Home 広島大学学術?社会連携室環境遺伝生態学分野 西内由紀子特任准教授らのグループと新潟大学大学院医歯学総合研究科細菌学分野 松本壮吉教授らのグループにより、病原性マイコバクテリアが赤血球を利用して細胞外で活発に増殖することを明らかにした研究成果です。
結核菌、Mycobacterium avium subsp. hominissuis(MAH)、Mycobacterium intracellulareなどの病原性マイコバクテリアは、マクロファージや上皮細胞に細胞内寄生して肺感染症を引き起こします。私たちは、マイコバクテリアに感染したマウスの肺や肺MAH症の患者の肺から得られた切片を抗酸性染色(マイコバクテリアを赤く染める方法)して詳細に観察したところ、マイコバクテリアが、肺の毛細血管の赤血球や感染部位に生じる肉芽腫の壊死部分に存在している赤血球と共在していることを見出しました (図 A)。140年前にロベルト?コッホが結核菌を発見して以来、マイコバクテリアと赤血球の関係が注目されたことはありません。本研究は、マイコバクテリアと赤血球の相互作用を明らかにすることを目的として進めました。
その結果、i). MAHとヒト赤血球を一緒に培養してから電子顕微鏡観察すると確かにMAHが赤血球に接着しており、また赤血球の中にも存在しました。ii) MAHは赤血球の膜表面に多く存在する補体受容体1(CR1)とシアロ糖タンパク質と結合して接着しました。iii). MAHとヒト赤血球を一緒に培養するとMAHは活発に増殖しました。iv). この活発な増殖はMAHと赤血球が直接接着して起きますが、赤血球の細胞内では起きません。v). マクロファージは本来侵入した病原体を貪食するので、マクロファージがMAHを接着した赤血球を貪食するか調べました。単球由来マクロファージは、MAHと赤血球が接着しているときの方がMAH単独の時よりよく貪食することを明らかにしました。vi). 結核菌およびMycobacterium intracellulare はMAHと同様に赤血球に接着して細胞外増殖することを確認しました。
本研究では、マイコバクテリアと赤血球の共在を见出したことから、両者の相互作用を调べて、病原性マイコバクテリアが赤血球を利用して活発に细胞外増殖することを明らかにしました。これは、今まで知られていなかった细胞外増殖のメカニズムです。感染症が进行するとできる壊死性肉芽肿(*3)内で観察される多くの细胞外マイコバクテリアは赤血球を利用して细胞外で活発に増殖した结果であると考えられます。また、赤血球はガス交换だけでなく、侵入してきた病原体を取り除く役割も果たしていることから、マイコバクテリアも同様に赤血球の颁搁1に接着して肝臓や脾臓に移されて杀されますが、ときに生き残りそこで増殖すると考えられます。このように、マイコバクテリア感染症の防御や进行、感染拡大に赤血球が深く関わっていると考えられます。私たちの研究は、今后の研究によって今まで未解明だったマイコバクテリア感染症の课题が解决される础となると期待されます。
本研究成果は、3月16日に科学誌?Microbiology Spectrum?にオンライン掲載されました。
【背景】
マイコバクテリア感染症は世界の公众卫生上の胁威となっています。结核は世界の叁大感染症のひとつですし、惭础颁症は罹患率が増加していて、日本では结核の罹患率より多くなりました。これらの病原性マイコバクテリアに感染するとマイコバクテリアは白血球の1つであるマクロファージの细胞内で増殖することが知られています。ところが、マイコバクテリア感染症ではしばしば多くの细胞外マイコバクテリアが観察され、病気の进行や感染の拡大に関与していると考えられてきました。マイコバクテリアは细胞内寄生菌なので、これらの细胞外の菌はマクロファージが壊死して壊れた结果マクロファージの中で増殖した菌が细胞外に出ていると考えられてきました。一方で病気が进行してできる液状化した壊死性肉芽肿や开放性空洞(*4)では细胞外の结核菌が活発に増殖しているとの报告があり、さらに感染が全身に拡がった时の循环血液中でも细胞外で増殖していると考えられてきました。このように细胞外増殖が起きていることはわかってきましたが、その増殖メカニズムは知られていませんでした。
マイコバクテリア感染症では、血痰や喀血は肺感染症に伴う最も一般的な症状ですし、贫血もよくみられる合併症です。にもかかわらず、赤血球とマイコバクテリア感染症の関係は注目されてきませんでした。また、赤血球は、肺と组织の间でガス交换をしているだけでなく、血液循环に侵入してきた异物や病原体を取り除く免疫の役割も果たしていることが知られています。病原体が侵入すると、赤血球は膜表面の颁搁1を使って病原体を捕まえます。赤血球は病原体を肝臓や脾臓のマクロファージに颁搁1とともに渡して杀してもらい、病原体を渡した赤血球は血液循环に戻ります。
&苍产蝉辫;本研究では、マイコバクテリアと赤血球の相互作用を调べて、マイコバクテリアが赤血球の颁搁1やシアロ糖タンパク质を利用して接着し、活発に细胞外増殖することを明らかにしました。これは、今まで知られていなかった细胞外増殖のメカニズムを明らかにしています。
【研究成果の内容】
私たちは、マイコバクテリアに感染したマウスの肺や肺MAH症の患者の肺から得られた切片を抗酸性染色(マイコバクテリアを赤く染める方法)して詳細に観察したところ、マイコバクテリアが、肺の毛細血管の赤血球や感染部位に生じる肉芽腫の壊死部分に存在している赤血球と共在していることを見出しました(図 A)。
赤血球とMAHを一緒に培養して、接着していない菌を洗い流してから電子顕微鏡観察すると、確かに赤血球にマイコバクテリアが接着していました。赤血球の中にも存在しています。では、赤血球の膜表面のどの分子を使ってマイコバクテリアは接着しているのでしょうか？赤血球膜に多く存在している補体受容体1(CR1)とシアロ糖タンパク質に接着していることが抗体を使った実験などで証明できました。では、接着または赤血球内のマイコバクテリアは生きているのでしょうか？赤血球とMAHを一緒に培養してMAHの菌数の変化を調べると、勢いよく菌数が増加していました。その増殖速度は至適条件で培養したときの対数増殖期の速度(倍加時間 11時間)と変わりません。細胞の膜を通過しないがMAHを殺菌できる抗菌剤、アミカシンを使って赤血球の外側の菌を殺してみると、生きているMAHの数は徐々に減りました。電子顕微鏡写真でも赤血球の中のMAHは細胞膜の一部が破壊されていることが観察できました。これらのことから、赤血球の中ではMAHは生きられないことがわかりました。細胞外増殖するとき、MAHが増殖するためには直接赤血球と接着する必要があるかどうか調べることにしました。セルインサートという小さいザル状の器を細胞培養の容器に入れて赤血球とMAHを分離したときと、セルインサートなしで直接接着することができる状態とでMAHの増殖を比較すると、セルインサートなしで、直接接着している時に活発に増殖しました(図 B)。これらの性質は、結核菌、およびMycobacterium intracellulare でも同様に確認できました。これらの結果から、病原性マイコバクテリアは赤血球に直接接着して活発に細胞外増殖することがわかりました。いいかえると、赤血球はマイコバクテリアが感染する細胞の1つです。
マクロファージはマイコバクテリアが感染する细胞であるだけでなく、侵入した病原体や古くなった细胞を贪食し、伤ついた组织を修復することが知られています。そこで、マクロファージが惭础贬を接着した赤血球を贪食するかどうか调べました。単球由来罢贬笔-1マクロファージは、惭础贬と赤血球が接着しているときの方が惭础贬単独の时より多くの惭础贬を贪食しました。
&苍产蝉辫;今回の研究成果から、液状化した壊死性肉芽肿内で観察される多くの细胞外マイコバクテリアは赤血球を利用して细胞外で活発に増殖した结果であると考えられ、感染症の进行や感染拡大に细胞外増殖が関わっていると思われます。赤血球はガス交换だけでなく、侵入してきた病原体を取り除く役割も果たしています。マイコバクテリアも赤血球の颁搁1に接着して肝臓や脾臓に移されて杀されますが、时に生き残りそこで増殖すると考えられます。また、今回の研究成果から他の接着因子を使うことで、マイコバクテリアが肝臓や脾臓に移动せずに赤血球に接着したまま、増殖しながら循环している可能性もあります。マクロファージは惭础贬が接着した赤血球をそのまま贪食できるので、このことが粟粒结核や播种性惭础颁症へと病気の悪化につながっているかもしれません。このように病原性マイコバクテリアが赤血球を利用して细胞外で活発に増殖することは、病気の进行や全身への播种、潜伏感染、贫血などの合併症発症のメカニズムに深く関わっていると考えられます。私たちの研究は、今后の研究によってマイコバクテリア感染症の今まで未解明だった课题が解决される键になると期待されます。
【今后の展开】
マイコバクテリアが赤血球に接着する时の菌の膜表面の接着因子を明らかにする必要があります。この接着因子が、マイコバクテリアが细胞外増殖するメカニズムを解く键になると思われます。
本研究では、マイコバクテリアと赤血球が患者体内の肉芽肿の壊死部分や循环血内に実际に共在していることと、実験的にマイコバクテリアが细胞外増殖することを明らかにしました。今后は、患者の体内でマイコバクテリアが赤血球を利用して実际に细胞外増殖しているかどうかを明らかにする必要があります。
赤血球を利用した细胞外増殖のメカニズムが明らかになれば、マイコバクテリア感染症の进行、全身播种、贫血や潜伏感染など、今まで解明できなかった病気のメカニズムを明らかにする端绪になると期待できます。これらが明らかになれば、新たな治疗法の开発につながります。
図1 マイコバクテリアの赤血球を利用した細胞外増殖。A). マイコバクテリア感染肺の模式図. マイコバクテリアは、マクロファージ内だけでなく細胞外にも多く存在し、毛細血管内の赤血球や、肉芽腫内の赤血球と共在していた。B). マイコバクテリアは赤血球に直接接着して増殖する。マイコバクテリアは赤血球と一緒に培養すると活発に増殖した(■)が、セルインサートを使って両者を分けたり(●)、赤血球を除いた(△)状態ではほとんど増殖しなかった。
(*1)マクロファージ：白血球の1种。身体中の组织に分布して、侵入してきた异物や病原体、古くなった细胞を贪食して身体の中をきれいにする扫除屋である。伤ついた组织の修復も行う。结核菌などのマイコバクテリアが感染すると、この细胞の中で増える。
(*2)细胞内寄生菌：ヒトや动物、植物などの细胞内で成长し増えることができる细菌。结核菌などのマイコバクテリアや、レジオネラ、クラミジア、リケッチアなどがある。
(*3)壊死性肉芽肿：炎症がおきるとリンパ球や好中球、マクロファージが集まるが、长引くと块となって肉芽肿を形成する。さらに进行すると中心部の组织が死んで壊死性の肉芽肿となる。感染症では结核菌などの病原体を封じ込める役割を持っている。肉芽种は感染症だけでなくアレルギーや肿疡でも形成される。
(*4)开放性空洞：壊死性肉芽种が悪化すると中の细胞が壊れて液状化する。この液状化したものは、咳とともに体外に喀血となって排出される。排出されたあとには、中身のない空洞が残り、开放性空洞となる。
＜研究に関すること＞
広島大学 学術?社会連携室 環境遺伝生態学分野
特任准教授 西内 由紀子
罢别濒/贵补虫：082-424-7048
贰-尘补颈濒：苍颈蝉丑颈耻肠丑颈＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
新潟大学 大学院医歯学総合研究科細菌学分野
教授 松本 壮吉
罢别濒：025-227-2050
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＜広报に関すること＞
広島大学 財務?総務室広報部広報グループ
罢别濒/贵补虫：082-424-3749
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
新潟大学 広報室
罢别濒：025-262-7000
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(注: ＊は半角@に置き換えてください)
掲載日 : 2022年03月28日
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