最近、ニュースなどで新型コロナウイルスのワクチンとして、mRNAワクチンという言葉をよく目にする。このワクチンについて、最近何人かの医療関係者から質問をいただいた。RNA 学会でも多くの方が、このワクチンに興味と不安を持っていると思う。そこでワクチンの解説について鈴木さんと甲斐田さんに連絡をとったところ、了承を得ることができた。今回の話は偶然にも古市先生のエッセイと一部重複しているが、それぞれ異なる視点からのものであるので、2つの話を読んで総合的にmRNAワクチンを理解していただければと思う。
まずこのワクチンの新しい点を説明し、またmRNAワクチンを出しているBioNTech (ファイザー) 社とModerna社の製品の違い、最後に考えられる問題点ついても解説したい。
ウイルスのワクチンには弱毒化ウイルスを用いた生ワクチンと、不活性化ワクチンの2つがある。生ワクチンの場合、毒性が低いだけで実際のウイルス感染は成立している。したがって中和抗体の産生 (液性免疫) と細胞傷害性T細胞の活性化 (細胞性免疫) の2つが生じる。つまり、ウイルス感染自体を抑制できる強力な免疫が誘導される。生ワクチンは強力な方法だが、弱毒化ウイルス株の樹立には長い時間を必要とする。また、病原性復帰という視点から考えると、今回のようなウイルスではこの方法は使うことができない。
不活性化ワクチンは、インフルエンザなどで古くから用いられている。この場合、ウイルス粒子は感染できないので異物として認識され、抗原提示細胞 (マクロファージや樹状細胞) へ運ばれる。すると、液性免疫しか誘導されない。ウイルス感染の多くは粘膜局所で生じる。ワクチンによって液性免疫のうちIgGしか産生誘導できないと、粘液に邪魔されて抗体がウイルスと結合できないので、感染を抑制できない。よく、インフルエンザのワクチンを接種したのにウイルス感染したという話を聞くが、従来型の不活性化ワクチンは感染を止めることはできない (感染を抑制するのは、細胞性免疫。または、不活性化ワクチンでも粘膜で異物と結合できるIgAを誘導できるタイプのワクチンである)。このワクチンは、主に重症化を抑えることを目的としている。
新型コロナウイルスの場合、不活性化ワクチンで十分なのだが、それを作るのは容易ではない。インフエンザワクチンの場合、ワクチンを大量に供給するため、孵化鶏卵 (胚が成長中の卵のこと) にウイルスを接種してこれを回収、不活性化する。ところが、新型コロナウイルスでは、孵化鶏卵を使ったウイルス産生がうまくいかない1。したがって、細胞培養を使った不活性化ワクチンの作成か、別のアプローチが必要となる。Vero細胞を用いたワクチンの作製は古典的に行われているが、そのためには適切なワクチン株の選択が重要である。だが、ウイルス感染の大流行ではそのような時間はなかった。また短時間に大量にワクチンを作るのもこの方法では困難である (注：中国の会社のように、古典的な不活性化ワクチンの開発をしている企業も複数ある)。このため今回着目されたのが、mRNAワクチンだった。
RNAを脂質キャリアに入れて細胞へ導入する。この技術は、我々がsiRNAなどでルーチンに使っている技術である (Lipofection)。このsiRNAをmRNAにすれば、Lipofection法により細胞質でタンパク質を作ることができる。だが、通常の実験ではmRNAの遺伝子導入はほとんど行われない。mRNAは極めて壊れやすいからだ。また逆に大量のRNAが一度に細胞に入った場合、そのRNAはウイルスなどに由来する異常なRNAとして細胞に認識されてしまい、Toll様受容体 (TLR) の活性化を引き起こす (自然免疫と呼ばれる)。つまり、免疫を活性化するのに必要な量のウイルスタンパク質が作られる前に、その細胞は死んでしまうことになる。もちろん大量のmRNAを作った場合、コストは莫大なものになる。したがって、mRNAワクチンはユニークなアイデアだが、実用化には多くのブレイクスルーが必要とされた。
1つ目のブレイクスルーは、核酸修飾を受けたRNAは、TLRと反応しにくいという発見である2。TLRの中の核酸受容体は、RNAウイルスの感染を感知するシステムである。RNAウイルスは感染後大量のRNAを産生するので、核酸修飾が追いつかず、ウイルス感染細胞では未修飾なRNAが大量に産生されていると思われる。興味深いことに、RNA修飾とタンパク産生について細かく解析すると、ウリジンをシュードウリジンに変更すればタンパク質を多く産生することができ3、更に、1メチルシュードウリジンに変更すれば、元のRNAの数十倍ものタンパク質を作り出すことができる4。このことは、少量のRNAでもタンパク質を効率よく細胞に作らせることが可能になったことを意味する。
更なるブレークスルーは、Cap構造である。Cap構造はmRNAの安定化や翻訳促進に重要な構造だが5、in vitro転写したRNAにはCap構造がない。したがって、これをRNAの5’末端に付加しなければいけない。ところが、この付加の方向性がうまく制御できなかった。つまり、転写したRNAの半分しかCapが正確につかないことになる。これを解決するために、Anti-Reverse Cap Analogues (ARCA) 法が開発された6。さらに2’-Oメチルトランスフェラーゼ処理を行うとCap0からCap1構造へと変化させることができる。これらの改良により、in vitroで転写されたmRNAに100％Capがつき、翻訳効率は50%以上も向上することになった7 (Capの発見とウイルスに関する重要な論文は、以前、古市先生がエッセイを書かれている8)。またワクチンを作るにはmRNAを大量に産生し、Capをつける工程にも改良が必要だろう。今回のコロナ関連で多くの開発予算がつくことになり、これらの問題点が一気に解決できたのは、一番大きな進展であったかもしれない。
では、これをワクチンとして用いるというのは、どういうことなのか。mRNAを脂質ナノ粒子 (LNP) で包み、筋肉注射を行う。するとmRNAは筋肉細胞内に入り、細胞質で直ちにタンパク質が作られる。そのタンパク質は、細胞内の酵素でプロセッシングを受け、MHCクラスIに提示される。すると、細胞性免疫が活性化される。また、細胞に発現している完全な形のウイルスタンパク質は、異物である。細胞が死ねば、このタンパク質は抗原提示細胞へと輸送され、細胞内でプロセッシングされた後、MHCクラスIIに提示される。これは、やがて液性免疫の活性化へとつながる。
つまり、mRNAワクチンは擬似的なウイルス感染を体内で生じさせ、細胞性免疫、液性免疫の両方を活性化する技術なのだ。もちろん、全てのウイルスタンパク質が発現している生ワクチンと比べると免疫効果は弱いが、不活性化ワクチンよりはかなり強いことになる。さらに、変異ウイルスが出た場合も塩基配列を変えるだけだから、迅速な対応が可能となる。例えば、最近イギリスで発見された感染効率の高いウイルス株が、今のワクチンに効果がなくても 、すぐに対応可能だろう。では、今回開発が進んでいる2社のワクチンの詳細はどのようなものなのであろうか。
BioNTech社のワクチン (BNT162b2: Tozinameran) の場合、Cap1は改良型になっている。5’UTRはhuman alpha globin由来の配列である、この下流に新型コロナウイルスの感染に重要なSpikeタンパク質のシグナルペプチド、さらにコード領域を組み込んでいる。コード領域には、K986P、V987Pという2つの変異を挿入することで、中和抗体が産生されやすいようになっている。更に、3'UTRにはAmino-terminal enhancer of split (AES) という遺伝子に由来する配列と、ミトコンドリアの12Sリボゾームに由来する配列が挿入されており、これらの配列によりRNAの安定化と翻訳効率の増加が行われる。この後には、polyAが付加されている。もちろん、ウラシルは全て1メチルシュードウリジンに置換されている。このワクチンの保存は-80度となっている。全長は4,284塩基にもなる、長大なmRNAである9。
一方、Moderna 社のワクチン (mRNA-1273) の場合、詳しい情報がまだ出ていないのだが、論文によるとCap1の下流は全てSpikeタンパク質の配列で (K986P、V987Pは用いている)、ウラシルは全て1メチルシュードウリジンに置換されている10。おそらく製剤的な工夫がなされていると思われるが、このRNAがなぜ、-20度で保存可能になったのかは、詳細がわからない11。
古市先生のエッセイにもあるように、この2つのワクチンがなぜこれほどの速度で開発できたのか疑問に思う人は多いと思う。ワクチン開発には、最適なウイルス株の選定や、重要な抗原部位の同定、副作用への対応など一般的には5-10年の歳月を必要とする。
実は2002年に突然出現し、やがて地球上から消えたSARSウイルスと、いまだ中東で散発的な流行があるMERSウイルスという2つのコロナウイルスがいる。これらはマイナーなウイルスではあるが、この20年近く、少しずつ研究が進んできていた (Spikeタンパク質の変異挿入などは、これらの研究成果である)。最近世界的に自然破壊が進んでおり、この状況が続けば、動物からの新たなコロナウイルスの感染が生じるのではないか？という疑問がウイルス研究者の間に強くあり、細々と研究が続けられてきたのだ。また、mRNAワクチンも癌治療の新たなワクチンとして研究が続けられてきた。もちろん遺伝子解析技術が、大きく進展していたというのも大きい (このウイルスのゲノムサイズは30Kbほどもあり、次世代シーケンスが出る前であれば解析はかなり困難であったと思われる)。
つまり、mRNAワクチンの研究のみならず、複数の基礎研究が十分成熟化したところに、重要な課題が出てきたというわけである。もちろん、新型コロナウイルスの問題について世界中の研究者、企業が協力したのは言うまでもない。また武漢の医療関係者たちが、命をかけて研究を行ったというのは最大の貢献かもしれない (実際、多くの医療関係者、科学者が命を落としている)。
これらのワクチンに共通する問題は、3つある。
1つ目の問題は、温度管理である。多くのワクチンは、10度以下の冷蔵状態で保存されており、-20度や-80度で保存するワクチンは、長いワクチンの歴史の中で初めてではないだろうか。医療機関における温度管理が不十分だと、ワクチン効果は低くなることが予想される。
2つ目の問題は、アレルギーである。12月20日時点で、BioNTech社のワクチンは27万人に接種して6名の重症アレルギー (アナフィラキシー) が報告されている。頻度は、100万人あたり22名である。インフルエンザワクチンの場合、100万人あたり1.35人と言われている。この頻度はやや高い印象があるが、今回のワクチンはかなり厳密な監視下の元、投与が行われている。したがって、他のワクチンよりも発症頻度が高く出ているのかもしれない。両製品ともにLNPの構成成分にポリエチレングリコール (PEG) が含まれている。PEGは実験でよく使われるだけでなく、化粧品や歯磨き粉にも含まれており、多くの薬にも使われている試薬である。ところが、実はPEGアレルギーというのが存在する。このアレルギーは突然発症することが多く、その場合mRNAワクチン全般が投与できないことになる (日常生活にも、かなり支障をきたすかもしれない)。実は数万人規模のワクチン臨床治験では出なかった有害事象が、10万人、100万人ではじめて見えてくることがある。超特急で開発したこのワクチンも、副作用の問題を克服するのは容易ではない。このことも、ワクチン開発の難しさを物語っている。
3つ目の問題は、自己免疫疾患である。ウイルス感染がほとんど生じない細胞にウイルスが感染した場合、ごくまれに自己免疫疾患が生じることがある。mRNAワクチンは筋肉注射されている。新型コロナは筋肉細胞にも感染する可能性が指摘されているが、それは重症例のみである。また筋肉細胞でSpikeタンパク質が発現すると何が生じるのか、細かい影響はわかっていない。したがって、副作用として思わぬ症状が報告されるかもしれない（注：2021年9月現在、mRNAワクチンは、自己免疫疾患を引き起こさないことが判明した。詳しくは、最新のエッセイを読んでほしい）。
従来の手法と比べ、mRNAワクチンは強力な感染予防効果が期待できる (両社のワクチンともに効果が90%以上と高いのはこのためである)。しかし、製品化されて時間がまだないので、まだ副作用の頻度が予想できないという欠点がある。ただし、アレルギーや自己免疫疾患の頻度はかなり稀であると予想される (投与したmRNAは最終的には分解されるため)。ファイザーのワクチンの場合、臨床治験になんと4万2千人もの人が参加し、更に米国では既に25万人が投与を受けたという。この中でいまだ自己免疫疾患の報告はない。まだわからない部分はあるが、それだけ期待されており、新型コロナどころかワクチンを革命的に変える可能性を秘めたワクチンなのだ。そしてこのワクチンの開発は、数十年にわたる基礎研究の積み重ねからできたというのも重要であろう。
参考文献
1. Barr IG et al. Euro Surveill. 2020 Jun;25(25):2001122.
2. Karikó K et al. Immunity. 2005 Aug;23(2):165-75.
3. Karikó K et al. Mol Ther. 2008 Nov;16(11):1833-40.
4. Andries O et al. J Control Release. 2015 Nov 10;217:337-44.
5. Furuichi Y & Miura K. Nature. 1975 Jan 31;253(5490):374-5.
6. Stepinski J et al. RNA. 2001 Oct;7(10):1486-95.
7. Grudzien E et al. RNA. 2004 Sep;10(9):1479-87.
8. ＜走馬灯の逆廻しエッセイ＞ 第1話 「RNA研究、発見エピソードの数々｜はじめに キャップ構造の発見」
9. WHO資料
10. Corbett KS et al. Nature. 2020 Oct;586(7830):567-571.
11. FDA資料