エクソソームは、細胞が正常な生理機能の一環として、あるいは特定の病態下で放出する細胞外小胞のナノサイズのサブセットです。前回のブログ記事「エクソソームの進化」では、これらの天然ナノ粒子の発見から、近年の細胞外小胞研究のブームに至るまでの進歩について論じました。
全3回のブログシリーズの第2回となる本稿では、世界最大の科学知識データベースであるCAS Content Collection™から得られた知見をもとに、薬物送達および診断におけるエクソソーム療法の主要な応用についてまとめます。
エクソソーム療法における研究トレンドの台頭
CAS Content Collectionを活用し、薬物送達および診断におけるエクソソームの応用に関連する科学論文中の主要概念の出現状況とトレンドを分析しました（図1）。「ターゲティング」および「バイオマーカー」というキーワードが上位を占めており、治療におけるエクソソームへの関心の高まりが反映されています。注目すべきは、2017年から2021年までの主要概念の分析において、過去2年間で「血液脳関門」という用語が急増している点であり、これがエクソソーム療法研究におけるホットトピックであることを示しています。第1回で学んだように、エクソソームは血液脳関門を通過することができます。この極めて選択性の高い境界を通過する能力は、エクソソームを貴重な診断ツールにするだけでなく、治療用ペイロードを脳へ送り届け、がんや外傷性脳損傷の治療に役立つ手段となる可能性を秘めています。
図1。薬物送達および診断におけるエクソソーム応用に関連する科学論文の主要概念：（A）治療および診断におけるエクソソーム応用に関連する主要概念を調査した論文数。（B）2017年から2021年までの、エクソソーム療法の応用および診断に関連する論文における主要概念のトレンド。各パーセンテージは、各主要概念の年間論文数を、同期間におけるその概念の総論文数で正規化して算出。
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エクソソーム療法の重要な第一歩：エクソソームの分離と精製
エクソソームを大規模な医療現場で利用するためには、これらのナノサイズの粒子を、多種多様な細胞破片や妨害成分から正確に分離することが不可欠です。エクソソームの分離・分析には単一の標準化された手法は存在せず、それぞれの手法に独自の利点と限界があります（表1に要約）。かつては超遠心分離法がゴールドスタンダードとされてきましたが、近年では損傷を与えることなくエクソソームを精製できる沈殿法やマイクロ流体デバイス法が普及しています（図2）。分離結果を向上させるための有望な戦略として、これら複数の手法を組み合わせる方法が提案されています。これは、サイズ、形態、濃度、エクソソーム濃縮マーカーの存在、および汚染物質の欠如という観点から、高純度なエクソソームサブセットを得ることを目的としています。
表1。 エクソソームの主な分離・精製手法
図2。 2014年から2021年までの、様々なエクソソーム分離手法に関する、エクソソーム療法の応用および診断に関連する文献数のトレンド。（各パーセンテージは、各分離手法の年間論文数を、同期間におけるその分離手法の総論文数で正規化して算出。）
エクソソーム療法と薬物送達
抽出・精製されたエクソソームを、どのようにして効果的な薬物送達システムへと転換するのでしょうか。幸いなことに、エクソソームはまさにこの役割のために作られたかのような性質を備えており、合成ナノキャリアと細胞介在型薬物送達システムの両方の利点を兼ね備えつつ、それぞれの限界を回避することができます。これらの特性を活用するための第一歩は「カーゴローディング（積荷の充填）」であり、これは治療用物質をエクソソームに詰め込むプロセスです。この目的のためにいくつかのカーゴローディング手法が採用されており、それぞれに利点と欠点があります（表2）。
表2。カーゴローディング技術
細胞間メッセンジャーの一形態として、エクソソームは様々な生理学的プロセスにおいて重要な役割を果たしています。そのため、異なる組織や細胞から分泌されるエクソソームは独自の特性を示します。例えば、腫瘍由来エクソソームは、腫瘍の増殖、血管新生、浸潤、転移といった特性に影響を与えることがわかっています。対照的に、間葉系幹細胞（MSC）由来のエクソソームは、他の治療法をサポート・補完する補助剤として理想的な特性を備えています。実際、米国の企業であるDirect Biologics社は、MSC由来の治療薬「ExoFlo」の有用性を、潰瘍性大腸炎、固形臓器拒絶反応、COVID-19などの臨床試験で検証しています。
エクソソーム療法の応用範囲は多岐にわたりますが、エクソソーム研究において最も一般的な領域は圧倒的に「がん」であり、次いで「炎症」および「感染症」が続きます。エクソソームのドナー細胞と、それらが適用される疾患との相関関係を分析すると、明確なパターンが浮かび上がります。抗原提示細胞やナチュラルキラー細胞はがん研究で最も頻繁に使用され、マクロファージや幹細胞は炎症研究で、抗原提示細胞やT細胞は感染症研究で頻繁に使用されています（図3）。
図3。CAS Content Collectionの文献数に基づく、エクソソーム療法および診断に関する研究における、エクソソーム供与細胞と適用疾患との相関関係。
多様化するエクソソーム療法の標的用途
急速に拡大し注目を集めているもう一つのエクソソームの用途は、治療薬としての利用です。エクソソームシステムは、幅広い疾患に対する治療または診断ツールとして応用されています。CAS Content Collectionの分析によると、エクソソーム療法に関する出版物の大半（68%）ががんと関連しています。エクソソーム由来のマイクロRNA（miRNA）は、がん細胞の増殖、遊走、浸潤を抑制することが示されています。このアプローチは、膀胱がん、大腸がん、乳がんなど、さまざまな悪性細胞サブタイプで検討されています。また、エクソソームは神経変性疾患、炎症性疾患、心血管疾患においても大きな治療の可能性を秘めており、これらも図示されています（図4）。
図4。CAS Content Collectionにおける、エクソソーム療法および診断の用途と標的疾患別の出版物の分布。
エクソソームはがんなどの疾患の病因に関与しているため、疾患の進行を防ぐには、上昇したエクソソームの産生と循環を正常レベルまで低下させることが有効な治療戦略となる可能性があります。現在、エクソソーム療法の経路における産生、放出、取り込みといった各段階を調節する影響について、複数の研究が進行中です。物理的な除去もがん細胞において検討されており、この除去が腫瘍の進行に寄与する腫瘍細胞間のコミュニケーションを阻害する可能性があると研究者は仮説を立てています。
エクソソームの診断への利用
臨床利用を実現するためには、バイオマーカーはいくつかの特性を備えている必要があります。すなわち、アクセスが容易で、費用対効果が高く、特異的かつ高感度であり、測定可能であることです。エクソソームはその独自の特性により、これらの条件をすでにいくつも満たしており、特に診断の感度と精度の面で従来の血清バイオマーカーよりも優れていることが示されています。
エクソソームを治療的に利用することにはいくつかの利点があります。第一に、細胞の病理学的状態がエクソソームの内容物に大きく影響するため（アルツハイマー病で観察されるように）、これらの細胞外小胞を研究することで、組織の疾患状態を把握する窓口となります。また、エクソソームは本質的に安定しており、脂質二重層によって過酷な微小環境下でも分解に耐えることができます。実用面では、尿、血液、さらには涙などの体液から容易かつ非侵襲的に分離することが可能です。抽出後は、冷凍、凍結乾燥、または噴霧乾燥によって保存できます。最後に、多くの従来の血清バイオマーカーとは異なり、エクソソームは血液脳関門を通過できるため、通常では入手困難な脳細胞に関する情報を提供します。現在、いくつかの候補となるエクソソームタンパク質バイオマーカー（表3）および核酸バイオマーカー（表4）が研究されています。これらのバイオマーカーのリストについては、ACSの出版物『Exosomes – Nature’s Lipid Nanoparticles, A Rising Star in Drug Delivery and Diagnostics』をご覧ください。
表3。臨床診断用途におけるエクソソームタンパク質の例
バイオマーカーとしてのエクソソームへの関心は、CAS Content Collectionの分析で明らかになったように、エクソソーム療法および診断の用途に関連する文献数の大幅な増加に反映されています（図5）。一見すると治療関連の文献が優勢に見えますが、文献の全体的な割合は両方の用途で均等に分布しています。
図5。エクソソームの診断用途と治療用途の比較：（A）エクソソーム療法と診断の用途に関連する文献数の比較。挿入図：エクソソームの治療用途と診断用途に関連する文献の年間増加数。（B）役割指標（THU：治療、DGN：診断）別の、エクソソームの治療用途と診断用途に関連する文献数の比較。
現在のエクソソーム療法研究は有望ですが、多くの研究は依然として前臨床段階にあります。では、エクソソームの治療および診断における可能性を最大限に活用するまで、私たちはどれほど近づいているのでしょうか？立ちはだかる障害や課題は何でしょうか？本シリーズの最終記事では、この刺激的でダイナミックな分野における主要な研究イニシアチブの最新情報とともに、エクソソーム研究の主要なプレーヤーを明らかにします。それまでの間、詳細は当社の『Exosomes Insight Report』をご覧ください。
