新型コロナウイルスワクチンメーカー、ガラス不足打破にマイクロチップ技術を活用

新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の危機が7カ月目に突入する中、世界中の研究者たちは、これまでに950万人が感染し、約50万人が死亡したコロナウイルスのワクチン開発に、長時間の懸命な研究を続けています。現在、140種類以上のワクチン候補が試験段階にあり、そのほとんどが予備段階です。いくつかのワクチンは初期段階のヒト臨床試験に進んでおり、3種類はウイルスに対する免疫を付与するかどうかを測る第3相臨床試験に進んでいます。

階段を掃除する清掃員

子どもたちを楽しませる方法から、この感染拡大が経済に及ぼす影響まで、WIRED のあらゆる記事を一か所にまとめました。

しかし、安全で広範囲に効果のあるワクチンを製造するための科学は、ほんの第一歩に過ぎない。パンデミックから実際に脱却するには、その後、最も効果の高いワクチンを製造し、瓶詰めして世界中に輸送し、脆弱な集団に配布する必要がある。新型コロナウイルス感染症の場合、これはほぼ地球上のすべての人に当てはまるため、70億回分から150億回分のワクチンを製造することになる（多くのワクチンは初回接種と追加接種の2回接種が必要だ）。これまで誰もこのようなワクチンを作ろうとはしなかった。そして、これほど短期間で前例のない数のワクチンを製造しようとする歴史的な取り組みが加速する中、ワクチンメーカーは、彼らが直面している最大のボトルネックは、文字通り残酷なものだと言う。

「課題はワクチンの製造そのものではなく、バイアルへの充填です。世界にはバイアルが足りないのです」と、アストラゼネカのエグゼクティブディレクター兼CEOであるパスカル・ソリオ氏は先月の記者会見で記者団に語った。アストラゼネカはオックスフォード大学と共同で、新型コロナウイルス感染症ワクチン開発競争の最有力候補の一つに取り組んでいる。しかし、同社は、この重要な充填工程に必要な容器の調達を急ぐ多くの製薬会社の一つに過ぎない。世界有数の医療用ガラスメーカーであるAGショットの幹部は先日、ウォール・ストリート・ジャーナル紙に対し、ワクチンメーカーから10億バイアルの注文を受けていると語った。これは同社の今年の生産能力の2倍にあたる。

医療用ガラスは強度が高いものの、壊れやすいという欠点があります。そのため、メーカーは通常、過剰在庫を大量に生産することはありません。製薬会社からの注文に応じて製造します。そして製薬会社は通常、有効なワクチンが開発され、顧客に大量供給するための流通契約が締結されるまで、発注を行いません。しかし、今の時代は何もかもが通常とは異なります。政府や非営利団体は、臨床試験と並行してワクチン製造能力の増強に資金を投入しており、個々の企業が試験や生産に多額の費用を負担するリスクを軽減しています。また、従来のガラスを回避するために、半導体業界からナノテクノロジーを借用した実験も行われています。

米国では、この協調的な取り組みは「オペレーション・ワープ・スピード」と呼ばれています。米国政府の生物医学先端研究開発局（BARDA）は、同局のポートフォリオによると、アストラゼネカ、ジョンソン・エンド・ジョンソン、モデルナ・セラピューティクスなどの新型コロナウイルス感染症ワクチンメーカーに、これまでに約22億ドルを投資しています。これらの企業は、国立衛生研究所（NIH）と提携し、今夏に第3相臨床試験を開始する予定です。ワクチンの有効性を証明してから多くの人々に提供できるようになるまでの期間を長くしないことが目標です。

有効なワクチンが限られた少数の人々に配給されるという事態を回避するには、ガラス瓶不足を克服することも必要となる。4月に突然解任されたBARDA元所長リック・ブライト氏が提出した60ページの内部告発書によると、この問題はパンデミック初期から米国政府の関心事だった。ブライト氏は報告書の中で、1月から3月にかけて、注射針、注射器、ガラス瓶など、集団予防接種キャンペーンに必要な物資の確保を政府当局者に繰り返し要請したが、成果は得られなかったと主張している。

6月、バーダ社はついにアメリカのバイアルメーカー2社と3億4700万ドルの契約を締結した。1社目はニューヨークに本社を置くコーニング社で、ワクチンメーカーとの長年の取引実績を持つ。同社のパイレックスガラスは、1950年代に初めてポリオワクチンの瓶詰めに使用された。同社広報担当者は今週初め、Business Insiderに対し、現在「毎月数百万本のバイアル」を製造しているとの見解を示した。広報担当者によると、バーダ社からの資金注入により、同社は今後3年間でこの数字を10倍に増やす見込みだという。

しかし、ガラスのギャップを埋めるには時間がかかる。サプライチェーンの専門家によると、年間1億～5億個のバイアルを追加で製造できる新しい製造施設を立ち上げるには、少なくとも6～8カ月かかるという。これは、ガラスバイアルメーカーが、それらの生産ラインに供給する原材料を入手できればの話だ。医療用ガラスは、大きな温度変化に耐え、化学的に敏感なワクチン成分を安定に保つことができなければならない。そのため、海岸や川底に生息する、粒子がギザギザしているため互いに噛み合って丈夫なガラスになる、特に角張った種類の砂を溶かす必要がある。この種の砂は、太陽光パネルからコンクリートまであらゆるものに使用するため、需要が非常に高く、近年、違法な砂採掘が急増している。昨年発表された主要な国連報告書は、砂の採取を「21世紀の主要な持続可能性の課題の1つ」と呼んだ。

ワクチンメーカーがガラス不足に直面するかどうかは、実際にワクチンをどれだけ早く開発できるかにかかっている。「来年初めに最初のワクチン候補が開発されるのであれば、ガラスについてはそれほど心配する必要はないと思います」と、グローバル開発センターの医療サプライチェーン研究者、プラシャント・ヤダフ氏は言う。一方、現在開発中、あるいはまもなく第3相試験に入る有力なワクチン候補が、年末までにデータが得られると予想されるブロックバスター（大型ワクチン）となった場合、問題が発生する可能性がある。「まだワクチンのバイアルが入手できないため、広く配布する手段がないのです」とヤダフ氏は言う。

より差し迫った不足への備えとして、バーダ社は、従来の砂からガラスまでのサプライチェーンに依存しないバイアル製造技術を開発した企業に賭けている。この企業は、シリコンバレーで磨き上げられた製造プロセスを用いて、プラスチック容器の内側にほとんど目立たないほど薄いケイ酸塩層をコーティングする。「私たちは基本的に、ガラスとプラスチックの長所を融合させ、ハイブリッド素材を生み出しているのです」と、SiO2マテリアルズサイエンスの主任科学者クリストファー・ワイカート氏は語る。同社は、新型コロナウイルス感染症ワクチンの開発を支援するバイアル製造のため、バーダ社と1億4300万ドルの提携契約を結んだ。

アラバマ州オーバーンに拠点を置く同社は、長年にわたり、多くの特徴的なプラスチック容器を開発してきました。1960年代には初のハンドル付きミルクジャグを製造し、その後はミニM&Ms用のポケットサイズのポップトップチューブを開発しました。2011年にワイカートが加わってからは、医薬品業界向けの容器の製造に特化しました。

プラスチック単体では、特にいわゆる「バイオ医薬品」と呼ばれる医薬品の包装には適していません。バイオ医薬品とは、タンパク質、ヌクレオチド、抗体など、細胞が通常作り出す物質のことで、現代の医薬品においてますます多くの割合を占めています。プラスチックポリマーは軽量で耐久性に優れていますが、同時に通気性も高くなっています。空気、水、その他の気体や液体が容易に浸透してしまうからです。また、プラスチックポリマー自体が医薬品に浸出することで汚染を引き起こす可能性もあります。これらの問題はいずれも、医薬品が患者の手に渡るまでの安全性と有効性に影響を及ぼす可能性があります。

ワイカート氏のチームは、こうした問題のないプラスチック容器を作る方法を模索しました。彼はその答えをプラズマに見出しました。プラズマとは、固体、液体、気体に続く物質の第4の状態です。プラズマは基本的に部分的に電離した気体で、分子が励起状態にあるため、電子が軌道から外れ、発光します。しかし、さらに重要なのは、気体をプラズマに変えるプロセスを利用して、原子1つずつ物質の層を堆積したり剥がしたりできることです。エレクトロニクス産業は、この方法でほぼすべての集積回路を製造しており、集積回路の小型化を推進した技術です。携帯電話やパソコンの中にあるマイクロプロセッサチップも、プラズマベースのプロセスによって、何層にも重なった物質が堆積またはエッチングされているのです。

同様の技術を用いて、ワイカートのチームは、バイアル、注射器、その他の形状のプラスチック容器から空気をすべて吸い取り、二酸化ケイ素ガスに置き換える方法を考案しました。次に、非常に低い圧力で容器全体に電磁場を印加し、ガスをプラズマに変換します。すると、シリカ分子と酸素分子の電子が放出され、非常に反応性が高くなり、ポリマー表面に付着します。そして、そこにくっつきます。その結果、純粋なシリカ、つまりガラスの層が形成されます。「酸素分子は非常に小さな物質なので、それを遮断するには非常に高密度のバリアが必要です」とワイカートは言います。「だからこそ、この非常に高密度のシリカを塗布したのです。」

当社のコロナウイルス関連記事はすべてこちらでご覧ください。

シリカ層の幅は20～50ナノメートルです。プラスチックへの接着を助ける接着層と、ガラス層が容器の内容物に溶解するのを防ぐカーボン混合シリカシートの間に挟まれています。プラズマ蒸着コーティングの厚さは、全体で0.5ミクロン未満、つまり赤血球の直径の約10分の1、人間の髪の毛の太さの150分の1に相当します。

パンデミック以前、SiO2は製薬会社向けに、直径10ミリのガラスコーティングされたプラスチックバイアルを年間約1,400万本製造していました。しかし、ワクチン市場にはまだ参入していませんでした。SiO2の最高事業責任者であるローレンス・ガンティ氏によると、Bardaとの契約締結以降、同社は123人を追加雇用し、現在は年間4,000万本のバイアルを生産する見込みです。ガンティ氏は、契約の追加需要に対応するために生産能力を強化する中で、少なくとも100人以上の人員を雇用する予定だと述べています。この需要には、11月までに生産量を1億2,000万本に拡大することが含まれています。

ガンティ氏によると、SiO2は現在、モデルナを含むワクチン製造会社5社と、新型コロナウイルス感染症の治療薬を開発している数社（氏名は伏せた）にバイアルを出荷している。これらの企業すべてが「オペレーション・ワープ・スピード」の対象に選ばれたわけではない。この契約はバーダが投資した企業を支援することを目的としているが、ガンティ氏によると、SiO2はバーダが出資していない製薬会社にも販売できるという。

ヤデイ氏は、世界的なパンデミックの真っ只中に比較的新しい企業を支援するという研究機関の決定に、複雑な思いを抱いているという。「これはイノベーションにとって良い動きなのでしょうか？もちろんです」と彼は言う。長期的には、SiO2のような企業が、砂やガラスに頼らない、より機敏な新しい医薬品やワクチンの包装方法の開発に不可欠になるとヤデイ氏は予想している。しかし、米国は大量のCOVID-19ワクチンを供給する能力を、特にヨーロッパには長い実績とワクチン業界との深いつながりを持つ大手ガラス瓶メーカーが複数存在する中で、新しい技術に賭けるべきなのだろうか？「そこは私には全く分かりません」と彼は言う。

2020年6月26日午後4時25分（東部標準時）更新：この記事は、Barda社とSiO2社間の契約金額を訂正するために更新されました。正しくは1億4,300万ドルであり、1億4,300万ドルです。

WIREDは、新型コロナウイルス感染症のパンデミック下で公衆衛生と身を守る方法に関する記事を無料で提供しています。最新情報を受け取るには、コロナウイルス・アップデート・ニュースレターにご登録ください。また、私たちのジャーナリズムをサポートするために購読登録もお願いいたします。

WIREDのCOVID-19に関するその他の記事