エクソソームの局在観察

がんの早期発見

たとえば、エクソソームはがん細胞の生存や悪性化、転移などに関与していると考えられています。がん患者のがん細胞が放出するエクソソームには、がん細胞に由来するさまざまなたんぱく質が含まれており、がん細胞特有の細胞傷害性T細胞の活性化を引き起こします。これは、がん細胞由来のエクソソームはがん遺伝子を含有しているためです。これは、がん患者の細胞が放出するエクソソームを観察することで、がんを早期検出することができることを意味しています。
この、細胞から細胞へと情報を伝えるエクソソームの性質に着目したがん診断法に、リキッドバイオプシー（liquid biopsy）によるがんの早期発見があります。リキッドバイオプシーによるがん診断では、エクソソームの内包物が放出元の細胞の特徴（がん関連遺伝子に変異を持つctDNA（circulating tumor DNA）などを映し出すことから、異常細胞のエクソソームを調べることで、がんの早期発見が可能になると考えられています。

アルツハイマー型認知症の治療

アルツハイマー型認知症（アルツハイマー病）は、アミロイドβの毒性により傷ついた神経細胞が死んでいくことで脳が委縮し発生する認知症の一種です。アルツハイマー型認知症の治療でも、エクソソームがその原因物質であるアミロイドβやタウタンパク質^*4の増減に大きく影響すると考えられています。
他にも、医薬品を安全かつ特定の疾患組織や細胞に、効率良く送達（デリバリー）する「ドラッグデリバリーシステム（DDS：drug delivery system）」では、エクソソームに薬剤や核酸などを封入する手法が試みられています。

＊4：タウタンパク質（tau protein）

タウタンパク質は、中枢神経系や末梢神経系の神経細胞にあるたんぱく質です。さまざまなたんぱく質と結合しており、生後の脳の成熟や成体の神経発生など、脳神経系で起こるさまざまな現象に関わっています。アルツハイマー型認知症などの神経変性疾患は、このタウタンパク質の異常が原因であると考えられています。

再生医療への活用

エクソソームによる再生医療とは、幹細胞などから人工的に構築した組織を患者の体内に移植し、損傷した臓器や組織を再生し回復させる医療です。
間葉系幹細胞（Mensenchymal Stem Cell：MSC）が分泌するエクソソーム（MSCエクソソーム）は、がんや腎疾患・心筋障害・脳疾患・肺疾患など、さまざまな疾患に対して治療効果があります。また、MSCは内胚葉系および外胚葉系の細胞へも分化でき、未分化のMSCが分泌する分子は特定の疾患以外の多くの疾患に対して治療効果があるとされています。
MSCには、自発的に損傷した部位を探し、探し当てた部位に集中する「ホーミング」という能力があり、この能力によりこれまで投与できなかった臓器や組織に静脈投与することが可能であると考えられています。そして、損傷部位に集積されたMSCはMSCエクソソームを分泌し、組織を再生し回復させます。
このように、MSCエクソソームによる再生医療はiPS細胞による再生医療とは異なる細胞治療のアプローチを示しており、細胞治療の分野、特に新型ウイルス感染に対する治療法としても注目されています。

リキッドバイオプシーによる診断

リキッドバイオプシー（liquid biopsy）とは、身体への負担が少ない体液（体液や血液、尿など低侵襲性の液性検体）を利用して主にがん診断に役立つ技術です。
リキッドバイオプシーのサンプルには腫瘍やさまざまな組織、細胞由来の情報が含まれており、これを観察することで全身の腫瘍プロファイルを俯瞰できます。
従来の内視鏡や針で生検を採取するバイオプシー技術では、苦痛とリスクを伴うにもかかわらず、腫瘍組織のごく一部しか採取できないため断片的なプロファイル情報しか検出できませんでした。
リキッドバイオプシーでは体液のみで検査できるので、体に負担をかけることなく、がん遺伝子診断や治療効果予測が可能になりました。

ドラッグデリバリーシステム（DDS：drug delivery system）とは

ドラックデリバリーシステムは、エクソソームが、細胞から特定の細胞へ物質（たんぱく質、核酸、脂質）を輸送する性質を利用した治療法です。
これまでに、この治療法により、乳がん細胞への抗がん作用が確認された例や、神経芽腫細胞に取り込ませてアルツハイマー型認知症の原因物質といわれるβアミロイドの量を減少させたという例があります。
エクソソームは生体分子であるため、DDSによる治療は従来のナノパーティクルを用いた薬物輸送と比較して毒性が少ないといわれています。また、これまでの手法では到達困難な組織への透過も確認されていることから、強力な輸送分子としても期待が高まっています。

エクソソーム研究の将来性

このように、「細胞の情報を伝える＝病気を転移させる」というエクソソームの負の特性は、医学や観察技術の発達により、予防や早期治療・薬剤の細胞への直接投与といった先進治療を切り拓く切り札として注目されています。
さらに、エクソソームは野菜や果物などの細胞からも分泌されています。たとえば、生姜にはアルコール性肝臓障害を抑制する効果がありますが、これは生姜由来のエクソソームが肝臓にダメージを与えないよう保護していると考えられます。また、ゆで卵のエクソソームは動脈硬化を抑えたり、記憶力を上げる効果があるという研究結果も報告されています。
東洋医学には、食事は医療の根本であり、病気を治す薬と健康を増進する食事は、本来根本が同じであるという考え方があります。こうした観点からも、エクソソームの研究は医療と食品に幅広い可能性を与える、現代版の「医食同源」といえます。

体液や細胞培養液を用いる方法

一般に、血液や腹水などの体液試料からエクソソームを分離・精製するには、超遠心や限外ろ過などの手法が採られています。ただし、この手法では性状・濃度が類似した他の粒子や、高質量のたんぱく質など混じってしまうため、エクソソームだけを解析することが難しいとされています。
そのため、アフィニティー精製^*1と組み合わせて実施されることもあります。また、最終的に分離・精製した試料がエクソソームであることを確認するために動的光散乱法や顕微鏡でのサイズ確認やウエスタンブロット^*2が行われます。

＊1：アフィニティー精製（affinity purification）

目的とする分子と特異的かつ可逆的に結合する分子（リガンド）の反応を利用して、目的の分子やたんぱく質または、その複合体を分離・精製する手法です。

＊2：ウエスタンブロッティング（western blotting：WB）

たんぱく質の特性を知るための基本的な実験手法で、エクソソームに発現しているたんぱく質の計測にも適しています。

体内から直接検出する方法

エクソソームの分離・精製することなく、体液中から検出する手法としては「フローサイトメトリー^*3」や「マイクロアレイ」、「表面プラズモン共鳴」などが研究されています。他に、大腸がんの診断を目的とした、ExoScreenと呼ばれる手法もあり、これらの手法は主にがんの治療に用いられます。
従来の内視鏡や針を使って腫瘍組織を採取する生検（バイオプシー）に代わって、血液などの体液をサンプルとして診断や治療効果予測を行う「リキッドバイオプシー（liquid biopsy）」は早期発見の技術として期待されています。

＊3：フローサイトメトリー（flow cytometry）

細胞や微粒子のレーザー光を照射した際に得られる散乱光または蛍光を利用して、粒子特性を評価する手法です。同時に単一の細胞（細胞や細菌など）の複数の特徴を高速で測定できます。エクソソームのたんぱく質の発現量や細胞内への取り込み評価に適しています。定量やベシクルの種類の区別などは困難ですが、最も簡単に細胞への取り込み挙動を観察できる方法です。

蛍光顕微鏡によるエクソソームの3次元局在を確認

通常の蛍光顕微鏡では焦点が合い難く局在を観察することが困難です。また、細胞や微粒子のレーザー光を照射した際に得られる散乱光または蛍光を利用して、粒子特性を評価するフローサイトメーターでの解析では、局在の確認や経時的な変化が確認できないといった問題がありました。
オールインワン蛍光顕微鏡BZ-X800は、「電気的投影素子」による構造化照明（Structured Illumination）を用いた独自の光学セクショニング技術で、これまでにないクリアな画像を実現。局在の確認も経時的な変化もクリアに映し出します。
以下の例では、BZ-X800のセクショニング機能を使って、ヒト表皮細胞内のエクソソームの局在を観察しています。
BZ-X800なら、ある細胞から発せられたエクソソームが、他の細胞内に移動する様子を高精細画像で観察することができます。