自然免疫系の中の細胞外小胞の役割と派生的考察

細胞外小胞は全ての細胞生物から放出されている
と考えられています(1)。
グラム陰性、グラム陽性の細菌からも
放出されています(1)。
従って、細菌の生息圏では
菌膜を通じて細胞外小胞が遺伝子や栄養分を
運んでいる可能性があります。
空気中に飛沫して伝染する事は考えにくいですが、
菌膜という液状の物質を遊動して
細菌の細胞同士を連携する事は十分に考えられます。
実際に細胞外小胞が菌膜の形成を制御している
という報告もあります(2)。
この菌膜は腸内細菌を通じて胃腸でも形成され、
人の健康や病気に関わっているとされています(3)。
従って、人を宿主として腸、肺、皮膚、膣などに
存在する細菌は体液や粘膜、
あるいは菌膜を通して細胞外小胞を媒体として
様々な物質の交換を行い、
人の健康や病気に関わっている可能性も考えられます。
ゆえに、人体の細胞外小胞の役割を考える上においては
人が組織として持つ細胞間だけではなく、
寄生する細菌、あるいはウィルスなども
考慮する必要性があります。
--
しかし、細胞外小胞はもともと細胞のデブリとして
扱われていたため、研究の歴史が浅いとされています。
2000年代初頭から徐々に注目を浴び始めてきましたが、
まだ20年程度しか経っていません。
従って、まだ理解されていない事も多く、
例えば、決定的な分子マーカーも
十分に見つけられていないとされています(1)。
非常に多様でそれぞれの細胞の影響を受けると考えられるため
テトラスパニンやインテグリンなどすでに
見つかっているマーカーもありますが、
まだまだ探求の余地はあります。
多様な細胞外小胞に対してそれぞれの分子マーカーの
理解が進めば、病気の診断や治療に貢献すると考えられます。
例えば、治療においては
細胞種特異的輸送系統(Cell-type-specific delivery system)
の標的としての選択肢が増え、
その中で細胞種特異的なマーカーに対する
親和性の高いリガンドを見つけ装飾、保持(輸送時)できれば
標的化治療のレベルが一段上昇することが想定されます。
このような事を想定すると
細胞外小胞の表面マーカーを探索する事の
医療的価値のすそ野は広いと考えられます。
--
細胞外小胞は細胞が生きて活動している時にも
放出されますが、細胞死した時にも放出されます。
また、細胞外小胞の生成は
〇ウィルスの放出
〇オートファジーによる分泌(secretory autophagy)
〇細胞老化随伴分泌現象(SASP)
〇DNAダメージ反応
これらと関わるとされています(5,29)。
従って、潜伏しているものも含めた
ウィルス性感染症にも関わっています。
あるいは
オートファジー、細胞老化随伴分泌現象、
DNAダメージは細胞の老化と深いかかわりがあるので
多くの疾患との結びつきを見出すことができる
細胞の老化と細胞外小胞は関わりがあると考えられます。
--
しかしながら、
細胞からの放出に由来する細胞外小胞以外の
胞を持つナノ粒子が体内にはあります。
例えば
〇リポタンパク質
〇Exomeres(6)
〇Supermeres(7)
これらです。
従って、分析や精製する際においては
これらの細胞外小胞ではない物質を除外する
必要があります。
--
細胞外小胞はいくつかの機能があります。
〇細胞から不要な分子を取り除く
〇細胞の成熟
〇環境変化に対する馴化
〇血液凝固の活性化
〇他の細胞への信号伝達(8)
これらです。
--
以上、序章として細胞外小胞の雑多な情報について
記載してきました。
Edit I. Buzas(敬称略)が
背景で述べている部分を中心に
独自の知識、調査を加え記述しました。
全体としては
Edit I. Buzas(敬称略)は免疫システムにおける
細胞外小胞の役割について総括されています(1)。
そのサイトカインと自然免疫系の内容の一部を
参照し、独自の調査、視点、考察を加えて
読者の方と情報共有したいと思います。

//サイトカインとの関係//ーー
細胞外小胞は免疫系において重要な役割を果たす
サイトカインと関わりがあります。
具体的にはサイトカインの輸送媒体となります。
表面に結合させて輸送する場合と
内包して輸送する場合があります(9,10)。
表面に結合する場合においては
TNF受容体にTNFが結合するケース、
多糖にCCL2, TGFβが結合するケース、
これらが確認されています(9)。
細胞外小胞に結合、内包されたサイトカインは
輸送中の安定性が向上します。
経路で存在する酵素による分解から守られます。

//自然免疫と炎症//ーー
炎症と関連のある免疫細胞種の全ては
細胞外小胞を分泌します。
その細胞外小胞は炎症プロセスにおいて
いくつかの役割を有しています。
アラキドン酸由来の生理活性脂質媒体、
(arachidonic acid-derived bioactive lipid mediators）
これを輸送します。
これは、エンコサノイドなどを含みます。
この物質は免疫細胞を引き付ける走化性効果を持ちます(11,12)。
好中球由来の細胞外小胞は
この走化性を持つアラキドン酸を血小板まで輸送します。
これはアラキドン酸からトロンボキサンA2を生みだし、
好中球溢出を誘導するために
シクロオキゲナーゼ1(COX1)を使います(13)。
アラキドン酸を代謝する酵素
platelet-type 12-lipoxygenase(12-LO)は
血小板由来の細胞外小胞によって輸送されます。
分泌されたphospholipase A2 type IIAと一緒に
上述した細胞外小胞関連12-LOは
アラキドン酸から
12- hydroxyeicosatetraenoic acid、
これを生成します。
この生合成は好中球によって
血小板由来の細胞外小胞の細胞内移行(internalization)
を誘発します。
このプロセスは関節炎に関わります(14)。
細胞外マトリックスの分子に結合する
細胞外小胞の能力を考慮に入れると
拡散された炎症細胞によって分泌された
細胞外小胞は2次的な走化性効果を生みだします。
それは他の細胞に対する細胞外マトリックス内で
生じる事も考えられます(15,16)。
--
敗血症では
細胞外小胞は向炎症性、抗炎症性の
両方の性質を持ちます(17)。
細胞外小胞の効果はドナー細胞種に依存します。
また細胞外小胞が分析された
敗血症の病状にも関連します。
向炎症性効果は細胞外小胞に関連した
〇サイトカイン、
〇ダメージ関連分子パターン、
damage-associated molecular patterns(DAMPs) 
と関連します。
これにより
〇マクロファージのM1極性化、
〇サイトカイン分泌、
〇ナイーブT細胞からのヘルパーT細胞分化、
〇白血球走化性効果。
これらを誘発します。
それに反して
敗血症の中の特定の細胞外小胞は
抗炎症効果を持ちます。
これは
〇補体効果の抑制
〇急性期信号(acute phase signalling)の抑制
〇白血球走化性効果の減少
〇血中向炎症性サイトカインレベルの減少
〇内皮細胞上の吸着分子発現の減少
これらの効果が挙げられます。
これらの抗炎症性効果は
マクロファージ由来細胞外小胞の
リポ多糖体(LPS)共受容体CD14の放出によります。
これは、
マクロファージ細胞CD14レベルの減少、
LPSの反応性の減少。
これらを導きます。
同様に
HSPA12B含有内皮細胞由来の細胞外小胞によって
LPSに刺激されたマクロファージ中の
NF-κBも抑制されます(18)。
--
(考察)
ここは考察の余地があります。
マクロファージから細胞外小胞を放出するときに
細胞外小胞の表面受容体として(?)、
リポ多糖体共受容体CD14を放出すると
マクロファージ表面に発現しているCD14レベルが
下がるという事です。
細胞外小胞の細胞内の形成過程では
おそらく高い確率でドナー細胞の
細胞表面の受容体やリガンドの情報を引き継ぎます。
なぜなら陥入の際に
細胞膜である脂質2重層が繋がっているからです。
その時に、何らかの生体反応によって
受容体選択性を持ち(?)、
CD14が多く細胞外小胞に引き継がれると
ドナー細胞であるマクロファージの表面の受容体
CD14のレベルが変わるということか？
あるいはそうではないのか？
ここは考える余地があります。
Edit I. Buzas(敬称略)が示した文章からは
細胞外小胞の形成によって
ドナー細胞の表面受容体の活性、レベルが変わる
と解釈する事ができます。
この機序は具体的にどういうことなのか？
ということです。
--
向炎症性、抗炎症性どちらかのタイプによって
細胞死するときに放出された細胞外小胞は
食作用によって細胞に取り込まれるときに
形質が異なる効果(discordant effects)を
持つことが多くのエビデンスで示されています。
つまり、細胞外小胞の取り込みの際に
受け細胞の形質が大きく変わるきっかけが生じる
ということです。
--
細胞のネクロトーシス由来の細胞外小胞の
マクロファージによる取り込みは
向炎症性サイトカイン(TNF, CCL2)の
分泌を導きます(19)。
ピロトーシスの間のインフラマソームの活性化は
エクソソームの放出を促し
〇Rab-interacting lysosomal protein(RILP)のインフラマソームによるへき開
〇細胞外小胞内のmiRNAsの選択的積載
これらの間で関連性が生じます(20)。
従って、病原体、ウィルス、細菌などの細胞感染によって
細胞が壊死するときに放出される細胞外小胞は
免疫系の炎症反応と関連があるということです。
インフラマソームの活性化は
抗炎症性のmiRNAの細胞外小胞への積載を促します。
これはAAUGCモチーフ。
例えば、
hsa-miR-124-3p, hsa-miR-155-5p, hsa-miR-126-3p。
これらが挙げられます。
一方で、
インフラマソームによって誘発された細胞外小胞は
IFNβを積載しています。
これはHyperinflammationを防ぐとされています(21)。
細胞外小胞によって輸送された
IFNβは隣接する細胞(bystander cells)内の
インターフェロン反応遺伝子の発現を変えます。
また、
The NLR family pyrin domain containing 3 (NLRP3)。
このインフラマソーム活性化を制限します。
--
(考察)
従って、
病原体、細菌、ウィルスなどの感染によって
細胞が壊死した時の細胞外小胞は炎症性を有していますが、
同時に過剰に炎症反応を起こさないような
システムも含まれていると考える事ができます。
新型コロナウィルス感染症で
このインターフェロンと重症化の関係について
報告されています(22)
また、インターフェロン産生を抑制する
メカニズムも発見されています(23)。
従って、インターフェロンがバイスタンダー効果も含めて
細胞間で輸送される際に、過剰な炎症を抑えますが、
遺伝子的に産生能力が弱い人や
新型コロナウィルスの毒性が強く
インターフェロンを抑える物質が多い株に感染した時には
炎症反応を超えた、過剰な炎症反応によって
組織がダメージを受けたり、サイトカインストームが
生じる可能性が示唆されます。
その際にインターフェロンの輸送媒体として
細胞外小胞が重要な役割を担っている可能性があります。
なぜなら、細胞外小胞は
循環器、血液中、細胞内なども含めて
インターフェロンを分解する酵素から守る
働きがおそらくあるので、
細胞外小胞にインターフェロンが効率的に収納される事は
感染症から免疫機能によって身体の過剰な炎症から守る上で
重要な役割を果たしている可能性があるからです。
但し、インターフェロンが遅れて多く出てくることで
症状が重くなることも示唆されています(28)。
この時にはダメージを受けている組織、細胞が非常に多くなって
全体としての細胞外小胞やインターフェロンの
絶対量が増えている事を示しているかもしれません。
ここにあえて触れたのは
感染症の治療としての細胞外小胞によるインターフェロンの
投与がタイミングによっては逆効果になる可能性が
あると考えたからです。
--
自然免疫系の溶解性の媒体は
重要な細胞外小胞関連の機能を有しています。
細胞外小胞は
急性期のタンパク質
C反応性タンパク質(CRP)を肝臓から輸送します。
それは循環器を通じて全身に拡散されます。
ほとんどの血漿中C反応性タンパク質は
5量体の構造を構造をしています。
一方で、敗血症の循環している細胞外小胞中の
C反応性タンパク質は単量体の構造をしています。
これは向炎症性特性を持っています。
細胞外小胞に結合した単量体のC反応性タンパク質は
単球からCXCL8を放出します。
これは好中球の走化性、引き寄せを促し、
炎症が広がります(24)。
さらに
細胞外小胞の表面では
液性免疫のエフェクターにもなる補体因子と
補体受容体となる補体制御タンパク質
(Compleent regulatory proteins)。
これら両方を結合できます(25)。
抗体結合部位(エピトープ)を持つ哺乳類の細胞外小胞は
細胞外小胞を放出したドナー細胞の
補体による細胞死を防ぐためのデコイとしての
機能を有しています(26)。
--
細胞外小胞は
生理活性脂質、急性期タンパク質、サイトカインなどの媒体、
危険信号、酵素、RNAsを輸送する事に寄って
向炎症性機能を持つことができます。
これら向炎症性は自然免疫系に働きかけます。
一方で、
特定の環境では抗炎症性の機能も持ちます。
自然免疫系と炎症の調整の中で
細胞外小胞は環境、条件による(Context-dependent)
複数の活性、役目を持つことがわかります。
--
(考察)
免疫機能は天秤に例えられることがあります。
マクロファージなど自然免疫系細胞が
M1, M2などの極性を持っている事もその証拠です。
その中で偏りすぎないように絶妙に制御され、
私たちの健康は維持されていると考えることができます。
しかし、
新型コロナウィルスやインフルエンザなど
免疫系統を乱す病原体が身体の中に入ると
あるいは何らかの疾患が生じると
治癒も含めた免疫機能の働きによって
健康な時に維持していたバランスが崩れ始めます。
例えば、
新型コロナウィルスの中等症の治療で
デキサメタゾンが使われましたが、
この免疫抑制剤は慎重な投与が必要になります。
強くなりすぎている免疫を抑える働きがありますが、
逆に抑えすぎても悪影響があるからです。
このような免疫機能のバランスに対して
免疫細胞自身やサイトカインだけではなく、
細胞外小胞も重要な役割を持っていることが
Edit I. Buzas(敬称略)の記述(1)から想定できます。
一方で、免疫治療の中には
CAR-NK細胞やCAR-T細胞治療があります。
外部からNK細胞(T細胞)を入れる事は
少なくとも免疫系の副作用が強く出る事が
すでに臨床で報告されています(27)。
これは免疫機能のバランスが精緻に制御されている
ことの一つの証明であると理解しています。
同様に細胞外小胞が免疫系において
とりわけサイトカインやケモカインの
安定的な輸送に関わっているとしたら、
細胞外小胞をCAR-NK治療のように投与することで
免疫機能のバランスが崩れる可能性もあります。
従って、デキサメタゾンの投与のように
臨床応用において慎重な管理が必要な可能性があります。
こういった免疫系の影響は
マウスの実験でも確認できるかもしれません。
ただ、細胞外小胞は
代謝機能を持っていないので
それ自体が細胞のように増殖しない事と、
表面受容体、内容物、ドナー細胞など
制御できる因子が多いことから、
うまく免疫系のバランスを整えながら投与する事も
可能かもしれません。
また、一旦、病原体によって崩れた免疫を
精緻な様式で整える事ができる可能性もあります。

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