細胞外小胞の輸送選択性、取り込みとRNA輸送

細胞外小胞の生理、生物学のうち重要な物理の一部は
細胞外小胞が親細胞から放出されて
受け細胞まで運ばれるまでの過程、特異性と
受け細胞でどのように取り込まれ、
受け細胞内でどのような運命をたどるか？
ということです。
それについてはいくつものパターンがあって
条件や環境によっても変わる可能性が高いため
詳細についてはよくわかっていないとされています(1)。
--
Killian O’Brien, Koen Breyne(敬称略)ら
上述したことについて輸送材料をRNAに焦点を当てて
総括の一部で示されています(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。

//受け細胞の選択性//ーー
細胞外小胞がどの細胞種に取り込まれるかに関わる
受け細胞と細胞外小胞の相互作用は
両者の表面状態に関係する
〇タンパク質
〇脂質
〇グリカン
これら表面物質と
全体の電荷の状態(負の電荷)があります(2,3)。
--
細胞外小胞の取り込みは
選択的、もしくは非選択的です(5,6)。
非選択的については主に食作用であり後述します。
--
癌細胞からの細胞外小胞は
その表面リガンドであるインテグリン依存的に
受け細胞、分布する組織が決まる事があります(6-8)。
--
また、
〇T細胞免疫グロブリン
〇Mucin domain-containing protein 4 (TIM4) 
これとの相互作用因子が細胞外小胞の表面膜にあれば、
細胞外小胞の取り込みは促進されます(13)。
従って、取り込みを促進させるために
細胞外小胞の表面をエンジニアリングする事も出来ます(13)。

//受け細胞の非選択性//ーー
細胞外小胞が受け細胞に取り込まれるルートは
多種多様です。
〇clathrin/caveolin-mediated endocytosis
〇macropinocytosis
〇phagocytosis
〇lipid raft-mediated uptake
〇direct membrane fusion
これらが挙げられています(9)。
また、離れた細胞同士がアクチンの作用でつながる
tunnelling nanotubesを通して
細胞外小胞が輸送されることがあります(10-12)。
--
一方で、
細胞外小胞は受け細胞に結合した状態で
そのまま取り込まれない事もあります。

//RNAの受け細胞の振る舞い//ーー
細胞外小胞内に含まれるRNAが
細胞外コミュニケーションの中で受け細胞内で
機能を発揮するためには
少なくとも細胞質まで輸送される必要があります。
エンドソームを介した取り込みであれば、
エンドソームから放出される必要があります。
--
一方で、ファーゴサイトーシスのような
食作用の場合は細胞外小胞ごと
リソソームを介した分解過程に入ることが想定されるため
それによってRNAは分解されてしまいます(14)。
--
実際に受け細胞での細胞外小胞を介した
mRNAによるタンパク質生成は無視できるほど少なかった
とされています。
従って、エンドソームからの抜け出しを
促進する事はRNAを機能化させる上で非常に重要です(15)。
但し、これはmRNAなので
エクソソームの機能として多く挙げられている
microRNAについてはもう少し確率があがるかもしれません。

//細胞外小胞の分析、追跡//ーー
細胞外小胞の視覚的な分析は光、分子追跡のための
有効な表面マーカーがないために難しいとされています(1)。
一方、
GFP–luciferase dual split tagによる
蛍光発光による分析によってたんぱく質の輸送を
モニターすることができます(16)。
加えて
ナノ粒子、リポソーム、ウィルスを追跡するために
開発された方法、ツールは使える可能性があります。
〇細胞外小胞を直接可視化するためのラベリング
〇細胞外小胞の取り込みをモニタリング
〇細胞質への放出をモニタリング
これらが大きく分けて存在します。
(参考文献(1) Table.3より)

//細胞種特異的輸送系統の観点//ーー
細胞外小胞(例えばエクソソーム)に
薬剤や遺伝子治療の為の拡散を封入し、
病変部位にある細胞種に特異的に輸送させます。
その場合、受け細胞にあたる標的細胞において
普遍的に存在する表面リガンドを分析、調査、選定します。
〇その表面リガンドはその細胞種だけに発現されている。
〇より詳細な構造分析の中で定めるエピトープ(結合部位)。
　これが他にはない特異的な構造である。
これらが特異的輸送のために求められます。
一方で、
それを定めたとしても上述したように
薬剤を封入したエンジニアリング細胞外小胞は
細胞の直接的な食作用によって無作為に
取り込まれてしまう可能性があります。
それによって高い輸送向性が失われてしまいます。
従って、
"Don't eat me"と呼ばれる食作用を止める
インテグリン関連タンパク質
表面リガンドCD47が必要です(4)。
これを直接的なファーゴサイトーシスなどを防ぐために
細胞種特異的な表面リガンドに加えて発現させることです。
また
細胞外小胞は細胞内に取り込まれず
そのまま受け細胞の表面リガンドと結合して
留まるケースもあるとされています。
作用させたい薬効が遺伝子に依存するならば、
これを防ぐ必要がありますが、
薬剤の場合は必ずしもそうではありません。
標的細胞付近で高濃度で放出させることができたら
通常に投与するよりも高い輸送効率が見込めるため、
少ない薬剤で同じ薬効が得られる可能性があります。
そうすると副作用を下げられることが想定されます。

(参考文献)
(1)
Killian O’Brien, Koen Breyne, Stefano Ughetto, Louise C. Laurent & Xandra O. Breakefield
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(3)
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(5)
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(6)
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Shedding light on the cell biology of extracellular vesicles
Nature Reviews Molecular Cell Biology volume 19, pages213–228 (2018)
(7)
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