科学者は、｢ エクソソーム ｣と呼ばれる小胞に含まれる新しいバイオマーカーを使ってがんその他様々な疾患を早期発見する方法を見つけるために骨折ってきた。事実、｢Popular Science｣誌は、今年 (2014年) に世界を画することになる20の科学的業績の一つとしてエクソソーム・ベースのがん診断を挙げている。エクソソームは、より侵襲性の低いがん早期発見法につながり、がん患者の生存率を一気に引き上げる可能性がある。University of Kansasの化学准教授、Dr. Yong Zengは、｢エクソソームは微小な膜に包まれた小胞、嚢で、がん細胞を含むほとんどの種類の細胞から放出される。
1980年代中期に初めて存在を明らかにされたエクソソームは、当初『細胞のごみ』あるいは不要になった細胞物質を含んだごみ袋と考えられていた。しかし、この10年の間に科学者達も、エクソソームが核酸やタンパク質の形で分子メッセージをカプセル化して運搬し、エクソソームを放出した細胞の近辺の細胞にも、あるいは遠く離れた組織の細胞にも影響を与える重要な役割を担っていることに気づいた。言い替えれば、エクソソームは細胞同士がコミュニケートする重要な経路になっているのである｣と述べている。平均的な紙の厚みは10万ナノメートル程度だが、エクソソームの大きさはわずか30ナノメートルから150ナノメートル程度である。研究者は、｢そのため、エクソソームを分離、試験することは難しく、普通は何段階にもわたる超遠心分離作業が必要であり、ラボでも長時間をかけて根気のいる効率の悪い処理をしなければならない｣と述べている。
Dr. Zengは、｢エクソソームを効率よく分離し、微妙な分子プロファイリングをするのに適した技術はそんなに多くない。まず、既存のエクソソーム分離プロトコールは時間がかかり、標準化も難しい。次に、集めたエクソソームを解析する従来の下流解析では時間がかかり、しかも大量のサンプルを必要とする。エクソソームをバイオマーカーとして臨床的に利用する上でそのことが大きな妨げになっている｣と述べている。
University of Kansas (KU) Medical CenterとKU Cancer CenterのDr. Zengと同僚研究グループが2014年7月18日付Royal Society of Chemistryのジャーナル・オンライン版に発表した研究論文｢Lab on a Chip｣では、超小型化したエクソソーム生理医学試験装置の発明が紹介されている。
｢Lab on a Chip｣と呼ばれるこの装置は、現在バイオマーカーの小さな容器を試験するために用いられている従来型の据え置き型計器と比べるとはるかに迅速安価でサンプル量もごく少量で済み、分析感度も優れたバイオマーカー分析を可能にすることが期待されている。
Dr. Zengは、｢lab-on-a-chipのおかげで、現代の化学研究室のピペット、試験管、分析計器すべてをマイクロチップ・サイズのウェファーにおさめることができた。
また、微小流体技術と呼ばれるこの技術は、革命的な半導体電子工学の影響を受けており、1990年代以来相当な発展を遂げてきた。
基本的には1兆分の1リットルまたはそれ以下の極微小液量の正確な分析が可能で、サンプル精製、化学反応や生物反応の継続実行、分析測定など複数の研究室作業が可能である｣と述べている。
Dr. Zengと研究グループは、アメリカでもっとも死因率の高い疾患である肺がんの早期発見のために｢lab-on-a-chip｣を開発した。KUの研究者によれば、現在、肺がんはほとんどの場合、がんが直径3cm以上になり、時には転移した段階になって初めて侵襲性の高い生検で発見されるという状態である。｢lab-on-a-chip｣法を使えば、肺がんももっと早期に患者の血液をごく少量取るだけで発見することができる。
Dr. Zengは、｢ほとんどの場合、肺がんは症状が出て初めて診断される。ということは肺の機能がすでに冒されてしまっているということだ。乳がんや大腸がんなど一部のがんとは異なり、早期肺がん発見のために一般に採用されている検診法というものがない。
肺がんの診断には肺組織を一部切り取り、分子レベルの試験にかけなければならない。
現在の画像診断では発症初期のがんは小さくて識別できないため、がん生検では早期がん診断も難しい。それに比べて、私たちの開発した血液検査によるがん診断法は侵襲性も低く、安価であり、しかも感度も高く、大規模な早期がんの集団検診に適している｣と述べている。
さらに、Dr. Zengは、試作型の｢lab-on-a-chip｣は、材料にポリジメチルシロキサンと呼ばれるごく一般的なシリコン・ゴムと｢on-chip immunoisolation｣と呼ばれる技法を用い、｢私たちの研究では直径3ミクロンの磁気ビーズを用い、血漿サンプル中のエクソソームを引き出した。
血漿中の他の妨害化学物質を避けるため、ビーズの表面は化学的に抗体で処理してあり、この抗体がたとえばエクソソーム膜に存在するタンパク質受容体など標的とする特定のタンパク質を判断し、これに結合する。
磁気ビーズを含み込んだ血漿は診断チップ上のマイクロチャンネルに通され、ここで磁石を使ってビーズを集め、血漿中の循環エクソソームを抽出する｣と述べている。
Dr. Zengは、｢lab-on-a-chip｣は、肺がん以外にも様々な致死性の高いがんの検診にもちいることができるとして、｢私たちのテクニックにより、がん細胞由来のエクソソームを検出するがん診断法の足がかりができた。
この研究では、肺がんに加えて卵巣がんの試験もしてみた。理論的には他のがんにも応用できるはずだ。私たちの長期的な目標は、この技術をがん発症時のエクソソームの病理的な特性の臨床調査に翻訳することだ。
そこで得た知識を利用し、より精度の高い兆候バイオマーカーと、より効果的な病理にあった治療法を開発し、臨床的な治療法を向上させる上で役立てることができる｣と述べている。
画像は、ポリジメチルシロキサンと呼ばれるごく一般的なシリコン・ゴムを材料として、｢on-chip immunoisolation｣と呼ばれる技法を用いた｢lab-on-a-chip｣の試作型。Image credit: University of Kansas/KU News Service.
■原著へのリンクは英語版をご覧ください:New 'Lab-on-a-Chip' for Exosome Analysis Could Revolutionize Early Diagnosis of Cancer
