エクソソームとmiRNAの関係｜がん細胞から放出されるメッセージを捉える技術

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がん細胞は、自らの情報を詰め込んだ小さな粒子「エクソソーム」を血液中に絶えず放出しています。このエクソソームの中に含まれるmiRNA（マイクロRNA）を読み解くことで、がんの存在を早い段階で見つけられるかもしれません。

採血だけで検査できるため、体への負担が少ないことも大きな特長です。従来の画像検査や腫瘍マーカーでは捉えきれなかった微小ながんのシグナルを拾い上げる技術として、研究が進んでいます。

この記事では、エクソソームとmiRNAの関係をわかりやすくひもときながら、がん検査への応用についてお伝えします。

エクソソームとは何か｜がん細胞がひそかに放出する小さな「カプセル」

エクソソームとは、ほぼすべての細胞が分泌する直径40〜160ナノメートルほどの微小な粒子であり、血液や尿、唾液などあらゆる体液に含まれています。脂質の二重膜で覆われた球状のカプセルのような構造をしており、内部にはタンパク質やRNA、脂質などが詰め込まれています。

エクソソームが生まれる仕組みを簡単に解説

エクソソームは、細胞内のエンドソームという区画から生まれます。細胞膜が内側に陥入してまずエンドソームができ、さらにエンドソームの膜が内側へくびれることで、小さな袋（イントラルミナル小胞）が多数つくられます。

この小さな袋をたくさん含む構造体を「多胞体（MVB）」と呼びます。MVBが細胞表面の膜と融合すると、内部の小胞がエクソソームとして細胞の外へ放出されるのです。

がん細胞のエクソソームは「暗号入りの手紙」のようなもの

がん細胞が放出するエクソソームには、正常な細胞のものとは異なる分子が含まれています。とりわけ注目されているのが、がん特有のmiRNAパターンです。がん細胞はこのエクソソームを使って周囲の正常細胞や免疫細胞に働きかけ、自分に都合のよい環境をつくり出そうとします。

たとえば、血管新生を促して栄養供給路を確保したり、免疫細胞の監視をかいくぐったりすることが報告されています。いわば、がん細胞が自分の「暗号入りの手紙」を全身にばらまいている状態といえるでしょう。

エクソソームの基本情報

エクソソームが全身をめぐって遠くの臓器にまで届く

エクソソームは血流に乗って全身を循環し、離れた臓器の細胞にも到達します。受け取った細胞はエクソソームの中身を取り込み、遺伝子発現や細胞の振る舞いを変化させることがあります。

がんの転移においても、原発巣から放出されたエクソソームが転移先の臓器をあらかじめ「準備」する、いわゆる前転移ニッチの形成に関与していると考えられています。

miRNA（マイクロRNA）は遺伝子のオン・オフを切り替える「スイッチ」

miRNAは約19〜22塩基の短いRNA分子で、タンパク質をつくる設計図であるメッセンジャーRNA（mRNA）に結合してその翻訳を抑えたり、分解を促したりする働きをもちます。ヒトの体内には数千種類のmiRNAが存在し、細胞の増殖、分化、アポトーシス（プログラム細胞死）など多くの生命現象を制御しています。

miRNAが発見されてからがん研究が大きく変わった

miRNAが発見された当初、たった20塩基前後の短い配列がこれほど広範な遺伝子制御を担うとは予想されていませんでした。しかしその後の研究で、がん細胞ではmiRNAの発現パターンが健康な細胞と大きく異なっていることが判明します。

あるmiRNAはがん抑制遺伝子を標的にして腫瘍化を後押しし、別のmiRNAはがんの増殖を抑える方向に働きます。こうしたバランスの崩れが、がんの発症や進行と深く関係していることがわかってきました。

1つのmiRNAが数百もの遺伝子に影響を与える

1種類のmiRNAは、完全に一致しなくても部分的に相補的なmRNAに結合できるため、数十から数百に及ぶ標的遺伝子を同時に調節できます。そのため、たった1つのmiRNAの異常が、複数のシグナル伝達経路を同時に乱す可能性があります。

がん研究の分野では、こうしたmiRNAの多面的な制御能力を活用し、がんの診断マーカーや治療標的として応用する試みが活発に進められています。

miRNAは血液の中でも壊れにくい安定した分子

血液中に放出されたmiRNAは、タンパク質との複合体を形成したり、エクソソームに内包されたりすることで、RNA分解酵素による分解から保護されています。特にエクソソーム内のmiRNAは非常に安定しており、凍結や解凍を繰り返しても分解されにくいという特徴があります。

この安定性こそが、miRNAをバイオマーカー（体の状態を示す指標となる物質）として利用するうえで大きな強みになっています。

miRNAの特徴まとめ

がん細胞が選んでmiRNAをエクソソームに積み込む巧妙な仕組み

がん細胞は無差別にmiRNAをエクソソームへ詰め込んでいるわけではありません。特定のmiRNAを選択的にエクソソームに取り込む「仕分け」の仕組みが存在し、この選別によってがん細胞は自らに有利な情報だけを外部に発信しています。

miRNAの選別にかかわるタンパク質「hnRNPA2B1」

miRNAがエクソソームに積み込まれる際、塩基配列中の特定の短いモチーフ（GGAG配列など）がRNA結合タンパク質「hnRNPA2B1」に認識されます。このタンパク質はSUMO化（小さなタンパク質が結合する修飾）を受けた状態でmiRNAと結合し、エクソソームへの搬入を促進します。

つまり、miRNAの塩基配列そのものが「荷札」の役割を果たしており、特定の配列パターンをもつmiRNAが優先的にエクソソームに仕分けられるのです。

がん抑制型のmiRNAをわざと外に捨てるがん細胞

興味深いことに、がんの進行した細胞ほど、がん抑制的に働くmiRNAをエクソソームに多く積み込んで細胞外へ排出する傾向が報告されています。たとえばmiR-193aは、MVP（major vault protein）というタンパク質の働きによって選択的にエクソソームに搬入され、がん細胞の内部から除かれます。

がん細胞の内部からがん抑制型miRNAが減ることで、細胞増殖のブレーキが外れ、腫瘍がさらに成長しやすくなるわけです。

miRNAの仕分けに関与する主な分子

エクソソームmiRNAのパターンは元のがん細胞の「指紋」になる

エクソソーム内のmiRNAプロファイルは、元の細胞のmiRNA発現パターンとおおむね相関しています。そのため、血液中のエクソソームmiRNAを解析すれば、体内にどのようながん細胞が存在するかの手がかりを得られる可能性があります。

従来の組織生検（がんの疑いのある部位に針や手術で直接アクセスして組織を採取する方法）に代わる手段として期待されている理由は、まさにこの「指紋」としての性質にあります。

リキッドバイオプシーでエクソソームmiRNAを検出する｜血液1滴から読み取るがんのサイン

リキッドバイオプシー（液体生検）とは、血液や尿などの体液を使って、がんに関する分子情報を非侵襲的に取得する検査手法です。エクソソームに内包されたmiRNAは、がん由来の分子シグナルを安定した状態で運搬するため、リキッドバイオプシーの有力な検査対象として注目されています。

採血だけで済む検査は体への負担が少ない

リキッドバイオプシーの大きな利点は、患者さんへの身体的負担が小さいことです。組織生検のように針を刺したり外科的に組織を切り取ったりする必要がなく、通常の採血で十分な量のエクソソームを回収できます。

繰り返し検査を受けることも容易なため、治療中のがんの変化をモニタリングする用途にも適しているといえるでしょう。

エクソソームを体液から分離する方法

体液中のエクソソームを分離するには、超遠心分離法、ポリマー沈殿法、免疫親和性法（特定のマーカー抗体を使って選別する方法）など複数の手法が開発されています。それぞれに長所と短所があり、研究の目的に合わせて使い分けられています。

たとえば超遠心分離法は純度が高い一方、時間がかかります。ポリマー沈殿法は簡便ですが、エクソソーム以外の夾雑物も混入しやすいという課題があります。

検出されたmiRNAをどう読み解くのか

分離されたエクソソームからRNAを抽出し、定量的逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（qRT-PCR）や次世代シーケンサーといった技術でmiRNAの発現量やプロファイルを解析します。がん患者と健常者の間でmiRNA発現パターンに有意な差が見られれば、それをバイオマーカーとして活用できます。

複数のmiRNAを組み合わせた「パネル検査」のほうが、単一のmiRNAだけを調べるよりも診断精度が高まるケースが多く報告されています。

主なエクソソーム分離法の比較

がんの種類ごとにエクソソームmiRNAのサインが異なることが研究で示されている

複数の研究により、がんの種類によってエクソソーム中のmiRNAプロファイルが異なることが明らかになっています。この「がんごとのmiRNAの指紋」を読み取ることで、どの臓器にがんが発生しているかを推定できる可能性が出てきました。

膵臓がんの早期発見に期待されるmiR-196aとmiR-1246

膵臓がんは早期発見が非常に難しいがんの1つです。しかし、局所にとどまった膵臓がん患者の血漿エクソソームでは、miR-196aとmiR-1246の発現が健常者に比べて有意に上昇していたという報告があります。

がんの種類によってもパターンが異なり、miR-196aは膵管腺がん、miR-1246は膵管内乳頭粘液性腫瘍との関連が強いことが示されました。将来的に、これらのmiRNAが膵臓がんスクリーニングに応用される日が来るかもしれません。

肺がんや大腸がんでも特有のmiRNAパターンが見つかっている

肺がん患者の血清エクソソームでは、miR-21やmiR-1246の上昇が繰り返し報告されています。また大腸がんにおいても、let-7ファミリーやmiR-23b-3pなど、病期ごとに異なるmiRNAの変動パターンが確認されました。

• 肺がん：miR-21、miR-1246などの上昇が複数の研究で報告
• 大腸がん：let-7ファミリー、miR-23b-3pなどが病期と相関
• 卵巣がん：miR-21、miR-141、miR-200a〜cを含む8種のmiRNAパネルで早期診断の可能性
• 乳がん：miR-21の血中エクソソーム値上昇が複数のメタ解析で確認済み

単一マーカーよりも複数のmiRNAを組み合わせた検査の精度が高い

1種類のmiRNAだけを指標にすると、がんの有無を正しく判定できる確率（感度・特異度）に限界があります。そのため、複数のmiRNAを同時に評価するパネル検査が研究されています。

たとえば卵巣がんの研究では、8種類のmiRNAを組み合わせることで、良性腫瘍と悪性腫瘍を高い精度で区別できたと報告されています。今後、がん種ごとに有効なmiRNAパネルが確立されれば、臨床での実用化が近づくでしょう。

エクソソームmiRNA検査は従来のがん検診と何が違うのか

エクソソームmiRNA検査と従来の腫瘍マーカー検査や画像検査には、検出原理や早期発見力に大きな違いがあります。従来の腫瘍マーカー（PSAやCEAなど）は偽陽性・偽陰性の問題が指摘されてきましたが、エクソソームmiRNAはがん細胞の遺伝子活動をより直接的に反映するため、補完的な価値が期待されています。

腫瘍マーカーとの比較で見えるエクソソームmiRNAの強み

腫瘍マーカーはタンパク質がベースであり、がん以外の炎症や良性疾患でも数値が変動することがあります。一方、エクソソームmiRNAはがん細胞に由来する遺伝子情報そのものであり、がんの分子的な特徴をより正確に捉えうる点が強みです。

また、従来のマーカーではがんの種類を区別することが難しい場合がありますが、エクソソームmiRNAのプロファイルはがんの組織型や進行度と相関するため、より詳細な情報が得られる可能性があります。

画像検査では見つけにくい微小ながんをとらえられるか

CTやMRIなどの画像検査は、一定以上の大きさになったがんを視覚的にとらえることに優れています。しかし、ミリ単位以下の微小ながんや、画像上は正常に見える初期段階のがんを検出することは困難です。

エクソソームmiRNAは、がん細胞がごくわずかしか存在しない段階から血液中に放出されるため、画像では捉えられない超早期のがんシグナルを拾い上げる可能性を秘めています。

治療効果のモニタリングにも活用できる

エクソソームmiRNA検査のもう1つの利点は、がん治療の効果を経時的に追跡できることです。治療が効いてがん細胞が減少すれば、血液中のがん由来エクソソームmiRNAも減少するはずです。

再発や薬剤耐性の兆候を早い段階でキャッチするためにも、定期的なエクソソームmiRNAの測定は有用でしょう。組織生検は繰り返し実施すると患者さんへの負担が大きくなりますが、採血ベースの検査なら無理なく継続できます。

エクソソームmiRNA検査と従来検査の比較

免疫療法・がんワクチン研究とエクソソームmiRNAの深い接点

エクソソームmiRNAの研究は、がんの「検査」だけでなく「治療」にも関係しています。がん細胞が放出するエクソソームmiRNAは免疫細胞の働きを調節し、がんに対する免疫応答を左右することが報告されています。この知見は免疫療法やがんワクチンの研究と密接に結びついています。

がん由来エクソソームmiRNAは免疫細胞の働きを変えてしまう

• T細胞の活性化を抑制し、がんへの攻撃力を低下させる
• 制御性T細胞（Treg）を増やして免疫抑制的な環境を強化する
• マクロファージをがんに味方するM2型に変換させる
• 骨髄由来抑制細胞（MDSC）を呼び寄せ、免疫監視をさらに弱める

エクソソームをがんワクチンの「運び屋」として使う試み

エクソソームは細胞膜と同じ脂質二重層で覆われているため、免疫系に異物として排除されにくいという性質があります。この特徴を活かし、がん抗原やmiRNAなどの治療用分子をエクソソームに搭載して体内に届ける「エクソソームドラッグデリバリー」の研究も進んでいます。

がんワクチンの分野では、樹状細胞由来のエクソソームを利用して抗腫瘍免疫を活性化させるアプローチが検討されています。体の免疫システムにがん細胞の情報を効率よく「教え込む」ための媒体として、エクソソームが注目されているわけです。

治療効果を予測するためのマーカーとしても研究が進む

免疫チェックポイント阻害薬などの治療を受ける際、どの患者さんに効果が出やすいかを事前に予測できれば、治療選択の質が大きく向上します。エクソソームmiRNAのプロファイルが治療効果の予測因子になりうるかどうか、複数の臨床研究が進行中です。

薬剤耐性が生じた場合にも、エクソソームmiRNAの変化としていち早く検出できる可能性があり、治療方針の転換を迅速に判断するための一助になると考えられています。

よくある質問

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