ナノ粒子：精密ながん診断と治療を変革する

概要

従来のがん治療は、さまざまな副作用と標的腫瘍への不十分なダメージで批判されてきた。ナノ粒子のブレークスルーは、従来治療と診断をアップグレードする新たなアプローチを提供する。ナノ粒子は従来のがん診断・治療の短所を解決するだけでなく、腫瘍診断・治療のための全く新しい視点と最先端デバイスを創出する。しかし、ナノ粒子研究の大半はin vivoおよびin vitro段階に留まり、臨床研究はごく少数にとどまる。本総説ではまず、がん診断・治療におけるナノ粒子の現在の応用を総括する。次に、NPsの臨床応用を妨げる課題を提示し、過去2年間の最新文献と合わせて実現可能な解決策を提案する。最後に、腫瘍診断・治療におけるNPsの将来展望について私見を述べる。

はじめに

腫瘍の罹患率と死亡率は世界的に高いままである。毎年約1400万人の新規がん患者が発生し、800万人ががん関連疾患で死亡している[1]。近年、化学療法、分子標的療法、放射線療法、手術など従来の腫瘍治療は、進展の停滞、多くの副作用、不満足な治療成績で常に批判されている。従来療法の短所により、標的能、効果的な腫瘍幹細胞殺傷能、軽微な副作用を備えた新たな腫瘍治療法の探索が加速している。新規治療法には免疫療法、分子標的療法、物理的アブレーション、遺伝子療法、光線力学療法（PDT）、光熱療法（PTT）などがあり、従来療法より優れた効果を示している[2]。これらの治療法には共通してキャリアとの協働が必要である。ウイルスベクターもキャリアとして利用可能だが、挿入変異誘発性と免疫原性が確認されている[3]。したがって、より安全で効果的なキャリアの探索が最優先課題となっている。

ナノ粒子は微小サイズ、生体安全性、薬物担持能、物理的特性により物理療法を支援できるため、新規腫瘍治療法のキャリアとしてますます利用されている。ナノ粒子媒介療法は多機能、副作用軽減、優れた治療効果という利点がある[4]。また、ナノ粒子媒介医療画像技術もより高い鮮明度と精度を備え、正確な腫瘍診断に貢献する[5]。ナノテクノロジーと医療技術の発展に伴い、金、銀、鉄、リポソームなどの金属および生物材料が医療用ナノ粒子（NPs）製造に広く応用されている[6]。現在、多くの研究者がこれらの材料の物理的、化学的、生物学的特性に基づき、薬物、イメージング剤、さらには遺伝子をナノ粒子に封入し、薬物標的送達、画像増強、凍結手術、PTT、PDTなど、腫瘍診断・治療の既存分野を拡大している[7]。

さらに、ほとんどのナノ粒子がin vivoおよびin vitro段階に留まる現象がある。しかし、NPsの臨床応用を阻害する理由を総括した文献は不足している。したがって、本稿はナノ粒子の腫瘍診断・治療分野における応用現状を総括するだけでなく、NPsの臨床導入を阻害する要因を特定し、実現可能な解決策を提案することを目的とする。

医療機能性ナノ粒子の調製と特性評価

医療用ナノ粒子は構成材料と機能により、金属ナノ粒子、非金属ナノ粒子、複合ナノ粒子の3タイプに大別され、それらの物理化学的特性はサイズや形状などのパラメータに影響される。したがって、異なる応用方向におけるナノ粒子の機能要件を考慮し、適切な調製プロセスを選択することが極めて重要である。すべてのナノ粒子調製法はボトムアップ法とトップダウン法の2つに分類される。ボトムアップ法は基本単位（原子、分子、さらに小さな粒子）を積み上げてナノ構造を組み立てるものであり、トップダウン法は固体材料を分解してナノ粒子を得るものである[8]。表1に医療用ナノ粒子調製例を示す。

3タイプ中、金属ナノ粒子が最も広く使用されている。金属ナノ粒子材料には金属と金属酸化物が含まれる。金属ナノ粒子の最も一般的な調製プロセスは、1990年代に日本の杉本らによって提案されたゾルゲル法で、液相での単分散金属酸化物粒子調製によく用いられる。ゾルゲル法はボトムアップ調製プロセスであり、化学的・物理的手段で金属イオンの均一分散ゾルを形成し、酸化還元反応でゲル化させ、ゲル中で金属ナノ粒子を制御核生成・成長・析出させる。実験で用いる金属コロイドの単分散性、金属イオンと酸化/還元剤の濃度関係を制御すれば、合成金属ナノ粒子のサイズを制御できる。図1はゾルゲル法の模式図である。

金属ナノ粒子調製によく用いられるボトムアップ法には共沈法、水熱法、光化学法がある。共沈法は液相環境で核生成、成長、凝集が同時に進行し、溶液が過飽和状態になると多数の微小不溶性粒子が得られる[15]。水熱法は液相環境で溶液中の材料にかかる蒸気圧を制御することで、生成ナノ粒子の形態を制御するプロセスである。トップダウン法としては電線爆発法とボールミル法がある。電線爆発法は電気爆発過程で金属原子が蒸発し、電解質中で急速冷却されて酸化物ナノ粒子を形成する。電解質組成と電流強度を制御することで、より微細で均一なナノ粒子を得られる。ボールミル法は、適切な粉砕時間と関連装置プロセスパラメータを選択し、遊星ギアミルなどの工作機械を用いて、制御可能なサイズのナノ粒子を迅速かつ大量生産する方法である。この調製法は金属ナノ粒子以外にも適用可能である。

第2の一般的タイプは非金属ナノ粒子である。医療用非金属ナノ粒子には高分子ナノ粒子、生体分子由来NPs、炭素系NPs、シリカナノ粒子などがある[16-18]。中でもシリカナノ粒子が最も代表的である。シリカ表面には豊富な水酸基があり、プローブや蛍光基の表面結合を容易にし、より柔軟な機能化が可能である。シリカナノ粒子の一般的合成法はゾルゲル法とストーバー法[19,20]である。古典的ストーバー法は、アルカリ条件下でのケイ酸塩の加水分解と縮合によるシンプルで効率的なシリカナノ粒子調製法である。

ナノテクノロジーの発展に伴い、優れた機能互換性を持つ複合ナノ粒子が開発されてきた。金属ナノ粒子には非金属ナノ粒子にはない特性（プラズモン共鳴効果（SPR）、磁場での制御性など）があるが、金属粒子は体内で効果的に分解されにくく、過剰使用では細胞毒性を示す[21]。したがって、異なる材料のナノ粒子をさまざまな調製法で複合化することで機能拡張が可能となる。Weiらは金ナノロッド（Au NRs）を調製し、表面開始原子移動ラジカル重合（SI-ATRP）でN-イソプロピルアクリルアミド（NIPAAM）をAu NRs上で重合させ、近赤外応答性ナノハイブリッドを合成した[22]。この金属-高分子複合ナノ粒子は光熱効果と近赤外光対応薬物放出能を併せ持ち、包み込むハイドロゲルシェルにより単一Auナノ粒子より優れた生体適合性を持つ。Prakashらは改良ストーバー法でAuコア・SiO₂シェルの複合NPsを合成した。コア-シェル構造の不活性シェルは金属粒子の毒性を低減し、単一金属NPsの材料安定性と薬物担持能を向上させる[23]。

上記従来調製法に加え、ナノテクノロジー科学の発展に伴い、生態・環境保護への新たな要求が出され、環境調和型ナノ粒子合成法が登場している[24]。Hajarらはステビア（Stevia rebaudiana）を生物還元剤として初めて用い、粒径1–40 nmのZnSナノ粒子を合成し、優れた生体適合性を示した[25]。緑色化学原理に基づき、Miriらはマメ科植物P. farctaエキスを用い、粒径約30 nmのCeO₂ NPsを迅速合成し、優れた生体適合性を示した[26]。

医療画像用ナノ粒子

医療画像は腫瘍診断・治療で重要な役割を果たす。酸化鉄NPsなど多くのナノ粒子は光学的、磁気的、音響的、構造的特性を持ち、画像増強に寄与する（図2）。NPsを標的組織に導入することで画像コントラストが向上し、腫瘍手術と診断により良い画像ガイダンスが提供されることが示されている[27]。例えば凍結手術では、NPsが腫瘍とアイスボール境界の画質を向上させ、アイスボールを正確に覆い治療効果を高める[28]。また、画像用ナノ粒子の多くは金属製である。画像原理の違いにより、異なる金属材料でNPsが作製される。表2に最近の医療画像用NPsの材料別例を示す。

光干渉断層撮影（OCT）は非侵襲的、ミクロン級分解能の生体医用画像技術である。OCTはリアルタイム診断と手術ガイダンスに有用だが、非弾性散乱光は入射場でコヒーレントでないため検出できない[35]。近年、NPsの運動状態がOCT振幅を変化させ、この問題を解決できることが多数証明されている。磁場でNPsの運動を干渉させると局所的な光散乱変化が生じ、本来非コヒーレントな非弾性散乱光が検出可能になる。この新手法は磁気駆動光干渉断層撮影（MMOCT）と呼ばれる[36]。

MRIは最も効果的な非侵襲的腫瘍検出技術の一つである。しかし、生体背景と癌組織間のMRI信号コントラスト不足が臨床診断に影響を与えることが多い[37]。MRIは水分子中の水素分子磁化を測定するスキャン画像法であり、各組織の陽子が異なる磁化変化を引き起こすため、各解剖構造が異なる画像として現れる。造影剤の投与で画像可視性を向上できる[38,39]。腫瘍関連EPR効果（初期腫瘍検出に広く利用）は磁性NPsに優れたコントラスト増強能を与える[40]。現在最も一般的なMRIナノプローブ造影剤である酸化鉄磁性NPs（IONPs）は一定の細胞標的能を持つ[41]。例えば、肝癌MRI診断でIONPsが正常肝Kupffer細胞に取り込まれるが癌細胞からは除外されるため、正常組織が低信号、腫瘍組織が高信号となる[42]。最近の研究では、適切な粒子表面修飾と腫瘍特異的バイオオリゴマーのNPs組み込みにより、NPsを腫瘍に固定し、より鮮明な画像結果、さらには早期微小腫瘍イメージングが可能になる。例えば、ヒトトランスフェリン標的AuNPsが脳腫瘍イメージングを著しく向上させること[43]、Gaoらが常磁性NPsプローブに抗上皮成長因子受容体モノクローナル抗体（mAb）を装着し、微小腫瘍イメージングを実現したこと[44]が報告されている。

標的薬物送達用ナノ粒子

化学療法薬は現在最も一般的な腫瘍治療だが、悪性腫瘍領域への標的濃縮が不十分で、正常組織への過剰蓄積という問題がある[45]。これにより骨髄、毛包、消化管細胞、リンパ球など旺盛に分裂する細胞が抑制され、骨髄抑制、粘膜炎、脱毛、さらには死に至る副作用を引き起こす[46]。正常細胞と癌細胞を能動的に識別して薬物送達する標的薬物送達は、従来治療より優れた効果と少ない副作用を示す[45]。多数の研究が、NPsが能動的または受動的標的化により化学療法薬を腫瘍細胞に送達可能ことを確認している[47]。また、NPsが免疫薬の標的送達でも重要な役割を果たすことも多くの実験で分かっている[48]。

図3に示すように、受動的標的化は腫瘍組織の病理生理学的特性（異常血管、温度、pH、腫瘍細胞表面電荷など）に依存することが多い[49]。例えば、腫瘍組織血管のEPR効果（浸透・保持効果）により、直径約400 nmのNPsが腫瘍組織に受動的に移行する[50]。しかし、受動的標的化にはNPsの物理化学的特性（直径、表面電荷、分子量、疎水性/親水性）に関する多くの制限があり、薬物拡散効率の面でも不十分で、腫瘍細胞でのEPR効果が不十分である[51]。受動的標的化の欠点により、近年は薬物送達NPs研究の多くが能動的標的化（リガンド標的化）にシフトしている。表3に薬物送達用NPsの最近の例を示す。

能動的標的化（リガンド標的化）NPsは腫瘍特異的バイオマーカーのリガンドを担持することが多い[61]。図4に示すように、リガンドが腫瘍表面受容体と接触すると、NPsは受容体媒介エンドサイトーシスで腫瘍細胞に取り込まれ、細胞内環境の酸性pHと特定酵素により薬物が放出される[62]。標的リガンドとして葉酸、トランスフェリン、上皮成長因子受容体（EGFR）、糖タンパク質などが現在の研究で一般的に用いられている[62]。例えば、SandovalらはEGFR標的ステアリルNPsにゲムシタビンを搭載し、乳癌マウスで有意な薬物濃縮と明確な効果を観察した[63]。Pandeyらは葉酸標的金NPsにベルベリン塩酸塩（BHC）を担持させ、葉酸受容体発現ヒト子宮頸癌細胞への効果的な薬物送達を実証した[64]。

近年、化学療法薬と比較して、short interfering RNA（siRNA）媒介遺伝子サイレンシング療法が腫瘍治療の新たな展望と見なされている[64]。ウイルスをsiRNA送達ベクターとして利用可能だが、ウイルスベクターは挿入変異誘発性と免疫原性が確認されている[65]。対照的に、セレンNPsは微量元素セレン自体が腫瘍発生抑制、薬物毒性低減、免疫機能調節作用を持つため、優れたsiRNAキャリアとなり得る[66]。さらに、セレンNPs表面に葉酸、ヒアルロン酸、RGDペプチドなどさまざまな腫瘍標的モエティを担持させ、腫瘍標的能を強化できる[67]。XiaらはRGDfCペプチド標的セレンNPs（RGDfC-Se@siRNA）がHeLa子宮頸癌に優れた標的能を持つことを報告した[60]。RGDfCは多様な腫瘍細胞で高発現するαvβ3インテグリンと特異的に結合するため、RGDfC-Se@siRNA NPsは多様な腫瘍の標的薬物送達に再利用可能[68]。構造面では、正電荷を持つRGDfC-SeNPsが静電相互作用で負電荷siRNAを密に包装する[69]。動物実験でRGDfC-Se@siRNA NPsがクラスリン関連エンドサイトーシスで効率的に腫瘍細胞に取り込まれ、速やかにsiRNAを放出し、関連遺伝子を効率的にサイレンシングし、ROS生成を促進して腫瘍細胞増殖を抑制しアポトーシスを誘導することが示された[69]。さらに、複数のSeNPsが優れた生物学的安全性を示し、マウスの肝、腎、心、肺、脾臓など主要臓器に明らかな毒性損傷を与えないことが確認されている[60,70,71]。

現在、標的薬物送達に用いられるNPsは多数あるが、ほとんどが細胞実験や動物実験段階に留まり、有力な臨床応用支援に欠ける。また、多くのNPsが腫瘍内投与であり、NPs適用可能な腫瘍範囲を限定し、特殊なNPs薬物送達ツールや他の送達法が不足している。

したがって、NPs投与のより良い方法を探索することは、標的薬物送達NPsの今後の研究方向となり得る。既存学術誌によれば、血管内治療的投与が実現可能な方法となり得る。想定では、まず画像診断で腫瘍栄養血管の位置を特定し、ガイドワイヤーでNPsを直接腫瘍栄養血管に導入し、同時に磁場を適用してNPsの血管内移動を小範囲で制御する。これによりNPsが血流の影響を受けずに適切な位置に固定される。一方、標的薬物送達NPsのみには限界がある。標的NPsは化学療法薬の全身分布に影響し、遊離腫瘍細胞と微小転移への化学療法効果を低下させる。標的薬を搭載しても標的効果は向上する傾向にあるが、既存研究では改善は明確でない。また、抗腫瘍薬単独ではすべての腫瘍幹細胞を排除することは困難である。一方、NPsの物理的特性に基づく物理療法は腫瘍幹細胞に対してより効果的である。したがって、凍結手術、光熱療法（PTT）、光線力学療法（PDT）などを組み合わせた多機能NPs標的薬物キャリアが将来望ましいと考えられる。

凍結手術用ナノ粒子

凍結手術は腫瘍組織を凍結破壊する技術で、低侵襲、低コスト、術中出血少、術後合併症少という利点があるが、凍結効率不足と周囲組織への凍結損傷という欠点もある[28]。抗凍タンパク質（AFP-1）などの保護剤が冷凍アブレーション補助に用いられてきたが、効果はまだ理想的ではない[72]。ナノテクノロジーの発展に伴い、ナノ凍結手術の概念が提唱された。ナノ凍結手術の基本機構は、特定の物理化学的特性を持つNPsを腫瘍組織に導入し、NPsの特性を利用して凍結効率と効果を向上させるだけでなく、氷球形成の範囲調整と方向制御も可能にすることである。これにより、ナノ凍結手術は腫瘍組織を殺傷しつつ、周囲正常組織の凍結を同時に防止できる[73]。ナノ凍結手術の利点を図5に示す。

凍結手術では細胞内氷結晶形成が腫瘍細胞損傷の鍵である。研究によりNPsが細胞内氷結晶形成を効果的に誘導できることが証明されている[28]。NPsは外来粒子として不均一核生成を誘導する。NPs濃縮組織は従来組織より速く凍結し、不均一核生成しやすい。同一凍結条件下で、NPs含有組織の方が氷結晶形成が容易であり、NPsが細胞内氷形成の速度と確率を有意に増加させ、腫瘍細胞をより効果的に殺傷できることを示唆する[74]。また、金属酸化物NPsは腫瘍組織の熱伝導率を著しく向上させる。例えばLiuとDengは、NPs含有/非含有豚組織の温度応答曲線を比較し、NPs含有組織は急速冷却し、最低温度が-115℃に達し、NPs非含有対照群よりはるかに低かったと報告している。

腫瘍は通常不規則な形状であるため、従来凍結手術で生成される氷結晶はすべての腫瘍組織を覆い切れない傾向がある。ナノ凍結手術ではこの問題を容易に解決できる。NPsが細胞内液に浸透し、熱伝導率など良好な物理特性を持つため、NPs分布によって氷球の成長方向と方向を制御可能である[73]。

凍結手術では不十分な凍結は腫瘍組織を完全に破壊できず、過剰な凍結は隣接正常組織を損傷する。特に腫瘍が脆弱臓器と密接に接している、深在性、不規則形状の場合、正常組織損傷は特に深刻になる。近年、NPsから作製される相変化材料（PCMs）が凍結手術中の周囲正常組織保護に優れた可能性を示している[75]。例えばLvらは、大潜熱と低熱伝導率を持つ相変化NPsをリポソームでマイクロカプセル化し、凍結手術前に腫瘍周囲正常組織に注入することで、低温損傷から正常組織を保護した[76]。

NPsが凍結手術で広く用いられているが、依然として一連の欠点がある。第一に、in vitroでのNPs制御が不可能で、腫瘍組織内でのNPs分布が不均一になり、期待機能が得られない。第二に、さまざまな磁性ナノ粒子があるが、in vitro磁場制御の実際の効果はまだ理想的ではない。第三に、ナノ凍結手術には臨床実験研究が不足し、多くのNPsが実験室段階に留まっている。

冷凍アブレーションにおけるNPs応用は大別して相乗効果型と保護効果型の2タイプに分けられ、NPs設計要件と体内分布が異なる。将来的には、ナノ凍結手術が多様なNPsによって支援される可能性がある。すなわち、相乗効果NPsを腫瘍内に分布させ、保護NPsを腫瘍周囲に分布させる。また、現在放射性粒子埋め込み前の腫瘍位置決めに用いられている穿刺設計3Dプリント同一平面テンプレート（3DPCT）などのナノポジショニングデバイスが凍結手術に応用可能である。凍結手術前に、3DPCTとCTガイダンスで保護NPsを腫瘍周囲に穿刺注入し、周囲正常組織を保護する。NPsは凍結手術のアイスボールが腫瘍の不規則な縁を覆うのを支援する。次に、相乗効果NPsを予め設定したアブレーション部位穿刺または血管介入で腫瘍組織内に導入し、冷凍アブレーションを実施する。このナノ凍結手術技術は、不規則腫瘍の冷凍アブレーション困難を克服するだけでなく、冷凍アブレーション効果を高め、正常組織損傷を低減できる。この手法はナノ凍結手術の今後の研究方向となり得る。表4に凍結手術用NPsの最近の例を示す。

PTTとPDT用ナノ粒子

現在、ナノ粒子（NPs）ベースの光熱療法（PTT）と光線力学療法（PDT）は、腫瘍治療において高い効果、低侵襲、軽微な副作用という利点を示している（図6）[80]。PDTとPTT治療で生じた死んだ腫瘍細胞断片は潜在的抗原として持続的な免疫反応を誘発し、光熱・光線力学免疫療法と呼ばれる[81]。PTT治療概念に基づくNPsは新規光-熱変換ナノ材料であり、光エネルギーを熱エネルギーに変換して癌細胞を殺傷する。従来光熱変換材料と比較してNPsには多くの利点がある。第一に、NPsは粒子表面修飾により腫瘍標的集積効果を達成でき、標的腫瘍への濃縮能が向上する[82,83]。第二に、NPsは従来光熱材料より優れた画像能力を持ち、CT、MRI、光音響イメージングで正確に位置決めできる[84,85]。Panらが合成した標的NPsは、0.2 W/cm²近赤外光下でPTTを実施し、腫瘍細胞核DNAを破壊しDNA修復プロセスを阻害することで腫瘍細胞アポトーシスを誘導した[86]。表5にPDTとPTT用NPsの最近の例を示す。

さらに、ナノ粒子媒介PTTが腫瘍多剤耐性（MDR）を逆転させることが報告されている。薬物輸送体の過剰発現、多剤耐性関連タンパク質1（MRP1）、P-糖蛋白（p-gp）が様々な腫瘍のMDR原因と一般的に考えられている[95]。例えば、Liらが設計した多機能光触媒NPsはPTTでMRP1発現を抑制し、A549R細胞の薬剤耐性を逆転させた[96]。Wangらは金ナノ粒子と炭素系ナノ粒子の両方がPTTで熱ショック因子トリマー発現を促進し、p-gp生成を抑制することでDOX耐性を克服することを報告した[97,98]。さらに、ナノ粒子媒介PTTは腫瘍細胞膜完全性を破壊することで化学療法効果を高めることもできる[99]。

PDTは、特定波長励起光と分子酸素存在下で、腫瘍組織に選択的に残留する光感受性物質（PSs）が一重項酸素などの反応性酸素種を生成し、腫瘍細胞アポトーシスと壊死を誘導する治療法である[100]。しかし、従来PSは腫瘍標的性が低く、溶解性が悪く、不安定で、体内環境に弱い[100]。標的分子で修飾されたナノ粒子キャリアは、PSの安定性と生体適合性を向上させるだけでなく、標的細胞へPSを送達し、効果を高め副作用を減らす[100]。また、金ナノロッドなど一般的ナノ材料自体が優れたPTT効果を持つ。例えばVankayalaらは、近赤外光（915 nm）照射下で金ナノロッドが一重項酸素生成を効率的に誘導することを発見した[100]。

近年、アップコンバージョン（UC）ナノ粒子のPDTにおける役割が注目されている。NPsは長波長光励起を複数の短波長に変換できるため、UCにより従来のPS依存性短波長励起光を、組織透過性の強い近赤外光に置き換えることが可能になる[101]。例えばLiらは、二重バンド発光ランタニドナノ粒子をPSキャリアとして開発した。このUCナノ粒子は808 nm励起光でイメージガイド下PDTを実現し、イメージング信号に影響を与えない[102]。

光療法に用いられる光感受性材料の多くが金属であるため、金属イオンなど無機ナノ材料向けに設計されたNPsの生体適合性はさらなる改善が必要である。

NPs媒介光療法は、腫瘍に対する有効性だけでなく、NPs骨格の物理的特性のみを利用するためNPs内部空間を余らせる可能性があるとしても評価されている。したがって、NPsはPDTとPTTの両方で多機能化されることが多い。将来的には、このようなNPsを化学療法に感受性がない腫瘍幹細胞専用NPsとして設計することが考えられる。腫瘍幹細胞は長期間休眠し、多様な薬剤耐性分子を持つため、化学療法など従来治療で殺傷するのは困難だが、光療法は物理的に腫瘍幹細胞を殺傷するためより効果的である。将来、ナノ物理療法は凍結手術後の光熱療法など多くの他技術と組み合わせられる可能性がある。多機能NPs媒介療法は、低副作用、強力な局所殺傷力、腫瘍幹細胞殺傷という特性を最大限に発揮できる。また、ナノ物理療法は局所殺傷効果があり腫瘍幹細胞を効果的に殺傷できるため、微小転移治療法となり得る。

放射線療法用ナノ粒子

放射線療法（RT）は、線電離放射線で局所細胞を殺傷する腫瘍治療技術であり、現在多くの原発性および転移性固形腫瘍の効果的治療法である[103]。実験で放射線療法が腫瘍幹細胞を効果的に殺傷できることが証明されている[104]。しかし、放射線療法効果をさらに向上させる方法は依然として深刻な課題である。近年、放射線療法分野でのナノ粒子は強力な放射線感受性付与能、放射線感受性薬物の腫瘍標的送達能、画像ガイダンス増強能を示している[105]。現在最も人気のあるナノ粒子は高Z（原子番号）金属材料で作製され、化学的不活性と強い放射線吸収能を特徴とする。これらは放射線吸収後、光電効果やコンプトン効果などさまざまな反応を生じ、光電子、コンプトン電子、オージェ電子など多様な粒子を放出する。これら電子が腫瘍細胞内の有機分子や水と反応し、大量のフリーラジカルを生成し、相乗的化学療法をもたらす[106]。一般的な化学療法感受性NPsは材料により貴金属、酸化鉄、半導体に分類される。

貴金属NPsは金、銀、ガドリニウム、ハフニウム、白金、ビスマスなど高原子番号金属材料で作製される[107]。中でも金ナノ粒子は優れた生体適合性、化学的安定性、比較的強い光電吸収係数から最も人気のあるNPsとなっている[108]。2000年、HeroldらはキロボルトX線における金ナノ粒子の化学感受性付与能を発見した。現在、金ナノ粒子の化学感受性付与メカニズムは完全には明らかでないが、主流見解は高原子番号の光電吸収能に依存するとする[109]。この他、金ナノ粒子の存在がDNAの放射線化学感受性を改善し、電離放射線（IR）誘導性DNA損傷を増加させるとの研究もある。同時に金NPsはフリーラジカル生成など放射線感受性付与メカニズムを触媒する[105]。例えばLiuはAuNPsがヒドロキシルラジカル生成を著しく増加させ、X線と高速炭素イオンの細胞殺傷効果を高めることを発見した[110]。他貴金属の化学感受性付与仮説も金ナノ粒子と類似している。特に白金NPsは固有の性質により抗腫瘍効果を持つため、化学療法と放射線療法を同時に果たすことが期待される。しかし、関連研究報告は不十分で、白金NPsの感受性付与効果も疑問視されている。例えばCharestらはリポソーム製シスプラチンが腫瘍細胞の白金取り込みを増加させ、γ線によるF98神経膠腫細胞殺傷を同時に増強できることを報告した[111]。一方、Jawaidらは白金NPsが化学療法中にROS生成と放射線療法効果を低下させると報告した[112]。

酸化鉄ナノ粒子（IONs）、特に超常磁性Fe₃O₄は、放射線療法線量増強とMRIイメージング増強が可能なため、画像ガイド下腫瘍放射線療法で大きな可能性を示しているが、感受性付与メカニズムは不明確である。一部研究では酸化鉄NPsがフェントン反応とハーバー・ワイス反応でROS生成を触媒し、高反応性ROSが腫瘍を殺傷すると考える[112,113,115]。他方、磁性ナノ粒子の放射線感受性付与と相乗効果に依存するとの説もある。Khoeiは酸化鉄NPsがin vitroで前立腺癌細胞の放射線感受性を改善することを報告[116]。Huangらは架橋デキストラン被覆IONs（CLIONs）がHeLa細胞とEMT-6マウス乳癌細胞に取り込まれ、放射線療法を増強することを指摘[117]。酸化鉄NPsの相乗効果は明確だが、生物学的安全性は改善が必要。多くの研究で酸化鉄NPsの生体適合性と化学的安定性に疑問があり、一定の毒性があると示されている[118]。

半導体NPs（シリカNPsなど）も放射線療法に相乗効果を持つことが分かっている。例えばZhangらはフローサイトメトリー解析とMTT実験でメソポーラスシリカNPsが神経膠芽腫の放射線療法を効果的に増強することを発見[119]。HeらはシリカNPsの放射線増強メカニズムを報告し、X線照射下でシリカナノ粒子が微細なヒドロキシルラジカルを生成し、腫瘍細胞を効果的に殺傷することを発見[120]。

現在、多くの実験でNPsが放射線療法を感受性付与できることが確認されているが、感受性付与の具体的メカニズムは不明確で、新規感受性付与NPs開発を妨げている。フリーラジカル生成促進などの説があるが、フリーラジカル生成量、放射線強度、NPs物理データの定量的関係が欠如している。また、多くの感受性付与NPsは高原子番号金属で作製され、人体での自己代謝と生分解が困難で、長期蓄積により毒性を生じ、放射線感受性付与NPsの安全使用を制限している。さらに、放射線療法感受性付与NPsと比較して、放射線療法副作用を防ぎ正常組織を保護するNPsに関する研究は量的に不足している。

将来、腎臓で代謝可能、生体代謝可能、生体適合性、物理化学的特性安定、固有毒性低のNPs材料を探索するか、体内でNPs代謝を助ける表面修飾を見つけることが感受性付与NPsの研究方向となり得る。また、放射線療法と化学療法の同時感受性付与など多機能NPs研究も多数あるが、この分野にはまだ多くの潜在力があり、今後注目に値する。放射線療法周囲正常組織を保護し、放射線防御不良を緩和する保護NPs開発も研究方向となり得る。

結論

効果不足、非効率的標的能、多様な副作用、潜在的生物学的リスクは従来のがん治療と診断の不利な特性である。近年、先進ナノテクノロジーと分子細胞生物学ががん分野でのNPs応用を促進している。金属NPsだけでなく、多くの脂質、核酸、シリカNPsもがん診断・治療で明確な優位性を示している。さらに、新世代NPsは単一機能に限定されず多機能化している。例えば、Luoらが設計したPD-1ブロッカー搭載金被覆PLGA（ポリ乳酸-共-グリコール酸）NPsは標的薬物送達だけでなくPTT療法も媒介する[121]。Wangらが作製したドキソルビシン搭載（Pd@Au）/Fe₃O₄スピルリナNPsは、細胞実験で光熱療法、化学療法薬送達、磁場制御機能を示した[122]。多機能ナノ粒子は今後の研究トレンドとなる。

現在、ほとんどのナノ粒子がin vivoおよびin vitro段階に留まっている。本総説によれば、以下の理由がNPs臨床応用を阻害していると考えられる。

1. 投与経路と方法の不足

ほとんどのNPsは穿刺または静脈注射で投与される。したがって血流がNPsを運び去り、NPsが標的領域に長くとどまることが困難で、腫瘍細胞に取り込まれるNPsはごく少数にとどまる。低濃度薬物は期待される治療効果を発揮できず、低濃度NPsもPDT、PTT、凍結手術、放射線療法の物理的殺傷効果に影響する。我々の見解では、磁性NPsプラットフォームが解決策となり得る。三次元磁場で血流に抗してNPs移動を制御する実現可能性は、多数のin vitroおよびin vivo実験で証明されている[122,123,125]。しかし、人体が磁場に及ぼす干渉解決、血球とNPs衝突の影響解決、多数NPsの群制御方法はまだ探索段階である。

2. 体内でのNPs局在化の困難さ

人体に比べてNPsサイズは極めて微小である。NPsに蛍光タンパク質を担持させても、従来画像装置（CT、X線、MRI）で人体内NPsをリアルタイムに局在化するのは困難である。この課題への解決策として光音響断層撮影（PACT）が有望である。PACTは高い時空間分解能（面内分解能125 μm、フレームレート50 μs）、深い浸透深度（生体内48 mm組織透過）、解剖学的および分子コントラストを達成している[126]。優れた性能により、PACTは生体内NPs局在化イメージングに大きな可能性を秘めている。Wuらが設計したPACTガイドマイクロロボットシステムは、直径50 μmNPsの制御推進と生体内長時間貨物保持を実現した[127]。現在のPACT分解能と浸透深度はまだ不十分だが、従来画像装置（CT、X線、MRI）よりNPsイメージング定位で優れている。

3. 人体内での分解困難

NPsが高生体安全性材料で作製されていても、長期間体内に留まり分解・排泄されなければ、肝臓、腎臓など臓器損傷リスクが残る。近赤外光照射で分解する材料でNPsを作製することが解決策となり得る。最近、このような材料で作製されたNPsが増えている。これらNPsはPTTを媒介しながら薬物を担持し、NPs分解生成物が人体で速やかに代謝される。また、より生体適合性と分解性に優れた材料でナノ粒子を調製することも解決策である。例えば、キトサン表面は正電荷を持ち大腸菌叢で分解可能で、特定組織との相互作用を促進し、体内で代謝可能である。キトサンの生体適合性と分解性は適切な薬物濃度で無毒性が証明されている[128]。

4. 単核食細胞系（MPS）回避の困難さ

生体液中でNPsはタンパク質を吸着し、「プロテインコロナ」と呼ばれるコロナ層を形成し、NPsに生物学的アイデンティティを与え生物学的特性を変化させ、MPS特にマクロファージを引き寄せてNPsを取り込ませる[129]。MPS取り込み回避のため、ポリエーテル、ポリベタイン（PB）、ポリオールなどさまざまな高分子コーティングがNPs被覆に検討されている。例えば、ポリグリセロールグラフトNPsはタンパク質吸着低減によりマクロファージ取り込みを回避できる[130]。さらに、腫瘍関連マクロファージ（TAM）にはM1とM2の2タイプがある。M1マクロファージは腫瘍増殖を抑制し、M2は促進する。したがって、マクロファージを回避するのではなく、マクロファージ標的NPsを設計し、マクロファージ機能を制御し、さらにはマクロファージを新たな薬物キャリアとして抗腫瘍効果を発揮させることが新たな解決策となり得る。現在、このようなNPsの一般的設計戦略にはマクロファージ遊走抑制、TAM枯渇、TAM再分極、CD47-SIRPα経路遮断などがある[131]。其中、再分極またはCD47-SIRPα経路遮断設計コンセプトに従い、M2マクロファージをM1型に再分極させるNPsがin vivo実験でブレークスルーを遂げている[132]。

上記困難と先進研究を参照し、新たなNPs設計案を提案する。NPs骨格を熱分解性材料（スピルリナ、エキソソーム等）で作製し、光熱材料（Au、Pd等）を無電解めっきでNPs骨格に析出させる。その後、超常磁性酸化鉄をゾルゲル法でNPs表面に担持させ、適切な高分子（ポリベタイン、ポリグリセロール等）でNPsを被覆する。最後に薬物（ドキソルビシン等）をNPsに担持させる。その後、PACTガイド下で腫瘍栄養血管上流にNPsを注入し、腫瘍を近赤外光照射する。同時に三次元磁場制御を与え、腫瘍部位へのNPs蓄積を最大化する。この設計により、多数のNPsが腫瘍部位に蓄積し、薬物濃度とPTT効果を確保できる。同時に大部分NPsが腫瘍部位で分解され、少数NPsのみが体内循環する。

現在、NPs主体の抗腫瘍療法は探索段階にあり、関連技術と装置の発明が必要で、短期的な臨床使用は困難である。しかし、NPsは多くの実用技術の機能や構造の一部を変えることができる。実用技術のアップグレードは臨床迅速適用が期待され、結果として腫瘍診断・治療のアップグレードに寄与する。例えば、NPsはイオンと導電性高分子の相互作用に基づく電気化学デバイス開発を支援できる。有機電気化学トランジスタ（OFETs）、電解質ゲート電界効果トランジスタ（FETs）、フィン型電界効果トランジスタ（FinFETs）、トンネル電界効果トランジスタ（TFETs）、電気化学ラボオンチップ（LOCs）など[133]。これら電気化学デバイスはさまざまな腫瘍検査・診断装置に広く用いられている。NPs利用により装置精度向上と検出時間短縮が可能である。NPsでアップグレードされた電子部品を用いた医療機器が臨床適用されているとの研究も多数ある[133,134,136]。

以上の証拠に基づき、今後のNPs研究はNPs自体だけでなく、実現可能な投与プラットフォームと効果評価プラットフォームも考慮すべきである。また、プラットフォームはNPsの免疫毒性、長期毒性、神経毒性を監視できる必要がある。ナノテクノロジーが発展し、これら問題が解決されれば、NPsはがん治療と診断をアップグレードする理想的アプローチとなり得る。