単細胞および空間分解解析による歯周関連角化細胞相互作用の研究：歯周炎における構造免疫の役割の解明

背景紹介

歯周炎は、世界中で数十億人に影響を与える慢性炎症性疾患であり、主に歯周組織の損傷を特徴とし、最終的には歯の脱落を引き起こす可能性があります。その主な原因は歯周バイオフィルムの多菌種群失調（polybacterial dysbiosis）であり、さらに心血管疾患、2型糖尿病、アルツハイマー病、炎症性腸疾患など全身性疾患とも密接に関連しています。しかし、現在、歯周炎に対する個別化された精密治療は多くの課題に直面しています。その主な理由の一つは、歯周組織内の細胞亜群とそれらの健康および病気状態における機能について、十分な理解が欠如していることにあります。特に、歯に関連する上皮角化細胞の不均一性が過去数十年にわたって報告されているにもかかわらず、その機能的な注釈はまだ不完全です。

近年、「構造免疫」（structural immunity）という概念が学界で広く注目されており、非造血細胞（例えば線維芽細胞や上皮細胞）が免疫応答において持つ潜在的な役割が強調されています。特に角化細胞（keratinocyte）は、バリア破壊の過程で微生物感染を受動的に許容するだけでなく、幹細胞の再プログラム化や免疫記憶を通じて免疫応答を調整する可能性があります。この文脈に基づき、本研究は単細胞および空間分解の観点から、歯周炎において角化細胞の構造免疫特性と分化状態がどのように影響を受け、他の免疫細胞や微生物との相互作用を持つのかを探求することを目的としています。

論文情報

本研究は、Quinn T. Easter、Bruno Fernandes Matuck、Germán Beldorati Starkなど複数の国際的な権威機関に所属する研究者によって共同で完成されました。筆頭および責任著者はKevin M. Byrdであり、論文は《Nature Communications》（2024年）に掲載されています。DOI: 10.1038/s41467-024-49037-y

研究プロセス詳細

本研究は、統合された歯周組織の単細胞転写地図と細胞空間分布解析システムを構築し、歯周炎に関連する角化細胞亜群を深く研究することを目的とし、以下のプロセスで進行しました。

流れ1: 単細胞転写地図の構築

研究者たちは、4つの既発表のヒト歯周組織の単細胞RNAシーケンシング（scRNAseq）のデータセットを統合しました。この統合には34サンプル（健康、歯肉炎、歯周炎の3状態にまたがる計105,918細胞）が含まれています。統合後のデータはcellenicsツールで注釈と解析が行われ、17の主要な細胞タイプが特定されました。また、新たに5種類の歯肉角化細胞の亜群が記載されました。特に注目したのは、歯溝上皮角化細胞（sulcular keratinocyte, SK）および接合上皮角化細胞（junctional keratinocyte, JK）であり、これらは幹細胞/前駆細胞と分化後の子孫として正確に分類され、角化タンパク（KRT19）などの特異的なマーカーでその空間分布が検証されました。

流れ2: 空間転写解析の検証

多数重複原位ハイブリダイゼーション（multiplexed in situ hybridization, MISH）技術を使用し、角化細胞の空間的不均一性を詳細に確認しました。CXCL14、NEAT1、FDPCSなどの特異的分子を標識することで、SK/JK角化細胞が健康および病気の状態でどのように分布しているか、その分化経路と炎症性表現型が地域特異的であることを初めて正確に特定しました。

流れ3: 細胞間通信パターンの解析

CellPhoneDB技術を利用して、SK/JKから先天性および適応性免疫細胞への様々なケモカイン（CXCL1、CXCL8、IL-1Bなど）の発現パターンに基づいて細胞間通信経路が予測されました。また、JKは主にマクロファージや好中球などとの通信を好み、一方でSKは主にT細胞やB細胞に作用することが明らかになりました。

流れ4: 単細胞メタゲノミクスと細菌相互作用の分析

単細胞メタゲノミクス技術を活用して、SK/JKにおける疾患関連細菌（例: 歯肉卟啉単胞菌, Porphyromonas gingivalis）が多数確認されました。さらに、16S rRNAプローブを使用してこれらの細菌信号の細胞特異的な分布が検証されました。3Dイメージング技術を用いることで、角化細胞の幹細胞およびその子孫に複数の細菌種が同時に存在することが初めて観察されました。

流れ5: 多重免疫蛍光と免疫構成解析

多重免疫蛍光染色（Multiplexed Immunofluorescence, MIF）を通じて、歯周炎におけるSK/JKと免疫細胞の微小環境の変化が明らかにされました。具体的には、歯周炎のJK近傍には免疫抑制的な微小環境（PD-L1+発現細胞）が存在し、一方でSK領域においては適応免疫（例: T細胞）が主に募集され、第3級リンパ構造が形成されやすいことが確認されました。

主な研究結果と結論

1. 結果の支持データ
   SK/JK角化細胞は歯周炎において有意な分化経路の乱れと高い炎症因子の発現を示しました。これには複数のケモカインやIL-1スーパーコンジュゲートメンバー（IL-1A、IL-1B、IL-36G）が含まれます。これらの分子は、免疫細胞の募集を通じて慢性炎症をさらに悪化させる可能性があります。

2. 細菌信号との関連性
   本研究では、SK/JKで高い細菌負担（Polybacterial Burden）の正確な空間検証が初めて行われ、この負担がその高炎症性表現型と直接関連していることが示されました。これらの信号は、細菌外膜小胞（Outer Membrane Vesicles）として存在している可能性があります。

3. 免疫-構造相互作用
   JKの細胞信号は主に先天免疫細胞を募集する傾向を示し、SKは適応免疫関連細胞との相互作用を好むことが確認されました。この免疫通信の分担は、健康および病気の状態における重要な調整メカニズムである可能性があります。

研究の意義とハイライト

本研究は、単細胞および多モーダル空間組学技術を統合し、歯周炎におけるSK/JK角化細胞の不均一性とその免疫相互作用特性を初めて包括的に記述しました。また、本研究は、「角化因子」（Keratokines、角化細胞が分泌するケモカイン）という概念を提唱し、これらの角化細胞が「構造免疫においてすべての細胞が免疫細胞である」という理論の核心実践者であることを強調しました。

さらに、本研究による多細菌相互作用の現象と、それが宿主-微生物共生体系の理解を広げる点は、将来の種間、システム間の疾患制御を探索する新しい視点を提供します。この成果は、より正確な歯周病の早期診断、介入、および個別化治療の開発に向けた基盤を築くことが期待されています。