1959年、ノーベル賞受賞の物理学者リチャード・ファインマンは、「底にはまだまだ十分な余地がある」という有名な言葉を残しました。彼は、物質をナノスケールで操作・制御することがもつ革命的な可能性について述べていたのです。
彼は、カリフォルニア工科大学で開催されたアメリカ物理学会の年次総会での名講演において、聴衆にこう問いかけました。「なぜ私たちは『 Encyclopaedia Britannica 』全24巻を針の頭の上に書き記せないのでしょうか？」
その後の50年間で、ナノテクノロジーの革新により、より長持ちする電池や、ナノスケールの特徴を持つ電子回路が生まれてきました。医療の分野でも、研究者はナノ粒子を用いて、組織、細胞、さらには分子レベルで病気を正確に標的とするようになりました。この分野は現在、一般に「ナノメディシン」と呼ばれています。
従来、医薬品は一つまたは複数の生物学的経路を標的とする小分子です。一方、未来型のナノメディシンは、薬剤と（天然または合成の）材料を組み合わせたもので、そのサイズは100～1000 nmです。これは、1列に並べた1000個でおおよそ人間の髪の毛の直径になる大きさです。これらの材料は通常、合成または天然のポリマーや脂質であり、疎水性の薬剤を包み込み、その溶解性を高めるためによく用いられます。薬剤を詰めたこれらの微小な「パケット」であるナノ粒子は血流中を移動し、病変部位で薬剤を放出します。
ナノメディシンで進行中の多くの刺激的な革新の中でも、今後数年で大きな成長を遂げると私たちが考える5つの分野を以下に挙げます：
刺激に応答するナノメディシン
研究者たちは長年、健康な組織に影響を与えずに（つまり副作用を最小限に抑えつつ）治療薬を病変部位に届ける方法を探してきました。固形腫瘍などの病変部位には、健康な組織とは異なる生理学的特徴があることが判明しています。例えば腫瘍の局所微小環境は、周囲の組織よりも酸性度が高く高温であることが示されていますが、この現象がすべての症例で観察されているわけではありません。
これらのナノ粒子を「スマート」と呼ぶのは、いささか誇張かもしれません。結局のところ、人工知能が組み込まれているわけではないのですから。しかし研究者は、pH、温度、さらにはがんの微小環境で過剰発現している酵素などの刺激に応答するナノ粒子を開発してきました。例えば、熱応答性ポリマーは腫瘍の微小環境において膨潤し、搭載した薬剤を放出します。
内因性（体内の）刺激とは別に、ナノ粒子は外部刺激、例えば磁場、光、超音波に応答するように設計することもできます。研究者は、酸化鉄ナノ粒子と抗がん剤の両方を含むナノ粒子を設計し、外部磁場を用いてそれらを腫瘍に集積させることに成功しています。
行き先を知っているナノメディシン
マサチューセッツ工科大学のロバート・ランガーによる先駆的な研究により、ナノ粒子は従来よりも著しく長い時間、血液循環に留まることが可能になりました。ポリ（エチレングリコール）（PEG）として知られる合成ポリマーをナノ粒子表面に結合させることで、ナノ粒子は数分ではなく最大24時間にわたり血中を循環することが示されました。
1994年の研究以降、科学者たちは、さらに高度な特性を備えた第二世代および第三世代のナノ粒子を設計してきました。これらのナノ粒子は、PEG鎖の表面に抗体、DNAやRNAのアプタマー、または低分子を結合させ、特定のがん組織へと送達させるものです。それは、はがきに宛先を書くようなものだと考えてください。例えば、がんは細胞表面の葉酸受容体を増加させることが知られています。そのため、表面に葉酸分子を提示したナノ粒子は、これらのがん細胞にさらに取り込まれやすくなります。
新たな方法で製造されるナノメディシン
ナノ粒子は、その特性を十分に制御できるよう、均一かつ再現性高く製造されることが極めて重要です。しかし、精密に設計された数百万から数十億ものナノ粒子を合成することは、容易な偉業ではありません。
ノースカロライナ大学チャペルヒル校のJoseph Desimone率いる科学者たちは、「非濡れテンプレートにおける粒子複製（PRINT）」と呼ばれる技術を開発し、サイズ、形状、表面化学、組成が高度に制御されたナノ粒子を製造しています。この方法では、ナノ粒子はテンプレートから鋳造され、その後剥がし取られます。その他の合成技術としては、マイクロ流体デバイスを用いてナノ粒子を合成することも含まれます。
ナノメディシン研究者は、銀、鉄、白金、金などの金属ナノ粒子を設計するために「グリーン合成」法を採用しています。細菌、菌類、藻類の増殖培地に金属塩を加えることで、微生物は与えられた金属イオンをナノ粒子へと変換する生物工場となります。
薬剤耐性菌（スーパーバグ）と闘うナノメディシン
抗生物質の不適切かつ過剰な使用により、抗生物質耐性を持つ細菌株が進化し、俗に「スーパーバグ」と呼ばれています。私たちの抗菌兵器は、これらのスーパーバグほど速くは進化していないため、ナノメディシンの研究者は、この増大する公衆衛生上の課題に取り組むために、巧妙なアプローチを採用してきました。
シンガポールのバイオエンジニアリング・ナノテクノロジー研究所のYi Yan Yang率いる研究者たちは、IBMリサーチとの共同研究で、手術用の表面、器具、インプラントを覆うための生体適合性かつ非毒性のヒドロゲルを開発しました。
汚染された表面に接触すると、ヒドロゲルの正電荷が負に帯電した微生物の膜を引き寄せ、細菌の膜を破裂させて死滅させます。このヒドロゲルは、接触から1分以内に、臨床的に関連する複数の微生物を死滅させることが示されており、その中にはメチシリン耐性の Staphylococcus aureus や多剤耐性の Mycobacterium tuberculosisなどのスーパーバグが含まれます。
免疫系を回避するナノメディシン
私たちの免疫系は、進化の過程で、体が「異物」とみなすものを排除するように作られています。しかし、この生まれながらの広範な監視機構は、病気の治療のために投与する薬物分子のかなりの割合も排除してしまいます。
この長年の課題に取り組むため、カリフォルニア大学サンディエゴ校のLiangfang Zhang率いる研究者たちは、自然から着想を得て生体模倣型ナノ粒子を設計しました。ハリー・ポッターの透明マントのように、赤血球の膜を単離し、それでポリマーのナノ粒子を覆うことで、ナノ粒子は免疫細胞から「見えない」状態にされ、血流中により長く循環するようになりました。
「細胞ゴースト」と呼ばれるこれらのナノ粒子は、血流中での滞留時間が長いため、頻繁な投与の必要性が減ります。Zhang氏らは、細胞ゴースト型ナノ粒子を、生物修復（汚染物質の除去）、ワクチン接種、がん治療薬の送達など、さまざまな用途に利用してきました。
The Annual Meeting of the New Champions 2015は、 9月9日から11日まで、中国の大連で開催されます。
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著者：Juliana Chanはナンヤン工科大学（シンガポール）の助教授であり、Young Global Leaderでもあります。Sangeetha Krishnamurthyは、ナンヤン工科大学のポスドク研究員です。
写真：2013年5月2日、ロンドンのUCL薬学部ナノメディシン研究所の光学顕微鏡上に置かれた、がん細胞の入ったトレイ。REUTERS/Suzanne Plunkett
