ナノ粒子による薬物送達

ナノ粒子薬物送達システムは、ナノ粒子を使用して治療薬を標的に送達し、放出を制御する技術です。現代の薬物送達システムは、副作用を最小限に抑え、投与量と投与頻度の両方を減らす必要があります。最近、ナノ粒子は効果的な薬物送達への潜在的な応用により注目を集めています。^[1]

ナノマテリアルは、より大規模なものと比較して、薬物送達システムに有益な異なる化学的および物理的特性または生物学的効果を示します。ナノ粒子の重要な利点としては、表面積対体積比が高いこと、化学的および幾何学的調整が可能であること、生体分子と相互作用して細胞膜を介した取り込みを促進する能力などが挙げられます。また、表面積が大きいため、標的化や制御放出の目的で、リガンドや抗体などの薬物や小分子との親和性も高くなります。

ナノ粒子とは、有機および無機の物質の大きなグループを指します。各物質は独自に調整可能な特性を持っているため、特定の用途に合わせて選択的に設計できます。ナノ粒子には多くの利点がある一方で、ナノ毒性、生体内分布と蓄積、人体によるナノ粒子の除去など、多くの課題もあります。

国立生物医学画像工学研究所は、ナノ粒子薬物送達システムの将来の研究について、次のような展望を発表しました。

1. 脳の疾患や障害における血液脳関門（BBB）の通過;
2. 治療が細胞内の正しい構造に到達することを保証するために標的細胞内送達を強化する;
3. 診断と治療を組み合わせる。^[2]

新しい薬物システムの開発には時間がかかり、前臨床動物研究に進む前に基礎研究と開発を完了するのに約7年かかります。^[3]

ナノ粒子による薬物送達は、薬物の効能を最大限に高め、細胞毒性を最小限に抑えることに重点を置いています。効果的な薬物送達のためにナノ粒子の特性を微調整するには、以下の要素に対処する必要があります。ナノ粒子の表面積と体積の比率を変更することで、より多くのリガンドが表面に結合できるようになります。 ^[4]リガンド結合効率を高めることで、投与量を減らし、ナノ粒子の毒性を最小限に抑えることができます。投与量または投与頻度を最小限に抑えると、薬物の質量あたりのナノ粒子の質量も低下し、効率が向上します。^[5]

ナノ粒子の表面機能化は、設計上のもう 1 つの重要な側面であり、多くの場合、バイオコンジュゲーションまたはナノ粒子表面への分子の受動吸着によって実現されます。薬物結合を強化したり、免疫反応を抑制したり、標的化/制御放出機能を提供したりできるリガンドでナノ粒子表面を機能化することで、効能の向上と毒性の低減の両方が実現されます。標的部位に送達される薬物が増えるほど効能が向上し、体内の薬物の総レベルを最小限に抑えることで毒性の副作用が軽減されます。

ナノ粒子の組成は、標的環境や望ましい効果に応じて選択できます。たとえば、リポソームベースのナノ粒子は送達後に生物学的に分解されるため、^[6]治療貨物が放出された後の蓄積と毒性のリスクを最小限に抑えることができます。

金ナノ粒子などの金属ナノ粒子は、低侵襲性の画像化技術を可能にする光学的特性（ナノマテリアルでも説明）を持っています。 ^[7]さらに、光刺激に対するナノ粒子の光熱応答は、腫瘍治療に直接利用できます。

現在のナノ粒子薬物送達システムは、そのプラットフォーム構成に基づいて、ポリマーナノ粒子、無機ナノ粒子、ウイルスナノ粒子、脂質ベースのナノ粒子、ナノ粒子アルブミン結合 (NAB) 技術など、いくつかのグループに分類できます。各グループには独自の特性があります。

ポリマーナノ粒子は、サイズが10～100 nmの合成ポリマーです。一般的な合成ポリマーナノ粒子には、ポリアクリルアミド^[8]、ポリアクリレート^[9]、キトサン^[10]などがあります。薬物分子は、重合中または重合後のいずれかに組み込むことができます。重合化学に応じて、薬物は共有結合したり、疎水性コアにカプセル化したり、静電的に結合したりすることができます。^{[9] [11]}ポリマーナノ粒子の一般的な合成戦略には、マイクロ流体アプローチ、^[12]電気滴下、^[13]高圧均質化、エマルジョンベースの界面重合などがあります。^[14] ポリマーの生分解性は、適切なナノ粒子化学を選択する際に考慮すべき重要な側面です。生分解性ポリマーで構成されたナノキャリアは、体内で加水分解され、乳酸やグリコール酸などの生体適合性のある小分子を生成します。^[15] ポリマーナノ粒子は、自己組織化や、非濡れ性テンプレートでの粒子複製（PRINT）などの他の方法によって作成することができ、これにより、小さな型を使用してナノ粒子の組成、サイズ、形状をカスタマイズすることができます。^[16]

デンドリマーは、単分散サイズ、明確な構造、および高度に機能化された末端表面を持つユニークな超分岐合成ポリマーです。デンドリマーは通常、合成または天然のアミノ酸、核酸、炭水化物で構成されています。治療薬は、静電相互作用、疎水性相互作用、水素結合、化学結合、または共有結合を介して、デンドリマーの内部または分岐の末端表面に比較的簡単に搭載できます。^{[17] [18] [16]}薬物-デンドリマー結合により、薬物の半減期を延ばすことができます。現在、デンドリマーの毒性^[19]と合成方法の制限により、生物系でのデンドリマーの使用は制限されています。^[20]デンドリマーはまた、狭いサイズ範囲（<15 nm）に限定されており、現在の合成方法では収率が低くなります。表面基は高生成レベルではデ・ジェンヌの密充填限界に達し、内部をバルク溶液から密閉します。これは疎水性で難溶性の薬物分子のカプセル化に役立ちます。密閉は隣接する表面基間の分子内相互作用によって調整でき、pH、極性、温度などの溶液の状態によって変化させることができるため、カプセル化と制御放出特性を調整するために利用できます。^[21]

無機ナノ粒子は、サイズ、形状、表面機能化などの特性が明確で、高度に調整可能なため、薬物送達システムにとって非常に価値のある機能的構成要素として浮上しています。無機ナノ粒子は、イメージングや診断から薬物送達に至るまで、生物学的および医学的用途に広く採用されています。^[22]無機ナノ粒子は通常、ナノ球を形成する金やチタンなどの不活性金属で構成されていますが、酸化鉄ナノ粒子も選択肢になっています。

量子ドット（QD）、または無機半導体ナノ結晶は、そのユニークなサイズ依存の光学特性と多様な表面化学のため、バイオナノテクノロジーの分野でも貴重なツールとして登場しました。その直径（2 - 10 nm）は励起子ボーア半径と同程度であり、「箱の中の粒子」モデルに類似した量子閉じ込め効果をもたらします。その結果、量子ドットの光学特性と電子特性はサイズによって変化します。より大きなサイズのナノ結晶は、蛍光励起時に低エネルギーの光を発します。^[23]

QDの表面エンジニアリングは、生物学的プロセスに参加できるナノ粒子と生体分子のハイブリッドを作成するために重要です。ナノクリスタルコアの組成、サイズ、構造を操作すると、QDの光物理的特性が変わります。有機シェルでQDコアをカプセル化するコーティング材料を設計すると、ナノクリスタルが生体適合性になり、QDをさらに生体分子で装飾して、生物学的ターゲットとのより特異的な相互作用を可能にすることができます。生物学的に適合した有機シェルと表面リガンドと組み合わせた無機ナノクリスタルコアの設計により、両方の材料の有用な特性、つまりQDの光学特性と付着したリガンドの生物学的機能を組み合わせることができます。^[24]

バイオナノテクノロジーにおける無機ナノ粒子の応用は材料科学の観点からは有望な進歩を示しているが、そのような材料の生体内使用は毒性、生体内分布、生体内蓄積に関連する問題によって制限されている。金属無機ナノ粒子システムは構成金属原子に分解されるため、これらの材料と生体システムの相互作用から問題が生じる可能性があり、治療後もかなりの量の粒子が体内に残り、金属粒子の蓄積につながり、毒性を引き起こす可能性がある。^[25]

しかし、最近、いくつかの研究により、ナノ粒子が変形して遊離金属イオンを放出するまで、特定のナノ粒子の環境毒性効果は明ら​​かにならないことが示されています。好気性および嫌気性条件下では、銅、銀、チタンのナノ粒子は低レベルまたは無視できるレベルの金属イオンを放出することがわかりました。これは、銅、銀、チタンのナノ粒子が金属イオンを放出するのが遅いため、環境中に低レベルで現れる可能性があることを示しています。^[26]さらに、ナノシェルコーティングは細胞環境での劣化を大幅に防ぎ、コアからの金属イオンの漏出を減らすことでQDの毒性も低減します。^[23]

有機ナノ結晶は、純粋な薬剤と安定化に必要な界面活性剤で構成されています。ナノ結晶は、平均粒子サイズがナノメートルの範囲にあるキャリアフリーのサブミクロンコロイド薬剤送達システムとして定義されています。薬剤をナノ結晶に配合することの主な重要性は、溶解媒体と接触する粒子の表面積が増加し、それによって生物学的利用能が向上することです。この方法で配合された多くの医薬品が市場に出回っています。^[27]

薬物送達が直面する問題の1つは、体内での薬物の溶解性です。創薬で発見された新規化学物質の約40％は水に溶けにくいです。^[28]この低い溶解性は、薬物のバイオアベイラビリティ、つまり薬物が循環系、ひいては標的部位に到達する速度に影響します。低いバイオアベイラビリティは、利便性、低コスト、患者の良好な診療のため、薬物投与の好ましい選択肢である経口投与で最もよく見られます。^[28]低いバイオアベイラビリティを改善する対策は、溶解剤を含む溶媒混合物に薬物を注入することです。^[29]しかし、結果から、この解決策は効果がなく、溶解剤が副作用や毒性を示していることが示されています。薬物送達に使用されるナノ結晶は、飽和溶解度と分散速度を高めることができます。一般的に、飽和溶解度は温度の関数であると考えられていますが、ナノ結晶に関しては、結晶構造や粒子サイズなどの他の要因にも基づいています。以下のオストワルド・フロイントリッヒの式はこの関係を示しています。

${\displaystyle log({\frac {C_{s}}{C_{\alpha }}})={\frac {2\sigma V}{2.303RT\rho r}}}$

ここで、C _sはナノ結晶の飽和溶解度、C _𝛼は非ナノスケールでの薬物の溶解度、σは物質の界面張力、Vは粒子のモル容積、Rは気体定数、Tは絶対温度、𝜌は固体の密度、rは半径である。^[28]ナノ結晶の利点は、経口吸収、バイオアベイラビリティ、作用発現を改善し、被験者間の変動を減らすことができることである。その結果、ナノ結晶は現在、抗うつ薬から食欲増進剤に至るまで様々な目的で生産されており、市場に出回っている。ナノ結晶は、トップダウン法とボトムアップ法の 2 つの異なる方法で生産することができる。ボトムアップ技術はナノ沈殿とも呼ばれる。この技術では、薬物を適切な溶媒に溶解し、次に非溶媒で沈殿させる。一方、トップダウン技術では、力を利用して粒子のサイズをナノメートルまで小さくします。これは通常、薬剤を粉砕することによって行われます。トップダウン方式は、溶解性が低い薬剤を扱う場合に好まれます。

薬物送達にナノ結晶を使用することの欠点は、ナノ結晶の安定性である。ナノ結晶構造の不安定性の問題は、粒子の凝集、非晶質化、バルク結晶化などの熱力学的プロセスに由来する。ナノスコピックスケールの粒子は、表面積対体積比が高いため、ギブス自由エネルギーが比較的過剰である。この過剰エネルギーを減らすには、凝集が起こるのが一般的に好ましい。したがって、個々のナノ結晶はそれ自体では比較的不安定であり、通常は凝集する。これは、ナノ結晶のトップダウン製造で特に問題となる。高圧均質化やビーズミル処理などの方法は、表面積を増やすことで不安定性を高める傾向がある。これを補うため、または高圧への反応として、個々の粒子が凝集したり、構造が非晶質になったりすることがある。^[30]このような方法は、飽和点を超えて溶解度を超え、薬物の再沈殿を引き起こす可能性もある（オストワルド熟成）。^[31] 凝集を克服し、ナノ結晶の安定性を維持または向上させる方法の 1 つは、安定分子を使用することです。ナノ結晶の表面と相互作用し、イオン反発または個々のナノ結晶間の立体障壁を介して凝集を防ぐこれらの分子には界面活性剤が含まれ、一般にナノ結晶の懸濁液を安定化させるのに役立ちます。^[30]ただし、界面活性剤の濃度が高すぎると、ナノ結晶の安定性が阻害され、結晶の成長または凝集が促進される可能性があります。特定の界面活性剤は、臨界濃度に達すると、ミセルに自己組織化し始め、その後、ナノ結晶表面で他の界面活性剤分子を奪い合うことが示されている。ナノ結晶表面と相互作用する表面分子が少なくなると、結晶の成長と凝集が増加すると報告されています。^[32]界面活性剤を最適な濃度で使用すると、安定性が向上し、キャリアとしての薬物容量が大きくなり、薬物の放出が持続すると報告されています。^[30] PEGを安定剤として使用した研究では、PEGで処理したナノ結晶は、PEGで処理していないものよりも腫瘍部位への蓄積が促進され、血液循環が向上したことがわかりました。^[33] トップダウン方式の製造では、非晶質化が発生する可能性があります。分子内配置が異なると、ナノ結晶の非晶質化により、薬物送達と動態に影響を与えるさまざまな熱力学的および運動学的特性がもたらされます。非晶質構造への移行は、スプレー乾燥、凍結乾燥、粉砕などの機械的メカニズムなどの製造方法によって発生すると報告されています。^[30]この非晶質化は、乾式粉砕工程において安定剤の有無にかかわらず観察されたと報告されている。しかし、界面活性剤を使用した湿式粉砕工程では、非晶質化が大幅に減少し、溶媒（この場合は水）と界面活性剤が、そうでなければ非晶質化を促進すると報告されているいくつかのトップダウン製造方法では非晶質化を阻害する可能性があることを示唆している。^[34]

リポソームは、合成または天然のリン脂質で構成された球状の小胞で、水溶液中で数十ナノメートルからマイクロメートルの大きさに自己組織化します。^[16]得られた小胞は、疎水性膜に囲まれた水性コアを持ち、治療目的でさまざまな疎水性または親水性分子を充填することができます。

リポソームは、通常、天然のリン脂質、主にホスファチジルコリンから合成されます。膜の剛性を調整し、安定性を高めるために、コレステロールが製剤に含まれることがよくあります。分子貨物は、水溶液中のリポソーム形成、溶媒交換メカニズム、または pH 勾配法によってロードされます。 ^[35]さまざまな分子をリポソームの表面に化学的に結合させて、認識特性を変更することもできます。1 つの一般的な変更は、ポリエチレングリコール (PEG) を小胞表面に結合させることです。親水性ポリマーは、マクロファージによる認識を防ぎ、クリアランスを低下させます。サイズ、表面電荷、および二重層の流動性も、リポソーム送達速度論を変更します。^[36] リポソームは、血流から標的部位近くの間質腔に拡散します。細胞膜自体はリン脂質で構成されているため、リポソームは膜と直接融合して貨物を細胞質に放出するか、または貪食または他の能動輸送経路を介して細胞内に入ることができます。リポソーム送達にはさまざまな利点がある。リポソームは薬物分子の溶解性、安定性、および吸収性を高める。ペプチド、ポリマー、およびその他の分子をリポソームの表面に結合させて標的送達することができる。さまざまなリガンドを結合させることで、受容体-リガンド相互作用に基づいて標的細胞への結合を容易にすることができる。小胞のサイズと表面化学を変化させて循環時間を長くすることもできる。米国では、FDA 承認のさまざまなリポソーム薬が臨床使用されている。アントラサイクリン系薬剤のドキソルビシンは、リン脂質コレステロールリポソームとともに送達され、エイズ関連のカポジ肉腫および多発性骨髄腫を高い有効性と低毒性で治療する。^[37]その他多くの薬剤が臨床試験中であり、リポソーム薬物送達は今日でも活発な研究分野であり、核酸療法、脳標的化、および腫瘍治療などの潜在的な用途がある。^{[38] [39]}

ウイルスは、遺伝子工学や遺伝子治療のための遺伝子送達に使用できます。一般的に使用されるウイルスには、アデノウイルス、レトロウイルス、およびさまざまなバクテリオファージが含まれます。ウイルス粒子の表面をリガンドで修飾して、標的化能力を高めることもできます。ウイルスベクターは非常に効果的に使用できますが、その自然な向性により、オフターゲット効果を引き起こす可能性があるという懸念があります。これには通常、ウイルスと細胞の相互作用を引き起こすタンパク質をキメラタンパク質に置き換える必要があります。^[40] ウイルスの使用に加えて、薬物分子をウイルスカプシドから得られたタンパク質粒子、またはウイルス様粒子（VLP）にカプセル化することもできます。VLPはウイルスよりも製造が容易で、構造が均一であるため、VLPを正確に大量に製造できます。VLPは表面を修飾しやすいため、標的送達が可能になります。分子をカプシドにパッケージ化する方法はさまざまですが、そのほとんどはカプシドの自己組織化能力を利用しています。 1 つの戦略は、カプシドの外側の pH 勾配を変えてカプシド表面に孔を作り、目的の分子を捕捉することです。他の方法では、ロイシンジッパーやポリマー DNA 両親媒性物質などの凝集剤を使用してカプシド形成を誘導し、薬物分子を捕捉します。また、カプシド表面の反応部位に薬物を化学的に直接結合させることも可能で、これにはアミド結合の形成が伴うことがよくあります。生物に導入された後、VLP は多くの場合、組織に広く分布し、急速に除去され、一般的に無毒です。ただし、ウイルスのように免疫反応を引き起こす可能性があるため、免疫マスキング剤が必要になる場合があります。^[41]

ナノ粒子アルブミン結合技術は、非共有結合によりタンパク質アルブミンを疎水性化学療法薬のキャリアとして利用します。アルブミンは既に疎水性粒子の天然キャリアであり、自身に結合した分子を輸送できるため、アルブミンで構成されたナノ粒子は臨床研究において多くの疾患の治療に効果的な戦略となっています。

理想的な薬物送達システムは、効果的な標的化と制御放出を備えている必要があります。 2 つの主要な標的化戦略は、受動的標的化と能動的標的化です。 受動的標的化は、腫瘍が異常な構造の血管を持ち、比較的大きな高分子やナノ粒子が蓄積しやすいという事実に基づいています。 このいわゆる透過性および保持効果(EPR) ^[42]により、薬物キャリアを腫瘍細胞に特異的に輸送できます。 能動的標的化は、その名前が示すように、はるかに特異的であり、細胞膜の表面での受容体-リガンド相互作用を利用することで実現されます。^[43]制御された薬物放出システムは、いくつかの方法で実現できます。 速度プログラムされた薬物送達システムは、膜を越えた活性物質の拡散に合わせて調整されています。^[44]別の送達-放出メカニズムは、放出が環境刺激によって引き起こされる活性化変調薬物送達です。刺激は、化学活性剤の導入や光や電磁場による活性化などの外部刺激や、体内で大きく変化するpH、温度、浸透圧などの生物学的刺激である。^{[45] [46] [47]}

ポリマーナノ粒子の場合、刺激応答性の誘導は通常、固有の刺激応答性を有するよく知られたポリマーに大きく依存しています。温度やpHの変化により可逆的な相転移を起こすことができる特定のポリマーが関心を集めています。^[48] 活性化変調送達に最も利用されているポリマーは、熱応答性ポリマーのポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)です。これは室温では水に容易に溶解しますが、温度が下限臨界溶解温度(LCST)を超えると可逆的に沈殿し、伸長鎖構造から収縮鎖構造に変化します。^[49]この特徴は、温度によってポリマーの親水性を変える方法を示しています。また、カプセル化された薬物の放出を制御するために利用できる、二重刺激応答性薬物送達システムにも重点が置かれています。例えば、ポリ(エチレングリコール)-b-ポリ(3-アミノプロピルメタクリルアミド)-b-ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(PEG-b-PAPMA-b-PNIPAm)のトリブロック共重合体は、下限臨界溶解温度以上で自己組織化してミセルを形成し、コアシェルコロナ構造を有する。また、pH応答性もある。そのため、温度またはpH条件のいずれかを変更することで薬物放出を調整することができる。^[50]

無機ナノ粒子の薬物送達戦略は、材料特性に依存します。無機ナノ粒子薬物キャリアの能動的な標的化は、多くの場合、ナノ粒子の特定のリガンドによる表面機能化によって実現されます。たとえば、無機多機能ナノ車両（5-FU / Fe3O4 / αZrP@CHI-FA-R6G）は、腫瘍の光学イメージングと治療を同時に実現できます。^[51]持続放出挙動により、癌細胞の場所に誘導できます。薬物放出の刺激としての局所近赤外（NIR）光に対する金ナノ粒子の応答に関する研究も行われています。ある研究では、薬物分子でカプセル化された二本鎖DNAで機能化された金ナノ粒子にNIR光を照射しました。粒子は熱を生成し、二本鎖DNAを変性させ、標的部位で薬物の放出を引き起こしました。^[52] 研究では、多孔質構造が持続放出またはパルス放出を達成するのに有益であることも示唆されています。多孔質無機材料は、さまざまな生理学的条件下で高い機械的・化学的安定性を示します。^[53]高い細孔容積、狭い細孔径分布、高い表面積などの明確に定義された表面特性により、薬物、タンパク質、その他の生体分子を捕捉し、予測可能で再現可能な放出パターンを実現します。^{[54] [55]}

ナノ粒子を効率的な薬物キャリアにする特性のいくつかは、毒性にも寄与している。例えば、金ナノ粒子は表面吸着によってタンパク質と相互作用し、貨物の積載や免疫シールドに利用できるタンパク質コロナを形成することが知られている。しかし、このタンパク質吸着特性は、特にタンパク質に露出した硫黄基が含まれている場合に、恒常性維持に不可欠な正常なタンパク質機能を破壊する可能性もある。^[56]腫瘍細胞を殺すために誘発される光熱効果は、周囲の健康な細胞に酸化ストレスを与える活性酸素種も生成する可能性がある。4〜5 nm未満のサイズの金ナノ粒子はDNAの溝に適合し、転写、遺伝子調節、複製、およびDNAとタンパク質の結合に依存するその他のプロセスを妨害する可能性がある。一部のナノ粒子の化学的性質は生分解性がないため、特定の組織に蓄積し、さまざまな生物学的プロセスを妨害する可能性がある。^[57]現在、米国にはナノ粒子が健康や環境に及ぼす一般的な影響を試験するための規制枠組みは存在しない。^[58]