米国政府が今、資金を提供している3つの未来型バイオテクノロジー・プログラム

FUTURE FRONTIERS
10月31日｜2018
Kira Peikoff

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特集記事バイオテクノロジー

バイオメディカルエンジニアのケビン・ザオは、腕と胸にセンサーを装着し、それらの組織内の酸素濃度をリアルタイムで監視している。

先月、国防総省の研究部門であるDARPAを祝う会議で、FBI特別捜査官のエドワード・ユーが、"21世紀は生命科学の革命になる "と宣言したのです。

バイオメディカルエンジニアのケビン・ザオは、腕と胸に酸素濃度をリアルタイムで監視するセンサーを装着している。
実際、4年前にはバイオテクノロジーを推進するためだけの新しいオフィスが設置された。その主な目的は、バイオテロと戦い、米軍を保護し、戦闘員の即応性を促進することである。しかし、その研究は一般市民の健康管理の改善にも引き継がれる可能性がある。

年間予算約30億ドルのDARPAの職員は、約250の研究開発プログラムを監督し、企業、大学、政府の研究所からの請負業者と協力して、新しい技術を実現するために働いています。

現在進行中の3つのプログラムをご紹介します。

1）酸素、乳酸、グルコースレベルをリアルタイムで測定する埋め込み型センサー

バイオメディカルエンジニアのケビン・ザオは、腕と胸にセンサーを装着し、それらの組織の酸素濃度をリアルタイムでモニターしています。DARPAの「In Vivo Nanoplatforms」プログラムによる資金提供を受けて、彼は柔らかく柔軟なハイドロゲルを開発した。このハイドロゲルは皮膚のすぐ下に注入してモニタリングを行い、スマートフォンのアプリと同期してユーザーに健康に関する洞察を即座に与える。

Zhao氏によると、このグルコースセンサーは現在ヨーロッパで糖尿病患者のモニタリングを目的とした初の人体実験が行われている。ボランティアは、甘いものを食べてグルコース値を急上昇させ、モニターにその変化を登録するよう促す。

「これがうまくいけば、FDAの承認を得て、消費者はセンサーを体の芯に埋め込んで、グルコース、酸素、乳酸のレベルを測定できるようになる」とZhaoは言う。

特に乳酸は、外傷や敗血症、感染症などの発症にいち早く反応する分子であるため、DARPAが関心を寄せているのです。

"センサーは、これらの（体内化学数値の）上昇を検出し、危険な病気の発症を防ぐためにユーザーに警告を発することができる可能性があります。"

2) パンデミック時のほぼ瞬時のワクチン防御

従来のワクチンは、開発までに数ヶ月から数年、そして接種してから効果が出るまでに数週間かかることがありました。しかし、未知のウイルスが出現した場合、無駄にしている暇はないのです。

P3」と呼ばれるこのプログラムでは、パンデミックを未然に防ぐために、より野心的なアプローチを想定しています。

このプログラム・マネージャーのマシュー・ヘップバーン大佐は、「我々は、治療薬を生産するためのバイオリアクターとして人体を利用するという、これまでとは違った方法で、ほぼ瞬時に防御を与えたいと考えています」と述べている。

では、どのように使うのだろうか？

パンデミックに対抗するためには、60日間に2万回分のワクチンが必要です。
ある感染症に対する抗体を持っていれば、その感染症から守られることになる。このアイデアは、特定の病原体に対する抗体の遺伝子コードを発見し、そのDNAとRNAの断片を製造し、そのコードを人の腕に注射することで、筋肉細胞が必要な抗体を作り始めるようにするものです。

ヘップバーン氏は、「驚くべきことは、少なくとも動物モデルでは、これが実際に機能することです」と言う。"マウスの筋肉は、マウスを保護するのに十分な量の抗体を作りました。"

次のステップは、このアプローチをヒトでテストすることで、このプログラムは、今後2年間かけてそれを行う予定です。

しかし、ヘップバーン氏によれば、難しいのは、実は、非常に強力な抗体の遺伝子コードを発見することではないのだそうです。実際、研究者たちはすでに2週間から4週間の期間でそれを実現している。

「難しいのは、一度抗体を作ると、大手の製薬会社は2年後には100〜200回分作れると言うことです。2万回投与できるようになるまでに4年ください。それじゃダメなんだ」とヘップバーンは言う。

パンデミックに対抗するためには、60日間で2万回分のワクチンが必要になる。

"薬を作るには10億ドル、10年かかる "という考えを根本から変えなければならない」と締めくくった。"根本的に違うことをやるんだ "と。

3）エピジェネティクスによる病原体曝露の迅速な診断

あなたが謎の病気にかかったとします。ウイルスやバクテリア、あるいは極端な大災害では大量破壊兵器による生物学的製剤が原因である可能性もある。

もし、あなたがどの病原体にいつさらされたかを30分以内に特定できる携帯機器があったらどうだろう？戦場にいる兵士だけでなく、治療を受けようとする一般市民にとっても、これは驚くべきことだろう。
これは、DARPA（米国国防高等研究計画局）の「Epigenetic Characterization and Observation」（ECHO）と呼ばれるプログラムの高い目標である。

この計画の成功は、エピゲノムと呼ばれる生物学的現象に依存しています。DNAは比較的不変ですが、環境はDNAの発現を変化させ、数秒から数分のうちにその痕跡を残し、その痕跡は何十年も続くことがあります。同じDNAを持つ一卵性双生児が、健康状態や気質、外見に違いがあるのは、エピゲノムのおかげです。

この3匹のマウスは遺伝学的に同一である。しかし、エピジェネティックな違いにより、観察される特性は大きく異なる。

(© 1994 Nature Publishing Group Duhl, D. et al. Neomorphic agouti mutations in obese yellow mice.「肥満イエローマウスの新型アグーチ変異」. Nature Genetics 8, 60.)

エピジェネティックマークを読み取れば、理論的には、体内の環境暴露の履歴をタイムスタンプで表示することができる。

ECHOプログラムの研究者たちは、曝露事象のシグネチャーのデータベースを作成し、想定している装置が、誰かのエピゲノムを素早くスキャンし、データベースを参照して診断を選別できるようにすることを計画しています。

ECHOプログラムマネージャーを技術的に支援している契約科学者のThomas Thomouは、「1つ難しいのは、この結果に、どの被曝であったかのサインに加えて、この被曝がいつ起こったかを示すタイムスタンプを付けることです」と言う。

その他の疑問は、今のところまだ宙に浮いたままである。すべての人間が、同じ曝露事象に対して同じエピジェネティックな反応を示すのだろうか？ウイルスと細菌による被曝を区別することは可能なのか？エピゲノム修飾のシグネチャーに、曝露量や曝露期間は影響するのか？

このプログラムは2019年1月にキックオフし、途中で開発の一定のマイルストーンに到達する限り、4年間継続する予定です。望ましいプロトタイプは、訓練を受けていない人でも、綿棒や指を刺して操作できるようなシンプルな装置となる。

「トモウ博士は、「感染症が発生したとき、公衆衛生の安全に大きな影響を及ぼす可能性のある問題に対して、非常に迅速な答えを与えてくれる、迅速に展開できる機械があれば、現場にいる全員がすぐに助かるでしょう」と述べています。