JP2022519108A - エクソソーム液体生検サンプルの製造装置、製造方法及びそれから製造されたエクソソーム液体生検サンプルの分析方法 - Google Patents

エクソソーム液体生検サンプルの製造装置、製造方法及びそれから製造されたエクソソーム液体生検サンプルの分析方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、体液内の特定疾患関連のターゲットエクソソーム亜集団、次亜集団またはそれ以下の下部集団を高収率及び元の状態で分離及び回収して液体生検サンプルを製造し、これを分析する技術に関する。

Description

本発明は、母集団サンプルから、癌疾患などのような特定疾患関連のエクソソームを亜集団、次亜集団またはその下位集団に分離して液体生検サンプルを製造し、その液体生検サンプルを分析する技術に関する。
最近、癌疾患及び退行性疾患などの特定疾患の検査の痛みを最小化し、早期診断を実現するための「液体生検（ｌｉｑｕｉｄ ｂｉｏｐｓｙ）」の概念が紹介された。液体生検は、非侵襲的な方法で比較的簡便に血液、唾液、尿などのような体液を抽出して、特定疾患関連の細胞あるいはこれから流出された成分（ペプチド、タンパク質、核酸、小器官、特定の物質など）に対して分析を行う方法である。これを通じて、特定の疾患が発生したか否かを早期に確認できるので、既存の映像診断、組織検査、そして血液検査方法などのような検査方法の代案として注目を集めている。
特定疾患、例えば、癌疾患の診断時に液体生検を用いる場合、組織生検（ｔｉｓｓｕｅ ｂｉｏｐｓｙ）と比較して、一般的に次のような利点がある。第一に、通常、侵襲的な外科的組織採取が潜在的な危険があり、高価である反面、液体生検時の体液の利用は比較的容易であり、合併症の危険が軽減される。第二に、組織生検は、必要時に単一の部位に対する疾患のスナップ撮影を提供するだけであり、また、疾患の進行及び治療に対して時々刻々モニタすることができない反面、液体生検を用いると、癌疾患の進行に対してリアルタイムで連続してモニタすることができる。第三に、組織生検を通じては、腫瘍が多様であるため、その構成に対する完全な理解が難しいが、液体生検時には、腫瘍細胞から生成されたバイオ物質を収集するので、分子レベルで腫瘍の構成に対するさらに総合的な分析が可能である。第四に、組織生検では、サンプルのサイズが制限されるため、種々の診断を目的として分けて使用する場合、不足するが、液体生検では、必要に応じて様々な体液からサンプルの多重採取が可能である。第五に、組織生検において低い正確度により試験結果の臨床有用性が制限される反面、液体生検は、相対的にさらに高い正確度（陽性サンプル測定正確度）及び敏感度（陰性サンプル測定正確度）を提供するので、臨床意思決定のための確実な結果を提供することができる。
癌疾患の診断分野において、液体生検用バイオマーカーとして、循環腫瘍細胞（ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｕｍｏｒ ｃｅｌｌｓ；ＣＴＣ）、細胞遊離ＤＮＡ（ｃｅｌｌ－ｆｒｅｅ ＤＮＡ）及びエクソソームが、その潜在力が認められている。循環腫瘍細胞は、濃縮、選別性、そして分離核酸の安定性は優れるが、血液内の分布量が極めて少ないため、癌疾患の早期診断に使用しにくい。細胞遊離ＤＮＡは、血液内の分布量は多いが、濃縮及び選別が難しく、また、分離核酸の安定性が低い。さらに、ターゲット疾患と関連のない多量の非特異ＤＮＡの存在により、分析時に雑音（ｎｏｉｓｅ）問題の克服が主な懸案となっている。このような２つのバイオマーカーと比較して、エクソソームは、血液内の分布量が多く、濃縮及び選別が容易であり、そして、核酸を安定した状態で分離できる。但し、各エクソソーム粒子間のサイズ、密度、含有されたタンパク質及び核酸成分の組成が極めて異質的であるため、疾患関連の純粋なエクソソームへの分離が先行しなければならない。
液体生検バイオマーカーとしてエクソソームが注目を集めている。人体内の細胞から微小小胞体の形態で分泌されて、その由来細胞の特徴をそのまま反映しているエクソソーム（３０～１５０ｎｍのサイズ）は、血液、唾液、尿などの様々な体液から抽出可能である。エクソソームは、脂質二重層からなる小胞体であるので、体内で安定的であるだけでなく、プロテアーゼ（ｐｒｏｔｅａｓｅ）、ＲＮａｓｅ、ＤＮａｓｅなどの攻撃から自由である。したがって、エクソソームを癌疾患及び退行性疾患などの特定疾患の診断の新たなバイオマーカーとして利用しようとする研究が増加しており、実際にエクソソームが含有するタンパク質及びＲＮＡなどの構成成分をマーカーとして用いた癌の早期診断及び同伴診断の目的の製品が開発されている。
特定疾患、特に、癌疾患に対する液体生検時に診断に使用できるエクソソーム含有タンパク質及びＲＮＡのバイオマーカーは、次の通りである。まず、エクソソームの生合成及び処理を説明すると、第一に、エクソソームのような微小小胞体（ｍｉｃｒｏ－ｖｅｓｉｃｌｅｓ；ＭＶＥｓ）は、細胞の内部でつぼみを形成するが、このとき、細胞質内のタンパク質、ｍＲＮＡｓ、及びｍｉｃｒｏＲＮＡｓ（ｍｉＲＮＡｓ）などを含む、小さな細胞内部の小胞体を形成する。第二に、このような内部小胞体は、ＭＶＥｓが細胞膜と融合してエクソソームとして外部に放出される。第三に、放出されたエクソソームは、その表面の特定のリガンドが付着されることによって決定される目的地に向かって移動を始める。第四に、ターゲット細胞に到達したエクソソームは、エンドサイトーシス（ｅｎｄｏｃｙｔｏｓｉｓ）経路を介して流入されるか、またはターゲット細胞膜と融合して細胞質内にエクソソーム成分を直接放出する。
第一の段階のエクソソームの生合成時に関与するタンパク質成分として、ＨＲＳ（ｈｅｐａｔｏｃｙｔｅ ｇｒｏｗｔｈ ｆａｃｔｏｒ－ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｔｙｒｏｓｉｎｅ ｋｉｎａｓｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、ＳＴＡＭ１（ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｉｎｇ ａｄａｐｔｏｒ ｍｅｌｅｃｕｌｅ）、ＴＳＧ１０１（ｔｕｍｏｒ ｓｕｓｃｅｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｇｅｎｅ）、及びＣＤ８１などがある。第二の段階のエクソソーム放出段階に関与するタンパク質として、ＲＡＢ２Ｂ、ＲＡＢ５Ａ、ＲＡＢ７、及びＲＡＢ９Ａなどが知られている。このようなタンパク質分子は、治療剤の開発時に潜在的な治療対象候補であるだけでなく、エクソソームに対する探知及び分離技術の開発において主なターゲットとして用いられ得る。
また、体液に放出されたエクソソームは、二重螺旋構造のＤＮＡｓ、ＲＮＡｓ、タンパク質、及び脂質成分などの様々な細胞構成成分を含む。最近の研究によれば、エクソソーム搭載ＤＮＡ分子は、ゲノム全体を代表し、また、エクソソームを放出した腫瘍細胞の突然変異状態を反映することができる。したがって、エクソソーム内の二重螺旋構造のＤＮＡ分子に対する分析は、特に癌疾患や転移を早期に探知するのに有用であり得る。エクソソーム含有タンパク質の場合、その組成は、放出した細胞や組織に応じて変化するが、ほとんどのエクソソームは、進化上保存されるタンパク質分子の一般的な集合体を含む。エクソソーム内のタンパク質含量は、エクソソームの分離及び探知技術、そして分析方法を開発するのに重要である。さらに、エクソソームタンパク質分子は、他の病理学的条件の情報の収集及び診断においてバイオマーカーとして用いることができる。エクソソーム含有ＲＮＡの場合、細胞由来及びエクソソーム由来のｍＲＮＡとｍｉＲＮＡの含量における差、そして、エクソソーム含有ｍｉＲＮＡｓの機能性に対して報告された後、同時に発表された多数のｍｉＲＮＡｓに関する研究結果は、エクソソームに関する爆発的な研究を触発した。実際に、ｍｉＲＮＡｓは、診断は勿論、治療剤の開発において特別なターゲットとして注目されている。新たな探知機術を用いた多くの報告において、ｍｉＲＮＡｓはほぼ全ての体液に存在し、したがって、診断目的の分析時の潜在的なバイオマーカーとして浮かび上がってきている。実際に、様々な体液サンプルを分析した結果によると、サンプルの出所に応じて多くの数の異なるｍｉＲＮＡｓが発見されている。
特に癌関連の主な懸案として、エクソソームは、腫瘍の発生、癌の転移、及び薬物抵抗性において役割を行うものと知られている。腫瘍が発生した微視的環境において、他の細胞と同様に腫瘍細胞もエクソソーム及び他の微小小胞体を分泌するが、この物質は、血管形成の促進による腫瘍の進行及び転移時の腫瘍細胞の移動に寄与する。腫瘍細胞由来の小胞体はまた、免疫抑制に関与する分子を含有し、これらの分子は、Ｔリンパ球（Ｔ ｌｙｍｐｈｏｃｙｔｅｓ）あるいはナチュラルキラー細胞（ｎａｔｕｒａｌ ｋｉｌｌｅｒ ｃｅｌｌｓ）を不活性化させるか、または免疫反応を抑制するために制御性Ｔリンパ球（ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ Ｔ ｌｙｍｐｈｏｃｙｔｅｓ）あるいはミエロイド細胞（ｍｙｅｌｏｉｄ ｃｅｌｌｓ）の分化を促進し得る。また、腫瘍細胞から分泌されたエクソソームによる腫瘍活性の転移も報告されたことがある。
しかし、体液にはあらゆる細胞から由来したエクソソームが混合された形態で存在するため、単純に体液から分離されたバルク母集団（ｂｕｌｋ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）形態のエクソソームサンプルでは癌などの特定疾患を正確に診断するのに限界がある。さらに、疾患の発病初期には体液内の特定疾患関連細胞由来のエクソソームの濃度が相対的に非常に低いため、早期診断のためには、体液からターゲットエクソソームの分離及び濃縮が先行しなければならない。現存するエクソソーム分離技術の中で、密度差ベースの超遠心分離方法が再現性が高く、比較的安定した工程により、最上位標準（ｇｏｌｄ ｓｔａｎｄａｒｄ）分離過程として採択されている。しかし、高価な装備が必ず必要であり、分離時間が長くかかるという欠点がある。このような欠点を補完するために、エクソソームを沈殿させて分離する方法、サイズ排除クロマトグラフィ（ｓｉｚｅ ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）を用いるか、またはマイクロフルイディクス（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ）を用いてサイズによって分離する方法が開発された。
しかし、このような既存のエクソソーム分離技術は、体液に存在する全てのエクソソームを一つの母集団形態で提供するため、癌のような特定細胞由来の極微量のエクソソームを選択的に探知するのに限界がある。実際に、細胞から放出されたエクソソームには生化学的成分（膜タンパク質、内部搭載タンパク質及びＲＮＡなど）がエクソソームの膜や内部に多様に含まれているため、成分構成上、非常に異質的である。特に、癌細胞由来のエクソソームのうちの特定のエクソソームには、血管新生及び癌転移の前哨段階で局地的な環境造成作業に関与するｍＲＮＡ又はｍｉＲＮＡが含まれていることが報告されている。さらに、上述したように、癌転移時に前記の特定のエクソソームは、免疫細胞の死滅を誘導するか、または正常細胞を癌細胞化する過程に関与する生化学成分を含んでいるものと知られている。
癌のような特定疾患の診断時に、体液に存在する全てのエクソソームが含まれたバルク母集団を液体生検サンプルとして用いる場合、高い診断正確度を得ることは非常に難しい。これは、非特異エクソソームによって引き起こされる非特異付着など、サンプル母体効果（ｓａｍｐｌｅ ｍａｔｒｉｘ ｅｆｆｅｃｔ）により分析の特異度及び敏感度に否定的な結果をもたらすためである。このような分析的問題を克服するために、特異性は低いが、特定の疾患者の体液において増加すると知られている多重バイオマーカー（例：複数の異なるｍｉＲＮＡ化学種）を同時に測定して、疾患が発生したか否かに対する判別に使用することができる。しかし、多重バイオマーカーの使用によるシナジー効果は制限的であるしかなく、これは、疾患と特異に関連しないほとんどのエクソソームマーカーの疾患特異性が根本的に低いためである。
そこで、癌のような特定疾患の発生と関連するエクソソームを選択的に分離できず特定疾患の診断に活用できないという問題を解決するための方案が切実に求められている状況である。
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためのもので、本発明の一態様は、癌、退行性疾患、心臓疾患、感染疾患のような特定疾患の診断時に、体液内の特定疾患関連のターゲットエクソソーム亜集団、次亜集団またはそれ以下の下部集団を、高収率及び元の状態で分離及び回収して液体生検サンプルとして提供できるように、温和な条件を用いる逐次的多重免疫親和分離技術を提供することにある。
また、本発明の他の態様は、ターゲットエクソソームに存在する特定疾患関連のタンパク質及び核酸などのバイオマーカーを発掘するために、ターゲットエクソソーム亜集団、次亜集団またはそれ以下の下部集団を含む液体生検サンプルを分析する技術を提供することにある。
本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルの製造装置は、固相（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）の固定部材と；多数の細胞から分泌されたエクソソームを含有するエクソソーム母集団サンプルにおいて、所定の疾患と関連する第１ターゲットエクソソームが有する第１分離マーカーと特異的に結合して前記第１ターゲットエクソソームを捕捉する第１捕捉素材と；前記固定部材と前記第１捕捉素材とを分離可能に結合させる第１可逆的リンカーと；を含むことができる。
また、本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルの製造方法は、（ａ）所定の疾患と関連する第１ターゲットエクソソームが有する第１分離マーカーと特異的に結合する第１捕捉素材を、第１可逆的リンカーを用いて、固相（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）の固定部材に結合させるステップと；（ｂ）多数の細胞から分泌されたエクソソームを含有するエクソソーム母集団サンプルと、前記固定部材に結合された前記第１捕捉素材とを反応させて、多数の前記第１ターゲットエクソソームを捕捉することによって、前記第１ターゲットエクソソームの集団であるエクソソーム亜集団を分離するステップと；（ｃ）捕捉された前記第１ターゲットエクソソームが前記固定部材から分離されるように、前記第１可逆的リンカーを解離させ、前記エクソソーム亜集団を回収するステップと；を含むことができる。
また、本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルの分析方法は、（ａ）健常者群及び患者群のそれぞれの体内の多数の細胞から分泌されたエクソソームを含有するエクソソーム母集団サンプルから製造されて、所定の疾患関連ターゲットエクソソームを含有するエクソソーム液体生検サンプルを準備するステップと；（ｂ）前記エクソソーム液体生検サンプルに含有された前記ターゲットエクソソームが有する多数のバイオマーカー別に定量的信号を測定するステップと；（ｃ）測定された前記定量的信号の信号値に基づいて、多数の前記バイオマーカー間の相関関係によって、前記健常者群及び前記患者群のそれぞれの前記エクソソーム液体生検サンプルを分析するステップと；を含むことができる。
本発明によれば、ターゲット疾患との関連性が相対的に低いが、疾患関連エクソソームを含む包括的な上位集団のエクソソーム特異マーカー（１次分離マーカー）に対するエクソソーム亜集団の分離を通じて、ターゲット疾患との関連性が高い特異エクソソームを後で分離可能な程度に濃縮及び回収することができ、１次分離溶液内のエクソソーム特異マーカー（２次分離マーカー）に対するエクソソーム次亜集団の分離を通じて、ターゲット疾患の拡散に関与するバイオマーカーが内包されたエクソソームを濃縮された形態の液体生検サンプルとして提供することができる。
また、体内の多数の細胞から分泌されたエクソソームを含有するエクソソーム母集団サンプルから、特定疾患関連エクソソームを含有するエクソソーム亜集団、次亜集団またはそれ以下の下部集団を分離・回収して液体生検サンプルを製造した後、その液体生検サンプルを対象としてバイオマーカープロファイリング分析を行うことによって、特定疾患に特異なタンパク質及び核酸などのバイオマーカーを発掘することができる。
エクソソーム亜集団、次亜集団またはそれ以下の下部集団の形態に分離及び濃縮された液体生検サンプルを分析対象とするので、非特異エクソソームが除去されることで、分析時に雑音（ｎｏｉｓｅ）が最小化され、特定のエクソソーム信号が極大化され、これにより、エクソソームを癌疾患などの特定疾患のバイオマーカーとして用いる際に、現存する問題点であるエクソソームの異質性（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ）による非特異エクソソームの干渉が最小化されて、液体生検サンプルから母細胞の生理学的特性及び系譜に関する情報を正確に把握することができる。
また、本発明を疾患の診断に適用する場合、癌疾患、退行性疾患、心臓疾患、感染疾患などの特定疾患に対する診断の正確度を著しく増加させることで、病期の初期に疾患の診断が可能な早期臨床診断の効果を示すことができる。さらに、疾患の治療時に、治療剤に応じて病期の進行あるいは衰退に関する情報の取得が可能になるので、個人に応じて個別に選別する同伴診断にも適用することができる。
従来の液体生検サンプルを用いたバイオマーカー分析工程（左側）と、本発明によって製造された液体生検サンプルを用いたバイオマーカー分析工程（右側）とを比較した模式図である。 本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルを製造する装置を概略的に示した構成図である。 図２に示された第１可逆的リンカー及び第２可逆的リンカーを様々な実施例によって概略的に示した構成図である。 図２に示された第１可逆的リンカー及び第２可逆的リンカーを様々な実施例によって概略的に示した構成図である。 図２に示された第１可逆的リンカー及び第２可逆的リンカーを様々な実施例によって概略的に示した構成図である。 図２に示された第１可逆的リンカー及び第２可逆的リンカーを様々な実施例によって概略的に示した構成図である。 本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルを製造する方法のフローチャートである。 本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルを製造する方法のフローチャートである。 本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルを製造する方法のフローチャートである。 本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルを製造する方法のフローチャートである。 本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルを製造する方法のフローチャートである。 本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルを製造する方法のフローチャートである。 本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルを製造する方法のフローチャートである。 本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルの分析方法のフローチャートである。 スイッチ性付着反応を用いた親和分離技術を用いてサンプル内のＣＤ６３陽性（ＣＤ６３＋）エクソソームを免疫親和クロマトグラフィー工程により分離した結果である。 図１５の免疫親和クロマトグラフィー工程を繰り返して用いてエクソソームの分離時の再現性を示した結果である。 スイッチ性付着反応を用いてサンプル内のＣＤ６３＋エクソソームを免疫磁性分離工程により分離及び濃縮した結果である。 図１７の免疫磁性分離工程を繰り返して行う場合のＣＤ６３＋エクソソームの分離時の再現性を示した結果である。 スイッチ性付着反応を用いて分離されたＣＤ６３＋エクソソームに対する物理的特性化の結果である。 スイッチ性付着反応を用いて分離されたＣＤ６３＋エクソソームサンプルのエクソソーム表面マーカーに対する免疫化学的特性化の結果である。 エクソソーム標準サンプル間の濃度の変移を補償するために、ＣＤ９の濃度を基準としてＣａｖｅｏｌｉｎ１（Ｃａｖ１）マーカーの濃度を補正した結果である。 スイッチ性付着反応を用いて分離したＣＤ６３＋エクソソームを分析サンプルとして用いる際に、黒色腫癌の診断に対する潜在的な効果を示した結果である。 スイッチ性付着反応を用いた親和分離システムと、現在商業的に販売される様々なエクソソーム分離システムとの間に、分離されたサンプルの免疫分析によって決定されたＣａｖ１／ＣＤ９の濃度比率を基準として、黒色腫癌サンプルを正常サンプルから区分する性能に対する比較結果である。 本発明に係るエクソソーム亜集団の分離効果を検証するために、非標識センサを用いてエクソソーム標準サンプルの免疫親和分離前後に得たサンプルのそれぞれに対してＣＤ９及びＣａｖ１マーカーを同時に測定した実験結果であって、分離前後の健常者のエクソソームサンプル内のＣＤ９の濃度を示す。 本発明に係るエクソソーム亜集団の分離効果を検証するために、非標識センサを用いてエクソソーム標準サンプルの免疫親和分離前後に得たサンプルのそれぞれに対してＣＤ９及びＣａｖ１マーカーを同時に測定した実験結果であって、分離前後の健常者のエクソソームサンプル内のＣａｖ１の濃度を示す。 本発明に係るエクソソーム亜集団の分離効果を検証するために、非標識センサを用いてエクソソーム標準サンプルの免疫親和分離前後に得たサンプルのそれぞれに対してＣＤ９及びＣａｖ１マーカーを同時に測定した実験結果であって、分離前後の癌細胞エクソソームサンプル内のＣＤ９の濃度を示す。 本発明に係るエクソソーム亜集団の分離効果を検証するために、非標識センサを用いてエクソソーム標準サンプルの免疫親和分離前後に得たサンプルのそれぞれに対してＣＤ９及びＣａｖ１マーカーを同時に測定した実験結果であって、分離前後の癌細胞エクソソームサンプル内のＣａｖ１の濃度を示す。 健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団分析サンプルに対するエクソソーム表面マーカーのプロファイリング分析後、腫瘍抑制マーカーに対する、腫瘍の進行、促進、及び転移マーカーとの相関関係を比較した実験結果である。 健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団から分離されたエクソソーム亜集団を分析サンプルとして用いて、エクソソーム次亜集団に対して表面マーカープロファイリング分析後、腫瘍抑制マーカーに対する、腫瘍の進行、促進、及び転移マーカーとの相関関係を正常サンプル群と比較した実験結果である。 健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団分析サンプルに対するエクソソーム表面マーカーのプロファイリング分析後、腫瘍の進行、促進、及び転移マーカーの間の相関関係を、正常サンプル群と癌陽性サンプル群を比較した実験結果である。 健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団から分離されたエクソソーム亜集団分析サンプル内のエクソソーム次亜集団に対するエクソソーム表面マーカーのプロファイリング分析後、腫瘍の進行、促進、及び転移マーカーの間の相関関係を、正常サンプル群と癌陽性サンプル群を比較した実験結果である。 健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団分析サンプルを対象として新たに定義されたパラメータを適用して行ったバイオマーカーのプロファイリング分析の結果である。 健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団から分離されたエクソソーム亜集団分析サンプルを対象として新たに定義されたパラメータを適用したバイオマーカーのプロファイリング分析の結果である。 健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団分析サンプル（図３４の（Ａ））及びこれから分離されたエクソソーム亜集団分析サンプル（図３４の（Ｂ））を対象として新たに定義されたパラメータを適用したバイオマーカーのプロファイリング分析の結果に対して、２次元パラメータ分析を総合した結果である。 健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム亜集団分析サンプルを対象として新たに定義されたパラメータを適用した次亜集団のバイオマーカーのプロファイリング分析の結果に対して、２次元パラメータ分析を総合した結果である。 健常者群及び前立腺癌患者群のそれぞれのエクソソーム亜集団分析サンプルを対象として新たに定義されたパラメータを適用したバイオマーカーのプロファイリング分析の結果に対して、２次元パラメータ分析を総合した結果である。 前立腺癌細胞由来の細胞株培養液のエクソソーム母集団、ＣＤ６３＋亜集団、ＣＤ６３＋／ＣＤ８１＋次亜集団サンプルに含有された前立腺癌ｍｉＲＮＡバイオマーカーを分析した結果である。
本発明の目的、特定の利点及び新規な特徴は、添付の図面と関連する以下の詳細な説明及び好ましい実施例からさらに明らかになるだろう。本明細書において各図面の構成要素に参照番号を付加するにおいて、同一の構成要素に限っては、たとえ他の図面上に表示されても、可能な限り同一の番号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために使用されるもので、構成要素が前記用語によって制限されるものではない。以下、本発明を説明するにおいて、本発明の要旨を不要に曖昧にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は、従来の液体生検サンプルを用いたバイオマーカー分析工程（左側）と、本発明によって製造された液体生検サンプルを用いたバイオマーカー分析工程（右側）とを比較した模式図である。
本発明は、体液内のエクソソームを亜集団、そして、順次にそれ以下の下部集団に分離して液体生検サンプルを製造し、これを対象としてエクソソーム下部集団に対するバイオマーカープロファイリング分析を行うことで、特定疾患関連のバイオマーカーを発掘し、これを臨床早期診断などに適用する技術に関する。
特定の疾患が発生したか否かを早期に確認する診断方法として、血液、唾液、尿などの体液を抽出して、特定疾患関連の細胞から放出されたエクソソーム（ｅｘｏｓｏｍｅ）に対する分析を行う「液体生検（ｌｉｑｕｉｄ ｂｉｏｐｓｙ）」がある。体液から抽出されるエクソソームを、癌疾患、退行性疾患、感染疾患、及び心臓疾患などの特定疾患の診断の新たなバイオマーカーとして用いる技術が最近研究されている。但し、体液にはあらゆる細胞から由来したエクソソームが混合された形態で存在するため、図１の左側に示された、従来のように単純に体液から分離されたバルク母集団（ｂｕｌｋ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）形態のエクソソームサンプルでは癌のような特定疾患を正確に診断するのに限界がある。サンプルとして提供される体液全体において、ターゲットエクソソームに含有された特定のバイオマーカー分子を探すことは非常に難しい。エクソソームナノ小胞体をバイオマーカーとして利用できるかどうかの可能性は、エクソソームの分離時に高度に選択されたマーカーをどれだけ濃縮させることができるかにかかっている。濃縮されない場合、ターゲットエクソソームは、体液内の総タンパク質体／転写体のごく一部分に該当する。このように、エクソソームによるバイオマーカーなどの含有物の分類が必要であるため、エクソソームを含む体液などの資源において診断マーカーの濃縮は、一般に探知しにくいほどに相対的に少なく発現されるバイオマーカーを探すのに役立つ。そこで、ターゲットエクソソームの分離及び濃縮技術が求められる。従来のエクソソーム分離技術としては、超遠心分離、沈殿分離、サイズ排除クロマトグラフィ（ｓｉｚｅ ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）またはマイクロフルイディクス（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ）を用いて分離する方法があるが、このような従来技術は、依然として、体液に存在する全てのエクソソームを一つの母集団形態で提供するため、癌のような特定細胞由来の極微量のターゲットエクソソームを選択的に探知するのに限界がある。
そこで、図１の右側のように、本発明は、エクソソームの表面に癌との相関性が高いタンパク質マーカー、例えば、黒色腫癌の場合にＣａｖｅｏｌｉｎ１（Ｃａｖ１）、胃癌の場合にＨＥＲ－２／ｎｅｕ、そして、卵巣癌の場合にＬ１ＣＡＭが存在する点に着目して、特定のマーカーに対する免疫親和分離方法を採用することによって、特定疾患関連のエクソソーム亜集団、そして、順次にそれ以上延長して次亜集団を分離しようとする。すなわち、ターゲット疾患との関連性が相対的に低いが、疾患関連エクソソームを含む包括的な上位集団のエクソソームマーカー（例えば、黒色腫癌の場合にＣＤ６３）に対するエクソソーム亜集団を１次分離し、１次分離溶液内のエクソソーム特異マーカー（例えば、黒色腫癌の場合にＣａｖ１）に対するエクソソーム次亜集団の分離を通じて、ターゲット疾患の拡散に関与するバイオマーカー（例えば、特定のｍｉＲＮＡ）が内包されたエクソソームを、濃縮された形態の液体生検サンプルとして製造することができる。
エクソソームプロファイリングは、個別患者に対する個別情報を提供することができ、そして、正確な予後あるいは差別化された診断において重大である。また、エクソソーム由来のバイオマーカーの変化は、単一条件以上に対する反応を示すことができるだけでなく、体液内、例えば、血漿のエクソソームは、血液細胞及び周辺組織の両方からの様々な細胞資源によって分泌される。
液体生検時に、体液内のエクソソームの表面には様々なタンパク質がエクソソーム毎に異質的に分布しており、特に、癌疾患と関連する特定の表面タンパク質は、発現比率に差はあるが、健常者のエクソソームにも複合的に存在する。テトラスパニン（Ｔｅｔｒａｓｐａｎｉｎｓ）（ＣＤ９、ＣＤ６３、ＣＤ８１、ＣＤ８２、ＣＤ１５１など）、ｈｉｓｔｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｃｏｍｐｌｅｘ（ＭＨＣ） ｃｌａｓｓ－Ｉ及びｃｌａｓｓ－ＩＩのようなｃｅｌｌ ｔｙｐｅ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ、ａｄｈｅｓｉｏｎ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ、ＨＳＰ６０、ＨＳＰ７０などの表面タンパク質の種類及び発現量は、母細胞の特徴と関連して増加又は減少できることが報告されている。例えば、テトラスパニン系列のエクソソーム表面タンパク質であるＣＤ６３は、Ｂ細胞（ｃｅｌｌ）由来のエクソソームのｌｙｓｏｓｏｍａｌ ｍｅｍｂｒａｎｅに含まれているタンパク質であって、黒色腫癌を含むいくつかの癌疾患の患者のサンプルにおいて増加することが報告された。また、ＣＤ６３は、同じ系列のＣＤ８１及びＣＤ９に比べて、母細胞の種類によって発現の程度が変化するものと示され、これを、疾患の診断のための最適のエクソソームマーカーとして利用しようとする研究も報告されている。さらに、エクソソーム表面タンパク質の正確な定量分析のために、母細胞の特徴とは関係のないｉｎｖａｒｉａｎｔ ｈｏｕｓｅｋｅｅｐｉｎｇ ｍａｒｋｅｒを、定量時の標準化の用途に活用することができる。このような標準化の目的には、テトラスパニン系列ではＣＤ６３よりはＣＤ９がさらに適すると予測される。
このような背景下で、エクソソーム表面タンパク質をベースとしたエクソソーム亜集団への免疫親和分離は、次のような利点を提供することができる。第一に、密度、サイズ、沈殿などに基づく分離方法とは異なり、抗原－抗体付着反応を用いるので、分離後の溶液には、ターゲットエクソソーム以外の不純物の内包が最小化される。前記のように、診断時に、分析サンプルに不純物の含量が少ないほど、非特異反応などのサンプル母体効果が減少するので、診断の敏感度及び特異度が向上することができる。第二に、特定疾患と関連するエクソソームを含むが、疾患との関連性が相対的に低い包括的な上位集団のエクソソームマーカーに対して免疫親和分離を実行すると、分離された亜集団内に特定疾患関連エクソソームの濃度を増加させることができる。このような接近方法は、エクソソーム母集団内の疾患関連エクソソームの濃度が初期に体液内で探知しにくいほどに低い場合に有用である。この場合、分離された亜集団を診断サンプルとして用いることで、特定疾患の診断時にその敏感度を向上させることができる。
さらに、癌疾患などの特定疾患と関連する特異エクソソーム表面タンパク質を媒介として前記のエクソソーム亜集団の分離が追加で可能な場合、特異エクソソームに含有された高濃度の特定疾患のマーカー、例えば、ｍＲＮＡ及びｍｉＲＮＡなどが含まれたエクソソーム次亜集団を、診断サンプルとして提供できるようになる。特に、癌細胞から放出されたエクソソームには、癌転移の前段階で血管新生などの局地的環境の造成及び転移段階で実行の役割を行う様々な種類のＲＮＡが内包されたものと知られているが、このようなバイオマーカーが特定のエクソソームに搭載されたことが報告されている。
実際に、増加した数のエクソソーム由来のタンパク質が、癌疾患だけでなく、肝炎、肝、腎臓、及び退行性疾患などの様々な疾患に対する潜在的なバイオマーカーとして確認されている。エクソソームタンパク質が特定疾患と関連があることが報告されており、したがって、今後、製品の開発時に診断あるいは分離ターゲットとして用いることができる。例えば、血漿内の慢性Ｃ型肝炎と関連するエクソソームタンパク質マーカーとしてＣＤ８１があり、黒色腫癌と関連するマーカーとしてＣＤ６３、ｃａｖｅｏｌｉｎ－１、ＴＹＲＰ２、ＶＬＡ－４、ＨＳＰ７０、及びＨＳＰ９０があり、前立腺癌と関連するマーカーとしてｓｕｒｖｉｖｉｎがあり、卵巣癌と関連するマーカーとしてＬ１ＣＡＭ、ＣＤ２４、ＡＤＡＭ１０、ＥＭＭＰＲＩＮ、及びｃｌａｕｄｉｎがある。また、尿内の急性腎臓損傷と関連するエクソソームタンパク質マーカーとしてＦｅｔｕｉｎ－Ａ及びＡＴＦ３があり、肝損傷と関連するマーカーとしてＣＤ２６、ＣＤ８１、Ｓ１ｃ３Ａ１、及びＣＤ１０があり、膀胱癌と関連するマーカーとしてＥＧＦ、ｒｅｓｉｓｔｉｎ、及びｒｅｔｉｎｏｉｃ ａｃｉｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎ３があり、前立腺癌と関連するマーカーとしてＰＳＡ及びＰＣＡ３がある。さらに、脳組織内のアルツハイマーと関連するエクソソームペプチドマーカーとしてアミロイドペプチド（ａｍｙｌｏｉｄ ｐｅｐｔｉｄｅｓ）、そして、脳脊髄液内のアルツハイマーと関連するマーカーとしてＴａｕ ｐｈｏｓｐｈｏｒｙｌａｔｅｄ Ｔｈｒ１８１がある。
骨格膜タンパク質の一種であるテトラスパニン（ｔｅｔｒａｓｐａｎｉｎｓ）は、エクソソームに非常に豊富に存在する。例えば、血漿ＣＤ６３陽性（ＣＤ６３＋）エクソソームは、健常者対照群と比較して、黒色腫癌患者群において著しく増加する。テトラスパニン系列の他のエクソソームマーカーであるＣＤ８１は、Ｃ型肝炎ウイルスの付着及び／又は細胞内への流入時に決定的な役割を行う。それに加えて、血清エクソソーム含有ＣＤ８１の濃度は、慢性Ｃ型肝炎患者において上昇し、炎症及び繊維症（ｆｉｂｒｏｓｉｓ）の悪化にも関連している。これから、エクソソーム含有ＣＤ８１は、Ｃ型肝炎の診断及び治療反応に潜在的なマーカーとなり得ることを示唆する。さらに、多くのエクソソーム含有タンパク質バイオマーカーが、中枢神経系疾患の診断に潜在的に有用であることが報告されている。ＥＧＦＲｖＩＩＩ（ｇｌｉｏｂｌａｓｔｏｍａ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｐｉｄｅｒｍａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｆａｃｔｏｒ ｒｅｃｅｐｔｏｒ ｖＩＩＩ）は、神経膠芽細胞腫（ｇｌｉｏｂｌａｓｔｏｍａ）患者の血清エクソソームから発見されたが、これは、神経膠芽細胞腫の診断学的探知に有用であり得る。また、エクソソーム含有アミロイドペプチドは、アルツハイマー疾患者の脳プラークに蓄積されることが報告された。Ｔｈｒ－１８１にリン酸化されたＴａｕタンパク質は、アルツハイマー疾患のよく定立されたバイオマーカーであり、軽度の症状のアルツハイマー患者の脳脊髄液標本から分離されたエクソソームにおいて、増加した濃度で存在する。このような発見から、アルツハイマーの早期診断にエクソソームの潜在的価値が浮かび上がってきている。現在、初期アルツハイマー疾患を確認できる診断試験方法がない状態である。
また、非侵襲手段により得ることができる尿エクソソーム内に含有されたタンパク質が、診断においてどのような潜在的有用性があるか、特に尿路疾患に対して探求されている。例えば、尿エクソソームに含有されたｆｅｔｕｉｎ－Ａは、健常者と比較して、重患者室の急性腎臓損傷患者において増加する。ＡＴＦ３はまた、慢性腎臓疾患者あるいは健常者と比較して、急性腎臓損傷患者から分離されたエクソソームでしか見つからない。さらに、尿エクソソームタンパク質は、膀胱癌及び前立腺癌に対する潜在的なバイオマーカーとしての利用も研究されている。研究結果によれば、２種類の前立腺癌バイオマーカーであるＰＣＡ－３とＰＳＡが、前立腺癌患者の尿から分離されたエクソソームに存在する。全体的に、他の体液で確認されたエクソソーム含有タンパク質は、今後、診断用分析システムの開発時にターゲットプラットホームとして用いられる見込みである。
その他に、エクソソームの表面に癌との相関性が高いタンパク質マーカー、例えば、黒色腫癌の場合にＣａｖｅｏｌｉｎ１（Ｃａｖ１）、胃癌の場合にＨＥＲ－２／ｎｅｕ、そして、卵巣癌の場合にＬ１ＣＡＭなどが存在することが報告されている。しかし、このような特定のエクソソームは、特に早期診断用サンプル内にはその含有比率が非常に低いため、これを選択的に分離するためには、前記のような逐次的繰り返し分離工程の導入が不可避である。
図２は、本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルを製造する装置を概略的に示した構成図である。
図２に示されたように、本発明の実施例に係るエクソソーム次亜集団の液体生検サンプルの製造装置は、固相（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）の固定部材１０と、多数の細胞から分泌されたエクソソーム１のうちの所定の疾患関連エクソソーム１ａが有する第１分離マーカーｍ１と特異的に結合して疾患関連エクソソーム１ａを捕捉する第１捕捉素材２０と、固定部材１０と第１捕捉素材２０とを分離可能に結合させる第１可逆的リンカー３０とを含むことができる。
また、第１捕捉素材２０が未結合された前記固定部材１０に結合され、疾患関連エクソソーム１ａの集団であるエクソソーム亜集団Ｓ内のターゲットエクソソーム１ｂが有する第２分離マーカーｍ２と特異的に結合してターゲットエクソソーム１ｂを捕捉する第２捕捉素材４０をさらに含むことができる。
また、第２捕捉素材４０を固定部材１０に結合するための手段として、第２可逆的リンカー５０をさらに含むことができる。
固定部材１０は固相（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）の部材であって、その表面に第１可逆的リンカー３０、第２捕捉素材４０及び第２可逆的リンカー５０が選択的に結合固定され得る。一つの固定部材１０上に第１可逆的リンカー３０が結合固定され、その後分離され、以降に第２捕捉素材４０又は第２可逆的リンカー５０が結合固定され得る。また、第１可逆的リンカー３０が固定される固定部材１０と、第２捕捉素材４０又は第２可逆的リンカー５０が固定される固定部材１０とが互いに異なってもよい。このような固定部材１０は、ヒドロゲル、磁性ビーズ、ラテックスビーズ、ガラスビーズ、ナノ金属構造体、細孔性メンブレン、及び非細孔性メンブレンからなる群から選択されるいずれか１つ以上を含むことができる。但し、固定部材１０が必ずしも前記に限定されるものではなく、第１可逆的リンカー３０、第２捕捉素材４０または第２可逆的リンカー５０のそれぞれと結合可能な素材であれば、特に制限されない。
第１捕捉素材２０及び第２捕捉素材４０は、所定のエクソソーム１を選択的に捕捉する素材である。第１捕捉素材２０及び第２捕捉素材４０は、エクソソーム１が有する分離マーカーｍと特異的に結合することによって、エクソソーム１を捕捉する。ここで、分離マーカーｍは、特定疾患の発生時に、健常者と比較して体液内に相対的に増加するバイオマーカーであって、エクソソーム１の表面に存在するタンパク質、核酸、脂質成分、糖成分、ペプチド、及びその他の生化学成分などを含むことができる。このような分離マーカーｍは、抗原－抗体反応などのような免疫化学的相互作用を通じて、第１捕捉素材２０、及び第２捕捉素材４０に特異的に結合され得る。第１捕捉素材２０、及び第２捕捉素材４０は、エクソソーム１の表面タンパク質などと抗原－抗体反応する所定の抗体であり得る。
分離マーカーｍのうちの第１捕捉素材２０と特異的に結合する第１分離マーカーｍ１は、所定の疾患関連エクソソーム１ａの表面に存在する。したがって、多数の細胞から分泌されたエクソソーム１の集団であるバルクエクソソーム母集団Ｂから、第１分離マーカーｍ１を有する疾患関連エクソソーム１ａは、第１捕捉素材２０に捕捉されることによって分離され得る。ここで、分離された疾患関連エクソソーム１ａの集団がエクソソーム亜集団Ｓとなる。このように生成されたエクソソーム亜集団Ｓ内の疾患関連エクソソーム１ａのうちの第２分離マーカーｍ２を有するターゲットエクソソーム１ｂが、第２捕捉素材と特異的に反応することによってこれに捕捉され、エクソソーム亜集団Ｓ内でエクソソーム次亜集団ＳＡが分離される。エクソソーム１上の第１分離マーカーｍ１は、第２分離マーカーｍ２と比較して、特定疾患の診断に用いる際に相対的に低い正確度を示すが、体液内に相対的に高い濃度で存在し、エクソソーム１集団のマーカーによる量的体系分類時に上位に位置して、さらに包括的な特性を有することができる。
本発明では、体液内の濃度が低いと予測される疾患特異的マーカーを含む上位のエクソソーム集団から表面タンパク質マーカー（第１分離マーカー）陽性のエクソソーム亜集団Ｓを１次分離、濃縮、及び回収して準備されたエクソソーム液体生検サンプルを使用するか、またはエクソソーム亜集団Ｓを対象として疾患特異的マーカー（第２分離マーカー）に対する２次分離及び濃縮を実行して回収されたエクソソーム次亜集団ＳＡをエクソソーム液体生検サンプルとして使用することができる。さらに、本発明では、体液内の濃度が低いと予測される疾患特異的マーカーを含む上位のエクソソーム集団から表面タンパク質マーカー（第１分離マーカー）陽性のエクソソーム亜集団Ｓを１次分離、濃縮、及び回収した後、順次に疾患特異的マーカー（第２分離マーカー）に対して２次分離及び濃縮してエクソソーム次亜集団ＳＡを回収することができる。ここで、他のエクソソーム表面タンパク質マーカーに対して順次行うことができる分離、濃縮、及び回収工程の繰り返し回数は、目的に応じて２回あるいはそれ以上延長できるところ、エクソソーム次亜集団ＳＡを対象として、さらに他の疾患特異的マーカーに対する分離及び濃縮を通じて回収されたその下位集団をエクソソーム液体生検サンプルとして使用しても関係ない。
体液内のエクソソームを用いた液体生検時に、単純に濃縮したバルク母集団の形態のエクソソームサンプルから、検査対象疾病に選択的に分離されたエクソソーム（ｄｉｓｅａｓｅ－ｒｅｌｅｖａｎｔ ｅｘｏｓｏｍｅ）サンプルの使用への転換は、診断の正確度を向上させることができる。メラニン産生細胞から発生する皮膚癌である黒色腫癌の場合、エクソソームの表面タンパク質であるＣａｖｅｏｌｉｎ１（Ｃａｖ１）は、健常者に比べて黒色腫癌患者の血液で著しく増加するので、Ｃａｖ１陽性（Ｃａｖ１＋）エクソソームベースの診断敏感度は６８％で、他の黒色腫癌マーカーであるＣＤ６３ベースの診断敏感度である４３％よりも相対的に高い。このような液体生検の性能の向上を通じて臨床に用いるためには、Ｃａｖ１＋エクソソームのようなターゲットエクソソームの選択的な分離及び濃縮が必要であるが、体液内の全エクソソーム中のその割合が非常に低いため、公知の一般的な工程によっては実現しにくい。
したがって、本発明は、体液内のエクソソームを選択的に分離して、一例として、Ｃａｖ１＋エクソソームを含有した亜集団又は次亜集団を取得し、これを検査サンプルとして用いることで、黒色腫癌の診断の正確度及び敏感度を増加させる方法として活用しようとする。エクソソームの分離時に、その収率及び再現性を考慮して、Ｃａｖ１＋エクソソームを優先分離対象としてターゲッティングせず、癌の発生と関連性があるその上位のエクソソーム集団を１次分離対象とした。例えば、他の表面タンパク質と比較して一般的なエクソソームに多く存在するｈｏｕｓｅ－ｋｅｅｐｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎであるＣＤ６３タンパク質は、黒色腫癌を含むいくつかの癌の発生時にエクソソームの表面に増加して発現するので、この表面タンパク質を第１分離マーカーｍ１として用いて、ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団Ｓを分離し、Ｃａｖ１を第２分離マーカーｍ２として用いて、ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団ＳからＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋エクソソーム次亜集団ＳＡを分離することができる。
一方、第１捕捉素材２０は、第１可逆的リンカー３０を媒介として固定部材１０に固定され、その後分離され得る。第２捕捉素材４０は、固定部材１０に分離なしに直接結合固定されるか、または第２可逆的リンカー５０の導入によって固定部材１０に固定され、その後分離されてもよい。
可逆的リンカーのいずれか１つである第１可逆的リンカー３０は、第１捕捉素材２０を固定部材１０に分離可能に結合させ、他の１つの第２可逆的リンカー５０は、第２捕捉素材４０を固定部材１０に分離可能に結合させる。ここで、第２捕捉素材４０が固定される固定部材１０には第１捕捉素材２０が結合されない。すなわち、第１捕捉素材２０が未結合された固定部材１０上に、第２可逆的リンカー５０を介して第２捕捉素材４０が固定される。このような第１可逆的リンカー３０と第２可逆的リンカー５０は、互いに同一の素材及び構造からなるか、または互いに異ならせて実現されてもよく、具体的な素材及び構造については後述する。
温和な条件下でのエクソソーム免疫親和分離は、リガンド－バインダー付着反応ベースの可逆的リンカーを用いれば可能である。可逆的リンカーは、初期に特定のエクソソーム１の捕捉素材（抗体）を固定部材１０上に固定化させる役割を行うが、サンプル内のエクソソーム１を固定部材１０に捕捉した後は、反応条件の変化を通じて解離されることで、捕捉されたエクソソーム１を回収できるようにする。例えば、親水性及び疎水性結合を介した糖－糖受容体結合反応、イオン間あるいはイオン－イオン受容体結合反応、基質－酵素反応、抗原－抗体反応、核酸接合反応、ホルモン－細胞受容体反応、及びリガンド－ナノ構造体反応以外に、特に、ポリヒスチジンタグ（ｐｏｌｙｈｉｓｔｉｄｉｎｅ－ｔａｇ）、ビオチン－アビジン（ｂｉｏｔｉｎ－ａｖｉｄｉｎ）反応、及びキレーター（ｃｈｅｌａｔｏｒ）を用いた付着反応などが可逆的リンカーとして用いられてもよい。このような可逆的リンカーは、結合後のバインダーの構造の変化あるいはバインダーに対する競争反応など、リンカーのバインダー－リガンドの間の親和力の調節を介して解離が可能である。したがって、可逆的リンカーを用いる場合、酸性ｐＨのような苛酷条件を用いずに、サンプル内のエクソソーム１を免疫学的に捕捉した後、温和な条件下でターゲットエクソソーム１ｂの分離及び回収が可能になる。
また、前記の付着反応ベースの可逆的リンカーを用いた免疫親和分離工程として、密度、サイズ、溶解度、膜透過性、分子構造、及び磁性などの物理的、生物学的、そして、化学的特性を用いて分離及び回収を可能にする全ての工程を用いることができる。特に、クロマトグラフィーあるいは磁性分離などの格別に工夫された免疫親和分離工程を用いると、リンカー内のバインダー－リガンドの間の親和力の調節を介して、体液内の微量のエクソソームを分離し、回収することが可能である。例えば、リガンドの付着時に誘発されるリンカー内のバインダーの構造の変化を認識する認識素材の‘スイッチ性付着反応’を用いると、単にリガンドの有無によって免疫分離工程を介してエクソソームの分離及び回収が可能である。また、免疫分離時に、リガンド－バインダー反応において、バインダーに対してリガンドと競争反応するリガンド類似構造体を用いた競争付着反応方法を導入すれば、競争付着反応の有無によってエクソソームの分離及び回収が可能である。
このような免疫分離工程は、リガンド－バインダー結合のような可逆的付着反応以外に、可逆的な化学的交差結合－脱交差結合（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ－ｄｅｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ）を用いて行われてもよい。特に、ポリマー間の化学反応を介して交差結合を形成した後、特定の条件下で脱交差結合されるか、または化学反応された交差結合が光エネルギーを介して化学結合が切れて脱交差結合される。
以下では、前述した第１可逆的リンカー３０及び第２可逆的リンカー５０について詳細に説明する。可逆的リンカーは、以下の第１～第４実施例によって実現され得、第１可逆的リンカー（３０，３０ａ～３０ｄ）、及び第２可逆的リンカー（５０，５０ａ～５０ｄ）は、それらのいずれか１つからなることができる。図３乃至図６は、図２に示された第１可逆的リンカー及び第２可逆的リンカーを様々な実施例によって概略的に示した構成図である。
図３に示されたように、本発明の第１実施例に係る可逆的リンカー３０ａ，５０ａは、リガンド３１ａ、バインダー３３ａ、及び認識素材３５ａを含むことができる。
リガンド３１ａは、バインダー３３ａに着脱可能に結合される物質であって、糖分子、イオン、基質、抗原、ペプチド、ビタミン、成長因子、及びホルモンからなる群から選択されるいずれか１つ以上を含むことができる。
バインダー３３ａは、リガンド３１ａとの付着反応によって構造変化（ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅ）が引き起こされる物質である。このようなバインダー３３ａは、糖結合タンパク質、イオン結合タンパク質、酵素、抗体、アビジン類、アプタマー、細胞受容体、及びナノ構造体からなる群から選択されるいずれか１つ以上を含むことができる。したがって、バインダー３３ａ及びリガンド３１ａは、糖結合タンパク質－糖分子ペア、イオン結合タンパク質－イオンペア、ビオチン－アビジンペア、酵素－基質ペア、抗原－抗体ペア、アプタマー（ａｐｔａｍｅｒ）－リガンドペア、細胞受容体－リガンドペア、ナノ構造体－リガンドペアなどのようなバインダー－リガンドペアをなすことができ、最も代表的なバインダー３３ａとリガンド３１ａの例としては、カルシウム結合タンパク質（ｃａｌｃｉｕｍ ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ、ＣＢＰ）とカルシウムイオンが挙げられる。但し、バインダー３３ａ及びリガンド３１ａが必ずしも前記物質に限定されるものではなく、互いに着脱可能に結合して構造変化を起こす物質であれば、いかなるものでも構わない。第１実施例に係る可逆的リンカーにおいて、バインダー３３ａは、第１捕捉素材２０及び／又は第２捕捉素材４０と重合されてバインダー－捕捉素材重合体Ｃを形成する。
認識素材３５ａは、リガンド３１ａと結合して構造が変わったバインダー３３ａと特異的に結合する物質であって、抗体、タンパク質受容体、細胞受容体、アプタマー、酵素、ナノ粒子、ナノ構造体、及び重金属キレーター（ｃｈｅｌａｔｏｒ）からなる群から選択されるいずれか１つ以上を含むことができる。但し、前記物質は、認識素材３５ａの一例に過ぎず、必ずしもこれに限定して本発明の権利範囲が定められてはならない。一例として、リガンド３１ａとバインダー３３ａと認識素材３５ａとの間の結合反応を説明すると、カルシウムイオン（リガンド）がカルシウム結合タンパク質（バインダー）と１次結合してカルシウム結合タンパク質の構造変化が引き起こされ、構造が変わったカルシウム結合タンパク質と抗体（認識素材）との間に抗原－抗体反応が起こって互いに結合され得る。第１実施例に係る可逆的リンカーにおいて、認識素材３５ａは固定部材１０の表面に固定される。
一方、可逆的リンカー３０，５０を媒介として固定部材１０に結合された第１捕捉素材２０及び／又は第２捕捉素材４０によってエクソソーム１が捕捉されると、反応条件の変化を通じて可逆的リンカーを解離させることによって、捕捉されたエクソソーム１ａ，１ｂを回収することができる。第１実施例に係る可逆的リンカー３０ａ，５０ａの場合には、構造が変わったバインダー３３ａが元の構造に回復されるときに解離され得る。一例として、カルシウムイオン（リガンド）が付着されて構造が変わったカルシウム結合タンパク質（バインダー）に抗体（認識素材）が結合され、その抗体がエクソソーム１を捕捉した場合に、カルシウムイオンが含有されていない回収溶液を添加して、カルシウム結合タンパク質からカルシウムイオンを脱着させることによって、カルシウム結合タンパク質の構造を回復させ、カルシウム結合タンパク質と抗体を分離することができる。
図４を参照すると、本発明の第２実施例に係る可逆的リンカー３０ｂ，５０ｂは、リガンド３１ｂ、バインダー３３ｂ、及び認識素材３５ｂを含むことができる。
第２実施例に係る可逆的リンカー３０ｂ，５０ｂのリガンド３１ｂ、バインダー３３ｂ、及び認識素材３５ｂは、それぞれ、第１実施例に係る可逆的リンカー３０ａ，５０ａのリガンド３１ａ、バインダー３３ａ、及び認識素材３５ａと対応するので、以下では相違点を中心に説明する。
第１実施例に係る可逆的リンカー３０ａ，５０ａでは、バインダー３３ａが捕捉素材２０，４０と重合されて重合体Ｃを形成し、認識素材３５ａが固定部材１０の表面に固定される反面、第２実施例に係る可逆的リンカー３０ｂ，５０ｂの場合には、バインダー３３ｂが固定部材１０の表面に固定され、認識素材３５ｂが捕捉素材２０，４０と重合されて認識素材－捕捉素材重合体Ｃを形成する。その他には第１実施例に係る可逆的リンカー３０ａ，５０ａと同一であるので、詳細な説明は省略する。
温和な条件下でサンプル内のエクソソーム亜集団又は次亜集団の回収を可能にする第１及び第２実施例に係る可逆的リンカー３０，５０の一例として、カルシウム結合タンパク質のようなバインダー３３ａ，３３ｂがこれと特異に反応するカルシウムイオンのようなリガンド３１ａ，３１ｂと結合して引き起こされる構造変化を特異に認識する抗体などの認識素材３５ａ，３５ｂが用いられてもよい。このような抗原－抗体反応のようなバインダー－認識素材反応は、カルシウムイオンのようなリガンド３１ａ，３１ｂの有無に応じて迅速に結合あるいは解離され、まるでスイッチを操作してオン／オフする原理と類似するので、‘スイッチ性可逆付着反応（ｓｗｉｔｃｈ－ｌｉｋｅ ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｂｉｎｄｉｎｇ）’として描写される。
図５に示されたように、本発明の第３実施例に係る可逆的リンカー３０ｃ，５０ｃは、リガンド３１ｃ及びバインダー３３ｃを含むことができる。
第３実施例に係る可逆的リンカー３０ｃ，５０ｃのリガンド３１ｃは、第１捕捉素材２０及び／又は第２捕捉素材４０と重合されて捕捉素材－リガンド重合体Ｃを形成する。
第３実施例に係る可逆的リンカー３０ｃ，５０ｃのバインダー３３ｃは、固定部材１０の表面に固定され、エクソソーム１ａ，１ｂと特異的に結合された捕捉素材－リガンド重合体Ｃと結合することによって、エクソソーム１ａ，１ｂを固定部材１０に捕捉する。バインダー３３ｃは、リガンド３１ｃと結合するが、リガンド３１ｃと競争反応する競争反応リガンド３２が添加される際に競争反応リガンド３２が付着される。これにより、リガンド３１ｃが脱着されることで、エクソソーム１ａ，１ｂは固定部材１０から分離されて回収され得る。ここで、リガンド３１ｃは、ヒスタグ（Ｈｉｓ－ｔａｇ、ｐｏｌｙｈｉｓｔｉｄｉｎｅ－ｔａｇ）、ビオチンなどのようなビタミン、糖分子、イオン、基質、抗原、アミノ酸、ペプチド、核酸、成長因子、及びホルモンからなる群から選択されるいずれか１つ以上を含むことができる。また、バインダー３３ｃは、２価の金属イオン、アビジン類、糖結合タンパク質、イオン結合タンパク質、酵素、抗体、アプタマー、タンパク質受容体、細胞受容体、及びナノ構造体からなる群から選択されるいずれか１つ以上を含むことができる。競争反応リガンド３２は、イミダゾール（ｉｍｉｄａｚｏｌｅ）、ビオチンなどのようなビタミン、糖分子、イオン、基質、抗原、アミノ酸、ペプチド、核酸、成長因子、及びホルモンからなる群から選択されるいずれか１つ以上を含むことができる。
一例として、ヒスタグをリガンド３１ｃとして、２価の金属イオンをバインダー３３ｃとして、イミダゾールを競争反応リガンド３２として用いることができる。ヒスタグは、タンパク質内の最小６個以上のヒスチジン（Ｈｉｓｔｉｄｉｎｅ、Ｈｉｓ）残基で構成されたアミノ酸モチーフであって、一般にタンパク質のＮ末端やＣ末端に位置させて、主に組換えタンパク質の発現後、精製時に使用される。ここで、ヒスタグで標識されたタンパク質は、セファロース／アガロースレジン上のキレーターと結合された２価イオンであるニッケルやコバルトとの親和力を用いて捕捉された後、イミダゾールが含有された回収溶液を添加して回収され得る。
図６を参照すると、本発明の第４実施例に係る可逆的リンカー３０ｄ，５０ｄは、リガンド３１ｄ及びバインダー３３ｄを含むことができる。
第４実施例に係る可逆的リンカー３０ｄ，５０ｄのリガンド３１ｄ及びバインダー３３ｄは、それぞれ、第３実施例に係る可逆的リンカー３０ｃ，５０ｃのリガンド３１ｃ及びバインダー３３ｃに対応するので、以下では相違点を中心に説明する。
第３実施例に係る可逆的リンカー３０ｃ，５０ｃでは、リガンド３１ｃが捕捉素材２０，４０と重合され、バインダー３３ｃが固定部材１０の表面に固定される反面、第４実施例に係る可逆的リンカー３０ｄ，５０ｄの場合には、リガンド３１ｄが固定部材１０の表面に固定され、バインダー３３ｄが捕捉素材２０，４０と重合されて捕捉素材－バインダー重合体Ｃを形成する。その他には、同様にリガンド３１ｄがバインダー３３ｄに結合されるが、競争反応リガンド３２との競争反応によってバインダー３３ｄから分離される。
一方、エクソソーム液体生検サンプルの製造装置は、反応器（図示せず）をさらに含むことができる。反応器は、その内部に固定部材１０を収容することができる。このとき、反応器にエクソソーム１サンプルが添加されると、その内部で第１可逆的リンカー３０及び第１捕捉素材２０を媒介として、固定部材１０に疾患関連エクソソーム１ａが捕捉されてエクソソーム亜集団Ｓが分離され、第１可逆的リンカー３０が解離されてエクソソーム亜集団Ｓが回収される。また、回収されたエクソソーム亜集団Ｓサンプルを反応器に添加し、第２可逆的リンカー５０及び第２捕捉素材４０を用いて、固定部材１０にターゲットエクソソーム１ｂが捕捉されてエクソソーム次亜集団ＳＡが分離される。分離されたエクソソーム次亜集団ＳＡは、第２可逆的リンカー５０が解離されながら回収される。ここで、磁力、重力、及び遠心力のいずれか１つ以上を用いて固定部材１０を濃縮することによって、エクソソーム亜集団Ｓ及び／又はエクソソーム次亜集団ＳＡを濃縮することができる。例えば、磁性ビーズを固定部材１０として使用する場合、磁石を用いて疾患関連エクソソーム１ａ及び／又はターゲットエクソソーム１ｂと結合された固定部材１０を捕捉した状態で上層液を除去し、磁性ビーズを除去することによってエクソソーム亜集団Ｓ及び／又はエクソソーム次亜集団ＳＡを濃縮することができる。
以下では、前述したエクソソーム液体生検サンプルの製造装置を用いた液体生検サンプルの製造方法について説明する。エクソソーム液体生検サンプルの製造装置については上述したので、重複する事項については説明を省略したり、簡単に記述する。
図７乃至図１３は、本発明の実施例に係るエクソソーム次亜集団の液体生検サンプルを製造する方法のフローチャートである。
図７を参照すると、本発明の第１実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルの製造方法は、多数の細胞から分泌されたエクソソームのうちの所定の疾患関連エクソソームが有する第１分離マーカーと特異的に結合する第１捕捉素材を、第１可逆的リンカーを用いて、固相（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）の固定部材に結合させるステップ（Ｓ１１０）と、エクソソームの集団を含有するサンプル溶液と、固定部材に結合された第１捕捉素材とを反応させて、疾患関連エクソソームを捕捉することによって、疾患関連エクソソームの集団であるエクソソーム亜集団を分離するステップ（Ｓ１２０）と、捕捉された疾患関連エクソソームが固定部材から分離されるように、第１可逆的リンカーを解離させて、エクソソーム亜集団を回収するステップ（Ｓ１３０）とを含むことができる。
ここで、多数の細胞から分泌されたエクソソームの集団であるバルクエクソソーム集団や体液をサンプル溶液として、１次的にエクソソーム亜集団を分離回収した後に、これを液体生検サンプルとして提供することができる。
また、図８のように、エクソソーム亜集団からエクソソーム次亜集団を分離回収して液体生検サンプルを製造するために、エクソソーム亜集団内のターゲットエクソソームが有する第２分離マーカーと特異的に結合する第２捕捉素材を、固定部材に結合させるステップ（Ｓ１４０）と、回収されたエクソソーム亜集団を含有するエクソソーム亜集団溶液と、固定部材に結合された第２捕捉素材とを反応させて、ターゲットエクソソームを捕捉することによって、ターゲットエクソソームの集団であるエクソソーム次亜集団を分離するステップ（Ｓ１５０）とをさらに含むことができる。ここで、前記第２捕捉素材は、第２可逆的リンカーによって固定部材に結合され得る。
まず、エクソソーム亜集団を分離回収するために、固定部材に第１捕捉素材及び第１可逆的リンカーを反応させる（Ｓ１１０）。このとき、第１捕捉素材は、第１可逆的リンカーを媒介として固定部材に結合される。
次に、サンプル溶液を添加することによって、第１捕捉素材と反応させる（Ｓ１２０）。ここで、第１捕捉素材が、サンプル溶液に含有された疾患関連エクソソームの第１分離マーカーと特異的に結合する。これによって、疾患関連エクソソームを対象とするエクソソーム亜集団が固定部材に捕捉されてサンプル溶液から分離される。
エクソソーム亜集団が分離された後は、第１可逆的リンカーを解離させる（Ｓ１３０）。このとき、疾患関連エクソソームが固定部材から分離されるので、エクソソーム亜集団を回収することができる。
疾患関連エクソソームが固定部材から分離されると、その固定部材を再利用するか、または新しい固定部材を用いて固定部材上に第２捕捉素材を結合する（Ｓ１４０）。このとき、第２捕捉素材を固定部材に直接結合するか、または第２可逆的リンカーを用いて固定部材に結合することができる。
次に、回収されたエクソソーム亜集団を含有するエクソソーム亜集団溶液を第２捕捉素材と反応させる（Ｓ１５０）。このとき、第２捕捉素材は、エクソソーム亜集団内のターゲットエクソソームの第２分離マーカーと特異的に結合するので、ターゲットエクソソームが固定部材に固定される。これによって、ターゲットエクソソームの集合であるエクソソーム次亜集団が分離される。このように回収されずに、固定部材に固定されたエクソソーム次亜集団の形態で液体生検サンプルとして提供され得る。すなわち、特定疾患診断用バイオマーカーが次亜集団の形態で分離された後、エクソソームを回収せずに直ぐにバイオマーカーに対する分析を行う、あるいはエクソソームを溶解させて溶出されたバイオマーカーに対する分析を行う場合、逐次的多重免疫親和分離工程における最後の分離ステップでは、次亜集団エクソソームを回収せずに、直ぐにバイオマーカーのみをサンプルとして用いることができる。
以下では、第１可逆的リンカー及び第２可逆的リンカーに関する具体的な実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。
図９は、前述した第１実施例に係る第１可逆的リンカー３０ａ及び第２可逆的リンカー５０ａを用いたエクソソーム次亜集団の液体生検サンプルの製造方法を示す。図９を参照すると、まず、認識素材３５ａを固定部材１０の表面に固定させ、リガンド３１ａ含有のリガンド溶液、バインダー３３ａ及び第１捕捉素材２０を反応させる。このとき、バインダー３３ａと第１捕捉素材２０がバインダー－第１捕捉素材重合体Ｃを形成し、認識素材３５ａは重合体Ｃと結合する。ここで、リガンド溶液内に含有されたリガンド３１ａがバインダー３３ａに結合されてバインダー３３ａの構造変化が引き起こされ、構造が変わったバインダー３３ａを認識素材３５ａが特異的に認識して結合する。次に、バルクエクソソーム１集団を含有したサンプル溶液を反応させる。このとき、第１捕捉素材２０と特異的に結合される第１分離マーカーｍ１を有する疾患関連エクソソーム１ａが固定部材１０に捕捉されながら、エクソソーム亜集団Ｓが分離される。エクソソーム亜集団Ｓが分離されると、回収溶液を添加し、回収溶液は、リガンド３１ａを含有していないリガンド非含有の溶液であって、回収溶液が添加されると、バインダー３３ａに結合されたリガンド３１ａが脱着するようになり、これにより、バインダー３３ａの変化した構造が元の状態に回復されながら、バインダー３３ａと認識素材３５ａとの結合が解離される。したがって、エクソソーム亜集団Ｓの対象である疾患関連エクソソーム１ａが結合された重合体Ｃが、認識素材３５ａから分離されて、エクソソーム亜集団Ｓを回収することができる。
次に、疾患関連エクソソーム１ａが分離され、認識素材３５ａが固定された固定部材１０を再利用して第２可逆的リンカー５０ａ及び第２捕捉素材４０を反応させる。このとき、第２可逆的リンカー５０ａは、第１可逆的リンカー３０ａの認識素材３５ａを共有し、第１可逆的リンカー３０ａと比較すると、第１捕捉素材２０を第２捕捉素材４０で代替して固定部材１０に結合する。これに、回収されたエクソソーム亜集団Ｓ溶液を添加すると、第２捕捉素材４０がエクソソーム亜集団Ｓ溶液内のターゲットエクソソーム１ｂの第２分離マーカーｍ２に特異的に結合されて、エクソソーム次亜集団ＳＡが分離される。このとき、エクソソーム亜集団Ｓは、第１可逆的リンカー３０ａのバインダー３３ａを含むため、固定部材１０に結合された認識素材３５ａと第１可逆的リンカー３０ａのバインダー３３ａが互いに反応し得るので、第２可逆的リンカー５０ａ及び第２捕捉素材４０を反応させた後、固定部材１０に結合された認識素材３５ａ上の残りの付着部位を、バインダー３３ａなどのような適切な反応成分でブロッキング（ｂｌｏｃｋｉｎｇ）することができる。
一例として、第１実施例に係る第１可逆的リンク及び第２可逆的リンクを有する本発明によって、ＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋エクソソーム次亜集団ＳＡを分離する方法を説明すると、抗体（可逆的認識素材）を固体（固定部材）表面（Ｂｅａｄ ｓｕｒｆａｃｅ）に固定させ、カルシウム結合タンパク質（ＣＢＰ、バインダー）は、ＣＤ６３エクソソーム表面タンパク質に対する特異抗体（第１捕捉素材）とビオチン―ストレプトアビジンリンケージ（ｂｉｏｔｉｎ－ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ ｌｉｎｋａｇｅ）を介して重合する（ＣＢＰ－捕捉抗体重合体）。固定された可逆的認識素材にカルシウムイオン（例：＞１０ｍＭ Ｃａ２＋）が含まれた溶液に溶解されたＣＢＰ－捕捉抗体重合体を添加すると、‘スイッチオン’認識反応によって、重合体は固体表面に固定される。同じ溶液に、準備されたバルクエクソソームサンプルを順次添加すると、ＣＤ６３マーカーを含むエクソソームが固体表面の捕捉抗体と反応して捕捉される。同じ溶液で洗浄した後、カルシウムが除去されたエクソソーム回収溶液を添加すると、ＣＢＰと結合されていたカルシウムイオンが脱着されて‘スイッチオフ’の状態になるので、捕捉されていたエクソソームを捕捉抗体と結合された状態で溶液内に回収することができる。その結果、ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団が分離回収され、使用された試料溶液と回収溶液の体積の比率に応じてエクソソームの濃縮も可能である。追加的に、固体表面は再生されて他の試料の分離に再利用できる。
逐次的なエクソソーム次亜集団の分離のために、再生される又は新しい固体表面に可逆的認識素材を固定させ、特定疾患と関連性が高いＣａｖ１エクソソーム表面タンパク質に対する特異抗体をＣＢＰと重合させた後、前記と同様に、‘スイッチオン’認識反応を介してＣＢＰ－捕捉抗体重合体を固体表面に固定させる。同状態を維持しつつ、１次分離後に回収されたＣＤ６３＋エクソソーム亜集団を２次分離サンプルとして添加すると、ＣＤ６３及びＣａｖ１マーカーを含む（ＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋）エクソソームが固体表面の捕捉抗体と反応して捕捉される。同じ溶液で洗浄した後、カルシウムが除去されたエクソソーム回収溶液を添加すると、‘スイッチオフ’の状態になるので、捕捉されていたエクソソームを溶液内に回収することができる。その結果、２次分離を介して、ＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋エクソソーム次亜集団が分離回収される。
一方、エクソソーム次亜集団の分離後、回収が必要でない場合、第２可逆的リンカーを導入することなく、捕捉抗体を固体表面に直接固定させて次亜集団を分離することもでき、この場合に、主に捕捉されたエクソソームに対して免疫分析を行うか、又は、直ぐに、捕捉されたまま溶解させて、エクソソームの内部に含まれた核酸を抽出及び分子学的検査を行う。
図１０は、前述した第３実施例に係る第１可逆的リンカー３０ｃ及び第２可逆的リンカー５０ｃを用いたエクソソーム次亜集団の液体生検サンプルの製造方法を示す。図１０を参照すると、リガンド３１ｃを、疾患関連エクソソーム１ａの第１分離マーカーｍ１と特異的に反応する第１捕捉素材２０と重合させ、固定部材１０に結合されたバインダー３３ｃとの親和力を用いてリガンド－捕捉素材重合体を固定させた後に、エクソソーム１サンプルを添加してエクソソーム亜集団Ｓを捕捉分離し、競争反応リガンド３２が含まれた回収溶液を用いてエクソソーム亜集団Ｓを回収する。
次に、ターゲットエクソソーム１ｂの第２分離マーカーｍ２に特異的に反応する第２捕捉素材４０とリガンド３１ｃを重合させ、固定部材１０に結合されたバインダー３３ｃとその重合体Ｃを固定した後に、エクソソーム亜集団Ｓ溶液を添加してエクソソーム次亜集団ＳＡを捕捉分離することができる。このとき、エクソソーム亜集団Ｓは、第１可逆的リンカー３０ｃのリガンド３１ｃを含むため、固定部材１０に結合されたバインダー３３ｃと第１可逆的リンカー３０ｃのリガンド３１ｃとが互いに反応し得るので、第２可逆的リンカー５０ｃ及び第２捕捉素材４０を反応させた後、固定部材１０に結合されたバインダー３３ｃ上の残りの付着部位を、リガンド３１ｃなどのような適切な反応成分でブロッキング（ｂｌｏｃｋｉｎｇ）することができる。
一例として、第３実施例に係る第１可逆的リンク及び第２可逆的リンクを有する本発明によって、ＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋エクソソーム次亜集団を分離する方法を説明すると、バインダー（ニッケルイオン）を固体表面（Ｂｅａｄ ｓｕｒｆａｃｅ）に固定させ、リガンド（ヒスタグ）は、第１分離マーカーｍ１としてＣＤ６３エクソソーム１表面タンパク質に対する特異抗体と重合する（ヒスタグ－捕捉抗体重合体）。固定されたニッケルイオンにヒスタグ－捕捉抗体重合体を添加すると、バインダー－リガンド反応によって、重合体は固体表面に固定される。同じ溶液に、準備したバルクエクソソーム試料を添加すると、ＣＤ６３＋エクソソームが固体表面の捕捉抗体と反応して捕捉される。溶液で洗浄した後、高濃度の競争反応リガンド（イミダゾール）が含まれたエクソソーム回収溶液を添加すると、競争反応によって、ニッケルイオンと結合されていたヒスタグが脱着されるので、捕捉されていたエクソソームを溶液内に回収することができる。その結果、ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団が分離回収され、固体表面は再生されて、次の試料の分離に再利用することができる。
前記の分離工程は、同様に、前記で回収されたＣＤ６３＋エクソソーム亜集団からＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋エクソソーム次亜集団の逐次的分離に用いられる。この場合、リガンド（ヒスタグ）は、第２分離マーカーとしてＣａｖ１エクソソーム表面タンパク質に対して特異な抗体と重合する。バインダー－リガンド反応を介して重合体を固体表面に固定させた後、ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団の試料を添加すると、ＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋エクソソームが固体表面の捕捉抗体と反応して捕捉される。洗浄後、高濃度の競争反応リガンド（イミダゾール）が含まれたエクソソーム回収溶液を添加すると、Ｃｏｎ Ａと結合されていたＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋エクソソームを溶液内に回収することができる。その結果、ＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋エクソソーム次亜集団が分離回収される。
図１１は、前述した第１実施例に係る第１可逆的リンカー３０ａ、及び第３実施例に係る第２可逆的リンカー５０ｃを用いたエクソソーム次亜集団の液体生検サンプルの製造方法を示す。図１１を参照すると、前述したように、第１実施例に係る第１可逆的リンカー３０ａを用いてエクソソーム亜集団Ｓを分離及び回数し、図１０で前述したように、第３実施例に係る第２可逆的リンカー５０ｃを用いてエクソソーム次亜集団ＳＡを分離することができる。このとき、エクソソーム亜集団Ｓは第１可逆的リンカー３０ａのバインダー３３ａを含んでいるが、エクソソーム次亜集団ＳＡの分離時には、前記第１実施例に係るバインダー３３ａと反応しない第３実施例に係るバインダー３３ｃが固定部材１０に結合されるところ、すなわち、第１可逆的リンカー３０ａと異なるメカニズムで作動する第２可逆的リンカー５０ｃが使用されるので、前述したブロッキング工程が不要である。
図１２は、前述した第３実施例に係る第１可逆的リンカー３０ｃ、及び第１実施例に係る第２可逆的リンカー５０ａを用いたエクソソーム次亜集団の液体生検サンプルの製造方法を示す。図１２を参照すると、図１０で前述したように、第３実施例に係る第１可逆的リンカー３０ｃを用いてエクソソーム亜集団Ｓを分離及び回収した後に、図９で前述したように、第１実施例に係る第２可逆的リンカー５０ａを用いてエクソソーム次亜集団ＳＡを分離することができる。このとき、エクソソーム亜集団Ｓは第１可逆的リンカー３０ｃのリガンド３１ｃを含んでいるが、エクソソーム次亜集団ＳＡの分離時には、前記第１可逆的リンカー３０ｃと区別される第２可逆的リンカー５０ａを採択するので、前述したブロッキング工程が不要である。
図１３は、本発明の他の実施例に係るエクソソーム次亜集団の液体生検サンプルの製造方法のフローチャートである。
図１３を参照すると、本発明の他の実施例に係るエクソソーム次亜集団の液体生検サンプルの製造方法は、エクソソーム次亜集団を回収するステップ（Ｓ１６０）をさらに含むことができる。ここで、第２捕捉素材は第２可逆的リンカーによって固定部材に結合されるが、第２可逆的リンカーを解離させることによって、捕捉されたターゲットエクソソームを固定部材から分離して、エクソソーム次亜集団を回収することができる。このように回収されたエクソソームを対象としてバイオマーカーに対する分析を行うか、あるいはエクソソームを溶解させて溶出されたバイオマーカーに対する分析を行うことができる。
また、エクソソーム亜集団を濃縮するステップ（Ｓ１２５）をさらに含むことができる。サンプル溶液を添加した後、回収溶液を添加する前に、エクソソーム亜集団を濃縮することができる。具体的には、磁力、重力、及び遠心力のいずれか１つ以上を用いて、エクソソーム亜集団の対象疾患関連エクソソームと結合された固定部材を濃縮する。一例として、磁性ビーズを固定部材として用い、リガンド溶液及びサンプル溶液が混合された混合溶液内に磁力を介して固定部材を所定の空間領域に捕捉した後、固定部材が含有されていない混合溶液の一部（例えば、上層液）を除去することによって、エクソソーム亜集団を濃縮することができる。
同じ方法で、磁力、重力、及び遠心力のいずれか１つ以上を用いて、ターゲットエクソソームと結合された固定部材を濃縮することによって、エクソソーム次亜集団を濃縮することもできる（Ｓ１５５）。
以下では、前述した方法により製造されたエクソソーム液体生検サンプルを分析する方法について説明する。
図１４は、本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルの分析方法のフローチャートである。
図１４に示されたように、本発明の実施例に係るエクソソーム液体生検サンプルの分析方法は、健常者群及び患者群のそれぞれの体内の多数の細胞から分泌されたエクソソームを含有するエクソソーム母集団サンプルから、所定の疾患と関連するターゲットエクソソームを捕捉して、前記ターゲットエクソソームの集団を含むエクソソーム液体生検サンプルを準備するステップ（Ｓ１００）と、エクソソーム液体生検サンプルに含有されたターゲットエクソソームが有する多数のバイオマーカー別に定量的信号を測定するステップ（Ｓ２００）と、測定された定量的信号の信号値に基づいて、多数のバイオマーカー間の相関関係によって、健常者群及び患者群のそれぞれのエクソソーム液体生検サンプルを分析するステップ（Ｓ３００）とを含む。
エクソソーム液体生検サンプルの準備ステップ（Ｓ１００）では、分析対象となる分析サンプルとして、健常者群及び患者群のそれぞれのエクソソーム母集団サンプルから分離された、健常者群のエクソソーム液体生検サンプルと患者群のエクソソーム液体生検サンプルを準備する。ここで、健常者群及び患者群のエクソソーム液体生検サンプルは、同じ方式でそれぞれのエクソソーム母集団サンプルから分離されて製造される。
エクソソーム液体生検サンプルは、エクソソーム母集団サンプルから捕捉され、所定の疾患と関連するターゲットエクソソームの集団を含む。具体的には、エクソソーム母集団に属し、共通に少なくとも１つ以上の特定の分析ターゲットバイオマーカーを有するエクソソームの集団であるエクソソーム亜集団、そのエクソソーム亜集団の一部であって、共通に少なくとも１つ以上の他の特定の分析ターゲットバイオマーカーを備えるエクソソームの集団であるエクソソーム次亜集団、及びエクソソーム次亜集団に属し、共通に少なくとも１つ以上の更に他の特定の分析ターゲットバイオマーカーを有するエクソソームの集団であるエクソソーム下部集団を含むことができる。
本発明で使用されるエクソソーム母集団、亜集団、及び次亜集団の用語の理解を明確にするために、黒色腫癌と関連するバイオマーカーであるＣＤ６３及びＣａｖ１を例に挙げて説明する。エクソソーム母集団は、体内の多数の細胞から分泌されたエクソソームを含むバルク母集団（ｂｕｌｋ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）である。エクソソーム亜集団は、エクソソーム母集団の一部であって、共通に特定の分析ターゲットバイオマーカーを含むところ、黒色腫癌サンプルにおいて濃度が増加すると報告されたＣＤ６３マーカーを備えるエクソソームの集団をエクソソーム亜集団として使用することができる。ＣＤ６３マーカーを備えるエクソソーム亜集団中にＣａｖ１マーカーを有するエクソソームが存在するので、エクソソーム亜集団から、Ｃａｖ１マーカーを備えるエクソソームを分離して、そのエクソソームの集団をエクソソーム次亜集団として使用することができる。逆に、Ｃａｖ１マーカーを備えるエクソソームをエクソソーム亜集団として使用し、エクソソーム亜集団に属し、ＣＤ６３マーカーを有するエクソソームをエクソソーム次亜集団として使用することもできる。
定量的信号の測定ステップ（Ｓ２００）は、エクソソーム液体生検サンプルを対象として、そのサンプルに含有されたターゲットエクソソームが有する多数のバイオマーカーのそれぞれに対する定量的信号を測定する工程である。前記バイオマーカーは、エクソソームの表面に配列される所定の疾患関連バイオマーカー、及びエクソソームから溶出される所定の疾患関連バイオマーカーのうちの少なくともいずれか１つ以上を含むことができる。所定の疾患関連バイオマーカーは、特定の疾患の発生時に、健常者と比較して体液内に相対的に増加する成分であって、細胞内でエクソソームの生合成時に関与する、または細胞からエクソソームの放出段階に関与する、または受容細胞によるエクソソームの受容に関与するタンパク質、ｍＲＮＡｓ、ｔＲＮＡｓ、ｍｉＲＮＡｓ、ｌｏｎｇ ｎｏｎ－ｃｏｄｉｎｇ ＲＮＡｓ、ＤＮＡｓ、脂質成分、糖成分、ペプチド、及びその他の生化学成分を含むことができる。
バイオマーカーに対する定量的信号は、酵素免疫分析法（ＥＬＩＳＡ）を用いて測定できるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、公知のあらゆる定量的信号測定法、例えば、分光法、電気化学法、電磁気学法、映像測定法、波動測定法などのあらゆるセンサ技法に基づいた信号測定法を用いることができる。
サンプル分析ステップ（Ｓ３００）は、エクソソーム液体生検サンプルを対象としてバイオマーカープロファイリング分析を行う。多数のバイオマーカー別に測定された定量的信号の測定値に基づいて、バイオマーカー間の相関関係によって分析を実行することができる。ここで、いずれか１つの定量的信号と他の１つの定量的信号との間の２次元の相関関係によってエクソソーム液体生検サンプルを分析することができる。一例として、多数のバイオマーカーのいずれか１つの定量的信号をＸ軸とし、他の１つの定量的信号をＹ軸とするＸＹ座標系に、信号測定値に基づいてエクソソーム液体生検サンプルを座標化して分析することができる。ここで、健常者群のエクソソーム液体生検サンプルと患者群のエクソソーム液体生検サンプルとの間の分布形態を比較することによって、患者群の疾患を診断できるバイオマーカーを発掘することができる。また、バイオマーカー間の組成比に対する異質性の増加を確認して、癌のような疾患の病期を予測するのに活用することができる。
一方、定量的信号に基づいて標準化（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）されたパラメータを新たに定義して分析を実行することもできる。ここで、パラメータは、多数のバイオマーカーのいずれか１つの定量的信号を基準信号とし、その基準信号に対する他の１つの定量的信号の比率として定義され得る。このとき、パラメータは、基準信号以外の他のバイオマーカーの定量的信号の数に応じて、少なくとも２つ以上設定される。例えば、第１～第４バイオマーカーの４個に対して定量的信号を測定した場合、第１バイオマーカーの信号を基準信号とし、パラメータ１＝（第２バイオマーカーの信号）／（第１バイオマーカーの信号）、パラメータ２＝（第３バイオマーカーの信号）／（第１バイオマーカーの信号）、パラメータ３＝（第４バイオマーカーの信号）／（第１バイオマーカーの信号）を設定できる。
ここで、パラメータの設定に用いられるバイオマーカーは、定量的信号を測定した多数のバイオマーカーのうちその一部を選択することができる。一例として、前記定量的信号間の２次元の相関関係の分析のように、Ｘ軸及びＹ軸の定量的信号のうちの少なくとも１つ以上が異なる多数のＸＹ座標系にエクソソーム液体生検サンプルを座標化し、健常者群及び患者群のそれぞれのエクソソーム液体生検サンプルの傾きを算出した後に、その傾きの差が相対的に大きいＸＹ座標系を構成するバイオマーカーを選択してパラメータを設定することができる。すなわち、健常者群及び患者群のエクソソーム液体生検サンプルに対する定量的信号間の２次元分析結果を比較し、有意な差を示す定量的信号を用いてパラメータを設定することができる。
少なくとも２つ以上のパラメータが設定されると、互いに異なる２つのパラメータ間の相関関係によって分析を実行することができる。一例として、多数の前記パラメータのいずれか１つである第１パラメータをＸ軸とし、他の１つである第２パラメータをＹ軸とする第１ＸＹ座標系に、前記測定値を第１パラメータ及び第２パラメータに代入して算出されたパラメータ値に基づいてエクソソーム液体生検サンプルを座標化し、分布形態を比較することができる。
ここで、第１ＸＹ座標系において健常者群のエクソソーム液体生検サンプルが分布する陰性領域を設定できるが、その陰性領域内に患者群のエクソソーム液体生検サンプルが分布する場合、座標化されたエクソソーム液体生検サンプルのうち、前記陰性領域に属する陰性エクソソーム液体生検サンプルを対象として、第１パラメータ及び第２パラメータのうちの少なくともいずれか１つと他のパラメータとの間のＸＹ座標系を構成して、サンプルの陰性領域の分布に対する再分析を実行することができる。一例として、第１パラメータと第３パラメータとの間の陰性領域の分布の再分析、第３パラメータと第４パラメータとの間の陰性領域の分布の再分析を個別又は順次に実行して、陽性の正確度（即ち、敏感度）を極大化することができる。
同様に、第１ＸＹ座標系において患者群のエクソソーム液体生検サンプルが分布する陽性領域を設定できるが、その陽性領域内に健常者群のエクソソーム液体生検サンプルが分布する場合、座標化されたエクソソーム液体生検サンプルのうち、前記陽性領域に属する陽性エクソソーム液体生検サンプルを対象として、前記の過程によるサンプルの陽性領域の分布に対する再分析を通じて、陰性の正確度（即ち、特異度）を極大化することができる。
前記のようなエクソソーム次亜集団に対するバイオマーカープロファイリング分析は、エクソソーム表面タンパク質に対して免疫分離後、エクソソームの回収時に酸性ｐＨなどの苛酷条件を用いる既存の免疫分離技術では実現しにくい。したがって、２回以上の逐次的な免疫分離のために、現存するクロマトグラフィー、磁性分離、蛍光活性化セルソーティング（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ－ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃｅｌｌ ｓｏｒｔｉｎｇ；ＦＡＣＳ）、ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎなどの既存の技術をそのまま用いにくい。実際に、エクソソーム表面タンパク質ベースの単純な１回の免疫分離方法以外に、エクソソーム粒子のサイズ、密度、及び溶解度に基づいて分画するなど、まだ初歩的なエクソソーム分離段階に過ぎない実情であり、連続的な免疫親和分離工程などを介したエクソソーム次亜集団の分離及び次亜集団のバイオマーカープロファイリングベースの特定疾患の診断に関する事項は未だに報告されていない。
本発明によれば、２回以上の逐次的な繰り返し分離を介したサンプル内の特定のエクソソーム亜集団、次亜集団、その下部集団のバイオマーカーに対するプロファイリング分析は、癌疾患などのような特定の疾患の早期診断を可能にする。これは、固定部材に捕捉された特定のエクソソームを解離させるために、酸性ｐＨあるいは界面活性剤の包含のような苛酷条件を用いないので、エクソソームの損傷及び収率を減少させる根本的な問題点が解決されるためである。したがって、既存の技術ではエクソソーム亜集団の回収時に原形の保存が難しく、回収率が低いという問題が克服されることによって、逐次的繰り返し分離を介して特定の疾患と関連するターゲットエクソソーム次亜集団の分離及びバイオマーカープロファイリングベースの特定の疾患の診断が可能になる。
さらに、上述したように、癌疾患などの特定の疾患と関連する特異エクソソームの表面タンパク質を媒介として、エクソソーム亜集団、次亜集団、その下部集団への分離が可能な場合、特異エクソソームに含有された高濃度の特定の疾患に対する核酸バイオマーカー、例えば、ｍＲＮＡ及びｍｉＲＮＡなどを液体生検サンプルとして提供できるようになる。特に、エクソソームに含有されたｍｉＲＮＡは、ＲＮａｓｅによる分解から保護されて循環血漿や血清で安定的に探知され得ることが知られており、臨床診断に応用時の理想的なバイオマーカーとして浮かび上がってきている。血漿内のエクソソームから発見されたｍｉＲＮＡ（ｍｉＲ）の例を挙げると、卵巣癌と関連するｍｉＲ－２１、－１４１、－２００ａ、－２００ｃ、－２０３、－２０５、及び－２１４があり、肺癌と関連するｍｉＲ－１７、－３ｐ、－２１、－２０ｂ、－２２３、－３０１、及びｌｅｔ－７ｆがあり、前立腺癌と関連するｍｉＲ－１４１及びｍｉＲ－３７５があり、乳癌と関連するｍｉＲ－２１があり、心血管疾患と関連するｍｉＲ－１及びｍｉＲ－１３３ａがあり、そして、アルコール性肝疾患と関連するｍｉＲ－１２２及びｍｉＲ－１５５がある。また、尿内のエクソソームから発見されるｍｉＲＮＡの例を挙げると、腎臓繊維症と関連するｍｉＲ－２９ｃ及びＣＤ２ＡＰｍＲＮＡがある。
エクソソーム由来のｍｉＲＮＡに関する研究のほとんどは、癌の診断に焦点が当てられてきた。研究結果によれば、特定のｍｉＲＮＡは、卵巣癌生検標本や同一の卵巣癌患者から分離された血清エクソソームにおいてほぼ同一の濃度で発見される。しかし、このようなエクソソームに含有されたｍｉＲＮＡは、健常者群では発見されておらず、このことから、エクソソーム由来のｍｉＲＮＡは、生検資料の収集時に潜在的な診断マーカーとして使用できることを示唆する。前立腺癌の早期探知及び診断は、前立腺特異抗原（ｐｒｏｓｔａｔｅ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ａｎｔｉｇｅｎ；ＰＳＡ）を用いて行われ得る。しかし、ＰＳＡベースの検査は、低い診断特異度及び高い偽陽性率を示し、これにより、前立腺癌の過剰診療を招くことがある。したがって、前立腺癌の診断時にさらに高い診断正確度を示す新たなマーカーの開発が求められる。いくつかの研究によれば、ｍｉＲＮＡ（ｍｉＲ）マーカーとしてｍｉＲ－１４１及びｍｉＲ－３７５の濃度の増加は、前立腺癌において腫瘍の進行と関連する。エクソソーム由来のｍｉＲＮＡは、血清や血漿標本内でＲＮａｓｅ抵抗性を有するので、エクソソーム由来のｍｉＲ－１４１及びｍｉＲ－３７５は、前立腺癌の診断時に価値のあるマーカーとなり得る。
エクソソームに含有されたｍｉＲＮＡはまた、扁平上皮細胞食道癌（ｓｏｐｈａｇｅａｌ ｓｑｕａｍｏｕｓ ｃｅｌｌ ｃａｎｃｅｒ；ＥＳＣＣ）の診断時のバイオマーカーとして潜在性がある。研究結果によれば、エクソソーム由来のｍｉＲ－２１の濃度は、体系的炎症なしに陽性腫瘍を有する患者の血清に比べて、ＥＳＣＣ患者からの血清において上昇し、その濃度は、腫瘍の進行及び攻撃性と確かに関連している。さらに、エクソソーム由来のｍｉＲＮＡはまた、心血管疾患及び腎臓繊維症に対する診断バイオマーカーとして潜在性がある。
ｍｉＲＮＡに加えて、エクソソームに含有されたｍＲＮＡも、臨床診断においてバイオマーカーとして潜在的有用性がある。実際に、前立腺癌患者からの尿エクソソームサンプルは、ＰＣＡ３のｍＲＮＡ及びＥＲＧ（ｖ－ｅｔｓ ａｖｉａｎ ｅｒｙｔｈｒｏｂｌａｓｔｏｓｉｓ ｖｉｒｕｓ Ｅ２６ ｏｎｃｏｇｅｎｅ ｈｏｍｏｌｏｇ）融合染色体再配列の結果産物であるＴＭＰＲＳＳ２のｍＲＮＡを含む。類似事例として、尿エクソソームには、腎臓虚血／再灌流（ｉｓｃｈｅｍｉａ／ｒｅｐｅｒｆｕｓｉｏｎ）損傷あるいは抗利尿性ホルモン作用の診断及び予後マーカー（例えば、ａｑｕａｐｏｒｉｎ－１及び－２）がまた発見された。
上述したように、温和な条件で実行可能な免疫親和分離技術を用いて製造されたエクソソーム亜集団及び次亜集団サンプルが診断に適用され得る特定の疾患、そして、分離及び診断マーカーとして使用可能なエクソソーム由来のタンパク質及び核酸を、以下に提示した。
多数のエクソソーム由来の乳癌マーカーが、最近、ＣＤ２４及びＥｐＣＡＭでのように臨床的に確認されている。乳癌に加えて、他の多くの癌に対してもエクソソームタンパク質がバイオマーカーの有用な資源として提供される。多数の研究結果において、アポトーシス阻害タンパク質（ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ｏｆ ａｐｏｐｔｏｓｉｓ ｐｒｏｔｅｉｎ；ＩＡＰ）群の一種類が健常者及び前立腺癌患者の血漿由来のエクソソームで探知されたが、エクソソーム含有ｓｕｒｖｉｖｉｎの相対的な含量が、前立腺癌患者の血漿で遥かに高いことが分かった。非侵襲的な手段で容易に接近可能な尿エクソソームは、前立腺癌と膀胱癌に対するバイオマーカーを開発するのに有用である。健常者と膀胱癌患者から得た尿エクソソームに対するタンパク質プロファイリング（ｌａｂｅｌ－ｆｒｅｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ－ｔａｎｄｅｍ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＬＣ－ＭＳ／ＭＳ）分析）は、膀胱癌に対して潜在的なバイオマーカーとして、尿エクソソームに含まれたタンパク質を確認させた。例えば、２つの既知の前立腺癌マーカーであるＰＣＡ３及びＴＭＰＲＳＳ２－ＥＲＧはまた、前立腺癌患者から採取した尿エクソソームに存在する。細胞表面プロテオグリカン（タンパク質を結合した多糖類）は、陽性膵臓病では発見されないが、早期及び後期状態の膵臓癌患者の血清からＦＡＣＳで分離されたエクソソーム内に存在することが分かった。卵巣癌患者の血漿から超遠心分離により分離されたエクソソームは、ＴＧＦ－１ ａｎｄ ＭＡＧＥ ３／６を含有したが、その２つのタンパク質は、陽性腫瘍患者から得たエクソソームには存在しなかった。
タンパク質以外に、エクソソームから分離された核酸の分析初期に、エクソソームに搭載された主要成分としてｍｉＲＮＡｓ（ｍｉＲｓ）及びｍＲＮＡｓが確認された。以降の研究結果によって、エクソソームは、トランスファーＲＮＡｓ（ｔｒａｎｓｆｅｒ ＲＮＡｓ；ｔＲＮＡｓ）、そして、長鎖ノンコーディングＲＮＡｓ（ｌｏｎｇ ｎｏｎ－ｃｏｄｉｎｇ ＲＮＡｓ）などの他の種類のＲＮＡｓを含むことが分かった。ＲＮＡ種に加えて、一本鎖及び二本鎖ＤＮＡｓの切片がエクソソームに存在することが確認された。エクソソーム由来の核酸のうち、エクソソームｍｉＲＮＡｓは、ＲＮａｓｅ依存性分解から安定性が確保されることによって、癌診断バイオマーカーとして最も注目を集めている。前臨床及び臨床研究から発見されたエクソソーム核酸バイオマーカーの例として、乳癌の診断に適用された血漿内のエクソソーム核酸としてｍｉＲ－２１及びｍｉＲ－１２４６があり、卵巣癌の診断及びスクリーニング段階に適用された血清内のエクソソーム核酸として、ｍｉＲ－２１、ｍｉＲ－１４１、ｍｉＲ－２００ａ、ｍｉＲ－２００ｃ、ｍｉＲ－２００ｂ、ｍｉＲ－２０３、ｍｉＲ－２０５、及びｍｉＲ－２１４があり、大腸癌の診断に適用された血清内のエクソソーム核酸として、ｌｅｔ－７ａ、ｍｉＲ－１２２９、ｍｉＲ－１２４６、ｍｉＲ－１５０、ｍｉＲ－２１、ｍｉＲ－２２３、及びｍｉＲ－２３ａがあり、前立腺癌の診断に適用された血漿及び血清内のエクソソーム核酸として、ｍｉＲ－１４１及びｍｉＲ－３７５があり、膵臓癌の診断に適用された血清及び尿内のエクソソーム核酸として、ｍｉＲ－１７－５ｐ及びｍｉＲ－２１がある。
要約すると、癌細胞由来のエクソソームは、腫瘍発生微小環境内のタンパク質、脂質、及び核酸を含む物質の細胞間の伝達を増大させることによって、癌の進行に寄与する。エクソソーム搭載成分は、元の癌から変化した状態を反映するので、エクソソームは、早期探知、診断、及び予後に対する最小侵襲的なバイオマーカーとして用いる価値が非常に高い。実際に、体液においてエクソソームの安定性が維持されるので、エクソソームベースの診断は、既存の組織生検あるいは他の液体生検バイオマーカーに比べてさらに高い敏感度及び特異度を提供する。
それに加えて、エクソソームマーカーは、ほとんどの体液から容易に得ることができ、最近、エクソソーム分離技術の進歩に伴い、エクソソームベースの診断費用と労働力を効果的にするきっかけとなっている。しかし、エクソソーム診断領域において克服すべき主要な障害は、純粋なエクソソーム集団を分離する最適の方法を開発することである。微小小胞体自体は、癌を探知する有用な診断道具であるかも知れないが、二つの主要な細胞外小胞体を純粋なエクソソーム及びその他の微小小胞体集団に分離する技術では、単に比較研究のみが可能なだけである。他の挑戦は、癌由来のエクソソーム搭載成分が異なっている癌エクソソームの異質性を調節し、したがって、診断結果の再現性に影響を与えるメカニズムを理解することである。このような重要性にもかかわらず、エクソソームＲＮＡｓ及びＤＮＡｓの次世代シーケンシング（ｎｅｘｔ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ）、エクソソーム表面タンパク質のプロテオミクス分析、そして、免疫親和ベースの捕捉技術を結合する今後の努力によって、エクソソームベースの癌診断は、次のレベルの段階に到達するはずである。
以下では、具体的な実施例及び評価例を通じて、本発明をより詳細に説明する。具体的な実施例及び評価例は、単に本発明を例示するためのものであるので、本発明の範囲がその実施例及び評価例によって制限されるものではない。
Ｉ．スイッチ性付着反応を用いたエクソソーム親和分離
１．材料
カルシウムイオンがカルシウム付着タンパク質（ＣＢＰ）に付着反応時に変化したＣＢＰの独特の構造を特異に認識する単一クローン抗体は、本発明者らによって生産された。また、ＣＢＰとして、突然変異されたグルコース／ガラクトース結合タンパク質（ｇｌｕｃｏｓｅ－ｇａｌａｃｔｏｓｅ ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ；ＧＧＢＰ）を選択し、このタンパク質を大腸菌（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉ；Ｅ．ｃｏｌｉ）から産生した後、精製した。塩化ナトリウム（Ｓｏｄｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、Ｔｒｉｚｍａ、カゼイン（ｃａｓｅｉｎ）（ｓｏｄｉｕｍ ｓａｌｔ ｆｏｒｍ、ｅｘｔｒａｃｔ ｆｒｏｍ ｂｏｖｉｎｅ ｍｉｌｋ）、３，３’，５，５’－テトラメチルベンジジン（３，３’，５，５’－ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｉｄｉｎｅ；ＴＭＢ）、ドデシル硫酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｄｏｄｅｃｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ；ＳＤＳ）、ウシ血清アルブミン（ｂｏｖｉｎｅ ｓｅｒｕｍ ａｌｂｕｍｉｎ；ＢＳＡ）、及びＣＮＢｒ活性化セファロース４Ｂゲル（ＣＮＢｒ－ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｓｅｐｈａｒｏｓｅ ４Ｂ ｇｅｌ）（４％アガロース）は、Ｓｉｇｍａ社（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ，米国）から購入した。塩化カルシウム二水和物（Ｃａｌｃｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｈｙｄｒａｔｅ）及び塩化カリウム（ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）は、Ｄａｅｊｕｎｇ（始興、韓国）で供給した。スルホスクシンイミジル－６－［ビオチンアミド］－６－ヘキサンアミドヘキサノエート（Ｓｕｌｆｏｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｙｌ－６－［ｂｉｏｔｉｎａｍｉｄｏ］－６－ｈｅｘａｎａｍｉｄｏ ｈｅｘａｎｏａｔｅ）（ＮＨＳ－ＬＣ－ＬＣ－ｂｉｏｔｉｎ）、スクシンイミジル ４－（Ｎ－マレイミドメチル）シクロヘキサン－１－カルボキシラート（ｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｙｌ ４－（Ｎ－ｍａｌｅｉｍｉｄｏｍｅｔｈｙｌ）ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅ－１－ｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ；ＳＭＣＣ）、Ｎ－スクシンイミジル ３－（２－ピリジルジチオ）－プロピオナート（Ｎ－ｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｙｌ ３－（２－ｐｙｒｉｄｙｌｄｉｔｈｉｏ）－ｐｒｏｐｉｏｎａｔｅ；ＳＰＤＰ）、ジチオトレイトール（ｄｉｔｈｉｏｔｈｒｅｉｔｏｌ；ＤＴＴ）、マレイミド（ｍａｌｅｉｍｉｄｅ）、ストレプトアビジン（ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ；ＳＡ）、及びホースラディッシュペルオキシダーゼ（ｈｏｒｓｅｒａｄｉｓｈ ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ；ＨＲＰ）は、サーモフィッシャーサイエンティフィック（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）社（Ｒｏｃｋｆｏｒｄ，ＩＬ，米国）から購入した。抗ＣＤ６３抗体（Ｃａｔ．Ｎｏ．３５３０１４）は、ＢｉｏＬｅｇｅｎｄ（Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ，米国）で供給し、ＣＤ９（Ｃａｔ．Ｎｏ．ＭＡＢ１８８０）、ＣＤ８１（Ｃａｔ．Ｎｏ．ＭＡＢ４６１５）、あるいはＣａｖｅｏｌｉｎ－１（Ｃａｖ１；Ｃａｔ．Ｎｏ．ＭＡＢ５７３６）に特異な単一クローン抗体は、Ｒ＆Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，ＭＮ，米国）で供給した。冷凍乾燥された健常者のエクソソーム標準試薬（ヒト血漿由来）及び黒色腫癌細胞培養液はＨａｎｓａＢｉｏＭｅｄ（Ｔａｌｌｉｎｎ、エストニア）から購入した。磁性ビーズ（Ｄｙｎａｂｅａｄｓ Ｍ－２８０ Ｔｏｓｙｌａｃｔｉｖａｔｅｄ、直径２．８ｍｍ）及びｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ－ｐｏｌｙ－ＨＲＰ２０は、Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ（Ｃａｒｌｓｂａｄ，ＣＡ，米国）及びＦｉｔｚｇｅｒａｌｄ（Ａｃｔｏｎ，ＭＡ，米国）でそれぞれ供給した。種々の他のエクソソーム分離キット、すなわち、ＥｘｏＱｕｉｃｋＴＭ ｋｉｔ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅｓ；Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｖｉｅｗ，ＣＡ，米国）、ＭａｇＣａｐｔｕｒｅＴＭ ｋｉｔ（Ｗａｋｏ；Ｏｓａｋａ、日本）、及びｅｘｏＥａｓｙ ＭａｘｉＴＭ ｋｉｔ（Ｑｉａｇｅｎ；Ｈｉｌｄｅｎ、ドイツ）は、それぞれ異なる供給源から購入した。それ以外の他の試薬も分析用途の製品を使用した。
２．実施例１：エクソソームの分離及び特性化用構成成分の製造
２．１ ＳＡとＣＢＰとの重合
１０ｍＭのリン酸緩衝溶液（ｐＨ７．４；ＰＢ）に溶解されたＣＢＰ（４００μｇ）を、２０モル倍のＳＭＣＣと混合した後、室温で１時間反応させて活性化した。ＰＢに溶解されたＳＡ（２ｍｇ）を、５モル倍のＳＰＤＰと１時間反応させた後、５ｍＭのエチレンジアミン四酢酸（ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅｔｅｔｒａａｃｅｔｉｃ ａｃｉｄ；ＥＤＴＡ）を含む１０ｍＭのＤＴＴ溶液で３７℃で１時間、化学的に還元させて、スルフヒドリル基（ｓｕｌｆｈｙｄｒｙｌ ｇｒｏｕｐｓ）を表出させた。各活性化された成分は、Ｓｅｐｈａｄｅｘ Ｇ－１５ゲル濾過カラム（１０ｍｌの体積）を介して過剰に使用された試薬を除去することによって分離した。２つの活性化されたタンパク質、すなわち、ｍａｌｅｉｍｉｄｅ－ＣＢＰ及びｔｈｉｏｌａｔｅｄ－ＳＡを１：５のモル比で混合し、室温で４時間反応させた。その後、ＳＡとＣＢＰとの重合体（ＣＢＰ－ＳＡ）が含まれた最終溶液を、使用時まで、よくシールされた容器内で４℃で保管した。
２．２ 抗ＣＤ６３抗体のビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｉｏｎ）
ＮＨＳ－ＬＣ－ＬＣ－ビオチンのスクシンイミジル－エステル（ｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｙｌ－ｅｓｔｅｒ）部分を抗体分子上のアミン基と反応させて、ビオチン化された抗体を製造した。簡略に過程を記述すると、１４０ｍＭのＮａＣｌを含むＰＢ溶液（ＰＢＳ）に溶解された抗ＣＤ６３抗体を、ジメチルスルホキシド（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ；ＤＭＳＯ）に溶解された２０モル倍のＮＨＳ－ＬＣ－ＬＣ－ビオチンと混合し、室温で２時間反応させた。混合物内の未反応試薬は、ＰＢＳで平衡状態にあるＳｅｐｈａｄｅｘ Ｇ－１５カラムを用いたサイズ排除クロマトグラフィ（ｓｉｚｅ－ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）を介して除去した。精製された重合体は、ＰＢＳで２回透析し、Ｖｉｖａｓｐｉｎ５００を用いて１ｍｇ／ｍｌの濃度に濃縮した後、使用時まで４℃で保管した。
２．３ ＨＲＰを用いた抗ＣＤ６３抗体の標識
抗ＣＤ６３抗体を一般的な過程を用いてＨＲＰで標識した。簡略に説明すると、抗体を、まず、１０ｍＭのＤＴＴで３７℃で１時間還元させ、過量の試薬はゲル濾過カラムを用いて除去した。ＨＲＰも３０モル倍のＳＭＣＣで活性化させ、未反応試薬は、先と同様にサイズ排除クロマトグラフィを介して除去した。還元された抗体を、１０モル倍の活性化されたＨＲＰと混合した後、重合反応を４℃で２４時間以上行った。生成された重合体は、同じ体積のグリセロール（ｇｌｙｃｅｒｏｌ）と混合した後、－２０℃で保管した。
３．実施例２：免疫親和クロマトグラフィー
３．１ 免疫親和ゲルの製造
免疫親和クロマトグラフィーを行うために、ＣＢＰに特異な単一クローン抗体をＣＮＢｒ活性化セファロース４Ｂゲルの表面に固定させた。製造社で提供した説明書に従って、抗体（水和されたゲルの体積ｍｌ当たり２ｍｇ）をアガロースゲル（ａｇａｒｏｓｅ ｇｅｌ）上に化学的に結合させるために、抗体分子上のリジン（ｌｙｓｉｎｅ）残基をゲル上の機能性基とアルカリ条件で反応させた。抗体を結合させた後、ゲル上の残りの反応基は、Ｔｒｉｓ－ＨＣｌ緩衝溶液を用いて加水分解させた。
製造された免疫親和ゲルをプラスチックカラムに充填させて免疫親和クロマトグラフィーカラムを製造し、酸性条件とアルカリ性条件を交互に用いて洗浄することによって、固体（ゲル）表面に非特異的に吸着された抗体を除去した。
３．２ 前処理された免疫親和クロマトグラフィーカラムの製造、及びこれを介したＣＤ６３陽性（ＣＤ６３＋）エクソソームの分離
前記で製造された免疫親和ゲルを活用して前処理された免疫親和クロマトグラフィーカラムを製造した。エクソソームマーカーの一種であるＣＤ６３陽性（ＣＤ６３＋）エクソソームに特異な免疫親和クロマトグラフィーカラムを作製するために、プラスチックカラムに免疫親和ゲルを充填し、Ｃａ２＋（１０ｍＭ）が含まれた輸送溶液（‘Ｃａ２＋スイッチオン’の条件）を用いて、ＣＢＰ－ＳＡ重合体（５μｇ／ｍｌ）を単一クローン抗体と反応させて免疫親和ゲルに固定させた後、ビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ）抗ＣＤ６３抗体（３μｇ／ｍｌ）を、ｂｉｏｔｉｎ－ＳＡ結合を介してＣＢＰ－ＳＡ重合体に順次固定させた。
このように作製された免疫親和カラム（９ｍｍ×３．２ｍｍ；１．５ｍｌ ｂｅｄ ｖｏｌｕｍｅ）を用いてエクソソームを分離した。準備されたＣＤ６３免疫親和カラムにエクソソーム試料（健常者のエクソソーム標準サンプル（２５μｇ／ｍｌ；１ｍｌ））を添加し、Ｃａ２＋を含む輸送溶液を注入して、結合されなかった成分を洗浄した。その後、Ｃａ２＋が除去された輸送溶液（‘Ｃａ２＋スイッチオフ’の条件）を注入して、免疫親和ゲルに付着していたＣＢＰ－抗体－エクソソーム結合体（ＣＤ６３＋エクソソームを含む）を分画別に回収した。ここで、免疫親和カラムは、再生した後、他のサンプルの分析に再利用した。
前記過程をより詳細に説明すると、エクソソームサンプルを免疫親和カラムに添加する前に、ゲルを、１４０ｍＭのＮａＣｌ、１０ｍＭのＣａ２＋及び２％ＢＳＡを含む２０ｍＭのＴｒｉｓ－ＨＣｌ（ｐＨ７．４；付着溶液）と平衡状態を維持させた。実施例１で製造したＣＢＰ－ＳＡ（５μｇ／ｍｌ、１ｍｌ）及びビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ）抗ＣＤ６３抗体（３μｇ／ｍｌ、１ｍｌ）、そして、エクソソーム標準サンプル（１ｍｌ；健常者のエクソソーム標準試薬あるいは黒色腫癌細胞培養液）をそれぞれ付着溶液で希釈させた。また、各試薬の添加位置を確認できるように、マーキングのために、ＨＲＰ酵素（０．１μｇ／ｍｌ）を各希釈溶液に添加した。製造した各溶液を、予め指定された流出体積で流出されるように、ゲルカラムに順に添加した。カラムからの流出液は、連動ポンプを用いて１２０μl／ｍｉｎの流出速度で分画収集器（分画体積：１ｍｌ）に移送された。未反応のタンパク質をカラムから除去するために、ゲルカラムを、ＢＳＡが排除された付着溶液で洗浄した。最終的に、カラムに、５００ｍＭのＮａＣｌが含まれた２０ｍＭのＴｒｉｓ－ＨＣｌ（ｐＨ７．４）緩衝溶液を供給して、カラムに付着されていたエクソソームを流出させて回収した。その後、ゲルカラムに、５００ｍＭのＮａＣｌ、５％（ｖ／ｖ）Ｔｗｅｅｎ－２０、及び０．０２％（ｗ／ｖ）チメロサールが含まれた１００ｍＭの酢酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｃｅｔａｔｅ）緩衝溶液（ｐＨ４．５）を供給し、カラムからタンパク質の流出がなくなるまで完全に洗浄してカラムを再生した。
４．実施例３．免疫磁性分離
４．１ ＣＤ６３＋エクソソームの免疫磁性濃縮
一般に、磁性濃縮技術は、抗体が結合された免疫磁性ビーズを用いて、抗原－抗体反応を介して磁場下で目標物質を分離し、濃縮を同時に行う方法である。この方法を用いたＣＤ６３＋エクソソームの分離過程は、基本的に実施例２の免疫親和クロマトグラフィーを行う工程と同一である。Ｃａ２＋結合によるＣＢＰの構造変化を認知する単一クローン抗体を磁性ビーズに結合させた後、‘Ｃａ２＋スイッチオン’の条件下で、ＣＢＰ－ＳＡ重合体、そして、ビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ）抗ＣＤ６３抗体を順次反応させた。このように製造した免疫磁性ビーズをエクソソームサンプル（健常者のエクソソーム標準サンプル（２５μｇ／ｍｌ；１ｍｌ））と反応させた後、磁石を用いて磁性ビーズを捕捉した状態で上層液を除去し、ビーズを洗浄した。その後、‘Ｃａ２＋スイッチオフ’の条件下で、初期に比べて１／１０体積の緩衝溶液を添加して、ＣＤ６３＋エクソソームを回収及び濃縮した。
前記過程をより詳細に説明すると、磁性濃縮のために、ＣＤ６３に特異な抗体を、磁性ビーズの固体表面上に活性化されたトシル（ｔｏｓｙｌ）部分に抗体上のアミン基と化学的に結合させて固定した。Ｔｒｉｓ－ＨＣｌ緩衝溶液で３回洗浄した後、残りの表面をＣａｓｅｉｎ－ＰＢＳでブロッキングした。ビーズ（総１ｍｇ）を溶液から磁性分離した後、付着溶液で希釈したＣＢＰ－ＳＡ重合体（５μｇ／ｍｌ；１ｍｌ）を添加し、振盪器上で１時間反応させた。ビーズをＢＳＡが除去された付着溶液で洗浄した後、ビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ）抗ＣＤ６３抗体（３μｇ／ｍｌ；１ｍｌ）を同じ条件下で反応させた。再び洗浄した後、付着溶液で希釈したエクソソームサンプル（２５μｇ／ｍｌ；１ｍｌ）を添加し、３時間反応させた。最後に、免疫親和クロマトグラフィーでのようなプロトコルに従ってＣＤ６３＋エクソソームの回収及びビーズの再生を行った。
５．評価例１：実施例１で回収された流出分画の分析
図１５は、スイッチ性付着反応を用いてサンプル内のＣＤ６３＋エクソソームを免疫親和クロマトグラフィー工程により分離した結果である。
実施例２において、各添加試料のクロマトグラム上の流出位置を確認するために、ホースラディッシュペルオキシダーゼ（ｈｏｒｓｅｒａｄｉｓｈ ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ；ＨＲＰ）に対する発色式酵素分析を先に行った。実施例２による分離過程を介してカラムから収集した溶出分画を分析してみると、各成分の添加位置、及び各分画別のＣＤ６３＋エクソソームに対する分布を確認することができる。前処理されたゲルカラムに各成分（即ち、ＣＢＰ－ＳＡ重合体、ビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ）抗ＣＤ６３抗体及びエクソソームサンプル）を注入する際に、各溶液に総０．１μｇのＨＲＰを含ませることで、溶出後、添加された位置を確認できるようにした。したがって、各分画から一部をサンプリングしてマイクロウェルに分注し、ＨＲＰ基質溶液を添加して得た反応結果から、各成分の注入位置情報に対するクロマトグラムを得、図１５に点線で（ａ）、（ｂ）、（ｃ）ピークを表示した。前記酵素分析過程についてより詳細に説明すると、各分画の一定量（５μｌ）をマイクロタイタープレート（ｍｉｃｒｏｔｉｔｅｒ ｐｌａｔｅ）に分注した後、酵素基質溶液（２００μｌ）を添加して酵素から信号を発生させた。酵素基質溶液は、３％（ｖ／ｖ）過酸化水素水溶液（１０μｌ）、ジメチルスルホキシド（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ；ＤＭＳＯ）に溶解された１０ｍｇ／ｍｌのＴＭＢ（１００μｌ）、そして、０．０５Ｍのアセテート（ａｃｅｔａｔｅ）緩衝溶液（ｐＨ５．１；１０ｍｌ）を混合して製造した。酵素の信号が飽和する前に２Ｍ硫酸溶液（５０μｌ）を添加して反応を終結させ、光学密度を最大吸光度４５０ｎｍでマイクロプレートリーダ（ｍｉｃｒｏｐｌａｔｅ ｒｅａｄｅｒ）（Ｓｙｎｅｒｇｙ Ｈ４，ＢｉｏＴｅｋ Ｉｎｃ．；Ｗｉｎｏｏｓｋｉ，ＶＴ，Ｕ．Ｓ．Ａ．）で測定した。
さらに、免疫親和力によって分離されて回収されたエクソソームの流出位置を確認するために、各分画内のエクソソームに対する酵素免疫分析（ｅｎｚｙｍｅ－ｌｉｎｋｅｄ ｉｍｍｕｎｏｓｏｒｂｅｎｔ ａｓｓａｙ；ＥＬＩＳＡ）を行った。このために、抗ＣＤ６３抗体が固定されたマイクロウェルに、各分画から一部をサンプリングして添加して反応させ、カラム内でエクソソームと反応したと予測されるビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ）抗体分子上の残りのビオチンにＳＡ－ｐｏｌｙ ＨＲＰ２０重合体を順次反応させた。より具体的には、抗体の固定化は、５μｇ／ｍｌの抗体（１００μｌ）を各ウェルに添加した後、３７℃で１時間反応させて行った。洗浄後、残りの表面を、０．５％カゼインが含まれたＴｒｉｓ－ＨＣｌ緩衝溶液（Ｃａｓｅｉｎ－Ｔｒｉｓ）でブロッキングした。その後、各分画の一定部分（１００μl）を各ウェルに添加し、３７℃及び１００％湿度が維持される箱内で１２時間反応させた。ウェルを洗浄し、実施例１で製造したビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ）抗ＣＤ６３抗体（１μｇ／ｍｌ；１００μl）を添加した後、３７℃で１時間反応させた。再び洗浄した後、Ｃａｓｅｉｎ－Ｔｒｉｓで希釈したＳＡ－ｐｏｌｙ ＨＲＰ２０（６６ｎｇ／ｍｌ；ウェル当たり１００μl）を添加し、３７℃で１時間反応させた。最後に、ＨＲＰに対する基質溶液（２００μl）を添加し、発色が飽和する前に２Ｍ硫酸溶液（５０μl）を添加して反応を停止させ、光学密度を前記のように測定した。ＨＲＰ基質溶液を添加してエクソソーム特異クロマトグラムを得た結果は図１５の実線で表示し、‘Ｃａ２＋スイッチオフ’の条件下で意味のある信号は図１５に（ｄ）ピークとして表示した。使用された免疫分析では、ＣＤ６３＋エクソソームを中心に形成された抗ＣＤ６３抗体サンドイッチ結合体のみが探知されるので（図１５の挿入図参照）、カラムから流出された（ｄ）ピークには、免疫分離されて回収されたＣＤ６３＋エクソソームが含まれたと判断される。それに加えて、エクソソームサンプルの注入位置（図１５の（ｃ）ピーク）でも信号が弱く発生したことからみて、一部のエクソソーム結合体が流出されるか、あるいは親和力がない過量のエクソソームが非特異反応した結果であると予測される。しかし、このピークの大きさが、（ｄ）ピークの大きさに比べて１０％以下であるので、これ以上分析対象としなかった。
６．評価例２：実施例２による免疫親和クロマトグラフィーの再現性の評価
図１６は、図１５の免疫親和クロマトグラフィー工程を繰り返して用いて、エクソソームの分離時の再現性を示した結果である。
実施例２による免疫親和カラムを用いたエクソソームの分離再現性を確認するために、同じ免疫分離過程を繰り返し、各実験結果から得た流出分画を、既に言及したＣＤ６３＋エクソソームに対する免疫分析を行って各クロマトグラムを取得した（図１６のＡ参照）。Ｃａ２＋が除去された流出用輸送溶液に転換した後（３５番目の分画後）、繰り返し実験時にも、ＣＤ６３＋エクソソームが分離されて単一の独立したピークの形態で形成されることが確認できた。さらに、ＣＤ６３＋エクソソームピークを形成する分画番号、及びエクソソームに対する特異信号の強度も非常に類似していることを確認した。特に、クロマトグラム上の回収エクソソームピーク内の３７、３８及び３９番目の分画に含まれたＣＤ６３＋エクソソームに対する免疫分析信号は、平均変異係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｖａｒｉａｔｉｏｎ；ＣＶ）が９．４％以下程度であって、高い再現性を示した（図１６のＢ参照）。
本評価例２の実験過程をより詳細に説明すると、前記のように免疫親和クロマトグラムを最初に得た後、同じ分離プロトコルに従って各流出分画に含まれたエクソソームを回収し、分析する過程を３回繰り返した。本評価実験では、各分離されたエクソソームピークを構成する主要分画内に含まれたＣＤ６３＋エクソソームに対する免疫分析結果を得、その測定された信号間の変異係数（ＣＶ）を、各分離試験に対する再現性の評価指標として使用した。分離用ゲルカラムを使用しない時には、Ｔｒｉｓ－ＨＣｌ緩衝溶液を充填して４℃で保管した。
７．評価例３：実施例３の濃縮性能の評価
図１７は、スイッチ性付着反応を用いてサンプル内のＣＤ６３＋エクソソームを免疫磁性分離工程により分離及び濃縮した結果である。
実施例３の濃縮性能を試験するために、磁性分離工程を他のエクソソーム標準サンプル（１、３、あるいは５μｇ／ｍｌ）に対して繰り返して適用した後、前述したＣＤ６３＋エクソソームに対するサンドイッチ免疫分析を行い、その結果を、図１７のＡに黒色の棒グラフで表示した。磁性濃縮前の元の標準サンプル内のＣＤ６３＋エクソソームに対する免疫分析の結果は、図１７のＡに白色の棒で表示したが、両者を比較すると、磁性濃縮により、信号が平均的に約３．７倍程度増加したことが分かった。分離されたエクソソームの濃縮比率を決定するために、元の標準サンプルに対する免疫分析の濃度応答をｌｏｇ－ｌｏｇｉｔ変換を通じて線形化し、これから、濃縮されたＣＤ６３＋エクソソームの濃度を決定して、図１７のＢに示した。その中で、ＣＤ６３＋エクソソームを基準として３μｇ／ｍｌのエクソソームサンプルに対して濃縮した結果、約２２μｇ／ｍｌを得ることができ、このことから、約７．９倍の濃縮効率が確認できた。
ここで、分離前後のエクソソームサンプルの濃度を、免疫分析において標準試薬から得た結果との比較を通じて決定したが、まず、健常者のエクソソーム標準試薬をＣａｓｅｉｎ－Ｔｒｉｓで希釈してエクソソーム標準サンプル（１～１００μｇ／ｍｌ）を準備し、免疫分析のために、抗ＣＤ６３抗体（５μｇ／ｍｌ；１００μl）をマイクロウェル内に添加し、３７℃で１時間反応させて、ウェル内部の表面に捕捉バインダーで固定した。洗浄後、Ｃａｓｅｉｎ－Ｔｒｉｓを添加して、残りの表面を前記と同じ条件下でブロッキングした。各エクソソームサンプル（１００μl）をそれぞれ異なるウェルに添加し、３７℃で１２時間反応させた。残りの分析過程は、前述したＥＬＩＳＡプロトコルに従って行われた。
８．評価例４：実施例３による免疫磁性分離の再現性の評価
図１８は、図１７の免疫磁性分離工程を繰り返して行う場合のＣＤ６３＋エクソソームの分離時の再現性を示した結果である。
実施例３によるスイッチ認識素材ベースの磁性濃縮技術は、‘Ｃａ２＋スイッチオン’の条件下でターゲットエクソソームを捕捉し、順次に‘Ｃａ２＋スイッチオフ’の条件下でエクソソームを回収した後、前処理された磁性ビーズは再生されて新しい試料の分離及び濃縮に再利用できる特性を提供する。実際に、前処理されたビーズの再利用時に、その濃縮性能の再現性を確認するために、異なる濃度のエクソソーム標準サンプル（１、３、５μｇ／ｍｌ；健常者の血漿から採取）に対して磁性分離及び濃縮した後、再利用された前処理されたビーズを用いて同じ過程を２回さらに繰り返した。分離されたエクソソームサンプルの濃度は、ＣＤ６３＋エクソソームに対するサンドイッチ免疫分析を用いて分析した。その結果を示す図１８のＡを参照すると、サンプルの分離及び濃縮を、前処理されたビーズを再利用して行う際に、ＣＤ６３＋エクソソームに対する濃度応答パターンは非常に類似していた。実際に、エクソソームの濃度による分離サンプル内のＣＤ６３＋エクソソームの濃縮は、免疫分析からの信号値を基準として平均ＣＶ８．３％であって、再現性が非常に高いことが分かった（図１８のＢ参照）。
ここで、標準サンプル（１、３及び５μｇ／ｍｌ）は、健常者のエクソソーム標準試薬を付着溶液で希釈して製造され、磁性ビーズを使用しない時には、Ｃａｓｅｉｎ－Ｔｒｉｓに浸して４℃で保管した。
９．評価例５：実施例２及び３によって分離されたＣＤ６３＋エクソソームに対する特性化
図１９は、スイッチ性付着反応を用いて分離されたＣＤ６３＋エクソソームに対する物理的特性化の結果であり、図２０は、スイッチ性付着反応を用いて分離されたＣＤ６３＋エクソソームサンプルのエクソソーム表面マーカーに対する免疫化学的特性化の結果である。
実施例２及び３で分離したＣＤ６３＋エクソソーム亜集団に対する形態学的な特性化、及び表面タンパク質に対する免疫分析を介して、実際にエクソソームの２つの特徴、すなわち、微小小胞体（ｍｉｃｒｏｖｅｓｉｃｌｅ）の形態及び異種の表面タンパク質の分布を確認した。形態学的な特性化のために、本発明で開発した方法で分離されたエクソソームの形態を測定するために、走査電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）を用いてイメージを観察し、また、動的光散乱（ｄｙｎａｍｉｃ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＤＬＳ）技術を用いて大きさの分布を測定した。タンパク質の分布を確認するために、エクソソームが含有するタンパク質に対してウエスタンブロッティング技法を用い、さらに、酵素免疫分析方法を用いて分離後の回収率を測定した。
９．１ 走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ＳＥＭ）イメージング
実施例２及び３で分離されたＣＤ６３＋エクソソームサンプルに対して、ＳＥＭイメージングを介して形態学的に観察した。高倍率イメージを得るために、前記の免疫親和クロマトグラフィーあるいは免疫磁性分離過程を通じてそれぞれ分離されたエクソソームサンプルを、標準プロトコルに従って試片を作製した。固体状態で微細構造及び形態を測定するために、各元のサンプルを顕微鏡ガラススライドに移した後、カバーガラスで覆い、対象物を液体窒素中に浸して急速冷凍させて冷却固定させた。カバーガラスを除去した後、冷凍標本を２．５％グルタルアルデヒド（ｇｌｕｔａｒａｌｄｅｈｙｄｅ）溶液を添加して固定させ、Ｔｒｉｓ－ＨＣｌ緩衝溶液及び脱イオン水でそれぞれ１回洗浄し、アセトンを添加して脱水させた。次に、液体二酸化炭素を使用する臨界点乾燥法（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ ｄｒｙｉｎｇ）によりアセトンを除去した。サンプルをｔｅｍｐｆｉｘ ｍｏｕｎｔｉｎｇ ａｄｈｅｓｉｖｅを用いてアルミニウムスタブ（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｔｕｂｓ）上に載せ、コロイド銀（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｓｉｌｖｅｒ）を添加して表面と接触させた。白金を３～５ｎｍの厚さにスパッタコーティング（ｓｐｕｔｔｅｒ－ｃｏａｔｉｎｇ）した後、サンプルをＨｉｔａｃｈｉ Ｓ－４７００ ＳＥＭ（Ｈｉｔａｃｈｉ；東京、日本）で観察した。ＳＥＭ観察の結果、各サンプル試片から、同一に直径が約１００ｎｍである球状の粒子のイメージを得ることができた（図１９のＡ参照）。実際に、エクソソームは、様々な種類の細胞から分泌される膜構造の微小小胞体（ｍｉｃｒｏｖｅｓｉｃｌｅ）であって、直径がおよそ３０～２００ｎｍであるものと知られている。
９．２ 動的光散乱（Ｄｙｎａｍｉｃ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＤＬＳ）分析
分離されたＣＤ６３＋サンプルの大きさの分布をさらに正確に測定するために、エクソソームのＤＬＳ分析を、室温で粒度分析器（ＥＬＳＺ－１０００，Ｏｔｓｕｋａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；大阪、日本）を用いて行った。エクソソームサンプル（０．５ｍｌ）を使い捨てキュベット（ｃｕｖｅｔｔｅ）（ＢＩ－ＳＣＰ，Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ；ＮＹ，米国）に移した後、分析器製造者の実行案内に従って分析した。エクソソームの大きさをストークス－アインシュタイン（Ｓｔｏｋｅｓ－Ｅｉｎｓｔｅｉｎ）方程式によって決定した後、細胞外小胞（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｖｅｓｉｃｌｅｓ）の大きさの分布を特性化した。その結果、各サンプルでの粒子の直径は、平均約１８６．２ｎｍあるいは１９３．８ｎｍレベルであることが分かった（図１９のＢ参照）。このように測定された粒子の大きさ及びその分布から、免疫親和クロマトグラフィー及び免疫磁性分離過程を通じて分離されたサンプルに含まれた粒子はエクソソームであると判断される。
９．３ ウエスタンブロッティング
エクソソームの一般的な特徴の一つである異種の表面タンパク質の分布を確認するために、実施例２及び３で分離したＣＤ６３＋エクソソームサンプル内のテトラスパニン（ｔｅｔｒａｓｐａｎｉｎ）系列のタンパク質マーカーに対してウエスタンブロッティング分析をそれぞれ行った。エクソソームサンプルを最適化された条件下でＳＤＳ－ＰＡＧＥ分析を行った後、分離されたタンパク質をニトロセルロース膜（ｎｉｔｒｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）に移送させ、エクソソームの表面に一般に多く分布するＣＤ９、ＣＤ６３、及びＣＤ８１に対してそれぞれ特異な抗体－ＨＲＰ重合体を反応させた。より詳細に説明すると、各エクソソームサンプルを、まず、１５０ｍＭのＮａＣｌ、１％トリトンＸ－１００、０．５％デオキシコール酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｄｅｏｘｙｃｈｏｌａｔｅ）、及び０．１％ドデシル硫酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ｄｏｄｅｃｙｌ ｓｕｌｆａｔｅ；ＳＤＳ）を含む５０ｍＭのＴｒｉｓ緩衝溶液（ｐＨ８．０）で処理した。このように変性されたタンパク質を８％ＳＤＳ－ポリアクリルアミドゲル電気泳動（ｐｏｌｙａｃｒｙｌａｍｉｄｅ ｇｅｌ ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）（ＳＤＳ－ＰＡＧＥ）を用いて分離した後、ニトロセルロース膜（ｎｉｔｒｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）上に電気泳動的方法を通じて移送した。Ｃａｓｅｉｎ－ＰＢＳで残りの表面をブロッキングした後、メンブレンを予めＨＲＰと化学重合させた抗ＣＤ６３、ＣＤ９、及びＣＤ８１抗体を用いてブロッティング分析を行った。最後に、発色試薬として３，３’－ジアミノベンジジン（３，３’－ｄｉａｍｉｎｏｂｅｎｚｉｄｉｎｅ；ＤＡＢ）を含むＨＲＰ基質溶液を添加して、メンブレン上に発色信号を発生させた。基質溶液は、５０ｍＭの酢酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｃｅｔａｔｅ）緩衝溶液（ｐＨ５．０；１ｍｌ）に０．０５％ＤＡＢ（１０μl）及び３％Ｈ２Ｏ２（１μl）を添加して製造した。
染色された発色信号から、エクソソームのテトラスパニン（ｔｅｔｒａｓｐａｎｉｎ）タンパク質マーカーが、いずれも、実施例２及び３の方法で分離したＣＤ６３＋エクソソームサンプル内に発現されていることが確認できた（図２０のＡ参照）。参考に、ＣＤ９とＣＤ８１に対するバンドの発色信号の鮮明度と比較して、ＣＤ６３に対するバンド信号が鮮明でないが、これは、ＣＤ６３マーカーが糖化タンパク質であるため、バンドが３０～６０ｋＤａと比較的広く存在するということも影響があるが、より根本的に、本評価実験で使用したエクソソーム標準試料（図２０のＡ、対照群）自体において、ＣＤ６３マーカーの発現に対するバンド信号が低いためである（図２０のＡ参照）。前記で得た結果を総合すると、免疫親和クロマトグラフィー及び免疫磁性分離過程を通じて分離されたサンプルが、エクソソームの一般的な特徴をすべて示している点からみて、本発明によってＣＤ６３＋エクソソーム亜集団の分離が達成されたと判断される。
９．４ 分離後のＣＤ６３＋エクソソームの回収率
エクソソーム分離システムの回収率を決定するために、分離前後のサンプル内のＣＤ６３＋エクソソームに対する定量分析を行ったが、エクソソーム標準試料に対するＣＤ６３マーカーの免疫分析を介して求めた標準曲線を用いて、ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団の濃度を迂回的に測定した。免疫分析時にエクソソーム表面マーカーであるＣＤ６３特異抗体を捕捉及び探知バインダーとして使用した酵素免疫分析（ＥＬＩＳＡ）を介して標準曲線を求めた（図２０のＢ；左側）。同じ条件下で、分離前及び分離後のサンプルに対して免疫分析を行い、これから発生した信号を標準曲線に代入して各エクソソームの濃度に換算した。体積希釈比率を補正した後、免疫親和クロマトグラフィー及び免疫磁性分離前後のエクソソームサンプル内のエクソソームの総量を計算して、各分離工程の回収収率を決定した（図２０のＢ；右側）。これから、２つの工程の収率は、それぞれ７８．３％及び６８．５％程度であったが、このような結果は、既存の酸性ｐＨなどの苛酷条件を用いて分離産物を回収する分離工程（例：収率＜５０％）に比べて非常に高かった。これは、本発明によってスイッチ認識素材を使用する分離工程では、溶液内のカルシウムイオンの除去時に、ＣＢＰに対する認識素材の親和力が背景レベルに低くなることで、分離されたエクソソームの回収収率が相対的に非常に高く、また、構造的変形が最小化されたためである。
１０．評価例６：ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団を診断サンプルとして利用時の分析性能の評価
図２１は、エクソソーム標準サンプル間の濃度の変移を補償するために、ＣＤ９の濃度を基準としてＣａｖ１マーカーの濃度を補正した結果であり、図２２は、本発明に係るスイッチ性付着反応を用いた親和分離システム及び方法を用いて分離したＣＤ６３＋エクソソームを分析サンプルとして用いる際に、黒色腫癌の診断に対する潜在的な効果を示した結果である。
１０．１ ターゲットマーカーの濃度の標準化
本発明によってＣＤ６３＋エクソソーム亜集団を分離して診断サンプルとして用いる際に、黒色腫癌関連マーカーであるＣａｖ１＋エクソソームの濃縮効果により、高感度診断が可能になると予測される。しかし、単純にＣａｖ１タンパク質の発現レベルを測定する場合、エクソソームの濃度がサンプルに応じて変化するため、分離効果を正確に判断するには制限的である。したがって、性能の比較時の不確実性を最小化するために、一般にエクソソームの表面に存在する正常マーカーであるＣＤ９タンパク質を測定し、補正を通じて標準化させる方法を導入した。このために、黒色腫癌関連マーカーであるＣａｖ１タンパク質特異抗体とＣＤ９タンパク質特異抗体をそれぞれ異なるマイクロタイタープレートウェル（ｍｉｃｒｏｔｉｔｅｒ ｐｌａｔｅ ｗｅｌｌ）に固定させ、同じサンプルを添加して反応させた後、ＣＤ６３抗体を探知抗体として用いてＥＬＩＳＡを行った。これから、癌マーカー及び正常マーカーの各濃度に比例した信号を得（図２１；棒グラフ）、その２つの信号の比率、すなわち、Ｃａｖ１／ＣＤ９の信号比率を計算した（図２１；線グラフ）。このとき、健常者供与の血漿サンプルを希釈して分析した場合（図２１のＡ）、そのＣａｖ１／ＣＤ９の信号比率が平均０．１４７であって、希釈比率に応じて概ね一定に維持された。また、黒色腫癌細胞サンプルの場合（図２１のＢ）は、各マーカーに対する信号は相対的に高く測定され、そのＣａｖ１／ＣＤ９の比率が平均０．２０６であって、Ｃａｖ１の発現レベルが、健常者の標準サンプルよりも平均４０％程度高いことが分かった。このように、総エクソソームの濃度の変化に対して、ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団内のＣａｖ１＋エクソソームを、正常マーカーであるＣＤ９＋エクソソームで補正して標準化させることができた。
前記評価実験過程について敷衍すると、エクソソーム標準サンプル（５～１００μｇ／ｍｌ）を、健常者の血漿あるいは黒色腫癌細胞株から得たエクソソームをＣａｓｅｉｎ－Ｔｒｉｓで希釈して準備した。サンプル内の各マーカーの濃度を測定するために、各マーカーに対して特異な捕捉抗体（５μｇ／ｍl；１００μl）を各マイクロウェル内に添加した後、３７℃で１時間反応させて固定させた。残りの実験過程は、前記で既に紹介したＣＤ６３に対するＥＬＩＳＡ過程と同一に行われた。ＣＤ９とＣａｖ１に対して分析した後、発生した信号を測定し、Ｃａｖ１／ＣＤ９の信号比率を各サンプルに対して計算した。
１０．２ 診断サンプルとして分離されたエクソソーム亜集団の潜在性
このような免疫分析を介したＣａｖ１／ＣＤ９の信号比率の測定方法を用いて、スイッチ認識素材をベースとして分離したＣＤ６３＋エクソソーム亜集団を診断サンプルとして用いる際に、黒色腫癌の診断に対する潜在的な効果を試験した。健常者のエクソソームと黒色腫癌エクソソームの各標準物質２５μｇ／ｍｌを分離してＣＤ６３＋エクソソーム亜集団を得、そのＣａｖ１タンパク質の発現レベルに対する分析結果を、分離前の結果と比較した。分離前のバルクエクソソームサンプルの利用時には、Ｃａｖ１／ＣＤ９の信号比率が、健常者サンプルの場合と比較して、癌サンプルで４０％程度増加した（図２２のＡ；左側）。免疫クロマトグラフィー方法で分離したＣＤ６３＋エクソソーム亜集団サンプルの利用時には、その信号が、健常者の場合と比較して、癌サンプルで約４倍（即ち、４００％）増加した（図２２のＡ；右側）。すなわち、分離されたＣＤ６３＋エクソソーム亜集団サンプルの利用時に、黒色腫癌細胞のスクリーニングに対する潜在的敏感度が約１０倍増加することが分かった。このような癌細胞のスクリーニングに対する敏感度増加の効果は、免疫磁性分離方法で分離した亜集団サンプルの利用時にもほぼ同一に約７．７倍増加した（図２２のＢ参照）。このような効果は、ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団をスクリーニングサンプルとして用いる際に、Ｃａｖ１＋エクソソームの増加だけでなく、ＣＤ９＋エクソソームの減少を招いたことに起因すると予測される。実際に、ＣＤ９＋エクソソームの濃度が癌サンプルにおいて減少するという報告がある。
１１．評価例７：既存のエクソソーム分離システムとの性能の比較
図２３は、スイッチ性付着反応を用いた親和分離システムと、現在商業的に販売される様々なエクソソーム分離システムとの間に、分離されたサンプルの免疫分析によって決定されたＣａｖ１／ＣＤ９の濃度比率を基準として、黒色腫癌サンプルを正常サンプルから区分する性能に対する比較結果である。
本発明の実施例２及び３によるスイッチ認識素材ベースの分離システムから得たＣＤ６３＋エクソソーム亜集団サンプルの黒色腫癌細胞のスクリーニングに対する効果を客観的に評価するために、現在商用化されているエクソソーム分離キットを用いて得たサンプルを用いた効果と比較した。商用化されたエクソソーム分離キットのうち、一般に販売される様々なＥｘｏＱｕｉｃｋＴＭ、ＭａｇＣａｐｔｕｒｅＴＭ、及びｅｘｏＥａｓｙ ＭａｘｉＴＭキットを購入して使用した。正常エクソソームと黒色腫癌エクソソームの標準物質２５μｇ／ｍｌ（１ｍｌ）を、各システムの定められたプロトコルに従って分離した。各分離されたエクソソームサンプルを、上述したようなＥＬＩＳＡを介してＣａｖ１及びＣＤ９タンパク質の発現レベルを信号として測定して、補正パラメータであるＣａｖ１／ＣＤ９の信号比率を計算して比較した。その結果を示す図２３を参照すると、本発明の免疫クロマトグラフィー及び免疫磁性分離システムから得たＣＤ６３＋エクソソーム亜集団サンプルの利用時に、上述したように、Ｃａｖ１／ＣＤ９の信号比率が、健常者の場合と比較して癌サンプルでそれぞれ５．５倍、４．１倍増加した反面、商用化された分離キットから求めたサンプルの利用時に、使用されたキットに関係なく、いずれも、Ｃａｖ１／ＣＤ９の信号比率が分離前と差がないか、またはむしろ癌サンプルにおいて減少することが分かった。
このような結果は、商用化されたエクソソーム分離キットの分離原理が、本発明で用いた原理と異なるためであると判断される。実際に、商用化キットは、ポリエチレングリコール（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）のようなポリマーを使用した沈殿方法（ＥｘｏＱｕｉｃｋＴＭ、ＳＢＩ社）や、エクソソームの表面のホスファチジルセリン（ｐｈｏｓｐｈａｔｉｄｙｌｓｅｒｉｎｅ；ＰＳ）と金属イオンの存在下で反応するタンパク質を用いた親和的方法（ＭａｇＣａｐｒｕｅＴＭ、Ｗａｋｏ社）、または回転カラムを用いて分離時間を短縮する方法（ｅｘｏＥａｓｙ ＭａｘｉＴＭ、Ｑｉａｇｅｎ社）などでエクソソームを分離する。
このように、販売されるほとんどのキットは、単にバルクエクソソーム集団を分離または濃縮する程度であって、診断敏感度を著しく向上させるには制限的であり、したがって、癌細胞のスクリーニングなどに適用しにくい。それに加えて、診断敏感度の増加のために特定のエクソソーム表面マーカーに対する免疫分離方法が適用されることはできるが、本発明のようにスイッチ認識素材の使用などを通じた画期的な方法の導入なしでは、エクソソームの回収収率及び原形の維持の面で競争することは難しい。
以下では、本評価実験で使用された商用キットを用いたエクソソームの分離過程を簡単に説明する。
ＥｘｏＱｕｉｃｋキットを用いたエクソソームの分離：
エクソソーム標準サンプルを、使用したキットのメーカーが提供した案内に従って分離した。簡略に紹介すると、購入したエクソソームサンプル（各２５μｇ／ｍｌ；１ｍｌ）を別々のマイクロウェル内に移した後、予め定められた量のＥｘｏＱｕｉｃｋエクソソーム沈殿溶液を添加した。混合後、４℃で冷蔵した後、遠心分離した。上澄液を除去した後、粒状に沈殿したエクソソームを回収し、緩衝溶液（５００μl）に再溶解させた後、Ｃａｖ１／ＣＤ９の比率を決定するために、既に説明したように免疫分析を行った。
ＭａｇＣａｐｔｕｒｅキットを用いたエクソソームの分離：
同じエクソソーム標準サンプルを、当該キットのメーカーが提供したプロトコルに従って分離した。簡略に紹介すると、エクソソームに対する特定の捕捉因子であるホスファチジルセリン（ｐｈｏｓｐｈａｔｉｄｙｌｓｅｒｉｎｅ；ＰＳ）－付着タンパク質でコーティングされた磁性ビーズ（６０μl）を、付着増進剤である金属イオンを含んでいる分析サンプル（１ｍｌ）に添加した。その混合物を３時間撹拌しながら反応させた。その後、ビーズを洗浄溶液（１５０ｍＭのＮａＣｌ、０．０５％Ｔｗｅｅｎ２０、及び２ｍＭのＣａＣｌ２を含む２０ｍＭのＴｒｉｓ－ＨＣｌ（ｐＨ７．４；１ｍｌ））で３回洗浄した後、溶出溶液（１５０ｍＭのＮａＣｌ及び２ｍＭのＥＤＴＡを含む２０ｍＭのＴｒｉｓ－ＨＣｌ（ｐＨ７．４））で溶出させた。回収されたエクソソームサンプルに対するＣａｖ１／ＣＤ９の比率を決定するために免疫分析を行った。
ｅｘｏＥａｓｙ Ｍａｘｉキットを用いたエクソソームの分離：
エクソソームサンプルをまた、商業的に購入した他のキットを用いて分離した。簡略に説明すると、キットと共に提供されたＸＢＰ緩衝溶液（１ｍｌ）を、同じ体積のサンプルに添加した。軽く混合した後、混合物を室温に置いて室温まで予熱した。この混合物をｅｘｏＥａｓｙスピンカラム内に移した後、１分間遠心分離した。ＸＷＰ緩衝溶液（１０ｍｌ）を順次にカラム内に添加し、入れた緩衝溶液を除去するために、５分間さらに遠心分離した。スピンカラムを新しい回収チューブに移した後、ＸＥ緩衝溶液（５００μl）をカラムに添加し、その後、１分間反応させた。追加で５分間遠心分離してエクソソームを溶出させてチューブに回収した。最後に、溶出液をスピンカラムに再投入した後、１分間反応させ、５分間遠心分離して、溶出溶液を回収した。回収された溶液は、上述したようにＣａｖ１／ＣＤ９の比率を測定するために免疫分析を行った。
ＩＩ．癌診断時のＣＤ６３＋亜集団の分離の有用性の評価
１．材料
以下の実施例に用いられたセンサ及びセンサシステムは、ＦｏｒｔｅＢｉｏ（サンフランシスコ，米国）から購入した。その他の材料は、前述した‘Ｉ．スイッチ性付着反応を用いたエクソソーム親和分離’の実施例で用いられた材料と同一である。
２．非標識センサを用いたバイオマーカーの分析
癌診断時のＣＤ６３＋亜集団の分離の有用性を裏付けるために、非標識センサ（Ｏｃｔｅｔ ｓｅｎｓｏｒ；ＦｏｒｔｅＢｉｏ）を用いて、バルクエクソソーム標準サンプル、及び分離後に得たエクソソーム亜集団サンプルをそれぞれＣＤ９及びＣａｖ１マーカーに対して同時に測定し、その結果を図２４乃至図２７に示した。
図２４乃至図２７は、本発明に係るエクソソーム亜集団の分離効果を検証するために、非標識センサを用いて、エクソソーム標準サンプルの免疫親和分離前後に得たサンプルのそれぞれに対してＣＤ９及びＣａｖ１マーカーを同時に測定した実験結果であって、図２４は、分離前後の健常者のエクソソームサンプル内のＣＤ９の濃度を、図２５は、分離前後の健常者のエクソソームサンプル内のＣａｖ１の濃度を、図２６は、分離前後の癌細胞エクソソームサンプル内のＣＤ９の濃度を、図２７は、分離前後の癌細胞エクソソームサンプル内のＣａｖ１の濃度をそれぞれ示す。
まず、健常者サンプルに対して、分離前後のＣＤ９含有エクソソームを測定するために、ＣＤ９に対する特異捕捉抗体が固定されたセンサをエクソソームサンプル内にそれぞれ浸し、１，２００秒間、リアルタイムで測定した（図２４参照）。分離前の元のサンプルに対してＣＤ９と関連する信号を測定した結果、平均付着信号（付着厚さに換算）は０．７４ｎｍまで増加した（図２４の上段の灰色実線）。その反面、分離後のサンプルに対する信号は約０．０３ｎｍ程度とやっと測定された（図２４の下段の黒色実線）。同じ実験を、分離前後に得た黒色腫癌サンプルに対して繰り返した（図２５参照）。これから、測定された信号は、分離前に０．０４ｎｍ（図２５の上段の黒色実線）、そして、分離後に＜０．０１ｎｍ（図２５の下段の灰色実線）であった。このような２つの結果を比較すると、分離前の健常者及び黒色腫癌の標準サンプル内のＣＤ９含有エクソソームに対する信号の強度は、サンプルの出所に応じて大きな差を示す反面、ＣＤ６３に対して親和分離した後には、いずれも、ほぼ背景信号のレベルに減少することが分かった。
同一の非標識センシング技術を、Ｃａｖ１特異捕捉抗体が固定されたセンサを用いて、前記の同一のサンプルの分析に適用した。健常者サンプルの場合、Ｃａｖ１含有エクソソームは、分離前に０．０４ｎｍ、分離後には０．０６ｎｍ程度と、小さいが増加した（図２６参照）。黒色腫癌サンプルの場合、Ｃａｖ１含有エクソソームは、分離前に＜０．０１ｎｍ、分離後には０．１ｎｍと、１０倍以上増加したが、このような結果は、ＣＤ６３に対する親和分離と関連する特異な効果に起因すると判断される（図２７参照）。
要約すると、本発明による免疫親和分離方法を用いると、エクソソームサンプルの出所と関係なく、ＣＤ９含有エクソソームの濃度が著しく減少した。対照的に、本発明で用いられた分離方法は、Ｃａｖ１含有エクソソームの濃度を増加させたが、特に、黒色腫癌サンプルにおいてその濃度の増加が注目に値した。このような各エクソソームマーカーに対する相反する効果から、分離メカニズムの面で明確な解析が可能であった。
前記の結果は、黒色腫癌疾患の診断時に、実際の疾患の進行程度に応じて変わり得る。公開された文献によれば、癌の発生時に増加すると報告されたＣａｖ１＋エクソソームの濃度は、癌発生の初期よりは癌の転移段階で著しく増加する。したがって、癌の転移段階で採取されたサンプル内のＣａｖ１＋エクソソームの測定は、エクソソームの分離及び濃縮なしでも容易である。しかし、癌発生の初期には、血液のような体液内のその濃度が非常に低いため、免疫分析のような敏感な分析方法でも直接測定することが非常に難しい。したがって、本発明で提示するＣＤ６３＋／Ｃａｖ１＋エクソソーム次亜集団の分離及び濃縮過程に従えば、そのエクソソームに含有されたバイオマーカー、例えば、特定のｍｉＲＮＡ（例えば、黒色腫癌の場合にｍｉＲ２２２など）に対する分析を介して、癌を早期に正確に診断できるようになる。
ＩＩＩ．臨床サンプル内のエクソソームの分析
１．材料
抗ＣＤ６３抗体（Ｃａｔ．Ｎｏ．３５３０１４）、抗ＣＤ８１抗体（Ｃａｔ．Ｎｏ．３４９５０１）、及び抗ＣＤ１５１抗体（Ｃａｔ．Ｎｏ．３５０４０４）はＢｉｏＬｅｇｅｎｄ（Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ，米国）から購入し、抗ｓｕｒｖｉｖｉｎ抗体（Ｃａｔ．Ｎｏ．ＮＢ５００－２０１）はＮｏｖｕｓ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓ（Ｃｅｎｔｅｎｎｉａｌ，ＣＯ，米国）から購入した。ＣＤ９（Ｃａｔ．Ｎｏ．ＭＡＢ１８８０）あるいはＣａｖｅｏｌｉｎ－１（Ｃａｖ１；Ｃａｔ．Ｎｏ．ＭＡＢ５７３６）に特異な単一クローン抗体はＲ＆Ｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，ＭＮ，米国）で供給した。悪性黒色腫及び前立腺癌陽性患者サンプル（血清あるいは血漿）はＤｉｓｃｏｖｅｒｙ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ社（Ｈｕｎｔｓｖｉｌｌｅ，ＡＬ，米国）及びＰｒｏｍｅｄｄｘ社（Ｎｏｒｔｏｎ，ＭＡ，米国）から購入した。その他の材料は、前述した‘Ｉ．スイッチ性付着反応を用いたエクソソーム親和分離’の実施例で用いられた材料と同一である。
２．実施例１：ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団サンプルの準備
２．１ ＳＡとＣＢＰとの重合
前述した‘Ｉ．スイッチ性付着反応を用いたエクソソーム親和分離’の実施例で提示された方法と同一に行われた。
２．２ 抗ＣＤ６３抗体のビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｉｏｎ）
前述した‘Ｉ．スイッチ性付着反応を用いたエクソソーム親和分離’の実施例で提示された方法と同一に行われた。
２．３ 臨床サンプルの前処理
臨床サンプル（血清あるいは血漿；２００μl）を、４℃で２０分間、低速遠心分離（１，２００ｇ）して沈殿物を除去した後、再び同じ温度で３０分間、高速遠心分離（１０，０００ｇ）して沈殿物を除去した。これから得た臨床サンプルの上層液を、ＨＭシリンジフィルター（Ｃａｔ．Ｎｏ．ＳＣ１３Ｐ０２０ＳＬ；０．２μｍ）を介して濾過して、前処理された臨床サンプル（母集団サンプル）を準備した。
２．４ 免疫磁性ビーズの製造
磁性濃縮のために、ＣＢＰに特異な抗体を、磁性ビーズの固体表面上に活性化されたトシル（ｔｏｓｙｌ）部分に抗体上のアミン基と化学的に結合させて固定した。Ｔｒｉｓ－ＨＣｌ緩衝溶液で３回洗浄した後、残りの表面をＣａｓｅｉｎ－ＰＢＳでブロッキングした。ビーズ（総１ｍｇ）を溶液から磁性分離した後、Ｃａ２＋（１０ｍＭ）が含まれたＢＳＡ－Ｔｒｉｓ付着溶液（‘Ｃａ２＋スイッチオン’の条件）で希釈したＣＢＰ－ＳＡ重合体（５μｇ／ｍｌ；１ｍｌ）を添加し、振盪器上で１時間反応させた。ビーズをＢＳＡが除去された付着溶液で洗浄した後、ＢＳＡ－Ｔｒｉｓ付着溶液で希釈されたビオチン化（ｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ）抗ＣＤ６３抗体（３μｇ／ｍｌ；１ｍｌ）を同じ条件下で順次反応させた後、磁性分離した。
２．５ ＣＤ６３陽性（ＣＤ６３＋）エクソソームの分離
前記で製造された免疫磁性ビーズを活用して、ＣＤ６３陽性（ＣＤ６３＋）エクソソームの回収及びビーズの再生を行った。エクソソームマーカーの一種であるＣＤ６３＋のエクソソーム亜集団を分離するために、Ｃａ２＋（１０ｍＭ）が含まれた付着溶液（‘Ｃａ２＋スイッチオン’の条件）を用いて、前処理された臨床サンプル（血清あるいは血漿；２００μｌ）を５倍希釈した後、免疫磁性ビーズに添加した。振盪器上で１時間反応させた後、磁性分離し、再び、Ｃａ２＋含有付着溶液を注入して結合されなかった成分を洗浄した後、磁性分離を介して洗浄した。その後、単に５００ｍＭのＮａＣｌが含まれた２０ｍＭのＴｒｉｓ－ＨＣｌ（ｐＨ７．４）緩衝溶液（‘Ｃａ２＋スイッチオフ’の条件）を注入して、磁性ビーズに付着していたＣＢＰ－抗体－エクソソーム結合体（ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団を含む）を、磁性分離を介して回収した。その後、磁性ビーズに５００ｍＭのＮａＣｌ、５％（ｖ／ｖ）Ｔｗｅｅｎ－２０、及び０．０２％（ｗ／ｖ）チメロサールが含まれた１００ｍＭの酢酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ ａｃｅｔａｔｅ）緩衝溶液（ｐＨ４．５）を供給し、磁性ビーズからタンパク質の流出がなくなるまで完全に洗浄して、磁性ビーズを再生した。
３．実施例２：エクソソーム表面バイオマーカーのプロファイリング分析
３．１ 酵素免疫分析（ＥＬＩＳＡ）
前記で磁性分離を介して分離したＣＤ６３＋エクソソーム亜集団に対する特性化のために、エクソソームの表面に存在するバイオマーカーのプロファイリング分析を行った。このために、マイクロタイタープレートの各ウェルに各バイオマーカーに特異な抗体を固定し、これを用いて、各ターゲットバイオマーカー（ＣＤ９、ＣＤ８１、Ｃａｖ１、及びｓｕｒｖｉｖｉｎ）に対するサンドイッチ酵素免疫分析を行った。ターゲットバイオマーカーは、癌疾患の種類に応じて腫瘍の進行、促進または転移に関与するものと知られているエクソソームバイオマーカーであるＣＤ８１、Ｃａｖ１、及びｓｕｒｖｉｖｉｎと、腫瘍抑制因子として知られているＣＤ９を選定した。まず、各バイオマーカーに特異な抗体（５μｇ／ｍｌ；１００μl）をウェル内に添加して、３７℃で１時間固定させた後、脱イオン水で洗浄した。残りの表面を０．５％カゼインが含まれた２０ｍＭのＴｒｉｓ－ＨＣｌ（ｐＨ７．４）緩衝溶液で、前記と同じ条件下で処理した。上述したように磁性分離を介して分離したＣＤ６３＋エクソソーム亜集団サンプル、あるいは、対照群として、分離前の母集団サンプルを、各バイオマーカーに特異な抗体が固定されたウェルに添加し、３７℃で１０時間反応させた。洗浄後、ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ－ｐｏｌｙ－ＨＲＰ２０（６６ｎｇ／ｍｌ；１００μl）を添加して室温で１時間反応させた。再び洗浄した後、ＨＲＰ基質溶液（０．００３％過酸化水素及び１００μｇ／ｍｌのＴＭＢが含まれた０．０５Ｍのアセテート緩衝溶液、ｐＨ５．１；２００μl）を添加して１５分間反応させた後、硫酸溶液（２Ｍ、５０μl）をさらに加えて反応を停止させた。各ウェル内で発生した発色は、吸光度４５０ｎｍでＥＬＩＳＡリーダ（Ｓｙｎｅｒｇｙ Ｈ４，ＢｉｏＴｅｋ Ｉｎｃ．；Ｗｉｎｏｏｓｋｉ，ＶＴ，米国）を用いて定量した。
３．２ バイオマーカー間の相関関係の分析
前述したように、悪性黒色腫陽性臨床サンプル（血清あるいは血漿）及び健常者サンプル（血清）を前処理した後に得たエクソソーム母集団を分析サンプルとして用いて、ＣＤ８１、Ｃａｖ１、ｓｕｒｖｉｖｉｎ、及びＣＤ９に対する免疫分析を行ったが、この場合、エクソソーム母集団サンプルを、各バイオマーカーに特異な固相の捕捉抗体との反応及び分離後に残存する免疫結合体に比例した信号を測定するので、各バイオマーカーを含有する亜集団に対して定量分析を行うことになる。図２８は、健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団分析サンプルに対するエクソソーム表面マーカーのプロファイリング分析後、腫瘍抑制マーカーに対する、腫瘍の進行、促進、及び転移マーカーとの相関関係を比較した実験結果であって、酵素免疫分析を介して得た定量的信号から、腫瘍抑制マーカーであるＣＤ９信号に対する、腫瘍の進行、促進、あるいは転移マーカーであるＣＤ８１、Ｃａｖ１、及びｓｕｒｖｉｖｉｎ信号の各相関関係を求めるために、２次元グラフに分析サンプルの分布を表示した。これを参照すると、エクソソーム母集団を分析サンプルとして用いた場合、癌陽性サンプルと健常者サンプルとの間において、データが明確な相関関係なしに混在して分布することが分かった。参考事項として、エクソソーム母集団サンプルを分析サンプルとして使用した場合、ほとんどのサンプルにおいてＣａｖ１及びｓｕｒｖｉｖｉｎの信号値が非常に低いため、相関関係の分析に対する信頼性の確保が難しいと判断される。
また、前述したように、悪性黒色腫陽性サンプル及び健常者サンプルの２つのサンプル群を前処理した後、前記の‘スイッチ性付着反応’を用いた可逆的免疫分離システムを用いて、ＣＤ６３バイオマーカーに対する分離及び回収を介してエクソソーム亜集団分析サンプルを準備し、４種類のバイオマーカーに対して免疫分析を行った。免疫分析時の特異点として、エクソソーム亜集団内に存在する各バイオマーカーを含有するエクソソームは、固相に固定された各特異抗体と反応した後、分離され、残存する免疫結合体からそれに比例した信号を発生するので、特定の次亜集団に対するプロファイリング分析を行うことができるようになる。図２９は、健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団から分離されたエクソソーム亜集団を分析サンプルとして用いて、エクソソーム次亜集団に対してエクソソーム表面マーカーのプロファイリング分析後、腫瘍抑制マーカーに対する、腫瘍の進行、促進、及び転移マーカーとの相関関係を正常サンプル群と比較した実験結果である。酵素免疫分析を介して得た定量的信号から、腫瘍抑制マーカーであるＣＤ９の信号に対する、腫瘍の進行、促進、あるいは転移マーカーであるＣＤ８１、Ｃａｖ１、及びｓｕｒｖｉｖｉｎの信号の各相関関係を求めるために、２次元グラフに分析サンプルの分布を表示した。腫瘍抑制マーカーであるＣＤ９の信号に対する腫瘍進行マーカーであるＣＤ８１の信号を示した１番目のグラフにおいて、健常者サンプルは、２つのマーカー間に線形の比例関係を示したので、各サンプル内の２つのマーカーの組成比が一定に維持されることが分かった。反面、悪性黒色腫陽性サンプルは、２つのマーカー間に反比例関係を示したが、これから、癌陽性サンプル毎に、ＣＤ９に対するＣＤ８１の組成比がそれぞれ異なることが分かった。
このような異なるサンプル群間の２つの結果を比較してみると、悪性黒色腫の発生時に、エクソソームの表面マーカー間の組成比に対する異質性が増加すると予測される。特に、癌の病期がＩ期からＩＶ期に進行するに伴い、ＣＤ８１の信号は増加することと対照的にＣＤ９の信号は減少して、ＣＤ８１／ＣＤ９の信号比が増加したので、マーカー間の組成比に対するエクソソームの異質性の増加は、癌の病期と関連があると予測される。
エクソソーム次亜集団の免疫分析の結果から、ＣＤ９の信号に対するＣａｖ１あるいはｓｕｒｖｉｖｉｎの信号を示した２番目及び３番目のグラフにおいても、癌サンプルの分布は、健常者サンプルで示された２つのマーカー間の線形の比例関係から逸脱するものと思われる。しかし、前記のような異質性増加現象は明確には示されなかった。
図３０は、健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団分析サンプルに対するエクソソーム表面マーカーのプロファイリング分析後、腫瘍の進行、促進、及び転移マーカーの間の相関関係を、正常サンプル群と癌陽性サンプル群を比較した実験結果であって、上述したように、黒色腫癌陽性臨床サンプル（血清あるいは血漿）及び健常者サンプル（血清）を前処理した後に得たエクソソーム母集団分析サンプルを、各バイオマーカーに対して免疫分析を行い、その結果から、腫瘍の進行、促進、あるいは転移マーカーであるＣＤ８１、Ｃａｖ１、及びｓｕｒｖｉｖｉｎの間の相関関係を分析した結果である。これを参照すると、エクソソーム母集団を分析サンプルとして用いた場合、図２８でのように、癌陽性サンプルと健常者サンプルとの間において、データが明確な相関関係なしに混在して分布し、ほとんどのサンプルにおいてＣａｖ１及びｓｕｒｖｉｖｉｎの信号値が非常に低いため、相関関係の分析に対する信頼性の確保が容易でなかった。
図３１は、健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団から分離されたエクソソーム亜集団分析サンプル内のエクソソーム次亜集団に対するエクソソーム表面マーカーのプロファイリング分析後、腫瘍の進行、促進、及び転移マーカーの間の相関関係を、正常サンプル群と癌陽性サンプル群を比較した実験結果であって、悪性黒色腫陽性サンプル及び健常者サンプルの２つのサンプル群を前処理した後、前記の可逆的免疫分離システムを用いてＣＤ６３に対して分離した後、エクソソーム亜集団を回収し、前記と同一に、各エクソソーム次亜集団のバイオマーカーに対して免疫分析後、３種類の腫瘍の進行、促進、あるいは転移マーカーに対して相関関係の分析を行った。免疫分析の結果から、ＣＤ８１の信号に対するＣａｖ１の信号を示した１番目のグラフにおいて、健常者サンプルは、２つのマーカー間におおよその線形の比例関係を示した。反面、癌陽性サンプルは、２つのマーカー間に反比例関係を示し、癌疾患の病期の初期には、ＣＤ８１の信号に比べてＣａｖ１の信号が高く、末期には逆転する現象が示された。
免疫分析の結果から、ＣＤ８１あるいはＣａｖ１の信号に対するｓｕｒｖｉｖｉｎの信号を示した２番目及び３番目のグラフにおいて、前記の現象は明確には示されなかった。しかし、Ｃａｖ１の信号に対するｓｕｒｖｉｖｉｎの信号を示した３番目のグラフにおいて、癌サンプルの分布は、健常者サンプルで示された２つのマーカー間の線形の比例関係から逸脱するものと思われる。
４．実施例３：バイオマーカーのプロファイリング分析の結果を用いた疾患初期診断用パラメータの設定及び分析
４．１ 診断パラメータの設定
サンプル間のエクソソームの濃度が異なり、また、サンプルの希釈比に応じて濃度が変化するので、免疫分析の結果から求めたサンプル間の各バイオマーカーに対する信号の差を直接比較することは難しい。このような問題点を緩和するために、あるバイオマーカーに対する他のバイオマーカーの信号の比率を取って標準化（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）されたパラメータを、診断ターゲット疾患に対して２種以上それぞれ新たに定義した。これによって、腫瘍抑制マーカーであるＣＤ９に対する信号に対する、腫瘍の進行、促進、あるいは転移マーカーであるＣＤ８１、Ｃａｖ１、及びｓｕｒｖｉｖｉｎに対する信号の比率を取って標準化（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）されたパラメータ１、２、及び３を設定した。ここで、パラメータ１＝ＣＤ８１の信号／ＣＤ９の信号、パラメータ２＝Ｃａｖ１の信号／ＣＤ９の信号、及びパラメータ３＝ｓｕｒｖｉｖｉｎの信号／ＣＤ９の信号としてそれぞれ設定した。
４．２ ２次元パラメータの分析
サンプル内の各バイオマーカーを含有するエクソソームに対するプロファイリング分析の結果を、前記で定義した通りに各パラメータに転換した後、最適の２種のパラメータをペアとして選択して２次元分析を行い、その結果を用いて、健常者サンプルとターゲット疾患サンプルを区分できるように２つのパラメータ値の区画を設定し、ターゲット疾患陰性及び陽性サンプルに対する鑑別力、すなわち、陽性の正確度（敏感度）及び陰性の正確度（特異度）を決定した。参考に、ターゲット疾患サンプルと健常者サンプルを区分する区画線のパラメータ値は、分析条件に応じて変化し得る。
図３２は、健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団分析サンプルを対象として新たに定義されたパラメータを適用して行ったバイオマーカーのプロファイリング分析の結果であって、図３３は、健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団から分離されたエクソソーム亜集団分析サンプルを対象として新たに定義されたパラメータを適用したバイオマーカーのプロファイリング分析の結果である。
免疫分離前、エクソソーム母集団サンプルに対するバイオマーカーのプロファイリングの結果から（図３２参照）、健常者サンプルあるいは癌患者サンプルに関係なく、特にパラメータ３に対する値が小さすぎるため、健常者サンプルと癌患者サンプルとの間のプロファイリングの差を究明することが難しいことが分かった。これは、前記の図２８及び図３０で説明したように、全ての母集団サンプルにおいて、ｓｕｒｖｉｖｉｎに対する免疫分析の結果値が過度に小さく測定されたためである。
次に、免疫分離及び回収後に得たエクソソーム亜集団サンプルに対するバイオマーカーのプロファイリングの結果において（図３３参照）、３つのパラメータの値がサンプル間に比較できる程度に十分に高く示された。特に、パラメータ３に対する値が注目に価するほど増加したので、適切なエクソソーム亜集団を分離及び回収して分析サンプルとして使用する場合、選択したエクソソームバイオマーカーに対するプロファイリング分析が可能になる。
このような効果は、ターゲットエクソソームを分離した後、回収して分析サンプルとして用いるので、分析観察ウィンドウを縮小する効果とターゲットの濃度を濃縮するシナジー効果によって可能になる。観察ウィンドウの大きさを比較すると、分析サンプルとして用いられる体液内には、多くの異なる細胞から放出されたエクソソーム種が混合されているので、体液からターゲットエクソソームが含まれたエクソソーム亜集団を分離した後、回収して分析サンプルとして用いる場合、非関連エクソソーム種を疾患関連エクソソーム種から排除して、観察ウィンドウを好ましい方向に縮小する効果を得るようになる。この場合、疾患の診断時に、非関連バイオマーカーの非特異反応による干渉現象を最小化することができる。さらに、前記の亜集団に分離する際に濃縮工程を用いる場合、ターゲットエクソソームの濃度が増加して、高収率で回収される効果を得るようになる。したがって、本発明によれば、診断時にエクソソーム亜集団を免疫分析サンプルとして用いる場合、非特異エクソソームによる干渉効果が最小化され、同時にターゲットエクソソームの濃度が増加して、プロファイリング分析の正確度に対して肯定的なシナジー効果を得るようになる。
図３４は、健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム母集団分析サンプル（図３４の（Ａ））及びこれから分離されたエクソソーム亜集団分析サンプル（図３４の（Ｂ））を対象として新たに定義されたパラメータを適用したバイオマーカーのプロファイリング分析の結果に対して２次元パラメータ分析を総合した結果である。
免疫分離後に回収したエクソソーム亜集団を診断サンプルとして用いる際、その効果を究明するために、まず、分離前のエクソソーム母集団サンプル内の各バイオマーカーを含有する亜集団に対するプロファイリング分析の結果（図２８乃至図３１参照）を、図３２乃至図３３で定義した通りに各パラメータに転換し、まず、パラメータ１と２に対して２次元分析を行った（図３４の（Ａ）参照）。その結果、健常者サンプルと癌サンプルの２次元分布は、サンプル群間において差がなく混在することが分かった。
その次に、免疫分離後に回収を介して得た亜集団サンプル内の次亜集団に対するプロファイリングの結果に対して、前記と同一にパラメータに転換した後、パラメータ１と２に対して２次元分析を行った（図３４の（Ｂ）参照）。その結果、健常者サンプルの場合、２つのパラメータ値の制限された領域（パラメータ１＜約３．２；パラメータ２＜約０．９）に分布することが分かり（グラフ内の点線区画参照）、使用された悪性黒色腫サンプルの場合、その区画の上あるいは外郭に分布することが分かった。但し、一つの健常者サンプルＮ５２が区画の外に位置したが、これは、分析誤り又は分析当時に未詳のサンプルにより発生したものと判断される。したがって、本発明を用いる場合、逐次的免疫分離を介して標準化（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）効果が発生して、疾患と関連のある次亜集団エクソソームのバイオマーカーの選択的な分析が可能であり、これを通じて、癌疾患陰性及び陽性サンプルに対する鑑別力が出現した。参考に、癌サンプルと健常者サンプルを区分する区画線のパラメータ値は例示として示したもので、その値は分析条件に応じて変化し得る。
さらに、パラメータ１と２に対する２次元分析を行えば、悪性黒色腫疾患の病期を予測できることが分かった。特に、悪性黒色腫Ｉ、ＩＩ、及びＩＶ期患者のサンプルに対する分析結果を説明すると、各サンプルは、病期が進行するほど、パラメータ１の値が比例して増加した。注目すべき事項として、黒色腫癌Ｉ及びＩＩ期サンプルのパラメータ１の値が健常者サンプルの値の範囲に分布したが、これらのサンプルのパラメータ２の値が健常者サンプルに対する値の範囲よりも上昇することが分かった。これは、パラメータ２の値を調節するＣａｖ１マーカーが癌発生の初期に腫瘍の抑制に関与して高く発現されるためであると予測される。したがって、パラメータ１及び２に対する２次元分析を介して悪性黒色腫の病期を予測できるだけでなく、癌発生の初期に早期診断が可能になると判断される。このことから、特定の癌疾患と関連のあるエクソソーム下部集団の多重マーカーの選択、及びこれに対する分析を行えば、これまで癌の病期の後期または転移段階で癌診断が可能であった問題点を解決できるようになる。
図３５は、健常者群及び悪性黒色腫患者群のそれぞれのエクソソーム亜集団分析サンプルを対象として新たに定義されたパラメータを適用した次亜集団のバイオマーカーのプロファイリング分析の結果に対して、２次元パラメータ分析を総合した結果である。エクソソーム次亜集団のプロファイリング分析の結果に対して、パラメータ１と２に対する２次元分析に加え（図３５の左側参照）、パラメータ１と３（図３５の中間参照）、及びパラメータ２と３（図３５の右側参照）に対する２次元分析を行った。パラメータ１と３に対する２次元分析の結果（図３５の中間参照）、健常者サンプルと悪性黒色腫患者のサンプルは、相互に区分なくグラフ内に分布した。したがって、パラメータ１と３に対する分析は、悪性黒色腫サンプルと健常者サンプルを区分できないと判断される。反面、パラメータ２と３に対する分析（図３５の右側参照）は、健常者サンプルと悪性黒色腫患者のサンプルを区分できることが分かり、健常者サンプルの場合、２つのパラメータ値の制限された領域（パラメータ２＜約０．７；パラメータ３＜約２．５）に分布することが分かり（グラフ内の点線区画参照）、使用された悪性黒色腫サンプルの場合、その区画の上あるいは外郭に分布することが分かった。したがって、エクソソーム次亜集団のプロファイリング分析を介したパラメータ２と３に対する２次元分析は、悪性黒色腫サンプルを健常者サンプルから区分できるようにした。
４．３ パラメータパネルの構成
ターゲット疾患に応じて診断の敏感度及び特異度を極大化するために、２種以上のパラメータをパネルとして構成して疾患の早期診断に用いた。上述したように、各パラメータペアに対して２次元分析を行い、ターゲット疾患陰性及び陽性サンプルに対する鑑別力を最大に提供するパラメータペアを選択してパラメータパネルとして構成した。必要に応じて、１次構成されたパラメータパネルに１種類以上のパラメータを順次適用して、陰性及び陽性の区分の正確度が極大化される最終パラメータパネル及びこれを用いる診断アルゴリズムを決定した。
図３６は、健常者群及び前立腺癌患者群のそれぞれのエクソソーム亜集団分析サンプルを対象として新たに定義されたパラメータを適用したバイオマーカーのプロファイリング分析の結果に対して、２次元パラメータ分析を総合した結果である。前立腺癌の場合、エクソソーム表面マーカーとしてＣＤ１５１を追加し、前記と同じ過程を通じて、ＣＤ６３＋エクソソーム亜集団サンプルに対して計５個のバイオマーカー（ＣＤ９、ＣＤ８１、Ｃａｖ１、ｓｕｒｖｉｖｉｎ、及びＣＤ１５１）に対してプロファイリング分析を行った。前記とほぼ同一に、任意の２つのバイオマーカーに対する信号の比率を取って、臨床的性能（総サンプル数＝２８；陽性＝２０、陰性＝８）が最大となる標準化（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）されたパラメータ４、５、６、及び７としてそれぞれ新たに定義した。ここで、パラメータ４＝ＣＤ９の信号／Ｃａｖ１の信号、パラメータ５＝ＣＤ１５１の信号／ＣＤ９の信号、パラメータ６＝ｓｕｒｖｉｖｉｎの信号／ＣＤ９の信号、そして、パラメータ７＝Ｃａｖ１の信号／ＣＤ８１の信号として設定した。
前立腺癌サンプル及び健常者サンプルの亜集団の免疫分離及び回収後に行ったエクソソーム次亜集団のプロファイリング結果に対して、まず、パラメータ４と５に対する２次元分析を行った。パラメータ４と５に対する２次元分析の結果（図３６の上段参照）、健常者サンプルは、ほとんど２つのパラメータ値の制限された領域（実施条件下で、パラメータ４＜約３．３；パラメータ５＜約１．５）に分布することが分かり（グラフ内の点線区画参照）、前立腺癌サンプルは、ほとんどその区画の外郭に分布することが分かった。このような２種のパラメータを用いる場合、分析条件下で陽性の正確度、即ち、敏感度８０％、そして、陰性の正確度、即ち、特異度１００％を示した。
上述した区画内に位置した前立腺癌陽性サンプル（Ｐ７、Ｐ１０、Ｐ１３、及びＰ１８）に対して精密分析を行った（図３６の下段参照）。上述したように、２種のパラメータ（即ち、パラメータ４及び５）を用いる場合、臨床的敏感度は８０％に制限されたが（図３６の下段左側参照）、パラメータ６を追加してパラメータ４と６に対して２次元分析（即ち、３種のパラメータの分析）を行う場合、陰性サンプルは、陰性領域に留まった反面、陽性サンプルのうちのＰ１３が陽性領域に移動した（図３６の下段中間参照）。このことから、敏感度が８５％に上昇することが分かった。さらに、パラメータ７を追加してパラメータ６と７に対して２次元分析（即ち、４種のパラメータの分析）を行う場合、陰性サンプルは、依然として陰性領域に留まった反面、陽性サンプルのうちのＰ７及びＰ１８が陽性領域に移動した（図３６の下段右側参照）。結局、４種のパラメータの分析時に、臨床的敏感度は９５％に増加し、サンプルに対する最終臨床的性能は、敏感度９５％、及び特異度１００％であることが分かった。
さらに、パラメータ４と５に対する２次元分析は、前立腺癌疾患の病期を予測できることが分かった。特に、臨床的判断基準によって設定した前立腺癌の病期（ｓｔａｇｅ ｎｕｍｂｅｒ；サンプル番号の横の括弧内のローマ数字）による患者のサンプルに対する分析結果を説明すると（図３６の上段参照）、前記で定義した区画線を基準として右側下段には９種の前立腺癌陽性サンプルが分布したが、その中で８種がＩ期及びＩＩ期の陽性サンプルであり、１種のＩＶ期サンプルも含まれた。区画線を基準として左側上段には７種の前立腺癌陽性サンプルが分布したが、その中で５種がＩＩＩ期及びＩＶ期の陽性サンプルであり、２種のＩ期及びＩＩ期サンプルも含まれた。全体的に、各サンプルは、病期が進行するほど、パラメータ４の値に反比例して減少し、同時にパラメータ５の値に比例して増加した（図３６の矢印参照）。注目すべき事項として、前立腺癌初期サンプル（Ｉ期及びＩＩ期サンプル）が右側下段、即ち、パラメータ４の値が特に高く、かつ、パラメータ５の値が低い領域に分布した。したがって、２種以上の標準化されたバイオマーカーに対する逐次的な２次元分析を介して、前立腺癌の病期を予測できるだけでなく、癌発生の初期に早期診断が可能になると判断される。
５．実施例４：エクソソームｍｉＲＮＡバイオマーカーのプロファイリング分析
５．１ 細胞株の培養及びエクソソームサンプルの準備
前立腺癌由来の細胞株として、一般に知られているＤＵ１４５、ＬＮＣａＰ、及びＰＣ３細胞株を選択し、各細胞株を培養した後、培養液を回収して、臨床サンプルでのようにエクソソーム母集団サンプルを準備した。前述したように、‘スイッチ性可逆付着反応’を用いて、細胞株培養液のエクソソーム母集団からＣＤ６３＋亜集団エクソソームサンプルを製造した。順次に、抗ＣＤ８１抗体が固定された磁性ビーズを用いた磁性免疫分離方法を用いて、ＣＤ６３＋亜集団エクソソームからＣＤ６３＋／ＣＤ８１＋次亜集団サンプルを準備した。対照群として、腎臓細胞由来のＨＥＫ２９３細胞株を選択し、前記と同じ過程を通じて、各母集団、亜集団、及び次亜集団エクソソームサンプルを製造した。
より詳細に説明すると、ヒト胚腎臓細胞由来のＨＥＫ２９３細胞株、及び前立腺癌由来のＬＮＣａＰ、ＤＵ１４５、及びＰＣ３細胞株を韓国細胞株銀行（ソウル、韓国）から購入した。各細胞株は、１０％ウシ胎児血清（ｆｅｔａｌ ｂｏｖｉｎｅ ｓｅｒｕｍ；ＦＢＳ）及び抗生剤が含まれた最適の培地、すなわち、ＨＥＫ２９３の場合にＨＥＰＥＳ含有ＤＭＥＭ培地、そして、前立腺癌由来の細胞株はＲＰＭＩ１６４０培地を用いてＣＯ２培養器内で３４～３９時間培養した。その後、各細胞株の培地を５％ｅｘｏｓｏｍｅ－ｆｒｅｅ ＦＢＳが含まれた培地に交換し、同じ条件下で培養した。各培養液は、遠心分離を介して細胞を分離した後、上層液を回収した。分離された上層液は、前記の臨床サンプルの前処理でのように、低速遠心分離して沈殿物を除去した後、再び高速遠心分離して沈殿物を除去した。これから得た臨床サンプルの上層液をＨＭシリンジフィルター（０．２μｍの細孔サイズ）を介して濾過して、エクソソーム母集団サンプルを準備した。
実施例１と同じ免疫磁性分離方法を用いて、細胞株培養液のエクソソーム母集団からＣＤ６３＋亜集団エクソソームサンプルを製造した。順次に、磁性ビーズメーカが提供した過程に従って抗ＣＤ８１抗体を磁性ビーズ上に化学的に固定し、これを用いた免疫磁性分離を介して、抗ＣＤ８１抗体が化学的に固定された磁性ビーズを用いた磁性免疫分離方法を用いて、ＣＤ６３＋亜集団エクソソームからＣＤ６３＋／ＣＤ８１＋次亜集団サンプルを準備した。
５．２ エクソソームｍｉＲＮＡの抽出、ｃＤＮＡの合成、及びリアルタイムＰＣＲ
ターゲット核酸バイオマーカーとして、前立腺癌関連の４種のｍｉＲＮＡｓ、即ち、ｍｉＲ－１７、ｍｉＲ－２１、ｍｉＲ－２２１、及びｍｉＲ－３７５を選定した。各エクソソームサンプル内のｍｉＲＮＡマーカーを抽出した後、逆転写（ｒｅｖｅｒｓｅ ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ）反応を介してｃＤＮＡを合成し、その産物は、ポリメラーゼ連鎖反応（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）を用いた増幅過程を介して、各サンプルに対するＣｔ（ｃｙｃｌｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ；閾値サイクル）値を信号として敏感に測定した。全ての過程は、商業的に販売されるキットを用いて行った。測定された各ｍｉＲＮＡマーカーに対する信号は、標準化のために、２つのマーカー間の信号の比率、即ち、ｍｉＲ－２１の信号／ｍｉＲ－１７の信号、ｍｉＲ－２２１の信号／ｍｉＲ－１７の信号、及びｍｉＲ－３７５の信号／ｍｉＲ－１７の信号の比率をそれぞれ求めた。
詳細に説明すると、各細胞株に対して３種類のエクソソームサンプル、即ち、母集団、亜集団、及び次亜集団サンプルを準備し、各サンプルに含有されたｍｉＲＮＡをｍｉＲＮｅａｓｙ Ｍｉｃｒｏ Ｋｉｔ（ＱＩＡＧＥＮ、２１７０８４）を用いて抽出した。このための各段階は、製造メーカが提供した説明書に従って行われた。抽出されたｍｉＲＮＡは、分光学機器（ＮＤ－２０００；ＮａｎｏＤｒｏｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ，米国）を用いて定量された。その次の過程として、各エクソソームサンプルから抽出したｍｉＲＮＡ（２ｎｇ）を、ＴａｑＭａｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ ｍｉＲＮＡ ｃＤＮＡ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｋｉｔ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｇｒａｎｄ Ｉｓｌａｎｄ，ＮＹ，米国）を用いて逆転写（ｒｅｖｅｒｓｅ ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ）反応を製造メーカの説明書に従って１５μlの反応体積のスケールで行った。その後、ｍｉＲＮＡ増幅反応を行い、リアルタイムＰＣＲ反応を定量的に進行した。定量的ＰＣＲのために、ターゲットｍｉＲＮＡ（ｍｉＲ－１７、ｍｉＲ－２１、ｍｉＲ－２２１、及びｍｉＲ－３７５）に対するＴａｑＭａｎ ｍｉｃｒｏＲＮＡ Ａｓｓａｙ ｋｉｔｓ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）を使用し、ＣＦＸ３８４（Ｂｉｏ－Ｒａｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，ＣＡ，米国）機器を用いて定量した。各サンプル内のｍｉＲＮＡを繰り返して測定し、各Ｃｔ値は、ｍｉＲ－１７に対して標準化した後、対照群として選択したＨＥＫ２９３細胞株のエクソソーム母集団での各Ｃｔ値の信号比率に対してスケーリングし、これを基準として倍数変化（ｆｏｌｄ ｃｈａｎｇｅ）を計算した。
５．３ サンプル内のエクソソームｍｉＲＮＡバイオマーカーの分析
各細胞株から準備したエクソソーム母集団、亜集団、及び次亜集団サンプルに対して、前記のように定義した３種のｍｉＲＮＡ間の信号比率の変化をモニタし、その結果を図３７に示した。図３７は、前立腺癌細胞由来の各細胞株培養液のエクソソーム母集団、ＣＤ６３＋亜集団、ＣＤ６２＋／ＣＤ８１＋次亜集団サンプルに含有された前立腺癌ｍｉＲＮＡバイオマーカーを分析した結果である。容易な比較のために、全ての信号比率を、対照群として選択したＨＥＫ２９３細胞株のエクソソーム母集団での各信号比率に対してスケーリングし、これを基準として倍数変化（ｆｏｌｄ ｃｈａｎｇｅ）を計算して図式した。
まず、ｍｉＲ－２１の信号／ｍｉＲ－１７の信号の比率の場合（図３７の上段参照）、対照群であるＨＥＫ２９３細胞株に比べて、前立腺癌細胞株３種がいずれもエクソソーム母集団と亜集団サンプルにおいて著しく増加した反面、次亜集団では増加しないか、または測定されなかった。特に、このような倍数増加がＤＵ１４５細胞株で著しく生じた点から見て、ｍｉＲ－２１バイオマーカーとの特異関連性があることを示した。他の特異点として、ｍｉＲ－２１は、選択した全ての細胞株のＣＤ６３＋／ＣＤ８１＋次亜集団エクソソームでは測定されなかったので、エクソソーム次亜集団の表面マーカーとエクソソーム内に含有されたｍｉＲＮＡとの間に反比例の相関関係があると予測される。
次に、ｍｉＲ－２２１の信号／ｍｉＲ－１７の信号の比率の場合（図３７の中間参照）、ＤＵ１４５細胞株での信号の比率は、エクソソーム集団に関係なく、対照群細胞株の母集団とほぼ同一であった。ＬＮＣａＰ及びＰＣ３細胞株での信号の比率は、母集団と亜集団では倍数増加が見られなかったのに対し、次亜集団エクソソームでは著しく高く測定された。このような結果は、前記のｍｉＲ－２１の信号／ｍｉＲ－１７の信号の比率の場合と相反する現象であって、エクソソーム次亜集団の表面マーカーとそのエクソソーム内に含有されたたｍｉＲＮＡとの間に比例する関連性を示した。
最後に、ｍｉＲ－３７５の信号／ｍｉＲ－１７の信号の比率の場合（図３７の下段参照）、ＤＵ１４５とＬＮＣａＰでは、対照群とほぼ同一に全てのエクソソームサンプルで倍数増加が観察されなかったが、ＰＣ３細胞株では倍数増加が観察され、特に次亜集団サンプルでの増加が注目に値する。ＰＣ３細胞株は、悪性度が比較的高い前立腺癌から由来したので、ＣＤ６３＋／ＣＤ８１＋次亜集団エクソソームに含有されたｍｉＲ－３７５は、癌の進行と関連するマーカーとして利用できると予測される。このことから、エクソソーム次亜集団を特定のｍｉＲＮＡに対する分析サンプルとして用いる場合、細胞の種類に応じて特異なバイオマーカーを選別できると期待される。
結局、本発明を用いて悪性黒色腫及び前立腺癌などの癌疾患と関連のあるエクソソーム次亜集団群に存在するタンパク質及びｍｉＲＮＡなどをバイオマーカーとして選択し、標準化されたパラメータに転換して分析に用いる場合、各癌疾患陰性及び陽性サンプルに対して鑑別が可能であり、さらに、癌疾患の早期診断が可能になると判断される。本発明によれば、癌疾患の種類に応じて、診断判定に有効なパラメータあるいはパラメータ間の組み合わせが変化し得ると予測される。参考事項として、図３５及び図２６のグラフにおいて、癌疾患陰性及び陽性を判別する各パラメータ値は、分析条件に応じて変化し得るので、値自体の絶対的な意味はなく、２次元（場合によって１次元）パラメータ分析を介して得たグラフ内の健常者サンプルに対する癌患者サンプルの相対的な分布が意味がある。
以上、本発明を具体的な実施例及び実験例を通じて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのもので、本発明はこれに限定されず、本発明の技術的思想内で当分野における通常の知識を有する者によってその変形や改良が可能であることは自明である。
本発明の単純な変形及び変更はいずれも本発明の領域に属するものであって、本発明の具体的な保護範囲は、添付の特許請求の範囲によって明らかになるであろう。
本発明は、体液内の特定疾患関連のターゲットエクソソームの亜集団、次亜集団、またはそれ以下の下部集団を高収率及び元の状態で分離及び回収して液体生検サンプルを製造し、これを分析する技術であって、体外診断、治療剤の開発、及び美容産業などに関連して産業上の利用可能性が認められる。

Claims (23)

  1. 固相（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）の固定部材と、
    多数の細胞から分泌されたエクソソームを含有するエクソソーム母集団サンプルにおいて、所定の疾患と関連する第１ターゲットエクソソームが有する第１分離マーカーと特異的に結合して前記第１ターゲットエクソソームを捕捉する第１捕捉素材と、
    前記固定部材と前記第１捕捉素材とを分離可能に結合させる第１可逆的リンカーとを含む、エクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  2. 前記第１捕捉素材が結合されていない前記固定部材に結合され、前記第１ターゲットエクソソームの集団であるエクソソーム亜集団内の第２ターゲットエクソソームが有する第２分離マーカーと特異的に結合して前記第２ターゲットエクソソームを捕捉する第２捕捉素材をさらに含む、請求項１に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  3. 前記第１捕捉素材が結合されていない前記固定部材と、前記第２捕捉素材とを分離可能に結合させる第２可逆的リンカーをさらに含む、請求項２に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  4. 前記第１可逆的リンカー及び前記第２可逆的リンカーのうちの少なくともいずれか１つは、
    リガンドと、
    前記リガンドが着脱可能に付着され、前記リガンドとの付着反応によって構造が変わるバインダーと、
    構造が変わった前記バインダーと特異的に結合し、前記リガンドが前記バインダーから脱着されるときに前記バインダーから分離される認識素材とを含み、
    前記バインダー及び前記認識素材のうち、いずれか一方が前記固定部材の表面に固定され、他方が前記捕捉素材と重合されて重合体を形成する、請求項３に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  5. 前記リガンドは、
    糖分子、イオン、基質、抗原、ペプチド、ビタミン、成長因子、及びホルモンからなる群から選択されるいずれか１つ以上を含む、請求項４に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  6. 前記バインダーは、
    糖結合タンパク質、イオン結合タンパク質、酵素、抗体、アビジン類、アプタマー、細胞受容体、及びナノ構造体からなる群から選択されるいずれか１つ以上を含む、請求項４に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  7. 前記認識素材は、抗体、タンパク質受容体、細胞受容体、アプタマー、酵素、ナノ粒子、ナノ構造体、及び重金属キレーター（ｃｈｅｌａｔｏｒ）からなる群から選択されるいずれか１つ以上を含む、請求項４に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  8. 前記第１可逆的リンカー及び前記第２可逆的リンカーのうちの少なくともいずれか１つは、
    前記捕捉素材及び前記固定部材のいずれか一方と重合されて重合体を形成するリガンドと、
    前記捕捉素材及び前記固定部材の他方に固定され、前記リガンドと結合され、競争反応リガンドとの競争反応によって前記リガンドから分離されるバインダーとを含む、請求項３に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  9. 前記バインダーは、２価の金属イオン、アビジン類、糖結合タンパク質、イオン結合タンパク質、酵素、抗体、アプタマー、タンパク質受容体、細胞受容体、及びナノ構造体からなる群から選択されるいずれか１つ以上を含み、
    前記リガンドは、ヒスタグ（Ｈｉｓ－ｔａｇ、ｐｏｌｙｈｉｓｔｉｄｉｎｅ－ｔａｇ）、ビタミン、糖分子、イオン、基質、抗原、アミノ酸、ペプチド、核酸、成長因子、及びホルモンからなる群から選択されるいずれか１つ以上を含み、
    前記競争反応リガンドは、イミダゾール（ｉｍｉｄａｚｏｌｅ）、ビタミン、糖分子、イオン、基質、抗原、アミノ酸、ペプチド、核酸、成長因子、及びホルモンからなる群から選択されるいずれか１つ以上を含む、請求項８に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  10. 前記固定部材は、
    ヒドロゲル、磁性ビーズ、ラテックスビーズ、ガラスビーズ、ナノ金属構造体、細孔性メンブレン、及び非細孔性メンブレンからなる群から選択されるいずれか１つ以上を含む、請求項１に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  11. 内部に前記固定部材を収容する反応器をさらに含む、請求項１に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  12. 前記固定部材は、磁力、重力、及び遠心力のいずれか１つ以上によって濃縮される、請求項１に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造装置。
  13. （ａ）所定の疾患と関連する第１ターゲットエクソソームが有する第１分離マーカーと特異的に結合する第１捕捉素材を、第１可逆的リンカーを用いて、固相（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）の固定部材に結合させるステップと、
    （ｂ）多数の細胞から分泌されたエクソソームを含有するエクソソーム母集団サンプルと、前記固定部材に結合された前記第１捕捉素材とを反応させて、多数の前記第１ターゲットエクソソームを捕捉することによって、前記第１ターゲットエクソソームの集団であるエクソソーム亜集団を分離するステップと、
    （ｃ）捕捉された前記第１ターゲットエクソソームが前記固定部材から分離されるように、前記第１可逆的リンカーを解離させ、前記エクソソーム亜集団を回収するステップとを含む、エクソソーム液体生検サンプルの製造方法。
  14. （ｄ）前記エクソソーム亜集団内の第２ターゲットエクソソームが有する第２分離マーカーと特異的に結合する第２捕捉素材を、前記固定部材に結合させるステップと、
    （ｅ）回収された前記エクソソーム亜集団を含有するエクソソーム亜集団サンプルと、前記固定部材に結合された前記第２捕捉素材とを反応させて、多数の前記第２ターゲットエクソソームを捕捉することによって、前記第２ターゲットエクソソームの集団であるエクソソーム次亜集団を分離するステップとをさらに含む、請求項１３に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造方法。
  15. 前記（ｄ）ステップにおいて、前記第２捕捉素材が第２可逆的リンカーによって前記固定部材に結合され、
    （ｆ）捕捉された前記第２ターゲットエクソソームが前記固定部材から分離されるように、前記第２可逆的リンカーを解離させ、前記エクソソーム次亜集団を回収するステップをさらに含む、請求項１４に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造方法。
  16. 前記（ｂ）ステップと、前記（ｃ）ステップとの間に、
    磁力、重力、及び遠心力のいずれか１つ以上を用いて、前記第１ターゲットエクソソームが捕捉された前記固定部材を濃縮するステップをさらに含む、請求項１４に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造方法。
  17. （ｇ）磁力、重力、及び遠心力のいずれか１つ以上を用いて、前記第２ターゲットエクソソームが捕捉された前記固定部材を濃縮するステップをさらに含む、請求項１４に記載のエクソソーム液体生検サンプルの製造方法。
  18. （ａ）健常者群及び患者群のそれぞれの体内の多数の細胞から分泌されたエクソソームを含有するエクソソーム母集団サンプルから製造されて、所定の疾患関連ターゲットエクソソームを含有するエクソソーム液体生検サンプルを準備するステップと、
    （ｂ）前記エクソソーム液体生検サンプルに含有された前記ターゲットエクソソームが有する多数のバイオマーカー別に定量的信号を測定するステップと、
    （ｃ）測定された前記定量的信号の信号値に基づいて、多数の前記バイオマーカー間の相関関係によって、前記健常者群及び前記患者群のそれぞれの前記エクソソーム液体生検サンプルを分析するステップとを含む、エクソソーム液体生検サンプルの分析方法。
  19. 前記（ｃ）ステップは、
    多数の前記バイオマーカーのいずれか１つの前記定量的信号と、他の１つの前記定量的信号との相関関係によって、前記エクソソーム液体生検サンプルを分析する、請求項１８に記載のエクソソーム液体生検サンプルの分析方法。
  20. 前記（ｃ）ステップは、
    多数の前記バイオマーカーのいずれか１つの定量的信号を基準信号とし、前記基準信号に対する残りのそれぞれの定量的信号の比率として多数のパラメータを設定するステップと、
    互いに異なる２つの前記パラメータ間の相関関係によって、前記エクソソーム液体生検サンプルを分析するステップとを含む、請求項１８に記載のエクソソーム液体生検サンプルの分析方法。
  21. 前記パラメータを設定するステップは、
    多数の前記バイオマーカーのいずれか１つの前記定量的信号をＸ軸とし、他の１つの前記定量的信号をＹ軸とする多数のＸＹ座標系に、前記信号値に基づいて前記エクソソーム液体生検サンプルを座標化するステップと、
    前記健常者群及び前記患者群のそれぞれの前記エクソソーム液体生検サンプルの傾きを算出するステップと、
    前記健常者群の前記エクソソーム液体生検サンプルの傾きと、前記患者群の前記エクソソーム液体生検サンプルの傾きとの差が相対的に大きい前記ＸＹ座標系を構成する前記バイオマーカーを用いて前記パラメータを設定するステップとを含む、請求項２０に記載のエクソソーム液体生検サンプルの分析方法。
  22. 前記エクソソーム液体生検サンプルを分析するステップは、
    多数の前記パラメータのいずれか１つである第１パラメータをＸ軸とし、他の１つである第２パラメータをＹ軸とする第１ＸＹ座標系に、前記信号値を前記第１パラメータ及び前記第２パラメータに代入して算出されたパラメータ値に基づいて前記エクソソーム液体生検サンプルを座標化するステップと、
    前記第１ＸＹ座標系において、前記健常者群の前記エクソソーム液体生検サンプルが分布する陰性及び陽性領域を設定するステップと、
    前記第１パラメータ及び前記第２パラメータのうちの少なくともいずれか１つが異なる２つの前記パラメータ間の相関関係によって、座標化された前記エクソソーム液体生検サンプルのうち、前記陰性領域又は前記陽性領域に属するエクソソーム液体生検サンプルを追加で分析するステップとを含む、請求項２０に記載のエクソソーム液体生検サンプルの分析方法。
  23. 前記バイオマーカーは、
    前記エクソソームの表面に配列される所定の疾患関連バイオマーカー、及び前記エクソソームから溶出される所定の疾患関連バイオマーカーのうちの少なくともいずれか１つ以上を含む、請求項１８に記載のエクソソーム液体生検サンプルの分析方法。
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