マイクロベシクル

内皮マイクロ粒子は、内皮細胞から放出される小さな小胞であり、血液中を循環しているのが見られる。^{[ 13 ]}

微粒子は、少量の細胞質を囲む細胞膜から構成される。内皮由来微粒子の膜には、微粒子の内皮由来を識別するための受容体やその他の細胞表面分子が含まれており、血小板などの他の細胞由来の微粒子と区別することができる。

循環内皮マイクロ粒子は正常な人の血液中にも見られますが、高血圧や心血管疾患^{[ 14 ]} 、妊娠高血圧症候群^{[ 15 ]} 、および様々な形態の血管炎などの特定の疾患を持つ人では、循環内皮マイクロ粒子の数が増加していることが確認されています。これらの疾患状態の一部では、内皮マイクロ粒子に内皮機能不全の状態を反映する細胞表面分子の配列が見られることが示されています。したがって、内皮マイクロ粒子は疾患における内皮の機能状態の指標またはインデックスとして有用であり、関節リウマチ^{[ 16 ]}などの特定の疾患の病因において重要な役割を果たす可能性があります。

内皮マイクロ粒子は、マイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MKP）-1を不活性化することによりp38経路を阻害し、受容細胞のアポトーシスを予防することがわかっている。内皮マイクロ粒子の取り込みは、アネキシンI/ホスファチジルセリン受容体に依存する。^{[ 17 ]}

微粒子は他の多くの細胞タイプから得られる。^{[ 18 ]}

マイクロベシクルとエクソソームは、わずかに異なる 2 つのメカニズムによって形成および放出されます。これらのプロセスにより、細胞間シグナル伝達小胞が放出されます。マイクロベシクルは、細胞膜由来の小さな粒子で、細胞膜の外向きの出芽と分裂によって細胞外環境に放出されます。この出芽プロセスには、細胞内カルシウムの上昇や細胞の構造的足場の再編成など、複数のシグナル伝達経路が関与しています。マイクロベシクルの形成と放出には、収縮機構が関与しており、収縮機構は対向する膜を引き寄せ、膜の結合を切り離して小胞を細胞外空間に放出します。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

微小胞の出芽は、細胞膜上の特定の脂質やタンパク質が豊富に存在する場所で起こり、その場所は細胞の起源を反映している。これらの場所で、タンパク質、脂質、核酸が選択的に微小胞に取り込まれ、周囲の環境に放出される。^{[ 20 ]}

 エクソソームは細胞内で形成される膜で覆われた小胞であり、100 nmより小さいと考えられています。膜の出芽、つまりエキソサイトーシスによって形成されるマイクロベシクルとは対照的に、エクソソームは最初にエンドサイトーシスによって形成されます。エクソソームは、細胞内で陥入してエンドソームまたはエンドサイトーシス小胞と呼ばれる細胞内小胞を形成することによって形成されます。一般的に、エクソソームは、エンドソーム内にカーゴ（脂質、タンパク質、核酸など）を分離することによって形成されます。形成されたエンドソームは、多胞体（MVB）として知られる構造と結合します。分離されたエンドソームを含む MVB は最終的に形質膜と融合し、エクソソームのエキソサイトーシスを引き起こします。^{[ 21 ] [ 22 ]}

いったん形成されると、マイクロベシクルとエクソソーム（総称して細胞外小胞と呼ばれる）は放出部位付近の細胞外空間を循環し、そこで他の細胞に取り込まれたり、徐々に分解したりする。さらに、一部の小胞は拡散によってかなりの距離を移動し、最終的には脳脊髄液、血液、尿などの生体液中に現れる。^{[ 21 ]}

細胞外空間への小胞放出には3つのメカニズムがある。1つ目は、多胞体からのエキソサイトーシスとエクソソームの形成である。2つ目は、細胞膜からのマイクロベシクルの直接的な出芽である。そして3つ目は、細胞死によるアポトーシス性小胞形成である。これらはすべてエネルギーを必要とするプロセスである。

生理的条件下では、細胞の形質膜にはリン脂質が非対称に分布している。アミノリン脂質、ホスファチジルセリン、およびホスファチジルエタノールアミンは、膜の内側層に特異的に隔離されている。二重膜を横断する脂質分布は、3つのリン脂質ポンプによって制御されている。すなわち、内向きポンプ（フリッパーゼ）、外向きポンプ（フロッパーゼ）、および膜を横断する脂質の非特異的な再分布を担う脂質スクランブラーゼである。

アポトーシスを含む細胞刺激後、それに続く細胞質Ca2 ^+の増加は、形質膜のリン脂質非対称性の喪失、それに続くホスファチジルセリンの露出、および内膜を犠牲にした外膜間の一時的なリン脂質不均衡を促進し、形質膜の出芽と微小胞の放出につながります。^{[ 23 ]}

マイクロベシクルの脂質とタンパク質の含有量は、さまざまな生化学的手法を用いて分析されてきた。マイクロベシクルは、小胞とその形質膜内に閉じ込められたさまざまな分子を示す。膜の分子パターンと小胞の内部内容物は、細胞の起源と、その形成を誘発する分子プロセスに依存する。マイクロベシクルは完全な細胞ではないため、ミトコンドリア、ゴルジ体、小胞体、または核とその関連DNAは含まれていない。^{[ 22 ] [ 24 ]}

微小胞膜は主に膜脂質と膜タンパク質から構成されています。細胞の種類に関係なく、ほぼすべての微小胞には膜輸送と融合に関与するタンパク質が含まれています。微小胞は、いくつかの異なる脂質分子からなるリン脂質二重層に囲まれています。各微小胞のタンパク質含有量は、それが放出された細胞の起源を反映しています。たとえば、B細胞や樹状細胞などの抗原提示細胞（APC）から放出される微小胞には、適応免疫に必要なタンパク質が豊富に含まれていますが、腫瘍から放出される微小胞には、アポトーシス促進分子と癌遺伝子受容体（例：EGFR）が含まれています。^{[ 22 ]}

由来する細胞型に特有のタンパク質に加えて、ほとんどのマイクロベシクルに共通するタンパク質もいくつかあります。たとえば、ほぼすべてのマイクロベシクルには、細胞質タンパク質であるチューブリン、アクチン、アクチン結合タンパク質、およびシグナル伝達、細胞構造と運動性、転写に関与する多くのタンパク質が含まれています。ほとんどのマイクロベシクルには、免疫系の細胞との相互作用を促進するいわゆる「熱ショックタンパク質」 hsp70とhsp90が含まれています。最後に、 CD9、CD37、CD63、CD81を含むテトラスパニンタンパク質は、マイクロベシクル膜に見られる最も豊富なタンパク質ファミリーの1つです。^{[ 22 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}これらのタンパク質の多くは、マイクロベシクルの内腔またはその膜にロードされる特定のカーゴの選別と選択に関与している可能性があります。^{[ 27 ]}

脂質やタンパク質以外にも、マイクロベシクルにはメッセンジャーRNA（mRNA）やマイクロRNA （miRNA）などの核酸が豊富に含まれています。マイクロベシクル中のRNA分子の同定は、マイクロベシクルが核酸の輸送のための生物学的媒体であり、標的細胞のタンパク質合成を調節するという仮説を裏付けています。マイクロベシクルを介してある細胞から別の細胞へ輸送されたメッセンジャーRNAはタンパク質に翻訳され、標的細胞に新たな機能を与えることができます。マイクロベシクルが特定のmRNAやmiRNAを輸送する可能性があるという発見は、これが細胞間の遺伝子交換の新しいメカニズムである可能性を示唆しています。^{[ 26 ] [ 28 ]}酸化ストレスにさらされた細胞によって産生されるエクソソームは、保護シグナルを媒介し、受容細胞の酸化ストレスを軽減することができます。このプロセスはエクソソームRNAの輸送に依存すると考えられています。^{[ 29 ]}これらのRNAはマイクロベシクルに特異的に標的化され、場合によってはドナー細胞には有意な量で存在しないRNAが検出可能なレベルで含まれています。^{[ 26 ]}

マイクロベシクル内の特定のタンパク質、mRNA、miRNAは非常に多様であるため、これらの分子は能動的な選別機構を使用してベシクルに特異的にパッケージ化されている可能性が高い。現時点では、可溶性タンパク質と核酸をマイクロベシクルにパッケージ化する際にどのような機構が関与しているかは正確には不明である。^{[ 20 ] [ 30 ]}

微小胞は心血管疾患の発症と進行に関与している。単球由来の微粒子は炎症細胞を調節することでアテローム性動脈硬化症を悪化させる。 ^{[ 38 ]}さらに、微小胞は凝固因子に結合したり、他の細胞で凝固因子の発現を誘導したりすることで凝固を誘発する可能性がある。^{[ 39 ]}心臓手術患者から分離された循環微小胞は、in vitroアッセイとラットの両方で血栓形成性であることがわかった。健康な人から分離された微小胞は同じ効果を示さず、実際には凝固を減少させる役割を果たしている可能性がある。^{[ 40 ] [ 39 ]}凝固の開始因子である組織因子は微小胞内に高濃度で存在し、凝固におけるその役割を示している。^{[ 41 ]}高グルコース培地に曝露された腎メサンギウム細胞は組織因子を含む微小胞を放出し、内皮細胞に血管新生効果をもたらす。^{[ 42 ]}

微小胞には、さまざまな経路を介して炎症を誘発するサイトカインが含まれています。 ^{[ 39 ]} これらの細胞は、相加効果を持つ微小胞をさらに放出します。これにより、好中球や白血球がその領域に集まり、細胞の凝集が起こります。^{[ 3 ] [ 43 ]} しかし、病理によって微小胞のレベルが上昇することから、微小胞は疾患に対する正常な生理的反応にも関与しているようです。^{[ 39 ]}

微小胞は多くの神​​経疾患に関与しているようです。微小胞は多くの血管疾患や炎症に関与しているため、脳卒中や多発性硬化症も微小胞が関与する疾患であると考えられます。循環微小胞には、アルツハイマー病の初期段階でリン酸化タウタンパク質のレベルが上昇しているようです。同様に、CD133レベルの上昇はてんかんの指標です。^{[ 44 ]}

腫瘍関連マイクロベシクルは、がん患者の血液、尿、その他の体液中に豊富に存在し、腫瘍の進行に関与していると考えられます。これらは、由来細胞に関連する豊富な生物学的情報に非侵襲的にアクセスできる独自の機会を提供します。悪性細胞から放出されるマイクロベシクルの量と分子組成は、正常細胞から放出されるものとは大きく異なります。したがって、疾患状態を示す分子マーカーを持つ血漿マイクロベシクルの濃度は、がんの情報を提供する血液ベースのバイオシグネチャーとして使用できます。^{[ 19 ]}マイクロベシクルは多くの膜結合タンパク質を発現し、その一部は腫瘍バイオマーカーとして使用できます。^{[ 45 ]}血液または尿中のタンパク質としてアクセス可能ないくつかの腫瘍マーカーは、さまざまな種類のがんのスクリーニングと診断に使用されています。一般的に、腫瘍マーカーは、腫瘍自体によって、またはがんの存在や炎症状態に対する体の反応によって産生されます。腫瘍マーカーのレベルが正常よりも高い場合、患者はがんやその他の状態を探すためにさらに詳しく検査されます。例えば、CA19-9、CA-125、CEAはそれぞれ膵臓、卵巣、消化器の悪性腫瘍の診断に用いられてきました。しかし、これらの腫瘍マーカーは臨床的に有用であることが証明されているものの、感度や特異性は高くありません。臨床研究データによると、マイクロベシクル上に露出した腫瘍特異的マーカーは、疾患の診断とモニタリングのための臨床ツールとして有用であることが示唆されています。^{[ 46 ]}また、マイクロベシクル上に露出した腫瘍特異的マーカーが治療反応を予測できるかどうかを判断するための研究も進行中です。^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}

独立した研究グループによって得られた証拠は、健康な組織の細胞由来のマイクロベシクル、またはこれらのマイクロベシクル由来の選択されたmiRNAが、前臨床がんモデルで多くの腫瘍を逆転させるために使用でき、化学療法と組み合わせて使用​​できることを示しています。^{[ 51 ] [ 52 ]}

逆に、腫瘍細胞から生成されるマイクロベシクルは、癌タンパク質の輸送やマイクロRNAを周囲の健康な組織に届ける役割を担っています。これにより、健康な細胞の表現型が変化し、腫瘍に有利な環境が作り出されます。マイクロベシクルは、転移を促進するメタロプロテアーゼの存在により、腫瘍血管新生やマトリックスの分解において重要な役割を果たします。また、腫瘍細胞から放出されるマイクロベシクルにはFasリガンドとTRAILが含まれているため、制御性Tリンパ球の機能の増強や細胞傷害性Tリンパ球のアポトーシスの誘導にも関与しています。さらに、単球から樹状細胞への分化を阻害します。

腫瘍微小胞は腫瘍抗原も運ぶため、腫瘍ワクチンの開発に利用できる。すべての体液中の循環miRNAとDNA断片は、腫瘍診断の潜在的なマーカーになり得る。^{[ 20 ]}

関節リウマチは、関節の炎症を特徴とする慢性全身性自己免疫疾患です。初期段階では、滑液中に炎症性サイトカインIL-17A、IL-17F、TNF、IL-21、IL-22を産生するTh17細胞が豊富に存在します。制御性Tリンパ球は、これらの細胞を制御する能力が限られています。後期段階では、炎症の程度は活性化マクロファージの数と相関しており、マクロファージは骨組織を破壊する破骨細胞に変化する能力があるため、関節の炎症や骨および軟骨の破壊に寄与します。好中球による活性酸素種、プロテアーゼ、プロスタグランジンの合成が増加します。コラーゲン受容体GPVIを介した血小板の活性化は、血小板細胞質膜からの微小胞の放出を刺激します。これらの微粒子は滑液中に高濃度で検出され、炎症性サイトカインであるIL-1を輸送することで関節の炎症を促進する。

がんの検出に加えて、マイクロベシクルを生物学的マーカーとして使用して、さまざまな疾患の予後を予測することも可能です。多くの種類の神経疾患は、特定の種類の循環マイクロベシクルの増加と関連しています。たとえば、リン酸化タウタンパク質の増加は、アルツハイマー病の初期段階の患者を診断するために使用できます。さらに、てんかん患者のマイクロベシクル中のCD133の増加を検出することも可能です。^{[ 44 ]}

循環マイクロベシクルは、非常に特定の標的への薬剤送達に役立つ可能性がある。電気穿孔法や遠心分離法を用いて特定の細胞を標的とするマイクロベシクルに薬剤を挿入することで、薬剤を非常に効率的に標的化できる。^{[ 32 ]}この標的化は、必要な投与量を減らし、標的以外の副作用を防ぐのに役立つ。抗炎症薬を特定の組織に標的化することができる。^{[ 43 ]}さらに、循環マイクロベシクルは血液脳関門を迂回し、筋肉細胞に影響を与えることなくニューロンに内容物を届けることができる。血液脳関門は通常、薬剤設計において克服するのが難しい障害であり、マイクロベシクルはそれを克服する手段となる可能性がある。^{[ 32 ]}現在の研究では、マイクロベシクルを合成的に効率的に作成するか、患者または遺伝子操作された細胞株から分離することを検討している。^{[ 53 ]}

治療的ゲノム編集アプローチで使用されるマイクロベシクルは、特にCas9 RNP複合体をパッケージ化/送達するために使用される場合、「gesicle」と呼ばれることがあります。 ^{[ 54 ]}