エクスポソーム

エクスポソームとは、個人が生涯を通じて遭遇する環境曝露と、これらの曝露が生物学と健康に及ぼす影響を説明するために使用される概念です。エクスポソームには、人間の健康に影響を与える可能性のある化学的、物理的、生物学的、社会的要因を含む外部要因と内部要因の両方が含まれます。^{[1] [2] [3]}

エクスポソームの研究は、特に慢性疾患に焦点を当て、疾患の発症における遺伝的要因と環境的要因の相互作用を理解するための有用なツールとなっている。 ^{[4]この概念は、疫学、}毒物学、公衆衛生などの分野で広く応用されており、疾患の病因と予防に関する理解に大きな進歩をもたらしている^[5]。

多重曝露の累積的な影響を考慮することで、遺伝子環境相互作用の研究に総合的なアプローチを提供し、疾患リスクのより正確な評価^[6]と潜在的な介入戦略の特定を可能にします。^[7]

環境への曝露は個人の健康に大きな影響を与える可能性があります。たとえば、大気汚染への曝露は、呼吸器疾患、心臓病、さらには早死のリスク増加に関連しています。同様に、消費者製品に含まれる特定の化学物質への曝露は、がんやその他の健康問題のリスク増加に関連しています。 ^[5]外部要因に加えて、内部エクスポソームも個人の健康結果に影響を及ぼす可能性があります。たとえば、遺伝は、個人の体が環境への曝露を処理して反応する方法に影響を与える可能性があり、 ^[7]腸内微生物叢は個人の免疫システムと全体的な健康に影響を与える可能性があります。エクスポソームに関する理解が進化し続けると、環境と健康の複雑な相互作用に関する新しい洞察が得られる可能性があります。

「エクスポソーム」という用語は、2005年に国際がん研究機関（IARC）の当時のディレクターであったクリストファー・ワイルド博士^[1]が、Cancer Epidemiology, Biomarkers & Prevention誌に掲載された独創的な論文の中で初めて作りました。ワイルド博士のコンセプトは、慢性疾患の病因を説明する上での遺伝子研究の限界を認識していたため、当初はヒトゲノムを補完するために提案されました。環境曝露を測定するための体系的なアプローチを提案することで、エクスポソームはこの知識のギャップを埋めることを目指しました。^[8]

エクスポソームの定義はこれまで様々に提案されてきましたが、そのほとんどは、外部エクスポソーム、内部エクスポソーム、生物学的反応という3つの主要な要素を強調しています。^[6]外部エクスポソームには、大気汚染、食事、社会経済的要因などの一般的な外部要因と、化学物質や放射線などの特定の外部要因が含まれます。内部エクスポソームは、ホルモン、炎症、酸化ストレス、腸内細菌叢などの内因性要因で構成されます。最後に、生物学的反応とは、外部エクスポソームと内部エクスポソームの要因間の複雑な相互作用と、それらが個人の生理機能と健康に与える影響を指します^[9]

エクスポソーム研究の分野は比較的新しく、急速に進化しており、疫学、環境衛生、ゲノミクスなど、さまざまな分野の研究者によって現在も開発と改良が続けられています^[10]。エクスポソームを理解することは、研究者が疾患に寄与する環境要因を特定し、予防と治療の戦略を立てるのに役立つため重要です。^[要出典]

エクスポソームの概念は、研究者にとっていくつかの課題を提示しています。主な課題の1つは、個人が生涯を通じて経験する曝露の複雑さと多様性です。^[11]環境中には何千もの化学物質があり、^[12]個人は、場所、職業、ライフスタイルに応じてさまざまな化学物質の組み合わせに曝露しています。^[6]これに加えて、曝露を測定するための標準化された方法がないことも課題です。^[13]環境曝露を測定する従来のアプローチは、多くの場合、費用と時間がかかる個別の曝露評価に依存しています。^[14]この課題に対処するために、複数の曝露を同時に測定するハイスループット法などの新しい技術が開発されています^{[15 ]}。

エクスポソームを理解することは、公衆衛生^[17]と、病気の予防と治療のためのより効果的な戦略の開発に大きな意味を持ちます。 ^[18]例えば、ある化学物質への曝露が癌のリスク増加に関連していることが研究で示された場合、^[19]政策立案者はその化学物質の使用を規制または禁止する措置を講じることができます。^[20]

エクスポソームの研究は、公衆衛生政策に情報を提供するだけでなく、個人が自分の健康についてより情報に基づいた選択をするのにも役立ちます。^[5]病気に寄与する環境要因を理解することで、個人は有害物質への曝露を減らし、全体的な健康を改善するための措置を講じることができます。^{[6] [21] [22] [12]}

エクスポソームの概念は、環境曝露と人間の健康との間の複雑な相互作用についての理解を深める上で大きな可能性を秘めています^{[23] 。 [24]}研究者が曝露評価法を改良し、新しいバイオマーカーを特定し、洗練された計算手法を開発し続けるにつれて、エクスポソームの枠組みは疫学、毒物学、公衆衛生の分野に革命を起こす準備ができています。^{[25] [26]}

エクスポソームをより深く理解することを目的とした研究イニシアチブはいくつかあります。そのようなイニシアチブの1つは、英国のインペリアル・カレッジ・オブ・サイエンス・テクノロジー・アンド・メディシンによるプログラム「ヨーロッパにおける優先度の高い環境曝露に対する強化された曝露評価とオミックスプロファイリング」^[27]です。現在のイニシアチブは、欧州連合のホライズン2020プログラムによって資金提供されている5年間の研究イノベーションアクションであるEXIMIOUS ^[28]で、エクスポソミクスとイムノミクスを独自のツールボックスで組み合わせることで、曝露誘発性免疫効果をマッピングする新しいアプローチを導入することを目的としています。もう1つは、国立衛生研究所の子供の健康結果に対する環境影響（ECHO）プログラムです。^[29]では、これらの要因が子供の健康に与える影響を研究しています。また、世界中の研究者が協力してエクスポソームを測定および分析するためのツールと技術を開発する ヒトエクスポソームプロジェクト^{[30]もあります。}

さらに、スウェーデン、フランス、オーストリア、チェコ共和国を含むいくつかのヨーロッパ諸国は、エクスポソミクス専用の研究インフラの構築に積極的に取り組んでいます。スウェーデンでは、国立エクスポソミクス施設^[31]が2020年11月に承認され、ストックホルム大学がホストしています。この施設は現在ソルナで稼働しており、エクスポソミクス研究のためのリソースと専門知識を提供しています。フランスも専用の研究インフラであるFrance Exposome ^[32]を設立しました。これは環境衛生に焦点を当てた新しい国立研究インフラです。これは高等教育研究省の研究インフラの2021年ロードマップに含まれており、国の研究環境におけるその重要性を示しています。^[要出典]

さらに、環境曝露評価研究インフラストラクチャ（EIRENE）^[33]は、補完的な専門知識を持つ約50の機関を代表する17の国家ノードで構成される共同作業です。EIRENEは、欧州のインフラストラクチャの状況のギャップを埋め、ヒトエクスポソームに関する最初のEUインフラストラクチャを開拓することを目指しています。このコンソーシアムは、北ヨーロッパ（フィンランド、アイスランド、ノルウェー、スウェーデン）、西ヨーロッパ（ベルギー、フランス、ドイツ、オランダ、英国）、南ヨーロッパ（ギリシャ、イタリア、スロベニア、スペイン）、中央ヨーロッパと東ヨーロッパ（オーストリア、チェコ共和国、スロバキア）に加えて米国をカバーする地理的にバランスの取れたネットワークを持っています。EIRENE RIチームは、国際レベルでエクスポソーム研究をリードする科学者で構成されています。

これらの取り組みは、エクスポソミクス研究の重要性に対する認識の高まりと、これらの国々がこの分野の発展に尽力していることを反映しています。専用の研究インフラを確立することで、エクスポソーム^[10]が人間の健康に与える影響に関する重要な洞察を明らかにするために必要なリソースと専門知識が確保されます。

エクスポソームの研究には、曝露評価、バイオインフォマティクス、システム生物学の進歩を組み合わせた多分野にわたるアプローチが必要です。そのため、研究者は、曝露評価技術、分析ツール、計算手法に至るまで、エクスポソームを測定および分析するためのさまざまな重要な方法論を開発してきました。^[要出典]

これらの方法は、人の生涯にわたる環境曝露の多様で動的な性質を捉え、分析するように設計されています。^{[引用が必要]}

環境曝露の評価はエクスポソーム研究の重要な側面です。アンケートや環境モニタリングなどの従来の方法は、外部要因に関する有用な情報を提供しますが、時間の経過に伴う曝露の複雑さと変動性を十分に捉えられない可能性があります。^[7]

その結果、研究者はウェアラブルセンサー、個人用モニタリングデバイス、スマートフォンアプリケーションなどの個人用モニタリングデバイスにますます注目するようになりました。これらのデバイスは、大気汚染、騒音、紫外線などのさまざまな環境要因への個人の曝露に関するデータをリアルタイムで収集できます。^{[21] [34]}これらのデバイスによって収集されたデータは、個人の行動や微小環境が全体的なエクスポームプロファイルにどのように寄与するかを研究者が理解するのに役立ちます。^{[35] [36] [37]}

バイオマーカー（生物学的プロセスまたは状態の測定可能な指標）は、内部エクスポソームと生物学的反応を特徴付ける上で重要な役割を果たします。このアプローチでは、血液、尿、組織などの生物学的標本中の化学物質またはその代謝物を測定します。^{[22] [38] [39]}ゲノミクス、トランスクリプトミクス、プロテオミクス、メタボロミクスなどのハイスループットオミクス技術の進歩により、数千のバイオマーカーを同時に測定する能力に革命が起こりました。これにより、特定の時点での個人の分子プロファイルの詳細なスナップショットと、環境への曝露に対する個人の生物学的反応の包括的なビューが得られます。^[14]これらの技術により、特定の化合物への個人の曝露を直接的かつ定量的に評価できるため、エクスポソーム研究や疫学研究にますます取り入れられています。^[39]

GISツールは、大気汚染や有害廃棄物処理場への近さなどの空間データに基づいて、個人の環境要因への曝露を推定するために使用できます。^[40] GISベースの曝露評価は、環境曝露と健康結果の関係を調査するために、多くの疫学研究に適用されています。^{[41] [42]}

エクスポソーム研究で生成される膨大な量のデータは、保存、分析、解釈のために高度な計算手法を必要とします。機械学習^[43]やその他のデータマイニング技術^{[44]は、複雑なエクスポソームデータセット内のパターンや関係性を識別するための貴重なツールとして登場しました。さらに、複数のオミクスプラットフォーム[45]}からのデータを統合するシステム生物学アプローチは、疾患の発症に寄与する曝露と生物学的経路との複雑な相互作用を解明するのに役立ちます。^[46]

エクスポソーム研究は疫学分野に大きな影響を与え、環境曝露、遺伝的要因、および人間の健康との間の複雑な関係についての新たな知見をもたらしました。^[47]曝露の全体を包括的に評価することにより、疫学者は癌、心血管疾患、神経変性疾患などの慢性疾患の病因をよりよく理解し、介入の対象となる可能性のある修正可能なリスク要因を特定することができます。^[48]

ヒト早期生命エクスポソーム（HELIX）プロジェクト^[7]や欧州エクスポソームクラスターなどの大規模なエクスポソームプロジェクトは、これらの関係を調査し、疾患の病因と予防に関する新たな知識を生み出すために設立されました。^[49]

エクスポソームは毒物学の分野にも影響を与え、複数の環境曝露が人間の健康に及ぼす累積的影響を評価するための新しい方法の開発につながっています。曝露データと分子プロファイリング技術を統合することで、^[50]毒物学者は環境化学物質やその他の要因が健康への悪影響にどのように寄与するかのメカニズムをよりよく理解することができます。この知識は、化学物質のリスク評価と規制のためのより効果的な戦略の開発に役立ちます。^[11]

公衆衛生の研究と実践は、エクスポソーム研究を通じて得られた知見から大きな恩恵を受けています。環境曝露と人間の健康との間の複雑な相互作用を解明することにより、エクスポソームフレームワークは、疾病リスクを軽減し、健康の公平性を促進するための標的介入の設計に役立ちます。^[18]

さらに、バイオモニタリングや個人曝露モニタリング装置などのエクスポソームベースのツールの開発は、公衆衛生従事者が集団曝露をより適切に追跡し^[51]、介入の有効性を評価するのに役立ちます。

エクスポソーム研究は大きく進歩したが、より正確な曝露評価技術の開発、新たなバイオマーカーの特定、大規模で複雑なデータセットの管理など、いくつかの課題が残っている。^[3]

エクスポソーム研究における主な課題の1つは、個人の生涯にわたる曝露を正確に評価することです。^[26]最近の技術進歩により、環境曝露をリアルタイムで測定する能力が向上しましたが、特に慢性疾患研究の文脈では、過去の曝露を遡及的に評価できる方法が依然として必要とされています。 ^{[2] [52]}

もう一つの課題は、曝露と疾患の関係の根底にある生物学的経路についての洞察を提供できる、新しく有益なバイオマーカーを特定することです。^[14]オミクス技術によって測定可能なバイオマーカーの数は大幅に増加しましたが、研究者は依然として、これらのマーカーのうちどれが特定の健康結果に最も関連しているか、そしてそれらがさまざまな曝露によってどのように影響を受ける可能性があるかを判断する必要があります。 ^[53]

エクスポソーム研究では膨大な量の複雑なデータが生成され、^[54]データの保存、分析、解釈に関連した課題が生じます。この分野が成長し続けるにつれて、標準化されたデータ形式、データ共有プラットフォーム、およびデータ統合のための高度な計算方法の開発が、エクスポソーム研究の可能性を最大限に引き出すために重要になります^[46]。

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