に次の要素に基づいています。a) 薬物の効率的なカプセル化、b) 身体の標的領域への薬物の送達の成功、c) 薬物の放出の成功。^[16] 2019年までにいくつかのナノ送達薬が市場に出回っていました。 ^[17]

薬物送達システム、脂質^[18]またはポリマーベースのナノ粒子は、薬物の薬物動態と生体内分布を改善するように設計できます。 ^{[19] [20] [21]}しかし、ナノ医療の薬物動態と薬力学は、患者によって大きく異なります。^[22]身体の防御機構を回避するように設計された場合、^{[23]ナノ粒子は、薬物送達を改善するために使用できる有益な特性を持ちます。細胞膜を通過して細胞}質に薬物を送達する能力を含む、複雑な薬物送達メカニズムが開発されています。誘発反応は、薬物分子をより効率的に使用するための1つの方法です。薬物は体内に配置され、特定の信号に遭遇したときにのみ活性化します。たとえば、溶解性の低い薬物は、親水性と疎水性の両方の環境が存在する薬物送達システムに置き換えられ、溶解性が向上します。^[24]薬物送達システムは、制御された薬物放出を通じて組織の損傷を防ぐこともできる場合があります。ナノ粒子は、薬物のクリアランス率を低下させたり、分布容積を低下させて非標的組織への影響を減少させたりすることができます。しかし、ナノサイズやマイクロサイズの物質に対する宿主の複雑な反応^[23]と、体内の特定の臓器を標的とすることの難しさのため、これらのナノ粒子の生体内分布はまだ不完全です。それでも、ナノ粒子システムの可能性と限界を最適化し、より深く理解するための多くの作業が現在も行われています。研究の進歩により、ナノ粒子によって標的化と分布を強化できることが証明されていますが、ナノ毒性の危険性は、その医療用途をさらに理解するための重要な次のステップとなります。^[25]ナノ粒子の毒性は、サイズ、形状、材質によって異なります。これらの要因は、蓄積や臓器の損傷にも影響します。ナノ粒子は長持ちするように作られていますが、そのため、分解または排泄できないため、臓器、特に肝臓と脾臓内に閉じ込められてしまいます。この非生分解性物質の蓄積は、マウスの臓器に損傷と炎症を引き起こすことが観察されています。^{[26]不均一な静止}磁場を使用して磁性ナノ粒子を腫瘍に送達すると、腫瘍の成長が促進される可能性があります。これを避けるためには、交流電磁場を使用する必要があります。^[27]

ナノ粒子は、抗生物質耐性を低下させる可能性や、さまざまな抗菌用途への応用が研究されている。 ^{[28] [29] [30] [31]ナノ粒子は、}多剤耐性（MDR）メカニズムを回避するためにも使用される可能性がある。^[10]

脂質ナノテクノロジーの進歩は、医療用ナノデバイスや新しい薬物送達システムの開発、およびセンシング用途の開発に役立った。^[32]予備研究中のマイクロRNA送達の別のシステムは、腫瘍を縮小させる可能性のある2つの異なるマイクロRNAの自己組織化によって形成されるナノ粒子である。^[33] 1つの潜在的な用途は、鉄ナノ粒子または金シェルを使用した可能性のある癌治療のための薬物とセンサーの能動放出のために調査されているナノ電気機械システムなどの小型電気機械システムに基づいています。 ^[34]ナノ粒子を使用する別の薬物送達システムは、アクアソームの使用です。アクアソームは、ナノ結晶中心を持つ自己組織化ナノ粒子で、ポリヒドロキシオリゴマーでできたコーティングで、目的の薬物で覆われており、脱水や構造変化から保護されます。^[12]

市販されている、またはヒト臨床試験中のナノテクノロジーベースの医薬品には、以下のものがあります。

• ドキシルはもともと、HIV関連のカポジ肉腫の治療薬としてFDAに承認されました。現在は卵巣がんや多発性骨髄腫の治療にも使用されています。この薬はリポソームに包まれており、流通中の薬の寿命を延ばすのに役立ちます。リポソームは自己組織化型の球状の閉じたコロイド構造で、水性空間を囲む脂質二重層で構成されています。リポソームは機能性を高めるのにも役立ち、特に心筋への薬のダメージを軽減するのに役立ちます。^[35]
• 転移性膵臓癌の治療薬としてリポソーム封入イリノテカンであるオニバイドは、2015年10月にFDAによって承認されました。^[36]
• ラパミューンは、移植後の臓器拒絶反応を防ぐため、2000年にFDAに承認されたナノクリスタルベースの薬剤です。ナノクリスタル成分により、薬剤の溶解性と溶解速度が向上し、吸収性が向上し、生物学的利用能が高まります。^[37]
• Cabenuva は、カボテグラビル徐放性注射用ナノ懸濁液およびリルピビリン徐放性注射用ナノ懸濁液の配合剤として FDA に承認されています。これは、安定した抗レトロウイルス療法でウイルス学的に抑制されている (HIV-1 RNA が 50 コピー/mL 未満) 成人の HIV-1 感染に対する治療の完全なレジメンとして適応されており、治療失敗歴がなく、カボテグラビルまたはリルピビリンのいずれに対しても耐性が知られていないか疑われていない患者における、現在の抗レトロウイルス療法の代替となります。これは、月に 1 回投与される HIV-1 感染成人に対する初の FDA 承認注射用完全なレジメンです。

生体内イメージングは​​、ツールやデバイスが開発されているもう一つの分野です。^{[38]ナノ粒子}造影剤を使用すると、超音波やMRIなどの画像の分布が改善され、コントラストが向上します。心血管イメージングでは、ナノ粒子は血液の溜まり、虚血、血管新生、アテローム性動脈硬化、炎症が存在する局所領域の可視化に役立つ可能性があります。^[38]

ナノ粒子はサイズが小さいため、腫瘍学、特に画像診断において非常に有用な特性を備えています。 ^[10]量子ドット（サイズ調整可能な発光などの量子閉じ込め特性を持つナノ粒子）をMRI（磁気共鳴画像）と組み合わせて使用​​すると、腫瘍部位の優れた画像を作成できます。セレン化カドミウムのナノ粒子（量子ドット）は、紫外線にさらされると光ります。注入されると、癌の腫瘍に浸透します。外科医は光る腫瘍を見て、より正確な腫瘍除去のガイドとして使用できます。これらのナノ粒子は有機染料よりもはるかに明るく、活性化に必要な光源は1つだけです。つまり、蛍光量子ドットを使用すると、コントラストの高い画像を、造影剤として現在使用されている有機染料よりも低コストで生成できます。ただし、欠点は、量子ドットが通常非常に有毒な元素でできていることですが、この問題は蛍光ドーパント、つまり蛍光を生成するために添加される物質を使用することで対処できます。^[39]

動きを追跡することで、薬物がどれだけうまく分布しているか、または物質がどのように代謝されているかを判断するのに役立ちます。体全体の小さな細胞群を追跡するのは難しいため、科学者は細胞を染色していました。これらの染料は、特定の波長の光で励起されて初めて光ります。異なる色の染料は異なる周波数の光を吸収しますが、細胞と同じ数の光源が必要でした。この問題を回避する方法は、発光タグを使用することです。これらのタグは、細胞膜を貫通するタンパク質に付​​着した量子ドットです。 ^[39]ドットはサイズがランダムで、生体不活性材料で作ることができ、色がサイズに依存するというナノスケールの特性を示します。結果として、量子ドットのグループを蛍光させるために使用される光の周波数が、別のグループを白熱させるために必要な周波数の偶数倍になるようにサイズが選択されます。その後、両方のグループを単一の光源で照らすことができます。彼らはまた、ナノ粒子^[40]を体の患部に挿入して、腫瘍の成長や縮小、あるいは臓器の障害を示す体の部分を光らせる方法も発見しました。 ^[41]

ナノテクノロジーオンチップは、ラボオンチップ技術のもう 1 つの側面です。適切な抗体に結合した磁性ナノ粒子は、特定の分子、構造、または微生物にラベルを付けるために使用されます。特にシリカナノ粒子は、光物理学的観点からは不活性であり、シェル内に多数の染料を蓄積できます。^[42]短いDNAセグメントでタグ付けされた金ナノ粒子は、サンプル内の遺伝子配列を検出するために使用できます。生物学的アッセイ用の多色光学コーディングは、異なるサイズの量子ドットをポリマーマイクロビーズに埋め込むことによって実現されています。核酸分析用のナノポア技術は、ヌクレオチドの文字列を直接電子署名に変換します。^[要出典]

数千本のナノワイヤを含むセンサーテストチップは、がん細胞が残したタンパク質やその他のバイオマーカーを検出でき、患者の血液数滴から早期のがんを検出および診断できる可能性があります。^[43] ナノテクノロジーは、関節鏡の使用を促進するのに役立っています。関節鏡は、ライトとカメラを備えた鉛筆サイズのデバイスで、外科医がより小さな切開で手術を行うことができます。切開が小さいほど、治癒時間が短くなり、患者にとって良いことです。また、関節鏡を髪の毛よりも小さくする方法を見つけるのにも役立っています。^[44]

ナノエレクトロニクスに基づく癌診断の研究は、薬局で実施できる検査につながる可能性がある。その結果は非常に正確であることが期待され、製品は安価になることが期待される。ごく少量の血液を採取し、約 5 分で体のあらゆる場所の癌を検出できる。その感度は従来の臨床検査の 1000 倍である。これらのデバイスは、癌タンパク質を検出するためにナノワイヤで構築されており、各ナノワイヤ検出器は、異なる癌マーカーに敏感になるように準備されている。^[34]ナノワイヤ検出器の最大の利点は、検査デバイスに追加のコストをかけずに、10 から 100 の類似した病状を検査できることである。^[45]ナノテクノロジーは、癌の検出、診断、治療のための腫瘍学の個別化にも役立ってきた。今では、各個人の腫瘍に合わせて調整できるため、パフォーマンスが向上する。癌の影響を受けている体の特定の部分を標的にできる方法が見つかっている。^[46]

透析は、サイズに関連した溶質の拡散と半透膜を介した液体の限外濾過の原理に基づいて機能しますが、ナノ粒子を使用した精製では、物質を特定の標的とすることができます。^[47]さらに、通常は透析できない大きな化合物も除去できます。^[48]

精製プロセスは、強磁性または超常磁性の特性を持つ機能化された酸化鉄または炭素被覆金属ナノ粒子に基づいています。 ^[49]タンパク質、^[47] 抗生物質、^[50]または合成リガンド^[51]などの結合剤は、粒子表面に共有結合しています。これらの結合剤は、凝集体を形成する標的種と相互作用することができます。外部磁場勾配を適用すると、ナノ粒子に力が加わり、ナノ粒子がバルク流体から分離され、汚染物質が除去されます。^{[52] [53]}これにより、敗血症の毒性を中和できますが、腎毒性と神経毒性のリスクがあります。^[54]

機能化ナノ磁石はサイズが小さく（< 100 nm）、表面積が大きいため、臨床的に使用されている表面吸着に基づく血液浄化技術である血液灌流法に比べて優れた特性があります。これらの利点には、高い負荷容量、標的化合物に対する高い選択性、高速拡散、低い流体力学的抵抗、および低い投与量要件が含まれます。^[55]

ナノテクノロジーは、適切なナノ材料ベースの足場と成長因子を使用して損傷した組織の再生、修復、または再形成を支援するために組織工学の一部として使用される可能性があります。成功すれば、組織工学は臓器移植や人工インプラントなどの従来の治療法に取って代わる可能性があります。グラフェン、カーボンナノチューブ、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどのナノ粒子は、骨組織工学用途の機械的に強力な生分解性ポリマーナノ複合材料を製造するための強化剤として使用されています。これらのナノ粒子をポリマーマトリックスに低濃度（約0.2重量％）で添加すると、ポリマーナノ複合材料の圧縮および曲げ機械特性が大幅に向上します。^{[56] [57]}これらのナノ複合材料は、機械的に強力で軽量な新しい骨インプラントとして機能する可能性があります。^[58]

例えば、肉溶接機は、赤外線レーザーで活性化された金でコーティングされたナノシェルの懸濁液を使用して、2つの鶏肉を1つの肉に融合させることが実証されました。これは、手術中に動脈を溶接するために使用できます。 ^[59]別の例は、腎臓へのナノ医療の使用である ナノ腎臓学 です。

過去20年間にわたる研究にもかかわらず、組織工学におけるナノテクノロジーの利用の可能性と意味はまだ完全には理解されていません。^[58]

今日、ウイルス性疾患に対するワクチンのかなりの割合がナノテクノロジーを使用して作成されています。固体脂質ナノ粒子は、SARS-CoV-2 （ COVID-19を引き起こすウイルス）に対するいくつかのワクチンの新しい送達システムを表しています。 ^[60]ここ数十年、ナノサイズのアジュバントは、標的ワクチン抗原に対する免疫応答を強化するために広く使用されています。アルミニウム、^{[61] 、} シリカ、粘土の無機ナノ粒子、およびポリマーと脂質に基づく有機ナノ粒子は、現代のワクチン製剤内で一般的に使用されているアジュバントです。^[62]キトサンなどの天然ポリマーのナノ粒子は、現代のワクチン製剤で一般的に使用されているアジュバントです。^[63] セリアナノ粒子は、サイズ、結晶性、表面状態、化学量論などのパラメータを変更することでアジュバント性を調整できるため、ワクチン応答の強化と炎症の緩和の両方に非常に有望であるようです。^[64]

さらに、ウイルスのようなナノ粒子も研究されています。これらの構造により、ワクチンはウイルスRNAをカプセル化することなく自己組織化することができ、非感染性で複製不可能になります。これらのウイルスのようなナノ粒子は、ウイルスカプシドタンパク質の自己組織化層を使用して強力な免疫反応を引き起こすように設計されています。^{[65] [60]}

神経電子インターフェースは、コンピューターが神経系に接続して相互作用できるようにするナノデバイスの構築に取り組む、先見の明のある目標です。このアイデアには、外部コンピューターによる神経インパルスの制御と検出を可能にする分子構造の構築が必要です。燃料補給可能なシステムとは、外部の音波、化学、テザー、磁気、または生物学的電気源によってエネルギーが継続的または定期的に補給されることを意味しますが、燃料補給不可能なシステムとは、すべての電力が内部エネルギー貯蔵から引き出され、エネルギーが枯渇すると動作が停止することを意味します。人間の血液やスイカなどの生体液からのグルコースを使用して、自己発電ナノデバイス用のナノスケール酵素バイオ燃料電池が開発されました。 ^{[66] [67] [68]}このイノベーションの制限の 1 つは、電力消費による電気干渉、漏電、または過熱の可能性です。構造の配線は、神経系に正確に配置する必要があるため、非常に困難です。インターフェースを提供する構造は、体の免疫システムと互換性がなければなりません。^[69]現在の研究では、記録の改善と干渉の低減を可能にするために電極用のナノ粒子コーティングを開発しています。^[70]

分子ナノテクノロジーは、分子アセンブラー（分子または原子レベルで物質を再編成できる機械）を設計する可能性を探るナノテクノロジーの仮説的なサブフィールドです。 ^{[要出典]ナノメディシンは、体内に導入されたこれらの}ナノロボットを使用して、損傷や感染を修復または検出します。分子ナノテクノロジーは高度に理論的なものであり、ナノテクノロジーがもたらす可能性のある発明を予測し、将来の調査の議題を提案することを目指しています。分子アセンブラーやナノロボットなどの分子ナノテクノロジーの提案された要素は、現在の能力をはるかに超えています。^{[1] [69] [71]}ナノメディシンの将来の進歩により、老化の原因と考えられている多くのプロセスの修復を通じて寿命が延びる可能性があります。ナノテクノロジーの創始者の一人であるK・エリック・ドレクスラーは、1986年の著書「創造のエンジン」の中で、細胞内で作動し当時仮説上の分子機械を利用するものも含めた細胞修復機械を提唱し、ロバート・フレイタスによる医療用ナノロボットに関する最初の技術的議論は1999年に登場した。 [ 1 ]未来学者でトランス^{ヒューマニスト}のレイモンド・カーツワイルは、著書「シンギュラリティは近い」の中で、高度な医療用ナノロボットが2030年までに老化の影響を完全に治せると考えていることを述べている。 ^[72]リチャード・ファインマンによると、ファインマンの理論上のマイクロマシン（ナノテクノロジーを参照）の医療用途のアイデアを最初に彼に提案したのは、彼の元大学院生で共同研究者のアルバート・ヒブスだった（  1959年頃） 。ヒッブスは、ある種の修復機械が将来的には（ファインマンの言葉を借りれば）「医者を飲み込む」ことが可能になるくらい小型化されるかもしれないと示唆した。このアイデアは、ファインマンの1959年のエッセイ「底辺には十分な余地がある」に盛り込まれた。^[73]

ナノ医療の開発が進み、病気の治療法としての可能性が広がるにつれ、規制上の課題が浮上してきました。このセクションでは、食品医薬品局（FDA）、欧州医薬品庁（EMA）、および各製造組織が直面している規制上の考慮事項と課題のいくつかを紹介します。企業が直面している主な課題は、再現可能な製造プロセス、スケーラビリティ、適切な特性評価方法の可用性、安全性の問題、および病気の異質性と患者の事前選択戦略に関する理解不足です。^[74]これらの課題にもかかわらず、いくつかの治療用ナノ医療製品がFDAとEMAによって承認されています。^{[74] [75]}市場で承認されるためには、これらの治療法は生体適合性、免疫毒性について評価され、前臨床評価を受ける必要があります。^[76]

現在承認されているナノ医療の範囲は主にナノドラッグですが、この分野が成長を続け、ナノ医療の応用が市場規模にまで進むにつれて、より大きな影響と規制監督が必要になります。^{[75] [77]}