医師で科学者の Emil Lou が約 10 年前にメモリアル スローン ケタリング キャンサー センターの腫瘍学フェローだったとき、彼は自分のガン細胞培養物に小さいが識別できない何かを見て、定期的に悩まされていました。顕微鏡をのぞいてみると、培養中の細胞間に伸びる、幅約 50 ナノメートル、長さ 150 ～ 200 ミクロンの「これらの長くて細い半透明の線を見つけ続けた」と彼は言いました。彼は自分の建物にいる世界クラスの細胞生物学者にこれらの観察結果を説明するよう呼びかけたが、彼らが何を見ているのか誰も確信が持てなかった.最後に、Lou は文献を掘り下げた後、ハイデルベルク大学の Hans-Hermann Gerdes のグループが Science の 2004 年の論文で「ナノチューブ ハイウェイ」または「トンネル ナノチューブ」(TNT) として記述した線と一致することに気付きました。 .
Lou は、彼が気付いた線が幻想ではないかと心配したため、がんセンターの患者からの腫瘍標本のアーカイブをチェックしました。見よ、同じ長い細胞プロセスが腫瘍にも存在していたので、彼はそれらの関連性を調査することに着手した.それ以来、ミネソタ大学の教員として、彼は腫瘍細胞がこれらの TNT を使用して、マイクロ RNA と呼ばれる RNA の短い制御断片の形で分子メッセージを共有し、化学療法薬に耐性のある癌細胞に同じ耐性を与えることを可能にするという証拠を発見しました。
トンネル ナノチューブは、なぜこれほど長い間気づかれなかったのでしょうか? Lou は、過去 20 年間のがん研究は、主にがん細胞の変異を検出して治療の標的とすることに集中しており、それらの間の構造ではないと指摘しています。 「それは私たちの目の前にありますが、それが注目されていない場合、人々はそれを見逃すことになるでしょう」と彼は言いました.
それが今、変わりつつあります。ここ数年で、TNT に取り組み、その機能を解明しようとする研究者の数が急増しています。研究チームは、TNT がマイクロ RNA を超えて、メッセンジャー RNA、タンパク質、ウイルス、さらにはリソソームやミトコンドリアなどのオルガネラ全体を含むあらゆる種類の貨物を転送することを発見しました.
「それは氷山の一角にすぎません」とルーは言いました。 「これらを見るのはとてもエキサイティングな時期です。」
これらの脆弱な構造は、がん、エイズ、神経変性疾患などの状態に関連するだけでなく、正常な胚発生にも現れています。通常、健康な成体細胞は TNT を作りませんが、ストレスを受けた細胞や病気の細胞は、助けを求める信号を送信することで TNT を誘発するようです。しかし、健康な細胞が隣人が助けを必要としていることをどのように感知するのか、どのように特定の貨物を送るべきかを生理学的に「知っている」のかは不明です。
百聞は一見に如かず
TNT の発見は幸運な偶然でした。当時 Gerdes のグループのメンバーであり、現在もハイデルベルク大学の研究者である Amin Rustom は、関心のある細胞の特徴を標識するために新しい蛍光色素を使用していたために起こったことを思い出します。染料を使用するためのプロトコルでは、いくつかの連続した洗浄ステップが必要でしたが、彼はそれらのいくつかをスキップして、とにかく自分の細胞を調べました.そのとき、彼は長い管状構造を見つけました。染料によって、よりはっきりと見えるようになりました (彼は、洗浄工程でそれらが壊れたのではないかと考えています)。
グループは、顕微鏡技術を使用して構造をさらに調べ、オルガネラと膜小胞がある細胞から別の細胞に移動するための開いたチャネルであることを確認しました。その時点で、膜チューブが「細胞間コミュニケーションのまったく新しいメカニズム」であることが明らかになりました。しかし、他の人を説得するのはそれほど簡単ではありませんでした.一部の研究者は、これらのTNTは実験的な人工物であり、自然に発生した構造ではないと疑っていました.調査結果に対する強い懐疑論があったため、グループが論文を発表するのに 4、5 年かかった、と彼は言いました。
TNT が実際に細胞間通信の手段であることを確認することは、引き続き大きな課題です。細胞には、分子を交換するための他のオプションがあり、最も顕著なのはギャップ結合とエキソソームと呼ばれる構造です。
TNTがスカイウォークに似ているとすれば、別々の建物をつなぐ囲まれた歩道橋であり、ギャップジャンクション（隣接する細胞の膜を通過するゲート付きの細孔）は、隣接する部屋間の出入り口のようなものです.エキソソームは、細胞から放出される小さな小胞で、破片を運ぶ細胞のゴミ袋であると長い間考えられていましたが、科学者は現在、マイクロRNAやその他のシグナル伝達分子を細胞間で、時には長距離にわたって運ぶ媒体として認識しています. TNT の役割を特定する際の課題は、他の通信チャネルに干渉することなく、これらの通信チャネルのいずれかを阻害するのが難しいことです。
最近の多くの取り組みは、TNT のバイオマーカーを見つけて、糸状仮足 (感知と移動に使用される長い細胞突起) のような似たような構造と区別することにも焦点を当てています。糸状仮足は無制限ではなく、ある細胞から別の細胞に貨物を移動しませんが、形状だけに基づいてTNTと区別するのは難しい場合があります.問題を複雑にしているのは、TNT がさまざまな種類の細胞に現れ、形態学的に多様であり、さまざまなサイズで現れることです。場合によっては、それらはナノチューブではなくマイクロチューブと見なすのに十分な大きさであり、一部の研究者は、より小さな TNT はマイクロチューブとは機能的に異なると考えています。ナノチューブとマイクロチューブのさまざまなサブタイプを特徴付ける取り組みが進行中です。
しかし、当然のことながら、多くの科学者は、TNT の想定される機能について多くの懐疑論を抱いています。パリのパスツール研究所の細胞生物学および感染部門の責任者であるキアラ ズルゾロは、TNT の研究を行っていますが、この難しさを認めています。 「それらは完全に特徴付けられていないので、どうすれば何でもあり得るものを信じることができますか?」彼女は尋ねました。
ただし、TNT 研究の新進分野は顕微鏡やその他の技術の進歩の恩恵を受けているため、有用な答えが生まれています。カリフォルニア大学アーバイン校で TNT を研究している Ian Smith は、格子光シート顕微鏡法などのイメージング法を専門としています。この方法により、研究者は生きた細胞内の TNT の繊細な構造を観察し、それらの間を移動する個々の分子を追跡することができます。 「自分が研究しているものを見ることができるということは、私が常に顕微鏡に興味を持ってきた理由の主な原動力にすぎません」と Smith は言いました。
現在イスラエルのワイツマン科学研究所の研究者である Gal Haimovich は、2012 年にアルバート アインシュタイン医科大学の Robert Singer の研究室にポスドクとして参加し、RNA の細胞間移動の研究に関心を持っていました。当時、RNA 転送の標準モデルは、分子がエキソソームにパッケージ化され、その後細胞間で拡散するというものでした。しかし、それは直接観察されたものではありませんでした。それは生化学実験から推測されていた.
Haimovich は、転送中の RNA を視覚化し、より定量的なデータを収集できるため、Singer ラボで開発されたイメージング法を使用したいと考えました。彼は、同じ培養皿で 2 つの細胞株 (そのうちの 1 つだけが特定の mRNA を発現できた) を培養し、何が起こったのかを観察しました。彼の目の前で、mRNA 分子は、さまざまな細胞を橋渡しする TNT を通って移動しました。 「私は実際に mRNA が膜ナノチューブに見られることを確認できました。もし私が膜ナノチューブの形成を阻害すれば… RNA 転送を無効にします」と彼は言いました。
細胞がこれらの移動を積極的に調節しているかどうかを理解するために、Haimovich は熱ショックと酸化ストレスを細胞に与えました。環境条件の変化が RNA の移動速度を変化させた場合、「これは生物学的に調節されたメカニズムであり、単なる偶然の RNA 拡散ではないことを示唆している」と彼は説明した。彼は、酸化ストレスが移動速度の増加を誘発し、熱ショックが減少を誘発することを発見しました。さらに、この効果はアクセプター細胞にストレスが加えられた場合に見られたが、共培養前にドナー細胞にも加えられた場合には見られなかった.ハイモビッチは電子メールで明らかにした. 「これは、アクセプター細胞がドナー細胞に信号を送って、隣人からのmRNAを『要求』していることを示唆しています」と彼は言いました。彼の結果は、全米科学アカデミー紀要に報告されました。 昨年。
がんにおけるTNT
癌細胞はしばしばストレスを受けます — これらの急速に分裂する細胞は、低酸素、栄養ストレス、酸化ストレスなどに耐えます.したがって、ハイモビッチのストレスを受けた細胞のように、それらが TNT を誘発することは驚くべきことではありません。実際、Lou の研究は、いくつかの種類の癌を引き起こす細胞が、通常の健康な成体細胞の 5 倍から 100 倍の数の TNT を形成することを示しています。
ハイデルベルク大学の神経学者、腫瘍学者、がん研究者であるフランク ウィンクラーは、神経膠腫と呼ばれる脳のがんが腫瘍微小管 (TNT のより大きな従兄弟) でいっぱいであることを発見しました。彼は、生きたマウスの脳で単一の腫瘍細胞が成長するのを見ながら、これらの構造に気付きましたが、その重要性を認識していませんでした。彼が協力した病理学者は、標本の準備の欠陥に起因すると考えていました。ウィンクラーと病理学者は、生きた細胞の中にあるこれらの小さなチューブを見るまで、その構造が本物であることに気づきませんでした.
「何を探すべきかを知ることで、それがこれらの腫瘍の顕著な特徴であることがわかりました」と Winkler 氏は述べた。 「しかし、自分が見ているものを理解するには、何を探すべきかを知る必要があります。」
Winkler は、患者の腫瘍に化学療法または放射線を適用すると、孤立したがん細胞は死滅したが、腫瘍のマイクロチューブと TNT を介して互いに接続されたがん細胞は生き残ったことに気付きました。ネットワーク化された細胞は、「この病気の抵抗力のあるバックボーンです」と彼は言いました。
化学療法や放射線療法のストレスに反応して、がん細胞はさらに多くの腫瘍微小管とより強力なネットワークを形成する、と彼は説明した.ネットワーク理論を使用して、彼と彼のチームは現在、リンクされたがん細胞間の通信パターンを解読することに取り組んでいます。彼の作業仮説は、コミュニケーションには階層があり、特定の細胞 (おそらく幹細胞のような強力な発生特性を持つ細胞) がネットワークの「首謀者」として機能するというものです。それらは、他の細胞に、腫瘍の成長の進行と治療への耐性の両方をどのように動かし、推進するかを指示する可能性があります.
ウィンクラーはまた、神経膠腫の腫瘍細胞が隣接する健康な細胞との接続を形成することも発見しました。これにより、少なくとも脳組織とのある種の双方向通信の可能性が開かれます。スタンフォード大学の小児腫瘍学者である Michelle Monje は、脳の活動が神経膠腫の腫瘍の進行を促進することを示しており、Winkler は、腫瘍のマイクロチューブと TNT がその役割を果たしている可能性があると考えています。 「腫瘍は脳に影響を与え、脳は腫瘍に影響を与えます」と Winkler 氏は述べています。 「これは恐ろしいレベルの複雑さです。」
しかし、良いニュースは、これらのマイクロ ナノチューブとナノチューブが、まったく新しい治療標的であるということです、と Winkler 氏は述べています。 「新しい治療戦略を開発する、より良いものを見つけられることを願っています。これは、このクレイジーな生物学をすべて理解することに加えて、私の大きな希望の 1 つです。」
1 つのアプローチは、がんが化学療法や放射線療法を受けやすくなるように、マイクロ ナノチューブやナノチューブの形成を阻害する薬剤の開発を試みることです。そのために、ウィンクラーは現在、これらの小さなチューブのサイズと機能の多様性を特徴付けるために取り組んでいます.別の戦略は、薬を広めるために管状ネットワークを利用することです.2015年にFDAは、メラノーマ患者のための遺伝子治療の一形態である最初の腫瘍溶解性ウイルスを承認しました. Lou は、この治療用ウイルスが TNT を介して細胞から細胞へ移動できることを発見しました。
製薬大手のグラクソ・スミスクラインは、機会に満ちた分野を発見し、2016 年 9 月に TNT の専門家の会議を招集して、TNT の役割と、治療への応用のためにどのように破壊または利用できるかを探りました。
免疫細胞のための新しいトリック
TNT は免疫システムにおいても重要な役割を果たします。それらの機能には、ピッツバーグ大学の免疫学者であるロビー・マイリアードが「免疫系のクォーターバック」と呼ぶ樹状細胞が関与しています。樹状細胞は、網状化と呼ばれるプロセスで TNT を介して互いに接続します。
「樹状細胞は、網状化するときにこれを非常に迅速かつ劇的な方法で行います.これらのクモの巣を撃ち落としている小さなスパイダーマンの集まりのようなものです」とメイリアードは言いました. 「彼らはこれらのつながりを作るために非常に短い時間で非常に多くのエネルギーを費やしているので、免疫反応においてある種の重要な目的を果たしていると思います.
マイリアードは同僚のジョヴァンナ・ラポッチョロとチャールズ・リナルドとともに、HIV やその他のウイルスがこれらの TNT を悪用して樹状細胞に広がることを発見しました。メイリアード氏によると、TNT の阻害は HIV の拡散を阻害するように思われる。さらに、研究者らは、抗レトロウイルス療法なしでウイルスを制御できる非常にまれなHIV感染者（いわゆる「長期非進行者」）は、樹状細胞がTNTを形成する能力に欠陥があることを発見しました。これは、細胞のコレステロールレベルに関連する遺伝的形質のようです.現在、研究者は、コレステロール値を下げるために一般的に使用されている薬が、網状化を制限することによってウイルス感染を制御するために転用できるかどうかを調査しています.
樹状細胞の TNT 形成能を利用する感染症は HIV だけではありません。プリオン（たとえば、狂牛病の牛の牛肉を食べることによって獲得される）やその他の誤って折りたたまれたタンパク質も、これらの細胞通信ネットワークをハイジャックする、と Zurzolo は説明した。脳内で凝集し、健康なタンパク質から誤って折りたたまれたタンパク質への変換を触媒する誤って折りたたまれたタンパク質は、神経変性疾患の主な原因です。これらの誤って折り畳まれたタンパク質の例には、それぞれアルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病の発症の中心となるタウ、α-シヌクレイン、ハンチンチンが含まれます。数年前まで、これらの感染性タンパク質が細胞から細胞へとどのように広がるかは明らかではありませんでした。ウイルスやバクテリアとは異なり、誤って折り畳まれたタンパク質は移動する明白な方法を持っていないからです.
ハンス・ヘルマン・ゲルデスのグループが論文を発表した2004年、ズルゾロはパスツール研究所でプリオンを研究していた。インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者によってすぐに発表された別の論文は、免疫系の細胞がTNTを介して接続できることを示し、これにより彼女はプリオンがこの方法で拡散できるかどうかを調査するようになりました. 2009 年、Zurzolo は、樹状細胞が TNT を介してニューロンと通信できること、および樹状細胞にプリオンを感染させると、プリオンがニューロンに伝達されることを示す研究を発表しました。これが、プリオンによって引き起こされる病気が TNT を介して細胞間で広がる可能性があるという考えの始まりでした.
樹状細胞は腸からプリオンを獲得し、感染を常に巡回している、と Zurzolo 氏は述べた。次に、運動性の樹状細胞が体内を循環し、TNT を介してプリオンを脾臓やリンパ節 (免疫系の器官)、末梢神経に拡散させます。神経系に入ると、プリオンは TNT を介してニューロンから別のニューロンへと容易に移動し、脳に到達します。誤って折り畳まれたタンパク質が細胞間をどのように移動するかを発見したことは、「本当にブレークスルーでした」と Zurzolo 氏は述べています。
過去 10 年間に、彼女は、アルツハイマー病やパーキンソン病に関与する誤って折りたたまれたタンパク質も、TNT を介してニューロンからニューロンへと広がることを示しました。 「私たちが信じているのは、細胞間の TNT を殺すことによってこれらのタンパク質の拡散を止めようとすれば、これらの病気のいくつかを治すことができるということです」と彼女は言いました.
それでも、グリア細胞は TNT を介してニューロンと通信することでニューロンをサポートするため、バランスを取らなければならない、と Rustom は説明した。したがって、TNT を遮断すると、脳の正常な生理機能も妨げられる可能性があります。
ズルゾロは、TNT が形成される方法と理由についての考えも洗練させました。 「私たちの一般的な仮説は、細胞が危険にさらされたり、死にかけたり、ストレスを感じたりすると、細胞は発生中に通常使用されるコミュニケーションの方法を実装しようとするというものです。これらのTNTは、発生中の有機体での高速通信に適していると考えているためです。 、" 彼女は言いました。 「しかし、細胞が病気に冒されたり、ウイルスやプリオンに感染したりすると、細胞にストレスがかかり、これらの突起を送って、健康な細胞から助けを得ようとするか、プリオンを排出しようとします。」
がん、HIV、神経変性疾患の蔓延における TNT の役割を考えると、研究者や製薬会社がそれらを破壊する方法を見つけることに関心を持っていることは驚くべきことではありません。しかし、これらの構造を治療目的にも利用できるとしたらどうでしょうか?
再生医療における意外な役割
パリのMondor Institute of Biomedical Researchの研究者であるAnne-Marie Rodriguezは、TNTが損傷した心臓細胞が心臓発作から回復するのを助けることを発見しました.心臓発作の後、心筋細胞が酸素不足によって損傷を受けると、損傷したミトコンドリアから活性酸素種と呼ばれる分子が放出されます。これらの分子は近くの間葉系幹細胞に警告を発し、間葉系幹細胞はより多くのミトコンドリアを生成し始め、TNT を病んでいる隣人に向けます。その後、幹細胞は TNT 接続を介して健康な代替ミトコンドリアを提供します。このように、Rodriguez 氏は、幹細胞はセンサーであり、損傷した組織の救助者でもあると説明しました。
カリフォルニア大学サンディエゴ校の再生医療および幹細胞研究者である Stephanie Cherqui は、単一の欠陥遺伝子によって引き起こされるまれな疾患であるシスチノーシスの治療法を開発中で、TNT が重要な役割を果たしていることを偶然発見しました。この欠損により、アミノ酸のシスチンが全身の組織に毒性レベルまで蓄積し、腎臓に特に損傷を与えます.
Cherqui 氏がマウスモデルで開発しているこの疾患の治療戦略は、骨から造血 (血液を生成する) 幹細胞を抽出し、そこに欠陥遺伝子の機能的なコピーを挿入することです。その後、化学療法で元の幹細胞を骨髄から除去し、遺伝子操作された幹細胞を導入して、幹細胞が再構築できるようにします。
「私の同僚は、骨髄幹細胞が組織の損傷に対して何でもできることに懐疑的でした」と Cherqui 氏は述べています。 「また、血液幹細胞がシスチノーシスのマウスモデルの残りの生涯にわたって組織損傷を修復できることを見て、非常に驚きました。」
遺伝子操作された幹細胞はどのようにしてマウスを救ったのでしょうか?まず、マクロファージと呼ばれる免疫細胞に分化し、損傷した腎臓組織に移動しました。そこに着くと、マクロファージは損傷した細胞で TNT を形成し、リソソーム (健康な酵素でいっぱいの小さなパッケージ) を病気の細胞に移した、と Cherqui は説明した。病気の細胞はまた、欠陥のあるリソソームを同じチャネルを通じてマクロファージに送り返しました.
「これは私たちが示した新しい作用機序であり、今では、この種の治療法を私たちが考えていたよりも多くの疾患に適用できると考えています」と Cherqui 氏は述べています。
彼女は、フリードライヒ運動失調症と呼ばれるミトコンドリア病を治療するために同様のアプローチを使用しています. 「マウスモデルを完全に救うことができたことに本当に驚きました」と彼女は言いました.予備的な細胞培養研究で、彼女は、操作された治療用幹細胞がマクロファージになり、TNT を介して健康なミトコンドリアを運ぶことができることを示しました。彼女は現在、脳、心臓、筋肉などの組織のプロセスを研究しています.
「研究がどれだけ速く進んでいるか、これらのTNTが健康や病気のさまざまな側面にどれだけ関与しているかについて、私たちがどれだけ多くのことを知っているかは驚くべきことです」とCherquiは言いました. 「私は、これらの細胞質突起が人間の健康と病気の状態の鍵であると心から信じています。」
基本機能
多くの科学者が TNT と、健康と病気の多くの側面を解明する可能性に熱心ですが、TNT の基礎生物学の多くが完全には理解されていないため、懐疑的なままの科学者もいます.
それらに取り組んでいる研究者は、これらの小さな管の形成を引き起こす細胞シグナル伝達経路を理解し、それらをより明確に標識するために使用できるバイオマーカーを特定し、構造的および機能的多様性を特徴付ける緊急の必要性があることに同意します。ナノチューブとマイクロチューブ。
「すべてのサブタイプを研究するには、優れた細胞生物学者が必要です。分子機構が本当に似ているかどうかは、今のところわかりません」と Winkler 氏は述べています。 「学ぶべきことはまだたくさんあります。」
ズルゾロは、この分野を前進させるためには、これらの構造とは何か、またそれらが何をするのかを厳密に科学的に実証する必要があることに同意します。それにもかかわらず、彼女は TNT が重要であると確信しています。 「彼ら（TNT）は多くの機能を持ち、多くの病気に関与していると確信しています。最終的には細胞間のコミュニケーションだからです」と彼女は言いました. 「これは細胞の基本的な機能です。」
訂正:この記事は 5 月 4 日に更新され、Ian Smith の写真に適切なクレジットを表示し、キャプションに記載されている彼の役職を訂正しました。
