TED日本語 - マーク・ケンドル: より安全で低コストな注射針を使わないワクチン・パッチ


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Mark Kendall






It's a pleasure to be here in Edinburgh, Scotland, the birthplace of the needle and syringe. Less than a mile from here in this direction, in 1853 a Scotsman filed his very first patent on the needle and syringe. His name was Alexander Wood, and it was at the Royal College of Physicians. This is the patent. What blows my mind when I look at it even today is that it looks almost identical to the needle in use today. Yet, it's 160 years old.

So we turn to the field of vaccines. Most vaccines are delivered with the needle and syringe, this 160-year-old technology. And credit where it's due -- on many levels, vaccines are a successful technology. After clean water and sanitation, vaccines are the one technology that has increased our life span the most. That's a pretty hard act to beat.

But just like any other technology, vaccines have their shortcomings, and the needle and syringe is a key part within that narrative -- this old technology. So let's start with the obvious: Many of us don't like the needle and syringe. I share that view. However,20 percent of the population have a thing called needle phobia. That's more than disliking the needle; that is actively avoiding being vaccinated because of needle phobia. And that's problematic in terms of the rollout of vaccines.

Now, related to this is another key issue, which is needlestick injuries. And the WHO has figures that suggest about 1.3 million deaths per year take place due to cross-contamination with needlestick injuries. These are early deaths that take place.

Now, these are two things that you probably may have heard of, but there are two other shortcomings of the needle and syringe you may not have heard about. One is it could be holding back the next generation of vaccines in terms of their immune responses. And the second is that it could be responsible for the problem of the cold chain that I'll tell you about as well.

I'm going to tell you about some work that my team and I are doing in Australia at the University of Queensland on a technology designed to tackle those four problems. And that technology is called the Nanopatch. Now, this is a specimen of the Nanopatch. To the naked eye it just looks like a square smaller than a postage stamp, but under a microscope what you see are thousands of tiny projections that are invisible to the human eye. And there's about 4,000 projections on this particular square compared to the needle. And I've designed those projections to serve a key role, which is to work with the skin's immune system. So that's a very important function tied in with the Nanopatch.

Now we make the Nanopatch with a technique called deep reactive ion etching. And this particular technique is one that's been borrowed from the semiconductor industry, and therefore is low cost and can be rolled out in large numbers.

Now we dry-coat vaccines to the projections of the Nanopatch and apply it to the skin. Now, the simplest form of application is using our finger, but our finger has some limitations, so we've devised an applicator. And it's a very simple device -- you could call it a sophisticated finger. It's a spring-operated device. What we do is when we apply the Nanopatch to the skin as so -- (Click) -- immediately a few things happen. So firstly, the projections on the Nanopatch breach through the tough outer layer and the vaccine is very quickly released -- within less than a minute, in fact. Then we can take the Nanopatch off and discard it. And indeed we can make a reuse of the applicator itself.

So that gives you an idea of the Nanopatch, and immediately you can see some key advantages. We've talked about it being needle-free -- these are projections that you can't even see -- and, of course, we get around the needle phobia issue as well.

Now, if we take a step back and think about these other two really important advantages: One is improved immune responses through delivery, and the second is getting rid of the cold chain.

So let's start with the first one, this immunogenicity idea. It takes a little while to get our heads around, but I'll try to explain it in simple terms. So I'll take a step back and explain to you how vaccines work in a simple way. So vaccines work by introducing into our body a thing called an antigen which is a safe form of a germ. Now that safe germ, that antigen, tricks our body into mounting an immune response, learning and remembering how to deal with intruders. When the real intruder comes along the body quickly mounts an immune response to deal with that vaccine and neutralizes the infection. So it does that well.

Now, the way it's done today with the needle and syringe, most vaccines are delivered that way -- with this old technology and the needle. But it could be argued that the needle is holding back our immune responses; it's missing our immune sweet spot in the skin. To describe this idea, we need to take a journey through the skin, starting with one of those projections and applying the Nanopatch to the skin. And we see this kind of data. Now, this is real data -- that thing that we can see there is one projection from the Nanopatch that's been applied to the skin and those colors are different layers. Now, to give you an idea of scale, if the needle was shown here, it would be too big. It would be 10 times bigger than the size of that screen, going 10 times deeper as well. It's off the grid entirely. You can see immediately that we have those projections in the skin. That red layer is a tough outer layer of dead skin, but the brown layer and the magenta layer are jammed full of immune cells. As one example, in the brown layer there's a certain type of cell called a Langerhans cell -- every square millimeter of our body is jammed full of those Langerhans cells, those immune cells, and there's others shown as well that we haven't stained in this image. But you can immediately see that the Nanopatch achieves that penetration indeed. We target thousands upon thousands of these particular cells just residing within a hair's width of the surface of the skin.

Now, as the guy that's invented this thing and designed it to do that, I found that exciting. But so what? So what if you've targeted cells? In the world of vaccines, what does that mean? The world of vaccines is getting better. It's getting more systematic. However, you still don't really know if a vaccine is going to work until you roll your sleeves up and vaccinate and wait. It's a gambler's game even today.

So, we had to do that gamble. We obtained an influenza vaccine, we applied it to our Nanopatches and we applied the Nanopatches to the skin, and we waited -- and this is in the live animal. We waited a month, and this is what we found out. This is a data slide showing the immune responses that we've generated with a Nanopatch compared to the needle and syringe into muscle. So on the horizontal axis we have the dose shown in nanograms. On the vertical axis we have the immune response generated, and that dashed line indicates the protection threshold. If we're above that line it's considered protective; if we're below that line it's not. So the red line is mostly below that curve and indeed there's only one point that is achieved with the needle that's protective, and that's with a high dose of 6,000 nanograms. But notice immediately the distinctly different curve that we achieve with the blue line. That's what's achieved with the Nanopatch; the delivered dose of the Nanopatch is a completely different immunogenicity curve. That's a real fresh opportunity. Suddenly we have a brand new lever in the world of vaccines. We can push it one way, where we can take a vaccine that works but is too expensive and can get protection with a hundredth of the dose compared to the needle. That can take a vaccine that's suddenly 10 dollars down to 10 cents, and that's particularly important within the developing world.

But there's another angle to this as well -- you can take vaccines that currently don't work and get them over that line and get them protective. And certainly in the world of vaccines that can be important. Let's consider the big three: HIV, malaria, tuberculosis. They're responsible for about 7 million deaths per year, and there is no adequate vaccination method for any of those. So potentially, with this new lever that we have with the Nanopatch, we can help make that happen. We can push that lever to help get those candidate vaccines over the line. Now, of course, we've worked within my lab with many other vaccines that have attained similar responses and similar curves to this, what we've achieved with influenza.

I'd like to now switch to talk about another key shortcoming of today's vaccines, and that is the need to maintain the cold chain. As the name suggests -- the cold chain -- it's the requirements of keeping a vaccine right from production all the way through to when the vaccine is applied, to keep it refrigerated. Now, that presents some logistical challenges but we have ways to do it. This is a slightly extreme case in point but it helps illustrate the logistical challenges, in particular in resource-poor settings, of what's required to get vaccines refrigerated and maintain the cold chain. If the vaccine is too warm the vaccine breaks down, but interestingly it can be too cold and the vaccine can break down as well.

Now, the stakes are very high. The WHO estimates that within Africa, up to half the vaccines used there are considered to not be working properly because at some point the cold chain has fallen over. So it's a big problem, and it's tied in with the needle and syringe because it's a liquid form vaccine, and when it's liquid it needs the refrigeration.

A key attribute of our Nanopatch is that the vaccine is dry, and when it's dry it doesn't need refrigeration. Within my lab we've shown that we can keep the vaccine stored at 23 degrees Celsius for more than a year without any loss in activity at all. That's an important improvement. (Applause) We're delighted about it as well. And the thing about it is that we have well and truly proven the Nanopatch within the laboratory setting. And as a scientist, I love that and I love science. However, as an engineer, as a biomedical engineer and also as a human being, I'm not going to be satisfied until we've rolled this thing out, taken it out of the lab and got it to people in large numbers and particularly the people that need it the most.

So we've commenced this particular journey, and we've commenced this journey in an unusual way. We've started with Papua New Guinea.

Now, Papua New Guinea is an example of a developing world country. It's about the same size as France, but it suffers from many of the key barriers existing within the world of today's vaccines. There's the logistics: Within this country there are only 800 refrigerators to keep vaccines chilled. Many of them are old, like this one in Port Moresby, many of them are breaking down and many are not in the Highlands where they are required. That's a challenge. But also, Papua New Guinea has the world's highest incidence of HPV, human papillomavirus, the cervical cancer [ risk factor ] . Yet, that vaccine is not available in large numbers because it's too expensive. So for those two reasons, with the attributes of the Nanopatch, we've got into the field and worked with the Nanopatch, and taken it to Papua New Guinea and we'll be following that up shortly.

Now, doing this kind of work is not easy. It's challenging, but there's nothing else in the world I'd rather be doing. And as we look ahead I'd like to share with you a thought: It's the thought of a future where the 17 million deaths per year that we currently have due to infectious disease is a historical footnote. And it's a historical footnote that has been achieved by improved, radically improved vaccines. Now standing here today in front of you at the birthplace of the needle and syringe, a device that's 160 years old, I'm presenting to you an alternative approach that could really help make that happen -- and it's the Nanopatch with its attributes of being needle-free, pain-free, the ability for removing the cold chain and improving the immunogenicity. Thank you. (Applause)

注射針と注射器の発祥地 ここスコットランド エディンバラで お話できることを嬉しく思っています こちらの方角で ここから1.6 kmも離れていない場所で 1853年 あるスコットランド人が 初めて注射針と注射器の特許を申請しました 彼の名前はアレキサンダー・ウッドで 英国内科医師会で申請しました これがその特許です 今日使われている注射針と 大差ないことに 非常に驚かされました それから160年経ちました

ここでワクチンについて考えて見ましょう 160年前と変わらぬ器具を使ってワクチンを 注射針と注射器で投与します いろんな意味で ワクチンは 成功した技術だと言えます 清潔な水や公衆衛生とともに ワクチンは最も寿命を延ばすことのできる 技術です これを超えるのはかなり難しいことです

しかし 他の技術と同じように ワクチンにも欠点があるのです 注射針と注射器は 欠陥の大きな部分を占めています 古い技術なのです 当たり前のことですが 注射針や注射器が好きでない人は多いです 気持ちは分かります 然るに 20%の人が 注射針恐怖症なのです 注射針が嫌いというレベルを超え 注射針恐怖症のため 積極的に ワクチン接種を避けようとするのです これがワクチンの展開での問題となるのです

また これに関連した主要な問題に 針刺し損傷があります 世界保健機関の統計によると 年間約130万人が 針刺し損傷による 二次汚染で死亡しています 早過ぎる死の原因なのです

これら2つの問題を ご存じの方もおられるでしょう でも まだ聞いたことのないような 注射針と注射器の欠点が あと2つあるのです 1つ目は 免疫反応において 次世代ワクチンを 阻害する可能性があることと 2つ目は低温流通の問題を生み出している 可能性があるのです

私のチームがオーストラリアの クイーンズランド大学で行っている 4つの問題に対処する技術の 研究に関しお話しします それはナノパッチという技術です これがナノパッチの見本です 肉眼では 切手よりも小さい 正方形のように見えます しかし 顕微鏡で見ると 人間の目には見えない 何千もの小さな突起が見えます 注射針と比べると この正方形には 約4,000もの小さな突起があるのです 私はこれら突起が皮膚の免疫系と一緒に 作用するよう設計しました それは ナノパッチと結び付いた とても重要な機能です

深掘り反応性イオンエッチング という技術で ナノパッチを制作します この特殊な技術は 半導体産業から借用したので 低コストで 量産することができます

ナノパッチの突起に 乾燥ワクチンを付けて 肌に貼り付けます 指を使えば とても簡単に 貼れますが ちょっとした制約もあるので 貼付機器を作ってみました それはとても単純なもので 精緻な指とでも言えます ばね仕掛けになっています このようにナノパッチを肌に貼ります (カチッ) 貼った直後から作用します まず初めに ナノパッチの突起が 固い皮膚の表皮を貫いて ワクチンが素早く投与されます 実際 1分もかかりません そして ナノパッチを剥がして 捨てます 貼付機器は再利用可能です

ナノパッチの概念と 主要なメリットをすぐに ご理解いただけたと思います ナノパッチは針を必要とせず 目に見えない突起を使うのです もちろん注射針恐怖症の問題も 避けられます

これ以外の2つの重要なメリットについて 考えてみましょう 1つ目は注射の際の免疫反応の改善 そして2つ目は低温流通の解消です

まずは1つ目の免疫原性から始めましょう 頭を回転させるのに 少し時間がかかるので やさしい言葉で説明します ワクチンがどのように作用するのか 簡単に説明します ワクチンは体内に安全な病原菌 つまり 抗原と呼ばれる物質を 取り込ませることで作用します 安全な病原菌 つまり抗原により 人体に免疫反応を引き起こし 病原菌にどのように対処するのかを 学ばせたり 記憶させたりします 体内に本当の病原菌が侵入したとき 体は直ちにワクチンで準備された 免疫反応を引き起こし 感染を抑止します だから 効果があるのです

今日でも注射針と注射器が使われています この従来の技術と針で 大抵のワクチンが投与されるのです 注射針が免疫反応を阻止している という異論もあります 皮膚の中の免疫力の高い所を 分かっていないのです この考え方を説明するために 皮膚について調べる必要があります 皮膚にナノパッチを貼った場合 その突起の1つから始めてみると このようなデータが得られます これは本当のデータです 皮膚に貼ったナノパッチからの突起の1つが 画面に映されており 細胞層が色分けしてあります 分かりやすく大きさを示すと 注射針がここにあるなら 大きすぎるのです 画面のサイズより10倍大きく 10倍深いのです 全然画面には収まりません 皮膚の中に突起があるのはすぐに分かります 赤い層は角質の堅い外層ですが 茶色の層と赤紫の層には 免疫細胞が詰まっています 例として この茶色の層には ランゲルハンス細胞という免疫細胞が 私たちの体表面のあらゆる部分に 大量に含まれています またこの画像では染色されていませんが 他の免疫細胞もあります ナノパッチが 正しく差し込まれたことが分かるでしょう 皮膚の表面から 毛髪の太さほどの深さまでにある 何千もの特定の細胞を標的にしています

さて ナノパッチを考案した者として この結果に私はワクワクするのですが でもそれが 何なのででしょうか? 細胞を標的にしたからと言って 何なのでしょうか? ワクチンの世界で どういう意味があるのでしょうか? ワクチンの世界は日々進化しており 体系化が進んでいます しかし 腕まくりをして ワクチンを接種してから しばらくたたないと 効果があるか分からないのです 今日でさえ ある種の賭けなのです

それで賭けをしなければならなかったのです インフルエンザワクチンを入手しました ワクチンをナノパッチに塗ってから 皮膚に貼り 効果を待ちました 生きた動物で試しました これが 1カ月待った 研究結果です これは ナノパッチを使った場合と 注射針と注射器で 筋肉内注射をした場合の 免疫反応の比較グラフです 横軸はナノグラムの用量で 縦軸は免疫反応です 破線は保護の閾値です 破線より上なら 保護されています 破線より下なら 保護されていません 大部分の赤い線はこの線よりも下にあり 一つの点だけが注射針で 保護を達成できたのです しかもそれは6,000ナノグラム という高用量でです 青い線が全く異なった曲線を 描いていることは一目瞭然です それがナノパッチの成果です ナノパッチの投与用量は まったく異なった免疫原性の曲線を示しています とても新鮮に感じました 突然 ワクチンの世界で 真新しい手段を得て 未知を切り開いたのです 従来の注射針でワクチンの効果をあげるのに 費用がかかりすぎていましたが ナノパッチでは 用量は1/100で済みます ワクチンが突然10ドルから10セントに下がったのです 発展途上国では特に大切なことです

また 別の見方もできるのです 現在あまり効果のないワクチンを 閾値線上に上げて 保護できるようにするのです そうすることが ワクチンの世界で 重要になってきます HIV マラリア 結核という 3大病を見てみましょう 年間700万人が亡くなっており いずれも効果的なワクチンはありません だから 新しいナノパッチを試してはどうでしょうか お役に立てると思うのです それらのワクチンの効果を 閾値線上に押し上げます 私の研究室では 様々なワクチンも研究しており インフルエンザの例で成功したのと同じような 反応とカーブを得ています

さて 今日のワクチンのもう1つの欠点として 低温流通を維持する必要があることを お話していきたいと思います その名の通り 注射する時までずっと ワクチンを低温に保つ 必要があるのです 流通上の問題もありますが 方法はあるのです これは最たる例ですが 特に設備が整っていない所で ワクチンを低温に保ち 低温流通を維持するという 流通上の問題点を説明してしいます ワクチンが温かすぎると駄目になりますが 面白いことに 冷たすぎても駄目になるのです

ワクチンが駄目になると大変困るのです 世界保健機関によると アフリカで使用されるワクチンの半数までが 適切に作用しない模様です 低温流通がどこかで破綻しているからです それは大問題で 注射針や注射器とも関連しています ワクチンは液体で 液体は冷蔵が必要なのです

ナノパッチの主な属性は ワクチンが乾燥していることです 乾燥していると冷蔵する必要はないのです 私の研究室では1年以上も ワクチンを23℃で保管して 活性が失われないことを示しました それは重要な進歩です (拍手) 私達もその結果に満足しています 研究室内でナノパッチの有効性が 十分に証明されたことになります 科学者として 私は科学者であることや 科学が好きですが エンジニアとして 生物医学工学者として 人間としては 研究室の外でこれを展開し 多くの人々 特に最もそれを必要としている人々に ワクチンを投与するまでは 満足しないつもりです

そのために ナノパッチを広めるようとしています 変わったやり方で広めようとしています パプアニューギニアから始めました

発展途上国の例として パプアニューギニアを挙げました フランスと同じ大きさですが 今日のワクチンの世界に存在する 多くの障害に苦しんでいます 流通面での問題があります パプアニューギニアにはワクチンを冷やす 冷蔵庫が800台しかありません このポートモレスビーの冷蔵庫のように 古かったり 壊れていたり 必要としている高地になかったりします 難しいけど遣り甲斐があります HPV ヒト・パピローマ・ウイルスは 子宮頸がんの[危険要因]ですが パプアニューギニアでの感染率は 世界第1位です お金がかかりすぎるので ワクチンを多くの人々に投与できません これらの問題を解消するため 現地に赴き パプアニューギニアにナノパッチを展開し すぐに追跡調査を行う予定です

この種の仕事はたやすくはありません 難題ですが 私の使命だと思っています 将来を見据えた 私の考えをお話しします いつの日か 現在感染症が原因で死亡するという 年間1,700万の人がいるということが 過去の話となることです そしてその過去の話というのは 劇的に改良されたワクチンによって達成されるものです さて 今日ここ 皆さんの前に立って 160年の歴史を持つ 注射針と注射器の発祥地で 別のアプローチである ナノパッチについてお話ししました 注射針を使わず 痛みもなく 低温流通体系に頼らず 免疫原性を高めるのが ナノパッチなのです ご清聴ありがとうございました (拍手)

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