バイオフィルム感染症の治療薬開発を後押しする二つの技術

開発の社会的背景

歯周病などバイオフィルム感染症は人間の歯、心臓ペースメーカー、人工心臓弁などの表面にバイオフィルムが形成されることによって引き起こされる感染症です。バイオフィルムは表皮ブドウ球菌などの微生物が産生する細胞外多糖で、いったんこのバイオフィルムが形成されると、通常の薬剤投与ではバイオフィルム内の菌に薬や抗菌物質を作用させることが困難なため、この感染症は慢性化することとなり、バイオフィルムに対して抗菌効果をもつ製剤の開発が求められていました。

並行して、抗菌効果をもつ製剤の開発には抗菌活性評価が必要です。従来、この評価には希釈平板法が実施されてきました。この手法は対象となる薬剤、製剤を含む懸濁液を希釈し、寒天培地に薄く塗布して培養し、培地上のコロニーの外見や数から、微生物の種類や量を特定するものです。他にも染色により生菌と死菌を染め分け生菌数をカウントする方法もありますが、一般的に半日から２日程度と測定に時間を要するため、開発を困難にする要因の一つとなっていました。

研究の経緯

産総研は、薬や抗菌物質を目的の箇所に効率よく届けるためのカプセル製剤の設計に取り組んでおり、これまでに、抗菌効果を持つ銀ナノ粒子を修飾した高分子製剤の設計を行ってきました。製剤の実用化のため、抗菌効果のより短時間での評価が課題となっておりましたが、OISTで進められていたバイオセンサーを用いた抗菌活性評価技術を知ることとなり、Amy先生との共同研究が実現しました。これにより、製剤の評価時間を大幅に短縮することが可能となりました。

研究の内容

本研究では、大きく2つの技術を開発しました。

一つ目は、バイオフィルムに対して効果的なコアシェル構造を持ち、高分子の中に銀ナノ粒子と薬剤を異なる分布で組み込む製剤設計技術です。化学合成法を用いて球状の銀ナノ粒子を修飾したソルプラス®（BASF Pharmaの界面活性剤）を基剤として、コア部分にアジスロマイシンを封入した250 nm程度の大きさの粒子製剤を合成しました（図1）。この新規製剤を2時間投与したバイオフィルムを希釈平板法で抗菌活性評価したところ、表皮ブドウ球菌が形成したバイオフィルムに対して、銀ナノ粒子を複合したソルプラス製剤よりも1.5倍程度の高い抗菌効果を持つことがわかりました（図2左）。銀ナノ粒子とアジスロマイシン、それぞれの表皮ブドウ球菌に対する異なる作用機序が、コアシェル構造を付与することによってより効果的に作用するようになり、バイオフィルムおよび形成菌に対しての抗菌効果を向上させたと考えられます。新規製剤を投与して6時間後には9割のバイオフィルム形成菌が死滅していることがわかりました（図2右）。図3の走査型電子顕微鏡像が示すように、2時間後にはある程度の表皮ブドウ球菌が球形で存在していましたが、6時間後には死滅しているとみられる平らな形状の表皮ブドウ球菌が多数観察されました。