感染源から技術の先駆者まで、科学者は本当に蚊を「マラリア対策アシスタント」に変えることができるのでしょうか?

蚊は人類史上最も厄介な昆虫の一つとして常に考えられてきました。彼らの咬み傷は不快なかゆみを引き起こすだけでなく、より深刻なことに、多くの致命的な病気の主な媒介者でもあります。現在までに、マラリア、黄熱病、デング熱、ジカウイルスなど、300種類以上の蚊媒介ウイルスが世界中で発見されています。これらの病気は世界の公衆衛生に大きな脅威をもたらし、人々に蚊に対する恐怖感を与えています。実際、蚊が媒介する病気による死亡者も含めると、蚊は間違いなく世界で最も致命的な動物です。

しかし、オランダのライデン大学の科学者たちは最近、画期的な発見をした。マラリア原虫を革新的な方法で遺伝子組み換えすることで、蚊が組み換えられたマラリア原虫を運び、人間にワクチンを接種できるようになったのだ。この技術が成功すれば、蚊は忌まわしい「人類の敵」から健康を守る「マラリア対策の助っ人」へと変わるかもしれない。何が起こっているのか？以下でそれについてお話ししましょう。

蚊は人間に「ワクチン接種」できるのか？

マラリアは、マラリア原虫によって引き起こされる感染症であり、主に感染したハマダラカに刺されることで人に感染します。マラリアは主に熱帯および亜熱帯地域で蔓延しており、特にアフリカと東南アジアでは発生率が高いです。承認されたマラリアワクチンが 2 種類あるにもかかわらず、マラリアは依然として世界中で毎年約 2 億 5,000 万人が感染し、約 60 万人が死亡しており、世界の公衆衛生が直面する大きな課題の 1 つとなっています。

アルテミシニンと他の抗マラリア薬を組み合わせたアルテミシニン併用療法は、悪性マラリアや重症マラリアの治療に推奨されています。 2015年、中国の科学者屠呦呦はアルテミシニンの発見によりノーベル生理学・医学賞を受賞した。出典：新華社通信

マラリア原虫はどのようにして蚊を介して人体に侵入するのでしょうか?マラリア原虫を保有する一般的な雌のハマダラカが人間を刺すと、マラリア原虫の幼虫が蚊の唾液を通じて人間の血液に注入されます。マラリア原虫は人体内で7～14日間成熟した後、赤血球に入り込み急速に増殖し、赤血球を破裂させます。赤血球が破裂すると、新世代のマラリア原虫が血液中に放出され、さらに多くの赤血球に感染し、死に至ることもある悪循環を引き起こします。

一方、遺伝子操作された「マラリア原虫の改良版」GA2は、人体に感染してから約6日後にそれ以上の発育を停止する。赤血球が破裂したり、ワクチン接種者がマラリアを発症したりすることはありませんが、免疫反応を効果的に刺激し、ワクチンと同様の予防効果を発揮します。

寄生虫への曝露が人間のマラリアに対する免疫の発達を助けるかどうかを試験するために、研究者らは小規模な臨床試験を実施した。実験では、実験グループの参加者はまず「改変版マラリア原虫」GA2を運ぶ蚊に刺され、その後3週間後に通常のマラリア原虫を運ぶ蚊にさらされた。結果によると、GA2蚊に刺された参加者の89%は、マラリア原虫を運ぶ蚊との接触後に病気に感染しなかったことがわかった。この予防率は、現在承認されている2つのマラリアワクチン（予防率は約75％）よりも高く、人体に感染してから24時間後に発育が止まる変異マラリア原虫GA1（約13％）よりも高い。

予備的な結果は有望ではあるものの、現在の臨床試験の規模は、広く利用できるようになるまでに20人しか参加していない。そのため、蚊ワクチンの安全性と有効性についてはさらなる検証が必要であり、広く使用されるようになるまでにはまだまだ長い道のりがある。

蚊を使って蚊と戦うのですか?

蚊が媒介する感染症を予防・制御するために科学者が蚊に対する対策を講じたのは今回が初めてではない。

2010年にはすでに、中山大学とミシガン州立大学の熱帯ベクター制御共同研究センターの習志勇教授のチームが、改変した共生細菌であるボルバキアをネッタイシマカに注入し、デング熱ウイルスを拡散させる蚊の能力を阻止することに成功した。

デング熱はネッタイシマカによって媒介される病気です。デングウイルスに感染すると、高熱、頭痛、関節痛などの症状が現れることがあります。重症の場合、出血熱やショック症候群を発症し、生命を脅かすこともあります。デング熱を直接治療できる特異的な抗ウイルス薬はまだ存在しません。

研究により、ボルバキアを注射すると、ボルバキアはデング熱の主な媒介者であるネッタイシマカにおけるデングウイルスの複製と伝染を阻害し、それによってウイルスの伝染を防ぐことができることがわかっています。さらに、ボルバキアの免疫特性は蚊の子孫に受け継がれるため、蚊がデング熱を広めるリスクがさらに軽減されます。その後、習志勇教授のチームはこの方法をさらに拡大し、マラリアやジカウイルスなどの病気の予防と治療に応用し、蚊の免疫調節に関する新たなアイデアを生み出した。

圃場の場所、放流スケジュール、HC雄放流による幼虫の抑制出典：文献[6]

2016年、習教授のチームは農業部の承認を得て、広州の2つの孤立した河川島の居住区で、3種のボルバキアを注入した「不妊化した雄の蚊」を大規模に放ち始めた。これらの「不妊化された雄の蚊」は、野生の雌の蚊と交尾した後、卵を産むことができず、その結果、個体群は繁殖できなくなります。

一定期間優勢比率を維持することで、野生の蚊の個体数が最終的に抑制され、病気を媒介する蚊の種を制御または根絶する効果が得られます。研究チームは2年間にわたり不妊化した雄の蚊を何百万匹も放ち、2つの居住地域に生息する野生のヒトスジシマカを駆除することに成功した。技術の継続的な発展に伴い、リリース範囲は徐々に広東省の多くの都市に拡大しました。

研究者らは「不妊化した雄の蚊」を放出している出典：広州日報

蚊を先生として受け入れる？

感染症の予防と制御に加えて、科学者たちはバイオニック技術についても蚊から多くのインスピレーションを得ています。

蚊に血を吸われるのはほとんど痛みがないのに、注射をするとなぜこんなに痛いのかと不思議に思うかもしれません。これは、蚊の口器の平均長さがわずか 1.5 mm、直径が 0.1 mm 未満と非常に細いため、ほとんど目に見えないためです。一般的な注射針の直径は通常 0.45 ～ 0.7 mm で、これは蚊の口器の少なくとも 4 倍の太さです。

蚊の口器の走査型電子顕微鏡画像。上顎骨と唇の要素を示しています。出典：参考文献[4]

こんなに小さな口器がどうして私たちの皮膚に簡単に刺さるのでしょうか?科学者たちは顕微鏡観察を通じて、蚊の口器が上唇、下唇、舌、上顎、下顎など複数の部分で構成されていることを発見した。蚊が血を吸うとき、最初に攻撃するのは上顎で、鋭い針のように皮膚を刺します。そして、下顎には鋸歯状の部分があり、皮膚を繰り返し切り裂いて口器がさらに深く刺さるようになっています。蚊は上顎と下顎で毎秒10～15回の頻度で刺したり切ったりを繰り返し、適切な毛細血管を探します。蚊は適切な血管を見つけると、舌から唾液を注入して血液凝固を防ぎ、皮膚を麻酔して痛みを軽減し始めます。最後に、上唇が血管に挿入され、血を吸い始めます。

米国のテンプル大学の科学者たちは、蚊の口器からヒントを得て、バイオニック手術針を設計した。ポリ塩化ビニルゲルでテストしたところ、特別に構造化された針は通常の針よりも効果的であることがわかりました。従来の針と比較して、鋸歯状の針はゲルを貫通する際の抵抗を約 60% 削減し、組織変形の面積を約 36% 削減しました。蚊の口器の振動を模倣すると、摩擦抵抗はさらに10％程度低減できる。

3Dプリントされた蚊を模した針画像出典：参考文献[4]

さらに、2023年には中国科学院上海マイクロシステム・情報技術研究所の研究チームも、蚊の口器の構造にヒントを得たバイオニックフレキシブル神経プローブを開発した。このプローブは硬膜を貫通して複数の脳領域に低侵襲で移植することができ、また移植プロセス中に頭蓋内血管の存在を感知して損傷の早期警告を発することができます。これは、医療機器分野におけるバイオニックデザインの幅広い応用の可能性をさらに証明しています。

遺伝子組み換えマラリア原虫やボルバキアの生物学的防除戦略からバイオニック技術の応用まで、科学者は革新的な手段を用いて蚊の病気拡散能力を効果的に抑制するだけでなく、蚊の生物学的メカニズムから多くの貴重なインスピレーションを引き出し、それによって医学と工学技術の進歩を促進してきました。将来、蚊は公衆衛生と科学技術革新を促進する重要な「架け橋」となるかもしれない。

参考文献

[1] 殷啓凱、傅世紅、王環宇、梁国東。私の国における蚊媒介アルボウイルスおよび蚊媒介アルボウイルス性疾患の現状と見通し。中国熱帯医学ジャーナル。 2024、24(4): 478-485 https://doi.org/10.13604/j.cnki.46-1064/r.2024.04.21

[2] Lamers OAC、Franke-Fayard BMD、Koopman JPR、他。後期肝臓弱毒化マラリア原虫による予防接種の安全性と有効性[J]。ニューイングランド医学ジャーナル、2024、391(20):1913-1923。

[3] Kudiabor H. このマラリアワクチンは蚊に刺されることで投与される[J]。自然。

[4] Gidde STR、Islam S、Kim A、他。挿入力と組織変形を最小限に抑えるための蚊にヒントを得た針の実験的研究[J]。機械技術者協会紀要、パートH：医学工学ジャーナル、2023年、237(1):113-123。

[5] Singh B、Ahmad KA、Murugaiah M、他。蚊にヒントを得た羽ばたき翼を持つ超小型航空機の準定常空力モデリングと動的安定性[J]。ロボティクスとAIのフロンティア、2024年、11。

[6] Zheng X、Zhang D、Li Y 他。不適合な殺虫技術と不妊虫技術を組み合わせることで蚊を駆除できる[J]。ネイチャー、2019、572(7767):56-61。

[7] Bian G、Xu Y、Lu P、他。共生細菌ウォルバキアはネッタイシマカにおいてデングウイルスに対する抵抗性を誘導する[J]。 PLoS病原体、2010年、6(4):e1000833。

[8] Bian G、Joshi D、Dong Y 他ウォルバキアはハマダラカ（Anopheles stephensi）の個体群に侵入し、マラリア原虫感染に対する難治性を誘導する[J]。サイエンス、2013、340（6133）：748-751。

企画・制作

著者: Denovo チーム

査読者: 王多全、中国疾病予防管理センター寄生虫病予防管理研究所（国立熱帯病研究センター）研究員