ミシガン大学ローゲル癌センターとミシガン大学工学部の研究者らは、癌と戦うためのナチュラルキラー免疫細胞の配備という新たな治療法の開発の面で一歩進んでいる。この研究者らは、ナチュラルキラー細胞をキャプチャーし、それらに癌を殺す エクソソーム を放出させる最初の体系的な方法を開発した。 これらのナノスケールのエクソソームは、ナチュラルキラー（NK）細胞の数千分の1であるため、癌細胞の防御にうまく浸透することができるという。非小細胞肺癌の5人の患者からの血液サンプルでの概念実証研究は、アプローチがマイクロ流体チップ上のナチュラルキラー細胞をキャプチャーし、それらを使用してNKエクソソームを放出できることを示した。
2021年1月28日にAdvanced Scienceのオンラインで公開された調査結果によると、ミシガン大学のエンジニアと腫瘍学者を含む学際的なチームは、エクソソームが細胞培養で循環腫瘍細胞を効果的に殺すことができることをさらに実証した。 このオープンアクセスの論文は、「非小細胞肺癌における循環NK細胞由来エクソソームのオンチップ生合成は抗腫瘍活性を示す（On‐Chip Biogenesis of Circulating NK Cell‐Derived Exosomes in Non‐Small Cell Lung Cancer Exhibits Antitumoral Activity.）」と題されている。
「エキソソームは、タンパク質やその他の分子の小さな袋であり、体内のほぼすべての種類の細胞から自然に放出される。」と、ミシガン大学の化学工学研究員でこの研究の共同主執筆者のYoon-TaeKang博士は述べている。 「我々はNKエクソソームの理解を深め、それらの癌を殺す可能性を利用しようと考えた。」
NK細胞と比較して、NKエクソソームはより安定しており、治療目的で修飾するのが簡単だ、とKang 博士は述べた。 このシステムはまた、癌の診断と監視に役立つ可能性があると述べている。 NK細胞の力を利用することは、研究者にとって長い間興味をそそるものであった。
T細胞とは異なり、NK細胞は、侵入者を撃退するために侵入者特異的抗原によってプライミングされる必要はない。 「しかし、NK細胞ベースの治療法の大きなボトルネックの1つは、NK細胞を患者に注射した後、腫瘍の微小環境への浸透が苦手なことだ」と、化学工学の博士課程の学生である共同主執筆者のZeqi Niu氏は述べている。「NK細胞由来のエクソソームには同じ癌を殺す分子が含まれているが、それらエクソソームははるかに小さく、腫瘍に浸透しやすくなっている。」
テクノロジー
NKエクソソームが癌細胞を殺す能力を調べた以前の研究は僅かだが、患者由来のNK細胞をキャプチャーし、それらを使用してNKエクソソームを生成する体系的なアプローチではなかった、と共同上級研究著者でミシガン大学化学工学の准教授及びローゲル癌センターの一員であるSumeth Nagrath博士（写真）は付け加えた。
「エクソソームの利点は、それらが有機的で、あなたの体に固有であるということだ」と彼女は述べた。 「我々はそれらを製造する必要はなかった。 このアプローチの優れている点は、マイクロ流体チップ上でNK細胞をキャプチャーし、それらをチップ上で短時間インキュベートしてから、細胞から放出されるエクソソームを収集できることだ。 そうでなければ、血液から直接エクソソームを分離しようとすることは、物でいっぱいの部屋で小さな小石を探すようなものだ。」
このNKエクソソーム採取システムは、3つのテクノロジーが組み合わさっている。
まず、研究者らは、ミシガン大学で開発された酸化グラフェンマイクロ流体チップ上でNK細胞をキャプチャーした。 次に、細胞をインキュベートし、エクソソームを放出するように促した。
エクソソームは、「ExoBeads」と呼ばれる小さな磁気ビーズによってキャプチャーされる。このビーズは、エクソソーム特異的抗体でコーティングされている。 ビーズはチップから除去され、NKエクソソームは別のプロセスを使用してビーズから分離される。 同時に、チームは同じくミシガン大学で開発された「Labyrinth」と呼ばれるリキッドバイオプシーシステムを使用して、患者の血液サンプルから循環腫瘍細胞を分離し、NK細胞とエクソソームおよび循環腫瘍細胞の相関関係を評価した。
これらの初期段階の研究では、肺癌の5人の患者と2人の健康なリファレンスからのサンプルを調べた。
「我々が見つけたのは、サンプルに存在するNK細胞が多いほど、循環腫瘍細胞が少なくなることだった」とNiu氏は述べた。 「また、サンプルに含まれる腫瘍細胞が多いほど、NKエクソソームが多く存在することもわかった。これは、癌の存在がNK細胞を刺激して癌と戦うエクソソームを生成していることの手がかりだ。」
追加の実験では、患者サンプルに由来するNKエクソソームが実際に細胞培養で循環腫瘍細胞を殺すことができることを示した。
循環腫瘍細胞は、原発腫瘍から分離し、血流を通過し始めた細胞だ。 これらは、転移として知られているプロセスを通じて、体の他の場所に新しい癌を植え付けることができる。
「この研究を最初に始めたとき、チップとExoBeadsを使用してNKエクソソームを生成および採取できるかどうかはわからなかった」とNagrath博士は述べた。 「あるいは、潜在的な治療用途のために十分に効率的にそれらを採取することができるか。 NK細胞キャプチャープロセス、ビーズからNKエクソソームを分離するプロセス、癌細胞を殺すエクソソームの能力を評価するためのアッセイを作成するプロセス：このアプローチを成功させるために最適化する必要のある多くのコンポーネントがあり、 それぞれが独自の課題を提示した。」
エクソソームはまた、癌細胞に対してより強力で効率的になるように、さらに設計および最適化される可能性が高いとこの研究者らは述べている。
次のステップ
将来の臨床使用の可能性に向けて技術開発するには、追加の検証と作業が必要になるとKang博士は述べている。
この研究に含まれる患者サンプル数は、 COVID-19 パンデミックの緊急性によって制限され、その結果、ミシガン大学キャンパス全体で一時的に検査室が閉鎖された。 研究者らは、より多くの患者サンプルで作業を継続することを計画している。 彼らはまた、共同研究者と協力して、癌のマウスモデルにおいて、in vivoでの腫瘍に対するエクソソームの有効性をテストしている。
血液から免疫細胞をキャプチャーし、患者の癌に関する追加情報を医師に提供する技術の使用について、追加作業が行われている。 これは、循環腫瘍細胞のキャプチャーと評価に焦点を当てているほとんどのリキッドバイオプシー技術とは異なるものだ。
研究者らはまた、研究を前進させる上での医師とエンジニア間のコラボレーションを強調した。
「免疫チェックポイントを標的とする免疫療法のアプローチは、いくつかの癌の治療に革命をもたらした。 ただし、永続的な臨床的利益と治癒を示す患者はごく少数だ」と、ミシガン医学の内科教授であり共同主執筆者で腫瘍学者のNithya Ramnath博士は述べている。 「しかし、NK細胞を単独で、または免疫チェックポイント阻害剤と組み合わせて使用した予備研究では、控えめな結果しか示されていない。」「一方、NK由来エクソソームは、より効果的に腫瘍に帰巣することができる。 現在の論文は、NK細胞だけでなく、将来の免疫療法アプローチに情報を提供するのに役立つ可能性のあるNK由来エクソソームを採取する能力の技術的進歩を表している。」
Advanced Scienceの論文のその他の著者には、Thomas Hadlock、Emma Purcell、Ting-Wen Lo、Mina Zeinali、Sarah Owen、Venkateshwar G. Keshamouni、Rishindra Reddy（すべてミシガン大学）が含まれている。
Nagrath博士は、ミシガン大学バイオインターフェース研究所のメンバーだ。 彼女は、ミシガン大学に付与されたMicrofluidic Labyrinth Technologyの特許の発明者として指名されており、Labyrinth Biotech Inc.の共同設立者だ。
この会社は、研究のデザイン、分析、またはプレゼンテーションには関与していなかった。
BioQuick News:NK-Cell-Derived Exosomes, Harvested from On‐Chip Biogenesis, Exhibit Antitumor Activity Vs Non-Small-Cell Lung Cancer Cells
