人間の体は、細胞レベルに至るまで複雑な内部コミュニケーションシステムを有している。しかしながら、これらのシステムは健康な人間の機能に関するメッセージだけでなく、病気にも影響を与えることがある。たとえばがん。「不健康な細胞はどのようにして自らのがん情報を近くの細胞に運び、腫瘍を成長させ、最終的にがんになるのか？」より重要なのは、この流れを制御して病気を止めることができるかどうかである。
マサチューセッツ大学アマースト校（UMass Amherst）の機械工学・産業工学助教授であり、生物医学工学の兼任教員、応用生命科学研究所の所属を持つジングレイ・ピン博士（Jinglei Ping）は、この問いに答えるために、5年間で1.9億ドルのNIHからの研究助成金を使用する予定である。NIHからのマキシマイジング・インベスティゲーターズ・リサーチ・アワードは、ピン博士の細胞間コミュニケーションを操作する新しい方法に関する調査を支援する。
細胞が隣の細胞と「話す」一つの方法は、エクソソームと呼ばれる小さな粒子を介して行われる。「エクソソームは、細胞によって生成される非常に小さな『泡』であり、この泡は重要な分子、例えばRNAや小さなDNA片を一つの細胞から別の細胞へと運ぶ」とピン博士は説明する。
しかし、このメカニズムは体内の病気の拡散を説明することもできる。「エクソソームの放出は、腫瘍細胞の成長と腫瘍ががんになる方法と関連している」と彼は言う。同様に、心拍を制御する細胞である心筋細胞もエクソソームの流れの影響を受け、心疾患に関連している。
エクソソームを制御することにより、新しい治療法が可能になるかもしれず、ピン博士はpHを使ってこの点をつなげたいと考えている。
「エクソソームの流れは細胞のシグナルを制御し、細胞の伝令役である」と彼は言う。「そして、流れはpHによって制御されるので、問題は『我々はどのようにして正確にpHを制御できるか』ということである」細胞の環境のpHを変える現在の化学的方法は拡散に依存しているが、これには2つの大きな欠点がある。第一に、それは標的となるものではないので、どの細胞に影響を与えたいかを特定することができない。そしてそれは遅い―細胞に拡散して変化をもたらすまでには数時間かかるかもしれない。「細胞がいつ実際にpHの変化に反応し始めたのかを知ることはできない。なぜなら、水素イオンの供給を制御することができないからだ」と彼は説明する。
溶液に酸や塩基を加えることだけがpHを変える唯一の方法ではない―ピン博士は、それがよく制御された電流を通じても達成されることを示している。この助成金を使って、彼は微小電極のアレイをさらに開発し、高度に正確な場所で細胞クラスター間のエクソソームベースのコミュニケーションを調整するために、それぞれが自身のpHマイクロ環境を作り出すことを目指している。「それは化学プロセスから電子プロセスに変えるので、それは速くて、制御可能だ」。
彼は、この研究の多くの重要な応用があると言う。「例えば、生物学における新しい現象を見るため、組織工学に光を当てるため、または薬物送達にも非常に有用であるかもしれない」。このことを念頭に置いて、彼の研究は、特に腫瘍細胞と心筋細胞のためのエクソソームを制御するこの方法の開発に焦点を当てる。
