エンドサイトーシスの種類と機序

いつも記事を読んで下さり、ありがとうございます。

ナノ粒子を使った薬剤輸送というのは
従来から広く考えられています。
ナノテクノロジーの一つの分野
といってもいいくらいのテーマかもしれません。
筆者が知る限り、ナノ粒子での薬剤輸送を考える時の
細胞内にエンドサイトーシスさせることを前提にしている
ケースが多いです。
例えば、ナノ粒子のとしてのキャリアである
エクソソームなどの小胞などが
細胞の食作用などによって細胞内に
取り込まれる事を想定します。
--
新型コロナウィルスのワクチンは
mRNAワクチンの場合には脂質のナノ粒子の中に
新型コロナウィルス株のSタンパク質だけを作る
設計情報が遺伝子RNAに組み込まれています。
それが筋肉注射によって体内に入れられると
自然免疫系の樹状細胞に取り込まれ
その中でRNA情報に従って狙いのSタンパク質を作り出し
そのたんぱく質に体が反応して
それに高い親和性を持つ中和抗体が放出されます。
現在世界で接種されているワクチンはまさに
ナノテクノロジーの薬剤輸送の範疇にあります。
ーーーーーーーー
Joshua J. Rennick, Angus P. R. Johnston, Robert G. Parton 
(敬称略)からなるオーストラリアの医療研究グループは
生物学的なエンドサイトーシスの概念、原理、研究結果を
ナノ粒子を使った治療を想定しながら詳しく包括されています(1)。
本日はその内容の中でエンドサイトーシスの機序に
焦点を当てて読者の方と情報共有したいと思います。
ーーーーーーーー

//エンドサイトーシスの種類と機序//ーーーーーー
参考文献(1)Fig.1に示されるように細胞外の薬剤などの
物質が細胞内にエンドソームに包み取り込まれる過程は
受容体(これに限らない)との結合によって
細胞内に信号が送られ、エンドサイトーシスに必要な
タンパク質などの物質が細胞膜に作用することによって
細胞膜が変形します。
この変形したものが細胞内に取り込まれる中で
閉空間を作ります。これがエンドソームです。
そしてエンドソームが融解するか
あるいはリソソームで代謝されるなどをして
細胞外の物質が細胞質などの細胞内に送り込まれる
あるいは変化を与える事になります。
----------
〇ダイナミン(Dynamin)依存経路
ダイナミンとは多細胞生物を支配する真核細胞の中で
エンドサイトーシス、つまり細胞内への物質の取り込みにかかわる
GTPアーゼ(タンパク質：酵素)です。
ダイナミンは参考文献(1) Fig.1に示されているように
細胞膜からエンドソームが形成されるときに
細胞外、出口側のシャッターのような塞いで
閉空間を形成する物質です。
--
(クラスリン(Clathrin))
クラスリンは細胞骨格、細胞質の中で
エンドソームを形成するのに必要な「細胞膜の変形、形状制御」
に関わるタンパク質です。
細胞内には様々な区画があり、
その中で物質の仕分けがされますが、
このクラスリンに覆われたエンドソーム、輸送媒体は
これらの細胞内の仕分けにおいて重要な役割を果たします。
例えば、コレステロールや鉄など
細胞の生存に必要な栄養物質を取り込む際に
この機序が採用されます。
--
(FEME(Fast Endophilin-Mediated Endocytosis))
FEMEはクラスリンとは異なりエンドフィリンというたんぱく質が
クラスリンと同じように細胞膜の変形、エンドソーム形成
物質の仕分けなどに関わります(2)。
細胞の成長や細胞の分布を制御する際の信号伝達において
この経路は重要な役割を果たします(4)。
形成時間は早く10秒以内でエンドソームは
おおよそ数十から数百nm程度の大きさであるとされています(4)。
----------
〇EHD2依存経路
EHD2は参考文献(1) Fig.1に示されているように
細胞膜からエンドソームが形成されるときに
細胞外、出口側のシャッターのような塞ぐ物質です。
--
(カベオリン(Caveolin))
受容体非依存性のエンドサイトーシスです(3)。
CAV1, CAV2, CAV3があり、
それらがヘテロ多量体を形成することで
エンドソームの形状維持に貢献します。
これに関するエンドサイトーシスは
ウィルスや病原体の除去など想定される機能がありますが、
この機能を遺伝子的に排除した時に
これらの機能の依存性が見られなかったころから
具体的な機能については不明だとされています。
----------
〇ダイナミン(Dynamin)非依存経路
これらの種類のエンドサイトーシスは
細胞内に取り込んでエンドソームを形成するときに
細胞外への出口をふさぐようなダイナミンが存在しません。
--
(CLIC/GEEC (CG))
細胞膜が変形し、エンドソームを形成するときには
細胞骨格の一つであるアクチンが働きます。
他のエンドサイトーシスのように
エンドソームの外側には形状を固定するような
タンパク質が存在しない機序となっています。
ただし、内側で形状を固定するような
物質の多量体化が起こりエンドソーム骨格を形成します。
その物質の支柱としてCD44、インテグリンなど
多くの表面受容体がエンドソーム内壁に存在します(5)。
(参考文献(1) Fig.1より)
--
(マクロピノサイトーシス)
アクチン、CTBP1の作用により細胞外の物質が
取り込まれます。
特徴としては細胞質に接触する
あるいは極めて近い物質だけではなく
ある程度距離が離れた細胞外に漂っている物質を
積極的に食するように取り込む過程です。
エンドソームが形成されるときには
その形状を指させる外側の鞘はRabankyrin-5となっています。
(参考文献(1) Fig.1より)
例えば、マクロファージや樹状細胞が病原体を取り込む際には
この機序が適合するとされています(6)。
従って、新型コロナウィルスワクチンの
脂質から成るmRNA封入のナノ粒子は
このマクロピノサイトーシス
(もしくはファーゴサイトーシス)によって
これらの自然免疫系の細胞に近接した時に
細胞内に取り込まれている可能性があります。
--
(ファーゴサイトーシス)
ファーゴサイトーシスは
マクロピノサイトーシスとアクチンを通した
食作用という点では類似していますが、
この機序では比較的大きな物質を取り込むことが特徴です。
従って、その物質と結合する受容体が
細胞質、内側に存在します。
エンドソームの鞘は存在せず
取り込んだ大きな物質が骨格形成の一翼を担う
と考えられます。
(参考文献(1) Fig.1より)
大きいものでは0.5μm程度の物質もありますが、
下限については不明で、ナノ粒子のような
これよりも1/10以上小さな径の粒子でも
ファーゴサイトーシスされることがあります(7)。
ピノサイトーシスと同様に病原体を
自然免疫系などの免疫細胞が取り込むことがあります。
一方、細胞の寿命を終え細胞死する過程で
生じた廃棄物などをこの機序で取り込み、
体内の不要なたんぱく質などの物質を制御するのに貢献します。
前述したようにタンパク質を引き込む際に
大きいものもあるのでその位置を固定するために
細胞質側に受容体が必要です。
その受容体は「Scavenger受容体(ex CD45,CD148)」と分類され
多くの廃棄物を共通に認識できるように
その親和寛容性は高くなっています(8)。
ーーーーーー

//細胞特異的輸送系統の観点//ーーーーーーーー
これら多様な細胞内取り込みの機序がある事から
細胞特異的輸送系統で疾患に強く関わる標的細胞への
特異的輸送が成功した時には、
細胞内に取り込まれる可能性は高いかもしれません。
また、受容体を介さない食作用もあるため
仮に特定の細胞に対して親和性を持つように
その表面受容体に合わせた装飾因子を
輸送媒体表面に作製できたとしても、
輸送される間で免疫細胞やその他血液細胞
あるいは内皮の細胞によって
受容体結合を介さない形でも意図しない取り込みが
起こる可能性があります。
免疫細胞であれば、機能を歪めてしまうことになり
それによって自己免疫疾患などの
重篤な副作用、副反応に繋がってしまう可能性があります。
体中、固定された、流動された細胞で溢れている以上、
特定の細胞へ輸送する事は
相互作用が多彩であることから非常に困難である
可能性を想定しています。
このようなどうしても生じる損失も含めて
より良い精密医療を細胞特異的輸送系統で
考えていく必要性があります。
ーーーーーーーー

以上です。

(参考文献)
(1)
Joshua J. Rennick, Angus P. R. Johnston & Robert G. Parton 
Key principles and methods for studying the endocytosis of biological and nanoparticle therapeutics
Nature Nanotechnology (2021)
(2)
Alessandra Casamento and Emmanuel Boucrot
Molecular mechanism of Fast Endophilin-Mediated Endocytosis
Biochem J. 2020 Jun 26; 477(12): 2327–2345.
(3)
ang Z, Scherer PE, Okamoto T, Song K, Chu C, Kohtz DS, Nishimoto I, Lodish HF, Lisanti MP (January 1996). 
"Molecular cloning of caveolin-3, a novel member of the caveolin gene family expressed predominantly in muscle". 
J. Biol. Chem. 271 (4): 2255–61.
(4)
Boucrot, E. et al. 
Endophilin marks and controls a clathrin-independent endocytic pathway. 
Nature 517, 460–465 (2015).  
(5)
Lakshminarayan, R. et al. 
Galectin-3 drives glycosphingolipid-dependent biogenesis of clathrin-independent carriers. 
Nat. Cell Biol. 16,  592–603 (2014).
(6)
Kerr, M. C. & Teasdale, R. D. 
Defining macropinocytosis. 
Traffic  10, 364–371 (2009).
(7)
Desjardins, M. & Griffiths, G. 
Phagocytosis: latex leads the way. 
Curr. Opin. Cell Biol. 15, 498–503 (2003).
(8)
Lim, J. J., Grinstein, S. & Roth, Z. 
Diversity and versatility of phagocytosis: roles in innate immunity, tissue remodeling, and homeostasis. 
Front. Cell. Infect. Microbiol. 7, 191 (2017)