血漿中の神経細胞エクソソームがHIV感染症およびアルツハイマー病における認知機能障害のバイオマーカーとなる

認知障害の流体バイオマーカーには、比較的非侵襲的であり、神経細胞やその他の脳細胞の健康状態をリアルタイムで監視できるという利点があります。バイオマーカーは認知症の発症を予測できるだけでなく、動的な方法で認知と相関し、治療反応を追跡し、脳の回復を判断できるようにします。慢性 HIV 感染は、一部の個人に認知障害を引き起こし、「早期老化」を示唆しています。エクソソームは、すべての細胞から放出される小さな細胞外小胞です。これらには細胞タンパク質、mRNA 転写物、miRNA が含まれるため、通常の細胞間コミュニケーションにおいて重要です。エクソソームの積荷は、細胞の健康状態や病理学的状態に応じて変化します。特定のタンパク質/mRNA および/または miRNA が存在し、バイオマーカーとして機能する可能性があります。さまざまな細胞起源のエキソソームは、さまざまな方法で末梢血から単離できます。ニューロン由来エキソソーム (NDE) は、神経細胞接着分子 L1CAM に対する抗体を使用した沈殿/免疫親和性アプローチを使用して単離でき、HIV 関連神経障害 (HAND) やアルツハイマー病 (AD) を含む中枢神経系 (CNS) 障害の内容を調べることができます。 ）。これらの研究は最近行われたものであるため、臨死体験にはどの神経タンパク質が存在するのか、またその内容は中枢神経系の病態や年齢によって異なるのかなど、多くの疑問が生じています。さらに、臨死体験カーゴは認知障害を予測および診断することができ、エキソソーム内容物を効果的な治療による神経細胞の回復を示す治療用バイオマーカーまたはセラマーカーとして使用できるでしょうか?このミニレビューでは、いくつかの新しいデータを示し、HIV 感染症および AD 患者の臨死体験に関する最近の研究をレビューします。 HIV 関連神経認知障害 (HAND) は、慢性 HIV 感染症患者の一部に見られる病態です。それらは、ニューロンの死滅または機能不全を引き起こす神経変性疾患のスペクトルに属し、アルツハイマー病（AD）との類似点があるが、明確な相違点もある（総説（Canet et al., Front Cell Neurosci 12: 307, 2018））。どちらの障害も神経心理学的検査なしに診断するのは難しく、進行と治療による回復を判断するための新しいバイオマーカーが必要です。どちらの疾患も神経炎症といくつかの共通の標的を伴います。 ADは老化と関連しており、HIVは早期老化を引き起こすと考えられています。 ＨＩＶ感染では、ＡＤの「プラーク」に沈着するアミロイドベータ（Ａβ）は可溶性であり、ＨＩＶ関連認知障害との関連性については議論の余地がある（Achim et al., J Neuroimmune Pharmacol 4: 190-199, 2009; Rempel と Pulliam、AIDS 19: 127-135、2005)。 Aβ 沈着は AD の病理学的診断に必要ですが、必ずしも原因ではありません (Barage and Sonawane, Neuropeptides 52: 1-18, 2015; Hardy and Selkoe, Science 297: 353-356, 2002; Morris et al., Acta Neuropathol Commun 2 ：135、2014）。ニューロフィラメント光（NF-L）は、血漿および脳脊髄液（CSF）における神経変性の代替マーカーです（Abu-Rumeileh et al., Alzheimers Res Ther 10: 3, 2018; Mattsson et al., JAMA Neurol 74: 557-566 、２０１７）、しかし、ＨＡＮＤおよびＡＤの両方のバイオマーカーであり続けている（Ｇｉｓｓｌｅｎ ｅｔ ａｌ．、ＥＢｉｏＭｅｄｉｃｉｎｅ ３：１３５−１４０、２０１６；Ｋｏｖａｃｓ ｅｔ ａｌ．、Ｅｕｒ Ｊ Ｎｅｕｒｏｌ ２４：１３２６−ｅ７７、２０１７；Ｎｏｒｇｒｅｎ ｅｔ ａｌ． 、Brain Res 987: 25-31、2003; Rolstad et al.、J Alzheimers Dis 45: 873-881、2015; Yilmaz et al.、Expert Rev Mol Diagn 17: 761-770、2017）。採血は神経画像検査よりも安価であり、CSF 取得に必要な腰椎穿刺に比べて侵襲性が低いため、HAND と AD の両方の分野を進歩させるには血液バイオマーカーが必要です。細胞外小胞（EV）は、中枢神経系（CNS）の細胞を含むすべての細胞から放出されるナノスケールの膜小胞で、すべての生体液に存在します。それらは、後期エンドソーム/多胞体に由来するエキソソーム (30 ～ 150 nm) と細胞膜の出芽によって生成される微小胞 (150 ～ 1000 nm) に分けられます。どちらのタイプの小胞も神経変性疾患の発症に関与しており、バイオマーカーを提供する可能性があります (Bellingham et al., Front Physiol 3: 124, 2012)。このレポートでは、小胞が我々の調製物中で主要な小胞であるため、この小胞をエキソソームと呼びます。それらは正常な恒常性における細胞間コミュニケーションに関与しており、老廃物として細胞から排出されるか、活発に分泌される有毒タンパク質（Aβ、タウ）のキャリアとなる可能性があります（Sardar Sinha et al., Acta Neuropathol 136: 41-56, 2018）。変性過程にある（Gupta と Pulliam、J Neuroinflammation 11: 68、2014 をレビュー）。特定の細胞に由来するエキソソームを、目的の細胞表面マーカーを使用して血漿中で回収できるという考えは興味深いものです。ニューロン由来エキソソーム（NDE）は 2015 年に初めて記載され、全血漿エキソソーム単離後、神経細胞接着分子 NCAM または L1CAM に対する抗体を使用して単離されました（Fiandaca et al., Alzheimers Dement 11: 600-607 e1, 2015）。 NDE の特性評価は、国際細胞外小胞協会によって承認されたガイドラインに従い、EV 濃度と平均直径を決定するためのナノ粒子追跡分析 (NTA) が含まれます。 EVマーカーのウェスタンブロット。神経タンパク質のELISAおよび視覚化のための透過型EM（Sun et al., AIDS 31: F9-F17, 2017; Tang et al., FASEB J 30: 3097-106, 2016）。エクソソーム部分集団のこの革新的な単離は、AD、HAND、外傷性脳損傷、心的外傷後ストレス障害などの神経変性疾患のバイオマーカーとして NDE を使用することに関心を集めています (レビュー Agoston et al., Brain Inj 31: 1195-1203, 2017) ; Gupta and Pulliam、J Neuroinflammation 11: 68、2014; Hu et al.、Cell Death Dis 7: e2481、2016; Karnati et al.、J Neurotrauma、2018; Osier et al.、Mol Neurobiol、2018）。最近、血漿臨死体験からのいくつかのバイオマーカーが、一般的な認知障害において上昇していることがプリアム研究室によって報告された（Sun et al., AIDS 31: F9-F17, 2017）。私たちはここでHANDとADに関する収集したデータをレビューし、神経変性の刺激的なバイオマーカーとしての血漿NDEの特徴付けを追加します。

Fluid biomarkers for cognitive impairment have the advantage of being relatively noninvasive and capable of monitoring neuronal and other brain cell health in real time. Biomarkers can predict the onset of dementing illness, but also correlate with cognition in a dynamic way allowing us to follow treatment responses and determine brain recovery. Chronic HIV infection causes cognitive impairment in a subset of individuals suggesting "premature aging." Exosomes are small extracellular vesicles that are shed from all cells. They are important in normal cell-to-cell communication as they contain cellular proteins, mRNA transcripts, and miRNAs. Exosome cargo varies depending on the health of the cell and pathological state; specific proteins/mRNAs and/or miRNAs are present and may serve as biomarkers. Exosomes of variable cellular origin can be isolated from peripheral blood by various methods. Neuron-derived exosomes (NDEs) can be isolated using a precipitation/immunoaffinity approach using antibodies against neuronal cell adhesion molecule L1CAM and the contents queried for central nervous system (CNS) disorders including HIV-associated neurological disorders (HAND) and Alzheimer's disease (AD). As these studies are recent, numerous questions arise including which neuronal proteins are in NDEs and whether their contents differ in different CNS pathologies or with age. In addition, can the NDE cargo predict as well as diagnose cognitive impairment and could exosomal contents be used as therapeutic biomarkers, or theramarkers, of neuronal recovery from effective treatment? This mini-review will show some new data and review recent studies on NDE from individuals with HIV infection and AD. HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) are pathologies seen in a subset of individuals with chronic HIV infection. They belong to the spectrum of neurodegenerative diseases that result in death or dysfunction of neurons with similarities to Alzheimer disease (AD) but also distinctive differences (reviewed (Canet et al., Front Cell Neurosci 12: 307, 2018)). Both disorders are difficult to diagnose without neuropsychological testing and both need new biomarkers to judge progression as well as recovery with treatment. Both disorders involve neuroinflammation and several common targets. AD is associated with aging and HIV is thought to initiate premature aging. In HIV infection, amyloid beta (Aβ), which is deposited in "plaques" in AD, is soluble and its relevance to HIV-associated cognitive impairment is controversial (Achim et al., J Neuroimmune Pharmacol 4: 190-199, 2009; Rempel and Pulliam, AIDS 19: 127-135, 2005). Aβ deposition is required for AD pathological diagnosis, but is not necessarily causative (Barage and Sonawane, Neuropeptides 52: 1-18, 2015; Hardy and Selkoe, Science 297: 353-356, 2002; Morris et al., Acta Neuropathol Commun 2: 135, 2014). Neurofilament light (NF-L) is a surrogate marker in plasma and cerebrospinal fluid (CSF) for neurodegeneration (Abu-Rumeileh et al., Alzheimers Res Ther 10: 3, 2018; Mattsson et al., JAMA Neurol 74: 557-566, 2017) but continues to be a controversial biomarker for both HAND and AD (Gisslen et al., EBioMedicine 3: 135-140, 2016; Kovacs et al., Eur J Neurol 24:1326-e77, 2017; Norgren et al., Brain Res 987: 25-31, 2003; Rolstad et al., J Alzheimers Dis 45: 873-881, 2015; Yilmaz et al., Expert Rev Mol Diagn 17: 761-770, 2017). Blood biomarkers are needed to advance both HAND and AD fields, as blood draws are less costly than neuroimaging and are minimally invasive compared to lumbar punctures required for CSF acquisition. Extracellular vesicles (EVs) are nanoscale membranous vesicles shed from all cells including those of the central nervous system (CNS) and found in all biofluids; they are divided into exosomes (30-150 nm) originating from late endosomes/multivesicular bodies and microvesicles (150-1000 nm) produced through budding of the plasma membrane. Both types of vesicles are implicated in the pathogenesis of neurodegenerative diseases and may provide biomarkers (Bellingham et al., Front Physiol 3: 124, 2012). In this report, we call the vesicles exosomes, since they are the predominant vesicles in our preparations. They are involved in cell-to-cell communication in normal homeostasis and can be carriers of toxic proteins (Aβ, tau) (Sardar Sinha et al., Acta Neuropathol 136: 41-56, 2018) shed by cells as waste or actively secreted in a degenerative process (review Gupta and Pulliam, J Neuroinflammation 11: 68, 2014). The idea that exosomes originating from a specific cell can be recovered in the plasma using cellular surface markers of interest is intriguing. Neuron derived exosomes (NDEs) were first described in 2015 and isolated using antibodies against neural cell adhesion molecules NCAM or L1CAM, after total plasma exosome isolation (Fiandaca et al., Alzheimers Dement 11: 600-607 e1, 2015). Characterization of NDEs follows guidelines endorsed by the International Society for Extracellular Vesicles and includes Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) to determine EV concentration and average diameter; Western Blots for EV markers; ELISAs for neuronal proteins and transmission EM for visualization (Sun et al., AIDS 31: F9-F17, 2017; Tang et al., FASEB J 30: 3097-106, 2016). This innovative isolation of an exosome sub-population has generated interest in using NDE as biomarkers for neurodegenerative diseases like AD, HAND, traumatic brain injury, posttraumatic stress disorder and more (reviews Agoston et al., Brain Inj 31: 1195-1203, 2017; Gupta and Pulliam, J Neuroinflammation 11: 68, 2014; Hu et al., Cell Death Dis 7: e2481, 2016; Karnati et al., J Neurotrauma, 2018; Osier et al., Mol Neurobiol, 2018). Several biomarkers from plasma NDEs were recently reported by the Pulliam lab to be elevated in general cognitive impairment (Sun et al., AIDS 31: F9-F17, 2017). We review our collective data here on HAND and AD and add to the characterization of plasma NDEs as exciting biomarkers of neurodegeneration.