COVID-19ウイルス感染における細胞外小胞の役割

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SARS-CoV2ウイルス感染と細胞外ベシクル

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1567134820302537

ハイライト

・細胞外小胞は細胞間のコミュニケーションに貢献している。

・ウイルスに感染した細胞は、感染を促進するウイルス成分を含む細胞外小胞を放出する。

・細胞外小胞は、CD9やACE2などの受容体を伝達するため、COVID-19ウイルスの拡散に寄与する可能性がある。

・COVID-19ウイルスは、侵入すると、エクソソソーム経路に誘導され、その成分は分泌のためにエクソソームにパッケージングされる。

・細胞外小胞は COVID-19 ウイルスの治療薬になる可能性がある.

要旨

様々な種類の細胞から放出される細胞外小胞は、核酸、タンパク質、脂質などの生体分子を受容体細胞に届けることで、細胞間コミュニケーションに貢献している。エクソソソームは30~120nmの細胞外小胞で、いくつかの病態に関与している。

ウイルスに感染した細胞は、ウイルス由来のmiRNAやタンパク質などのウイルス成分を輸送することで、感染に関与するエクソソソームを放出する。同様に、エクソソソームは、受信細胞をウイルスの侵入に対して感受性の高い細胞にするウイルスの受容体を含む。

2019年12月以降、SARS-CoV-2(COVID-19)感染は世界的に緊急の公衆衛生上の懸念事項となっている。現在、COVID-19ウイルス感染のためのワクチンまたは特異的抗ウイルス治療法は存在しない。したがって、重度のCOVID-19ウイルス感染症の患者に対して安全で効果的な治療法を見つけることが重要である。

細胞外小胞は、CD9およびACE2のような受容体を移行させ、受信細胞をウイルスドッキングに感受性にするので、このウイルスの拡散に寄与する可能性がある。侵入すると、COVID-19ウイルスは、エクソソーム経路に誘導され、その成分は、分泌のためにエクソソームにパッケージングされる。

COVID-19ウイルス感染症の治療のためのエクソソームに基づく戦略は、エクソソーム生合成および取り込みの阻害、エクソソーム療法、エクソソームに基づく薬物送達システム、およびエクソームに基づくワクチンを含むことができる。

間葉系幹細胞は、非生産的な炎症を抑制し、COVID-19ウイルス感染により損傷を受けた肺内皮細胞や肺胞細胞を含む肺細胞を改善・修復することができる。

COVID-19ウイルス感染に関連する細胞外小胞の分子機構を理解することは、COVID-19ウイルスの侵入、複製、拡散、感染を特定し、その悪影響を克服するための道筋を提供する可能性がある。

1. 序論

多くの真核細胞は、細胞間コミュニケーションのために細胞外小胞(細胞外小胞)を放出している。細胞外小胞は、親細胞からのタンパク質、miRNA、mRNA、Long noncoding RNA(long ncRNA、lncRNA)、DNA鎖、脂質、および炭水化物のような多数の生体分子を含んでおり、それらをターゲットコールに送達し、ターゲット細胞の運命、機能、および形態を再プログラムする(Kowal et al., 2014; Statello et al., 2018)。

細胞外小胞の分泌は、当初、細胞から不要な化合物を除去するためのツールとして指定されていた(Pan et al 1985)。それにもかかわらず、我々は現在、細胞外小胞が単なる廃棄物輸送体以上のものであることを知っており、細胞外小胞の分野における重要な関心は、現在、細胞間で生体分子を交換する能力に注がれている(Kowal et al., 2014)。

細胞外小胞は様々な病態の進行に重要な役割を果たしている(Yuana et al., 2013)。例えば、感染症および癌において、細胞外小胞は、疾患の病態形成を促進する(Fleming et al 2014; Han et al 2019a)。感染細胞からの細胞外小胞は、健康な細胞にウイルス感染を誘導し、宿主の免疫応答を調節するウイルス粒子を含む(Fleming et al 2014)。

2019年12月、中国湖北省武漢市で、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2またはCOVID-2019)による急性呼吸障害を特徴とする新規コロナウイルス感染症が発生した。これまでCOVID-19感染症に対する治療法は報告されていない。

救済患者には機械換気や体外膜酸素療法(ECMO)を併用した対症療法や思いやりのあるケアが強く推奨されているが、高齢者や糖尿病や心臓病を患っている患者は、副作用のリスクが高いことに変わりはなく、今後もCOVID-19感染者の治療法の確立が望まれる。

コロナウイルスの侵入、複製、拡散、感染の分子機構を理解することは、COVID-19感染症を克服するためのツールになると考えられる。

本研究では,コロナウイルス感染における細胞外小胞の機能について検討した.本研究では、コロナウイルス感染症における細胞外小胞の生合成とその重要な役割について考察し、コロナウイルス感染症における細胞外小胞の役割を明らかにすることを目的とした。さらに、コロナウイルス、特にCOVID-19ウイルスに焦点を当てた。

2. 細胞外小胞

細胞外小胞は、生体分子の細胞間の移動のためのキャリアとして機能することによって、細胞間コミュニケーションの重要な方法を表している(Patil and Rhee, 2019)。それらは、血液、気管支肺胞ラバージ(BAL)、唾液、尿、牛乳、脳脊髄液、禁欲液、羊水を含むいくつかのバイオ流体中に存在する(Kowal et al 2014; Rezaie et al 2019)。

国際細胞外小胞学会(IS細胞外小胞)のガイドラインによると、細胞外小胞という用語は、3種類の小胞、すなわちエクソソーム、マイクロベシクル(マイクロベシクル)、およびアポトーシス体(ABs)を包含している(Théry et al., 2018b)。この分類は、それらの起源および直径の大きさに基づいて生じるので、細胞外小胞の各サブクラスは、正常および病理学的状態において極めて重要な役割を持つ特定の物理化学的特性を表している。

このように、様々な細胞から得られる細胞外小胞の生化学的組成は様々であるが、IS細胞外小胞では細胞外小胞の単離、特徴付け、確認のためのガイドラインを定義している。本節では、エクソソソームの生合成と マイクロベシクル の放出について述べる。

2.1. エクソソソームのバイオジェネシス

エクソソソームは、エンドソーム経路に由来する直径30~120nmの最小の細胞外小胞のサブクラスであり、多胞体(多胞体)膜の内側への出芽が多胞体の内部に腔内小胞(ILV)を形成する。多胞体が形質膜と融合すると、ILVはエクソソームとして細胞外環境に分泌される(Jabbari et al 2019)(図1)。

透過型電子顕微鏡を使用すると、エキソソームはカップ状の粒子に見え、しかし、クライオEMを介して、エキソソームの本当の形態を実証する球状の小胞が現れる(Patil and Rhee, 2019)。

エキソソームという用語(これは、細胞質内に位置するエキソソーム複合体と混同してはならず、RNA分解に関与している(Wasmuth et al 2014))は、当初、多胞体に由来する小胞に対して使用されていた(Johnstone et al 1987)。

多胞体は、ILVを含む400〜1000nmの後期エンドソームであり、細胞質に位置する。多胞体の膜上に位置する異なる分子は、多胞体の膜の内側への出芽と、タンパク質のILVへの選別に関与している(図1)。多胞体膜上に存在するタンパク質複合体の一つに、Endosomal Sorting Complex Required for Transport (ESCRT)機械がある。

ESCRT依存性機械は、サイトカインシス(Abdyazdani et al., 2017; Hurley, 2015)のような様々なプロセスにおいて膜のリモデリングとスキッションを媒介しており、ESCRT-0、ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-IIIのような4つの複合体と、ユビキチン化されたタンパク質を分離してILV内でソートする付録分子から構成されている。

エクソソソームの生合成は、多段階のイベントで順次行われ、最初は、ESCRT-0がカーゴを識別し、その後、初期のILVに選別され、続いて、ESCRT-0、Iおよび-IIの協働によって多胞体の膜がインバグ化され、その後、ESCRT-IIIによって媒介されるベシクルの成熟およびネックの収縮が行われ、最後に、液胞ATPase Vps4が膜の切断およびILVの形成を促進する(Kowal et al., 2014; Patil and Rhee, 2019)。

Alix(付属タンパク質)およびTsg101(ESCRT-II構成要素)のようないくつかのESCRT関連分子は、エクソソソーム内で放出され、エクソソームマーカーとして最も広く考えられている(Hurley,2015;Jeppesenら,2019)。

さらに、ESCRTに依存しない機構が、エクソソームを産生することが報告されている。例えば、円錐形脂質であるセラミドは、エクソソームバイオジェネシスを媒介する。中性スフィンゴミエリン酵素(nSMase)は、エンドソーム膜表面のスフィンゴミエリンからセラミドの形成を触媒する。セラミドは多胞体の膜の自発的な内向き湾曲を仲介し、ILVの産生につながる。

そのほか、CD63、CD9、CD81のようなテトラスパニン、およびTsg101(Edgar et al 2014;Tuckemi et al 2014;Van Niell et al 2011)、シンデカン-シンテニン-ALIX複合体(Friand et al 2015;Rucourt et al 2015)、VCAM-1、およびRucourt et al 2015)のような他の分子も、ILVの産生を媒介する。

2015)、VCAM-1、およびα4インテグリン(Nazarenko et al 2010;Theos et al 2006)、ホスファチジン酸(PA)(Ghossoub et al 2014)は、エキソソソーム負荷およびバイオジェネシスにおいて極めて重要な役割を果たすことが確認されている。

また、ESCRT依存性およびESCRT非依存性のメカニズムが多胞体に相乗的または交互に作用し、細胞内で様々なタイプの多胞体が生成される可能性があることにも留意する必要がある。

エクソソソームのカーゴは、ゴルジ装置、エンドサイトーシス、細胞質からの成分によって提供される。エクソソソームへのタンパク質やmiRNAの選別には、ESCRT依存性経路、ESCRT非依存性経路、RISC/Ago2複合体などのいくつかのプロセスが関与している。

また、エキソソソーム上には、元々のエンドソーム経路を構成する分子がそのまま存在していたり、ある分子がランダムにエキソソームにパッケージングされていたりすることもある。しかし、エキソソソームへの分子充填のメカニズムは未だに不明な点が多い。

細胞内多胞体の運命として、分泌経路、分解経路、バックフュージョン経路の3つの可能性が示唆されている(Kowal et al 2014; Rezaie et al 2019)(図1)。分泌経路では、多胞体が細胞膜と融合し、ILVがエキソソームとして細胞外に放出される。

分解経路では、多胞体はリソソームと融合して貨物の加水分解、リサイクル、不活性な生体分子の回収を行う。また、細胞膜上の受容体や生体分子をリサイクルするために、多胞体/エクソソソームは細胞膜と融合し、細胞膜上の受容体や生体分子をリサイクルする。

多胞体の細胞内トラフィッキングは、異なる経路内で多胞体を優先的に移動させ、SNAREタンパク質と協働して多胞体と細胞膜との融合に関与する様々なタイプのRabタンパク質によって促進される。

(図2参照)。

図1

Fig. 1

図1 ウイルス感染細胞におけるエクソソームとマイクロベシクル(マイクロベシクル)の生合成 ウイルス感染細胞におけるエクソソームとマイクロベシクル(マイクロベシクル)の生合成。

エクソソソームは細胞質に存在する多節体(多胞体)から発生し、マイクロベシクルは細胞の形質膜から放出される。エクソソソーム/マイクロベシクルは、内在化、直接融合、受容体-リガンド相互作用の3つの方法で標的細胞に到達することができる。

ウイルスは、直接融合とエンドサイトーシスを介して宿主細胞に侵入することができる(1)。侵入後、ウイルスはコーティングされていないか、または 多胞体s/exosome に選別され(2)、ウイルス成分は核に誘導されたり、タンパク質に翻訳されたりすることができる(3)。

翻訳された産物は、集合してもよい(5)、または/およびEEおよびGAに入ってもよい;そして最終的には、多胞体s/エクソソソームに選別される(6)。あるいは、組み立て後、ウイルス成分は、多胞体に誘導されてもよい(6)。

サイトメガロウイルス:サイトメガロウイルス;EBV:エプスタインバーウイルス;EE:初期エンドソーム;ER:小胞体;HCV:C型肝炎ウイルス;HIV:ヒト免疫不全ウイルス;HSV1.単純ヘルペスウイルス;KSHV:カポジ肉腫関連ヘルペスウイルス。

2.2. マイクロベシクルの生合成

マイクロベシクル は、細胞膜から直接出芽する小胞で、直径 100~1000 nm の大きさを持ち、細胞内コミュニケーションに関与している(Camussi et al 2010)(図 1)。

マイクロベシクルの密度は1.02〜1.22g/mLであり、その表面にはセレクチン、インテグリン、CD40リガンド、フロチリン-2、アデノシン二リン酸リボシル化因子6などの共通のマーカーが存在することが特徴である(Patil and Rhee, 2019)。

多くの細胞は、生理学的および病理学的条件で重要な役割を果たす様々な生体分子をトランスファーするマイクロベシクルを産生する。マイクロベシクルは刺激を受けて放出されることもあるが、その後、エクソソームが構成的に産生されることもあり(Muralidharan-Chari et al 2010)、その産生は、ウイルス感染細胞からのウイルス外向投射と同様に、サイトカイン過程におけるアブシッション段階に似ている(Camussi et al 2010)。

マイクロベシクルの形成におけるRho-associated protein kinases(ROCK)の重要な役割が報告されている(Li et al. Liらは、ROCK1とROCK2が下流経路でLIMキナーゼ(LIMK)とミオシン軽鎖キナーゼ(MYLK)を活性化し、これらのキナーゼがコフィリンとミオシンをそれぞれリン酸化し、その結果、これらの事象がアクチンフィラメントの伸長を促進し、フィラメントの収縮を誘導することを報告している(Li et al 2012)。

このようなアクチン複合体の形成は、細胞膜からのマイクロベシクルの脱落に不可欠であると考えられている(Li et al., 2012)。腫瘍細胞では、LIMKが豊富に発現しており、これは、これらの細胞におけるマイクロベシクルの産生の増加と相関している(Davila et al 2003;Davila et al 2007)。

 

マイクロベシクルは、異なる生体分子を標的細胞に送達することにより、標的細胞の機能および運命を変化させることができる。

マイクロベシクルは、受容体-リガンド相互作用、直接融合、内在化の3つの方法で標的細胞に影響を与えることが示されている(詳細なメカニズムは不明であるが)。受容体-リガンド相互作用経路では、エクソソーム表面に位置する受容体が標的細胞上に位置するリガンドと相互作用し、下流のシグナル伝達経路を誘導する。

細胞外小胞は、レクチン(Barrress et al 2010)、インテグリン(Hoshino et al 2015)、さらにはテトラスパニン(Mulcahy et al 2014)と同様に、細胞表面に位置するプロテオグリカンであるヘパラン硫酸に結合することがある。

 

したがって、異なる受容体およびリガンドが、異なる細胞外小胞-細胞間相互作用を媒介しているように思われる(Morelli et al., 2004; Tian et al., 2014)直接融合経路では、細胞外小胞はレシピエント細胞の形質膜と直接融合し、したがって、カーゴは細胞質に直接送達される。

細胞外小胞の機能を引き出すためには、細胞外小胞のmiRNAやmRNAのカーゴが細胞質に運ばれなければならず、直接融合経路はエクソソームカーゴを運ぶ最も迅速な方法であると考えられている。Montecalvoらは、この経路によってmiRNAとルシフェリンがレシピエント細胞の細胞質に送達されることを示した(Montecalvo et al., 2012)。

 

第三の経路は内在化であり、これは、クラスリン依存性(Tian et al 2014)、カベオラ依存性(Verdera et al 2017)、ファゴサイトーシス(Verdera et al 2017)、およびマクロピノサイトーシス(Feng et al 2010)を包含する。

細胞外小胞はサイズおよび表面組成の両方において不均一であるので、どのメカニズムが細胞外小胞の内部化に支配的に関与しているかは不明である。

 

まとめてみると、細胞外小胞は不均一であり、異なる方法で様々な細胞に影響を与えることができるため、細胞外小胞カーゴの送達方法は細胞外小胞の種類や受信細胞に依存している可能性がある。また、他の経路と比較して、ある経路の定量的な寄与度は明らかではない。

3. 細胞外小胞とウイルス

細胞外小胞は、タンパク質、ゲノム分子(Nolte et al 2016)、受容体を含むウイルス成分を感染細胞から健康な細胞に移行させ、健康な細胞を感染しやすくすることができる(図2)。感染細胞から放出される細胞外小胞のウイルス成分を表1にまとめた。

細胞外小胞とウイルスは、その構造、大きさ、生成、さらには取り込みにおいても共通の性質を持っている。例えば、細胞外小胞とウイルスの生成にはESCRT機械が関与しており、細胞外小胞もウイルスも受信細胞への到達経路は同じである。

また、ウイルス感染は感染細胞のエクソソーム負荷機構に影響を与え、感染後に細胞外小胞のタンパク質や核酸含量が変化する可能性がある(図2)。このことは、感染した細胞はウイルスとは無関係に変化した細胞外小胞を放出することを意味している。

したがって、これらの変化した細胞外小胞は、非感染細胞から放出される細胞外小胞と比較して、宿主の免疫応答をも調節する可能性がある。しかしながら、細胞外小胞は、ウイルス感染の広がりを否定的に調節し、それによってウイルスに対する免疫系応答を誘導する可能性がある。

ここでは、さまざまなウイルスの拡散と抑制における細胞外小胞の重要な役割について述べる。

図2

Fig. 2
図2に示すように、ヒト肺細胞におけるコロナウイルス病19(COVID-19)のライフサイクルを示する。

ヒト肺細胞におけるコロナウイルス病19(COVID-19)のライフサイクル。

COVID-19は、Sタンパク質がACE2受容体に結合すると細胞内に侵入する(1)。ドッキング後、Sタンパク質のコンフォメーションが変化し、エンドソーム経路へのウイルスの侵入が促進される(2)。

その後、COVID-19ウイルスはRNAを細胞内に放出するか、またはCOVID-19ウイルス成分を多胞体s/エキソソソームに誘導することができる(3)。ウイルスRNAは、ウイルス複製ポリタンパク質pp1aおよび1abに翻訳され、これらは、その後、ウイルスプロテイナーゼによってウイルス成分に切断される。

ウイルスタンパク質とRNAは、その後、小胞体とゴルジ体(4および5)でウイルスに組み立てられ、エキソサイトーシスを介して細胞外に放出されるか、エキソソソームに誘導される(6)。侵入すると、COVID-19ウイルスは、エクソソソーム経路に誘導され、その成分は、分泌および拡散のためにエクソソソームに選別される(ステップ3および6)。

細胞外小胞(エクソソソームおよびマイクロベシクル)は、CD9およびACE2のような受容体を移動させるので、このウイルスの拡散に寄与する可能性があり、これにより受信者細胞はウイルスのドッキングに対して感受性を持つようになる。

3.1. HIV-1ウイルス

ウイルスの中でも、HIV-1は、広く研究されているウイルスの中で最も一般的で病原性の高い株である。HIV-1は、レンチウイルスの代表的なタンパク質であるp24からなる円錐形のキャプシドに2コピーの非共有結合ポジティブセンス一本鎖RNAを内包している(Lu et al. 細胞外小胞はHIVタンパク質を標的細胞に転移させ、標的細胞をHIV感染しやすくすることで感染拡大に寄与している。

例えば、HIVタンパク質Nefは細胞外小胞に選別され(Ali et al 2010; Raymond et al 2011)、これらの細胞外小胞が潜伏HIV-1細胞に送達されると、これらの細胞が活性化され、HIV感染に対してより脆弱になった(Arenaccio et al 2015)。

Nefは、T細胞からのCD4+ 細胞外小胞の形成を阻害する可能性があり、これにより、循環CD4による循環ウイルスの認識が阻害される(de Carvalho et al 2014)。その上、Nefを含有する細胞外小胞は、CD4+ Tリンパ球における産生または死を誘導することができた(Arenaccio et al 2014; Lenassi et al 2010)。

マクロファージからのNefを担持した細胞外小胞は、T細胞においてβ-COP依存性経路を介してMHC-IおよびCD4+の分解を媒介し、したがって、T細胞の細胞傷害性免疫応答を抑制した(Schaefer et al 2008)。T細胞に加えて、Nef+ 細胞外小胞は、B細胞におけるIgAおよびIgGの産生を阻害することで適応免疫応答を抑制し、その結果、体液性免疫応答の回避を促進した(Xu et al., 2009)。

HIV-1感染細胞から放出された細胞外小胞は、ウイルス受容体を標的細胞に移行させ、これらの細胞を感染しやすくする。例えば、CCR5+卵巣細胞および末梢血単核細胞(PBMNCs)から放出された細胞外小胞は、CCR5をCCR5ヌル細胞に移行させ、HIV-1感染を誘導する(Mack et al 2000)。

同様に、血小板および巨核球由来の細胞外小胞は、HIV共受容体CXCR4を含み、それがCXCR4ヌル細胞にHIVを送達し、X4-HIVに感染しやすい状態にする(Rochyslowicz et al., 2003)。

これらのデータは、細胞外小胞によって転送されたウイルス受容体が細胞を試験管内試験(in vitro)でHIVに感染しやすくする可能性があることを示しているが、このメカニズムの生体内試験(in vivo)での応答はまだ明らかになっていない。

 

細胞外小胞はウイルス核酸を移動させ、感染細胞内でのウイルス生成を促進することで感染拡大に関与する。Narayananらは、HIV感染細胞が産生した細胞外小胞にはトランザクティベーション応答エレメント(TAR)RNAが含まれていることを報告している(Narayanan et al 2013)。

TARはHIV転写物の5′尾部に位置するステムループ状の分子であり、感染細胞ではTatタンパク質と相互作用してウイルスRNA産生をアップレギュレートする。TAR-RNA分子はmiRNAに加工され、Bcl-2相互作用タンパク質を抑制することで、アポトーシスに対する抵抗性を引き起こし、ウイルス産生を維持すると考えられている(He et al., 2010; Narayanan et al., 2013)。しかし、感染細胞由来の細胞外小胞に対する抗ウイルス機能は報告されている。

Khatuaらは、感染細胞から産生された細胞外小胞に宿主抗ウイルスタンパク質であるAPOBEC3G分子が含まれていることを宣言した。シチジンデアミナーゼであるAPOBEC3Gは、逆転写の際にウイルスDNAのマイナス鎖のシトシン残基をウラシルに変化させることで、ウイルスの複製を阻害する。

対抗タンパク質であるウイルスタンパク質Vifが細胞外小胞内にパッケージ化されていないため、APOBEC3Gを細胞外小胞内にパッケージ化した方がより効果的であると考えられる(Khatua et al 2009)。

もう一つの抗ウイルス可溶性宿主因子は、感染細胞の細胞外小胞内に選別され、インターフェロンおよび自然免疫応答を介して抗ウイルス応答を活性化するcGAMPである(Bridgeman et al 2015;Gentili et al 2015)。

HIVの2つのmiRNA、すなわちmiRNA-99およびmiRNA-88は、エンドソームTLR8およびNF-κBシグナル伝達経路を誘導し、その結果、バイスタンダーマクロファージからのTNF-α放出を誘導し、それによってHIVに対する免疫応答を想起させる(Bernard et al 2014)。

3.2. C型肝炎ウイルス

C型肝炎ウイルス(HCV)は、ポジセンス一本鎖RNAを含むエンベロープされた55〜65nmの粒子である(Ferri et al 2015)。

従来、このウイルスは細胞質や小胞体(ER)内に蓄積されると考えられていたが、このウイルスはHrs依存的に多胞体/エクソソソームにカプセル化され、エクソソーム分泌経路を介して放出される(Tamai et al. さらに精査を重ねた結果、HCVエンベロープタンパク質E1とE2、およびウイルスRNAがエクソソソームに選別されることが確認された(Ramakrishnaiah et al 2013)。

構造タンパク質を欠損した細胞を用いて、Longattiらは、ウイルスを発現していないこれらの細胞からのエクソソームが他の細胞に感染することを発見し(Longatti et al 2015)、少なくともHCVについては、エクソソソームはレシピエント細胞での感染のための重要なツールであると結論づけている。

細胞外小胞媒介感染は、細胞外小胞がHCVウイルスを宿主構造体でマスクするため、HCVウイルスにとってより有利であり、したがって、免疫応答を回避し、ウイルスドッキングに適した宿主受容体を介した感染を増加させる(Bukong et al 2014)。

HCV感染患者からの細胞外小胞は、HCV RNAの5′UTRとの相互作用を介してHCVの複製を促進するAgo2-miR122-HSP90と複合体で複製要素ウイルスRNAを転写する(Bukong et al 2014; Wilson et al 2011)。

3.3. ヘルペスウイルス

3.3.1. エプスタインバーウイルス

ヘルペスウイルスは、動物およびヒトの両方で感染症および特定の疾患を引き起こすDNAウイルスである(Sehrawat et al 2018)。エプスタインバーウイルス(EBV)のようなDNAウイルスは、拡散のために細胞外小胞に関与し、標的細胞の機能に影響を与える。

EBV感染細胞に由来する細胞外小胞は、CD40シグナルを模倣し、Bリンパ球の増殖を促進し、T細胞に依存しないクラススイッチ組換えを促進するLatent Membrane Protein 1(LMP-1)(Flanagan et al 2003)を含む(Rastelli et al 2008)。

CD63分子は、細胞外小胞内のLMP-1の選別を媒介し、構成的NF-kB活性化を抑制することが明らかにされている(Hurwitz et al., 2017; Verweij et al., 2011)。研究は、EBV感染細胞からのLMP-1を有する細胞外小胞が、異なるシグナル伝達経路を調節することを示している。

例えば、これらの細胞外小胞は、標的細胞におけるICAM-1のような接着分子の発現を増加させ(Nanbo et al 2013)、標的細胞におけるAktおよびERKシグナル伝達経路を活性化した。また、これらの細胞外小胞は、健康な上皮細胞においてEGFRの発現を促すEGFRを濃縮している(Meckes et al 2010)。この場合、標的細胞における成長シグナル伝達経路の活性化が、腫瘍形成において極めて重要な役割を果たすことは驚くに値しない。

これらのEBVの腫瘍原性タンパク質およびウイルスmiRNAのカーゴは、周囲の組織における遺伝子の発現を調節し、その結果、免疫サーベイランスを誘導し、その後、腫瘍環境において免疫細胞を抑制し、形質転換された細胞を保護する。EBV感染細胞は、ウイルス感染性に影響を及ぼす可能性のある宿主タンパク質をトランスファーする細胞外小胞を分泌する。

EBV感染した上咽頭癌細胞からの細胞外小胞は、T細胞膜上のT細胞免疫グロブリンおよびムチンドメイン1(TIM-1)と相互作用し、T細胞のアポトーシスを引き起こす宿主タンパク質であるガレクチン-9(Meckes et al 2010)を含んでいる。また、これらの細胞外小胞は、EBV特異的CD4+細胞集団においてアポトーシスを誘導した(Klibi et al 2009)。

EBVに感染したがん細胞は、HIFαを含む細胞外小胞を放出し、がんの発症を促進する(Aga et al 2014)。

Ansariらは、EBV感染ラージ細胞がγ-インターフェロン誘導性タンパク質16(IFI16)を細胞外小胞にパッケージ化することを発見した(Ansari et al 2013)。このタンパク質は、自然免疫系によるEBVゲノムの同定に関与している。おそらく、細胞外小胞によるIFI16の分泌は、自然免疫応答の認識回避に寄与していると考えられる。しかし、感染した細胞はこの因子をゴミとして細胞外に排出しているのではないかと提案されているかもしれない。

一方、EBV感染したラジー細胞は、デオキシウリジン三リン酸酵素(dUTPase)を有する細胞外小胞を産生し(Ariza et al 2013)、PBMCや樹状細胞(樹状細胞)でNF-kBの活性化やサイトカイン産生を促進している。

この点から、EBVエンコードdUTPaseが細胞微小環境を調節し、免疫応答を誘導する可能性が示唆された。

EBV感染細胞からの細胞外小胞は、ウイルス性miRNAを標的細胞に送達することが示されている。EBV miRNAsファミリーは、BHRF1クラスター、BART-1クラスター、およびBART-2クラスターと名付けられた3つのクラスターから構成されており、これらは宿主の免疫系を調節する(PiedadeおよびAzevedo-Pereira, 2016)。

例えば、BHRF1は、IFN誘導性T細胞引き寄せケモカインであるCXCL11の発現を抑制する可能性がある(Xia et al 2008)。

ウイルスmiR-BART15は、NLRP3インフルマソームおよびIL-1βの産生を調節し(Haneklaus et al 2012)、BRUCEおよびTAX1BP1を阻害し、したがってアポトーシスを促進する(Choi et al 2013;ChoiおよびLee、2017)。

細胞外小胞は、ウイルスmiRNA BHRF 1を含み、これはCXCL11を抑制し、宿主細胞の免疫応答を阻害する可能性がある(Pegtel et al 2010)。EBV感染胃癌細胞からの細胞外小胞は、免疫系細胞のアポトーシスを誘導するmiR-BART15-3pを濃縮している(Choi et al., 2013)。

また、EBV感染細胞は、EBER1やEBER2などのノンコーディングRNAもトランスファーしており(Zhao et al 2019)、アポトーシスの阻害を介してウイルス関連がんに寄与している(Ahmed et al 2014)。

 

ウイルス性miRNAの細胞外小胞への選別に関与するメカニズムは完全には説明されておらず、おそらくウイルス依存性である。それにもかかわらず、バーキットリンパ腫細胞株からの細胞外小胞はB細胞を刺激し、それによってB細胞の増殖、発生、およびクラススイッチ組換えを促進し、抗ウイルス応答に参加している(Gutzeit et al., 2014)。

その上、EBV形質転換されたB細胞からの細胞外小胞は、EBVエンコードされた糖タンパク質gp350とB細胞上のCD21受容体との相互作用を介してB細胞と優先的に接続する。

興味深いことに、この相互作用を破壊することで細胞外小胞の取り込みを阻害すると、健康なB細胞でのEBV感染が抑制され、EBV拡散における細胞外小胞の防御機能が提案された(Vallhov et al 2011)。

これらの結果は、EBV感染細胞からの細胞外小胞のウイルス含有量が宿主の免疫応答に有益なものと有害なものの両方を持っていることを示しているが、これらの細胞外小胞の正確な役割を解明するためには、さらなる精査が不可欠であることを示している。

3.3.2. カポジ肉腫関連ヘルペスウイルス(KSHV)

カポジ肉腫関連ヘルペスウイルス(KSHV)は、EBVと同様のガンマヘルペスウイルスであり、癌の感染源である。KSHV感染細胞に由来する細胞外小胞は、EBVとは対照的に、このようなウイルス性タンパク質を含まない(Meckes et al 2013; Singh et al 2013)。

しかしながら、宿主生体分子はEBVにロードされる可能性があり、これらの分子は免疫応答を調節する。例えば、KSHV感染は、感染したB細胞における解糖代謝に向けた代謝を変化させる可能性がある。

Meckesらは、KSHV感染細胞が解糖代謝酵素である乳酸脱水素酵素を富化した細胞外小胞を産生し、標的細胞での代謝を再プログラムし(Meckes et al 2013)、ウイルスの永続性を高めることを示した。

さらに、KSHV感染細胞からの細胞外小胞は、KSHV潜伏に必須の切断されたIL-1およびIFI16などの免疫抑制分子を有する。これらの細胞外小胞は、宿主の自然免疫応答の細胞外排除に寄与する(Singh et al 2013)。

Chughらの研究では、KSHV感染細胞からの細胞外小胞がmiRNAを転写し、それが原発性滲出液リンパ腫のような悪性腫瘍の進行をサポートすることが実証された(Chugh et al 2013)。しかし、最近、Jeonらは、KSHV感染細胞がミトコンドリアDNAを運ぶ細胞外小胞を分泌し、抗ウイルス応答を開始する可能性があることを示した(Jeon et al 2019)。

3.3.3. 単純ヘルペスウイルス1(HSV-1)

HSV-1タンパク質は、感染細胞に由来する細胞外小胞のカーゴを変化させることができる。ウイルス性糖タンパク質Bは、これらの分子をエクソソームに流用することにより、感染細胞の形質膜におけるHLA-DR分子の発現をダウンレギュレートする(Temmme et al 2010)。さらに、HSV-1感染細胞からの細胞外小胞は、潜伏調節に関与するウイルスmiRNAを有する(Naqvi et al 2018)。

Hanらは、miR-H28やmiR-H29のようなウイルス性miRNAがHSV-1感染細胞からの細胞外小胞にカプセル化されていることを発見した。さらなる実験により、トランスフェクトされた細胞におけるこれらのmiRNAの異常発現は、ウイルス遺伝子産物の発現の低下をもたらし、また、感染細胞から健康な細胞への拡散を抑制することが示された(Han et al., 2016)。著者らは、HSV-1がそれ自身の複製および拡散を調節していることを示した。

しかし、HSV1に感染した細胞は、ウイルスの拡散を抑制し、宿主細胞の生存を増強するINF遺伝子の刺激因子(STING)タンパク質を富化した細胞外小胞を放出するという証拠が存在する(Kalaマイクロベシクルoki et al 2014)。

3.3.4. サイトメガロウイルス

サイトメガロウイルス(サイトメガロウイルス)に感染した細胞は、宿主の抗ウイルス応答を抑制する細胞外小胞を放出し、その後、ウイルス感染性を増加させることが示されている(Plazolles et al 2011)。

サイトメガロウイルス感染は、ウイルス取り込みに必要なレクチンおよび樹状細胞特異的細胞間接着分子-3グラッビング非統合タンパク質(樹状細胞-SIGN)を含む細胞外小胞の放出を増加させた。これらの小胞は、ミエロイド樹状細胞の感染を促進する可能性があり、抗ウイルス応答の低下を示唆していた(Plazolles et al 2011)。

EBVおよびKSHVのようなヘルペスウイルスとは異なり、IFI16の産生は、サイトメガロウイルスの抗複製要素であるため、サイトメガロウイルスウイルスの拡散を阻害する(Lo Cigno et al 2015)。

サイトメガロウイルス感染において、内皮細胞は、CD4+ T細胞を活性化する糖タンパク質Bを含む細胞外小胞を分泌するため、適応免疫応答を促進するだけでなく、サイトメガロウイルスに特異的なT細胞集団の維持をサポートする(Walker et al., 2009)。

さらに、ウイルス抵抗性細胞は、レシピエント細胞に送達された際に、レシピエント細胞に抵抗性を誘導する異なるmiRNAおよびmRNAカーゴを有する細胞外小胞を産生する。

例えば、初代ヒト胎盤トロフォブラストは、サイトメガロウイルスおよびHSV-1ウイルスの感染に対して抵抗性であり、その細胞外小胞は、非胎盤のレシピエント細胞においてこれらのウイルスに対する抵抗性を誘導する(Delorme-Axford et al., 2013)。

4. コロナウイルス

コロナウイルスは、エンベロープされた球状または多形のウイルスで、一本鎖ポジティブセンスRNAゲノムを持ち、RNAウイルスの中で最も長い(Belouzard et al., 2012)。

これらのウイルスは、重症急性呼吸器症候群(SARS)や中東呼吸器症候群(MERS)のような感冒や重症感染症の原因となる幅広いウイルスファミリーを指す(de Groot et al. 文献によれば、6種のコロナウイルスがヒト呼吸器疾患を引き起こすことが認められている(Su et al., 2016)。

2019年12月、中国湖北省武漢市で重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)による急性呼吸障害を特徴とする新型コロナウイルス感染症が発生した。WHOは1月12日にこれを同定し、「新奇コロナウイルス2019(2019-nCoV)」と命名したため、コロナウイルス2019(2019-nCoV)とCOVID-19ウイルスは2019-nCoVが通称であり、SARS-CoV-2はこの新興ウイルスの分類名となっている。

2020年6月10日現在、216の国と地域で700万人以上の症例が報告され、40万人以上の死亡者と300万人以上の回復者が出ている(https://covid19.who.int)。一般的な症状は、発熱、咳、倦怠感、息切れ、においや味覚の喪失などである。

症例の大半は軽度の症状であるが、中にはサイトカインストーム、臓器不全、敗血症性ショック、血栓などが原因で急性呼吸窮迫症候群(ARDS)に進行するものもある。

曝露から症状の発現までの期間は、通常5日程度であるが、2日から14日程度になることもある(Adhikari et al., 2020; Murthy et al., 2020)。

4.1. CVID-19ウイルスは感染のために細胞外小胞を利用するのか?

コロナウイルスの感染は、ウイルス膜上に存在する三量体スパイク糖タンパク質によって媒介される。HIVのエンベロープまたはインフルエンザ種のヘマグルチニンと同様に、コロナウイルスのスパイクタンパク質は、クラスI融合タンパク質の一つである(Whittaker and Millet, 2020)。

ほとんどのコロナウイルスはまた、融合には、受容体結合ウイルスリガンド上で進行するタンパク質分解に続いて、受容体結合および細胞内タンパク質分解開裂を含む2つのトリガー剤を必要とする(Matsuyama and Taguchi, 2009)。

コロナウイルスの受容体は膜貫通型の糖タンパク質であるため、受容体を含む細胞は感染しやすい(Li et al., 2003; Raj et al., 2013)。コロナウイルスは、宿主細胞タンパク質であるジペプチジルペプチダーゼ4(DPP4、CD26)を侵入に利用することがあり、従って、ウイルス上のスパイク糖タンパク質はDPP4と相互作用するが、DPP4多型は、このウイルスの侵入に否定的に影響する(Kleine-Weber et al 2019;Kleine-Weber et al 2020)。

 

同様に、アミノペプチダーゼN(APN)は、CCoV、HCoV-229E、FeCoV、およびTG細胞外小胞を含む異なるコロナウイルスの受容体として機能することが明らかにされており(Cai、2017)、癌治療の標的と考えられている(ZhanghおよびXu、2008)。

APNは、マスト細胞(Skokos et al 2001)およびグリア細胞(Potolicchio et al 2005)からのエクソソソーム内に存在する。

 

コロナウイルスのプロテアーゼ系は、膜貫通型で感染に必須であり(Bertram et al 2013)、細胞内にはII型膜貫通型セリンプロテアーゼ(TTSP)ファミリーが存在する(Bertram et al 2013; Glowacka et al 2011)。

膜貫通型プロテアーゼセリンタイプ2(TTMPRSS2)のようなTTSPファミリーは、コロナウイルス融合糖タンパク質(Sタンパク質)を切断し、細胞表面でロック解除された融合触媒構造を形成し、迅速な侵入を媒介することが確認されている(Bertram et al 2013; Glowacka et al 2011)。

いくつかの糖タンパク質は、融合イベントを完了するために不可欠である(Ivanovic et al., 2013; Magnus et al., 2009)。

 

これに関連して、エクソソソーム膜に富むいくつかのテトラスパニン(Kowal et al., 2014)がコロナウイルス融合イベントに関与している可能性がある(Charrin et al., 2009)。感受性細胞は、融合のトリガーとなる2つの要素である受容体とプロテアーゼが密接な関係を持っている可能性があると考えられる。

Earnestらは、テトラスパニンCD9およびTMPRSS2がMERS-コロナウイルスの侵入を促進し、生体内試験(in vivo)でマウス肺のロバスト感染を促進することを発見した(Earnest et al 2017)。

 

同様に、Koらは、強化されたCD9発現が、HEK293、SH-SY5Y、HeLa、B細胞、およびTリンパ球などの様々な細胞株において、レンティウイルス導入を速度および効率の両方で促進する可能性があることを報告した(Böker et al 2018)。CD9分子は、エキソソソームおよびマイクロベシクル内に存在し、エキソソームの生体形成およびカーゴのローディングにおいて極めて重要な役割を有する(Andreu and Yáñez-Mó, 2014; Bobrie et al 2012)。

感染性細胞由来のエクソソームが、CD9分子をトランスファーすることによってウイルスの侵入を促進することに寄与する可能性があることは、驚くべきことではない(Earnest et al 2017)。

 

エクソソソームの取り込みに続いて、エクソソームカーゴはレシピエント細胞に送達され(Jabbari et al 2019)、ウイルス感染に対する感受性を促進する。さらに、CD9分子は、多胞体s膜におけるタンパク質-タンパク質相互作用ネットワークによって、エクソソソームカーゴのローディングに重要な役割を果たすことが確認されており(Bebelman et al 2018)、COVID-19ウイルスタンパク質のローディングに重要な役割を仮定している。

 

Muthukumar Gunasekaranらは、コロナウイルス感染は、肺関連自己抗原だけでなく、ウイルス抗原および20Sプロテアソームを含む循環エキソソソームを増加させることを示した(Gunasekaran et al 2020)。この事実は、COVID-19ウイルス感染細胞がウイルス粒子を含むエクソソソームを産生するという考えを支持する。

 

さらに最近、Zhangらは、アンジオテンシン変換酵素2(ACE2)がCOVID-19ウイルスの受容体として機能し得ることを示唆した(Zhang et al 2020)。ACE2は、活性アンジオテンシンIIをアンジオテンシンに触媒するカルボキシモノペプチダーゼであり(Wan et al 2020;Zhangら)、アンジオテンシンのアンタゴニストを代表し、ACE/アンジオテンシンII/アンジオテンシンII型I受容体シグナリングを調節する(RichardsおよびRaizada、2018)。

ACE2は、急性肺損傷、喘息、急性呼吸窮迫症候群、肺高血圧症、および慢性閉塞性肺疾患などのいくつかの肺疾患に対して保護的役割を果たす(Jia, 2016)。興味深いことに、SARS-CoVスパイクタンパク質は、ヒトACE2に対して高い親和性を有し、COVID-19ウイルスとSARS-CoVスパイクタンパク質は、構造において高い相同性を共有している(Li et al 2005; Xu et al 2020)。

Wanらによる最近の研究では、COVID-19ウイルスはSARS-CoVよりもヒトACE2との親和性が高く、COVID-19の感染・拡散能力を促進することが報告されている(Wan et al 2020)。

 

さらに、最近、TMPRSS2によるスパイクタンパク質の切断が、COVID-19ウイルスの侵入およびACE2受容体との相互作用を介した感染に必要であることが確認された(Devaux et al 2020)。

エキソソームがACE2をレシーブ細胞に転送するという証拠があり(Wang et al 2020)、COVID-19ウイルスの内部化および感染に対する支持的な機能が提案されている。ACE2がエキソソソームに選別されると、おそらくCOVID-19ウイルスは内部化経路を介して細胞内に侵入し、その結果、miRNAやタンパク質などのその成分は、上で議論した他のウイルスと同様にエキソソソームにパッケージ化される可能性がある。

Owczarekらは、コロナウイルスがカベオリン-1依存性エンドサイトーシスを介して細胞内に内包され、ウイルス成分がダイナミン依存性のメカニズムで小胞によって細胞膜から排出されることを発見した(Owczarek et al., 2018)。これらのデータは、ウイルス感染の拡散におけるエキソソームの支持的役割を示唆している。

しかし、感染細胞由来のエキソソームは、ウイルスおよび自己抗原のトランスファーを介して宿主の体液性および細胞性免疫応答を誘導する可能性がある(Gunasekaran et al 2017)。

COVID-19 ウイルス感染細胞由来のエクソソームに関する知見は豊富ではないが、これらの結果はウイルスの拡散に関与する分子機構を明らかにする上で重要であり、効率的な治療法を設計するための新たな道を開くものであると考えられる。

4.2. 細胞外小胞はCOVID-19ウイルス感染症の治療標的となるか?

COVID-19ウイルス感染症は世界的に重要な公衆衛生上の関心事となっている。これまでCOVID-19ウイルス感染症の患者に対して、特異的かつ有効な抗ウイルス療法を導入することはできないであった。

重症感染者に対しては、機械的人工呼吸やECMOを用いた対症療法や忠実な治療が強く推奨されているが、高齢化が進み、心臓病や糖尿病などの併存疾患を持つ患者は、依然として有害な転帰のリスクが高い。

SARSコロナウイルス感染症の治療にエクソソームを免疫原性因子として用いることが検討されている。Kuateらは、SARSコロナウイルススパイクSタンパク質を含むエキソソソームが、SARSコロナウイルススパイクワクチンでプライミングすることにより中和抗体価を誘導し、その後、有用なアデノウイルスベクターワクチンで増加することを報告した(Kuate et al 2007)。著者らは、これらの人工エクソソームの治療への応用を結論づけた。

さらに、Kuateらは、SARSコロナウイルスのSタンパク質をエクソソソームにパッケージングし、SARS-Sの膜貫通ドメインを水胞性口内炎ウイルスのGタンパク質で置換して、SARSコロナウイルスに対するワクチンとして使用するためのキメラタンパク質(SGTM)を含むエクソソソームを作製した(Kuate et al 2007)。

このように、COVID-19 ウイルス感染細胞からのエキソソームは免疫細胞の応答を誘導する可能性があるが、エキソソームがどのような役割を果たしているのかについては、正確には明らかにされていない。

さらに、コロナウイルス由来のエクソソームは、特異的な標的分子であるACE2を含むため、治療薬の送達に有用である可能性がある(Romagnoli et al., 2015)。それらは、レシピエント細胞におけるウイルスの拡散および複製を阻害する薬剤または生物学的調節剤によって担持され得る。

エクソソームは、他のルーチンのナノデリバリーツールよりも優れている有望な特徴を示す。例えば、エクソソソームは細胞由来であるため、リポソームのような他の送達システムよりも安全性が高く、一定の特性を示す(Malhotra et al. ウイルス感染細胞からのエクソソームは、ウイルス感染を促進し、免疫細胞応答を抑制することに寄与し(Li et al 2019)、したがって、隣接細胞によるエクソソーム/マイクロベシクル取り込みの阻害は、ウイルス拡散を克服するための別の有用なアプローチであるかもしれない(Schneider et al 2017)。

5. COVID-19ウイルス感染に対する幹細胞療法

幹細胞およびその誘導体は、革新的な医療治療のための偉大な能力を提供する。増え続ける研究の体は、再生医療における幹細胞の有益で治療的な役割を実証している(Han et al., 2019b)。

自己再生細胞である間葉系幹細胞(MSCs)は、再生機能のような希望に満ちた特性を表し、また、様々な細胞系統に分化する能力を有しており、多数の疾患に対する細胞ベースの治療法における研究者の大きな関心を惹きつけている(Ahmadi et al., 2017; Han et al., 2019b; Harrell et al., 2019; Keyhanmanesh et al., 2018)。

MSCs治療は、最近、前臨床実験から様々な疾患状態に対する臨床試験へと発展してきた。例えば、臍帯MSCの注入は、分解性肝硬変および原発性胆汁性肝硬変(PBC)患者において肝機能を著しく向上させ(Wang et al 2013)、急性-慢性肝不全(ACLF)患者において生存率を向上させた(Shi et al 2012)。

MSCは、肺の病理学的変化を有意に減少させ(Cruz and Rocco, 2020)、動物モデルにおいてインフルエンザウイルスによって誘導される細胞介在性免疫炎症反応を抑制することができた(Khatri et al 2018)。

Liらは、MSCが、炎症性細胞の肺への流入を阻害するだけでなく、プロ炎症性ケモカインやサイトカインの分泌を低下させることを介して、H9N2およびH5N1ウイルスによって引き起こされたマウスの急性肺損傷を軽減できることを示した(Li et al 2016)。

これまでの研究では、コロナウイルスの感染に続いて、体内でのウイルスの迅速な複製、およびその結果として生じる炎症反応が、肺胞上皮および毛細血管内皮細胞の損傷を増加させ、びまん性間質性および肺胞浮腫、および肺機能を引き起こし、最終的に急性低酸素性呼吸不全を引き起こすことが明らかにされている(Channappanavar et al 2014;Li et al 2020;Qian et al 2013)。

国民保健医療委員会はこのほど「新型コロナウイルス感染肺炎診断・治療計画(試行版5)」を発表し、新型コロナウイルス重症肺炎は通常1週間後には呼吸困難に陥り、重症化するとすぐに急性呼吸窮迫症候群、敗血症性ショック、矯正が困難な代謝性アシドーシスへと進行すると指摘している。

COVID-19ウイルス性重症肺炎の治療のポイントは、ウイルスによる炎症性免疫反応を抑制して、毛細血管内皮細胞だけでなく肺胞上皮細胞の傷害を抑え、肺細胞の機能を強化すること、さらにはMSCを用いた肺組織の再生を行うことにあると考えられている。

この点に関して、最近では、COVID-19ウイルス肺炎の重症患者の治療において、同種の脂肪細胞MSCからのエクソソームのエアゾール吸入を検討することを目的としたNCT04276987という識別子番号の研究が記録されている。

MSC由来のエクソソームは、様々な疾患の治療に有用な因子であり、様々な肺損傷に起因する肺の炎症や病理学的損傷を抑制することがわかっている。

おそらく、エキソソーム療法は、COVID-19の感染拡大を防ぐための治療法として、あるいはそれ以下の治療法として有効であると考えられるが、今後の検討が必要である。

6. 課題と機会

細胞株を含む多くの試験管内試験(in vitro)研究と限られた数の前臨床生体内試験(in vivo)研究により、エクソソームが感染症において極めて重要な役割を果たしていることが実証されている。エクソソームは科学者の注目を集め、現代医学に革命をもたらした。

しかし、エクソソソームに関する多くの実験と同様に、臨床試験とはいえ、結果の分析には課題があり、また、細胞外小胞 の単離や特性評価には異なるアプローチが用いられているため、結果からの結論は得られなかった。

いくつかの研究では、それらの実験は、細胞外小胞ベースの研究のための最小限の実験的必要性のIS細胞外小胞ガイドラインの2014年および2018年の声明以前に行われていたため、細胞外小胞の特性化およびその機能に関するIS細胞外小胞ガイドラインが含まれていなかった(Lötvall et al 2014; Théry et al 2018a)。

臨床エクソソームベースの研究は増加傾向にある(https://clinicaltrials.gov)が、現在、米国食品医薬品局(FDA)が承認したエクソーム製品は存在しない(https://www.fda.gov/)。したがって、さらなる精査が必要である。

今後の取り組みは、選択的に疾患を促進するエクソソームをサイレンシングまたは排除することに焦点を当てるべきであるが、善意ではないため、現在の治療法に新たな治療機会を追加することになる。

最近の研究では、エクソソームの生合成および取り込みを阻害することが可能であることが示されている(Zheng et al 2019; Zhou et al 2017)。

いくつかの研究者は、エクソソソーム生物学を研究するための研究ツールとしてエクソソーム阻害剤を検討しようとしてきたが、他の研究者は、様々な疾患モデルにおいてそのような薬剤の阻害性を評価してきた(CatalanoおよびO’Driscoll、2020;Zhou et al 2017)。

実験のほとんどは前臨床で行われたものであり、したがって、検証および確認のためには臨床試験が不可欠である。しかし、健康な細胞のエクソソーム生体形成に対するエクソソーム阻害剤の非標的効果については、主な懸念が残っている。

阻害剤の健康な細胞とそうでない細胞の両方からのエクソソーム放出に対する効果を研究し、阻害剤を標的細胞に選択的に送達する方法を設計するためには、まだ相当な努力が必要であると思われる。エクソソーム療法は、感染症改善のための有望なツールになるかもしれない。

疾患の副作用を抑制・改善するためのエクソソームを得るためのポッパーサワー細胞の選択はゴールドスタンダードである。再生医療におけるMSC由来エキソソームの有望な機能は以前に確認されている(Tsiapalis and O’Driscoll, 2020)が、COVID-19ウイルス肺炎におけるこれらのエキソソームの有用性を確認するためには、さらなる精査が不可欠である。

エキソソームが治療剤として使用され得るもう一つの興味深いアプローチは、エキソソームの薬物送達の可能性である(Gnecchi et al 2006; Lamichhane et al 2016; Lv et al 2012)。エクソソソームは、治療剤を標的組織/細胞に送達するエクソソームベースのナノキャリアとして機能し得る。

MSCのような安全な供給源からのエクソソームは、任意の化合物を担持してもよいし、感染した組織/細胞を標的とするために遺伝子操作されてもよく、感染症の治療のためのエクソソームベースのナノキャリアを示唆している。

安全で効率的なナノキャリアの出現は、ナノメディシンの核心的な目標である。このように、エキソソソームをベースとしたナノキャリアの開発は、治療薬の送達のための希望に満ちた機会を与えてくれる。

しかし、ほとんどの研究は試験管内や動物モデルで行われているため、臨床試験での安全性、特異性、有効性についてはまだ謎に包まれている。

ヒトにおける治療用抗ウイルスワクチンは、その製造および患者への送達のために開発された多くの異なる戦略にもかかわらず、実施が困難であった(Hung et al., 2008)。

これらのワクチンは、これまでのところ強力な成功を収めておらず、ワクチン効率を洗練させるために、より効果的なアジュバントアプローチを検討することは、確かに貴重である。

さらに、ヒト抗ウイルスワクチンのための免疫刺激性エキソソームの供給源は重要であり、さらなる精査が必要であろう(Devhare and Ray, 2017)。

全体的に、エキソソーム研究は現在初期段階にあり、したがって、上記のアイデアの多くを実施するためには、感染細胞からの細胞外小胞(特にエキソソーム)生物学の深い理解が必要である。

7. 結論

細胞外小胞とは、細胞由来の小胞の中でも、その生合成や生物学的性質が異なる幅広い種類の小胞を指する。細胞外小胞の中でも、エクソソームとマイクロベシクルが疾患の発症に重要な役割を果たしていることが広く確認されている。

ウイルス感染細胞からのエクソソームは、ウイルスゲノムやタンパク質粒子を健康な細胞に送達することで、免疫細胞の反応を調節し、ウイルスの拡散や感染を増加させることが示されている。

さらに、エクソソソーム上に配置された受容体は、免疫細胞の認識からウイルスの侵入と脱出を加速する。しかし、一部の研究者は、ウイルス成分を含むエクソソソームが免疫細胞の応答を誘導することができることを実証した。

COVID-19ウイルスの場合、エクソソソームは拡散と感染の促進に寄与している可能性がある。エクソソソームには、CD9やACE2のようなCOVID-19ウイルスの侵入受容体があり、COVID-19ウイルスの感染促進に関与している可能性がある。

幹細胞由来エキソソソーム療法、エキソソームを用いたドラッグデリバリー、エキソソームの生合成・取り込み阻害、エキソソームを用いたワクチンなど、エキソソームを用いたCOVID-19感染症治療のための前臨床および臨床応用が提案されている。組織再生や炎症の調節にMSCを使用することが示唆されている。

COVID-19ウイルス感染症に対するワクチンや特異的な抗ウイルス治療法は現在のところ存在しないため、COVID-19ウイルス感染症における細胞外小胞の役割を正確に理解することは、COVID-19ウイルスの動態に関する知見を高め、より効果的な予防・治療を促進することにつながる。

これらの知見は、COVID-19ウイルスの動態と抑制に関する今後の研究の方向性を示唆している。

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