COVID-19 に対するハーバード・ウィス研究所の対応：コロナウイルスを撃退する

「非常に学際的で翻訳に焦点を当てた組織で、我々は迅速にピボットし、我々のユニークな工学能力を大いに必要とされる診断、治療、ワクチンソリューションに再び焦点を合わせることができ、我々は現在のパンデミックがもたらす無数の問題の多くのソリューションの一部になることを願っています」とウィス研究所創設者の Donald Ingber, M.D. は語っています。 また、ハーバード大学John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences（SEAS）の生体工学部教授でもあります。 「私たちは、この危機を収束させるために大きく貢献しようと努めており、今、私たちが強迫の中で達成したことが、将来の伝染病の予防に役立つと確信しています」

患者ケアの最前線で課題に取り組む

研究所の病院のパートナー機関や政府機関の多くが、急速に激化するこの COVID-19 との戦いに協力しようと研究所リーダーに接触してきました。 Ingber のチームは、Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) や他のハーバード大学関連病院、寛大な企業パートナーの協力のもと、増加する鼻咽頭スワブと N95 フェイス マスクの不足に対する潜在的解決策を開発するために、緊密に連携しています。 シニアスタッフエンジニアのRichard Novak, Ph.D. とAdama Sesay, Ph.D. 、シニアリサーチサイエンティストのPawan Jolly, Ph.D. は、臨床パートナーと協力して、できるだけ早く解決策を見出すことができるように熱心に取り組んでいるところです。

COVID-19をより早く、簡単に、広く診断する

COVID-19が地球上に急速に広がる中、CoV2ウイルスを効率的に検出することは、感染者をできるだけ早く分離し、何らかの形で支援し、病気のさらなる無秩序な拡大を防ぐために極めて重要です。 現在、最も多く行われている検査は、個人の鼻や喉から採取した鼻咽頭ぬぐい液から、ウイルスの遺伝物質であるRNAの断片を「ポリメラーゼ連鎖反応」（PCR）と呼ばれる手法で増幅して検出するものである。

しかし、この検査には大きな限界があり、より広いコミュニティの人々が感染しているかどうかを効果的に判断する妨げになっています。 PCR ベースの検査では、ウイルスの RNA を病気の初期段階で検出できますが、検査キットは検査が必要な人のごく一部にしか利用できず、また、検査を行うには訓練を受けた医療従事者、専門の検査機器、およびかなりの時間を必要とします。 さらに、検査を実施する医療従事者は、特にCoV2に感染しやすいという問題があります。 患者固有およびコミュニティ全体の対応時間を短縮するために、Wyss Institute の研究者は、異なる並行アプローチを取っています：

• あるルートでは、Wyss Core Faculty メンバーの Peng Yin 博士と Senior Staff Scientist Thomas Schaus, M.D., Ph.D. が率いるチームが、CoV2 に感染している可能性がある患者を特定し、CoV2 に感染している可能性がある患者を特定し、CoV2 に感染している可能性がある患者を特定するために、Wyss Institute が開発しました。 のチームは、家庭用妊娠検査器のような「ラテラルフローデバイス」（LFD）を利用した使い捨て検査の開発に取り組んでいます。 研究チームは、Yin教授の研究室が以前に開発したバイオインスパイアードDNAナノテクノロジー技術を応用し、単純な鼻咽頭ぬぐい液からウイルスRNAやタンパク質を高い感度と精度で検出できるようにする。 携帯型LFD装置では、サンプル中のウイルスRNAやタンパク質の存在を、ニトロセルロース紙上に色のついた線を形成することに変換することができる。 Yinは、ヴィース研究所の分子ロボット工学イニシアチブのリーダーの一人であり、ハーバード・メディカル・スクール（HMS）のシステム生物学教授でもあります。
• より優れたウイルスRNA検出法は、2019年にウィス研究所とブロード研究所からスピンアウトした分子診断スタートアップ、Sherlock Biosciences Inc.でも追求されています。 同社は、Wyss Core FacultyのJames Collins博士と、Wyss InstituteからSherlock Biosciencesに同社のCTOとして加わった元Wyss Business Development Lead William Blake博士を含む彼のグループが開発したINSPECTRTM技術のライセンスを取得しました。 コリンズ氏はシャーロック・バイオサイエンスの共同設立者であり、マサチューセッツ工科大学（MIT）の医療工学&科学のテルメア教授でもある。 シャーロック・バイオサイエンシズのCEOで共同設立者のラーフル・ダンダ（M.B.A.）によれば、同社は現在、COVID-19を診断するさまざまなソリューションに取り組んでおり、そのひとつがINSPECTRTM技術を利用したものだという。 INSPECTRTMは、CoV2 RNAの構成ヌクレオチド1個に至るまで特異的に検出できるようにプログラムされたDNAベースのセンサーと、生物発光シグナルを生成する紙ベースの合成遺伝子ネットワークで構成されています。 この信号は室温で発生し、インスタントフィルムに記録され、高度な装置を使わずに簡単な装置から読み取ることができる。この検査は現在、市販の妊娠検査薬と同様の性能を持つように設計されている。 INSPECTRTMの技術は、Yin教授のグループが開発したLFD法と同様に、継続的に発生するさまざまなCoV2亜型を特異的に検出し、その集団内での広がりを追跡するために容易に調整することが可能である。
• コリンズ教授が主導し、ピーター・グエン博士、ニナ・ドンギア研究員、およびヴィース研究所の元大学生ルイス・ソーンクセン氏が率いる別のプロジェクトでは、チームは、着用型診断装置として迅速自己活性化COVID-19診断用フェイスマスクを開発中である。 このマスクは、病気の症状がある患者や自宅にいる人が着用することで、実際に操作することなくウイルスの存在を迅速に知らせることができ、患者は適切な治療のために迅速にトリアージされ、近くにいる医療従事者や患者は保護されます。 コリンズ教授のチームは、Wyss InstituteのLiving Cellular Devices Initiativeで開発したウェアラブル診断技術プラットフォームから生まれたこのアプローチでは、高感度の分子センサーを使用し、合成生物学のネットワークと組み合わせることで、CoV2が検出されると直ちに可視または蛍光のカラーシグナルを発生させることが可能になる。 無細胞の分子機構全体を凍結乾燥させ、マスクの内側にある合成素材と一体化させることができる。 通常の呼吸、くしゃみ、咳の際に着用者が吐き出す小さな飛沫や、呼気の湿度にさらされると、反応が再水和され、1～3時間以内に陽性または陰性シグナルを出すように活性化される。
• ヒトのサンプルからCoV2ウイルス粒子を1ステップで捕獲し、1時間以内に特定する方法を、Don Ingber氏のバイオインスパイアード・セラピューティクス&診断プラットフォームで働くシニアスタッフサイエンティスト、マイケル・スーパー博士が研究中です。 研究者たちは、Wyss InstituteのFcMBL病原体捕獲技術を利用してCoV2ウイルス粒子を結合させ、質量分析を用いて迅速に同定することを目指しています。 FcMBLは、「マンノース結合レクチン」（MBL）免疫タンパク質の遺伝子組み換え体であり、特定のウイルスを含む100種類以上の病原体の表面にある分子と結合する。 イングバーの研究チームは、FcMBLが、CoV2スパイクタンパク質を表面に持つ非感染性の偽型CoV2ウイルスに結合することを確認した。
• サイトカイン（特定の免疫細胞から分泌され他の細胞に影響を与える分子）のレベルを検出する超高感度アッセイは、ウィス診断アクセラレーターのリーダーであるデビッド・ウォルト博士によって、免疫細胞の過剰生産によって引き起こされる致命的なサイトカインストームを防止できる有効な治療介入の特定を目的として開発されています。 この研究室では、まだ症状は出ていないが、ウイルスにさらされ、免疫反応を起こした人を確認するための血清学的検査も開発している。 ウォルトはまた、HMSの生物学的インスピレーション工学のハンスイェルク・ヴィス教授、ボストンのブリガム・アンド・ウィメンズ病院の病理学教授、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究所教授を務めています。 医師ができることは、COVID-19の患者さんに十分な酸素を供給し、発熱を管理し、一般的に免疫システムをサポートして、患者さん自身が感染と闘う時間を稼ぐという支援的なケアだけです。 現在、学術界と産業界の研究グループが猛烈な勢いで取り組んでいる治療薬やワクチンの候補がリストアップされ、何らかの助けになると考えられている。 しかし、臨床試験での候補薬の失敗率が高いことを考えると、世界人口の感受性や新しい治療技術へのアクセスに関して異なる可能性があるため、効果的な医薬品を開発するためにさらなる努力が必要である。

  現在進行中の COVID-19 の大流行には迅速な対応が必要ですが、この課題に対処する最も早い方法は、他の医療用途ですでに FDA に承認されている既存の医薬品を COVID-19 治療薬として再利用することです。 世界中の臨床医がこれを試みていますが、アプローチは行き当たりばったりで、この問題を体系的に攻撃することが非常に必要です。

  • Ingber のチームは、上級スタッフ科学者の Rachelle Prantil-Baun 博士と上級研究員の Girija Goyal 博士の共同指導のもとで活動しています。 は、ヴィス研究所のヒト臓器チップ（Organ Chip）のin vitroヒトエミュレーション技術を活用し、前臨床のCoV2感染モデルを開発しました。 研究チームは、実験室で安全に使用でき、細胞への侵入を媒介する重要な表面スパイクタンパク質を発現するCoV2疑似ウイルスを作製しました。 このチップは、インフルエンザウイルス感染に対する反応など、ヒトの肺の病態を忠実に再現することが確認されている。 シニアスタッフエンジニアのRichard Novak氏とシニアスタッフサイエンティストのCharles Reilly博士を含むチームの他のメンバーはそれぞれ、ネットワーク分析アルゴリズムと分子ダイナミックシミュレーションに基づく合理的薬物設計アプローチを使用して、既存のFDA承認薬と、オルガンチップに基づくCOVID-19治療再利用パイプラインで試験できる新規化合物を同定している。 Jim Collinsが率いるWyss InstituteのPredictive Biodiscovery Initiativeに所属するシニアスタッフサイエンティストのDiogo Camacho博士も、機械学習を利用した新しい計算ツールを適用してこの再利用の課題に取り組んでいます。 このチームは現在、BSL3バイオセーフティ実験室でCoV2ウイルスを研究できる研究者と積極的に協力しており、COVID-19治療薬として、あるいはこの病気に特に弱い医療従事者や患者の予防治療薬として使用できるFDA承認の既存薬や薬剤併用薬を迅速に特定しようと懸命に取り組んでいます。 ライリーは、上級スタッフ科学者のケン・カールソン博士と協力して、分子力学シミュレーションの手法を使用して、コロナウイルスの表面スパイクタンパク質の保存領域を標的とした新しい広域スペクトル治療薬の開発にも取り組んでおり、これにより感染患者が現在のCOVID-19の大流行を乗り切ると同時に、将来出現する可能性のあるコロナウイルスによる感染予防に備えることができます。
  • コリンズ教授のチームは、ウイルス生物学や疾患病理学のさまざまな側面を阻害し、治療薬として開発できる化学構造を予測する計算アルゴリズムも導入しています。 MIT の電気工学およびコンピューター科学科の教授であるレジーナ・バルジレイ博士との共同研究で、彼のチームは、ディープ ニューラル ネットワークを活用して、CoV2 ウイルスによる肺炎に重なり、患者の生命をさらに危険にさらす可能性のある細菌性肺炎の治療に役立つ治療戦略を開発しようとしています。 最近の研究では、現在の抗生物質の不足を動機として、コリンズのグループは抗生物質発見への深層学習アプローチの開拓に成功し、研究者は異なる病原性株に対して抗菌効果を持つ新しい分子を発見することに成功しました。
  • ウィス中核教員のジョージ・チャーチ博士と彼の大学院生ケトナー・グリスウォルドは、さらに別のルートを取っています。 CoV2ウイルスに対抗する方法の1つは、免疫系の力を利用することである。 チャーチとグリスウォルドは、ウイルスに特異的に結合する抗体を作製し、ウイルスに対する強力な免疫攻撃を可能にしようとしている。 2003年に流行したSARSの原因となったウイルスのスパイクタンパク質と結合する既存の「中和抗体」から始めて、近縁種のCoV2ウイルスに適合する抗体を作ろうと考えているのである。 このような中和剤は、感染症患者が感染から回復した人の「血しょう」（血液中の血球を含む液体部分）に、病原体に対する中和抗体を含ませてもらう治療法と同じようなものである。 しかし、人工抗体は大量に製造でき、血漿よりもはるかに迅速かつ容易にCOVID-19患者に供給することが可能である。 チャーチは、HMSの遺伝学教授、ハーバード大学とMITの健康科学技術教授でもあります。

  究極の保護を求めて-ワクチン

  現在ワクチンはありませんが、世界中でいくつかのワクチン候補が検討されており、ウィス中核教員のデビッド・ムーイ博士が率いるウィス研究所の研究者は、ワクチン接種をより効果的にする材料を開発しつつあります。 ムーニー氏のチームはこれまでに、がん細胞を攻撃して破壊するよう免疫系を誘導できる埋め込み型および注射型のがんワクチンを開発しています。

  • ワクチンの主要成分は、抗原と呼ばれる感染性物質の断片ですが、多くの抗原に対する免疫応答は弱いものです。 Wyss社のワクチンの生物活性材料は、抗原の提示とともに免疫細胞の募集と刺激を組織化する分子でプログラムされています。 この結果、強固な反応が得られ、COVID-19との関連では、理論的には、免疫系が感染者のウイルスを直ちに殺すと同時に、追加のブーストを必要とせずに感染者と非感染者の記憶を作り出すことが可能になるかもしれません。 この材料が高度にモジュール化されているため、世界中の研究者が特定しつつあるさまざまな抗原を簡単にプラグアンドプレイでき、それぞれに対する反応を最適化することができるのです。 このアプローチは、将来の伝染病や多くの感染症に対する戦いにおいて、非常に汎用性の高いプラットフォームを生み出す可能性があります。 ムーニー氏は、ヴィース研究所の免疫材料フォーカスエリアを率い、SEASの生物工学のロバート P. ピンカス ファミリー教授でもあります。

  COVID-19の発生方法と制御方法の理解

  COVID-19 は感染したすべての個体に同じ強さで襲いかかってくるわけではありません。 年齢に関係なく、重症化しやすい人もいれば、驚異的な回復力を見せる人もいる。 このような違いの生物学的根拠を解明することで、新たな防御策につながる可能性がある。

  • チャーチとヴィース准教授のティン・ウー博士は、「パーソナルゲノムプロジェクト」（PGP）に取り組んでいます。これは、公開ゲノム、健康、遺伝形質データを作成して、生物医学研究コミュニティが多くの分野で科学の進歩を促進するために活用する国際イニシアチブです。 WuはHMSの遺伝学教授でもあります。 チャーチは2005年にこのイニシアチブの設立に貢献し、重要な技術的進歩と彼の強調するスチュワードシップによって、その範囲を広げてきました。 キュリー大学学長でPGPインフォマティクス共同ディレクターのサラ・ウェイト・ザラネク博士が率いるヴィース大学の2人の研究者とそのチームは現在、COVID-19に極端に感受性のある患者と抵抗性を示す患者のゲノム、マイクロバイオーム、ウイルス、免疫システムを比較することによってPGPプラットフォームを活用するプロジェクトを立ち上げています。 彼らの遠大なシステム生物学的アプローチは、この病気に関する予想外の洞察を導き、既存の薬で調整できる重要なレバーを明らかにして、感染を制御し、緊急治療の優先順位付けに役立ち、また、どの医療従事者が治療の最前線でより良く働けるかについての指針を提供することができるかもしれません。
  • ウィス研究所は、研究所でCOVID-19に焦点を当てたさまざまな活動を推進するほか、より広い研究、病院、公衆衛生コミュニティと協力し、全国的に取り組みを統合しています。 例えば、チャーチは、COVID-19に軸足を置いた「シアトルインフルエンザ研究」を率いるワシントン大学シアトル校のゲノム科学教授である元ポスドク研究員のジェイ・シェンドゥア博士、シアトルのタンパク質デザイン研究所のディレクター、デヴィッド・ベーカー博士、生命科学企業4Bionicsなどの創設者ジョナサン・ロスバーグ博士と連携を深め、シンプルでありながら異なる家庭用のテストキットを開発しようとしている。
    国家レベルでは、ウォルトは、全米アカデミーの新設された “Standing Committee on Emerging Infectious Diseases and 21st Century Health Threats “で始まったCOVID-19の議論のメンバーでもあります。 この委員会は現在、コロナウイルスの大流行に強く注目しており、連邦政府が国全体の取り組みを統合・合理化するための方法を模索していますが、将来の健康脅威に対する戦略の策定や提言にも長期的に取り組んでいく予定です。

  国際レベルでは、ウィス研究所は、イングバー教授をリーダーとし、他のウィス教授を主要参加メンバーとするグローバルウイルスネットワーク（GVN）のセンターオブエクセレンスとして機能している。 GVNは、世界中のトップレベルのウイルス研究機関の努力を統合することにより、生物脅威、疫病、パンデミックに対する監視と対応の努力を統合するように設計されている。 また、イングバー氏は現在、国防高等研究計画局（DARPA）およびビル&メリンダ・ゲイツ財団と密接に協力しており、さらにNIHの国立アレルギー感染症研究所（NIAID）、生物医学高等研究開発局（BARDA）、イングランド公衆衛生局とも活発に議論しながら、この巨大な健康問題に取り組むために努力を合わせ、調整を試みているところである。

  「ヴィース研究所とその共同研究者たちは、まさに地域、国家、国際レベルで必要とされる、この大流行病に取り組むための包括的、統合的なアプローチをとっています」とウォルトは述べています。

  報道関係者各位

  ハーバード大学ヴィース研究所生物学的インスピレーション・エンジニアリング
  Benjamin Boettner, , +1 917-913-8051

  ハーバード大学ヴィース研究所（http://wyss.harvard.edu）は自然の設計原理を用いて、医療を変革しより持続可能な世界を作り出す、生物学的インスピレーションに基づく材料やデバイスを開発します。 ウィス研究所の研究者は、ヘルスケア、エネルギー、建築、ロボット工学、製造のための革新的な新しい工学ソリューションを開発しており、臨床研究者とのコラボレーション、企業提携、新しいスタートアップ企業の設立を通じて、商業製品や治療法に変換しています。 ウィス研究所は、ハーバード大学の医学部、工学部、芸術学部、デザイン学部、ベス・イスラエル・ディーコネス医療センターと連携し、分野や組織の壁を越えて、リスクの高い研究に従事し、変革的な技術的ブレイクスルーを創造しています。 ブリガム・アンド・ウィメンズ病院、ボストン小児病院、ダナファーバーがん研究所、マサチューセッツ総合病院、マサチューセッツ大学医学部、スポルディング・リハビリテーション病院、ボストン大学、タフツ大学、ベルリン・シャリティ大学、チューリヒ大学およびマサチューセッツ工科大学。