傷口の周りを泳ぎ回り、細菌を殺すナノボット

ナノボットには、常に何か魅惑的な魅力がありました。コミックや映画は、人間の髪の毛の何千倍も細く、人体中を動き回り、骨を修復したり病気を治したりするナノボットを想像するように読者に促します。（あるいは、もっと邪悪な場合は、ただ爆発するかもしれません。）そのスケールは計り知れないほど有限です。SF作品では、その可能性は限りなく無限だと信じ込ませるでしょう。その矛盾は、脚本家たちがジェームズ・ボンドの殺し方を考え出すには最適ですが、同時に一種の呪いでもあります。こんな技術を真剣に受け止めてはいけないのでしょうか？

ナノボットは私たちの身近に存在していることが判明した。バルセロナにあるカタルーニャ生物工学研究所の化学者、サミュエル・サンチェスは10年以上にわたり、抗がん剤や抗生物質といった有用な物質を体液を通して運ぶことができるナノボットを構想してきた。

シャーシとして機能する球状のシリカ粒子を想像してみてください。サンチェス氏は、その表面に特殊なタンパク質を点在させ、まるで小さなモーターのように粒子を流体中を移動させることを実証しました。彼の研究室では、様々なシャーシ、モーター、そして積荷を実験してきました。4月下旬に発表された研究では、抗生物質研究者と共同研究を行いました。研究チームは、シリカナノボットに実験段階の抗生物質（スズメバチ毒由来のものも含む）を充填し、マウスの感染創を治療しました。感染創の片端に滴下されたナノボットは、皮膚を伝わって創傷全体を治療しました。これは、ナノボットが動物の体内で細菌を殺菌したという初めての報告です。

「傷口全体が覆われているのがわかります。機械は実際に傷口の周りを移動し、感染を除去していくのです」と、サンチェス氏と共にこのプロジェクトを率いたペンシルベニア大学のバイオエンジニア、セザール・デ・ラ・フエンテ氏は語る。

これは重要な点です。なぜなら、薬は通常、拡散、つまり体液を通して受動的に広がるプロセスに依存しているからです。世界で最も完璧な抗生物質でさえ、ゼリーの入った容器の中のレンガと同じくらいしか拡散しないのであれば、それは完璧とは言えません。

抗生物質や化学療法薬は、多くの場合、小さな分子です。それらは、体内の体液の気まぐれに動きます。血流感染症の治療のためにシプロフロキサシンを静脈に注入すると、血流によって抗生物質は必要な場所へ運ばれます。しかし、粘液というはるかに粘度の高い液体の中に潜む細菌はどうでしょうか？あるいは、肺の中に濃密なバイオフィルムとして潜んでいる細菌はどうでしょうか？「抗生物質は通常、投与した場所の周囲の細菌を殺すだけで、抗生物質自体は実際には移動できません」とデ・ラ・フエンテ氏は言います。

だからこそ、これらの薬には小型モーターが必要なのです。サンチェス氏は、皮脂のような粘性体液内の感染症や、膀胱内の停滞した体液の近くにある癌に薬を届けるナノボットを構想しています。「粘度が高い場所や拡散が非常に少ない場所では、動きが必要になります」とサンチェス氏は言います。「動きや推進力がなければ、A地点からB地点まで到達することはできません。」

「能動システムの力を示す素晴らしい例です」と、オランダのアイントホーフェン工科大学の生物有機化学者、ヤン・ファン・ヘスト氏は言う。同氏は今回の研究には関わっていない。ナノボットが一般的な抗生物質に取って代わることはまずないだろう。なぜなら、抗生物質は往々にして単純で安価でなければならないからだ。しかしファン・ヘスト氏は、ナノボットによる動作の実現には費用と手間をかけるだけの価値があると指摘する。例えば、血栓の分解や股関節インプラントの感染予防などだ。「インプラントと感染組織の境界面をナノボットが歩き回れるような状況は想像できます」と彼は言う。

デ・ラ・フエンテ氏もこの新たな道筋に期待を寄せている。科学者たちはこれまで、新しい抗生物質とその投与方法の発見に苦心してきたからだ。「感染症が治ったのを見た時、それが証明になりました。この研究は、感染症をより効果的に治すための未来を切り開くと確信しています」と彼は語る。

デ・ラ・フェンテの研究室は、主にペプチドの形で新たな抗生物質の発見に焦点を当てています。ペプチドは、動物界全体で殺菌剤として自然界に存在します。ペプチドは数十個程度のアミノ酸が連なったもので、タンパク質の短い断片のようなものです。問題は、ペプチドの拡散が遅く、体内で分解されてしまうことです。デ・ラ・フェンテは、これらの小さな分子を拡散速度よりも速く、密な傷口やバイオフィルム内を移動させる方法を模索していました。彼は長年サンチェスの研究を追っており、その中には自身の研究室が最近行った、ナノモーターによる抗がん剤の運搬・分配や、マウスの膀胱内を自律的に遊泳できることの実証も含まれています。2つの研究室は協力し、それぞれの技術を組み合わせました。

サンチェス氏のチームは、二酸化ケイ素（シリカ）製のロボットを2つのサイズ、つまりナノ粒子と、それより少し大きいマイクロ粒子で作製しました。これらのロボットのシャーシを動かすために、尿素分解酵素と呼ばれるタンパク質を使用しました。尿素分解酵素は、体内の尿素をアンモニアと二酸化炭素に変える酵素です。車のエンジンのように、この酵素は化学反応を機械エネルギーに変換します。尿素が燃料となるのです。

サンチェス氏によると、その秘訣はロボットを非対称にモーターで覆うことだという。モーターを不均一に、不均等に配置することで、ロボットはスタート地点の周りを旋回するのではなく、無秩序に離れていく。「完璧は良くない」と彼は冗談めかして言う。

デ・ラ・フエンテ研究室は、2種類の抗菌ペプチドのうちの1つである貨物を提供しました。1つは天然の長鎖抗菌ペプチドLL-37、もう1つはスズメバチ毒由来の短鎖合成ペプチドK7-Polです。どちらも細菌の細胞膜を分解し、基本的に細菌を溶かして無力化します。（K7-Polは、寄生虫や癌細胞に対しても実験室で有効性を示しています。）

次に、研究チームはマイクロボットが泳げることを証明した。尿素を入れた試験管の中で、マイクロボットは毎秒最大4マイクロメートルの速度に達した。これは「1秒あたり体長1～2倍」だとサンチェス氏は言う。（人間も1秒あたり体長1倍程度泳ぐことができる。）

次に、ロボットが殺傷能力も持つことを示す番が来た。しかし、チームは、抗生物質を点滴するだけの受動的な方法よりも、実際に動物の感染症を効果的に治療できると証明する方法に苦慮した。「これには時間がかかりました」とデ・ラ・フエンテ氏は言う。

最終的に、研究チームは2つの重要な基準を検証するための装置を考案しました。抗菌マイクロボットまたはナノボットが感染マウスを治療できること、そしてそれらの能動的な動きがその治療において中心的な役割を果たしていることです。研究チームは針を使って実験用マウスの背中を丁寧に掻き、アシネトバクター・バウマニと呼ばれるスーパーバグをそれぞれの傷口全体に感染させました。この過程で、治療困難な膿瘍が形成されました。一部のマウスでは、膿瘍の片方の端に2種類の抗生物質のいずれかを点滴しました。これらの点滴にはナノボットが含まれていないため、感染を除去するには、薬剤が傷口の端から端まで自力で拡散する必要があると推測されました。

次に、別のマウス群に、数千個の抗菌ボットを微小な液滴として投与しました。一部のマウスにはLL-37を充填したボットを、他のマウスにはK7-Polを充填したボットを投与しました。研究チームは、ボットが燃料を飲み込み、より広い範囲を移動できると期待し、それぞれの傷口を無毒の尿素で覆いました。

まさにその通りでした。ボットを使わずに抗生物質を投与された傷は、局所的にしか改善しませんでした。細菌数は100分の1から1000分の1に減少しましたが、それは投与された傷の先端部分だけでした。傷の残りの部分は、治療を受けなかった場合と全く同じ状態でした。

しかし、いずれかの抗菌ペプチドを搭載したナノボットは傷全体を治療し、傷口全体にわたって傷口内の細菌数を100～1,000倍に減らし、免疫システムが対処できるレベルまで下げた。

そして決定的なことに、科学者たちは尿素燃料を使わなかったところ、抗生物質ボットが感染全体を治癒しなかったことを発見した。燃料がなければ、ボットなしの薬剤と同様に、局所的にしか作用しなかった。燃料は不可欠であり、つまりモーターの動きが不可欠だったと研究チームは結論付けた。

ファン・ヘスト氏によると、この結果はナノモーターの実用化における最も決定的な例の一つだという。「これが本当に粒子の運動性による効果であるかどうかを証明するのは常に非常に難しい」と彼は言う。「今回の場合は、その証明は直接的かつ明確です。」

マサチューセッツ総合病院ブリガム・メディカル・センター泌尿器腫瘍科主任のダグラス・ダール氏は、ナノボットを「驚異的な技術」と呼んでいます。ヴァン・ヘスト氏と同様に、ダール氏もナノボットが膝、股関節、さらには陰茎インプラントの安全性を確保する上で大きな可能性を秘めていると考えています。

もう一つの応用は、腎臓結石の治療です。腎臓結石は、手の届きにくい隙間に細菌バイオフィルムを多く抱えています。「手術をすると、細菌が患者の体内に降り注ぎ、重篤な症状を引き起こす可能性があります」と彼は言います。同様に、膀胱、尿管、腎臓の内壁を侵す尿路上皮がんも、狭い空間で増殖するため、治療が困難です。彼は、自走式薬剤が、これらの捉えどころのない腫瘍や細菌を攻撃する医師の助けになると考えています。さらに、尿路、膀胱、腎臓には「十分な燃料」があるとダール氏は指摘します。ナノマシンを動かすのに十分な量の尿素です。

1966年のSF映画『ファンタスティック・ボヤージュ』では、血流を通して任務を遂行する縮小された潜水艦が描かれました。サンチェスのナノボットは、自身の移動速度よりもはるかに速い血液中では機能しませんが、粘液や皮膚の間質液といった、体内でよりゆっくりと流れる体液の中を航行する幻想的な世界を思い描いています。そして、ナノボットは今でも人々に現実の境界線上にあるアイデアを夢想させる力を持っています。「科学者である私たちは皆、SFにインスピレーションを受けています」とデ・ラ・フエンテは言います。「そして、私たちの仕事は、時にこの二つの世界をより近づけることだと考えています。今日SFに見えるものが、数年後には現実になることを願っています。」