エクソソーム（小胞）

エクソソーム（細胞外小胞）
hsp70タンパク質を示すエクソソームの断面
識別子
メッシュ	D055354
解剖学用語 [Wikidataで編集]

エクソソームは、大きさが30～150ナノメートルの範囲で、^[1]膜結合型の細胞外小胞（EV）であり、ほとんどの真核細胞のエンドソーム区画で生成されます。^{[2] [3] [4]}多細胞生物 では、エクソソームやその他のEVは、唾液、血液、尿、脳脊髄液などの体液中に存在します。^{[5] EVは、}凝固や老廃物管理から細胞間コミュニケーションまで、生理学的プロセスにおいて特殊な機能を果たします。 ^[6]

エクソソームは、多小胞体（MVB）としても知られる後期エンドソームの内側への出芽によって形成されます。 ^{[7]多小胞体（MVB）の}腔内小胞（ILV）は、エンドソーム腔内に内側に出芽します。MVBが細胞表面（細胞膜）と融合すると、これらのILVはエクソソームとして放出されます。^[8] エクソソームは組織マトリックス内でも特定されており、マトリックス結合ナノ小胞（MBV）と名付けられました。^{[9]エクソソームは}、培養細胞によってin vitroで成長培地に放出されることもあります。^{[6] [10] [11]} エクソソームは、その元の細胞から多様な生物学的要素が豊富に含まれており、タンパク質（接着分子、細胞骨格、サイトカイン、リボソームタンパク質、成長因子、代謝酵素など）、脂質（コレステロール、脂質ラフト、セラミドなど）、核酸（DNA、mRNA、miRNAなど）を含んでいます。^[12] エクソソームのサイズは親MVBのサイズによって制限されるため、エクソソームは一般に他のほとんどのEVよりも小さく、直径約30～150ナノメートル（nm）であると考えられています。これは多くのリポタンパク質とほぼ同じサイズですが、細胞よりはるかに小さいです。^{[13] [6]} 一般的なEVと比較して、エクソソームが独自の特性や機能を持っているのか、または他のEVから効果的に分離または区別できるのかは不明です。^[2]

循環している細胞外小胞は、起源細胞の遺伝物質やタンパク質、バイオマーカーとして機能するプロテオトランスクリプトームの特徴を運びます。^{[7] [5] [6] [14]}がん細胞の場合、エクソソームはドナー細胞と大きさ、形、形態、および標準的なマーカーが異なることがあります。それらは、病気の検出に使用できる関連情報をカプセル化している可能性があります。^[5]その結果、バイオマーカーおよび治療法としての細胞外小胞の臨床応用への関心が高まっており、^[15]国際細胞外小胞学会(ISEV) と細胞外小胞を専門とする科学雑誌Journal of Extracellular Vesiclesの設立につながっています。

エクソソームは、1983年にStahlらの研究グループによって成熟中の哺乳類の網状赤血球（未熟な赤血球）で初めて発見され^[16]、1983年にJohnstoneらの研究グループによってさらに1987年に「エクソソーム」と命名されました^{[18]。網状赤血球が成熟した赤血球（赤血球）になるにつれて、エクソソームは多くの細胞膜タンパク質の選択的除去に関与することが示されました[19] 。}ほとんどの哺乳類^細胞と同様に、網状赤血球では、細胞膜の一部がエンドソームとして定期的に内部化され、細胞膜の50～180%が毎時リサイクルされています^[20] 。次に、いくつかのエンドソームの膜の一部がその後、より小さな小胞として内部化されます。このようなエンドソームは、大きな小胞の中に多数の小さな小胞（ILVまたは「腔内エンドソーム小胞」）があるように見えることから、多小胞体と呼ばれます。MVBが細胞膜と融合すると、ILVはエクソソームになり、内部の小胞が細胞外空間に放出されます。^[21]

エクソソームには、タンパク質やRNAなど、起源細胞のさまざまな分子成分が含まれています。エクソソームのタンパク質組成は起源細胞や組織によって異なりますが、ほとんどのエクソソームには進化的に保存された共通のタンパク質分子セットが含まれています。タンパク質のサイズと構成、およびパッキングパラメータに関する特定の仮定を考慮すると、1つのエクソソームに含まれるタンパク質は約20,000分子になる可能性があります。^{[22]エクソソーム内の}mRNAとmiRNAの積荷は 、スウェーデンのヨーテボリ大学で初めて発見されました。^[23]

エクソソームの含有量は起源細胞によって変化し、それによって起源細胞を反映します。エクソソームの動的変化の分析は、疾患をモニタリングするための貴重な手段となる可能性があります。^{[24]この研究では、細胞とエクソソームの}mRNAとmiRNAの含有量の違い、およびエクソソームmRNAカーゴの機能性が説明されました。エクソソームは二本鎖DNAを運ぶことも示されています。^[25]

エクソソームは膜小胞輸送を介して分子をある細胞から別の細胞に移動させ、それによって樹状細胞やB細胞などの免疫系に影響を及ぼし、病原体や腫瘍に対する適応免疫応答を媒介する機能的役割を果たす可能性がある。^{[26] [27]}そのため、細胞間シグナル伝達においてエクソソームが果たす役割を積極的に研究している科学者は、多くの場合、積荷RNA分子の送達が生物学的効果を説明できるという仮説を立てている。例えば、エクソソーム内のmRNAは、受容細胞におけるタンパク質産生に影響を与えることが示唆されている。^{[23] [28] [29]}しかし、別の研究では、間葉系幹細胞（MSC）によって分泌されるエクソソーム内のmiRNAは主に成熟前miRNAであり、成熟miRNAではないことが示唆されている。^[30]この研究の著者らは、これらのエクソソーム中にRNA誘導サイレンシング複合体関連タンパク質を発見しなかったことから、MSCエクソソーム中の成熟miRNAではなく、pre-miRNAのみが受容細胞内で生物学的に活性になる可能性があることを示唆した。miRNA配列中の特定のモチーフ、エクソソームに局在するlncRNAとの相互作用、RBPとの相互作用、Agoの翻訳後修飾など、複数のメカニズムがエクソソームへのmiRNAのロードに関与することが報告されている。^[31]

逆に、エクソソームの生成と含有量は、起源細胞が受信した分子シグナルによって影響を受ける可能性があります。この仮説の証拠として、低酸素にさらされた腫瘍細胞は、血管新生と転移の可能性を高めたエクソソームを分泌します。これは、腫瘍細胞がエクソソームを分泌して低酸素性の微小環境に適応し、血管新生を刺激したり、より好ましい環境への転移を促進したりすることを示唆しています。^[32]

この分野では、「エクソソーム」という用語はエンドソーム起源の EV にのみ適用されるべきであるというコンセンサスが生まれつつある。EV が細胞を離れた後にそのような起源を証明することは難しいため、「細胞外小胞」という用語のバリエーションが代わりに適切であることが多い。^{[2] [33]}

赤血球由来のエクソソームには、成熟赤血球には存在しないトランスフェリン受容体が含まれています。樹状細胞由来のエクソソームは、MHC I、MHC II 、および共刺激分子を発現し、生体内で抗原特異的T細胞応答を誘導および増強できることが証明されています。さらに、最初のエクソソームベースの癌ワクチン接種プラットフォームが初期臨床試験で検討されています。^[34]エクソソームは腎臓から尿中に放出されることもあり、その検出は診断ツールとして役立つ可能性があります。^{[35] [36] [37]} 尿エクソソームは、前立腺癌の治療反応マーカーとして有用である可能性があります。^{[38] [39]}腫瘍細胞から分泌されたエクソソームは、周囲の細胞にシグナルを伝達することができ、筋線維芽細胞の分化を制御することが示されている。^[40]黒色腫では、腫瘍由来の小胞がリンパ管に入り、リンパ節の被膜下洞マクロファージおよびB細胞と相互作用する可能性があります。^[41]最近の調査では、エクソソームの放出が卵巣癌の浸潤性と正の相関関係にあることが示されています。^[42]腫瘍から血液中に放出されたエクソソームも診断の可能性を秘めている可能性があります。エクソソームは体液中で非常に安定しており、疾患バイオマーカーの貯蔵庫としての有用性が高まっています。^{[43] [44]}バイオレポジトリに保存された患者の血液サンプルは、血漿に混入された大腸癌細胞由来のエクソソームがさまざまな温度で90日間保存された後に回収できるため、バイオマーカー分析に使用できます。^[45]

がんなどの悪性腫瘍では、エクソソームの恒常性を維持する制御回路が、がん細胞の生存と転移を促進するために利用されています。^{[46] [29]}乳がんでは、新しい汎ERBB阻害剤であるネラチニブがエクソソームから放出されるHER2の量をダウンモジュレートし、腫瘍の拡散を減らす可能性があります。^[47]

尿エクソソームは、そのタンパク質とmiRNAの積荷を通じて、泌尿生殖器癌やミネラルコルチコイド高血圧症などの多くの病状の検出にも有用であることが証明されています。」^{[48] [15]}

神経変性疾患では、エクソソームがα-シヌクレインの拡散に役割を果たしていると考えられており、疾患の進行を監視するツールとして、また薬剤や幹細胞に基づく治療を送達するための潜在的な手段として積極的に研究されています。^[49]

エクソソームの内容に関するゲノム情報を含むオンラインオープンアクセスデータベースが、この分野の研究開発を促進するために開発されました。^[49]

科学者たちは、エクソソームが細胞間シグナル伝達で果たす役割について積極的に研究しており、エクソソームは元の細胞から離れた細胞と融合してその内容物を放出することができるため（膜小胞輸送を参照）、受容細胞のプロセスに影響を及ぼす可能性があるという仮説を立てている。 ^[50]たとえば、「エクソソームシャトルRNA」として知られる、ある細胞から別の細胞に運ばれるRNAは、受容細胞でのタンパク質産生に影響を及ぼす可能性がある。^{[28] [23]}細胞間または臓器間のコミュニケーションと代謝調節におけるエクソソームの役割は、2018年にサミュエルソンとビダルプイグによってレビューされた。 ^{[51]樹状細胞やB細胞などの}免疫系の特定の細胞からのエクソソームは、分子をある細胞から別の細胞に移動させることで、病原体や腫瘍に対する適応免疫応答を媒介する機能的な役割を果たす可能性がある。^{[26] [41]} miRNA分子のエクソソーム輸出は細胞内miRNAレベルの停止にも関連しており、重鎖ポリソーム上でmiRNAを停止させることでその機能に影響を与える。^[52]

逆に、エクソソームの生成と含有量は、起源細胞が受信した分子シグナルによって影響を受ける可能性があります。この仮説の証拠として、低酸素にさらされた腫瘍細胞は、血管新生と転移の可能性を高めたエクソソームを分泌します。これは、腫瘍細胞がエクソソームを分泌して血管新生を刺激したり、より好ましい環境への転移を促進したりすることで、低酸素性の微小環境に適応していることを示唆しています。 ^[32]最近、慢性リンパ性白血病の進行中にエクソソームタンパク質含有量が変化する可能性があることが示されました。^[53]

ある研究では、腫瘍エクソソームの細胞間コミュニケーションが癌の転移のさらなる領域を媒介する可能性があるという仮説が立てられました。仮説的には、エクソソームは汚染されたRNAなどの腫瘍情報を新しい細胞に植え付け、癌がその臓器に転移する準備をすることができます。この研究では、腫瘍エクソソームのコミュニケーションがさまざまな臓器への転移を媒介する能力を持っていることがわかりました。さらに、腫瘍細胞が複製に不利な場合でも、これらの新しい領域、臓器に植え付けられた情報は、臓器特異的な転移の拡大を助けることができます。^[54]

エクソソームは、自然免疫反応を増強する可能性のある物質を運びます。例えば、サルモネラ・エンテリカに感染したマクロファージ由来のエクソソームは、未感染細胞由来のエクソソームとは異なり、ナイーブマクロファージと樹状細胞を刺激して、TNF-α、RANTES、IL-1ra、MIP-2、CXCL1、MCP-1、sICAM-1、GM-CSF、G-CSFなどの炎症性サイトカインを分泌します。エクソソームの炎症誘発効果は、エクソソーム内に含まれるリポ多糖に部分的に起因します。^[55]

エクソソームは着床中に胚と母体の間のクロストークを媒介する役割も果たし、普遍的なタンパク質、糖タンパク質、DNA、mRNAの交換を助けます。^[56]

エクソソームの形成は、多小胞体（MVB）または後期エンドソームが陥入して腔内小胞（ILV）を生成することから始まる。^[57] MVBの形成、小胞の出芽、および選別には、さまざまなメカニズムが提案されている。最も研究されよく知られているのは、輸送に必要なエンドソーム選別複合体（ESCRT）依存性経路である。ESCRT機構は、タンパク質複合体ESCRT-0、-I、-II、-III、および関連するATPase Vps4で構成されるユビキチン化経路を媒介する。ESCRT 0は、後期エンドソーム膜への包装のためにマークされたユビキチン化タンパク質を認識して保持する。ESCRT I/IIはESCRT 0を認識し、MVBへの膜の退縮を開始する。ESCRTIIIは、首を狭めるらせん状の構造を形成する。ATPase VPS4タンパク質が膜切断を促進する。^[58]シンデカン-シンテニン-ALIXエキソソーム生合成経路は、ESCRT非依存性または非標準的なエキソソーム生合成経路の1つである。^[59]

形成されたMVBは、細胞膜の内側に輸送される。これらのMVBは細胞膜に輸送され、融合につながる。^[57]多くの研究で、コレステロール含有量の高いMVBは細胞膜と融合し、エクソソームを放出することがわかっている。^[60] MVBに付着したRabタンパク質、特にRab 7は、そのエフェクター受容体を認識する。MVBと細胞膜からのSNARE複合体（可溶性N-エチルマレイミド感受性融合付着タンパク質受容体）が相互作用し、融合を媒介する。

エクソソームによる特定の標的化は活発な研究分野です。エクソソーム標的化の正確なメカニズムは、特定のタンパク質、糖、脂質とのエクソソームのドッキングやマイクロピノサイトーシスなどのいくつかの一般的なメカニズムに限定されています。内部化されたエクソソームはエンドソームに標的化され、受容細胞にその内容物を放出します。^{[61] [62]}

エクソソームには、タンパク質、脂質、核酸など、さまざまな貨物が含まれています。これらの貨物は、特別に分類され、エクソソームにパッケージ化されます。エクソソームにパッケージ化された内容物は、細胞タイプに特異的であり、細胞の状態によっても影響されます。^[57]エクソソームのマイクロRNA（exomiR）とタンパク質は、エクソソームに分類され、パッケージ化されます。Villarroya-Beltriと同僚は、エクソソームにパッケージ化されたmiRNAに保存されたGGAG特異的モチーフ、EXOmotifを特定しました。これは、エクソソーム特異的miRNAパッケージングのために、SUMO化異種核リボタンパク質（hnRNP）A2B1に結合する細胞質miRNA（CLmiRNA）には存在しませんでした^[63]タンパク質は、ESCRT、テトラスパニン、脂質依存性メカニズムにパッケージ化されます。^[64]エクソソームは細胞の細胞膜と比較して、コレステロール、スフィンゴミエリン、飽和ホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノールアミンが豊富に含まれています。^[64]

エクソソームの分離と検出は複雑であることが証明されている。^{[6] [65]}体液の複雑さのため、エクソソームを細胞や同様の大きさの粒子から物理的に分離することは困難である。分画超遠心分離法を用いたエクソソームの分離では、タンパク質とその他の汚染物質が共分離され、小胞とリポタンパク質の分離が不完全となる。^[66]超遠心分離法と精密濾過法または勾配法を組み合わせると、純度を向上させることができる。^{[67] [68]}サイズ排除クロマトグラフィーによる細胞外小胞の単一ステップ分離は、遠心分離法よりも無傷の小胞を回収する効率が高いことが実証されているが、^[69] サイズに基づく技術だけではエクソソームを他の小胞タイプと区別することはできない。^[70]エクソソームの純粋な集団を単離するには、物理​​的パラメータ（サイズ、密度など）と生化学的パラメータ（生合成に関与する特定のタンパク質の有無など）の両方に基づいた技術の組み合わせが必要です。^{[66] [71]}追跡可能な組み換えEVなどの参照材料を使用すると、サンプルの準備と分析中に導入される技術的な変動を軽減するのに役立ちます。^{[72] [73]}新しい選択的分離法では、免疫親和性クロマトグラフィーと非対称フローフィールドフロー分画法を組み合わせて、血漿から分離する際にリポタンパク質やその他のタンパク質の混入を減らしています。^{[74] [75]}

エクソソームは、タンパク質、脂質、マイクロRNA、機能性mRNAを輸送することで細胞間コミュニケーションに重要な役割を果たす小さな細胞外小胞です。疾患の診断、予後、治療におけるその可能性は、生物医学分野で大きな関心を集めています。エクソソームを単離する従来の方法は、純度の低さ、非効率性、処理時間の長さ、大量のサンプルと特殊な装置の必要性によって妨げられることがよくあります。マイクロ流体デバイス、特にナノ構造を統合したデバイスの最近の進歩は、エクソソーム単離の有望な代替手段を提供します。これらのデバイスは、捕捉メカニズムに基づいて分類できます。受動構造ベースの親和性、免疫磁気ベースの親和性、濾過、音響流体、電気運動、および光流体です。マイクロ流体プラットフォームは、エクソソーム単離の効率と純度を向上させるだけでなく、従来の方法の限界に対処し、研究と臨床の両方の環境での応用への道を開きます。^[76]

多くの場合、機能アッセイと抗原アッセイは、複数のエクソソームから有用な情報を得るために適用されます。エクソソーム全体の集団中のタンパク質を検出するアッセイのよく知られた例としては、質量分析法とウェスタンブロット法があります。しかし、これらの方法の限界は、そのようなアッセイから得られる情報に影響を与える汚染物質が存在する可能性があることです。情報は単一のエクソソームから得られることが望ましいです。検出すべきエクソソームの関連特性には、サイズ、密度、形態、組成、ゼータ電位などがあります。^[77]

エクソソームの直径は通常100 nm未満であり、屈折率も低いため、エクソソームは現在使用されている多くの技術の検出範囲を下回っています。エクソソーム分析を迅速化するために、ナノテクノロジーとマイクロ流体工学を活用した多数の小型システムが開発されています。これらの新しいシステムには、タンパク質プロファイリング用のマイクロNMRデバイス^[78] 、ナノプラズモニックチップ^[79]、磁気電気化学センサー^[80]、RNA検出用の統合流体カートリッジ^{[81]などがあります。} フローサイトメトリーは、懸濁液中のエクソソームを検出する光学的方法です。しかし、感度が限られていることと、群集検出などの潜在的な測定アーティファクトのため、フローサイトメトリーを単一のエクソソームを検出するために適用することはまだ不十分です。^[82]単一のエクソソームを検出する他の方法としては、原子間力顕微鏡、^[83] ナノ粒子追跡分析、^[84]ラマン顕微分光法、^[85] 可変抵抗パルスセンシング、透過型電子顕微鏡などがある。^{[82] [47]}

エクソソームには、起源細胞の種類を反映するRNA、タンパク質、脂質、代謝物が含まれています。エクソソームには多数のタンパク質、RNA、脂質が含まれているため、プロテオミクスやトランスクリプトミクスを含む大規模な分析が頻繁に行われます。現在、これらのデータを分析するために、FunRich ^[86]などの非商用ツールを使用して、過剰に表現されている分子のグループを特定できます。次世代シーケンシング技術の出現により、がんだけでなくさまざまな疾患におけるエクソソームの研究が加速しています。最近、トリパノソーマ・クルーズから抽出されたエクソソームのRNA-Seqデータのバイオインフォマティクスベースの分析により、これらの細胞外小胞とさまざまな重要な遺伝子産物との関連性が示され、シャーガス病のバイオマーカーを見つける可能性が高まりました。^[87]

研究者らはまた、口腔ケラチノサイトから放出されたエクソソームが、ヒトエクソソームをラットの傷口に塗布した場合でも、創傷治癒を促進できることを発見した。^[88]

エクソソームを介したスーパーオキシドディスムターゼの送達は、 Caenorhabditis elegansの寿命を延ばすが、これは活性酸素種のレベルを低下させることによるものと思われる。^[89] そのため、このシステムは抗老化の可能性について研究されている。^{[89]この送達システムは、}酸化ストレスと熱 条件下での生存率も改善した。^[89]

エクソソームは、さまざまな治療用途における可能性について積極的に研究されています。たとえば、腫瘍抗原を免疫系に提示するように設計された樹状細胞（DC）由来のエクソソームワクチンは、パーソナライズされた抗腫瘍免疫応答を生成する能力を評価するための臨床試験が行われています。これらのエクソソームベースのワクチンは、大腸がんなどのがんにおいて強力な細胞傷害性Tリンパ球応答を生成する可能性を示しており、糖尿病や腎臓疾患などの慢性疾患の臨床試験で検討されています。^[90]

さらに、エクソソームはドキソルビシンやパクリタキセルなどの化学療法剤の有望なキャリアです。^[91]これらの設計されたエクソソームは腫瘍に直接薬剤を送達できるため、オフターゲット効果を最小限に抑えながら治療効果を高めることができます。エクソソームは血液脳関門などの生物学的障壁を通過できるため、神経膠芽腫やアルツハイマー病などの神経疾患の治療に魅力的です。前臨床研究では、アミロイドβ除去酵素または抗体を搭載したエクソソームはアミロイドβプラークを減らすことができ、アルツハイマー病の潜在的な治療薬となることが示唆されています。

さらに、間葉系幹細胞（MSC）由来のエクソソームは、特に心筋梗塞後の心臓修復において、組織修復を促進する能力について研究されており、回復を促進する心臓保護分子を送達する。エクソソームは、多発性硬化症や関節リウマチなどの自己免疫疾患の治療における役割についても調査されており、免疫反応を調節するために抗炎症剤を運ぶことができる。^[92]エクソソームは、特にCOVID-19などの感染症に対するワクチンプラットフォームとしても研究されているため、その汎用性は拡大し続けている。

米国では、FDAの許可なく、クリニック企業によってさまざまな健康状態を対象とする、証明されていないさまざまな形態のエクソソームが販売されている。これらの企業は、FDAが承認していない幹細胞注射も販売している場合が多い。2019年後半、FDAは、エクソソームの非準拠な販売と、エクソソーム注射に関連したネブラスカ州の患者の傷害について警告を発した。^[93] FDAはまた、エクソソームが正式には市販前承認を必要とする医薬品であると示唆した。2020年、FDAはCOVID-19やその他の健康状態に対するエクソソームの販売または使用について、いくつかの企業に警告した。^{[94] [95] [96]}

米国では、承認されていないエクソソームの販売が依然として問題となっており、一部の企業は、これらの新しい治療法に関する規制の抜け穴や消費者の混乱を利用しています。これらの企業は、多くの場合、グレーゾーンで活動し、エクソソーム製品を「最小限の操作」として販売することで、厳格な FDA 規制を回避しようとしています。これに対応して、FDA は近年、執行措置を強化し、エクソソームベースの製品が他の生物学的医薬品と同様に、安全性と有効性の厳格な基準を満たす必要があることを強調しています。

FDAの警告、特にCOVID-19のエクソソーム治療に関する警告は、一部の企業が世界的なパンデミックを利用して、免疫増強剤や感染予防剤を装って未検証の治療法を宣伝していることを浮き彫りにした。さらに、最近の報告によると、これらの主張を裏付ける臨床的証拠がないにもかかわらず、クリニックは抗老化、関節痛、さらにはアルツハイマー病などの神経疾患の治療薬としてエクソソームを販売し続けている。批評家は、これは危険な傾向であり、患者は炎症、感染、場合によっては重傷などの副作用のリスクにさらされていると主張している。^{[97] [98]}

興味深いことに、一部のクリニックは、現在、精査を回避するために「化粧品」ラベルの抜け穴を利用しています。これらのクリニックは、シワの減少や肌の若返りなどのメリットを謳いながら、スキンケア製品にエクソソームを配合して販売しています。しかし、FDA は、これらの細胞外小胞の潜在的な生物学的効果のため、化粧品目的であろうと治療目的であろうと、エクソソームの使用には正式な審査と承認が必要であると主張し続けています。規制の専門家は、このような慣行が抑制されなければ、適切な経路で開発されている正当なエクソソーム研究と治療法の信頼性を損なう可能性があると警告しています。^[99]

• プロスタソーム
• マイクロベシクル
• 小胞
• ExoCarta – エクソソーム中に存在する分子のデータベース^[100]