熊本大学 研究生院生命科学研究部 制剂设计学领域 副教授
2022年起担任A-STEP研究负责人
“创新日本走访” 系列采访旨在介绍与社会应用为目标的研发一线。第17回介绍熊本大学研究生院生命科学研究部制剂设计学领域的东大志副教授，他利用超分子的特性，研发了将多种生物化合物有效导入细胞的 “变化自如聚合物” 并推进实用化。
以聚轮烷作为基础骨架
名副其实的 “超越分子的分子”
熊本大学正在开发使用超分子将核酸和蛋白质等多种生物化合物高效输送到细胞中的划时代药物搬运系统，为此我们前往该校大江区进行了采访。大江校区坐落在安静的住宅区域，校内种植有多种药用植物的药草园。在2024年迎来建校50周年的研究生院生命科学研究部制剂设计学研究室里，东大志副教授正在进行将生物化合物搬运到细胞中的“变化自如聚合物”的研发工作。
东大志副教授开发的聚合物以 “聚轮烷（Polyrotaxane）” 为基础骨架的超分子构成。超分子是由多个分子聚集而成的、整体表现如同一个分子的物质。由于超分子能够发挥单独分子无法实现的多种功能，所以被称为 “超越分子的分子”，并被广泛关注。东副教授表示，以超分子为专业的药学人员很少，而这正是他的优势所在。
聚轮烷是一种由被称为 “环糊精” 的多个珠状分子穿在细长绳子状分子聚乙二醇上，并封闭两端形成的化合物。环糊精可以沿着聚乙二醇链移动，通过在分子上附加能与搬运对象的化合物相互作用的官能团，就可以按照搬运对象化合物的形状和电荷分布变形，从而抓住化合物并将其传送至细胞内部。
聚焦于编辑基因组的 Cas9 RNP
不断迭代，突破所有难关
“自由变化的聚合物” 可以搬运多种化合物，东副教授团队在本次研究中把重点放在了基因编辑中不可缺少的Cas9RNP上（图1）。Cas9RNP是由包含切割DNA功能的蛋白质 “Cas9” 和起着剪切位点指引作用的核酸 “向导RNA” 所组成的复合体。由于它是亲水性高分子，单独情况下无法被细胞吸收，也无法通过既往载体有效地导入细胞中。即使设法导入了，大部分也会在含有多种蛋白质与核酸分解酶的 “胞内体” 中遭到分解。因此，为了让Cas9RNPs进入细胞，需要突破多个难关。
图1聚轮烷的结构和本次研究开发的变化自如聚合物
Cas9RNP是用于编辑基因组的蛋白质核酸复合物。由于其亲水性和高分子等特性，很难将其导入到细胞内。若使用所开发的变化自如聚合物作为载体，则可以顺利导入。
具体而言，上述操作需要 Cas9RNP 与载体相互作用联结在一起，需要能被高效吸收进入细胞内，进入细胞后需要在被胞内体分解前成功逃逸，还要从载体将 Cas9RNP 释放并进入细胞并转移到细胞核（图2）。为了解决这些问题，东副教授的团队首先在聚轮烷中使用了一种名为 “双氨基乙基醚” 的官能团来构建超分子。已完成的第1代聚合物与 Cas9RNP 发生了强相互作用，与既往方法相比，显著提升了Cas9RNP导入细胞内的效率，但在胞内体逃逸方面仍存在问题。
图2变化自如聚合物所拥有的破壁机制
为了在基因组编辑效率较高的状态下将Cas9RNPs导入细胞，需要突破多个难关。
接下来，团队改用 “二乙烯三胺” 作为官能团，制作了第2代聚合物，成功实现了胞内体逃逸。此外，通过改进链状分子，使其能够在细胞内释放Cas9 RNP，又开发出了第3代和第4代聚合物。最终，第5代聚合物成功克服了将Cas9 RNP 导入细胞内的所有难关（图3）。东副教授表示：“第5代聚合物搭载的 Cas9 RNP，其导入效率优于市面最高水平的载体，同时在安全性方面未发现任何令人担心的问题。”
图3变化自如聚合物的开发过程
通过反复试错得到的第5代聚合物在本次研究中得到了进一步完善。导入到第5代聚合物的Cas9RNP，其细胞障碍性低于目前市场上最通用的导试剂Lipofectamine CRISPRMAX，具有相当或更好的in vitro基因组编辑效率。
通过A-STEP项目向第7代推进
新成立 “超分子药学” 专业
东副教授在A-STEP项目的测试采用阶段成功开发出了具有实用性的Cas9RNP 载体。在此基础上，他着手验证变化自由的聚合物在其他化合物上的有用性，并进一步提升 Cas9 RNP 载体的性能，开发出了第6代聚合物。为此，他申请A-STEP项目中的育成型项目并成功入选。目前，研究团队不仅将Cas9 RNP导入试剂优化至可以正式供应的水平，还通过实验确认了变化自如聚合物导入其他化合物细胞的实用性，取得了显著成果。
东副教授表示，未来将进一步推进开发，实现可将药物等物质输送至人体特定器官的第7代载体：“希望在开发新药效成分或应对大流行病等紧急情况时，提供变化自如聚合物作为廉价、简便和高效的载体使用。” 此外，东副教授还在思索实现全身投药的策略。
回顾研究历程，东副教授坦言，也曾经历反复失败的时期。当时，包括田原春彻在内的东教授实验室的学生对其提供了很多帮助。“即使进展不顺利，我也始终信任他们的精湛实验技能，正因为如此才能够向前迈进，没有停滞不前”。
此外，他还表示，在育成型项目中，为每个课题配置的 “推广顾问” 对推动社会应用的帮助也功不可没。“推广顾问指出，即使是以实际应用为目标的研究，也需要明确科学原理，这一建议成为我们将载体优化至第7代的重要启示。”
东副教授等还成功将绳状的聚轮烷分子两端结合，合成了项链状的 “poly-catenane”。目前，它的用途尚不明确，但具有成为新的研究材料的可能性。东副教授长期致力于探索以环糊精为起点的超分子领域，这是药学中相对少见的研究方向。如今，他成立了融合超分子科学与药学的全新学科——“超分子药学” 专业。他计划于2025年成立 “超分子新功能研究会”，以开辟下一代药学新领域。东副教授的挑战还在继续。（TEXT：伊藤左知子、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2025年1月
翻译：JST客观日本编辑部
