前回に引き続き、2019年度の12号目のネイチャーのハイライトより。
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医学研究：嚢胞性繊維症におけるイオン分泌と気道防御の回復
Nature 567, 7748
2019年3月21日
医学研究：嚢胞性繊維症におけるイオン分泌と気道防御の回復
Nature 567, 7748
2019年3月21日
嚢胞性繊維症（CF）は、トランスポーターである嚢胞性繊維症膜貫通調節タンパク質（CFTR）の機能喪欠変異が原因で起こり、これによって気道の機能や呼吸器系の宿主防御が減弱する。これまで、CFTR機能の回復を目指して特定の変異を標的にする戦略が考案されてきたが、M Burkeたちは今回、あらゆるCFTR変異に対して作用し得る小分子の効果を調べている。非選択的なイオンチャネルを形成するアンホテリシンBが、肺上皮におけるイオン輸送を改善して、CF患者由来の培養細胞やCFのブタモデルで抗菌活性などの機能的特性を回復させることが明らかになった。CFTRに依存しないこの効果は、この戦略が、異なるCFTR変異を持つCF患者に広く適用できる可能性を示唆している。
News & Views p.315
Letter p.405
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■嚢胞性線維症（指定難病299） – 難病情報センター（解説・一般向け）
この論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌においては、「医学研究：小分子で嚢胞性繊維症と闘う」と題されています。
見出しにおいては、「嚢胞性繊維症では、イオン輸送の異常によって多くの臓器に問題が生じる。今回ヒト細胞と疾患モデルで、イオン輸送を可能にする小孔を細胞膜に形成する小分子が、治療に有望であることが示された。」と取り上げられています。
フルテキストを直訳しますと・・・
細孔形成小分子は嚢胞性線維症に取り組むための有望な方法を提供します
となります。
見出しを直訳しますと・・・
嚢胞性線維症では、イオン輸送異常が多くの臓器に問題を引き起こします。イオン輸送を可能にする細胞膜の孔を形成する小分子は、ヒトの細胞および疾患のモデルにおいて治療の可能性を示しています。
となります。
本文を直訳しますと・・・
嚢胞性線維症では、イオンチャネルタンパク質CFTRの異常により、肺の気道を覆う上皮細胞内の塩化物イオン（Cl^-）と重炭酸イオン（HCO_3^-）の輸送に問題が発生し、粘液が蓄積しますこれらの気道。これは、粘液とその中に閉じ込められた吸入された細菌を取り除く通常のプロセスを妨げ、結果として生じる気道の閉塞は、持続的な感染と炎症につながり、肺組織を破壊します[1]。 Muraglia et al.[2]は、気道細胞の細胞膜にイオンチャネルを形成できるアンフォテリシンBと呼ばれる小分子が、嚢胞性線維症の人のヒト細胞でin vitroで試験すると、イオン輸送と抗菌防御を回復することを示しています、そして病気のin vivo動物モデルで。
嚢胞性線維症の新しい治療法の開発には多くの進歩があり、現在、疾患の進行を遅らせる可能性のある3つの薬剤の混合物が臨床試験にあります[3,4]。嚢胞性線維症の一般的な欠陥は、CFTRが細胞膜上のその位置に到達できないことです。2つの薬剤がタンパク質がこれを克服するのを助け、3番目のチャネルを介したイオン輸送が促進されます。しかし、これまでにこの疾患に関連するCFTRをコードする遺伝子の約1,800個の不完全なバージョンが特定されており、この変異の多様性により、CFTRを標的とする薬剤がこの疾患にかかっているすべての人に機能しない可能性があります[1]。
したがって、嚢胞性線維症に対して広く適用可能な治療オプションを見つけようとすることへの関心が高まっています。たとえば、他の経路を使用して負に帯電したイオン（陰イオン）を細胞外に輸送することにより、欠陥のある、または欠落したCFTRタンパク質を迂回する方法でイオン輸送を回復する取り組みが行われています。このようなオプションには、気道上皮細胞[5]に自然に見られるアニオンチャネルの使用、またはアニオンを選択的に結合し、人工アニオンチャネル[6]または脂質膜を横切ってアニオンをシャトルするトランスポーターとして機能する合成分子の利用が含まれます[7]。
重炭酸イオンは、肺防御メカニズムにおいて重要な役割を果たし、上皮細胞から気道へのHCO_3^−分泌の異常は、嚢胞性線維症の多くの症状の根底にあります。病気のブタモデルの分析[8]は、気道への正常なHCO_3^-輸送の欠如が抗菌因子による細菌の殺害を防ぐ、上皮細胞を覆う気道表面液体の薄層のpHおよび粘度に影響を与えることを示しています。この液体は、繊毛と呼ばれる細胞突起を取り囲み（図1a）、上にある粘液を運び去ります。さらに、粘液の形成中に粘液を構成するタンパク質であるムチンのもつれを解くためには、HCO_3^-が不可欠です[9]。嚢胞性線維症では、陰イオン分泌の欠陥の結果として、気道表面の液体は通常よりも酸性になり、その量は少なくなります（図1b）[1]。
Na ^+、K ^+ -ATPaseタンパク質は、気道上皮細胞の組織に面する（側底）膜にあるイオン輸送ポンプです。それは、他の輸送タンパク質を介してイオン輸送を調節することにより細胞の陰イオン輸送を駆動し、最終的には側底膜を横切るCl^-およびHCO_3^-の細胞への輸入を可能にする。嚢胞性線維症の人では、これらの陰イオンが気道細胞に蓄積します。結果として生じる細胞濃度の高いCl^-とHCO_3^-と、気道表面液体の低濃度により、気道細胞の液面（頂端）表面全体にこれらの陰イオンの急激な濃度勾配が生じ、陰イオンの排出を必要とせずに十分に行える輸送用のエネルギー源となっています。 Muraglia et al.[2]は、したがって、HCO_3^-トランスポーターとして機能する小分子がこの濃度勾配を利用してHCO_3^-輸送を回復し、したがって肺HCO1_3^-に依存する防御プロセスも回復できると推論しました。しかし、どの小分子を使用すべきでしょうか？
Muraglia らは、バクテリアによって自然に作られるアンフォテリシンBと呼ばれる抗真菌剤に焦点を当てました。この小さな分子は、最初は奇妙な選択に思えるかもしれません。陰イオンと陽イオン（陽イオン）の両方に透過性のある非選択的イオンチャネルを形成し、ヒト細胞に毒性を示す可能性があります[10]。しかし、3つの証拠により、この選択には説得力のある事例がありました。
第一に、脂質膜からステロール分子を抽出する能力に起因するその抗真菌活性は、イオンチャネルとしての機能とは別であり、毒性の問題はアンフォテリシンB濃度の賢明な制御によって管理できることを示唆しています[10]。第二に、アンフォテリシンBは、カリウム輸送体を欠く酵母細胞でのカリウムイオンの輸送を回復させ、天然輸送タンパク質の機能的代替物を提供できることを示しています[11]。第三に、Muraglia 等。アンフォテリシンBが人工脂質膜を介してHCO_3^−を輸送することを示しました。
著者がアムホテリシンBを人間の気道細胞の頂端膜に追加したとき—嚢胞性線維症を研究するための標準のin vitroモデルシステム— HCO_3^-が細胞から分泌され、気道表面の液体のpHが上昇し、気道表面の体積アムホテリシンBを投与されていない細胞サンプルでの効果と比較して、液体は正常に回復しました（図1c）。著者らは、CFTRがタンパク質のさまざまなバリアントを表す人々から得られた気道上皮細胞もテストしました。アンフォテリシンBをこれらの細胞の頂端表面に添加すると、pHが上昇し、気道表面の液体の粘度が低下し、未処理の細胞と比較して細菌の死滅が促進されました。最後に、Muraglia 等。嚢胞性線維症のin vivoブタモデルで、アンホテリシンBの製剤であるAmBisomeが未処理の動物のpHと比較して気道表面の液体のpHを増加させることが実証されました。この薬はすでにクリニックでの使用が認可されています。
Muragliaとその同僚の研究およびその他の研究[12]は、小分子がヒトの疾患の欠陥または欠損輸送タンパク質の代理として機能できるという概念実証を提供しています。小分子は複雑なタンパク質のすべての機能を複製することはできませんが、このアプローチの成功は確かに小分子のそのような使用のより広い探査を促進します。
アンフォテリシンBはなぜそれほどうまく機能したのでしょうか？著者らは、嚢胞性線維症のヒト気道細胞モデルでNa^ +、K^ + -ATPaseを阻害すると、アンフォテリシンB治療の有益な効果が妨げられたと報告しています。頂端膜での分子の作用には側底膜でのイオン輸送タンパク質の活性が必要であると思われるという彼らの発見は、上皮膜間の細胞間クロストークとして知られているものの一例であり、イオンは異なる表面から出入りします[13]。細胞の損傷は細胞の損傷を防ぐために規制されています。おそらくアンフォテリシンBの有効性の1つの理由は、セルを通過するイオンの流れを調節するシステムを利用できるためです。
Muragliaと同僚の研究は、将来の研究に多くの疑問を投げかけています。たとえば、宿主防御を完全に回復するには、どのくらいのアンフォテリシンBが必要でしょうか？欠陥のあるCFTRタンパク質を救う薬剤と組み合わせて使用できるでしょうか？また、アンフォテリシンBを日常生活で日常的に使用しても安全でしょうか。嚢胞性線維症のすべての人を対象に新しい治療法が開発されているため、同様の疾患特性を持つ他の肺疾患のある人にも役立つかもしれません。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：News & Views p.315
本論文においては、日本語版本誌では、「医学研究：小分子イオンチャネルは嚢胞性繊維症の気道上皮において宿主防御を増強する」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
小分子イオンチャネルは嚢胞性線維症気道上皮における宿主防御を増加させる
となり、Abstractを直訳しますと・・・
嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンスレギュレーター（CFTR）の機能喪失型変異は、上皮HCO_3^-およびCl^-の分泌を低下させ、気道表面の液体pHを低下させ、嚢胞性線維症の人の呼吸器の宿主防御を損ないます[1,2,3]。ここでは、非選択的イオンチャネルを形成する小分子であるアンフォテリシンBの頂端添加により、嚢胞性線維症の人々の培養気道上皮におけるHCO_3^−分泌が回復し、気道表面の液体pHが上昇したことを報告します。これらの効果には、側底Na^ +、K^ + -ATPaseが必要であり、頂端側のアンフォテリシンBチャネルがこのアニオン分泌のドライバーと機能的に相互作用していることを示しています。アンフォテリシンBはまた、CFTRをもたらさないものを含むさまざまな変異によって引き起こされた嚢胞性線維症の人々からの気道上皮の初代培養における気道表面液体pH、粘度、および抗菌活性を回復し、CFTRヌル豚の気道表面液体pHを増加させました-生体内。したがって、非選択的な小分子イオンチャネルは、CFTRとは無関係であり、したがって遺伝子型とは独立したメカニズムを介して、嚢胞性線維症気道上皮における宿主防御を回復することができます。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.405
Data availabilityによりますと・・・
この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、論文とその補足情報に含まれています。ソースデータはイチジクのためのペーパーのオンライン版で利用可能です。 1–3および拡張データ図1〜3、5、6。
究極に溜まりに溜まったネイチャー。次回は、「分子生物学：mRNA修飾を引き起こすヒストン修飾」を取り上げます。
※主治医の指示に従ってでありますので、相変わらず、ブログ更新や巡回等が大変遅れており申し訳ございません。休み休みになると思いますが、よろしくお願いいたします。
