小さなパッチに組み込まれたワクチン接種スケジュール
ラットで試験されたパッチは、肺炎球菌に対するワクチン「プレベナー13」を、数日後から1カ月以上後まで、あらかじめ設定した間隔で投与した。動物は複数回の注射を受けた場合と同様の免疫反応を示し、致死量の細菌にさらされても生存した。この研究を率いるのは、コネチカット大学での研究により、役目を終えると体内で消失する医療機器の開発に数百万ドルの資金を集めてきたベトナム人科学者、グエン・ドゥック・タイン氏だ。
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科学論文ではThanh D. Nguyenとして知られる同氏は、機械工学、生体医工学、材料科学にまたがって研究する准教授だ。プロジェクトには、ワクチンパッチ、損傷した骨の治癒を助けることを目的とした構造体、化学療法薬が脳腫瘍に届きやすくする生分解性超音波装置などがある。
コネチカット大学によると、同氏は2016年の着任以来、大学に2,500万ドルの研究資金をもたらした。2024年10月までに公表された資金額には、米国国立衛生研究所（NIH）のR01助成金4件による950万ドル超と、ビル＆メリンダ・ゲイツ財団が承認した助成金2件による660万ドルが含まれる。
一見異なる複数の医療課題を結びつける中心的な発想は、薬を運び、電気信号を発生させ、あるいは超音波を生み出す材料を作り、それが体内で分解されるようにすることだ。患者にとって期待される利点は、ワクチン接種のための通院回数の削減から、インプラントを取り除く手術の回避まで幅広い。
これまでに発表された研究で最も詳しい証拠が示されているのは、ワクチンパッチだ。グエン氏は、2020年11月23日にオンライン公開され、2021年の同誌の巻に収録されたNature Biomedical Engineering掲載のマイクロニードルワクチン研究の責任著者を務めた。この研究ではラットを使って技術を試験した。人への定期接種に利用することは、なお開発目標の段階にある。
ダナンからコネチカットの研究室へ
グエン氏は1984年、ベトナム中部のダナンで生まれた。レ・クイ・ドン英才高等学校で物理学を学んだ後、ハノイ工科大学の工学物理学分野にある優秀な学生向けプログラムに進んだ。
2007年に卒業し、2008年にはベトナム教育財団の奨学金を得て、プリンストン大学で博士課程に進んだ。2013年に博士号を取得し、その後、マサチューセッツ工科大学（MIT）で博士研究員を務めた。
同氏の学術的な歩みは、力学と航空宇宙工学から生物医学技術へと広がった。2016年に機械工学科と生体医工学科に着任したコネチカット大学では、生体材料、医薬品、ワクチン、再生医療、小型医療機器を研究する研究室を立ち上げた。2022年に准教授に昇進した。
研究の進展は、いくつかの日付からたどることができる。
- 2017年：若手研究者を対象としたNIHトレイルブレイザー賞を受賞。
- 2018年：医療用途向けの生分解性圧電ポリマー技術を研究室が発表。
- 2020年11月23日：プログラム可能なワクチンパッチの研究がオンライン公開。
- 2022年8月30日：グエン氏とチャン・カイン氏の名前が記載されたコア・シェル型マイクロニードルの特許が成立。
- 2024年：全米発明家アカデミーのシニアメンバーに選出。
1枚のパッチで通院を複数回分減らせる可能性
グエン氏のワクチンパッチは親指の先ほどの大きさで、数百本の微細な針がある。従来の注射器で1回ずつ投与する代わりに、1度の貼付で少量ずつのワクチンを皮膚に届ける。
各マイクロニードルはワクチンを含む芯と、ポリ乳酸・グリコール酸共重合体（PLGA）と呼ばれる生分解性ポリマー製の外殻からなる。研究者らは、異なる速度で分解する外殻が異なるタイミングで中身を放出するよう、これらの微小部品を製造し、配置する。
狙いは、別々に注射するのと同様に、時間をおいてワクチンを段階的に放出することだ。短い遅延の後に1回分を放出し、別の分は後まで包まれた状態にしておくことができる。外殻の設計や材料特性を変えることで、放出スケジュールを調整できる。
当時、コネチカット大学で工学の助教を務めていたグエン氏は、患者にとって期待される利点を次のように説明した。
患者はワクチン接種のスケジュールを覚えておく必要がなくなります」とグエン氏は話す。「ワクチンを繰り返し受けるために、再びパッチを貼ってもらう必要もありません
ラットを使った研究では、肺炎球菌（Streptococcus pneumoniae）に対するプレベナー13が使われた。複数回の注射と比較することには意義がある。実用化に向けた目標は、予防効果を保ちながら、治療のために再び通院する回数を減らすことだからだ。
通院回数の減少がもたらすもの
診療所から遠く離れた地域に住む家族は、ワクチン接種を完了するために、移動手段を手配し、仕事を休み、別々の日に何度も通院しなければならないことがある。投与スケジュールを内包するパッチは、そうした移動や、後の接種を受け損ねる可能性を減らせる。
グエン氏の取り組みは、マイクロニードル研究というより広い分野の一角を占める。ジョージア工科大学の薬物設計・開発・送達センター長、マーク・プラウスニッツ氏は、インフルエンザや麻疹のパッチに取り組んできた。同氏によると、短い針は従来の注射針ほど長くなくても、皮膚の薄い外層を通過できる。
マイクロニードル製剤の中には、冷蔵への依存を減らし、ワクチンの流通を容易にできるものもある。保存性能はワクチンやパッチの製剤によって異なるため、提案される製品ごとに試験が必要だ。グエン氏のプログラム可能なパッチでは、投与タイミングの信頼性と保存中のワクチンの品質維持が、いずれも想定用途の要となる。
医療機器・保健技術プログラムを率いるPATHのダリン・ゼーラング氏は、ワクチンパッチが直面する実務上の課題として、企業の参入、製造規模の拡大、妥当な価格を挙げた。グエン氏の発表済み研究は、時間差投与について動物実験の証拠を示している。この設計を広く流通する医療製品にするには、製造体制の整備と臨床開発も必要になる。
特許が広げる薬物送達技術
グエン氏と共同発明者のチャン・カイン氏は、コア・シェル型マイクロニードルの特許を2019年3月5日に出願した。米国特許第11,426,570号は2022年8月30日に成立し、特許権者はコネチカット大学となっている。
この発明は、皮膚に埋め込まれ、予測可能なタイミングで薬やワクチンを制御された量ずつ一気に放出する生分解性の針について記載している。同じ発明者の名前が記載された関連出願は、2022年7月22日に提出された。
2021年9月28日に出願された別の出願には、グエン氏とニコラス・ファレル氏の名前があり、疼痛治療のための持続的な薬物送達を扱っている。少なくとも30日間、ほぼ一定の速度で薬を放出することを目的とした生分解性マイクロニードルシステムが記載されている。
この2つの手法は、異なる治療スケジュールに対応する。ワクチン接種では数日または数週間おきの個別投与が求められる場合がある一方、疼痛治療では薬の安定供給が必要となる場合がある。どちらも材料の構造と分解を利用して、薬が放出されるタイミングを制御する。
骨や軟骨の修復を助ける材料
グエン氏の研究室では、電気信号を生み出す生分解性構造体も研究している。関係する特性は圧電性だ。材料が押されたり、曲げられたり、ほかの機械的な力を受けたりすると、小さな電荷を生み出す。
大腿骨や脛骨などの長骨に重度の損傷がある場合、研究チームは生体足場を開発している。これは修復を支える一時的な枠組みだ。材料が電気パルスを生み出し、体内の修復機能だけでは治癒が難しい場合に、回復を促すことを目指す。
NIHのプロジェクト1件では、長骨の重度損傷の治癒改善を目指す研究に210万ドルが割り当てられた。この足場は、受動的な枠組みにとどまらず、物理的な支えと電気刺激を組み合わせる。
2022年に発表された関連研究では、ポリ-L-乳酸（PLLA）のナノファイバーを使い、損傷した関節の軟骨再生を支えた。歩行などの動きで材料に力が加わると、弱い電気信号が発生し、組織修復に関わる細胞を促すことを目指している。
軟骨と骨では、必要とされる修復方法が異なる。共通する工学的な考え方は、一時的な材料に有用な生物学的機能を持たせ、組織の回復に伴って分解させることだ。
薬が脳に届くのを助ける超音波
グエン氏の脳がん研究では、別の難しい薬物送達の課題に生分解性材料を応用している。血管の周囲にある通過物質を厳しく制限する境界、血液脳関門があるため、多くの薬は脳組織に届きにくい。
研究チームは、脳組織の近くに埋め込むことを想定した、小型で柔軟な超音波チップを開発した。この装置は音波を発生させ、化学療法薬が脳に入り、がん細胞に届くのを助けることを目指す。提案されている手法では、インプラントが分解するまで、治療を複数回行えるようにする。
NIHからの216万ドルの助成金は、生分解性超音波技術による化学療法の改善を目指す研究を支援している。治療後に消失する装置なら、患者は取り外すための処置を受けずに済む可能性がある。
超音波研究は、一時的な電子機器への研究室のこれまでの関心を発展させたものだ。2018年、グエン氏らは、溶ける外科用縫合糸に使われる生分解性材料を用いたセンサーを開発した。この装置は情報を無線送信した後に分解するよう設計され、モニタリングと最終的な除去を同じ材料設計に組み込んでいた。
インプラント以外に広がったパンデミック期のプロジェクト
新型コロナウイルス感染症のパンデミック中、グエン氏のチームは、生分解性ポリマー膜をマスク用フィルターとしても使えるかを検討した。2021年1月、研究グループは、滅菌や再利用に耐えながら、N95マスクに近いろ過性能を目指す試作品について発表した。
提案されたフィルターには、空気が通ると小さな電圧を生み出す圧電膜が使われていた。研究者らは、膜の物理的なろ過作用に加え、この電気的効果が粒子の捕集に役立つかを調べた。
グエン氏によると、研究室ではろ過性能を測定し、製造条件を調整しながら、従来の医療用マスクやN95マスクと材料を比較していた。また、熱と圧力、あるいは超音波を使って滅菌し、膜の圧電特性を保てるかも試験したという。
このプロジェクトは2021年1月時点で研究・製品開発段階にあり、事業化も検討されていた。同じ時期、研究室では新型コロナウイルス感染症向けのワクチンパッチも検討していた。発表済みのプログラム可能なパッチの実験で使われたのは、肺炎球菌ワクチンのプレベナー13だった。
研究資金と評価の内訳
資金額は、グエン氏の研究計画の複数の領域を示している。2024年10月までに、NIHのR01助成金4件の合計は950万ドルを超えた。R01は、定められた研究プロジェクトを支援するNIHの主要な助成制度だ。
金額が明らかになっている助成金には、長骨修復に210万ドル、マイクロニードル技術に150万ドル、脳がん治療を目指す生分解性超音波に216万ドルが含まれる。ゲイツ財団は、複数のワクチンを送達できるパッチの開発に、合計660万ドルの助成金2件を承認した。
NIHとゲイツ財団からの助成金は、合わせて約1,610万ドルに上る。コネチカット大学が、グエン氏の着任後の研究資金総額としている2,500万ドルの約64％に相当する。この2,500万ドルは、大学でのより幅広い資金獲得実績を指す。
2024年に全米発明家アカデミーのシニアメンバーに選ばれた際、同氏は60機関から選出された124人の一員となった。この年の選出者が保有する米国特許は合計1,000件を超え、340件以上の技術がライセンス供与または商業化されていた。
シニアメンバーの認定は、発明、特許取得、技術移転、次世代の発明家の育成を評価するものだ。グエン氏はこのほか、2018年のSME優秀若手製造技術者賞、アジア太平洋地域の若手革新者としての評価、2019年のベトナム優秀若者への選出などの栄誉を受けている。
各プロジェクトに共通する実用上の目標は、通院の繰り返しを減らし、薬を届きにくい場所へ届け、役目を終えた一時的なインプラントを消失させることだ。ワクチン研究は、動物実験でその目標を具体的に示す一例となっている。研究計画全体では、同じ材料工学の考え方を修復、モニタリング、治療に応用している。
要点
- グエン・ドゥック・タイン氏は2016年にコネチカット大学に着任し、2022年に准教授となった。
- 同氏のプログラム可能なワクチンパッチは、ラットにプレベナー13を時間差で投与し、複数回の注射と同様の免疫反応を引き起こした。
- 同氏の研究室は、骨や軟骨の修復、一時的なセンサー、脳への薬物送達を助ける超音波装置向けの生分解性材料も研究している。
- 2024年10月までに、NIHとゲイツ財団からの助成金として挙げられた額は約1,610万ドルに達した。コネチカット大学は、同氏の幅広い研究資金を2,500万ドルとしている。
- グエン氏は2024年、全米発明家アカデミーのシニアメンバーに選出された。
- プログラム可能なワクチンパッチを人に定期使用することは、なお開発目標の段階にある。
