細胞外小胞による癌、神経変性疾患のバイオマーカーの検出

細胞外小胞は体液に多く含まれ
病気やドナー細胞種の特徴を色濃く残している
と考えられるので、
有力なバイオマーカーとしての機能が期待されています。
現在ではマルチオミックス分析が進んでいる事から
〇タンパク質
〇核酸
〇脂質
〇グリカン
これらなどの物質が
病気も含めた身体のコンディションごとに
細胞外小胞内で分析されています(2,3)。
--
しかしながら、
臨床現場ではまだ細胞外小胞を使った
バイオマーカー分析はほとんど行われていません。
臨床現場では生物検体を扱う際に
適格性認定に従った規制に従う必要がありますが、
その様な経験があまりないことが一つ
普及しない理由として挙げられています。
もう1つは、バイオマーカーを特定するまでの
プロセスにおいて世界標準の方法が存在しない
事も関係しています。
一方で、
細胞外小胞を分離するキットが多く販売され
バイオマーカー研究が進んでいます。
--
Lesley Cheng & Andrew F. Hill(敬称略)からなる
医療研究グループは
癌と神経変性疾患のバイオマーカーについて
総括されています(1)。
その内容の一部、追記、考察を
読者の方と情報共有したいと思います。

//癌//ーー
癌に関して
細胞外小胞を使ったバイオマーカーは
Lesley Cheng & Andrew F. Hill(敬称略)が
Table 2に示すように
すでに検査として臨床応用されています。
Exosome diagnostics社は
〇前立腺癌
〇肺癌
〇EGFR/MAPK変異
〇PI3K変異
これら癌種、変異において承認されています(4-7)。
この企業は細胞外小胞分離キットを使って
RNAバイオマーカーを増やす能力を持っている
かもしれないとされています。
検査のためのアルゴリズムを向上させるための
複数の医療機関による
大規模臨床的な検証研究によります(8,9)。
--
発がん性の変異は細胞外小胞内のRNAバイオマーカー
によって明らかになる潜在性があります。
例えば、
KRAS変異は血漿中の細胞外小胞の分離の後
進行性、転移性の膵管腺癌の80-85%の患者さんで
確認されたと報告されています(10)。
--
メラノーマと関連するBRAF^V600変異は
リンパ排液から取得した滲出血清腫から
分離した細胞外小胞で
qPCRによって95%の感度で検出されました(11,12)。
--
他の会社
〇Exosomix
〇Caris Life Sciences(13)
〇NX PharmaGen
これらは
●変異
●脳腫瘍
●肺癌
●乳癌
●卵巣癌
に対して細胞外小胞を使ったバイオマーカーの
臨床応用の為に現在開発中です。

//神経変性疾患//ーー
神経変性疾患における細胞外小胞を使った
バイオマーカーによる診断は
まだ立証段階です。
しかし、現状で良好な結果が得られています。
--
NanoSomix社は
神経細胞由来の細胞外小胞を使って
アルツハイマー病の患者さんの
タンパク質量の違いを分析しています。
それらは
〇phosphorylated type 1 insulin receptor substrates
〇NRXN2α
〇AMPA4
〇NLGN1
〇P-T181-tau
〇P-S396-tau
〇Aβ1-42
これらです。
アルツハイマー病で通常より高まっていたことが
細胞外小胞による分析で明らかになりました。
従って、
血液ベースのバイオマーカーとして
プレクリニカルのアルツハイマー病の
患者さんに対して利用できる可能性があります(16-18)。
--
Exosome Science社は
ナショナルフットボールリーグの選手と連携して
細胞外小胞からタウタンパク質を検出し、
慢性トラウマ性脳症の診断に利用しようとしています(19)。
--
上述したタンパク質に加えて
microRNAもバイオマーカーとして利用できます。
細胞外小胞内のmiRNAの分析で
高い感度と特異性を持つ診断ができました。
〇アルツハイマー病(20-22)
〇パーキンソン病(23)
--
アルツハイマー病では16のmiRNAが不全となっていました。
脳の画像診断などと合わせて
APOEε4のゲノタイプでは
87%の感度と77%の特異性を持っていました(22)。
他の報告でも同様の正確性がありました(20,21)。
しかし、
まだこれらの試験は臨床現場では使われていません。

//考察//ーー
癌も早期発見に越したことはないのですが、
癌細胞が実際に成長する前段階から治療する事は
少なくとも議論の余地があります。
しかしながら、
神経変性疾患においては
プレクリニカル期が存在し、
臨床症状が出る10年以上前から兆候があるとされています。
知る限りにおいては
症状が出ている神経変性疾患を完治させた報告はない
と認識しています。
神経変性疾患の場合は病因となる
タンパク質を完全に取り除いたとしても
病状が完全に回復するとは限らないからです。
これは死滅した神経細胞が戻らない事と
神経系はネットワークで認知、運動機能と
関わっている事が関係していると考えます。
しかし、一方で
京都大学iPS細胞研究所の
井上治久(敬称略)らからなるチームは
ボスニチブの投与で
筋委縮性側索硬化症の患者さんの一部で
進行が緩和、停止することを明らかにされています(14)。
また、東京大学の
岩坪 威、新美 芳樹(敬称略)らからなるチームは
神経変性疾患が重症化した後の治療の難しさもある事から
超早期発見のための2万人規模のコホート研究を
アルツハイマー病の対して実施されています(15)。
従って、
神経変性疾患ではより早期に正確な診断を行うための
高感度のバイオマーカー取得手法の開発がより重要です。
細胞外小胞を使ったバイオマーカーは
細胞外小胞自身が細胞種、病態の情報を持っているので
それを有効に識別することで
タンパク質やmiRNAといった内容物に加えた
高次の分析ができる可能性があります。
例えば、
脳の特定の部位または細胞種に偏って
タンパク質病理がみられるということがわかるかもしれません。
これをMRIなどの画像診断と合わせれば
より高次の信頼性の高い診断技術、システムが
確立できるようになる可能性もあります。

(参考文献)
(1)
Lesley Cheng & Andrew F. Hill
Therapeutically harnessing extracellular vesicles
Nature Reviews Drug Discovery volume 21, pages379–399 (2022)
(2)
Keerthikumar, S. et al. ExoCarta: a web-based 
compendium of exosomal cargo. J. Mol. Biol. 428, 
688–692 (2016).
(3)
Kalra, H. et al. Vesiclepedia: a compendium for 
extracellular vesicles with continuous community 
annotation. PLoS Biol. 10, e1001450 (2012).
(4)
Skog, J. et al. Glioblastoma microvesicles transport 
RNA and proteins that promote tumour growth and 
provide diagnostic biomarkers. Nat. Cell Biol. 10, 
1470–1476 (2008).  
(5)
Enderle, D. et al. Characterization of RNA from 
exosomes and other extracellular vesicles isolated  
by a novel spin column-based method. PLoS ONE 10, 
e0136133 (2015).
(6)
Castellanos-Rizaldos, E. et al. Exosome-based 
detection of EGFR T790M in plasma from non-small 
cell lung cancer patients. Clin. Cancer Res. 24,  
2944–2950 (2018).
(7)
Castellanos-Rizaldos, E. et al. Exosome-based 
detection of activating and resistance EGFR mutations 
from plasma of non-small cell lung cancer patients. 
Oncotarget 10, 2911–2920 (2019).
(8)
McKiernan, J. et al. A novel urine exosome gene 
expression assay to predict high-grade prostate cancer 
at initial biopsy. JAMA Oncol. 2, 882–889 (2016).
(9)
McKiernan, J. et al. A prospective adaptive utility trial 
to validate performance of a novel urine exosome gene 
expression assay to predict high-grade prostate cancer 
in patients with prostate-specific antigen 2–10 ng/ml 
at initial biopsy. Eur. Urol. 74, 731–738 (2018).
(10)
Allenson, K. et al. High prevalence of mutant KRAS  
in circulating exosome-derived DNA from early-stage 
pancreatic cancer patients. Ann. Oncol. 28, 741–747 
(2017).
(11)
Mohrmann, L. et al. Liquid biopsies using plasma 
exosomal nucleic acids and plasma cell-free DNA 
compared with clinical outcomes of patients with 
advanced cancers. Clin. Cancer Res. 24, 181–188 
(2018).
(12)
Garcia-Silva, S. et al. Use of extracellular vesicles from 
lymphatic drainage as surrogate markers of melanoma 
progression and BRAF (V600E) mutation. J. Exp. Med. 
216, 1061–1070 (2019).
(13)
Domenyuk, V. et al. Plasma exosome profiling of 
cancer patients by a next generation systems biology 
approach. Sci. Rep. 7, 42741 (2017).
(14)
筋萎縮性側索硬化症（ALS）患者さんを対象とした ボスチニブ第1相試験のご報告 ～ALS進行停止を目指すiDReAM Study～
https://www.cira.kyoto-u.ac.jp/j/pressrelease/news/211001-000000.html
(15)
2 万人規模、国内最大のオンラインコホート構築から
アルツハイマー病超早期の研究と治療を目指す『J-TRC 研究』が新規ステージに
—アルツハイマー病・認知症の克服に向けて国際的な予防・治療薬治験との連携が本格始動へ—
https://www.m.u-tokyo.ac.jp/news/admin/release_20220203-2.pdf
(16)
Kapogiannis, D. et al. Dysfunctionally phosphorylated 
type 1 insulin receptor substrate in neural-derived 
blood exosomes of preclinical Alzheimer’s disease. 
FASEB J. 29, 589–596 (2015).
(17)
Fiandaca, M. S. et al. Identification of preclinical 
Alzheimer’s disease by a profile of pathogenic proteins 
in neurally derived blood exosomes: a case-control 
study. Alzheimers Dement. 11, 600–607.e601 (2015).
(18)
Goetzl, E. J., Abner, E. L., Jicha, G. A., Kapogiannis, D. 
& Schwartz, J. B. Declining levels of functionally 
specialized synaptic proteins in plasma neuronal 
exosomes with progression of Alzheimer’s disease. 
FASEB J. 32, 888–893 (2018).
(19)
Stern, R. A. et al. Preliminary study of plasma 
exosomal tau as a potential biomarker for chronic 
traumatic encephalopathy. J. Alzheimers Dis. 51, 
1099–1109 (2016).
(20)
Yang, T. T., Liu, C. G., Gao, S. C., Zhang, Y. & Wang, P. C. 
The serum exosome derived microRNA-135a, -193b, 
and -384 were potential Alzheimer’s disease 
biomarkers. Biomed. Environ. Sci. 31, 87–96 (2018).
(21)
Lugli, G. et al. Plasma exosomal miRNAs in persons 
with and without Alzheimer Disease: altered 
expression and prospects for biomarkers. PLoS ONE 
10, e0139233 (2015).
(22)
Cheng, L. et al. Prognostic serum miRNA biomarkers 
associated with Alzheimer’s disease shows 
concordance with neuropsychological and 
neuroimaging assessment. Mol. Psychiatry 20, 
1188–1196 (2015).
(23)
Cao, X. Y. et al. MicroRNA biomarkers of Parkinson’s 
disease in serum exosome-like microvesicles. 
Neurosci. Lett. 644, 94–99 (2017).