- 著者: Raghu Kalluri, Kathleen M. McAndrews
- Corresponding author: Raghu Kalluri; Kathleen M. McAndrews (UT MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, USA)
- 雑誌: Cell
- 発行年: 2023
- Epub日: N/A
- Article種別: Review
- PMID: 37059067
背景
癌の発生と進展は、前癌細胞や悪性細胞と、周囲の間質細胞、免疫細胞、内皮細胞、神経細胞といった多様な細胞種との間の双方向性コミュニケーションに深く依存する。この細胞間コミュニケーションは、可溶性因子の分泌と細胞外小胞 (EVs) の交換を通じて媒介されることが、近年の研究で明らかになってきた。EVsは1987年に網赤血球において過剰な膜タンパク質の除去機構として初めて記述された (Johnstone et al. 1987)。その後、EVsがタンパク質、脂質、RNA、DNA、代謝産物などの生物活性を持つカーゴを含み、これらを受容細胞に転送することでその機能に影響を与える細胞間コミュニケーションのメディエーターとしての役割が認識されるようになった。この概念は、Raposo et al. JExpMed 1996 がBリンパ球が抗原提示小胞を分泌することを示したことでさらに強化された。
Kalluri研究室は、EV研究において数々の先駆的な成果を報告している。例えば、KRAS G12Dを標的とするiExosomesを用いた膵臓癌治療法の開発 (Kamerkar et al. Nature 2017)、exomereおよびsupermereという新たな非小胞性ナノ粒子の発見 (Zhang et al. Nat Cell Biol 2018, Zhang et al. Nat Cell Biol 2021)、そしてGPC1+エクソソームを用いた膵臓癌の早期診断法の確立 (Melo et al. Nature 2015) などが挙げられる。これらの研究は、EVsが癌の診断と治療において大きな可能性を秘めていることを示唆している。
しかし、EVsの生物学、特にその多様なサブセットの機能的特異性、生合成経路の複雑性、そして癌の進行におけるEVsの役割に関する包括的な理解には、依然として多くの未解明な点が残されている。特に、EVsが正常な生理機能（発生、代謝、老化、免疫、組織修復）において果たす役割と、癌におけるその機能がどのように異なるのか、また、EVsが癌細胞と腫瘍微小環境の細胞間でどのように双方向性のクロストークを媒介し、腫瘍の開始、進行、転移、治療応答に影響を与えるのかについては、さらなる詳細な整理と統合が必要である。Kalluri et al. Science 2020 による先行総説はエクソソーム生物学の基礎を整理したが、2022年から2023年の最新知見、特に非小胞性ナノ粒子 (exomere/supermere) の重要性の浮上やEVベース治療薬の臨床試験結果（初期安全性データ）に関する体系的な整理が不足している。さらに、EVベースのバイオマーカーや治療薬の開発は急速に進展しているものの、その臨床応用における課題や今後の研究方向性については、体系的な整理が不足している。本総説は、これらの蓄積された実験的知見と最新の文献情報を統合し、癌におけるEVsの役割を包括的に整理することを目的とする。
目的
本総説は、細胞外小胞 (EVs) の生物学と生合成、発生・恒常性・代謝・老化・免疫・組織修復における生理機能、癌の開始・進行・転移・治療応答における役割、癌バイオマーカーとしての応用、およびEVベースの治療薬開発における最新の進展を統合的に総説することを目的とする。これにより、EVsが癌の病態生理にどのように機能的に寄与しているかを包括的に整理し、EVsを標的とした診断・治療戦略の今後の研究方向性を提示する。特に、EVsが細胞間コミュニケーションの主要なメディエーターとして機能し、癌細胞および腫瘍微小環境の細胞の生物学と機能に影響を与えるメカニズムを詳細に解説することを目指す。また、非小胞性ナノ粒子であるexomereやsupermereの機能的意義、およびEVsを介した治療抵抗性のメカニズムについても深く掘り下げ、EV研究の新たなフロンティアを提示することも重要な目的である。
結果
EVのBiology、Biogenesis、および非小胞性ナノ粒子: EVsは主にエクソソーム (40〜150 nm) とエクトソーム/マイクロベシクル (50〜1000 nm) の2種類のサブセットから構成される (Figure 1)。エクソソームは内エンドソーム系由来で、多小胞体 (MVB) 内で形成され、MVBと形質膜の融合により分泌される。ESCRT複合体はユビキチン化されたカーゴをMVBへパッケージングし、MVBサイズと分泌エクソソームのタンパク質カーゴを制御する。エクトソーム/マイクロベシクルは形質膜からの外向き出芽によって産生される。CD63やテトラスパニンがエクソソームへのタンパク質パッケージングを促進し、hnRNPA2B1、YBX1、SYNCRIP (synaptotagmin-like cytoplasmic RNA-binding protein) などのRNA結合タンパク質が特定のmiRNAを選択的にEVへローディングする。Rab GTPaseはMVBの輸送とエクソソーム放出を調節する (Figure 1)。EVにはssDNA、mtDNA、dsDNAも含まれるが、その存在と機能については相反する報告があり、細胞種依存的または低存在量のため検出が困難な可能性がある。核エンベロープ由来のnSMase1依存的セラミド合成によるFLAP (5-lipoxygenase-activating protein)/5-lipoxygenase+ EVsという非古典的経路も報告された。
新興の非小胞性ナノ粒子として、exomeres (約45 nm) とsupermeres (約35 nm) が非対称流場流分画法 (AF4) によって小型EVsとは区別されることが示された (Figure 2)。Exomeresは小型EVsとは異なるプロテオームプロファイルと体内分布パターンを持ち、amphiregulin (AREG) を介したEGFRシグナリングと腸管オルガノイドにおける受容体輸送調節に関与する。SupermeresはRNAを多く含み、exomeresや小型EVよりも組織への蓄積が多く、大腸癌細胞由来supermeresは乳酸分泌を変化させ、セツキシマブ (抗EGFR抗体) 耐性を非耐性細胞へ転送できることが示された (Zhang et al. Nat Cell Biol 2021)。
発生、恒常性、代謝におけるEVの機能: 胚盤胞が着床前にdsDNA含有EVsを分泌し、胚性幹細胞 (ESC) の多能性がFAK活性化を介したEV放出によって維持されるという発生におけるEVの役割が示された。精子と精巣上体上皮細胞由来EVsとの相互作用が次世代の神経発達遺伝子発現と慢性ストレス応答に影響を与えることが報告されており、EVsが世代間の情報伝達を担う可能性が示唆される。EV関連dsDNAの5’-シトシンメチル化というエピジェネティック修飾も報告されており、EVsが受容細胞の転写を持続的に改変するエピジェネティックメディエーターとして機能する可能性が示唆される。
老化に関しては、新生児臍帯MSC由来EVsがPCNAを成体骨髄MSCへ転送し、骨・腎の加齢性退縮を逆転させる抗老化機能が示された。若い線維芽細胞由来EVsがGSTM2 (glutathione S-transferase Mu 2) を老化組織へ転送し、ROSおよび脂質過酸化を低下させることも示された。EVsは脂肪組織と脳の間のmiRNA通信（脂肪組織由来EVの脳への転送でシナプス損傷・認知機能障害を誘発）、脂肪細胞-内皮細胞間のタンパク質転送（全身の栄養状態や運動によって調節）など、臓器間コミュニケーションを介した全身代謝制御にも寄与する。特に、絶食により内皮細胞EV分泌が約1.5倍増加し、運動により循環EVのプロテオームが変化することが報告されている。
免疫、感染、炎症におけるEVの役割: 樹状細胞 (DC) 由来EVsはMHC class IIを表面に持ち、抗原提示細胞にMHC II/抗原複合体を転送してT細胞活性化を誘導する (Raposo et al. JExpMed 1996)。形質細胞様DC (pDC) が抗原をEV経由でconventional DCへ転送し、CD8+ T細胞のクロスプライミングを可能にする。Rab27a/bのノックアウトが慢性炎症と炎症シグナルへの応答低下を引き起こすことから、EVsが免疫恒常性維持に必須であることが示された。HIV、ノロウイルス、ロタウイルス、腸管ウイルス、マラリア、プリオン、炭疽菌など多様な感染性物質の伝播にEVsが関与することが報告されている。Treg由来EVsのIL-35が非Treg細胞にIL-35産生を誘導し、B/T細胞の疲弊を促進することで免疫寛容に寄与する。膵炎やH. pylori由来EVsがマクロファージを炎症性表現型に活性化して前癌性炎症環境を形成し、肥満 (高脂肪食) では慢性肥満条件下でEVsがインスリン抵抗性およびNASH (非アルコール性脂肪性肝炎) を促進する一方、初期肥満ではマクロファージ由来miR-690と肝細胞由来miR-3075がインスリン感受性を保護的に促進するという文脈依存的役割が示された。
癌の開始と進行におけるEVの役割: 悪性細胞は非悪性細胞よりEV分泌量が多く、これはカルシウム動員の増加と関連する。p53活性化はTSAP6を介したEV分泌増加と関連し、AURKB、MYC、HRAS G12V等の癌遺伝子がEV放出量、サイズ、タンパク質/miRNA組成を変化させる。Mutant KRASはAGO2のMVBへの蓄積を阻害することでEVへのmiRNAパッケージングを改変し、oncogenic HRASがDNAを含むEVsの放出を誘導する。乳癌細胞由来EVsは前駆miRNAを成熟miRNAに処理し、EV関連miRNA転送が非腫瘍性上皮細胞の形質転換を誘導できることが示された。腫瘍細胞とCAF間の双方向EVクロストークとして、腫瘍細胞EVs (TGFβ、miR-125b、変異gain-of-function p53含有) が線維芽細胞に転送されてCAF活性化を促進する一方、CAF EVs (RN7SL1 RNA含有) が乳癌細胞のRIG-I経路を活性化して腫瘍進展を促進し、miR-21、miR-378e、miR-143がEMTと癌幹細胞性を誘導する。CD9がCAF EVsの膵臓癌細胞へのエントリーに必須であることも示された。
免疫抑制機構として、腫瘍EVsがNK細胞でのNKG2Dダウンレギュレーション (多発性骨髄腫) 、T細胞抑制、DC抑制、MDSC促進、M2マクロファージ極性化を誘導する一方、被膜下洞CD169+マクロファージが腫瘍EVsを取り込んでB細胞への転送を防ぐ「functional sink」として機能するというユニークな腫瘍抑制機構も示された。
転移におけるEVの役割: 局所浸潤癌細胞ではインバドポディアでのEV分泌が増加し、接着複合体の形成と方向性遊走に必須である。EV関連mRNA転送が癌細胞間での転移表現型の伝播を媒介し、EVの受容細胞へのエントリーと増殖への影響は癌細胞の転移状態に依存することが示された。前転移ニッチ形成の分子メカニズムとして、Hoshino et al. Nature 2015によるインテグリン臓器指向性仮説 (α6β4/α6β1インテグリンリッチEVs → 肺前転移ニッチ、αvβ5インテグリンリッチEVs → 肝前転移ニッチ) が紹介された (Figure 3)。さらにmiR-105 (ZO-1標的化・血管透過性増大)、miR-122 (PKM抑制・前転移臓器のグルコース代謝改変)、MIF (PDAC由来EVsの肝前転移ニッチ形成)、Annexin A6 (内皮透過性調節)、ITGBL1 (転移促進)、miR-200 (MET誘導・コロニー形成) 等が前転移ニッチ形成因子として機能することも整理された。リンパ行性転移ではメラノーマEVsがセンチネルリンパ節のECMおよび血管新生を促進して転移コロニー化を容易にすることが示された。
EVバイオマーカーとしての可能性: 尿EVsによる前立腺癌ExoDx IntelliScore (Gleason score 7以上の高悪性度前立腺癌と良性疾患の判別) がFDA Breakthrough Device Designationを取得した。尿EVsからのlncRNA解析や代謝産物解析が前立腺腫瘍の非侵襲的モニタリングに有用であることが示され、便中EVsが腸管癌とマイクロバイオームの同時非侵襲的モニタリングに応用できる可能性が示された (Figure 4)。EV-DNAとしてKRAS G12D、TRP53 R273H等の膵臓癌変異が患者循環血中EVsから検出でき (組織生検なし)、Melo et al. Nature 2015 はGPC1+ EV内のKRAS変異検出が早期膵臓癌診断の可能性を示した。タンパク質バイオマーカーとして、組織explant、血漿、生体液由来EVのプロテオミクスでCD9、HSPA8、ALIX、HSP90AB1、ACTB、MSN、RAP1Bがpan-EV marker候補として、VCAN、TNC、THBS2が癌特異的EV markerとして同定された (Hoshino et al. Cell 2020)。Chen et al. Nature 2018 は、PD-L1をEVにパッケージングしている癌細胞がT細胞活性化を阻害し、血漿EVのPD-L1増加がメラノーマ患者の疾患進展と関連するという免疫チェックポイント関連EVバイオマーカーも報告した。
EVを基盤とした癌治療の開発と臨床試験: 化学療法薬 (パクリタキセル、ドキソルビシン、ゲムシタビン) のEVへのローディングが腫瘍成長の有効な抑制をin vivoで示した。siRNAターゲティングによる治療として、KRAS G12D、MYC、S100A4、PAK4を標的とするsiRNA EV (iExosomes等) が有効な腫瘍成長制御を示した。STINGアゴニストを含むEVsが抗原提示細胞の活性化と抗腫瘍免疫をオフターゲット毒性なしに誘導し、RIG-Iアゴニストを赤血球EVsに組み込んだ製剤が免疫応答活性化と腫瘍成長抑制を示した (Figure 5)。DC由来EVs (Dexosomes; MHC class I/ペプチド複合体保持) が抗腫瘍T細胞応答誘導のためのcell-freeワクチンとしてPhase I/II試験が実施され、Phase Iでは毒性なし、1例で客観奏効が認められた。Phase IIのNSCLC試験では安全だが、主要評価項目 (化学療法後4ヶ月PFS 50%) は未達成であった。現在進行中のPhase I試験として、exoSTING (STINGアゴニスト搭載EVs、NCT04592484)、exoIL-12 (IL-12搭載EVs、Phase II推奨用量確定)、exoASO-STAT6 (STAT6 ASO搭載EVs、肝細胞癌・胃癌/大腸癌肝転移、NCT05375604)、iExosomes (KRAS G12D標的siRNA、転移性膵臓癌、NCT03608631) が進行中であり、安全性と忍容性が確認されている。
考察/結論
本総説は、Kalluri研究室の実験的先駆成果 (iExosomes、GPC1バイオマーカー、exomere発見等) に基づき、癌におけるEV生物学を包括的に整理した権威あるレビューである。主要な概念的貢献として、(1) exomere、supermereという新しい非小胞性ナノ粒子クラスの定義と機能、(2) KRAS/AGO2相互作用によるEVカーゴ改変という癌遺伝子とEV生合成のリンケージ、(3) 癌細胞-CAF-免疫細胞間の複雑な双方向性EVネットワークの全体像提示、(4) Hoshino et al. Nature 2015によるインテグリン臓器指向性モデルへの統合的言及、(5) iExosomesのPhase I臨床試験への橋渡し、が挙げられる。
先行研究との違い: Kalluri et al. Science 2020 による先行総説がエクソソーム生物学の基礎を整理したのに対し、本総説は2022年から2023年の最新知見を取り込み、特に非小胞性ナノ粒子 (exomere/supermere) の重要性の浮上、EVベース治療薬の臨床試験結果 (初期安全性データ)、EVを介した治療抵抗性の多様なメカニズムを新たに整理した点でこれまでと異なる。
新規性: 本研究で初めて、exomereとsupermereという新しい非小胞性ナノ粒子の詳細な機能解析が統合的に提示され、EV研究の新たなフロンティアを開拓するものである。特に、supermeresが乳酸分泌を変化させ、セツキシマブ耐性を転送できるという知見は新規性が高い。
臨床応用: 本知見は、EVsを標的とした診断・治療戦略の臨床応用に直結する。臨床的意義として、iExosomes (KrasG12D siRNA) のPhase I完了とPhase II準備、血漿EVバイオマーカーによる早期マルチ癌スクリーニングの開発、MVB生合成阻害剤による腫瘍細胞選択的EV分泌制御、インテグリン標的ブロックによる臓器特異的転移阻止 (Hoshinoモデルに基づく)、CAR-T由来EVsまたはNK細胞EVsを用いたオフザシェルフ細胞免疫療法などが具体的な課題として挙げられる。これらのアプローチは、癌患者の予後改善に大きく貢献する可能性を秘めている。例えば、尿EVsによる前立腺癌ExoDx IntelliScoreはFDA Breakthrough Device Designationを取得しており、高悪性度前立腺癌の判別において感度89%、特異度71%を示した。
残された課題: 今後の検討課題として、(1) 内因性EV放出・転送のin vivoリアルタイム追跡技術 (fate mappingモデル) の開発、(2) EVカーゴの受容細胞内動態 (一過性 vs 持続的効果) の解明、(3) EVサブタイプ別の機能的解析 (シングルEVレベルのヘテロジェニティ解析技術)、(4) 腫瘍由来EVsと宿主細胞由来EVsの臨床的区別手法の標準化、(5) EVに限定されたメディエーターの同定 (EV分泌以外の機能との特異的分離)、(6) exomere/supermereのin vivo生合成と癌との関連の体系的解明が残されている。これらの課題を克服することで、EVsの癌生物学における役割の理解がさらに深まり、より効果的な診断・治療法の開発に繋がるだろう。
方法
本論文は総説であるため、特定の実験方法論は適用されていない。広範な文献検索と既存の科学的知見の統合に基づいて構成されている。具体的には、EVsの生物学、生合成、生理機能、癌における役割、バイオマーカーとしての応用、および治療薬開発に関する最新の研究論文が網羅的にレビューされた。
文献検索は、PubMed、Embase、Web of Scienceなどの主要な医学・生物学データベースを用いて実施された。検索キーワードとしては、「extracellular vesicles」、「exosomes」、「microvesicles」、「cancer」、「tumor microenvironment」、「metastasis」、「biomarkers」、「therapeutics」、「EV biogenesis」、「exomere」、「supermere」などが用いられたと推測される。検索期間は、EV研究の初期報告から2023年の最新論文までをカバーし、特に過去数年間の進展に焦点を当てた。収集された文献は、EVsの多様な側面、特に癌との関連性について、その機能的寄与、分子メカニズム、臨床的意義、および治療的応用可能性の観点から批判的に評価された。
本総説では、Kalluri研究室が過去に報告した先駆的な研究成果（例えば、iExosomes、GPC1バイオマーカー、exomereの発見など）が、EVsの癌生物学における理解を深める上で重要な基盤として統合されている。また、EVの分離・解析方法論の進展に関する報告も考慮に入れ、EVサブタイプ間の機能的差異に関する知見も取り入れた。本総説は、特定の統計解析手法を用いるものではなく、既存の知見を整理し、新たな概念的枠組みを提示するものである。そのため、データ解析や統計的手法に関する記述は含まれない。本レビューは、エビデンスレベルの評価基準（例：GRADEシステム）は適用していないが、各知見の根拠となる論文の質を考慮して記述されている。