天然の機能を持つ合成エクソソームを開発。創傷治癒や新しい血管の形成を制御・支援する重要なメカニズムが明らかに。

マックスプランク医学研究所（ドイツ・ハイデルベルグ）とDWIライプニッツ相互作用材料研究所（ドイツ・アーヘン）の研究者らは、創傷閉鎖時の細胞シグナルを制御する合成エクソソームを開発した。この合成構造は、体内のさまざまなプロセスで細胞間のコミュニケーションに基本的な役割を果たしている、天然の細胞外小胞［編集部注：エクソソームは細胞外小胞のサブセット］に似せて作られている。この研究者は、創傷治癒や新しい血管の形成を制御・支援する重要なメカニズムを明らかにした。細胞から天然の細胞外小胞を分離するのではなく、プログラム可能な完全合成細胞外小胞をゼロから設計・構築した。その結果、天然のブループリントの機能にヒントを得て、治療機能を持つ完全合成エクソソームを構築することに初めて成功した。本研究成果は、2021年9月3日付けでScience Advances誌のオンライン版に掲載された。このオープンアクセス論文は、「バイオメディカル関連の完全合成細胞外ベシクルのボトムアップ・アセンブリ（Bottom-Up Assembly of Biomedical Relevant Fully Synthetic Extracellular Vesicles ）」と題されている。

我々のような多細胞生物にとって、細胞間のコミュニケーションがうまく機能することは基本的なことだ。我々の体のほとんどすべてのプロセスは、細胞が組織や器官を形成したり、例えば免疫反応の際に協力し合ったりする際に、細胞間や細胞間の調整された相互作用を必要とする。

傷の治癒や新しい血管の形成にも、組織の再生を円滑に行うために、細胞間の広範なシグナル伝達が必要である。そのために、皮膚の細胞はいくつかのメカニズムを用いて相互にコミュニケーションをとっている。そのメカニズムの1つが細胞外小胞である。細胞外小胞は、細胞がさまざまな分子を搭載し、「情報」を伝達するために放出することができる小さな液滴またはコンパートメントである。細胞外小胞は、他の細胞と結合したり、他の細胞に取り込まれたりすると、その情報を放出する。しかし、細胞外小胞によるコミュニケーションの具体的なメカニズムや、複雑なシグナル伝達プロセスについては、ほとんど知られていない。この知識不足が、細胞外小胞/エクソソームの治療応用を制限する大きな要因にもなっている。

完全に合成された細胞外小胞がシステムを変える

マックスプランク医学研究所の研究者と共同研究者は、細胞外小胞の理解を深めるために、ボトムアップ式の合成生物学的アプローチを採用した。試験管の中で、完全に合成された細胞外小胞を設計して組み立て、自然界のロールモデルの形と機能を正確に模倣したのである。これにより、創傷治癒における細胞外小胞の役割をより良く、より体系的に評価し、小胞内のすべての構成要素の関連性と機能を理解することを目指した。脂質滴下法を用いたボトムアップ式のアプローチにより、細胞外小胞の機能性を微調整し、プログラム可能な細胞外小胞技術を開発することができた。

「様々な特性をもつ合成小胞を作ることができる可能性がある。これがボトムアップ方式の優れた点だ。これは、ボトムアップ型のアプローチの良さであり、自然界の構造をさまざまな目的のためにコピーしたり、調整したり、改良したりするチャンスを与えてくれる」と、マックスプランク医学研究所の細胞生物物理学部門のポスドクである筆頭著者のOskar Staufer博士は語る。

創傷治癒過程における合成細胞外小胞の治療的利用

創傷治癒過程における合成細胞外小胞の機能性を実証するために、研究者らは実験室で培養したヒトの皮膚の治癒挙動を調べた。その結果、皮膚の傷に合成エクソソームを投与したところ、傷の治りが格段に早くなり、傷が早くふさがったという。

これは、手術後の組織再生や心筋梗塞など、さまざまな治療の場面で非常に重要なプロセスだ。

今回の研究では、合成エクソソームを投与した細胞内で作用するメカニズムをさらに詳しく調べ、治療効果を引き起こす原因となるエクソソーム内の重要な分子を特定することができた。細胞外小胞の重要な構成要素の特定は、将来的に、癌、免疫疾患、神経変性疾患などの多くの疾患の治療に有効な、個々に調整可能な小胞の設計を可能にする重要な進歩である。

「エクソソームは、20年以上前から生物医学の分野で大きな期待が寄せられている。この新しい技術を手に入れたことで、治療規模で高純度のエクソソームを合成できるようになった。これにより、エクソソームの治療への応用を妨げていたいくつかの大きな制限が克服され、細胞外小胞コミュニケーションの力を活用できるようになるだろう。さらに、厳密に定義された小胞システムを使うので、細胞外小胞の基本的な機能を非常に体系的に研究することができるようになった」と述べている。