バイオテクノロジー
ロタキサン構造を活用した医療と技術の次世代放出システム
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ロタキサンを用いた薬物送達と自己修復材料
分子を正確な位置に届けることは非常に困難な作業ですが、がん治療など多くの医薬品が機能するためには必要不可欠です。これまでのほとんどの送達システムは化学的相互作用による活性化に限られるか、性能が低いという問題がありました。同様に、自己修復材料は機械的応力やひび割れにさらされた際に修復システムを放出する必要があります。英国マンチェスター大学の研究者が発見したロタキサンと呼ばれる新しい分子構造のおかげで、これらのイノベーションが実現可能になるかもしれません。
ロタキサンとは何か？
ロタキサンは相互に組み合わさった分子で、円形（ドーナツ形）の分子の中心を長いポリマーが通過しています。
マンチェスター大学の発見においては、機械的力に敏感な長く複雑な分子が使用されました。
分子の鎖に沿って、青色で示された「貨物分子」と呼ばれる興味のある分子を結びつけました:
出典: Nature
材料に力が加わると、ロタキサンのドーナツ形部分が押し出され、貨物分子が放出されます。
このロタキサン分子モデルは、力の検出と放出メカニズムを同時に行う完璧な検出器となります。
出典: Nature
改良されたロタキサン
力による化学的放出はそれ自体が新しい概念ではありません。しかし、従来のシステムは放出できる分子数が限られており、検出器1つにつき1分子しか放出できませんでした。
「力は自然界に遍在し、さまざまなプロセスで重要な役割を果たします。我々の目的は、これらの力を材料の耐久性や薬物送達などの変革的応用に活用することでした。」
「これはまだ概念実証段階の設計にすぎませんが、ロタキサンベースのアプローチは広範な応用可能性を秘めており、医療と技術において真に画期的な進歩の瀬戸際にいると考えています。」 – Guillaume De Bo, Professor of Organic Chemistry at The University of Manchester
代わりに、物理的カプセル化戦略を用いてより大きな貨物負荷を届けることも可能ですが、これらはしばしば機械的でない不要な放出の影響を受けやすいです。
新しいロタキサン設計は、制御された方法で一度に多数（最大5つ）の分子を放出できるようにします。
実際には、機械的ストレス（例：スマートフォン画面への衝撃や傷）または標的超音波によって放出がトリガーされ、腫瘍部位でのみ薬物をターゲットにした放出が可能になります。
前システムのもう一つの制限は、放出できる分子の種類が限られていたため、革新的な薬剤に適さなかった点です。
研究者らはNature に掲載された科学論文で、このシステムが薬物化合物、蛍光マーカー、触媒、モノマーに使用できることを実証し、多くの潜在的応用を開きました。
さらに、このシステムは異なる貨物ユニットを定義された順序で放出する可能性も提供します。
ロタキサンの応用
バイオテック
最も直接的な応用は薬物送達システムです。現在、この分野は抗体薬物複合体（ADC）の利用拡大に支配されています。
超音波治療の的確な特性により、ロタキサンベースの送達システムは体内の特定部位でのみ薬物を投与できる可能性があります。このシステムは、広範囲に効く強力な化学療法剤であるドキソルビシンの送達でも既にテストされています。
初期の研究結果は、超音波照射で71％、ドキソルビシンテストで65％の放出効率を示しました。
自己修復材料
金属からプラスチックまで、機械的ストレス、ひび割れ、衝撃にさらされた際に「自己修復」できる材料は多くの利点があります。
機械的力に反応するロタキサンは、応力がかかった点でのみ反応し、損傷が拡大する前に必要な場所で修復システムを放出できるため、即座に対処が可能です。
これにより、自己修復ディスプレイ、金属部品、さらにはコンクリートの実現が期待されます。
自己修復特性は永続的ではありませんが、材料の耐久性を大幅に向上させることができます。特に、同じ箇所で二度目の損傷が発生し、ロタキサンが枯渇した場合に修復機能が失われます。
センサーと安全性
新しいロタキサンシステムは蛍光マーカー（場合によってはカラー マーカー）も放出できるため、目に見えない損傷を警告する「警告システム」として利用できます。これにより、構造物や機械の機械的応力や金属疲労を、実際に破壊的な破損が起こる前に検出することが可能です。
また、医薬品や食品製品のような容器やシールの完全性を証明する用途にも同様に利用できます。
ロタキサン企業
ロタキサンは現在、主に実験室で生成・研究されている実験的分子クラスです。しかし、一部の企業は自己修復材料や超音波ベースの薬物送達に取り組んでいます。
1. EXACT Therapeutics (EXTX)
このバイオテックスタートアップは、音響媒介療法（Acoustic Cluster Therapy または ACT）を活用し、がん細胞への化学療法薬の取り込みを増加させることでがん治療に取り組んでいます。
同社は現在、膵臓がんに対する第2相臨床試験と、大腸がん転移性肝臓がん患者に対する第1相試験を実施中です。
現在は陰性帯電マイクロバブルと陽性帯電マイクロドロップレットを使用していますが、将来的にはロタキサンを用いてさらに濃縮かつ効率的な薬物送達が可能になると考えられます。
2. Arkema (AKE.PA)
フランスのこの企業は、石油化学会社トタルからスピンオフした化学製品メーカーで、接着剤、コーティング、先端材料に注力しており、事業全体の約1/3を占めています。
特に、2009年から自己修復エラストマーとゴムの研究に取り組んでいます。
同社は多数の化学クラスで活動しており、事実上すべての産業で使用されています。
出典: Arkema
Arkema の戦略は、各ニッチ市場でトップサプライヤーになることで、ポートフォリオの90％で世界第1位から第3位を占めることです。
長年にわたる自己修復材料への取り組みと同社が保有する価値ある知的財産を考慮すると、将来的に商業的ロタキサン技術を展開する有力な候補となり得ます。
3. Autonomic Materials
出典: Autonomic Materials
この非上場企業は、特に腐食防止コーティングに特化した自己修復材料を扱っており、幅広い用途と産業で利用されています。
同社のコーティング化学物質は、微小ひび割れが発生した瞬間に反応し、損傷の拡大を防止します。損傷が大きすぎる場合は、損傷領域のエッジを再シールし、接着性の喪失とコーティングの剥離を防ぎます。
同社は非常に高い性能を主張すると同時に、VOC（揮発性有機化合物）の排出レベルを極めて低く抑えており、これは有害で産業環境での安全問題を引き起こす可能性があります。
出典: Autonomic Materials
