注目研究

 本学の注目研究を毎月1つずつ紹介します。

【2023年1月】
 抗体の未知なる可能性を引き出し最大化させる革新的な技術 ~抗体を基点に検査薬の未来を変える~
(分子化学系 熊田陽一 准教授) ※研究者総覧

 ※研究者紹介ハンドブック

 ※紹介動画(You Tubeが開きます)

※バックナンバーはこちら

抗体の未知なる可能性を引き出し最大化させる革新的な技術
~抗体を基点に検査薬の未来を変える~

 新型コロナウィルス感染症やガン検診などにも利用されている抗体の研究・開発には、誰も見たことがない革新的な技術が使われています。これらの技術を使うことで、現在の検査薬におけるあらゆる問題を一度に解決することができます。

はじめに:〜誰も見たことがないアプローチで、抗体の常識を覆す〜

 我々が研究している抗体は、これまでの抗体とは一線を画すものだと考えています。
 「抗体」と聞くと、いわゆる実験動物から作られるY(ワイ)の字の抗体をイメージされるかもしれません。しかし、私が研究開発している抗体は、製造手法や大きさ、さらには、抗体そのものの性質がまるで違っています。
 従来検査薬に用いられてきた抗体は、主に実験動物を用いて製造されるため、抗体そのものの分子構造や物性を改変することが困難でした。したがって、一度作成した抗体の形状や分子サイズはもちろん、性質についてもほとんど手を加えることができませんでした。
 検査薬を作るにあたり、その抗体が検査に望ましくない物性を有していたとしても、そのまま使う以外方法がありません。結果として検査の不安定さを生むことに繋がります。初期の新型コロナウィルス抗原検査の精度が安定しなかったのはこのためです。
 私が日々研究している抗体は、抗体そのものを自由自在に改変することができます。抗体のサイズや分子構造、物性など、全てを自由自在に改変・再設計することができ、そこには限界がありません。抗体という言葉は同じでも、その性質や未来の可能性が全く異なっているのです。図1は大腸癌マーカーであるCEAを従来の抗体と我々が開発した新しい抗体で検出した検査結果です。

図1

図1 抗体固定化プレートを用いる大腸がんマーカーCEAの定量

 黒線が実験動物から作られた従来の抗体(完全長抗体)、青線が我々が研究開発を行っている抗体(単鎖抗体)を利用した結果になります。

 縦軸が検査で得られるシグナルで、シグナルの強度が高いほどより正確に検査を行うことが可能です。動物由来の従来の抗体と我々が研究している大腸菌由来の抗体では10倍以上のパフォーマンスの開きがあることがわかります。
 これは、意図的にパフォーマンスが上がるように私たちが利用用途に合わせて抗体を改変しているからに他なりません。これが抗体を分子改変することで起こせるインパクトなのです。
 我々が日々研究開発を行っている新しい抗体は、その抗体クローンが有する長所を最大化し、さらに、短所を改善するべく、様々なチャレンジを行っています。あらゆる要素を何度でも設計し直せるので、検査に適したより良い抗体へとイノベーションを起こし続けることが可能になるのです。たとえば、抗原をキャッチする能力がとても優れているのに、保存機能や生産量に問題があった場合、なかなか実社会で利用していくことは困難です。一方で、我々はそれらをブレイクスルーする方法論や技術を日々研究しています。このように機能そのものを、変幻自在に改変・改良することで、検査対象や検査目的に対して理想の抗体を作り上げることができます。すなわち、これまでの抗体にあった限界を何度でも突破することができるということです。以下に我々が実施している検査薬開発のプロセスを一部紹介いたします。

【1】発掘:検査に最適な抗体を単離する

 抗体のデザインを改変する前に、まずはその基本骨格となる優れた抗体を見つけ出す作業を行います。例えば、糖尿病を発見することを目的とした検査薬を作る場合は、糖尿病の指標となる抗原(バイオマーカー)をキャッチすることにおいて1番パフォーマンスの高い抗体を探すところからスタートとなります。
すなわち、
1. 1億種類の抗体ライブラリーから100種類の抗体候補の抽出。
2. その100種類の抗体をあらゆる視点から分析し1つに絞る。

という手順になります。
 まずは、私たちが保有している1億種類ほどある抗体ライブラリーのなかからターゲットとなる抗原に結合する特異抗体をファージディスプレイという技術を使って100種類ほどまで候補を選出します。面白いのはここからです。選出した100種類から最も優秀な1つの抗体に絞っていくのですが、この過程で思いもよらない発見や可能性と出会うことができるのです。目的は「対象としている検査で一番成果を発揮する抗体を見つける」ことにありますが、評価基準は1つだけではありません。抗原に対する特異性、親和性のみならず、生産性、溶解性、保存安定性、熱安定性など様々な観点から抗体を観察・分析していきます。
 例えば、一見似たような構造をもつ2つの抗体があったとしても、その中身を研究していくと、それぞれ対局にある性質を持っていることがわかったり、抗原に対する結合力が平凡な抗体であっても、観察をしているうちに、実はその抗体がある特定の操作条件でのみ突出したパフォーマンスを出せることが分かったりすることがよくあります。
 抗体の発掘作業のなかで、これまでの抗体研究の常識を覆すような抗体と出会うことがたくさんあるため、いろんな可能性を考えながら検証していかなくてはなりません。
 それらを調べながら、抗体にランキングをつけて最終的な評価をしていきます。
 一見、平凡に見える抗体であっても、1つ1つのクローンと向き合い、じっくりと観察をすることで、とんでもないポテンシャルを発見することがよくあります。
 この過程を通して、検査感度が高い抗体をたった1つに炙り出していきます。これで、理想の抗体を作成する下準備が整いました。

【2】改良:単離した抗体を分子改変しパフォーマンスを向上させる

 1億種類のライブラリーのなかから1つの抗体に絞ったなら、次はその抗体を分子改変する段階に入ります。1億種類から選び出した抗体は、抗原と結合する機能が突出して優れていますが、その分様々なマイナス面も存在している可能性があり、そのまま検査薬として使えるケースはほとんどありません。大抵の抗体は、以下のような問題のいずれかまたは複数抱えています。

• 大量生産が困難である
• 凝集しやすく長期保存が難しい
• 分解されやすい
• 材料基盤上で構造や機能を保てない

 ここからが私たち研究者の腕の見せ所になります。抗体が有する「抗原結合能力」はそのままに、上記の欠点を克服できるように分子改変を行います。積極的に抗体の性質や形状を変えていき、検査薬として完璧な抗体へと昇華させていくのです。
 どのように分子改変を行うのかを解説したいと思います。

抗体の弱点を克服するフレームスイッチング テクノロジー

 以下の抗体の抗原結合部位の図解をご覧ください。

図2

図2 抗体の抗原結合部位の構造

 私たちは抗体を、抗原と結合する結合部(上部分・CDR)と下のフレーム(土台部分・FR)の2つに分けて考えます。この結合部(上部分)とフレーム(土台部分)を分子改変しながら理想の抗体作りを行います。

 例えば、インフルエンザの検査薬に適した抗体を作ることを目的にAという抗体を見つけたとします。このA抗体を調べてみると、抗原と結合する能力は高いのに、生産能力が低く、大量生産ができないことがわかりました。このような場合でも、A抗体のインフルエンザウィルスへの結合力はそのままに、弱点であった生産能力を向上させることができます。すなわち、目的の抗体の弱点となる部分の配列を別の抗体の配列と入れ替えることで、弱点を克服することができるのです。
 以下のグラフをご覧ください。これは、3つの抗体の生産量を比較したグラフになります。

図

図3 FR-switching技術による低分子抗体の生産濃度の改善

 グラフ内、一番右側の抗体A1Rは先ほどお伝えしたインフルエンザの抗原と結合する抗体です。見ての通り、生産能力が低いことがわかります。一方、その隣にある抗体C2Rは別の抗原に結合する抗体であり、抗体A1Rよりも生産量が高いことがわかります。抗体A1Rのフレーム配列を生産能力が高い抗体C2Rのフレーム配列と入れ替えることで新たに生み出された抗体が一番左にある抗体A1R/C2Rになります。最初の抗体A1Rに比べて生産能力が飛躍的に向上していることがわかります。もちろん、抗体A1R/C2Rは抗体A1Rと同じくインフルエンザ抗原に結合します。
 抗原と結合する能力はそのまま維持し、フレームだけを別の抗体のフレームに取り替えることで、生産能力を5倍以上伸ばすことに成功しました。このフレーム部分を入れ替える技術こそがフレームスイッチング技術になります。フレームスイッチング技術を使えば、生産量の最大化のみならず、熱に強い抗体を生み出せたり、保存性や耐薬品性を向上させるなど、様々な機能を後天的に目的の抗体に付け加えることが可能となるかもしれません。
 抗体の抗原に対する特異的親和性はそのままに、性質のみを自由自在に操ることができるので、それぞれの抗体クローンが有する多様な欠点を克服することが可能となるのです。分子改変の利点は、なんといってもこの自由度の高さにあり、そこには限界がありません。
 例えばフレーム部分ではなく、結合部を入れ替えれば結合する抗原を変えることができ、別の検査薬へと変えることすら可能になります。
 私たちの抗体への理解度とアイディア次第で、理想の抗体をどんどん生み出すことができますし、そのパフォーマンスも更新し続けることも可能です。
 このように、フレームスイッチング技術を中心とした分子改変技術を用いることで、抗体の良い部分を取っ替え引っ替えしながら、理想の抗体を作っていくことが可能となります。

【3】固定:固定化力を強化し、分子配向を制御する

 続いては、抗体を固定化する技術について紹介したいと思います。先ほどお伝えした抗体を分子改変するテクノロジーは、今からお伝えする「抗体の固定化」のために存在すると言っても過言ではありません。検査薬の抗体は、すべて材料基板に固定化されて使われており「抗体を材料基板上にどれだけ高密度かつ高活性に固定化できるか」が検査感度の鍵を握っています。どれだけ優れた抗体を用意しても、その抗体が材料基板上でうまく固定化されなかったり、固定化できても構造が変化して機能を失ってしまうと、当然、検査の精度は落ちてしまいます。すなわち、抗体の固定化技術は検査精度に大きな影響を及ぼす因子なのです。現在の検査薬の主流である動物由来の抗体は以下のような形をしています。

図4

図4 動物で作られる抗体と大腸菌で作る抗体

 赤丸で囲われた箇所が抗原と結合する部分で、この2つの結合部を1本の足で支えているような状態です。
 形からもわかるように、基板上に理想の分子配向で直立した状態を維持するには、非常に不安定であり、むしろ、横に倒れやすい構造をしています。また、水溶液中とは異なり材料基板と抗体が接触すると、抗体の構造が容易に変形してしまうので、抗体が基板上に存在していても、抗原結合能を喪失してしまっているものも多く存在します。さらには、結合する部分以外の不要な部分(図解の赤枠以外の部分)があまりにも多いため、密に抗体を敷き詰めることができません。これによりさらに抗体を固定化した材料基板の抗原を補足する力は低下してしまいます。

図5

図5 抗体の配向制御

 しかし動物由来の抗体では、これ以上抗体を分子改変することができないため、固定化において打つ手がないというのが現状です。

材料親和性ペプチドタグを使って、基板と抗体を繋ぎ止める

 私が研究開発している抗体(単鎖抗体)は従来の抗体と比較して分子サイズが非常に小さく、その結果、材料表面に高密度に固定化できます。さらに、材料親和性ペプチドタグという接着領域を導入しているのが大きな特徴です。すなわち、この材料親和性ペプチドタグを使って材料表面と抗体そのものを物理的に繋ぎ止めるのです。

図6

図6 材料親和性ペプチドタグを導入した単鎖抗体

 単鎖抗体と材料基板が紐状のようなもので繋ぎ止められて固定化されているのがわかります。この紐状のものが「材料親和性ペプチドタグ(以下ペプチドタグ)」になります。
 このペプチドタグのおかげで材料基板の上で、綺麗に密集させる形で抗体を並べて固定化することが可能になります。
 また、単鎖抗体の形状が崩れないように、材料基盤と単鎖抗体との直接的な接触を避け、構造をしっかり守る役割も果たしてくれます。
 「材料親和性ペプチドタグを使って、抗体と基盤をつなぎ合わせる」というと、単純な話に聞こえてしまいますが、ここにも非常にユニークな技術が使われています。
 1つ目は、自然界にはない「新しいタンパク質」をデザインし、利用している点です。「抗体」も「材料親和性ペプチドタグ」も、もともと自然界に存在する配列なのですが、「抗体」と「ペプチドタグ」を連結した「ペプチドタグ融合抗体」は、自然界に存在していない「新しいタンパク質」となります。基板上で抗体がうまく整列するように、ペプチドタグ融合抗体の分子設計をしています。ペプチドタグや単鎖抗体のアミノ酸配列を自在に操作しつつ設計し、天然には存在し得ない新規の機能性タンパク質を創生しているのです。
 2つ目は、この材料親和性ペプチドタグは、材料基盤がかわると配列や吸着特性も大きく異なるという点です。したがって、抗体を固定化したい材料基盤の種類や形状に合わせて最適な材料親和性ペプチドタグを開発する必要があります。抗体の種類や多様性もさることながら、材料の表面状態や形状も星の数ほど存在します。
 すなわち、材料基板の種類・形状に応じて、それに適したベストな材料親和性ペプチドタグを開発する必要があります。
 例えば、材料基板が同じ「ポリスチレン」と名の付いたプラスチックだとしても、形状が滑らかなプレート状であるのか、ビーズ状であるのかによって表面状態は大きく変わります。当然、材料の種類や性質が変わればペプチドタグの種類や配列を変更する必要がありますし、導入する抗体の物性や分子サイズなども含め、あらゆる状況を考慮して「ペプチドタグ」の配列を変えながら、「ペプチドタグ融合抗体」を設計していく必要があるのです。
 その上で、設計した「ペプチド融合抗体」が「水に溶解した状態で製造が可能か?」「ペプチドタグを融合した状態でも抗体は、抗原と結合する機能を維持できているのか?」など様々な項目を検証していく必要があります。
 これらは、「抗体の改良」というよりは、「世の中には無い新しいタンパク質を創生する研究」であると言え、抗体や検査薬開発の域を超えた研究と言えるでしょう。
 抗体の固定化を完全なものにするためには、新しいタンパク質をデザインし、創生するというタンパク質工学へのおおいなるチャレンジも必要になってくるということです。

おわりに:〜分野、時間、あらゆる垣根をこえてプラットフォームは進化する〜

 低コストかつ精度の高い検査薬を創生し、利用可能にすることは、私のライフワークであり、これからも続けていきますが、目指すゴールはその先にあります。研究の先に見据えているのは、「誰もが活用できる抗体技術のプラットフォーム化」です。このプラットフォーム技術にアクセスすれば、誰でも検査薬に適した抗体の設計・改良・製造方法が分かり、誰でも高機能な検査薬を作ることができることを目指しています。それは、料理レシピが網羅された本やサイトなどのプラットフォームのようなイメージかもしれません。
 使用する食材や器具について深い知識がなくても、そこに書かれている分量や手順をしっかりと守ることで、誰でも料理が作れるように、抗体の技術に詳しくない研究者であっても、そのプラットフォームにあるメソッドや技術を活用することで、理想の検査薬をオーダーメードで作製できるようになることを目指しています。
 また、抗体という分野の垣根を超えて、様々なテクノロジーがこのプラットフォームに集まってくることを望んでいます。私の研究の最終地点は「理想の抗体を作る」ことではなく、その先にある「理想の検査薬を作る」点にあるからです。理想の検査薬を作るということを目的とした場合、取り組むべき課題は、抗体だけではありません。検査薬を作るという過程において、私の専門である生物化学工学や抗体工学のみならず、材料工学や、ナノテクノロジー、データサイエンスなど、あらゆる分野の研究が深く関わっているからです。
 そして、このプラットフォームは、私たちがいない次の時代になっても残り続け、別の研究者が新しいメソッドを追加しながらより発展していくことを願っています。少し、大きな話に聞こえるかもしれませんが、私が今抗体の研究をしているのは、このプラットフォームを実現するためだと確信しています。

【主な発表論文・関連特許】

  • Strategies for selection and identification of rabbit single-chain Fv antibodies as ligand in affinity chromatography
    著者名 : Y. Kumada*, H. M. Rakotondravao, Y. Hasegawa, Y. Iwashita, H. Okura,S. Uchimura, J. Horiuch
    掲載誌名 : Journal of Bioscience and Bioengineering
    出版年月 : 2022年09月
    巻・号・頁 : 134, 233-239
  • Efficient and robust isolation of rabbit scFv antibodies using antigen-coupled multilamellar vesicles
    著者名 : Yoichi Kumada, Yuya Hasegawa, Jun-ichi Horiuchi
    掲載誌名 : Journal of Bioscience and Bioengineering
    出版年月 : 2021年03月
    巻・号・頁 : 131(3), pp. 299-304
  • Design and site-directed immobilization of single-chain Fv antibody to polystyrene latex beads via material-binding peptides and application to latex turbidimetric assay
    著者名 : Yoichi Kumada, Yohei Miyamura, Reina Tanibata, Koichi Takahashi,Shinya Ogasawara, Fumio Gondaira, Jun-ichi, Horiuchi
    掲載誌名 : Journal of Bioscience and Bioengineering
    出版年月 : 2021年01月
    巻・号・頁 : 131(1), 84-89
  • Site-Specific Immobilization of Recombinant Antibody Fragments through Material-Binding Peptides for the Sensitive Detection of Antigens in Enzyme Immunoassays
    著者名 : Y. Kumada
    掲載誌名 : Biochimica Biophysica Acta
    出版年月 : 2014年07月
    巻・号・頁 : 1844・pp.1960-1969

注目研究の紹介バックナンバー

  • 2022年12月

    2022年12月
    映像+ロボットで
    離れた場所にいる人との
    空間共有感を生み出す
    (情報工学・人間科学系
     田中一晶 准教授)

  • 2022年11月

    2022年11月
    都市や地域の
    歴史的アイデンティティを
    解明し、未来の「デザイン」
    を照らしだす
    (デザイン・建築学系
     赤松加寿江 准教授)

  • 2022年10月

    2022年10月
    昆虫の変態から
    細胞の変化の仕組みを探る
    (応用生物学系
     高木圭子 准教授)

  • 2022年8~9月

    2022年8・9月
    物質の中の宇宙
    ~半導体ナノ構造のデザインで
    光に重力効果を与える~
    (電気電子工学系
     北村恭子 准教授)

  • 2022年7月

    2022年7月
    量子化学計算支援による
    機能性ナノ材料の創製
    (材料化学系 湯村尚史 教授)

  • 2022年6月

    2022年6月
    コントローラエリア
    ネットワークの
    高速化・省線化技術の研究開発
    (情報工学・人間科学系
     梅原大祐 教授)

  • 2022年5月

    2022年5月
    疾患治療のための自己組織化
    ペプチドナノファイバーの
    開発
    (分子化学系 和久友則 准教授)

  • 2022年4月

    2022年4月
    三次元プリンタ製チタン合金の
    高性能化
    (機械工学系 森田辰郎 教授)

  • 2022年3月

    2022年3月
    天然の結晶形態を維持した
    シルクフィブロイン
    ナノファイバー
    (繊維学系 岡久陽子 准教授)

  • 2022年2月

    2022年2月
    微粒子を含むプラズマの科学
    から応用技術をめざして
    (電気電子工学系
     髙橋和生 准教授)

  • 2022年1月

    2022年1月
    ラマン分光法による
    新型コロナウイルス変異種同定法
    (材料化学系
     PEZZOTTI Giuseppe 教授)

  • 2021年11月

    2021年11月
    データマイニングと
    機械学習を用いた
    ソフトウェア開発の
    効率化手法の研究
    (情報工学・人間科学系
     水野修 教授、崔 恩瀞 助教)

  • 2021年10月

    2021年10月
    環境に優しいプラスチック
    原料を微生物で作る
    (繊維学系 麻生祐司 教授)

  • 2021年9月

    2021年9月
    境界空間としての建築
    (デザイン・建築学系
     武井誠 特任教授)

  • 2021年8月

    2021年8月
    機能創製を志向した
    有機ヒ素化学の開拓
    (分子化学系 中建介 教授)

  • 2021年7月

    2021年7月
    橋梁等の鋼構造物に吸着した
    状態で点検作業が可能な
    ドローンの開発
    (機械工学系 東善之 助教)

  • 2021年6月

    2021年6月
    顔画像からの人物の表情認識
    と表情強度推定
    (情報工学・人間科学系
     野宮浩揮 准教授)

  • 2021年5月

    2021年5月
    脳の血液循環系インターフェイス
    における恒常性制御
    (応用生物学系 宮田清司 教授)

  • 2021年3月

    2021年3月
    建築を荘厳する絵画をめぐる
    受容美学的研究
     ―「国境」を越えた一つの
    花鳥画に関する国際共同研究
    の報告を兼ねて―
    (デザイン・建築学系
     井戸美里 准教授)

  • 2021年1月

    2021年2月
    汎用プラスチックの超極細
    繊維膜で圧力センシング
    (繊維学系 石井佑弥 助教)

  • 2021年1月

    2021年1月
    機能融合に基づく新規な
    含フッ素機能分子の創製
    (分子化学系 山田重之 准教授)

  • 2020年11月

    2020年11・12月
    流体工学ワクチン
    -流体力学に基づく感染対策-
    (機械工学系 山川勝史 准教授)

  • 2020年10月

    2020年10月
    機械学習技術の社会実装−運送業
    における医療情報を基にした重症
    化発症モデルの構築に関する研究
    (情報工学・人間科学系
     岡夏樹 教授、荒木雅弘 准教授、
     田中一晶 助教)

  • 2020年9月

    2020年9月
    さまざまな植物における
    光合成の応答戦略
    −原始的なコケ植物から
    製紙原料のユーカリまで-
    (応用生物学系 半塲祐子 教授)

  • 2020年8月

    2020年8月
    有機発光材料の創製と機能
    開発
    (分子化学系 清水正毅 教授)

  • 2020年7月

    2020年7月
    パワーGaN HEMTとゲート
    ドライバの単一集積化
    (電気電子工学系
    小林和淑 教授、古田潤 助教)

  • 2020年6月

    2020年6月
    前川國男と村野藤吾の建築
    思想をめぐる歴史的研究―
    私の研究室の活動について
    (デザイン・建築学系
     松隈洋 教授)

  • 2020年5月

    2020年5月
    高速度3次元動画像計測ならび
    に超高速動画像記録技術
    (電気電子工学系 粟辻安浩
    教授)

  • 2020年4月

    2020年4月
    ミストCVD法による半導体
    形成技術
    ~パワーデバイス応用から
    ナノ構造形成まで~
    (電気電子工学系 西中浩之
    准教授)

  • 2020年3月

    2020年3月
    うごきとことば:身体科学
    と認知言語学
    (基盤科学系
    来田宣幸 教授、深田智 教授、
    野村照夫 教授)

  • 2020年2月

    2020年2月
    室温で液体のように流動する
    金属ナノ材料の開拓と高分子
    ・繊維材料への応用研究
    (材料化学系 中西英行 准教授)

  • 2020年1月

    2020年1月
    GPUスパコンによる凝固・
    粒成長の大規模phase-field
    シミュレーション
    (機械工学系 高木知弘 教授)

  • 2019年12月

    2019年12月
    超音波散乱法で拓く微粒子
    分散系の革新的技術開発と
    その応用研究
    (材料化学系 則末智久 教授)