ウイルス感染による免疫介在性膵B細胞焦燥をモデル化する人血管化マクロファージ-島オルガノイド

2024-11-12 Tue
背景新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の流行以来、SARS-CoV-2感染は呼吸器系に影響を及ぼすだけでなく、糖尿病などの代謝性疾患とも密接に関連していることがわかってきました。臨床観察によれば、新型コロナ感染者の中には、新たに糖尿病を発症するケースや既存の糖尿病が悪化するケースが見られ、特に1型糖尿病（Type 1 Diabetes, T1D）の発症率が上昇していることが分かっています。これにより研究者たちは、ウイルス感染が膵臓の損傷や糖尿病発症における潜在的なメカニズムを探ることに関心を寄せています。
ウイルス感染に関連した免疫介在損傷の研究分野において、人間のモデルの不足が、ウイルス感染によって引き起こされる宿主損傷メカニズムの深い理解を制限しています。これを解決するために、ヤン・リウリウ（Liuliu Yang）らの研究チームは、空間多層オミクス技術を利用してCOVID-19膵臓自体組織サンプル中の免疫細胞の変化を詳細に分析し、人間多能性幹細胞（Human Pluripotent Stem Cells, hPSCs）由来の血管化マクロファージ-膵島オルガノイドモデルを構築し、ウイルス感染によって誘発される膵島B細胞焦亡（pyroptosis）をシミュレートしました。この研究成果は《Cell Stem Cell》誌に掲載されました。
研究方法本研究では、多段階実験デザインを通じて、SARS-CoV-2及びコクサッキーウイルスB4（Coxsackievirus B4, CVB4）の感染が膵臓の免疫細胞及び膵島B細胞に与える影響を探索しました。
サンプル分析研究者たちはまずCOVID-19膵臓自体サンプルを収集し、GeoMx空間多層オミクスプラットフォームを利用して、ウイルス感染が膵島領域の免疫細胞構成に与える影響を分析しました。膵島、導管及び外分泌領域の複数の関心領域（Region of Interest, ROI）を選定し、形態マーカー（インスリン、全細胞角蛋白及びTOTO-3染色）を組み合わせてCOVID-19サンプルと対照群サンプルを系統的に分析しました。多層オミクス検出により、COVID-19患者の膵島領域には促炎性マクロファージが顕著に蓄積されていることが見出されました。
シングルセルRNAシーケンシング解析ウイルス感染が膵島細胞に与える影響をさらに解析するために、研究チームはシングルセルRNAシーケンシング（Single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）を用いて、SARS-CoV-2またはCVB4に暴露された人膵島サンプルを解析しました。解析の結果、ウイルス感染がマクロファージの促炎性経路を活性化すると同時に、膵島B細胞の焦亡経路を誘導することが示されました。また、B細胞のクラスター内において自食作用やフェロトーシスなどの他の細胞死経路の活性化も発見されました。
オルガノイド構築促炎性マクロファージがB細胞焦亡を引き起こすかどうかを検証するために、研究者は血管化マクロファージ-膵島オルガノイド（Vascularized Macrophage-Islet Organoids, VMI）をさらに構築しました。この過程で、チームはhPSCs由来の膵臓内分泌細胞、マクロファージ、血管内皮細胞を用いて、これらの細胞を3D培養システムで再編成し、VMIオルガノイドを形成しました。オルガノイド内の細胞機能は、別々に培養されたhPSCs由来細胞よりも優れており、特にB細胞と内皮細胞のマーカー発現及び分泌機能がより成熟しています。電子顕微鏡観察では、オルガノイド内の内皮細胞が透孔構造を形成し、細胞間の物質交換をサポートしていることが示されています。
細胞死のメカニズムの検証VMIオルガノイドがSARS-CoV-2またはCVB4ウイルスに暴露された後、研究チームは、オルガノイド内のマクロファージが損傷したB細胞を貪食することを発見しました。さらに分析したところ、ウイルスに暴露されたオルガノイド内で促炎性マクロファージが焦亡関連遺伝子を顕著に発現し、TNFSF12-TNFRSF12Aシグナル伝達経路が活性化されることを確認しました。この経路の作用を検証するために、研究者はTNFSF12タンパク質と中和抗体を追加して実験を行い、TNFSF12経路を遮断した後にはB細胞の焦亡が顕著に減少することを発見しました。
研究結果この研究は、ウイルス感染によって誘導されるB細胞焦亡のメカニズムを体系的に明らかにしました。空間多層オミクス及びシングルセルRNAシーケンシングの結果、COVID-19サンプルの膵島領域に促炎性マクロファージが集積し、焦亡経路が活性化されていることが示されました。B細胞の焦亡はマクロファージ内のTNFSF12シグナルと密接に関連しており、TNFSF12経路を遮断することでB細胞の焦亡が減少しました。さらに、IL-1βとTNFSF12の共同作用が焦亡の発生を増加させることも発見され、これはCOVID-19による膵島損傷と糖尿病の発病を説明する新しい視点を提供します。
研究意義本研究で開発された血管化マクロファージ-膵島オルガノイドモデルは、免疫介在膵島損傷の研究に強力なツールを提供し、現在の人間モデルの欠如を補いました。このモデルを通じて、研究者たちはCOVID-19と糖尿病発症の可能な関連メカニズムを深く解明し、特に免疫細胞がTNFSF12-TNFRSF12Aシグナルを介して膵島B細胞の焦亡をどのように誘導するかを明らかにしました。これはウイルス感染と免疫細胞介在宿主損傷に関するさらなる研究への理論的支持を提供し、糖尿病及びその合併症の予防と治療における潜在的なターゲットを示しました。
研究の革新性は次の点に現れています：
モデル構築：hPSCsを初めて利用して血管化されたマクロファージ-膵島オルガノイドを構築し、免疫細胞と膵島細胞の相互作用をリアルに再現しました。
メカニズムの探索：多層オミクス技術を用いて、促炎性マクロファージがTNFSF12-TNFRSF12Aシグナルを介してB細胞の焦亡を誘導する分子メカニズムを解明しました。
多経路分析：焦亡に加え、研究は自食作用やフェロトーシスなどの多様な細胞死経路がウイルス感染下で果たす役割も明らかにし、膵島損傷の複雑なメカニズムの理解に多面的な視点を提供しました。
研究展望この研究はCOVID-19による膵島損傷に新たな解釈を提供しましたが、COVID-19患者の個体差及び膵臓自体サンプルの制限により、今後はさらにサンプル数を拡大し、促炎性マクロファージが異なる患者においてどのように表現されるかを検証する必要があります。また、VMIオルガノイドの血管化機能はまだ完全には成熟していないため、今後の研究では培養条件をさらに最適化し、オルガノイド内の血管構造をより完成度の高いものにすることで、人体内環境をより良好に模倣することが求められます。加えて、本研究でIL-1βがB細胞の焦亡における協同作用を観察したため、今後はIL-1βとTNFSF12の相互作用を深く研究し、焦亡経路の調節ネットワークを明らかにすることで、抗ウイルスおよび糖尿病治療のためにより精密なターゲティング戦略を提供することが期待されます。
この研究は、COVID-19の病因メカニズムと糖尿病発病研究において重要な進展を遂げただけでなく、オルガノイドモデルが免疫介在損傷研究において応用可能であることを示し、将来の関連分野の研究に新しい方向性と技術的サポートを提供しました。