組織が語り合う再生の言葉

ラボセミナーでは、ARE参加報告会と研究進捗報告、論文紹介が行われました。医学類M4のTさんが下記の論文を紹介しました。いつもながら美しくまとめられたスライドでした！臨床実習からのラボセミナーお疲れ様でした。

Science Advances, 2025

Harnessing tissue-derived mitochondria-rich extracellular vesicles (Ti-mitoEVs) to boost mitochondrial biogenesis for regenerative medicine
組織由来ミトコンドリア豊富細胞外小胞（Ti-mitoEVs）を活用した、再生医療のためのミトコンドリア生合成促進

Peng Lou et al. (Department of General Surgery and NHC Key Laboratory of Transplant Engineering and Immunology, West China Hospital, Sichuan University, China)

Abstract

本研究は、健康な組織、特に骨格筋から直接単離したミトコンドリア豊富な細胞外小胞（tissue-derived mitochondria-rich extracellular vesicles：Ti-mitoEVs）が、ミトコンドリア生合成を促進し、再生医療に応用可能であることを明らかにした。著者らは、組織を酵素消化後に最適化した遠心分離法（2,000–30,000g）を用いることで、従来法より高収率かつ高純度でTi-mitoEVsを単離する手法を確立した。Ti-mitoEVsは、ミトコンドリア内膜・外膜・マトリックス由来タンパク質を網羅的に含み、断片化されていない完全長16.3 kbの環状ミトコンドリアDNA（mtDNA）を保持していた。また、高い膜電位と低いROSレベルを示し、機能的に健常なミトコンドリア成分を含むことが確認された。

in vitro解析では、Ti-mitoEVsが受容細胞へmtDNAを直接移送し、mtDNAコピー数やミトコンドリア遺伝子発現を増加させ、ATP産生能、最大呼吸能、予備呼吸能を有意に改善することが示された。さらに、酸化ストレスによるミトコンドリア障害モデルにおいても、Ti-mitoEVsはミトコンドリア機能低下とROS増加を回復させた。in vivoでは、急性筋損傷モデルおよび葉酸誘発性慢性腎臓病モデルにおいて、Ti-mitoEVs投与がミトコンドリア障害を軽減し、炎症反応や線維化を抑制することで組織修復を促進した。加えて、遺伝子発現解析から、Ti-mitoEVsの治療効果がミトコンドリア代謝回復に依存することが示された。さらに、高強度運動により骨格筋からのTi-mitoEVs分泌が増加することが明らかとなり、Ti-mitoEVsが生体内の内因性ミトコンドリア調節機構として機能する可能性が示唆された。

本研究全体の概念モデルを示した模式図であり、Ti-mitoEV療法がどのようにして組織修復をもたらすかを統合的に説明している。この図では、まず健康な組織、特に骨格筋から分泌・単離されたTi-mitoEVsが、完全なミトコンドリアゲノム（16.3 kb mtDNA）と機能的なミトコンドリアタンパク質を内包した状態で存在することが前提として描かれている。次に、これらのTi-mitoEVsが損傷組織へ投与される、あるいは生体内で内因性に放出されることで、受容細胞に取り込まれ、細胞内ミトコンドリアと融合または相互作用し、ミトコンドリアゲノムおよびミトコンドリア構成要素を直接供給する過程が示されている。その結果として、受容細胞ではミトコンドリア生合成が促進され、酸化的リン酸化やATP産生などのミトコンドリア代謝が回復し、同時にミトコンドリア障害に起因する炎症反応や酸化ストレスが抑制される流れが模式的に表現されている。最終的に、こうしたミトコンドリア代謝の回復を基盤として、急性筋損傷や慢性腎臓病など、ミトコンドリア障害を共通病態とする多様な組織損傷において修復・再生が促進されることが示されており、Ti-mitoEVsが「ミトコンドリア生合成を増強する天然由来ナノブースター」として再生医療に応用可能であるという本研究の中心的結論を視覚的にまとめた図である。

Methods

骨格筋組織を酵素消化し、段階的超遠心（2,000–30,000g）によりTi-mitoEVsを単離
電子顕微鏡、プロテオミクス、mtDNA定量、長鎖PCRで内容物を解析
in vitro：HK-2細胞、C2C12細胞で代謝・呼吸能（Seahorse解析）を評価
in vivo：
- 急性筋損傷モデル（カルジオトキシン）
- 葉酸誘発性慢性腎臓病（CKD）モデル
遺伝子発現解析（RNA-seq）による作用機序解析

Results

本研究の結果として、健康な骨格筋組織から最適化した遠心分離法により単離されたTi-mitoEVsは、内膜・外膜・マトリックス由来タンパク質および断片化されていない完全長16.3 kbのミトコンドリアDNAを豊富に含み、高い膜電位と低ROSを維持した機能的ミトコンドリア成分を有しており、これらが受容細胞へ直接移送されることでmtDNAコピー数とミトコンドリア遺伝子発現を増加させ、ATP産生能、基礎呼吸、最大呼吸、予備呼吸能を有意に回復させたうえ、酸化ストレス下でもミトコンドリア障害とROS蓄積を抑制し、さらにin vivoでは急性筋損傷モデルにおいて筋線維破壊と炎症細胞浸潤を抑えつつTFAMやTOM20発現を回復させ、慢性腎臓病モデルでは腎線維化、炎症性サイトカイン発現、マクロファージ浸潤を低減しながらミトコンドリア生合成と代謝を改善することで組織修復を促進し、これら一連の治療効果がミトコンドリア代謝回復に強く依存することが明確に示された。

Discussion

本研究のDiscussionとして、著者らは、Ti-mitoEVsが単なる情報伝達用の細胞外小胞ではなく、機能的なミトコンドリア成分と完全長mtDNAを内包した「ミトコンドリア補充体」として作用し得る点を強調しており、受容細胞におけるミトコンドリア生合成と代謝回復を直接的に駆動する新しい再生医療メカニズムを提示している。従来の低分子薬や単離ミトコンドリア移植は、組織特異性、安定性、免疫反応、保存性といった点で課題があったのに対し、Ti-mitoEVsは生体由来ナノベシクルとして高い生体適合性を有し、脂質二重膜によりミトコンドリア成分が保護されることで、損傷組織の過酷な環境下でも機能を発揮できる利点を持つと考察されている。また、急性筋損傷と慢性腎臓病という異なる病態モデルにおいて一貫して治療効果を示したことから、Ti-mitoEVsの作用は特定臓器に限定されず、「ミトコンドリア障害」を共通病態とする多様な疾患に応用可能である可能性が示唆された。一方で、Ti-mitoEVsの正確な分泌細胞起源や、mitoEVと非mitoEVの機能差、最適な保存条件や品質管理基準といった課題も残されており、今後はこれらを明らかにすることで、Ti-mitoEVsを基盤としたミトコンドリア補充療法の臨床応用が現実的になると結論づけている。