第八回 利用外泌体进行诊断
公益财团法人癌症研究会 植田幸嗣
一直以来，我们都认为细胞间交流和维持细胞周边稳定性是由于被释放到细胞外的体液因子（细胞因子）在发挥作用。而近年研究表明，微小分泌囊泡在其中发挥着重要的作用，尤其是以内吞作用为起点的细胞内囊泡、通过运输途径生成的一种细胞外囊泡——外泌体。关于外泌体的研究并不止步于基础生物学的功能阐明，作为诊断、治疗和药物控释的工具，外泌体面向临床应用的研究与开发也非常活跃。本文将阐述最近利用外泌体内含分子开发疾病诊断新技术的全球趋势。
外泌体是直径约为数十至数百纳米、具有脂质双层膜结构、在特定蛋白群（四跨素家族，Rab家族，Tsg101，Alix等）与miRNA细胞内构成比例中比例较高的囊泡。除此以外，病原细胞来源的外泌体在其细胞中包含特异性表达的分子群，并且由于这些分子群可从血液或尿等任何体液中检测出来，因此外泌体有望作为无需活检而是通过无创体液诊断读取疾病分子病理的“液体活检”工具。
目前利用外泌体的诊断法开发中进展最快的疾病领域是癌症。实际上，从血清中外泌体检测肺癌特异性EML4-ALK融合基因转录物的检查项目（ExoDx™Lung(ALK), Exosome Diagnostics,Inc.），以及从尿液外泌体中检测前列腺癌特异性的两种mRNA（SPDEF, ERG）与一种ncRNA（PCA3）的检查项目（ExoDxTMProstate(IntelliScore）,Exosome Diagnostics, Inc.）已在美国上市。而且该公司也在2019年4月提出，可以利用血液中外泌体所含的DNA、RNA（ExoNA）分别以灵敏度90%、83%、73%，特异度100%、100%、96%检测出肺癌细胞中发现的代表性EGFR基因突变L858R、T790M、exon 19 indels（n=110）1）。作为从外泌体中检测癌症特异性基因变异的其他案例，在进行了淋巴结清扫术的恶性黑色素瘤患者中获得的淋巴渗出液（exudative seroma, ES）中分离出外泌体后进行分析，成功检测出BRAFV600E 突变，并且其检测频率可能与复发风险相关2）。
在笔者研究团队进行的肾癌特异性外泌体蛋白生物标记物开发的案例中，从培养手术切除的肾癌部位以及相邻的正常部位的无血清培养基中提取活体人组织来源外泌体，使用最先进的质谱技术进行详细分析。本次分析所使用的20个病例来源肾组织中定量检测出3,781种外泌体蛋白，其中106种蛋白与在肾正常部位来源外泌体中相比在肾癌部位来源外泌体中的表达明显增强（p < 0.05、Fold-change > 2.0），尤其是azurocidin （AZU1）蛋白表达增强最为明显（p = 2.85 × 10-3、Foldchange = 31.6）。由于外泌体上的AZU1 （Exo-AZU1）也可以从肾癌患者血清中特异性检测出肾癌，并且使用与普通双抗体夹心法ELISA相同的检测系统亦可进行高通量测量，因此目前体外诊断用试剂盒的开发由民间企业主导进行3） 。
另外，研究人员还在积极尝试运用超灵敏质谱分析的外泌体代谢组学分析，Falcón-Pérez等人成功从前列腺癌患者以及前列腺肥大症患者的尿液外泌体中定量检测出248种代谢物。特别是类固醇激素3β-Hydroxyandros-5-en-17-one3-sulphate （Dehydroepiandrosteronesulphate）在前列腺癌患者尿液外泌体中明显更高，并且呈现出与雄性激素水平密切相关等特征，因此该团队提出了将该激素作为利用非侵入性尿液外泌体的前列腺癌特异性存在诊断标记、治疗选择标记的可能方案4） 。
除此以外，伴随以新一代测序仪和质谱仪为首的组学分析技术的飞跃发展，以癌细胞来源外泌体中所含的生物分子（mRNA、miRNA、ncRNA、蛋白、表面糖链、脂质、代谢物、微量元素等）的详细定量分析为基础的外泌体生物标记物开发案例层出不穷5） 。
外泌体的液体活检诊断技术开发中最受期待的疾病领域之一，便是以阿尔茨海默病和帕金森氏病为代表的神经退行性疾病。这些疾病难以通过活检提取病变组织进行诊断，因此不得不通过图像诊断或血液、脑脊液生物标记物的信息和识别、行为测试的结果综合判断病情与发展程度，无法确立高精确度且统一的诊断法。于是，神经元和神经胶质细胞等中枢神经细胞分泌的外泌体开始受到关注。因为这些样品可从用于诊断的脑脊液中获取，并且一部分还可以从透过血脑屏障的外周血中检测。重要的是，从脑脊液和血液外泌体中可以检测出与神经退行性疾病发病相关的蛋白群，如淀粉样蛋白β、α突触核蛋白、Tau等6）。虽然从脑脊液中检测淀粉样蛋白β和Tau、磷酸化Tau的检查手段已投入实际应用，但原则上这些蛋白可能是从伴随疾病发展而死亡的细胞中泄漏而出的，假如我们可以检测到存活状态的细胞分泌的外泌体内含有这些标记物分子群的话，则有望捕捉到更为早期的病理变化（轻度认知障碍（MCI）等）。另外，由于血液中所含脑神经细胞来源的外泌体极少，所以以实现开发更高深度且特异性更高的生物标记物为目的，能够特异性浓缩纯化相同外泌体的技术也在积极开发中。Goetzl等人通过靶向L1CAM分子的免疫捕获法，在血液中浓缩神经细胞来源外泌体，发现了相同外泌体中的cathepsin D、LAMP-1、泛素化蛋白水平在阿尔茨海默病患者中明显增强，HSP70蛋白浓度反而降低7）。
另一方面，当今世界死因排行第一的心血管疾病领域中，外泌体参与病理的机制和利用其的诊断方法备受关注。例如，据报告因心肌梗塞受损的心肌细胞会释放出含有特定的miRNA（miR1, 208, 499）的外泌体，然后被骨髓单核细胞摄取后抑制CXCR4的表达，从而增加了循环祖细胞，诱导全身性心肌修复8）。以此为特征的包含心血管系统细胞来源miRNA（myo-miRs）的外泌体可能可以成为心肌损伤敏锐的生物标记物，让我们可以在病危症状出现之前识别出病变。
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疾病类别 |
疾病名称 |
检测样品 |
外泌体生物标记物 |
论文 |
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神经退行性疾病 |
帕金森病 |
血浆 |
DJ-1, α-Synuclein |
Front. Aging Neurosci., 10, 438（2018）. |
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神经退行性疾病 |
阿尔茨海默病 |
血浆 |
Aβ42, T-tau, |
Alzheimers Dement., 15, 1071（2019）. |
|
神经退行性疾病 |
阿尔茨海默病 |
血清 |
miR-135a, miR-193b, |
Biomed. Environ. Sci., 31, 87（2018）. |
|
神经退行性疾病 |
免疫脱髓鞘疾病 |
脑脊液 |
hsa_circ_0087862, |
Front. Genet., 10, 860（2019）. |
|
心血管疾病 |
急性心肌梗塞 |
血清 |
miR-192, miR-194, |
Circ. Res., 113, 322（2013）. |
|
心血管疾病 |
冠状动脉硬化 |
血浆 |
miR-30e, miR-92a |
Mol. Med. Rep., 19, 3298（2019）. |
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肾脏病 |
薄基底膜肾病 |
尿 |
CD13, VASN, A1AT, Cp |
Proteomics, 11, 2459（2011）. |
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肾脏病 |
局灶性节段性肾小球硬化 |
尿 |
miR-193a |
Biomed. Res. Int., 2017, 7298160（2017）. |
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肾脏病 |
原发性醛固酮增多症 |
尿 |
sodium-chloride |
Journal of the American Societyof Nephrology, 28, 56（2017）. |
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肾脏病 |
肾间质纤维化 |
尿 |
miR-29c |
Exp. Mol. Pathol., 105, 223（2018）. |
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口腔疾病 |
牙周炎 |
唾液 |
PD-L1 mRNA |
Front. Genet., 10, 202（2019）. |
|
癌症 |
食道癌 |
唾液 |
Chimeric GOLM1-NAA35 RNA |
Clin. Cancer Res., 25, 3035（2019）. |
|
癌症 |
胰腺癌 |
血清 |
LysoPC 22:0, |
Metabolomics, 15, 86（2019）. |
除了上述案例以外，还有以多领域的疾病为对象，报告了各种体液样品中外泌体生物标记物的候选分子（表1），但众多独立研究中确认了重现性的仅占少数。然而，业界也在积极推进外泌体体外诊断药的开发，包括以前文提及的Exosome Diagnostics公司为首，使用ADAPT BiotargetingSystemTM开发的乳腺癌液体活检的Caris LifeSciences公司与通过TauSomeTM生物标记物开发的慢性创伤性脑病监测标记的ExosomeSciences公司等。然而，Exosome Diagnostics公司在2018年8月以总价约620亿日元（其中包含约350亿日元的里程碑式协议）被Bio-Techne Corporation（NASDAQ）收购，而在2019年6月ExoDxTMProstate检查受FDA突破性设备指定，进一步推动业务的发展。本文仅介绍了外泌体在诊断应用方面的一小部分，笔者期待今后会有更多的利用外泌体的新型治疗方法或药物控释系统等外泌体制剂应用于临床。而推动其发展，也可以说是进一步提高了累积能科学保证其安全性和质量性的严谨的外泌体相关的基础生物学数据的重要性。
◆参考文献
1）Castellanos-Rizaldos, E. et al. : Oncotarget,10, 2911 （2019）.
2）Garcia-Silva, S. et al. : J. Exp. Med., 216, 1061（2019）.
3）Jingushi, K. et al. : Int. J. Cancer , 142, 607（2018）.
4）Clos-Garcia, M. et al. : J. Extracell Vesicles, 7,1470442 （2018）.
5）Jalalian, S. H. et al. : Anal. Biochem., 571, 1（2019）.
6）Gamez-Valero, A.et al. :Neurobiol. Aging,74, 15 （2019）.
7）Goetzl, E. J. et al. : Neurology, 85, 40 （2015）.
8）Cheng, M. et al . : Nat. commun ., 10, 959（2019）.
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包装 |
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