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ウイルスベクターとは、遺伝物質を細胞内に導入するために設計された改変ウイルスである。このプロセスは、生体内または細胞培養において行うことができる。ウイルスベクターは、基礎研究、農業、医療など幅広い分野で応用されている。
ウイルスは、感染した宿主へゲノムを輸送するための特殊な分子メカニズムを進化させており、このプロセスは形質導入と呼ばれています。この能力は、ウイルスベクターとして利用されており、ウイルスベクターは遺伝子カーゴ（トランスジーン）を宿主ゲノムに組み込むことができますが、組み込まないベクターも一般的に使用されています。ウイルスベクターは、農業や実験室研究に加え、遺伝子治療にも広く応用されています。2022年現在、承認されている遺伝子治療はすべてウイルスベクターを用いたものです。さらに、従来のワクチンと比較して、ウイルスベクターワクチンによって可能になる細胞内抗原発現は、より強力な免疫活性化をもたらします。
レトロウイルスからサイトメガロウイルスまで、様々な種類のウイルスがウイルスベクタープラットフォームとして開発されてきた。ウイルスベクターの種類によって、その強みと弱みは大きく異なり、それぞれ特定の用途に適している。例えば、レンチウイルスベクターのような比較的免疫原性が低く、遺伝子導入に適したベクターは、遺伝子治療によく用いられる。バクテリオファージと真核生物ウイルスの両方の特性を持つハイブリッドベクターなどのキメラウイルスベクターも開発されている。
ウイルスベクターは1972年にポール・バーグによって初めて開発されました。アシロマ会議後の組換えDNA研究の一時停止と米国国立衛生研究所の厳格な規制により、その後の開発は一時的に中断されました。一時停止が解除された1980年代には、初の組換えウイルスベクター遺伝子治療と初のウイルスベクターワクチンが開発されました。1990年代にはウイルスベクターは大きく進歩しましたが、臨床試験では数々の挫折があり、ジェシー・ゲルシンガーの死という悲劇的な結末を迎えました。しかし、21世紀に入るとウイルスベクターは再び注目を集め、様々な疾患の治療薬として世界的に承認されています。特にCOVID-19パンデミックの際には、数十億人の患者に投与されました。
ウイルスは、ゲノムを包むタンパク質コートからなる感染性因子であり、地球上で最も数の多い生物である。[ 1 ] [ 2 ]ウイルスは単独では複製できないため、細胞に感染し、宿主の複製機構を乗っ取って自身のコピーを作成する必要がある。[ 2 ]ウイルスは、 DNAまたはRNA（一本鎖または二本鎖）であるゲノムを宿主に挿入することによってこれを行う。[ 3 ]一部のウイルスは、プロウイルスの形で宿主のゲノムに直接組み込むことがある。[ 4 ]
外来遺伝物質を伝達するこの能力は、遺伝子工学者によってウイルスベクターの作成に利用され、目的のトランスジーンを標的細胞に導入することができる。 [ 2 ]ウイルスベクターは3つの構成要素からなる。[ 5 ] [ 6 ]
ウイルスベクターは基礎研究の現場で日常的に使用されており、例えば相補的DNA、短鎖ヘアピンRNA、または遺伝子編集用のCRISPR/Cas9システムをコードする遺伝子を導入することができます。[ 8 ]ウイルスベクターは、多能性幹細胞の誘導や成体体細胞を異なる細胞型に分化させるなど、細胞の再プログラミングに利用されています。[ 9 ]研究者は、実験用にトランスジェニックマウスやラットを作成するためにもウイルスベクターを使用しています。 [ 10 ]ウイルスベクターは、レポーター遺伝子の導入を介して生体内イメージングに使用できます。さらに、幹細胞への形質導入により、発生中の細胞系統の追跡が可能になります。[ 9 ]
遺伝子治療は、治療用トランスジーンの導入によって遺伝子発現を調節したり、その他の方法で影響を与えたりすることを目的としている。ウイルスベクターを用いた遺伝子治療は、ベクターを患者に直接投与する生体内投与、または患者から細胞を採取し、遺伝子導入を行い、改変した細胞を患者に再導入する生体外投与によって行うことができる。[ 11 ]ウイルスベクター遺伝子治療は植物にも使用でき、暫定的に作物の生産性を向上させたり、持続可能な生産を促進したりする可能性がある。[ 12 ]
遺伝子治療には、遺伝子置換、遺伝子サイレンシング、遺伝子導入、遺伝子編集の4つの大まかなカテゴリーがあります。 [ 11 ] [ 13 ]他の非統合型遺伝子治療アプローチと比較して、ウイルスベクターによって導入されたトランスジーンは、数年にわたる発現を提供します。[ 14 ]
ワクチンプラットフォームとして使用する場合、ウイルスベクターは、感染症に関連する特定の抗原または腫瘍抗原を運ぶように設計できます。[ 15 ] [ 16 ]従来のワクチンは、独自の免疫回避戦略と病原性の違いにより、一部の病原体に対する防御には適していません。[ 17 ]例えば、ウイルスベクターベースのワクチンは、最終的にHIV-1とマラリアに対する免疫を提供する可能性があります。[ 18 ]
従来のサブユニットワクチンは体液性免疫応答を誘導するが、[ 19 ]ウイルスベクターは細胞内抗原発現を可能にし、直接提示経路とクロスプレゼンテーション経路の両方を介してMHC経路を活性化する。これにより、強力な適応免疫応答が誘導される。[ 20 ] [ 21 ]ウイルスベクターワクチンは、自然免疫系の活性化と病原体関連分子パターンの発現を介して固有のアジュバント特性も有しており、追加のアジュバントを必要としない。[ 22 ] [ 15 ]他のワクチンタイプと比較してより強力な免疫応答に加えて、ウイルスベクターは効率的な遺伝子導入を提供し、特定の細胞タイプを標的にすることができる。[ 19 ]ただし、ベクターとして使用されるウイルスに対する既存の免疫は重大な問題となる可能性がある。[ 18 ]
2020年以前は、ウイルスベクターワクチンは広く投与されていましたが、獣医学に限られていました。[ 22 ] COVID-19パンデミックに対する世界的な対応において、ウイルスベクターワクチンは基本的な役割を果たし、特に低所得国および中所得国で数十億人に投与されました。[ 23 ]
レトロウイルス（エンベロープを持つRNAウイルス）は、遺伝物質を宿主ゲノムに組み込む能力があるため、人気の高いウイルスベクタープラットフォームである。[ 2 ]レトロウイルスベクターは、ガンマレトロウイルスベクターとレンチウイルスベクターの2つの主要なクラスに分類される。両者の根本的な違いは、ガンマレトロウイルスベクターは分裂細胞にのみ感染できるのに対し、レンチウイルスベクターは分裂細胞と休止細胞の両方に感染できる点である。[ 24 ]特に、レトロウイルスゲノムは一本鎖RNAで構成されており、インテグラーゼなどのウイルス蛋白質を介して宿主ゲノムに組み込まれる前に、逆転写と呼ばれるプロセスを経てプロウイルス二本鎖DNAに変換されなければならない。[ 25 ]
最も一般的に使用されているガンマレトロウイルスベクターは、さまざまな哺乳類細胞型に形質導入できる改変モロニーマウス白血病ウイルス（MMLV）です。MMLVベクターは、いくつかの発がん事例と関連付けられています。 [ 26 ]ガンマレトロウイルスベクターは、体外造血幹細胞に適用され、複数の遺伝性疾患の治療に成功しています。[ 27 ]
ほとんどのレンチウイルスベクターはヒト免疫不全ウイルス1型（HIV-1）由来であるが、改変されたサル免疫不全ウイルス（SIV）、ネコ免疫不全ウイルス（FIV）、ウマ伝染性貧血ウイルス（EIAV）も利用されている。[ 24 ]すべての機能遺伝子が除去または変異されているため、ベクターは細胞障害性ではなく、非組み込み型に設計することができる。[ 28 ]
レンチウイルスベクターは最大10 kbの外来遺伝物質を運ぶことができるが、2023年時点では3～4 kbが最適であると報告されている。[ 24 ] [ 28 ]他のウイルスベクターと比較して、レンチウイルスベクターは、宿主内で一本鎖レンチウイルスRNAからDNAへの逆転写中に3本鎖の「DNAフラップ」が形成されるため、最大の形質導入能力を持つ。[ 28 ]
レンチウイルスベクターは、炎症をほとんど引き起こさないものの、[ 29 ]記憶型細胞傷害性T細胞およびヘルパーT細胞による強力な適応免疫応答を誘導することができる。[ 30 ]これは主に、T細胞を活性化する樹状細胞に対するレンチウイルスベクターの高い指向性によるものである。 [ 30 ]しかし、あらゆる種類の抗原提示細胞に感染することができる。[ 31 ]さらに、分裂細胞と非分裂細胞の両方を効率的に形質導入できる唯一のレトロウイルスベクターであるため、最も有望なワクチンプラットフォームとなっている。[ 31 ]また、がんに対するワクチンとしても試験されている。[ 32 ]
レンチウイルスベクターは、血友病Bなどの遺伝性疾患の直接治療などの生体内治療や、CAR T細胞療法における免疫細胞修飾などの体外治療に使用されてきました。[ 24 ] 2017年、米国食品医薬品局（FDA）は、急性リンパ性白血病の治療薬として、レンチウイルスベクターであるティサゲンレクルセルを承認しました。[ 33 ]
アデノウイルスは、アデノウイルス科に属する二本鎖DNAウイルスです。[ 34 ] [ 35 ]約30～45kbという比較的大きなゲノムを持つため、遺伝子導入に理想的な候補となります。[ 34 ]新しいアデノウイルスベクターは、最大37kbの外来遺伝物質を運ぶことができます。[ 36 ]アデノウイルスベクターは、高い形質導入効率とトランスジーン発現を示し、分裂細胞と非分裂細胞の両方に感染することができます。[ 37 ]
アデノウイルスのカプシドは正二十面体で、12個の頂点のそれぞれに繊維状の「こぶ」があります。これらの繊維タンパク質は細胞への侵入を媒介し、その有効性に大きく影響し、特にコクサッキーウイルス・アデノウイルス受容体（CAR）を介してその幅広い指向性に寄与します。[ 34 ] [ 37 ]アデノウイルスベクターは強力な自然免疫応答と獲得免疫応答を誘導することができます。[ 38 ]その強い免疫原性は、特に樹状細胞（DC）の形質導入によるもので、MHC IおよびII分子の両方の発現を上方制御し、DCを活性化します。[ 39 ]それらはいくつかの病原体関連分子パターンを示すため、強力なアジュバント効果があります。[ 38 ]欠点の1つは、アデノウイルス血清型に対する既存の免疫が一般的であり、有効性が低下することです。[ 37 ] [ 40 ]チンパンジーアデノウイルスの使用はこの問題を回避する可能性がある。[ 41 ]
自然免疫応答と獲得免疫応答の両方の活性化は多くの治療用途の障害となるが、アデノウイルスベクターは理想的なワクチンプラットフォームとなる。[ 35 ] COVID-19パンデミックに対する世界的な対応では、スプートニクV、オックスフォード・アストラゼネカワクチン、ヤンセンワクチンなど、複数のアデノウイルスベクターワクチンが開発され使用された。[ 42 ]
アデノ随伴ウイルス（AAV）は、パルボウイルス科に属する比較的小型の一本鎖DNAウイルスであり、レンチウイルスベクターと同様に、分裂細胞と非分裂細胞の両方に感染することができる。[ 43 ]ただし、AAVは、宿主内で複製するためにアデノウイルスや単純ヘルペスウイルスなどの「ヘルパーウイルス」の存在を必要とするが、細胞ストレスが誘導された場合やヘルパーウイルス遺伝子がベクターによって運ばれた場合は、独立して複製することができる。[ 44 ]
AAVは宿主ゲノムの特定の部位、特にヒトでは19番染色体のAAVS1に挿入される。しかし、組み込みをしない組換えAAVも設計されている。これらはエピソームとして保存され、非分裂細胞では数年間持続する可能性がある。[ 45 ]欠点の1つは、大量の外来遺伝物質を運ぶことができないことである。さらに、一本鎖ゲノムの相補鎖を発現させる必要があるため、トランスジーンの発現が遅れる可能性がある。[ 45 ]
2020年現在、カプシド構造によって異なり、結果として指向性も異なる11種類のAAV血清型が同定されている。[ 43 ]アデノ随伴ウイルスベクターの指向性は、複数の血清型から組換えバージョンを作成することで調整でき、これはシュードタイピングと呼ばれる。[ 43 ] AAVは、非分裂細胞内で感染して長期にわたる効果を誘導する能力があるため、基礎神経科学研究で一般的に使用されている。[ 46 ] 2012年にヨーロッパでAAV Alipogene tiparvovecが承認された後、 [ 47 ] 2017年にFDAは、RPE65関連レーバー先天性黒内障を治療する最初のAAVベースの生体内遺伝子治療薬であるvoretigene neparvovecを承認した。[ 33 ] 2020年現在、AAVベースの治療薬を使用した230の臨床試験が進行中または完了している。[ 47 ]
ワクシニアウイルスは、ポックスウイルスの一種であり、ウイルスベクター開発の有望な候補の一つである。[ 48 ] 1798年にエドワード・ジェンナーによって初めて報告された天然痘ワクチンとしての使用は、天然痘の根絶につながり、ワクシニアがヒトに対して安全かつ効果的であることを証明した。[ 49 ] [ 48 ]さらに、天然痘ワクチンの備蓄を大量生産するために開発された製造手順は、ワクシニアウイルスベクターの生産を加速させる可能性がある。[ 50 ]
ワクシニアウイルスは大きなDNAゲノムを持ち、その結果、最大40kbの外来DNAを運ぶことができる。[ 49 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 51 ]さらに、ワクシニアウイルスは宿主ゲノムに組み込まれる可能性が低く、発がんの可能性が低くなる。[ 51 ]複製型と非複製型の弱毒株が開発されている。[ 49 ]天然痘に対する使用により広く特徴づけられているが、2019年の時点でワクシニアウイルスゲノムの50%の機能は不明であった。これは予測不可能な影響につながる可能性がある。[ 52 ]
ワクチンプラットフォームとして、ワクシニアウイルスベクターは、非常に効果的な遺伝子発現を示し、強力な免疫応答を引き起こします。[ 50 ]ウイルスは速効性があり、そのライフサイクルは6時間以内に成熟した子孫ワクシニアウイルスを生成し、3つのウイルス拡散メカニズムを持っています。[ 52 ]ワクシニアウイルスは、トール様受容体を介して強力な自然免疫応答を活性化するアジュバント効果も持っています。[ 50 ]しかし、天然痘ワクチンを接種した人にワクシニアウイルスに対する既存の免疫があることは、その有効性を低下させる重大な欠点です。[ 50 ]
ヒトに感染する9種類のヘルペスウイルスのうち、単純ヘルペスウイルス1型（HSV-1）は最もよく特徴づけられており、ウイルスベクターとして最も一般的に使用されています。[ 53 ] HSV-1にはいくつかの利点があります。幅広い指向性があり、特殊な発現システムを介して治療薬を投与できます。[ 54 ]さらに、HSV-1は医学的に阻害されると血液脳関門を通過できるため、神経疾患を標的にすることができます。また、HSV-1は宿主ゲノムに組み込まれず、大量の外来DNAを運ぶことができます。前者の特徴は、レトロウイルスベクターやアデノ随伴ウイルスベクターで起こりうる有害な突然変異を防ぎます。複製欠損株が開発されています。[ 55 ]
2015年、抗腫瘍免疫応答を誘発するHSV-1ベクターであるタリモゲン・ラヘルパレプベックが、メラノーマの治療薬としてFDAに承認された。[ 56 ] 2020年現在、HSV-1ベクターは、肉腫や脳、結腸、前立腺、皮膚の癌に対して実験的に適用されている。 [ 57 ]
ヘルペスウイルスの一種であるサイトメガロウイルス（CMV）も、ウイルスベクターとして開発されている。[ 58 ] CMVはほとんどの細胞型に感染し、全身で増殖することができる。CMVベースのワクチンはマカクザルにおいてHIVに近縁なSIVに対する有意な免疫をもたらしたが、CMVを信頼できるベクターとして開発することは2020年の時点でまだ初期段階にあると報告されている。[ 59 ] [ 60 ]
植物ウイルスは、農業、園芸、生物生産で使用するための遺伝子操作されたウイルスベクターでもある。[ 61 ]これらのベクターは、観賞植物の美的品質の向上から害虫の生物的防除、組換えタンパク質やペプチドの迅速な発現、作物育種の加速まで、さまざまな用途に利用されてきた。 [ 62 ]遺伝子操作された植物ウイルスの使用は、作物のパフォーマンスを向上させ、持続可能な生産を促進するために提案されている。[ 12 ]
複製ウイルスベースのベクターが一般的に使用されます。[ 63 ]単子葉植物に使用されるRNAウイルスには、コムギ縞モザイクウイルスとオオムギ縞モザイクウイルスがあり、双子葉植物にはタバコラトルウイルスがあります。ジェミニウイルスのような一本鎖DNAウイルスも利用されています。[ 63 ]ウイルスベクターは、摩擦、バイオリスティックデリバリーシステム、アグロスプレー、アグロインジェクション、さらには昆虫ベクターなど、「アグロ接種」と呼ばれるいくつかの経路を介して植物に投与できます。[ 64 ] [ 62 ]しかし、ウイルスベクター構築物をコードするプラスミドDNAで細菌を形質転換するアグロバクテリウムを介したウイルスベクターのデリバリーが最も一般的なアプローチです。[ 65 ]
バクテリオファージと真核生物ウイルスを組み合わせたキメラベクターが開発され、真核細胞に感染することが可能になった。[ 66 ] [ 67 ]真核生物ウイルスベースのベクターとは異なり、このようなバクテリオファージベクターは真核細胞に対する固有の指向性を持たないため、癌細胞に非常に特異的になるように設計することができる。[ 68 ]
バクテリオファージベクターは分子生物学でも一般的に使用されています。[ 69 ]例えば、バクテリオファージベクターはファージアシスト連続進化で使用され、細菌の急速な突然変異を促進します。[ 70 ]マイコバクテリオファージとグラム陰性細菌のいくつかのファージに限られますが、バクテリオファージは直接クローニングに使用できます。[ 71 ]
ウイルスベクターの製造方法はベクターによって異なることが多いが、ほとんどの場合、哺乳類細胞を用いた接着培養または浮遊培養システムが利用される。[ 72 ]小規模な実験室環境でのウイルスベクター生産には、ペトリ皿などの静置細胞培養システムが一般的に使用される。[ 73 ]
実験室で使用されるこれらの技術はスケールアップが難しく、工業規模では異なるアプローチが必要となる。[ 72 ]大型の使い捨て培養システムやバイオリアクターは、製造業者によって一般的に使用されている。[ 72 ]ガス透過性表面を持つ容器などは、細胞培養密度と溶液トランスデューサーユニットを最大化するために使用される。[ 72 ]容器によっては、ウイルスは上清から直接分離することも、培養細胞の化学的溶解またはマイクロフルイダイゼーションによって分離することもできる。[ 74 ] 2017年、ニューヨーク・タイムズは、不活化ウイルスの製造バックログにより、一部の遺伝子治療試験が数年遅れていると報じた。[ 75 ]
1972年、スタンフォード大学の生化学者ポール・バーグは、ラムダファージのDNAをポリオーマウイルスSV40に組み込んで培養中の腎臓細胞に感染させる最初のウイルスベクターを開発した。 [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]この成果の意味合いは、ロバート・ポラックのような科学者を悩ませ、彼らはバーグにバクテリオファージベクターを介してSV40のDNAを大腸菌に導入しないよう説得した。彼らは、SV40の癌を引き起こすとされる遺伝子を導入すると、発癌性細菌株が作られることを恐れた。[ 79 ] [ 80 ]これらの懸念や、新興分野である組換えDNAに関するその他の懸念が、1975年のアシロマ会議につながり、出席者はDNAクローニングの自主的な一時停止に合意した。[ 81 ]
1977年、米国国立衛生研究所（NIH）は、ウイルスDNAクローニングを厳格なBSL-4条件下に限定する正式なガイドラインを発行し、事実上そのような研究を阻止した。しかし、NIHは1979年にこれらの規則を緩和し、バーナード・モスがワクシニアウイルスを利用したウイルスベクターを開発することを許可した。[ 81 ] 1982年、モスはウイルスベクターを一時的な遺伝子発現に初めて使用したことを報告した。[ 18 ]翌年、モスはワクシニアウイルスベクターを使用してB型肝炎抗原を発現させ、最初のウイルスベクターワクチンを作成した。[ 22 ]
医学のあらゆる分野には、決定的な瞬間があり、多くの場合、そこには人間の顔が伴う。ポリオにはジョナス・ソークがいた。体外受精には、世界初の試験管ベビーであるルイーズ・ブラウンがいた。臓器移植手術には、人工心臓を開発したシアトルの歯科医、バーニー・クラークがいた。エイズにはマジック・ジョンソンがいた。そして今、遺伝子治療にはジェシー・ゲルシンガーがいる。
野生型ショーペ乳頭腫ウイルスを用いた遺伝子治療の試みは1972年には既に失敗に終わっていたが、マーティン・クラインは1980年に組換えDNAを用いた最初の遺伝子治療を試みた。しかし、これは成功しなかった。[ 83 ] [ 11 ] 1990年代には、遺伝性疾患がさらに特徴づけられ、ウイルスベクター技術が向上するにつれて、この技術の能力に対する楽観論が高まった。多くの臨床試験は失敗に終わった。[ 84 ]重症複合免疫不全症（SCID）に対する最初の効果的な遺伝子治療など、いくつかの成功例もあった。この治療ではレトロウイルスベクターが用いられた。[ 11 ]
しかし、1999年にペンシルベニア大学で行われた臨床試験中に、ジェシー・ゲルシンガーはアデノウイルスベクターを用いた遺伝子治療に対する致命的な反応で死亡した。[ 82 ] [ 84 ]これは、あらゆる形態の遺伝子治療に関連した最初の死亡例であった。[ 85 ]その結果、FDAはペンシルベニア大学でのすべての遺伝子治療試験を中止し、全米で他の60件の試験を調査した。[ 85 ] Nature Medicine誌の匿名の社説は、これはウイルスベクターの「無垢の喪失」を意味すると指摘した。[ 84 ]その後まもなく、SCID遺伝子治療を受けた5人の子供がレトロウイルスベクターの問題により白血病を発症したことで、この分野の評判はさらに傷ついた。 [ 84 ] [注1 ]
ウイルスベクターは、臨床現場で体外造血遺伝子導入に成功裏に使用されたことで再び注目を集めました。 [ 86 ] 2003年、中国は臨床使用のための最初の遺伝子治療薬である、p53をコードするアデノウイルスベクターであるGendicineを承認しました。[ 87 ] [ 88 ] 2012年、欧州連合は、アデノ随伴ウイルスベクターによる遺伝子治療薬を初めて承認しました。[ 89 ] COVID-19パンデミックの間、ウイルスベクターワクチンは前例のない規模で使用され、数十億人に投与されました。[ 90 ] [ 22 ] 2022年現在、承認されたすべての遺伝子治療薬はウイルスベクターベースであり、がんを標的とした1000を超えるウイルスベクター臨床試験が進行中です。[ 86 ]
In film, viral vectors are often portrayed as unintentionally causing a pandemic and civilizational catastrophe.[91] The 2007 film I Am Legend depicts a cancer-targeting viral vector as unleashing a zombie apocalypse.[92][93] Similarly, a viral vector therapy for Alzheimer's disease in Rise of the Planet of the Apes (2011) becomes a deadly pathogen and causes an ape uprising. Other films featuring viral vectors include The Bourne Legacy (2012) and Resident Evil: The Final Chapter (2016).[94] An advanced form of viral vector vaccine is a critical story element in Jurassic World Dominion (2022), in which it is used to cure a character's genetic disorder and later to stop a man-made ecological crisis.