修飾一本鎖miRNAを搭載した新規遺伝子活性化人工骨基質の開発

• Project/Area Number: 21K17011
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 57040:Regenerative dentistry and dental engineering-related
• Research Institution: Nagasaki University
• Principal Investigator: 楢原 峻 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(歯学系), 助教 (50827615)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 骨再生 / 核酸医薬品 / GAM / miRNA / 核酸医薬

Outline of Research at the Start

骨形成を制御するmicro(mi)RNAを搭載した修飾核酸医薬を応用し、局所で強力に骨形成を誘導する新規遺伝子活性化基質（gene activated matrix: GAM）を開発することである。具体的には、骨誘導や炎症抑制、血管形成などに関わる複数の遺伝子発現を制御するmiRNAを、生体内で分解されにくいように化学修飾した一本鎖miRNAを応用することによって効率的に骨形成を誘導するGAMを開発する。従来の遺伝子治療と違い、特異的な遺伝子制御ではなく包括的に遺伝子制御を行うmiRNAを用い、それを効率よく細胞に送達することで骨再生を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

【研究の背景と目的】骨再生医療において、骨髄由来間葉系幹細胞（MSC）や線維芽細胞、マクロファージ、血管内皮細胞などの細胞が重要な役割を果たしていることが知られている。近年、これらの細胞の機能を調節するmicroRNA（miRNA）に注目が集まっている。本研究では、骨形成に関与するmiRNAの同定とその応用を目的とし、骨再生を促進する新規の遺伝子活性化マトリックス（GAM）の開発を目指した。【方法と結果】まず、骨形成に関与するmiRNAの候補として、miR20aに着目した。化学修飾を施した一本鎖miR20aを作製し、MSC、線維芽細胞、マクロファージ、血管内皮細胞への導入効率と細胞特性の変化をin vitroで評価した。その結果、miR20aの導入により、これらの細胞の骨形成関連遺伝子の発現が増加し、骨形成能が向上することが明らかになった。人工骨基質であるオクタリン酸カルシウム/コラーゲン（OCP/Col）に吸着させ、凍結乾燥することで新規GAMを作製した。ラット頭蓋骨欠損および増生モデルにおいて、作製したGAMを移植し、骨再生に対する有効性を評価した。その結果、miRNAを搭載したGAMは、miR20aをコードするplasmid DNAを基質に取り込ませた場合と比較して、より低用量の核酸で高い骨誘導能を示した。【結論】本研究では、骨形成に関与するmiRNAを同定し、それらを搭載した新規GAMの開発に成功した。化学修飾を施したmiRNAを用いることで、低用量でも高い骨誘導能を発揮し、オフターゲット効果を抑制できることが示された。今後、このGAMの臨床応用に向けて、さらなる安全性と有効性の検証が必要である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題の目的は、骨再生医療の発展に向けて、microRNA（miRNA）に着目し、新規の遺伝子活性化マトリックス（GAM）を開発することであった。研究開始から現在までの進捗状況は概ね順調であり、当初の計画に沿って研究を遂行している。
まず、骨形成に関与するmiRNAの候補として、miR20aを同定した。化学修飾を施したmiR20aを骨髄由来間葉系幹細胞や線維芽細胞、マクロファージ、血管内皮細胞に導入し、これらの細胞の骨形成能に与える影響を評価した。その結果、miR20aの導入により、骨形成関連遺伝子の発現上昇と骨形成能の向上が認められた。
次に、miR20aを化学修飾し、人工骨基質に吸着させることで新規GAMを作製した。動物実験により、miR20aを搭載したGAMの骨誘導能を評価した結果、低用量の核酸で高い骨誘導能を示すことが確認された。また、化学修飾を施したmiR20aを用いることで、オフターゲット効果の抑制と高い骨誘導能の発揮が可能であることが明らかになった。
現在、開発したGAMの安全性と有効性をさらに検証するための実験を計画通りに進めている。これまでの結果は当初の予想に沿ったものであり、今後の研究の進展により、骨再生医療の発展に寄与できる可能性が高いと考えている。

Strategy for Future Research Activity

現在、これまでに得られた研究成果をまとめ、論文化を進めているところである。研究結果は、骨再生医療の発展に大きく寄与するものと考えており、速やかに学術誌への投稿を予定している。また、国内外の学会においても、本研究の成果を報告する予定である。
今後は、開発したGAMの安全性と有効性をさらに検証するための実験を継続し、臨床応用に向けた基盤を確立していきたいと考えている。