科学のブレークスルー - 2024年注目の最新トレンド

科学的な発見は、さまざまな分野や業界で日々発表されています。では、この活気あふれる環境において、どうすれば最新トレンドを先取りできるのでしょうか。 CASは、最近の科学のブレークスルーや、それをもたらした歴史的発見、そして今後の機会を逃さないようにするのに必要な専門知識など、ユニークな視点を提供しています。 2023年のときも最大の科学のブレークスルーを発表したわけですが、2024年はもっと期待できます。 例えば注目の新しいトレンドとして、グリーンケミストリーの加速的拡大、エネルギーの脱炭素化、CRISPRの臨床的検証、バイオマテリアルの台頭、そしてがんや神経変性疾患などアンドラッガブルな疾患の治療に対する新たな進歩、などが挙げられます。  

研究開発におけるAIの躍進

AIの分野は、常に先進的であるにもかかわらず、化学と創薬では、AIの革命はまだ完全には実現していません。 目立った挫折も一部ではあったものの、この分野が進化していく中で、いくつかのブレークスルーは注意深く見守る必要があります。 例えば、生成AIは創薬に影響を与えています。あるいは機械学習は環境研究でより多く利用されるようになっています。そしてChatGPTなどの大規模言語モデルは、ヘルスケアアプリケーションや臨床現場でテストされるまでになっています。  

多くの科学者は、AlphaFoldに注目しています。これは、DeepMind社のタンパク質構造予測ソフトウェアで、タンパク質の理解に革命をもたらしました。 DeepMindとIsomorphic Labs両社が最近発表したところによれば、最新モデルの精度が向上したことで、Protein Data Bankのほぼすべての分子の予測が可能になり、そして適用範囲がリガンド、核酸、翻訳後修飾へと拡大したとしています。 AIを活用した治療用抗体の発見も脚光を浴びており、RubrYc Therapeutics抗体発見エンジンなどのプラットフォームは、今後この分野の研究の発展に貢献することになるでしょう。

AIの開発には多くの人が期待を寄せている一方、さまざまな懸念についての議論も起こっています。例えば、正確でアクセス可能なトレーニングデータに関する懸念や、公平性と偏り、規制監督の欠如、学術界、学術研究と出版への影響、大規模言語モデルにおける幻覚、さらには公衆衛生に対するインフォデミックの脅威など、さまざまな懸念があります。 ただし、AIの継続的な改良は必然的であるため、2024年を通じて多くの新たな発展と革新が見られることが予想されます。

「よりグリーンな」グリーンケミストリー

グリーンケミストリーは、急速に進化している分野で、化学プロセスが環境に与える影響を最小限に抑えるための革新的な方法が常に追求されています。 ここでは、画期的な進歩が見られる新たなトレンドをいくつかご紹介します。

• グリーンケミストリーの予測や結果の改善 - グリーンケミストリーの最大の課題のひとつとして、新しい化学物質やプロセスが環境に与える影響をどのように予測するか、ということが挙げられます。 こういった影響をより正確に予測するために、研究者により、新しい計算ツールや予測モデルが開発されています。 それにより、化学者はより安全で環境に優しい化学物質を設計できるようになります。
• プラスチックの削減 - 毎年、3億5,000万トン以上のプラスチック廃棄物が発生しています。 製造業者、供給業者、小売業者のすべてにわたって、使い捨てプラスチックの使用を減らしてマイクロプラスチックを削減することが非常に重要です。 MiTerro社というイノベーターは、産業副産物やバイオマス廃棄物を再利用して環境にやさしくそして安価なプラスチックの代替品とするという、新しい価値主導型アプローチをとっていますが、今後業界ではそういったアプローチが求められるようになるでしょう。 サプライチェーン全体を通じて、コストとプラスチックのフットプリントを削減することが重要になります。     
• 代替電池の化学 - 電池とエネルギー貯蔵の分野では、リチウムやコバルトといった希少な「枯渇危惧元素」の代替品を探すことが非常に重要です。 多くの電池に不可欠な要素でありながら、リチウムやコバルトは希少で高価な存在になりつつあります。 ニッケルやコバルトを使用しないリン酸鉄リチウム（LFP）電池への新規投資が拡大しており、2029年にはEVのマーケットシェアの45％がLFPになると予測されています。 今後はナトリウム、鉄、マグネシウムなど、より豊富そして安価であり、またよりサステナブルな代替材料開発のための研究がさらに進むと予想されています。
• よりサステナブルな触媒 - 触媒は、化学反応の速度を上げたり、それ自体が消費されることなく必要なエネルギーを減らしたりします。 貴金属は優秀な触媒です。しかし価格が高く、またその採掘は環境破壊を引き起こします。 貴金属以外の触媒でさえも、汚染による毒性があったり、廃棄に伴う課題が存在する場合があります。 サステナブルな触媒とは、地球上に豊富に存在する元素でできており、また自然界で毒性がないものを指します。 近年では、より環境にやさしく、貴金属に依存しないサステナブルな触媒に開発努力が集中するようになってきています。 カーボンフットプリントを削減するにあたり、今後は触媒と、その役割と、環境への影響に関する新しい開発が、意義ある進展をもたらすことになるでしょう。  
• リチウムイオン電池のリサイクル - リチウムイオンのリサイクルに対する投資は増加しており、2023年には800件以上の特許が公開されています。 固体電解質または液体の不燃性電解質を使用することで、LIBの安全性と耐久性が向上し、材料の使用量が削減できる可能性があります。 また、溶媒を使用せずに電極を製造する方法があれば、非推奨溶媒の使用を削減できます。これは、例えばN-メチルピロリジノンなどで、放出を防ぐためにリサイクルと慎重な取り扱いが求められる溶媒ですが、こういったものの使用を減らすことができるようになるはずです。

バイオマテリアルの台頭

2024年にはバイオメディカル用途の新素材によって、多くのヘルスケア分野で変革が見られる可能性があります。 その一例として、バイオエレクトロニクス材料が挙げられます。これは、Neuralink社が開発中のブレイン・コンピューター・インターフェース（BCI）システムなど、電子機器と人体間のインターフェースを形成するものです。 このシステムは、生体適合性材料の電極を脳に直接埋め込んでネットワークにするもので、2023年にはヒトでの治験を開始するFDAの承認を得ています。

• バイオエレクトロニクス素材 - これは多くの場合、ナノスケール材料や高度に設計された導電性ポリマー、そして生体吸収性物質を組み込んだハイブリッド素材または複合素材です。 最近開発されたデバイスは、体内に移植して一時的に使用されたら、後は取り除くことなく体内に安全に吸収されるようになっています。 これは、亜鉛と生分解性ポリマーのポリ乳酸から作られた、完全に生体吸収性のあるセンサーとワイヤレス給電レシーバの組み合わせで実証されています。
• 天然バイオマテリアル - これは生体適合性があり、天然由来の材料を差し（キトサン、セルロースナノマテリアル、シルクなど）、2023年では高度な多機能バイオマテリアルを製造するために使用されています。 例えば、パーキンソン病治療用として、キトサン、タンニン酸、金ナノ粒子の間に形成される可逆的架橋に基づいた注射可能なハイドロゲルの脳インプラントが設計されています。
• バイオインク - これは、臓器の3Dプリンティングや移植の開発に使われており、今後患者の治療に革命をもたらす可能性があります。 現在、これらのモデルは、心疾患のための3Dプリントされた心臓モデルや薬剤の有効性テストのための3Dプリントされた肺モデルなど、臓器の構造を研究するために使用されています。 特殊なバイオリンクを使うことで、3Dプリントされた臓器や構造、そしてアウトカムなどの品質、有効性、そして汎用性が向上します。 最後に、天然絹糸をベースにしたバイオインクの体積積層造形法（VAM）などの新しい手法が登場しています。これにより、3Dプリンティングのイノベーションに新たなフロンティアが生まれています。

月、そしてその先へ

アルテミス計画はNASAが主導する国際的な宇宙探査プログラムで、持続可能な人類の存在を月面に確立するという長期目標の一環として、2025年までに初の女性と有色人種を月面に着陸させることを目指しています。 さらに、2024年に打ち上げが予定されているNASAの計画「Europa Clipper（エウロパ・クリッパー）」では、木星を周回し、木星の衛星のひとつであるエウロパをフライバイして、水の存在と居住可能性を調査することになっています。 一方、中国の嫦娥6号計画では、月の裏側から土壌サンプルを地球に持ち帰り、さらなる研究を行う予定です。 そして日本のJAXAによる火星衛星探査計画（MMX）では、火星の衛星のひとつ、フォボスからサンプルを持ち帰ることを計画しています。 また、ボーイング社も、地球低軌道に人を運べる再利用可能な宇宙カプセルスターライナーの試験飛行を行う予定になっています。

アルテミス計画の研究開発効果は、航空宇宙工学にとどまらず、数多くの分野に及びます。例えば、以下などが挙げられます。

• ロボット工学 - アルテミス計画では、ロボットが重要な役割を果たすことになっており、サンプルの採取やインフラの構築、そして科学調査の実施など数多くのタスクがロボットによって行われます。 これにより、自律システムや高性能ロボットアームなど、新しいロボット技術の開発が推進されます。
• 宇宙医学 - アルテミス計画には、放射線の被ばくや微小重力など、宇宙旅行に伴う危険から宇宙飛行士を守る新技術の開発が必要となります。 これには医療診断、治療学、対処策での科学的発見も含まれます。
• 地球科学 - アルテミス計画は、月とその環境を研究するまたとないチャンスを提供します。 これは、地球の歴史や地質学、また気候に関する新たな洞察にもつながっていきます。
• 材料科学 - 宇宙の極限的な環境では、軽量で耐久性があり、放射線耐性を持つ新素材が必要になります。 これは、航空宇宙をはじめ、建築、エネルギーなど多くの産業で応用できます。
• 情報技術 - アルテミス計画では大量のデータが生成されることになります。これは、リアルタイムで処理、分析、そして共有される必要があります。 これにより、クラウドコンピューティング、人工知能、機械学習など、新たなIT技術の開発が促進されることになるでしょう。

CRISPRの成果

長年にわたる研究と挫折、そしてわずかな進歩の末に、臨床における治療プラットフォーム技術としてのCRISPRの正式なエビデンスが、初めて実現しました。 Intellia Therapeutics社は、hATTR治療のための新薬の極めて重要な第3相試験の開始についてFDAの認可を受けたのです。また、同じCas9 mRNAを用いて、血管性浮腫という別の疾患を治療する新薬も開発しています。 これは、ガイドRNAのわずか20個のヌクレオチドを変えただけで実現しており、このことにより、CRISPRが臨床における治療プラットフォーム技術として使用できることを示唆しています。

CRISPR 医薬品開発技術にとって2つ目の大きな出来事は、Vertex社とCRISPR Therapeutics社が、鎌状赤血球症と輸血依存性β-サラセミアの治療薬として、初のCRISPR/Cas9遺伝子編集治療薬CASGEVY™ を英国MHRAから承認されたと発表したことです。 これは、CRISPRを用いた治療法のヒト向けの使用に対する初めての承認であり、ヒトの健康を改善するCRISPRの可能性を実現する画期的な瞬間でした。

CRISPR-Casシステムは、その優れたゲノム編集能力に加え、がんの早期診断など多くの用途において有効であることが証明されています。 CRISPRに基づくゲノムとトランスクリプトーム工学、そしてCRISPR-Cas12aとCRISPR-Cas13aは、がんの治療や診断用として、今後強力な検出ツールになるために必要な特性を持っているようです。 CRISPR-Casベースのバイオセンシングシステムが実現すれば、早期がんの正確な診断の新時代をもたらすでしょう。

また、MITのエンジニアは、簡単な尿検査で早期がんの診断を可能にする、尿バイオマーカー用の新しいナノ粒子DNAコード化ナノセンサーを設計しました。 がん性タンパク質を検出できるこのセンサーは、腫瘍の種類や、治療に対してどう反応するか、ということも判別できます。

がんの撲滅

免疫腫瘍学の分野は、ここ数年で目覚ましい発展を遂げています。 サイトカインやワクチン、腫瘍指向性モノクローナル抗体、そして免疫チェックポイント阻害剤といった承認済み製品の市場規模は、拡大し続けています。 また、TAC01-HER2などの新規療法も、現在臨床試験中です。 このユニークな治療法では、腫瘍細胞上のヒト上皮成長因子受容体2（HER2）の存在を認識するT細胞抗原結合体（TAC）受容体を組み込むことで、腫瘍細胞を除去するように遺伝子操作された自家T細胞を使用します。 これは、転移性のHER2陽性固形腫瘍に対する有望な治療法となる可能性があります。

もうひとつの有望な戦略として、固形腫瘍に対してCAR-T細胞を使用し、免疫反応を高めるワクチンと併用する、というのがあります。 免疫を増強することで、CAR-T細胞では殺せない他の腫瘍抗原を標的にできる宿主T細胞を、身体がより多く生産するようになります。

注目に値するもうひとつのトレンドは、改良され効果的になった個別治療の開発です。 例えば、最近開発されたウリジンmRNA-リポプレックスナノ粒子に基づいた、個別化RNA新抗原ワクチンは、膵管腺がん（PDAC）に対して有効であることが判明しています。 免疫腫瘍学における主な課題は、治療抵抗性、予測可能なバイオマーカーの欠如、そして腫瘍の不均一性です。 したがって、新たな治療戦略を考案することが、今後の研究の焦点となる可能性があります。

エネルギーの脱炭素化

化石燃料ベースのエネルギー源を、CO2を発生させない（または大幅に削減する）エネルギー源に置き換えることによって、エネルギー生産の脱炭素化を2024年に実現させようと、多額の資金が投入された複数の取り組みが現在進行しています。

こうした取り組みのひとつに、既存の電力網に大規模エネルギー貯蔵装置を組み込む、というのがあります。 再生可能エネルギー源を補完する付加的な電力需給をもたらすことから、今後、再生可能エネルギー源の利用を可能にするためには、これは重要な一部分です。 現在、蓄電できる量や、送電網にどの程度急速に給電できるかによって、さまざまなタイプの送電網用のエネルギー貯蔵装置が複数、開発中になっています。 物理的なタイプ（フライホイール、揚水発電、圧縮空気）と化学的なタイプ（従来型の電池、フロー電池、スーパーキャパシタ、水素）があり、どちらも活発な化学研究と材料開発研究の対象になっています。 米国政府は、インフレ緩和法の一環としての税控除をはじめ、地方に水素ハブを設置するための70億ドルのプログラムを通じて、この分野の開発を奨励しています。

一方、原子力は2024年も引き続き活発に研究開発が行われる分野になります。 核分裂では、複数の企業が発電と水素などの化学製造に使用するための小型モジュール炉（SMR）の開発を進めています。 一方、核融合炉の開発には、物理学と材料科学の基礎研究が関わってきます。 そこでの大きな課題のひとつとして、核融合プラズマに曝される原子炉の壁面に使用できる材料を見つける必要があります。これまでに、ハイエントロピー合金や、溶融金属までも候補に挙がっています。

神経変性疾患

神経変性疾患は、死亡や身体障害の世界的な主要原因のひとつであり、公衆衛生上の大きな関心事となっています。 現在では神経変性疾患の治療法は確立されていないものの、その経路に関する新たな科学的発見と理解が、患者のアウトカムを改善させる鍵となる可能性があります。

• アルツハイマー病 - 早期アルツハイマー型認知症患者の認知機能および機能低下を軽減する治療薬として、2つの免疫治療薬がFDAの承認を取得しました。 アデュカヌマブ（Aduhelm®）は、2021年に迅速承認され、これは2003年以来アルツハイマーのために承認された初めての新規治療薬です。これはまた、早期アルツハイマー病患者の脳内のβアミロイド斑を減少させるという、疾患の病態生理を標的としたものとしては初めての治療薬でもあります。 レカネマブ（Leqembi®）は、2023年に通常承認され、アルツハイマー病の病態生理を標的としたものとしては初めて臨床効果を示した薬剤です。アルツハイマー病の初期段階にある成人患者において、疾患の進行速度を低下させ、認知低下や機能低下を遅らせるという臨床効果を示しています。
• パーキンソン病 - パーキンソン病の症状の治療のために、医薬品や脳深部刺激療法以外の新しいモダリティが研究され、そしてFDAの承認を受けています。 非侵襲的医療機器のExablate Neuro（2021年にFDAより承認）は、脳の片側に集束超音波を照射することで、振戦や四肢硬直、そしてジスキネジアなどの重篤な症状を緩和するものです。 2023年には、バイオマーカーのαシヌクレインが検証されたという、パーキンソン病研究にとって大きなニュースがもたらされました。 また、研究者によって、αシヌクレインシーディング増幅アッセイというツールが開発されました。これは、パーキンソン病と診断された人や臨床症状を示していない人の髄液からバイオマーカーを検出するものです。
• 筋萎縮性側索硬化症（ALS） - 過去2年間に、ALS患者の病気の進行を遅らせる2つの医薬品がFDAの承認を受けました。 Relyvrio®は2022年に承認されたもので、ALS患者の神経細胞死を予防または遅らせる作用があります。 アンチセンスオリゴヌクレオチドの1種であるTofersen（Qalsody®）は、2023年に迅速承認制度の下で承認されました。 Tofersenは、変異したスーパーオキシドジスムターゼ1（SOD1）遺伝子から産生されるRNAを標的として、有毒なSOD1タンパク質の産生を排除します。 最近、NEK1遺伝子の変異がどのようにしてALSに関与するかに関して、遺伝学研究で発表された論文がありましたが、この研究は、最近NEK1遺伝子の変異がいかにしてALSにつながるかを発見した研究者によって続けられています。 この発見は、ALS患者の微小管を安定化させる合理的な治療法が登場する可能性を示唆しています。