人間の眼表面におけるイオンおよび水分輸送のモデル研究

背景紹介

眼表面（ocular surface）は、特に涙膜（tear film）の安定性と成分が眼表面の健康に直接影響を与えるため、ヒトの生理学や疾患において重要な役割を果たします。涙膜は3つの層で構成されています：外側の脂質層（瞼板腺から分泌）、中央の水様層（涙腺から分泌）、内側の粘液層（結膜上皮細胞から分泌）。涙膜の機能には、滑らかな光学面の提供、異物の除去、微生物侵入に対する防御などがあります。眼表面機能の異常または欠陥は、ドライアイ（dry eye）などの疾患につながる可能性があります。しかし、眼表面の重要性にもかかわらず、眼表面上皮細胞におけるイオンチャネル（ion channels）の発現、特性、制御メカニズムに関する研究は相対的に乏しいです。既存の研究の多くは、ラット、マウス、またはウサギの動物モデルに依存しており、ヒトの眼表面上皮細胞に関する研究はあまり行われていません。

この研究の空白を埋めるために、フランスのポワティエ大学、ポワティエ大学病院、ImageUPプラットフォーム、H4 Orphan Pharmaの研究チームは、ヒト結膜上皮細胞（hconec）および瞼板腺上皮細胞（hmgec）におけるイオンおよび水分輸送のメカニズムを探るために研究を行いました。この研究では、粘液および脂質を分泌するヒト上皮細胞を生成し、さらにUssing chamber（ユス室）や定量位相差顕微鏡（quantitative phase microscopy）などの技術を使用して、これらの細胞におけるイオンチャネルおよび水分チャネルの発現と機能を詳細に記述しました。

論文の出典

この研究は、Chloë Radji、Christine Barrault、Roxane Flausse、Nicolas Leveziel、Anne Cantereau、Catherine Bur、Gaëtan Terrasse、Frédéric Becqによって共同で行われ、2025年1月28日に『American Journal of Physiology-Cell Physiology』に掲載されました。本研究は、フランス国立研究機関（ANR）および新アキテーヌ地域からの資金提供を受けました。

研究プロセスと結果

1. ヒト結膜および瞼板腺上皮細胞の生成と同定

研究チームはまず、ヒト眼球組織から初代結膜上皮細胞（hconec）および瞼板腺上皮細胞（hmgec）を分離し、培養しました。免疫蛍光染色により、これらの細胞の表皮特性を確認し、内皮細胞、線維芽細胞、筋線維芽細胞の混入がないことを確認しました。その後、ELISA実験とオイルレッドO染色（Oil Red O staining）を用いて、hconecがMuc5AC粘液タンパク質を分泌し、hmgecが脂質を分泌することをそれぞれ検証しました。これらの結果は、生成された上皮細胞モデルがヒト眼表面上皮細胞の生理機能を模倣できることを示しています。

2. イオンチャネルの機能研究

これらの細胞におけるイオン輸送メカニズムを研究するために、研究者たちは細胞を気液界面（air-liquid interface）条件下で培養し、Ussing chamberを使用して跨上皮短絡電流（transepithelial short-circuit current, isc）を記録しました。その結果、hconecおよびhmgecの頂端膜（apical membrane）には、アミロライド感受性上皮ナトリウムチャネル（ENaC）、cAMP依存性嚢胞性線維症膜貫通伝導調節因子（CFTR）、UTP依存性TMEM16A、およびクロモラン293B感受性KCNQ1カリウムチャネルなど、多様なイオンチャネルが存在することがわかりました。基底膜（basolateral membrane）では、ブメタニド感受性Na-K-Cl共輸送体（NKCC）およびバリウム感受性カリウムチャネルも見つかりました。

薬理学的実験を通じて、研究者たちはこれらのチャネルの機能をさらに検証しました。例えば、アミロライド（amiloride）はENaC媒介ナトリウム電流を抑制でき、Forskolin（cAMP活性化剤）およびVX-770（CFTR強化剤）はCFTR媒介塩素イオン分泌を活性化できることがわかりました。さらに、UTPはP2Y2受容体およびTMEM16Aチャネルを活性化することで、一時的なカルシウム依存性塩素イオン分泌を引き起こすことが判明しました。

3. 水分輸送の研究

研究者たちはまた、定量位相差顕微鏡（quantitative phase microscopy）を使用して、hconecおよびhmgecにおける水分輸送を測定しました。その結果、ForskolinはcAMP経路を介して水分流入を刺激できることがわかりましたが、塩化水銀（HgCl2）はこのプロセスを抑制しました。ウェスタンブロット実験では、hconecおよびhmgecにAQP3およびAQP5の水チャネルタンパク質が発現していることが確認され、cAMP依存性の水分輸送が主にこれらの水チャネルタンパク質によって媒介されていることが示されました。

4. VIPによるイオン輸送の制御

研究ではさらに、血管作動性腸管ペプチド（vasoactive intestinal peptide, VIP）がcAMP経路を介してCFTRを活性化し、塩素イオン分泌を刺激することもわかりました。VIPの効果は濃度依存性であり、hconecおよびhmgecでのEC50値はそれぞれ1 nMおよび8 nMでした。この発見は、VIPが眼表面上皮細胞のイオンおよび水分輸送において重要な生理的役割を果たす可能性があることを示しています。

結論と意義

この研究は、ヒト結膜および瞼板腺上皮細胞におけるイオンおよび水分輸送の分子メカニズムを初めて体系的に記述し、詳細な輸送モデルを提案しました。この研究は、ヒト眼表面上皮細胞におけるイオンチャネル研究の空白を埋めただけでなく、涙液分泌や関連疾患の分子メカニズムを理解するための重要な実験的根拠を提供しました。これらの知見は、ドライアイなどの眼表面疾患の治療に新しい標的や戦略を提供する可能性があります。

研究のハイライト

1. ヒト初代細胞の生成：この研究では、粘液および脂質を分泌するヒト結膜および瞼板腺上皮細胞を初めて成功裏に培養し、同定しました。これにより、後続の研究に信頼性のあるモデルを提供しました。
2. イオンチャネルの包括的解析：ENaC、CFTR、TMEM16A、KCNQ1など、さまざまなイオンチャネルが眼表面上皮細胞で発現し、機能していることを詳細に記述しました。
3. 水分輸送メカニズムの探求：定量位相差顕微鏡を使用して、cAMP依存性の水分輸送メカニズムを明らかにし、AQP3およびAQP5の重要な役割を確認しました。
4. VIPの制御作用：VIPがcAMP経路を介してCFTRを活性化することを発見し、眼表面上皮細胞の分泌制御に新たな視点を提供しました。

その他の貴重な情報

研究チームは、実験データの共有手段も提供し、研究の透明性と再現性をさらに高めています。さらに、この研究で使用された定量位相差顕微鏡技術は、生きた細胞における水分輸送のリアルタイムモニタリングに新しい方法を提供し、広範な応用が期待されます。

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この研究を通じて、私たちはヒト眼表面上皮細胞におけるイオンおよび水分輸送の分子メカニズムを深く理解し、関連疾患の治療に新しい方向性を提供しました。今後、これらの発見に基づいた研究が、ドライアイなどの眼表面疾患の治療に画期的な進展をもたらすことが期待されます。