日常的な血液サンプルに新たな情報層
通常の血液サンプルには、末梢血単核細胞（PBMCs）と総称される多様な免疫細胞集団が含まれている。これらの細胞は、感染症、自己免疫疾患、がん、そして患者の免疫系が治療にどう反応するかを知るための窓として、臨床と研究の両方で重要な役割を果たしている。しかし、表面マーカーに結合する蛍光標識に依存する従来のPBMC解析法では、どの細胞種が存在するかは分かっても、それらの細胞が実際にどのように機能しているかは分からない。さらに、前処理そのものが細胞を変化させ、結果を歪める可能性もある。
今回、Biophotonics Discovery に掲載された新しい研究は、高度な光学イメージングによって、これまで見えなかった側面、すなわち複雑で異質なサンプル中の個々の免疫細胞の代謝活動を明らかにできることを示した。このラベルフリー手法は、Morgridge Institute for Research とウィスコンシン大学マディソン校の研究者たちによって開発され、単純な採血に含まれる豊富なデータを臨床医と科学者がどう解釈するかを変える可能性がある。
PBMCsが重要な理由
この研究の筆頭著者であり、Morgridge Institute とウィスコンシン大学マディソン校の研究者であるMelissa Skala氏は、PBMCsは臨床検体から非常に簡単に分離でき、すでに臨床ワークフローに組み込まれていると述べた。「PBMCsは臨床的に本当に簡単に分離でき、すでに臨床ワークフローで使われています」とSkala氏は語った。「では、まだ得られていないものとして、そこから何を得られるのでしょうか？」
この問いは、臨床的な重みを増している。PBMCsは、血液がん、敗血症、ループス、さらには認知機能低下のような多様な病態で日常的に研究されている。また、CAR T細胞療法の出発材料にもなる。これは、患者自身の免疫細胞を遺伝子改変してがんを認識・攻撃させる治療法だ。こうした用途では、免疫細胞が何個あるかだけでなく、それらがどれほど代謝的に活性で健全かを理解することが、病気の進行や治療成績をより深く把握する手がかりになり得る。
たとえば、敗血症の患者は見かけ上は正常な免疫細胞数を示していても、個々の細胞は代謝的に枯渇しているか、あるいは過剰活性化しているかもしれない。同様に、CAR T細胞製造では、採取した細胞の代謝状態が最終治療製品の品質や効力に影響する可能性が高い。しかし、これまでのルーチン解析法では、この機能面がほとんど見落とされてきた。
従来の標識技術の限界
従来、免疫細胞の代謝を測るには、特定の細胞集団を分離するか、蛍光標識や化学プローブを加える必要があった。これらの方法には大きな欠点がある。細胞を分離すると、異なる免疫細胞タイプ間の自然な相互作用が損なわれるが、これは機能的に重要である場合がある。蛍光色素や化学プローブは細胞の挙動を乱したり、サンプルを消費したり、細胞活動のリアルタイム像ではなく静的なスナップショットしか提供しなかったりする。
さらに、これらの手法は細胞を破壊したり恒久的に変化させたりすることがあり、その後の細胞治療のような用途に使えなくなることもある。また、サンプル全体を平均化して扱う傾向があり、生物学的に重要な可能性のある個々の細胞差を見えにくくしてしまう。たとえば腫瘍には代謝状態の大きく異なる免疫細胞が含まれているかもしれないが、集団としての測定ではその異質性が隠れてしまう。
新しい研究は、こうした問題を完全に回避する。混合PBMC集団の一部として免疫細胞が存在したまま、個々の免疫細胞の代謝を測定する非破壊技術を用いており、自然な組織環境を保ちながら、撮像後の追加解析も可能にする。
光学代謝イメージング: ラベルフリーの手法
研究者たちは、Skala Labで開発・改良された光学代謝イメージング（OMI）と呼ばれる手法を用いた。OMIは、細胞エネルギー産生に関与する主要な代謝補酵素、具体的にはNADHとFADの自然蛍光を利用する。免疫細胞が代謝的に活発になると、これら補酵素の濃度と比率が変化し、それに応じて自然蛍光も変わる。
これらの分子に低強度の光を当て、発せられる信号を捉えることで、OMIは外部標識や造影剤を加えることなく、単一細胞分解能で代謝活動をマッピングできる。これにより、研究者は生体に近い条件で生きた細胞を観察し、時間経過に伴う変化を追跡できる。
この研究では、OMIが未修飾のPBMCサンプル中の免疫細胞サブセット間の代謝差を解明できることが示された。このレベルの詳細は、従来技術では達成が難しかった。手法は、主に解糖系に依存する細胞と、酸化的リン酸化に依存する細胞を区別できる。解糖系は活性化免疫細胞で一般的な、速いが効率の低いエネルギー経路であり、酸化的リン酸化はより持続的なエネルギー産生様式だ。こうした機能的差異は、免疫細胞が休止状態、活性化状態、疲弊状態、あるいは特定のエフェクター状態へ移行中かどうかと関係するため、非常に重要である。
OMIは標識も物理的攪乱も必要としないため、縦断研究への道も開く。同じサンプルを異なる時点で繰り返し撮像し、免疫細胞が薬剤、病原体、その他の刺激にリアルタイムでどう反応するかを追跡できる。これは、ある一時点しか捉えられないエンドポイント試験に対する大きな進歩だ。
臨床と治療への示唆
この知見は、数多くの臨床応用分野で有望だ。たとえばがん免疫学では、腫瘍浸潤免疫細胞の代謝適性が、患者がチェックポイント阻害薬に反応するかどうかに影響することが知られている。もし同様の代謝シグネチャーを簡単な採血で得たPBMCsから検出できれば、腫瘍医は治療中の免疫機能を非侵襲的にモニタリングできるかもしれない。
CAR T細胞療法では、患者のT細胞を採取し、遺伝子改変し、増幅するプロセスは高コストで労力も大きい。CAR T製品の中には、体内投与後に生着できなかったり、効果を失ったりするものがあり、その一因は元の細胞の代謝状態不良かもしれない。改変前に最も代謝的に健全な細胞をOMIで選別すれば、成績改善につながる可能性がある。
ループスのような自己免疫疾患も複雑な免疫調節異常を伴い、PBMCsはしばしば疾患活動性の評価に用いられる。OMI由来の代謝バイオマーカーは、既存の血清学的指標を補完し、病態をより包括的に示して治療調整の指針となり得る。
感染症の文脈では、敗血症はいまなお大きな臨床課題だ。敗血症患者の免疫細胞はしばしば抗炎症的で代謝抑制された状態へと移行するが、その測定は困難だった。OMIは、臨床現場で免疫細胞の機能状態を正確に評価し、個々の患者で全身性炎症と免疫麻痺を区別できる可能性がある。
臨床応用への道を開く
Skala Labは10年以上にわたってOMIを開発してきており、これまでに組織生検、腫瘍モデル、オルガノイドにも応用してきた。今回の研究は、その手法を血液由来PBMCサンプルへ拡張したもので、臨床現場では組織標本よりはるかに容易に入手できる。
PBMCsがすでに日常的な臨床ワークフローの一部として分離されていることは大きな利点だ。「PBMCsは臨床的に本当に簡単に分離でき、すでに臨床ワークフローで使われています」とSkala氏は改めて述べ、導入のハードルの低さを強調した。OMI装置はまだ専門的ではあるものの、研究室や臨床検査室で利用可能な場が増えており、この非破壊技術は既存の検査や細胞処理パイプラインの上流に組み込める可能性がある。
ただし、OMIが標準的な診断ツールになるまでには、まだいくつかの段階が必要だ。確立された疾患転帰と照らし合わせて代謝シグネチャーを検証し、特定の病態で何を「健康的」または「調節異常」とみなすかを定義するための、より大規模な臨床研究が求められる。機器自体も、臨床検査室向けにさらに使いやすく、費用対効果の高いものにする必要がある。それでも、ラベルフリー撮像の技術的なシンプルさは心強い兆候だ。
日常的なPBMCsに、ラベルフリー光学撮像でアクセス可能な隠れた代謝情報が含まれているという発見は、免疫モニタリングにおける新たなフロンティアを示している。研究者たちは現在、さまざまな疾患にわたる代謝状態を整理し、それらと治療反応との関連を調べるため、さらなる研究を進めている。近い将来、単なる血液サンプルが単なる細胞数以上のものを提供し、そこに含まれる各免疫細胞の機能状態を明らかにし、今日ではほとんど未来的に思える形で個別化治療を導くかもしれない。
この記事は Phys.org の報道に基づいています。元記事を読む。
Originally published on phys.org