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細胞毒性とは、物質や薬剤が生細胞に損傷や死を引き起こす能力を指し、薬理学、毒性学、生物医学における重要な指標です。これは、細胞死を引き起こすことなく細胞増殖を阻害する細胞静止作用とは異なります。細胞毒性物質は、細胞増殖の阻害、アポトーシスまたは壊死性細胞死の誘導、代謝的または構造的な細胞完全性の破壊など、さまざまな細胞応答を引き起こす可能性があります。細胞毒性の評価は、潜在的な副作用を予測し、治療薬の開発を導く上で、医薬品、化学物質、生体材料の安全性と有効性を評価する上で不可欠です。
酵素活性、膜透過性、代謝活性、細胞増殖に基づくさまざまなアッセイが、細胞毒性効果を試験管内で特徴付け、定量化するために日常的に使用されており、細胞生存率と毒性反応の根底にあるメカニズムに関する重要な洞察を提供している。[ 1 ] [ 2 ]
細胞毒性の形態学的タイプは、アポトーシス、オートファジー、壊死の3 つの主要なカテゴリーに分類され、それぞれに明確な構造的およびメカニズム的特徴があります。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
アポトーシス（I型細胞死）は、核の凝縮、細胞の収縮、膜の膨張、およびアポトーシス小体の形成を特徴とし、通常は貪食によって除去されます。この制御されたプロセスには、カスパーゼの活性化とDNA断片化につながるシグナル伝達経路が関与しています。オートファジー依存性細胞死（II型）は、豊富なオートファゴソームを伴う細胞質空胞化、軽度の核の変化を示し、通常はリソソーム経路を介して細胞小器官を分解する異化プロセスを伴います。一方、壊死（III型）は、細胞小器官と形質膜の膨張を特徴とし、膜の破裂と細胞内容物の制御不能な放出に至り、しばしば炎症を引き起こします。これは一般的に、ATP枯渇や膜の完全性の喪失など、細胞の恒常性およびエネルギー代謝を阻害する急性で重篤な損傷に関連しています。
進歩により、この枠組みはネクロトーシス、パイロトーシス、フェロトーシスなどのメカニズム的に異なる形態を含むように拡張され、それぞれが独自の形態学的特徴を持つが、特徴が重複することが多く、細胞毒性の分類の複雑さと進化する性質を強調している。[ 5 ]
壊死を起こしている細胞は通常、急速に膨張し、膜の完全性を失い、代謝を停止し、内容物を周囲の環境に放出します。試験管内では、急速な壊死はアポトーシス経路の活性化に十分な時間やエネルギーを与えないため、そのような細胞はアポトーシスマーカーを発現しません。対照的に、アポトーシスは、細胞の屈折率の変化、細胞質の収縮、核の凝縮、DNAの規則的なサイズの断片への断片化などの特徴的な細胞学的および分子イベントによって定義されます。培養では、アポトーシスを起こした細胞は最終的に二次壊死に進行し、その時点で膜の完全性を失い、代謝を停止し、溶解します。[ 6 ]
細胞毒性アッセイは、化合物の細胞毒性効果を評価するために製薬業界で広く使用されています。創薬においては、研究者は急速に分裂する癌細胞を標的とする治療薬を開発する際に細胞毒性化合物をスクリーニングしたり、逆に、ハイスループットスクリーニングから得られた初期の「ヒット」を評価して、さらなる開発の前に望ましくない細胞毒性を持つものを除外したりすることがあります。[ 7 ]
最も一般的な方法の 1 つは、細胞膜の完全性を評価することです。健康な細胞はトリパンブルーやヨウ化プロピジウムなどの生体染色色素を排除しますが、損傷した膜ではこれらの色素が細胞内に入り込み、細胞内成分を染色します。[ 6 ]逆に、膜の完全性が失われると、細胞内分子が培養培地に漏れ出す可能性があります。広く使用されている例として、乳酸脱水素酵素(LDH) アッセイがあります。このアッセイでは、損傷した細胞から放出された LDH が NAD を NADH に還元し、特定のプローブで検出可能な色の変化を引き起こします。[ 8 ] プロテアーゼベースのバイオマーカーは、同じ集団内の生細胞と死細胞を区別することもできます。生細胞プロテアーゼは、膜が損傷していない細胞でのみ活性を維持し、死細胞プロテアーゼは、膜が破壊された後にのみ培地で検出されます。[ 9 ]
他のアッセイは細胞の酸化還元活性に依存している。これらには、 MTTアッセイ、水溶性生成物を生成するXTTアッセイ、および比色反応によって還元電位を測定するMTSアッセイが含まれる。生存細胞はMTS試薬を着色ホルマザン生成物に変換する。関連するアッセイでは、蛍光色素レサズリンが使用される。[ 6 ] ATPベースの生存率アッセイも一般的であり、ATPがルシフェラーゼ反応の制限試薬として機能する生物発光法が含まれる。[ 10 ]
その他の方法としては、スルホローダミンB（SRB）アッセイ、WSTアッセイ、クローン形成アッセイなどがある。アッセイ特異的な偽陽性または偽陰性を最小限に抑えるため、複数のアッセイを組み合わせて同じ細胞に順次適用することができる。例えば、LDH-XTT-NR（ニュートラルレッド）-SRBの組み合わせは、キットとして市販されている。
ラベルフリー技術もリアルタイムで細胞毒性をモニタリングするために使用されています。電気細胞基質インピーダンスセンシング（ECIS）は、金薄膜電極上で培養された接着細胞の電気インピーダンスの変化を測定し、単一の終点測定ではなく動態情報を提供します。[ 11 ]
生物医学廃棄物などの細胞毒性物質には、三角形の中に大文字の「C」が入った記号が付けられていることが多い。[ 12 ] [ 13 ]
非常に重要なトピックは、過去の測定、すなわちインシリコ試験に基づいて化学化合物の細胞毒性を予測することです。 [ 14 ]この目的のために、多くのQSARおよび仮想スクリーニング法が提案されています。これらの方法の独立した比較は、「21世紀の毒性学」プロジェクト内で実施されました。[ 15 ]
一部の化学療法には細胞分裂を阻害することを目的とした細胞毒性薬が含まれています。これらの薬は正常細胞と悪性細胞を区別することはできませんが、宿主よりも先に癌細胞を死滅させることを目的として細胞分裂のプロセス全体を阻害します。[ 16 ] [ 17 ]
抗体依存性細胞傷害（ADCC）とは、特定のリンパ球が細胞を殺傷する能力を指し、標的細胞が抗体によって標識されていることを必要とする。一方、リンパ球介在性細胞傷害は抗体を介する必要はない。補体依存性細胞傷害（CDC）も同様で、補体系によって媒介される。
細胞傷害性リンパ球は、以下の3つのグループに分類される。
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: DOIは2025年7月現在非アクティブです（リンク）