光生物学的調節は、松果体外メラトニン合成と骨髄幹細胞の刺激を介して、加齢に伴う胸腺の退縮を逆転させることができるか？
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要旨
胸腺退縮とそれに続くT細胞産生の減少は、免疫系のリンパ系器官に影響を及ぼす最も顕著な加齢に伴う変化である。実際、胸腺退縮は「プログラムされた老化」と表現されている。光生物学的変調（PBM）のような新しい治療法は、これらの変化を減少させたり、逆転させる可能性がある。
PBM（低レベルレーザー治療またはLLLTとしても知られている）は、組織の死を防ぎ、治癒と再生を刺激するために、ミトコンドリアの発色団によって吸収される赤色光または近赤外光の非熱レベルの送達を含む。
PBMは、サイクリックAMPやNF-kB活性化を介して棘細胞外メラトニン生合成を誘導する能力により、あるいは胸腺を再生する骨髄幹細胞を刺激することにより、胸腺の退縮を逆転させたり、防止したりすることができる。
このような観点から、PBMは胸腺の退縮を変化させ、高齢者の免疫機能を向上させ、さらには寿命を延ばすことができるのではないかという仮説を提唱している。
キーワード：加齢に伴う胸腺退縮、胸腺再生、光生物学的変調、低レベルレーザー治療、骨外メラトニン生合成、骨髄幹細胞、シグナル伝達経路
老化は、様々な器官系の形態的および生理学的変化と関連している。これらの変化には、胸腺を含む免疫系に関連するリンパ系器官の変性が含まれる。
胸腺は、2つの同一の小葉で構成され、解剖学的には心臓の前と胸骨の後ろに位置している（図1）。胸腺の各葉には、中央の髄質と末梢の皮質の2つの領域があり、外側のカプセルに囲まれている。
大脳皮質と髄質は、造血由来のTリンパ球（T細胞）の発達において異なる役割を果たしている。
胸腺の細胞は、胸腺間質細胞と造血由来の細胞（骨髄に存在する造血幹細胞に由来する）に分けられる。大脳皮質は陽性選択に、髄質は陰性選択に関与している。
間質細胞には、胸腺皮質と髄質の上皮細胞と樹状細胞が含まれる [1]。
胸腺は造血前駆細胞からのT細胞の発生に特化した環境を提供している。
胸腺の間質細胞は、機能的で自己耐性のあるT細胞のレパートリーの選択を可能にする。
図1 胸腺の構造
胸腺は小児期（思春期前）に最も大きく、最も活動的になる。10代前半までに、胸腺は退縮し始め、胸腺間質は生涯を通じて徐々に脂肪（脂肪）組織に置き換わっていく。それにもかかわらず、いくつかの残留Tリンパ球増殖は成人期を通じて継続する。
加齢に伴う胸腺退縮では、胸腺重量の最大減少は、人生の中間期の開始直前、すなわち、ヒトでは約30～40歳[2]およびマウスでは生後9～12ヵ月の時点で起こる[3]。胸腺退縮の過程には、胸腺の組織学的構造の破壊とナイーブT細胞の産生の著しい減少が含まれる[4-7]（図2）。これらの変化は、余命のバイオマーカーとして使用できる [8]。
一部の解説者は、加齢に伴う胸腺退縮が「生物学的にプログラムされた老化」の証拠であることを示唆している[9]。さらに、この過程は胸腺を持つすべての脊椎動物の間で高度に保存されている[7]。
新生児マウスの胸腺組織を高齢者に移植すると、様々な免疫学的・非免疫学的機能が若返り、免疫系が改善されて高齢マウスの寿命が延びることは興味深いことである[10]。
また、「急性胸腺退縮症（ATI）」と呼ばれる病態もある[11]。ATIは通常、感染症（細菌、ウイルス、寄生虫、真菌）と関連しているが、他の状態（ストレス、妊娠、栄養失調、化学療法）が原因となっている場合もある。
ATIは胸腺の大きさおよび重量の一過性および可逆的な減少とT細胞の一部の枯渇のみであるが、いくつかの真菌、寄生虫およびウイルス感染症では、臓器の解剖学的構造の重度の破壊が観察されることがある。
図2 加齢性胸腺炎
性ステロイド産生は加齢とともに増加し、T細胞産生は加齢とともに低下するため、血管周囲空間（PVS）は劇的に増加する。
- ETP=初期T細胞前駆細胞
- TN=CD3、CD4、CD8トリプルネガティブT細胞
- DP=CD4+、CD8+ダブルポジティブT細胞
- SP=CD4+またはCD8+シングルポジティブT細胞
加齢に関連した胸腺の退縮を先延ばしにしたり逆転させるためのいくつかの有望な治療アプローチが、現在研究されている。例えば、外因性メラトニンの投与は、マウスにおける胸腺老化の徴候を著しく減少させる[12、13]。
または、長寿ケトジェニックホルモンである線維芽細胞増殖因子21（FGF21）（「飢餓ホルモン」と呼ばれることもある）は、免疫老化や胸腺退縮から保護する[14]。
飢餓ホルモンであるグレリンは胸腺形成を刺激し[15]、ヒト成長ホルモン(hGH)は胸腺誘導を部分的に逆転させ[16、17]、転写因子FoxN1(フォークヘッドボックスN1)の発現のアップレギュレーションは胸腺誘導を減少させ[18-21]、いくつかのペプチドおよびタンパク質(例えば、エピタロン、チマリン、およびインターロイキン7、IL-7)は胸腺細胞の成長を調節する[22-24]。
私たちの知る限りでは、老化した胸腺の構造と機能を回復させて、胸腺機能障害を遅らせたり逆行させたりする方法として、光生物学的調節（PBM）を使用する可能性を探った研究はない。
フォトバイオモジュレーション（PBM）は、電磁スペクトルの可視赤色領域（600〜700nm）および近赤外領域（760〜1200nm）の光を応用したものである。組織の加熱が回避されるように、電力密度は1-500 mW/cm2の間でなければならない。
光は、細胞、分子、組織レベルで発色団[25]によって吸収される[26、27]。光子の吸収は、転写因子の活性化やタンパク質発現の変化につながる多くのシグナル伝達経路を誘発する。
PBMは、二相性の線量応答につながるホルモン機構を介して作用するが[28]、光の量が適切であれば、PBMはほぼすべての生理的身体機能にポジティブな影響を与えることができる。
PBMに関する多くの試験管内試験（in vitro）、生体内試験（in vivo）、臨床研究が過去50年間に発表されている（今日、PubMedでは、キーワードに 「低レベルレーザー治療「（LLLT）と 「光生体変調 「を入力すると、5000件近くの科学論文が返ってくる）。
これらの論文は、血流の改善[29]、ミトコンドリア活性の増加[30]、炎症性メディエーターをコードする遺伝子の発現低下[31]、生化学的機能の変化[26]、幹細胞の動員、増殖、分化[32]、神経調節[27-30]、急性および慢性疼痛の両方の減少[33]、神経調節[34-37]、急性および慢性疼痛の発症率の低下[38、39]など、さまざまな効果を示している。
この現象は、1964年にEndre Mesterによって発見され、1967年に発表された。彼は、剃ったマウスの背中にレーザー光を当てると癌を誘発できるかどうかを調べることを目的としていた。レーザー処理したマウスは癌を発症しなかったが、驚くべきことに、処理していないマウスよりも早く毛が生えてきた[41]。
細胞内での赤色光および近赤外光の吸収は、様々な一次効果と二次メッセンジャー（ATP、活性酸素、Ca2+）をもたらし、その結果、核内転写因子（NF-κβ、Nrf2、AP-1など）の発現増加をもたらする [27, 42-44]。
これらの誘導された変化は、細胞増殖および遊走を誘発し、サイトカイン（IL-1α、IL-2、IFN-γ、およびTNF-α）、成長因子（GHおよびFGF）、および炎症性メディエーターの放出を一般的に調節する。
全体的に組織の酸素化［45〜48］の増加があり、細胞の抗酸化防御がアップレギュレートされる（すなわち、グルタチオン［49］、スーパーオキシドジスムターゼ［50〜52］、およびカタラーゼ［52〜55］）。
さらに、可視光スペクトルの他の部分は異なる生理学的効果を持っている。例えば、青色光は血管拡張を調節し[56]、活性酸素の生成を介して生体内で酸化ストレスを誘導し[57]、有糸分裂と細胞分裂を阻害し[58, 59]、青色光、緑色光、980nmの光は試験管内試験（in vitro）で幹細胞の増殖と分化に影響を与える[60-63]。
幹細胞は他のタイプの体細胞と比較して、光に対する応答性が高いことがますます明らかになってきている。幹細胞は、老化を伴わない長期的な自己複製能力を持ち、1つ以上の専門的な細胞タイプに分化する能力を持っているため、組織修復のための細胞を無尽蔵に供給することができる。
胚に見られるような多能性幹細胞は、あらゆる種類の組織を作り出すことができる。組織特異的な幹細胞は、組織の恒常性を維持し、後の人生で修復するためのメカニズムとして、骨髄、脳、肝臓、皮膚などの全身のニッチに存在している。
幹細胞のニッチは低酸素状態にあるため、幹細胞は酸化ダメージを受けることなく何十年も生き延びることができる。
しかし、幹細胞のミトコンドリアが光を吸収すると、表現型が変化し、細胞はより多くのミトコンドリアを生成し、より多くの酸素を求めて低酸素ニッチから脱出しなければならない。これは、骨髄に届けられた光が幹細胞を循環に動員することができることを意味し、幹細胞は前駆細胞となり、損傷した組織や死の危険性のある組織を修復するためにどこに移動すべきかを指示する血流中の多様な合図にさらされている。
イスラエルのUri Oron氏は、動物モデルの骨髄を非侵襲的に、あるいは光ファイバープローブを骨髄に導入してPBMに曝露することで、様々な疾患や状態を治療できることを示している。これらには、心臓発作後の梗塞サイズの縮小[64]、虚血再灌流誘発性腎障害の重症度の軽減[65]、トランスジェニックマウスモデルにおけるアルツハイマー病の重症度の改善[65、66]などが含まれる。
心臓発作の転帰の改善は、ヨークシャー豚の心筋梗塞の大規模動物モデルでも機能することが示された[67]。別のグループは、骨髄への非侵襲的PBMが血小板数を増加させ、化学療法[68]や自己免疫疾患による血小板減少症を改善することを発見した[69]。
したがって、我々は、PBMが2つの異なる、そして潜在的に補完的な機序学的経路によって胸腺退縮を治療することができると考えている。
第一の経路は、棘突起外メラトニン産生の刺激を伴う（図3）が、第二の経路は、胸腺を補充する可能性のある骨髄幹細胞の刺激を伴う（図4）。
図3 脳外メラトニン生合成のPBM刺激機構の解明
PBM後に生成されたATPは、プロテインキナーゼaの活性化とAANATの安定化につながるより多くのcAMPを引き起こす。ミトコンドリアからの活性酸素のバーストは、プロテインキナーゼdを活性化し、IkBをリン酸化し、プロテアソーム分解につながる。
放出されたNF-kBは核に移動し、そこでAANATの遺伝子転写を活性化する。AANATの酵素活性の増加は、胸腺を若返らせることができるトリプトファンからより多くのメラトニンの生合成につながる。
図4 胸腺再生のための骨髄幹細胞のPBM刺激のメカニズム
光の異なる波長を使用してPBMは、細胞内の発色団によって吸収され、骨髄幹細胞のシグナル伝達経路を活性化するために行く二次メッセンジャー（ATP、活性酸素およびCa2+）を活性化する。
これは、細胞が低酸素ニッチを残して増殖する原因となる。老化胸腺からの合図にさらされたとき、これらの前駆細胞は、T細胞の生産を補充することができる。
メラトニンはセロトニンを介してトリプトファンから生合成され、主要な酵素はアリールアルキルアミンN-アセチルトランスフェラーゼ（AANAT）またはセロトニンN-アセチルトランスフェラーゼである。
ノルエピネフリンは夜間に専ら交感神経線維から放出され、βアドレナリン受容体を介して細胞内のcAMP濃度を上昇させ、それによりcAMP依存性プロテインキナーゼAを活性化させ、AANATをリン酸化して活性化させる。ノルアドレナリン刺激のない日中には、AANATはプロテアソームによるタンパク質分解によって直ちに破壊される。
松果体によるメラトニンのサーカディアン産生は、内分泌系と非内分泌系の両方を含む多くの生理機能に影響を与える慢性生物リズムに関与している。抗酸化性および抗炎症性、ゲノム効果、ミトコンドリアの恒常性を調節する能力を含むメラトニンの他の機能は、細胞および組織の酸化還元状態と関連している[70]。
最近のレビューでは、T細胞生物学およびT細胞関連疾患に対するメラトニンの効果が取り上げられている[71]。メラトニンは、T細胞の活性化と分化、特にTh17細胞とT-reg細胞、さらには記憶T細胞の調節に非常に効果的である。
メラトニンは、T 細胞生物学において主要な機能を持つ ERK1/2-C/EBPα、およびカルシニューリンを含むいくつかの異なる細胞シグナル伝達経路と相互作用する。メラトニンは様々な炎症性疾患において有益な効果を発揮する[72]。
しかし、メラトニンはすべて松果体から来るとは限らず、脳、網膜、水晶体、蝸牛、ハーデリアン腺、気道上皮、皮膚、消化管、肝臓、腎臓、甲状腺、膵臓、胸腺、脾臓、免疫系細胞、頸動脈、生殖管、および内皮細胞を含む多くの異なる松果体外組織でメラトニンの存在が検出されている[73]。
これらの組織のほとんどで、メラトニン合成酵素が同定されている。メラトニンは、脳脊髄液、唾液、胆汁、滑液、羊水、母乳を含む基本的にすべての生体液に存在する。これらの体液のいくつかでは、メラトニン濃度が血液中で測定された濃度を超えている。
いくつかの研究では、松果体切除術後もメラトニン機能の一部（約20%）が持続し [74]、胸腺 [73、75-77]、消化管 [78]、および他の器官 [79-81]で部分的に合成されていることが報告されている。
メラトニンは、睡眠傾向、概日リズムの制御、生殖過程の抑制を含む（ただし、これらに限定されない）多数の生物学的機能およびプロセスに影響を与える。また、メラトニンは、がん細胞に対する抗増殖作用、免疫応答の増加、抗酸化作用および抗老化作用を有する [82]。
文献のレビューでは、網膜 [83] だけでなく、全身 [84] や鼻腔内 [85] に赤色光を照射すると、ヒトの血清メラトニンレベルの顕著な上昇につながることが示唆されている。さらに、メラトニンは光生物学的変調の後に起こる多くの生理的変化の重要なメディエーターであるかもしれないという憶測が高まっている[86]。
PBMはどのようにして松果体外メラトニン産生を増加させることができるのだろうか？
2つの可能な経路が考えられる。
第一の経路は、PBM後に起こることが示されている多能性転写因子NF-κβの活性化を伴う[44]。NF-κβは、マクロファージにおけるAANAT遺伝子の発現を誘導し、続いて松果体外メラトニンの合成が行われる[87]。
プロモーター（nat-κB1およびnat-κB2）に局在するκB要素（aa-nat-κB）の活性化は、RAW 264.7マクロファージにおけるAa-nat転写を導く。
2つの要素のそれぞれに対応するオリゴヌクレオチドプローブとNF-κBコンセンサスに対応するプローブを用いた競争的電気泳動モビリティシフトアッセイ（EMSA）により、κB要素ごとに異なる特異性が明らかになった。
また、アクチベータープロテイン-1（AP-1）およびシグナル伝達物質およびアクチベーター・オブ・トランスクリプション-1および3（STAT-1；STAT-3）は、nat-κB1への結合においてNF-κBと競合したが、STAT-3のみがnat-κB2への結合においてNF-κBと競合していた。
AANATの発現誘導およびメラトニン合成にはRelAおよびcRelの発現が必須である。cRelの発現が先に発現したp50/RelAによって誘導されることを考慮すると、NF-κBダイマーの差動効果は、炎症性応答の時間的調節と密接に関連している可能性があり、解決段階はパラクリンおよびオートクリンメラトニン効果と関連している[88]。
マクロファージ、リンパ球、および上皮細胞は、胸腺細胞の主要な割合を占めている [89]。これらの細胞は光生物学的調節の主要な標的であり、胸骨[79]、肺、および他の周囲の器官の細胞とともに、これらの細胞は胸腺外メラトニン合成に寄与する。
第二の経路は、cAMPの発現レベルを増加させるPBMのよく知られた能力に関係している[90-92]。上述したように、cAMPはプロテインキナーゼAを活性化し、それによりAANATをホスホリル化し、酵素の生理活性を維持し、メラトニン合成を増加させる。
ヒトおよび動物の加齢は、免疫系の劣化（免疫新生）および血漿メラトニンレベルの低下を含む様々なシステムの構造的および機能的変化と関連している[77, 93, 94]。
免疫機能の調節における重要な役割[95-97]に加えて、メラトニンは胸腺[12, 13, 98-100]における加齢に伴う病理学的変化を変化させ、テロメラーゼ活性[101]を刺激し、げっ歯類の寿命を延ばす[102-105]ことさえある。
老化したヒトの胸腺機能を維持し、若返らせるために、体内に光を届ける最良の方法は何か。胸壁に集光レーザースポットを照射して胸腺に直接照射することが可能である[106]。胸腺領域の照射には二相性の用量依存効果が期待され、適用された累積用量に応じて免疫刺激から免疫抑制まで変化しうる[106-109]。
光送達の別の可能な方法は、全身ライトベッド、「ライトポッド」または大面積LEDアレイを使用した全身照明である。これは、骨髄を刺激すると同時に、骨外メラトニン合成を刺激するという利点があるだろう。
全身赤色光デバイスは、血清メラトニンを増加させ、睡眠の質を改善し、運動能力を向上させるために、中国の女子バスケットボール選手に使用された[84]。これまでのところ、身体のどの部分への光生物学的調節の投与についても、合意された定義された投与量のレジメンはまだ考案されていない。
さらなる研究が必要とされているのは、PBMが、加齢に伴う胸腺不定愁訴を持つ患者の胸腺形態を回復させ、免疫機能を改善することによって、骨外メラトニン分泌の活性化や骨髄幹細胞の刺激を含む様々なメカニズムを介して、潜在的な治療的価値を持つという仮説を検証するためである。
科学界での議論を喚起することを目的としたこの視点・仮説論文は、その性質上、やや推測的なものと考えられるかもしれない。
しかし、一見些細な感染症で死亡する高齢者の数を考えれば、健康な成人ならば見逃してしまうようなことでも、PBMは理論的には大きな違いをもたらす可能性がある。