ポリエチレングリコールに対する抗体産生のメカニズムを解明

ポイント

• ポリエチレングリコール（PEG）は、長年、抗体を産生しないポリマーと認識されてきた。これはPEGの屈曲性の高さと特徴的な官能基^[用語1]を持たないという性質に由来するとされ、実際に血液中のタンパク質と相互作用しにくい。そのため、PEGは医薬品の血中での安定性を高めるために、医薬品への修飾に用いられてきた。しかし、近年、PEGに対しても抗体が生成し、PEG化医薬品の活性が損なわれていることが分かってきた。真に抗体を産生させないポリマーの開発が求められているが、現在、これを設計する指針がない。
• PEGが抗体の前駆体であるB細胞受容体に認識され、抗体産生に至るプロセス、および抗体がPEGに対する親和性を向上させるプロセスを明らかにした。
• 以上の知見を活用することで、真に抗体を産生させないポリマーの開発が可能になると期待される。

概要

ポリエチレングリコール（PEG）は、長年、抗体を産生しないポリマーと認識されてきた。血中のタンパク質と相互作用しにくい性質を利用して、医薬品の安定性を高める目的で使用され、ヒトに投与されてきた。しかし、近年、ヒトの体内でPEGに対する抗体が生成し、PEG化医薬品の活性が損なわれていることが分かってきた。真に抗体を産生させないポリマーの開発が求められているが、これを設計する指針がない状況である。

東京科学大学 生命理工学院 生命理工学系の北尾彰朗教授（生命理工学コース 主担当）、伊藤悠世大学院生（修士課程2年）は、九州大学 大学院工学研究院、同大学 大学院農学研究院、北海道大学 大学院薬学研究院の研究グループと共同で、抗体を産生させないポリマーの設計指針を得ることを目的として、免疫系が、いかにしてPEGに対する抗体を産生するのか、そのメカニズムを明らかにした。抗体の前駆体であるB細胞受容体とPEGの相互作用は、予想通り、非常に弱かった。しかし、PEGが単純な構造の繰り返し配列であることから、B細胞受容体はPEG鎖の滑りを許容することで、PEGを十分な時間捕捉することができ、その結果、B細胞が活性化して抗体産生に至ることが明らかとなった。また、一般にB細胞受容体は、変異を繰り返すことで標的に対する親和性を向上させるが、PEGは極端に細いポリマー鎖であるため、トンネル構造を作るという単純な変異戦略により、PEGを強く捕らえる抗体を作り出していることが分かった。

本研究により、PEGがB細胞受容体に認識されて抗体の産生に至るメカニズムが明らかになったことから、抗体を産生させないポリマーの開発の指針が得られた。今後、これらの指針を活用して、真に抗体を産生させないポリマーが開発されると期待される。

本研究成果は、Controlled Release Societyの公式雑誌「Journal of Controlled Release」に2025年2月10日に掲載された。

研究の背景と経緯

ポリエチレングリコール（PEG）は、長い間、抗体を産生させないポリマーと認知されてきた。PEGは、-CH₂-CH₂-O-という単純で特徴に乏しい構造を繰り返し単位とし、エーテル結合^[用語2]に由来する高い屈曲性を持つ。この性質のため、血中のタンパク質との非特異的な相互作用が起こりにくい。そこで、医薬分子（タンパク質やナノ粒子）の血中での安定性を高めるために、PEGによる修飾が行われてきた。しかし、近年、PEGに対しても抗体が産生してしまうことが明らかとなり、PEG化医薬品が承認されない状況にあり、医薬品の分野で大きな問題となっている（図1）。真に抗体を産生させないポリマーの開発が求められているものの、現在、その設計指針がないことが問題である。

研究の内容と成果

九州大学 大学院工学研究院の森健准教授、劉一イ博士（現 名古屋大学博士研究員）、同大学 大学院農学研究院の角田佳充教授、博士後期課程1年生 森尚寛、寺本岳大助教、北海道大学 大学院薬学研究院の前仲勝実教授、黒木喜美子教授、東京科学大学 生命理工学院の北尾彰朗教授、修士課程2年生 伊藤悠世のグループは、抗体を産生させないポリマーの設計指針を得ることを目的として、生体に備わる免疫系は、いかにしてPEGに対する抗体を産生するのか、そのメカニズムを明らかにした。

ヒトやマウスの脾臓には、それぞれが固有のB細胞受容体（抗体の前駆体）を持つB細胞が多数存在する（ヒトでは10⁶~10⁷種、マウスでは10⁵~10⁶種）。体に異物が侵入すると、いずれかのB細胞受容体がこれと十分な強さで結合してB細胞が活性化し、B細胞受容体を抗体として分泌するようになる。この抗体によって異物は除去される。また、異物を認識できるB細胞受容体を有するB細胞は、自身を変異させることで異物に対する結合力を向上し、これを抗体として産生するようになる。PEGはその性質により、いずれのB細胞受容体とも強く結合しないため、抗体産生に至らないと考えられてきた。

本研究では、PEGがB細胞受容体に認識されて、抗体産生に至る以下のプロセスを解き明かした。（1）B細胞受容体はPEGの10個程度の繰り返し配列を非常に弱い相互作用で認識していた（水を介した水素結合など）。（2）相互作用は非常に弱いものの、PEGは同一の単位の繰り返しであるため、B細胞受容体はPEGの滑りを許容し、これによりPEGと十分に長い時間結合することでB細胞を活性化していた（図2：認識例1）。（3）B細胞受容体は、トンネル構造を作るという単純な変異の仕方によって、PEGと強く結合する抗体を作り出していた（図2：認識例2）。これはPEGが側鎖のない細い高分子だからと考えられる。つまり、生体はPEGを強く捕らえる抗体を比較的簡単に作ることができると考えられた。

今後の展開

PEGが抗体に認識されるメカニズムが理解できたことから、抗体を産生させないポリマーの開発の指針が得られた。今後、この指針を活用することで、真に抗体を産生させないポリマーが開発されると期待される。

• 付記

本研究はJSPS科研費 （JP20H05876, JP23H03739, JP23H04058, JP21H05510, JP22H04745, JP19H03191）の助成およびSPRING（JPMJSP2136）の支援を受けた。

• 用語説明

[用語1] 官能基：原子が相互に共有結合で連結された部分構造のこと（例：メチル基）。PEGは、エチレンオキシド基を繰り返し単位とする高分子である。

[用語2] エーテル結合：酸素によって2つの炭素が連結された結合。PEGでは、CH₂-O-CH₂の結合を指している。CH₂-CH₂-CH₂に比べて、屈曲性が高い結合である。

• 論文情報

掲載誌：	Journal of Controlled Release
タイトル：	The strategy used by naïve anti-PEG antibodies to capture flexible and featureless PEG chains
著者：	Yiwei Liu, Takahiro Mori, Yusei Ito, Kimiko Kuroki, Seiichiro Hayashi, Daisuke Kohda, Taro Shimizu, Tatsuhiro Ishida, Steve R. Roffler, Mika K. Kaneko, Yukinari Kato, Takao Arimori, Takamasa Teramoto, Kazuhiro Takemura, Kenta Ishibashi, Yoshiki Katayama, Katsumi Maenaka,* Yoshimitsu Kakuta,* Akio Kitao,* Takeshi Mori*
DOI：	10.1016/j.jconrel.2025.02.001

関連リンク

• Gタンパク質共役受容体（GPCR）が複数種のGタンパク質と結合する仕組みを解明｜生命理工学系 News
• 「並行世界でタイムリープを繰り返す」ことで効率的なシミュレーションを可能にするソフトウエアツールを開発・公開｜生命理工学系 News
• がん抑制タンパク質がDNAから解離する過程を可視化｜生命理工学系 News
• 新型コロナウイルスの新薬開発につながる候補化合物を発見｜生命理工学系 News
• Gタンパク質共役受容体活性化の鍵となる仕組みを解明｜生命理工学系 News

• 北尾 彰朗 Akio Kitao｜研究者検索システム Science Tokyo STAR Search
• 北尾研究室
• 生命理工学院 生命理工学系
• 生命理工学院｜大学組織一覧｜Science Tokyoについて
• 九州大学 工学部 大学院工学府・大学院工学研究院
• 北海道大学 薬学部・大学院薬学研究院

• 研究
• 研究室一覧