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Effect of Outer Membrane Vesicle (OMV) Released from Porphyromonas gingivalis on Periodontal Tissue Destruction and Systemic Diseases
2025 Volume 67 Issue 2 Pages 67-74
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2025 Volume 67 Issue 2 Pages 67-74
ほぼすべての細胞は細胞外小胞（Extracellular Vesicle：EV）といわれる小型の小胞を細胞外に分泌する。細胞外小胞は産生機構やサイズ・特徴によってエクソソーム（30～200 nm），マイクロベシクル（100～1,000 nm），アポトーシス小体（500～2,000 nm）などに分類されている。一方，細菌は細胞膜により構成される膜小胞（Membrane Vesicle：MV）と呼ばれる細菌性の細胞外小胞を産生する。その大きさには幅があり，おおよそ20～500 nm程度であると報告されている1)。従来，膜小胞はグラム陰性細菌が産生すると考えられてきたが，現在ではグラム陽性細菌も産生することが確認されている2)。特にグラム陰性細菌の膜小胞は外膜から構成されるため，外膜小胞（Outer Membrane Vesicle：OMV）と呼ばれることが多い。
膜小胞はエクソソームと異なり，主に細胞膜が湾曲することで形成される。これはBlebbingと呼ばれ，細胞膜が出芽のような形式で外側に隆起し，袋状になって細胞外に放出される（図1A）。この細菌が分泌する膜小胞は，近年，エクソソーム同様，その機能や生理的意義・病原性について世界中で盛んに研究されている。そして膜小胞が，細菌間のみならず，細菌と宿主細胞の間で様々な物質（脂質，タンパク質，核酸など）の送達媒体として，細胞間情報伝達の役割を担うことが次々と明らかにされている（図1B）。本稿では先ずOMVの産生機構や機能を概説し，そして代表的な歯周病原細菌であるPorphyromonas gingivalisが放出するOMVに焦点をあてて，歯周病における歯周組織破壊やペリオドンタルメディスンにおいての役割について述べる。
電子顕微鏡の発達に伴い，1960年代頃から様々な細菌の周囲で細胞外小胞様のものが観察されていたが，1966年に大腸菌においてOMVがリジン要求性変異株をリジン制限下で培養したときの異常形態として報告された3)。その後，OMVの主成分が明らかになるにつれ，特に感染症領域で細菌の病原性との関わりが研究されるようになった。2000年代に入ると，グラム陰性細菌のOMVに様々な毒素因子が含まれ，それらがOMVによって宿主細胞に運搬されることが明らかとなった4)。そして2010年頃から，OMVの機能や形成機構に関する研究が急速に進み，同じ細菌種でも生育環境条件によってOMVの内容物が異なることが明らかとなった5)。また膜小胞は，グラム陰性細菌では外膜から形成されるので，OMVと呼ばれていたが，グラム陽性細菌でも膜小胞の報告が相次いだ2)。なおグラム陽性細菌では，細胞質膜小胞（Cytoplasmic Membrane Vesicle，CMV）とも呼ばれている6)。一方，1980年代からP. gingivalis，Actinobacillus actinomycetemcomitans，Fusobacterium nucleatumなどの歯周病原細菌でもOMVの存在が次々と確認され，歯周病や歯周病に関連する全身疾患におけるOMVの役割について現在に至るまで研究が進められている7-9)。また近年，OMVに関する研究は病原性や感染症での役割の解明に留まらず，ワクチン開発やドラッグデリバリーシステム（DDS）といった医療分野への応用に向けた試みが大きく進展を遂げている6)。
2.2． OMVの形成メカニズムOMVの形成に関わる因子はオートリシンなど数多く報告されているが，その詳細な形成メカニズムは未だ明らかになっていない10,11)。OMV膜の湾曲は細胞外膜の約14倍であることから，OMVの形成には外膜を大きく湾曲させるための何らかのメカニズムが必要である。細菌の膜構造は，グラム陰性細菌が内膜と外膜の二重膜構造を持つのに対し，グラム陽性細菌は細胞質膜のみを有し，その外側を厚い細胞壁が覆っている。そのためグラム陽性細菌は，OMVを形成しないと考えられ，OMVの形成メカニズムはグラム陰性細菌を中心に研究が進められてきた。これまでに複数のOMVの形成メカニズムが提唱されているが12,13)，本稿では主にグラム陰性細菌で得られている知見について解説する。
2.2.1． ペリプラズム内での不要物の蓄積グラム陰性細菌のペリプラズムにミスフォールドな膜タンパク質やペプチドグリカン（Peptidoglycan：PG）の断片などが蓄積すると，ペリプラズム内の膨圧が上昇して外膜が湾曲し，不要物を排出するため膜小胞が形成される（図2A）。これはP. gingivalisでも報告されており，P. gingivalisのオートリシン欠損株では細胞壁の分解が阻害されてペリプラズム内に蓄積したPGの断片によって膨圧が上昇し，外膜が押し出されてOMVを形成する。また，Escherichia coliなどにおいても，ペリプラズムにおけるミスフォールドタンパク質の蓄積がOMVを増加させることが報告されている14)。
グラム陰性細菌の表層は内膜，PGおよび外膜で構成されており，これらの層の間にはタンパク質性の架橋が存在する。しかし，タンパク質やPGの不完全な合成によって，この架橋が切断された部位や存在しない部位では外膜が外側に膨らみ，膜小胞が形成されると考えられている（図2B）。
2.2.3． LPSとPQSによる外膜の不安定化外膜表面のLipopolysaccharide（LPS）は負電荷を帯びているが，隣接するLPSの間で電荷間の反発が生じることによって膜が不安定となり，外膜の湾曲化が促進してOMVが形成される。また，Pseudomonas aeruginosaが産生するPQS（Pseudomonas quinolone signal）のような疎水性の物質が細胞外から外膜表層に陥入してLPSと結合し，LPS分子間の反発力を強めることで外膜の湾曲化を誘導することが報告されている（図2C）。
グラム陰性細菌では多くの場合，上記のようなBlebbingによってOMVが形成される。しかし細胞死（溶菌）が起こり，その膜断片の再会合によってOMVが形成されるモデルが報告され15)，グラム陽性細菌でも細胞死を介してグラム陰性細菌と構造の異なるOMVが形成されることが明らかにされている（Explosive Cell Lysis：ECL）。
このように，細菌は複数のOMV形成メカニズムを有している。OMV形成の誘導は，pHや温度，栄養状態，バクテリオファージの感染，宿主細胞や他の細菌との相互作用など，細胞にストレスを与える様々な環境因子によって影響を受けることが知られている11)。細菌は，生息環境に応じて形成メカニズムを選択して中身の異なるOMVを産生し，その結果，OMVの機能に多様性が生じていると考えられる。
2.3． OMVの生物学的な役割OMVの外殻は，細胞外膜と同様の成分で構成され，外層にはLPSが多く存在する。内部には主にペリプラズム由来のタンパク質が含まれているが，細胞質内のタンパク質や核酸（DNA，RNA），低分子化合物も存在している10,12)。OMVの生物学的な役割は，その内容物によって，産生した細菌自身の生存に関わる役割と，周囲および遠隔の細菌や宿主細胞との相互作用に関わる役割に分けられる16)（図3）。
グラム陰性細菌が産生するOMVのさまざまな役割（文献16を引用・改変）
細菌の生存に関わる役割として，まず細胞内のストレスを緩和する作用がある。不要な物質の蓄積などの内的ストレスや抗生物質に代表される外的ストレスは細胞表層にダメージを与えるが，OMVの放出によって細胞表層の安定状態を維持できる。すなわち，ペリプラズム内に蓄積したミスフォールドタンパク質やPG断片，さらには抗生物質によってOMVの産生が誘導されて，これらを細胞外に排出する。
次に，OMVは外部からの攻撃に対する囮（おとり）として働く。バクテリオファージは，細胞外膜を認識して宿主に感染する。OMVは，細胞外膜と同じような構成成分であるため，ファージはOMVに捕捉されて細菌の生存率が上昇する。同様に，細胞膜に作用する抗菌ペプチドや抗生物質に対してもOMVの存在によって細菌の生存率が上昇する。
また，OMVは酵素の輸送担体（キャリア）としても働く。酵素をOMVに内包することによってプロテアーゼなどから保護し，酵素機能を安定化することができる。そしてOMVに内包した分解酵素によって，細菌は周囲の環境から栄養分を獲得している。さらに，OMVは細菌のバイオフィルム形成にも重要な役割を担っている。バイオフィルムの主成分は，細菌の外膜表面にある細胞外多糖（Exopolysaccharides：EPS）や細胞外DNAであるが，OMVは，EPSやDNAと直接絡み合ってバイオフィルムの立体構造の維持に寄与している15)。
2.3.2． 周囲の細胞との相互作用に関わるOMVの役割OMVは，細菌間相互作用や細菌―宿主の相互作用の送達媒体として機能しており，OMV内に濃縮された物質は外部環境から保護されて標的細胞に到達する。その役割は，細菌同士での遺伝子水平伝播，標的細胞への毒素因子の運搬，細菌間コミュニケーションのシグナル伝達などが挙げられる10,11)。病原性細菌では，毒素因子をOMVに内包して標的となる細菌や宿主細胞に送達する。OMV内の毒素因子は，希釈や分解から保護されて離れた標的まで安定して到達される。そして，標的細胞を死に追いやり，細胞融解などを通じて栄養を獲得する。また，細菌間コミュニケーションでは，クオラムセンシング機構のシグナル伝達物質をOMVによって送達する。さらに，宿主の免疫細胞の反応を阻害し，免疫を回避することによって細菌の生存を図っている。このように，OMVは細菌間のみならず，細菌―宿主細胞との相互作用においても重要な役割を果たしている16)。
P. gingivalisでも菌体表面にOMVを発現し，外部に放出することが1980年代に報告された17)。P. gingivalis OMVの大きさは約50～250 nmであるが，50 nm前後が最も一般的である。そしてDNAやRNA（small RNAなど），LPS，FimA，HagA，ジンジパインなど，歯周病に関与する様々な病原因子を含んでいることが報告されている18-20)。プロテオミクス解析によるとP. gingivalis OMVで151個のタンパク質が同定されたが，そのほとんどは外膜またはペリプラズム由来で，そのタンパク組成は菌体そのものとは異なっていた19)。P. gingivalis OMVには，多くの病原因子が高度に濃縮されており，例えば，OMV内のジンジパイン濃度は菌体に比べて約3～5倍高いことが報告されている21)。一方，P. gingivalis OMVの大きさは菌体の約2,000分の1であり22)，カプセル様の構造に保護されてプロテアーゼによる分解を受けないため，菌体がアクセスできない組織に安定して浸透することができると考えられている。
3.1． P. gingivalis OMVが歯周組織に与える影響P. gingivalis OMVは，ジンジパインなどの病原因子を歯周組織を構成する細胞に送達して，歯周組織を直接的に破壊する18)。また，歯肉上皮細胞やマクロファージなどに炎症性サイトカイン，マトリックスメタロプロテアーゼ，一酸化窒素（Nitric Oxide：NO）の発現を誘導して，局所での炎症反応を増強する23,24)。さらに，マクロファージのNLR family pyrin domain containing 3（NLRP3）インフラマソームを活性化して，パイロトーシス（Pyroptosis）を引き起こすことが報告されている24)。
一方，P. gingivalis OMVのジンジパインが免疫グロブリンや補体を分解することにより，宿主の免疫応答を阻害する可能性がある25)。また，OMVのジンジパインがLPS受容体を分解することにより，LPSに対するマクロファージの応答性を低下させてP. gingivalisの病原性を高めていることも報告されている26)。
さらに，P. gingivalis OMVの接着因子は，歯周病原細菌を含む様々な細菌を凝集させてバイオフィルムの形成を助けている27,28)。また，P. gingivalis OMVは菌体・バイオフォルムの宿主上皮細胞への接着や歯面への付着をサポートする29)。
我々の研究室では，上記以外にも，P. gingivalis OMVが骨芽細胞や破骨細胞に直接的に作用して歯槽骨の吸収を促進することをin vitroとin vivoの両方において確認している（論文投稿準備中）。このように，P. gingivalis OMVは歯周組織に侵入し，宿主細胞の障害，炎症反応の誘導と増強，免疫の調節と回避，バイオフィルム形成や細菌の付着などの多くの作用によって歯周組織を破壊すると考えられている11)。
3.2． P. gingivalis OMVが全身疾患に与える影響P. gingivalisが糖尿病や動脈硬化などの全身疾患に及ぼす影響については，そのメカニズムを含めて多くの総説で既に述べられている。しかしながら，口腔から離れた組織や臓器でP. gingivalisのDNAが存在するにもかかわらず，P. gingivalisの菌体自体は検出されない事例も報告されている30)。そこで，P. gingivalis OMVに内包されるDNAが分解されることなく血液循環を介して，遠隔組織や臓器に影響を及ぼす可能性が指摘されている7)。
3.2.1． 糖尿病歯周病は，糖尿病（Diabetes Mellitus：DM）と深く関連しており，多くの研究によってこの関連性は双方向的であることが示されている。ジンジパインを内包したP. gingivalis OMVが肝臓に送達されて，肝細胞のインスリン誘導性のAkt/グリコーゲン合成酵素キナーゼ-3β（Glycogen Synthase Kinase-3β：GSK-3β）シグナル伝達をジンジパイン依存的に減弱させることが報告されている20)。この結果は，P. gingivalis OMVを介したジンジパインの送達が，肝臓におけるグルコース代謝の変化を引き起こして，DM発症に寄与することを示唆している。
3.2.2． 動脈硬化・心血管疾患動脈硬化と歯周炎との関連も疫学的に示唆されている。血小板の凝集は，動脈硬化性プラーク形成に重要であると考えられているが，P. gingivalis OMVは強力な血小板凝集活性を有している31)。また，P. gingivalis OMVがマウスマクロファージの泡沫細胞形成を誘導することも報告されている32)。さらに，P. gingivalis OMVは，血管平滑筋細胞の石灰化やアテローム性動脈硬化症の発症に関連する炎症反応を強力に誘導することも示されている33,34)。
3.2.3． 関節リウマチ（Rheumatoid Arthritis：RA）近年，P. gingivalisが，自己免疫疾患RAの病因の可能性があると注目されている。特に，P. gingivalisのPeptidylarginine Deiminases（PAD）は，細菌あるいは宿主細胞のタンパク質のシトルリン化に関与している。そしてPADは，抗シトルリン化タンパク質抗体の産生を誘導し，RA患者のシトルリン化タンパク質に対する免疫応答を惹起する。PADが，P. gingivalis OMVの分泌物中に存在することが報告されており35)，P. gingivalis OMVに移行したPADはRAの発症に関与している可能性がある。実際，RA患者の関節液からP. gingivalisのDNAは検出されたにもかかわらず菌体は検出されなかったという報告があり30)，P. gingivalis OMVがDNAのみならずPADを関節まで運んでいる可能性が考えられる。
上記以外にも，P. gingivalis OMVと関連する全身疾患として非アルコール性脂肪性肝疾患やアルツハイマー病などが報告されている7,36)。このようにP. gingivalis OMVは，P. gingivalisの病原因子を遠隔臓器に運び，全身疾患を発症させる重要なキャリアと考えられる。
OMVは，免疫応答を含む細菌―宿主の相互作用において極めて重要な役割を果たしていることから，治療標的に留まらず，医療への利用についても研究されている。
4.1． OMVを利用したワクチン開発OMVは抗原提示細胞に抗原を送達する能力を持ち，菌体そのものよりも高い抗原性を有する。これらの特性を活かして，OMVを利用したワクチン開発が期待されている。実際に，OMVを基盤とした髄膜炎菌のワクチンが海外において承認され，臨床で使用されている。一方，歯周病の分野でもP. gingivalis OMVを用いた経鼻ワクチン接種により，P. gingivalisに特異的な抗体の産生が誘導されることが報告されている37)。OMVは生ワクチンよりも安全性の高い抗原キャリアとして，今後さまざまな病原性細菌を対象としたワクチン開発が進められると考えられる。さらに，がん免疫療法の分野においても，がん抗原を含むOMVを投与することで宿主免疫を活性化するがんワクチンの研究が進行中である。
4.2． OMVを利用した感染症診断感染部位で放出されたOMVは体液中にも存在するため，感染症のバイオマーカーとしての応用が期待されている。現在，唾液や歯肉溝滲出液中に放出されたP. gingivalis，A. actinomycetemcomitans，F. nucleatumなどの歯周病原細菌由来のOMVを，歯周病の診断マーカーとして用いる研究も行われている38)。
4.3． OMVを利用したDDSOMVをDDSに利用する試みもあり，OMV内に核酸，抗生物質，抗菌ペプチドなどの治療物質を封入し，キャリアとして細菌や宿主細胞に送達するアプローチが検討されている6)。OMV内の物質は，外部環境から保護されて，局所のみならず遠隔の標的細胞に効率よく到達して機能を発揮する。感染症の分野では，常在菌に影響を与えることなく特定の病原性細菌に抗生物質などを作用させることが期待されている。OMVのサイズや内容物の不均一性，外膜にLPSを含むことからキャリアとしての安全性など，いくつか課題があるものの，抗がん治療の分野ではがん細胞を標的としたDDSの研究が急速に進められている39)。
OMVは本来，細菌の生存戦略のひとつであり，菌体内の不要物質の排出，栄養の獲得や生育環境の整備を目的に産生される。その過程で，OMVは内部に病原因子を濃縮し，それを局所のみならず遠隔部位へ送達する。さらにOMVには細菌間のコミュニケーションツール（クオラムセンシングへの寄与）やバイオフィルム形成，細菌―宿主の相互作用における免疫応答の調節など，多様な能力を有している。P. gingivalis OMVはこれらの能力によって歯周炎の進行に寄与するだけでなく，歯周炎に関連した全身疾患の発症にも関与していることが明らかになっている。従って，P. gingivalisをはじめとする歯周病原細菌が放出するOMVは，歯周病関連の全身疾患の解明における重要な鍵のひとつであり，OMVの形成や機能を阻害することは，歯周病のみならず，それに関連する全身疾患の治療標的にもなり得ると考えられる。
今回，P. gingivalisに焦点を当てて解説したが，A. actinomycetemcomitans，F. nucleatumなど，他の歯周病原細菌のOMVについても多くのグループによって研究が進められている。歯周病は，世界中で最も一般的な慢性炎症性疾患のひとつであり，口腔の健康のみならず全身の健康とも深く関係している。今後，P. gingivalisを含む歯周病原細菌のOMVは，単なる歯周病の治療標的に留まらず，ワクチン開発やDDSなど，新たな医療応用への展開が期待される。
今回の論文に関連して，開示すべき利益相反状態はありません。
