エクソソームを用いた新たな疾患診断技術の可能性とは？
デューク大学の機械工学・材料科学のウィリアム・ベバン名誉教授、トニー・ジュン・ファン（Tony Jun Huang, PhD）と、生物医学工学のR・ユージン・スージー・E・グッドソン名誉教授、トゥアン・ヴォー・ディン（Tuan Vo-Dinh, PhD）が共同で行った研究が、2024年3月8日にScience Advancesに掲載されました。このオープンアクセス論文は「音響分離とエクソソーム濃縮による核酸検出（Acoustic Separation and Concentration of Exosomes for Nucleotide Detection: ASCENDx）」というタイトルで、エクソソームを用いた新技術について詳述しています。
エクソソームは、細胞から放出される微小な生物学的粒子で、リボ核酸（RNA）などの遺伝物質を含んでいます。機械工学・材料科学科の4年生大学院生、タイ・ナクイン（Ty Naquin）は、「エクソソームはその発生源である細胞を非常に示唆しています。これを分離できれば、タンパク質やRNAの内容を調べることで、多くの病気を診断できます」と説明します。
ナクインは、エクソソームが非常に小さいため、血液や血漿のような有機物から分離するのが難しいと述べています。しかし、ホアンの研究室は2017年に音響流体力学（acoustofluidics）を用いて血液からエクソソームを成功裏に分離しました。音響流体力学とは、音波を通過させることで流体中の生物学的粒子を分離するプロセスです。
現在の「ゴールドスタンダード」とされるエクソソーム分離法は超遠心機を使用しますが、この方法は時間がかかり、大量のサンプルが必要であり、エクソソームにダメージを与えることが多く、純度や収率が低いことが問題です。
「私たちはエクソソームをもっと効率的に、速く、そして生体適合的に分離できる方法を探していました」とナクインは述べています。
チームは、生物学的サンプルを含む水滴に音波を当て、その水滴を最大6,000回転/分で回転させるプロセスを開発しました。その後、回転する水滴の上に小さなディスクを置き、それも回転させて遠心機の役割を果たします。この方法は、より小規模なためエクソソームに対するダメージが少なくなります。
同時に、生物医学工学科の大学院生、アイデン・キャニング（Aidan Canning）は、エクソソーム分析法を改良するマイクロRNAセンサーに関する最初の論文を発表しました。
キャニングは、周囲の電磁界を強化するプラズモニックナノ粒子を作成し、それによりラマン散乱（特定の病気のバイオマーカーに関連する光の散乱）を増強させます。この方法は、病気の検出に有用です。
学生たちは、エクソソーム分離と分析を組み合わせた「完全統合システム」を構築することを決定しました。
「理論的には、診断用マイクロRNAはエクソソームに高割合で存在するため、それを簡単に分離して私のプラットフォームにかければ、さらに病気を検出するのに優れているかもしれません」とキャニングは述べています。
ナクインは、このシステムが「エクソソームのバイオマーカーを増幅なしでサンプルから検出する」初のシステムであり、「非常にエキサイティングだ」と言います。
キャニングは、この技術がCOVID-19のテストで一般的に使用される逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）標準診断プラットフォームを改善すると述べています。RT-PCRは指数関数的増幅を必要とし、サンプル量が少ない場合には不正確になることがあります。
この研究は、大腸がん患者からのサンプルを使用して新技術の診断能力をテストしましたが、ナクインとキャニングの両者は、他の多くのがんやアルツハイマー病、パーキンソン病、さらには外傷性損傷など、さまざまな重大な疾患にも応用できる可能性があると同意しています。
「この新技術は、マイクロRNAを迅速かつ信頼性高く検出する方法を提供し、技術者がこれらのアッセイを実行するのを待つ必要がなくなります。我々はただ血漿を採取して使用するだけでよいのです」とキャニングは述べています。「これにより、回答が非常に迅速になり、現在早期スクリーニング方法がない種類の病気に対する非常に簡単な早期スクリーニングも可能になります。」
ナクインは、「がんの診断を受けるためには、症状が現れるまでできません。現在、画像診断が主な方法ですが、もちろんある程度の大きさの腫瘍が必要です。多くのがんにとって、これは手遅れです」と述べています。
ナクインは、将来的にはエクソソームを用いたバイオマーカー検出技術が、現在の疾患だけでなく病気の素因を特定するのにも役立つ可能性があると考えています。
キャニングは、将来的な研究として、肺がん、卵巣がん、膵臓がんなど、現在広く利用可能な治療法がない多くのがんに対して、このマイクロRNA検出技術を特化させることを目指しています。
[News release] [Science Advances article]
