肺炎におけるオートファジーの役割

強調オフ

SARS-CoV2 治療標的・分子経路

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Role of Autophagy in Lung Inflammation

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7358431/

要旨

オートファジーは、ほとんどすべての真核生物に見られる細胞リサイクルシステムである。このシステムは、細胞内の貨物をリソソームに送り、内容物が分解されるオートファゴソームを形成するために機能する様々なタンパク質で構成されている。細胞の恒常性の維持は、様々なヒトの細胞集団の生存と機能において重要な鍵となる。

代謝とオートファジーの間の相互接続は広範囲にわたっており、それゆえ、オートファジーは様々な細胞機能に役割を果たしている。これらの細胞タイプにおけるオートファジーの障害や機能不全は、喘息を含む様々な炎症性疾患の発症に関与している。非免疫細胞と免疫細胞におけるオートファジーの役割は、両方とも肺炎の発症につながる。

肺の非免疫細胞におけるオートファジーは、長期的な影響を伴う慢性喘息症例に発展する可能性のある組織リモデリングにつながる。喘息の病態におけるリンパ系とミエロイド系のオートファジーの役割はそれぞれ異なる。リンパ系集団におけるオートファジーの障害は、一般的に、喘息と炎症性疾患の両方のモデルにおいて炎症を減少させることが示されている。

多くのリンパ球細胞は、エフェクター機能と炎症の維持のためにオートファジーに依存している。これとは対照的に、オートファジー欠損抗原提示細胞は、活性化されたインフラマソームを有することが示されている。これは、主に、顆粒球媒介性炎症およびステロイド抵抗性を含むはるかに悪い予後を伴うTH17応答によって特徴づけられる。

オートファジーフラックスの変化に関連した細胞特異性は、喘息症状の改善のためのターゲティングを複雑にする。TH2とTH17を媒介とする疾患の間で異なる喘息表現型は、異なるオートファジー調節を必要とする可能性がある。したがって、慢性喘息の症例を検討する際には、治療法はより細胞に特化した個別化したアプローチを必要とする。

SARS-CoV-2によって引き起こされたようなウイルス誘発性肺炎もまた、肺に常駐する細胞によって媒介される炎症につながるオートファジー変調を伴う可能性がある。このレビューでは、非免疫細胞、骨髄系細胞、リンパ系細胞におけるオートファジーの役割について議論し、肺炎や喘息への影響について考察する。最後に、オートファジーの役割について、肺炎改善のためのオートファジーモジュレーターについて考察し、ウイルスの発症、免疫代謝、喘息について考察する。

キーワード:オートファジー、喘息、肺炎、免疫代謝、COVID-19、SARS-CoV-2

序論

真核生物は、様々な理由で細胞内成分を分解する必要がある。これらの構成要素は、微生物の侵入者から、小器官やタンパク質などの自身の細胞構成要素に至るまで様々である。微生物の侵入者の場合、これらの細胞は、感染から身を守るために、これらの小さな細胞を探して特異的に殺したいと考えている(1, 2)。しかし、自身の細胞成分の破壊は、様々な刺激によって引き起こされる高度に制御された細胞プロセスである(1, 3, 4)。この細胞のリサイクルと分解のプロセスは、1963年にオートファジーと呼ばれるようになった(5, 6)。ギリシャ語で 「」自食する 「」という意味の名前を直訳したものである。オートファジーの一般的な誘導経路には、ストレスや飢餓のシグナルが含まれている。最近では、この重要な細胞構成要素の制御障害や機能不全が、多くのタイプの疾患の発症に注目されている(1)。

オートファジーにはいくつかのタイプがあり、細胞質成分をリソソームに送って分解する。マクロオートファジーは、細胞内で最も一般的なオートファジーの形態であり、オルガネラや微生物の分解の多くを担っている。この小胞はオートファゴソームと呼ばれ、リソソームと融合すると、内容物を分解するために必要なすべての加水分解酵素を含むオートリソームになる(4)。細胞成分の他に、オートファゴソームは、脂質、糖、核酸、タンパク質などの高分子を含むことができる。マクロオートファジーの役割はまた、ショウジョウバエのオートファジー遺伝子をノックアウトすると、ウイルス(小胞性口内炎ウイルス)と細菌(L. monocytogenes)の両方に感染しやすくなることから、免疫機能において中心的な役割を果たすことが示されている(9, 10)。オートファジーの第二のタイプであるマイクロオートファジーは、オートファゴソームを形成せずに細胞成分の分解を主に行う。これは、主に細胞質の巻き込みとリソソームの内腔への出芽によって定義される(11, 12)。オートファジーの第三のタイプは、シャペロン媒介オートファジー(CMA)と呼ばれている。このタイプのオートファジーは、分解のためのリソソームへの成分の輸送を仲介するシャペロンに依存している;このシステムの大部分は、適切な成分処理のためにリソソーム関連膜タンパク質(LAMPS)に依存している(13、14)。これらの3つの異なるシステムは、真核生物における最も重要な生存システムの一つを構成しており、刺激がなくても基本的なレベルで存在している。マクロオートファジーに焦点を当てたほとんどの研究のため、特に指定がない限り、オートファジーと呼ばれるようになる。

オートファジーの制御は、様々な異なるタンパク質が関与する複雑な細胞プロセスである。このレビューでは、これらの重要なタンパク質や遺伝子の枯渇や欠失によるオートファジー不全の様々な方法を利用したモデルを使用している。オートファジーおよびオートファゴソーム形成の一般的なメカニズムは、開始、核形成、および伸長の3つのステップを含む(15)。これら3つのプロセスには、16個以上のオートファジー関連遺伝子(Atg)産物の関与が特徴づけられている(15)。オートファジーに関与するタンパク質は数多くあるが、本レビューで取り上げた研究の大部分は、遺伝子ノックアウトを含むか、そうでなければ、オートファジー関連遺伝子3(Atg3)、オートファジー関連遺伝子5(Atg5)、およびオートファジー関連遺伝子7(Atg7)を利用している。これらのタンパク質産物はオートファゴソーム形成の伸長段階に関与しており、その役割は異なる(15)。伸長段階では、Atg5とオートファジー関連遺伝子12(Atg12)がオートファジー関連遺伝子16様(Atg16L1)と微小管関連タンパク質1A/1B-軽鎖3(LC3)と共役し、オートファゴソーム形成を促進する(15、16)。Atg7は、Atg12-Atg5結合のプロセスの触媒に関与している(17)。Atg3およびAtg7は、リン脂質ホスファチジルエタノールアミン(PE)によるLC3の脂質化プロセスに関与しており、LC3の機能、したがってオートファゴソーム伸長に必要である(17)。Atg3はまた、成熟したLC3がAtg12-Atg5-Atg16複合体の形成に必要であるように思われるため、Atg12-Atg5複合体の形成に間接的に影響を与えることができる(17)。したがって、Atg3、Atg5、Atg7の遺伝子改変を含む研究では、これらのタンパク質の機能喪失はオートファゴソーム形成の伸長段階を阻害し、ある程度のレベルでオートファジー欠乏症として知られている。しかし、どのような遺伝子がオートファジーに影響を与えるかについては、研究対象となる遺伝子によって議論がある。Atg3、Atg5、およびAtg7マウスモデルの場合、これらの遺伝子を欠失させると新生児の致死性が生じるため、タンパク質産物の機能は出生時まで維持されなければならず、これは生体内でのオートファジー機能におけるそれらの本質的な役割を示唆している(19)。多くの Atg タンパク質産物の欠失は、肺の炎症を含む様々なアプリケーションのために研究することができるオートファジー不全をもたらする (19)。

オートファジーは、様々な異なる免疫細胞タイプの細胞機能において重要な役割を果たしている。例えば、骨髄系細胞では、抗原の処理のために、オートファジーがこれらの経路に大きく関与していることは論理的である。オートファジーは、それ以来、様々な異なるミエロイド細胞タイプで重要な役割を果たすように記述されていた。多くの好中球の機能は、分化(20)、細胞外トラップの形成(21、22)、およびサイトカインの分泌と相互作用(23、24)を含むオートファジーにリンクされている。アレルギー疾患において重要な好酸球は、オートファジーを阻害すると、好酸球細胞外トラップ形成(EET)が低下することも実証されている(25)。オートファジーの広範な利用は、抗原提示細胞(APC)でも観察されている。樹状細胞は、以下のような様々な機能のためにオートファジーを広範囲に利用しているが、これらに限定されない。MHCクラスIIの抗原提示、サイトカインの分泌、リンパ球の活性化(26)などを含むがこれらに限定されない様々な機能のために、樹状細胞はオートファジーを広範囲に利用している。特に、オートファジー欠損マクロファージは、PGD2の制御異常を介して好酸球性炎症を悪化させることが示されている(25)。この調節異常は、T細胞や2型自然リンパ球(ILC2)などのリンパ系細胞のリクルートにもつながる可能性がある。最近、私たちの研究室は、オートファジーがILC2のエフェクター機能において重要な役割を果たしていることを実証した(27)。オートファジーは、分化、代謝、生存、活性化を含む様々なT細胞の機能において重要な役割を果たすことが示されている(28)。これらの免疫細胞のネットワークにおけるオートファジーの役割とその機能は、炎症性疾患の症状を改善するためにオートファジーを標的とする治療アプローチの可能性を示している。

オートファジーはその広い範囲のため、多くの疾患や障害の病理学において関心の対象となっている。これらの正常な経路の障害は、現在、喘息や気道過敏症(AHR)などの炎症性疾患やアレルギー性疾患の様々な原因因子として研究されている。喘息の最も一般的な治療法は、気道平滑筋(ASM)を弛緩させるための短期吸入コルチコステロイドと長期のβ2アゴニストの使用であるが、これらはすべての慢性症例に推奨されているわけではなく、10-15%の患者には効果がないことがわかっている(29-31)。これは、これらの一般的な治療法の影響を受けない喘息患者のかなりの数である。全体の割合は少ないであるが、これらの患者は、喘息に関連した医療費の50%以上を占めている(32)。ASM自体ではなく、免疫細胞を標的とする治療法は、長期的かつより効果的な治療ターゲットを提供する可能性がある。アレルギー性喘息は、炎症性サイトカインIL-5およびIL-13の産生のためのTH2細胞および2型自然リンパ系細胞(ILC2)によって主に媒介される(33-35)。慢性の症例は、主にTH17細胞を媒介とする好中球性炎症に関連した二次的な要因によるものである(34, 36)。オートファジーは好中球媒介性炎症において重要な役割を果たすことが示されている(21、37)。後期の慢性喘息では、TH2細胞媒介性炎症はほとんどないと推定されている(38)。これは、TH2喘息の表現型に有効であるはずの慢性喘息症例に対してβ2アゴニスト治療が効果的でない原因であると仮説されている。また、気道リモデリングがこれらの治療の有効性に大きな役割を果たしていることもある(39, 40)。これらの患者における肺炎の病態の複数の側面を理解することは、臨床的な治療法を見つけるための鍵となる。

慢性喘息患者の末梢血細胞および気道では、オートファゴソーム形成のレベルが上昇していることが報告されている(41, 42)。最近では、オートファジーがAPCのTH17を介した喘息において重要な役割を果たしていることが示されている(43)。このメカニズムは、これらの重要なホメオスタシス経路の調節障害や混乱を通して、慢性喘息の原因となる可能性を示唆している。オートファジーもまた、好酸球を媒介とする喘息において重要な役割を果たすことが観察されている(41, 44)。興味深いことに、成人喘息患者と小児喘息患者の両方でAtg5の高い遺伝子多型の間に相関関係があることも示されている(45, 46)。様々な炎症性疾患におけるオートファジーの役割を強調し、Atg16L1多型と過敏性腸疾患との関連も観察されている(47)。機能不全のオートファジー経路はまた、気道炎症につながる代謝リモデリングにつながる(28、30)。上皮細胞もまた、肺炎の悪化に関与しており、治療標的として利用可能である(48、49)。オートファジーは、様々な細胞タイプにおけるサイトカインシグナル伝達の調節において重要な役割を果たしており、おそらく肺疾患の病因につながっていると考えられる。

多くの疾患の発症にオートファジーが関与していることから、慢性患者の臨床治療において重要な関心事となっている。これらの疾患におけるオートファジーの役割を理解するためには、様々な細胞型におけるオートファジーの機能不全の関連性を明らかにすることが重要である。オートファジーの過剰発現や発現低下は細胞の種類によって影響が異なるため、ネットワーク全体を理解するためには、個々の細胞の種類ごとにオートファジーの役割を理解する必要がある。オートファジーの役割は細胞の種類によって異なるため、肺炎に対するオートファジーによる全身治療は困難である。また、細胞代謝におけるオートファジーの貢献は、肺の恒常性の理解に重要であるため、議論する必要がある。また、肺のリモデリングや炎症に寄与するオートファジーの制御のために、ウイルスなどの外部要因も関連している。オートファジーの特性化と、肺系の骨髄系、リンパ系、上皮系細胞への影響については、肺炎や喘息の臨床治療への洞察を得るために、このレビューで検討する。

非免疫細胞におけるオートファジーの役割

以前は病気の発症において無害な傍観者であると考えられていたが、上皮細胞や間葉系細胞などの肺気道を覆う細胞もまた、炎症反応に関与していることが報告されている。オートファジーは、これらの細胞のエフェクター機能の主要な担い手であることが、様々なケースで確認されている。IL-13などのサイトカインに反応して、上皮細胞でオートファジーが誘導され、粘液の分泌をもたらすことが実証されている(50)。興味深いことに、肺上皮細胞のIL-13刺激もまた、オートファジーレベルに対するスーパーオキシドの依存性を示した;相関関係はIL-4とも見出された(51)。肺気道でのスーパーオキシドの形成は、組織の酸化ストレスとオートファジー自体をさらに誘導しうる。リンパ系細胞では、TH1サイトカインが活性化しているのに対し、TH2サイトカインはオートファジーを阻害しており、オートファジーは細胞間で研究する必要があることを示唆している。さらに、細胞の状況依存性に加えて、TH17サイトカインであるIL-17AがBCL2分解を介して肺上皮細胞のオートファジーを阻害することが確立されている(52)。インターフェロン-γ(IFN-γ)による肺上皮細胞への刺激では、オートファジーが誘導され、アネキシンA2エクソーム放出(エクソファジー)を制御することが示された(53)。これらの知見はまた、細胞の文脈依存性だけでなく、サイトカイン依存性の可能性も示唆している。他の情報源では、異なる上皮細胞集団でIFN-γに反応してオートファジーが増加することが観察されている(54, 55)。これらの観察は、IFN-γの抗ウイルス機能と関連している可能性があり、IFN-γは細胞を誘導してウイルス負荷をクリアする。また、アネキシンA2が気道平滑筋細胞によるプラスミノーゲン媒介の炎症性サイトカイン産生(主にIL-6)を刺激することも報告されている(56)。これは、オートファジーが間接的な経路を介してTH2媒介炎症に影響を与えるであろう興味深い状況である。多くの場合、オートファジーが免疫応答に重要な影響を与えるのは、これらの間接的な経路である。逆に、臨床応用のためのオートファジーの標的化を困難にしているのは、このような間接的な経路と同じである。

オートファジーが上皮細胞を介して様々な炎症性疾患の発症に寄与していることは、文献でも示唆されている。それは、オートファジーの減衰または障害が上皮細胞の機能不全と肺線維症につながることが複数の情報源によって記述されている(57)。これは、抗線維化メディエーターおよびプロ線維化メディエーターの両方を分泌する彼らの役割の損失に起因する可能性が高い。上皮細胞から分泌される重要な線維化調節因子であるTGF-βは、組織や炎症性の文脈に応じて筋線維芽細胞のオートファジー活性を制御することも実証されている(58, 59)。これは、TGF-βに応答する遺伝子転写が細胞タイプ、細胞状態、微小環境に依存しているためである。肺気道の上皮細胞は、肺の恒常性の調節に重要であり、これらの細胞の健康な集団を維持することは、肺の炎症を回避するために重要である。オートファジーは、肺気道の上皮細胞数の維持に不可欠であると決定されている(60)。上皮細胞の損失は、様々な異なる経路を介して起こる可能性があるが、最も一般的なのは、粒子状物質の吸入である。これらの粒子に対する保護において、ヒト気管支上皮細胞は、オートファジー経路を介して粘液分泌を増加させることがわかっている(61)。微粒子による細胞死はまた、肺疾患に関連する炎症性因子を放出することができる。したがって、オートファジーは、上皮細胞集団に対して直接的な保護的役割を持つことができる。

興味深いことに、オートファジーはまた、気道リモデリングにおいても役割を果たすことが示されている。肺気道のリモデリングは、喘息患者に長期的かつ不可逆的な影響を及ぼす。改造された喘息患者では、上皮の肥厚、網状基底膜、および気道平滑筋束の増加が、すべての重要な気道リモデリングマーカーとして観察されている;これらの患者は、既知のオートファジー阻害剤であるクロロキンの経鼻投与により組織炎症が減少したことが報告されている(62)。ハウスダストマイト(HDM)誘発マウスアレルギー性喘息モデルでは、クロロキンによるオートファジー阻害は、気管支肺胞ラバージ(BAL)中のTGF-β1濃度を低下させ、気管支収縮を防止した(62)。この阻害は、完全な肺リモデリングを経験していない可能性のある患者に対して、一種の早期治療の選択肢を提供するものである。しかし、TGF-βによるオートファジーの調節は、細胞間で行われる(63)。平滑筋は肺気道のリモデリングにも関与している(64)。筋細胞間のコラーゲン形成などの細胞外マトリックスの沈着は、束の質量を増加させ、線維化を引き起こす可能性がある(65)。TGF-βおよびその下流のメディエーターは、これらの組織における線維化およびコラーゲン産生の維持および促進に主要な寄与者である(66)。興味深いことに、オートファジーが線維化と炎症を増加させたり減少させたりすることについては、2つの一般的な仮説があり、支持されている(67)。しかし、これらの仮説の根拠は、遺伝的背景、環境、条件付けの段階など、2つの異なる文脈に基づいている可能性がある。例えば、ある患者のコンディショニングは、オートファジーを媒介とする肺気道の組織線維化をもたらすかもしれないが、別の方法でコンディショニングされた別の患者は、オートファジーを阻害する線維化をもたらすかもしれない。疾患のステージは、肺組織においてオートファジーが果たす役割を理解する上で非常に重要であり、これらの相互作用についての更なる研究が必要である。

骨髄細胞におけるオートファジーの役割

顆粒球

ミエロイド細胞におけるオートファジーの役割は、ミエロイド細胞の多面的な機能に重要な役割を果たしている。この機構の過剰発現や低発現は、細胞の種類によって様々な影響を与える(表1)。好中球などの顆粒球の場合、オートファジーは様々な本質的な機能のために広範囲に利用されており、そのうちのいくつかは炎症反応に関与している。オートファジーは、好中球の主な機能の一つである脱顆粒に優勢な役割を持っている(37)。これは、好中球が予め形成された抗菌性および炎症性タンパク質を含む細胞質顆粒を分泌するプロセスである。このプロセスの調節障害は、炎症性タンパク質による組織の恒常的な損傷により、慢性疾患につながる可能性がある。興味深いことに、好中球におけるAtg5のノックアウトは、顆粒タンパク質、アポトーシスマーカー、遊走、またはエフェクター機能などの異常の証拠を提供しなかった(20)。しかし、ミエロイド特異的Atg5およびAtg7オートファジー欠損マウスモデルを試験したところ、好中球が介在する炎症性疾患および自己免疫疾患モデルの実際の減少を示した(37)。これらの観察から、Atg5の特異的好中球ノックアウトは、一貫して炎症を減少させることができないことが示された。好中球による細胞外トラップ形成もまた、微生物侵入者への応答において主要な機能であるが、炎症反応においても重要な役割を果たしている。異常な細胞外トラップ形成は、Delgado-Rizoら(80)によってレビューされた様々な自己免疫疾患および自己炎症性疾患に意味を持つことが報告されている。喘息患者の肺では、好中球および好酸球の肺への遊走が増加しており、これらの遊走はその後、細胞外トラップ形成を示すことが示されている(81)。これらの好中球の細胞外トラップは、気道上皮細胞および末梢血好酸球の両方による応答の引き金となるだけでなく、気道上皮に多量の損傷を引き起こす可能性がある(21)。これらの相互作用は、喘息の病理学に関連する気道過敏性と気管支収縮のサイクルを悪化させるものである。Atg5が細胞外トラップ形成に必要でないことが確立されているにもかかわらず(82)、複数の研究では、オートファジー欠損モデルにおける異常な細胞外トラップ形成が指摘されている(21、22)。オートファジーはまた、ネット形成のための好中球のプライミングで役割を果たしていない(83)とAtg7ノックアウトは、有意にネット形成に影響を与えることが決定されている(37)。両方の仮説(84)のための証拠があるとして、文献では、ネット形成におけるオートファジーの間にあるどのくらいの関与があるかについての現在の議論がある。好中球は、オートファジー依存性の経路を介して細胞死のカスパーゼに依存しない形式を行うことが観察されている;この観察は、それが活性化された好中球のアポトーシスを奨励するであろう炎症性のコンテキストで可能な保護の役割を示唆している。このメカニズムは主にサイトカインに依存しており、GM-脳脊髄液と炎症性サイトカインに曝露された好中球は、オートファゴソーム形成に関連したオートファジー依存性のカスパーゼ非依存性の細胞死を経ている(85)。さらに、好中球におけるAtg5ノックダウンは、IL-1βなどの炎症性サイトカインの減少を示した(23)。喘息の特定の表現型における好中球のオートファジーを標的とすることは、治療のための臨床的な手段になるかもしれないが、ノックダウンは好中球の生存を促進しながら、NET形成を介して媒介される炎症を減少させる可能性がある。したがって、喘息患者におけるオートファジー機能の調節は、重度の喘息および他の炎症性疾患における好中球介在性炎症の治療オプションを提供する。

表1 骨髄細胞におけるオートファジーのまとめ表

原文参照

オートファジーは好酸球の活性化とエフェクター機能に重要な役割を果たしているが、まだ多くの疑問点がある。好酸球は、TH2を介した応答によってリクルートされるため、ほとんどの喘息症例に決定的に関与している。好酸球はIL-5の存在によって活性化されることが実証されている。好酸球の活性化はオートファジーと好酸球カチオン性タンパク質(ECP)の産生を誘導し、さらに炎症を引き起こする(41)。オートファジーは好酸球の生存率を高めることにも寄与していると考えられる。ECPの分泌は、炎症や気道狭窄につながる粘液の過分泌など、周囲の細胞にさまざまな影響を与える。興味深いことに、オートファジー(Atg7-/-)のノックアウトを骨髄系細胞株で行うと、好酸球の全体的な増加、上皮過形成、および好酸球性慢性鼻副鼻腔炎の粘膜肥厚が見られることが明らかになった(25)。これは、骨髄系およびリンパ系を問わず多くのタイプの免疫細胞の炎症性リクルートに関与するPGD2の大幅な増加によって大きく特徴づけられた。このことは、単に系統特異的または全身的なノックダウンではなく、細胞タイプの特異的な標的化が必要であることを示唆している。これらの2つの所見の間のコントラストは、疾患の違いによって説明される可能性があるが、重度の喘息患者では、オートファジーの増加だけでなく、IL-5曝露がより優勢な役割を果たしている可能性がある。好酸球の細胞外トラップ形成もオートファジーレベルと相関があることがわかっている(21, 22)が、興味深いことにAtg5ノックアウトはオートファジー形成に必要ではなかった(82)。オートファジーは好酸球の分化に関与している可能性があるが、それを間接的に制御するmTORなどの調節因子を介した研究しかなかった(86, 87)。好中球と同様に、好酸球もまた、炎症状態でオートファジーが介在するカスパーゼに依存しない細胞死を経ることが観察されている(88)。好酸球はまた、気道リモデリングや慢性喘息発症の初期段階に大きく関与しているTGF-βの主要な生産者でもある(63, 89)。ほとんどの知見は、好酸球が介在する炎症とオートファジーのレベルに相関性があることを示しているが、臨床応用のための関連性を引き出すためにはさらなる研究が必要である。好酸球は喘息やアレルギー疾患に関連する主要な細胞型の一つであるため、好酸球におけるオートファジーの役割を明らかにすることは、臨床的なターゲットへの道を開くことになるであろう。より多くの研究と理解が進めば、喘息のTH2表現型における好酸球のオートファジーを標的とすることで、肺の炎症を改善することができるかもしれない。

抗原提示細胞

オートファジーは樹状細胞(DC)で広く利用されており、その作用機序を解明することは、肺の炎症や喘息の理解に役立つ可能性がある。樹状細胞におけるオートファジーとそのサイトカイン産生との相互作用については、細菌やウイルス感染症におけるオートファジーの役割について、Harrisによって大々的に検討されてきたが(90)、炎症性疾患におけるオートファジーの役割については、まだほとんど解明されていない。末梢血単核細胞(PBMCs)由来の樹状細胞では、オートファジーの阻害により IL-10 産生量が減少し、T 細胞の増殖につながることが示されている(91)。調節性T細胞もまた、炎症反応を媒介するDCのオートファジーをダウンレギュレートすることが実証されている(92)。これらの知見は、アレルギー疾患との関連性も考えられるが、まだ完全には解明されていない。オートファジーのメカニズムは、形質細胞様樹状細胞(pDCs)の活性化を制御することも記述されている。形質細胞様樹状細胞が分泌するサイトカイン産生、主にインターフェロン-α(IFN-α)は、Atg5ノックアウトによって影響を受ける(75)。TLR7ウイルス抗原の機能的処理もオートファジーを必要とし、Atg5がなければ、細胞質ウイルス複製中間体はリソソームへの輸送に失敗する。したがって、オートファジーは、ウイルスのssRNA検出およびそれに続くサイトカイン応答を介して抗ウイルス応答を媒介する上で重要な役割を果たしている(75)。CD11c+細胞の細胞特異的Atg5欠損は、肺気道のIL-17Aレベルを上昇させ、肺の炎症を増大させ、HDM負荷の有無にかかわらず重度の好中球性喘息を引き起こすことが明らかになった(30)。DCにおける抗原処理におけるオートファジーの役割は文献で最も一般的であり、不適切なアレルゲン提示は複数の組織タイプの炎症を引き起こす。クラスIおよびクラスIIのMHC形成を介したCD8+ TおよびCD4+ T細胞への提示は、それぞれオートファジーを伴う。オートファジータンパク質が抗原提示に関与するプロセスは、以前に生理学的な文脈でレビューされている(93)ので、ここではアレルギー疾患との関係について説明する。Atg5は、最適なファゴソームとリソソームの融合に必要であるため、MHC II抗原提示に必要であることが示されている。しかし、同じノックアウトでは、MHC I提示に否定的な影響を与えなかった(70)。炎症性マウス脳脊髄炎モデルでは、Atg5の発現はMHC IIミエリン抗原提示に必要であり、病気の発症につながる(71)。このことは、喘息などの他の炎症性疾患への応用の可能性を示唆している。しかしながら、オートファジー、Atg5およびAtg7のノックアウトもまた、試験管内試験(in vitro)および生体内試験(in vivo)での感染に対するCD8+ T細胞応答を高めるMHC I抗原提示を増加させることが示されている(74)。この誘導は、通常のオートファジー経路によって制御されるMHC I分子の内部化の乱れによるものであった。MHCクラスIの提示の増加は、Suzukiら(30)で見出されたTH17分極の増加のような、アレルギーの文脈でのT細胞エフェクター応答をさらに分極化することができるだろう。オートファジー機構は、MHC II制限抗原提示に対するより直接的な制御を持ち、MHCクラスI発現を間接的に制御しているように思われる。また、この抗原提示は、T細胞応答の増加を介して炎症性疾患の重症度を増加させる可能性があるというパラレルを描くことができる。CMA はまた、APC の表面上での抗原提示を促進し、全身性エリテマトーデス(SLE)モデルにおいて高活性 CD4+ T 細胞を生成することも示唆されている(94)。免疫におけるCMAの関与は、喘息の文脈における抗原提示におけるオートファジーの役割と同様に、ほとんど解明されていない。

CD11c特異的Atg5-/-マウスモデルでは、CD11c+ DCがHDMチャレンジを必要とせずに誘発されない好中球性喘息の原因であることが判明した(30)。これは、炎症性文脈におけるAPCの役割におけるオートファジーの重要性を示している。これらの結果はまた、肺上皮細胞におけるAtg5-/-が野生型(WT)と類似性を示したことから、DC特異的であることも判明した。Atg5-/-マウスから分離された骨髄(BM)細胞をサブリーサル照射したWTマウスに接種したところ、有意に高いAHRを発現した(30)。これらの結果から、重度のAHRの原因は、他の非造血細胞ではなく、BM由来のAtg5欠損免疫細胞であることが示唆された。照射したAtg5-/-マウスにWTまたはAtg5-/-骨髄を接種したキメラ実験でも、DCにおけるオートファジーの役割について同様の結果が確認された(30)。さらに共焦点顕微鏡を用いて解析したところ、喘息では肺樹状細胞のLC3病巣の数が減少していることが明らかになった。骨髄由来の樹状細胞は、Atg5-/-マウスでIL-1とIL-23の濃度を増加させ、さらにTH17の好中球性極性に寄与していることが報告されている(30)。ステロイド治療に反応して、Atg5-/-マウスでは、AHRの低下は見られず、ステロイド抵抗性の表現型を示していることがわかった(30)。前述のように、好中球性喘息は、いくつかの喘息表現型におけるステロイド抵抗性を説明するかもしれない。また、HDMへの挑戦でもWTと同じ好中球性喘息表現型を示した。このことは、Atg5-/-マウスの喘息発症はアレルゲンで誘発される必要がないことを示唆している(30)。この研究は、患者の誘発されていない喘息反応に遺伝学が与える影響の大きさを証明している。好中球性喘息の病態におけるオートファジーの役割は広く知られており、異なる表現型を完全に理解するためには、より多くの研究が必要である(30)。これらの知見と一致して、APCの代謝シフトは、オートファジーの重要な調節因子であるmTORアブレーションを介して肺の好中球性炎症を促進することが記述されている(43)。APCをより炎症性の表現型にリプログラミングする際のオートファジーの役割は、臨床上の重要な関心事となり得る。

DCsと同様に、マクロファージもまたAPCであるため、文献ではオートファジーとの関連が示唆されている。マクロファージにおける代謝障害、mTORのアブレーションは、好中球性喘息を直接開始させると記述されている(43)。前述したように、オートファジーとmTORの間の関連は広範囲にわたっている。オートファジーは、コロニー刺激因子-1(脳脊髄液-1)を介して単球からマクロファージへの分化にも重要な役割を果たしている(95);さらに、GM-脳脊髄液投与はAtg5の切断をブロックしてオートファジーを促進し、それなしではマクロファージの分化がサイトカイン分泌とともに減衰することが示されている(96)。以前の研究では、オートファジーを阻害すると、Atg5/7、LC3、およびBeclin-1の遮断により、IL-1βおよびIL-18の増加につながることが報告されており、炎症性コンテクストにおけるオートファジーの保護的役割の可能性を示唆している(25, 79, 96)。無菌肺炎を有するAtg5およびAtg7の骨髄特異的欠失を有するオートファジー欠損マウスはまた、IL-18分泌によって駆動される杯骨メタプラシアおよびコラーゲン濃度の増加を示すことが示された(97)。マクロファージでは、オートファジーを介した損傷したミトコンドリアのクリアランスは、これらの理由から非常に重要である。興味深いことに、オートファジーのノックアウトは抗ウイルス抵抗性を増加させたが、炎症とサイトカイン分泌も増加させた(76)。肥満マウスモデルでは、マクロファージにおけるオートファジーの減衰は、炎症の増加と急性肝障害と関連していた(98、99)。Atg5はIL-1βの産生を明示的に抑制することも報告されている(77)。自己免疫疾患としてパンデミックしているクローン病のモデルでは、マクロファージのオートファジーと全身性疾患との間の機序的な関連が確認されている(100)。また、マクロファージにおけるインフラマソームの活性化につながるリソソソームおよびオートファジーの機能不全メカニズムも示されている(101)。炎症性の文脈では、マクロファージによって媒介されるIL-1β分泌およびそれに続く炎症から保護するために、オートファジーを維持することが重要である。APCにおけるATG5ノックアウトの効果を図1に要約する。これらの炎症性疾患の表現型の間の可能性のある関連性は、喘息の表現型の調査に適用できるかもしれない。IL-1の産生は好中球性喘息を悪化させることが証明されている(30)。マクロファージによって分泌されるTH1サイトカインは特徴づけられているが、活性化されたT細胞によるTH2サイトカインのその後の産生は、APCオートファジーとの関連とともに未解明である。アレルギー性の文脈では、コロニー刺激因子の産生はマクロファージによるサイトカインの分泌を増加させるが、その後のTH17細胞の刺激についてはまだ研究されていない。GM-脳脊髄液はアレルギー性喘息の維持に必要であることが判明している(102)が、オートファジーを誘導するためにGM-脳脊髄液を用いてマクロファージを標的とすることは臨床的には有効な治療法ではないことを示している。過去の研究では、GM-脳脊髄液のレベルが健康なコントロールと比較して喘息患者のBALで非常に上昇していることが確立されている(103)。これらの観察は、他の細胞型に対するGM-脳脊髄液の他の効果がマクロファージの炎症抑制効果を上回ることを明確に示している。したがって、マクロファージにおけるオートファジー流束の保存は、インフラマソームの活性化を避けるために、他の手段を用いて行われなければならない。GM-脳脊髄液による単球分化の増加後のマクロファージによる抗原提示は、その後のT細胞の活性化を介して肺の炎症に影響を与える可能性がある。マクロファージにおけるオートファジーの全体的な保存は、インフルナソームの抑制に不可欠である。しかし、マクロファージにおけるオートファジーの役割については、特に抗原提示とサイトカイン産生を含む、さらなる研究が必要とされる未解決の問題が残っている。

 

図1
不動状態と活性なAtg5/Atg5-/-抗原提示細胞の概要。オートファジーの存在は、機能的なオートファジーの場合は青で、機能不全の場合は赤で強調表示された半分に形成されたオートファゴソームで表される。Atg5は機能的なオートファジーの必須条件である。各象限は肺APCの活性化状態を示す:緑は恒常性、黄色は中等度の活性化、オレンジは中等度から高活性、赤は高活性を表している。AKT、プロテインキナーゼB、APC、抗原提示細胞、Atg5、オートファジー関連5、MHC I、主要組織適合性複合体クラスI、mTOR、ラパマイシンの機械的標的(25、30、74、77、79、96)。

リンパ球におけるオートファジーの役割

リンパ球

CD8+ T 細胞におけるオートファジーの役割を見ると、複数の細胞型におけるオートファジーの貢献範囲の広さがわかる(表 2)。オートファジーはCD8+ T細胞の様々な機能、特に増殖、代謝、生存、記憶機能に重要な役割を果たしていることが実証されている(109, 110)。CMAは、T細胞活性化の負の調節因子を特異的に分解することから、T細胞の機能に関与していると考えられている(127)。初期の研究では、Atg3、Atg5、Atg7欠損マウスモデルにおいて、脾臓やリンパ節のCD8+ T細胞数が減少し、アポトーシスが増加していることが観察されている(104, 107, 128)。これらの細胞は炎症状態で複製するため、不要な活性酸素種(ROS)を除去し、ミトコンドリアを除去するためにオートファジーが増加していることは理にかなっている。これらの高度に複製された状態では、タンパク質合成の必要性が高いため、mTORの関与は広範囲にわたっている(129)。CD8+ T細胞におけるmTORとオートファジーの相互作用は、その機能を理解する上で非常に重要である。mTORはオートファジーのネガティブレギュレーターであるというのが一般的なモデルです(130)が、これは主にタンパク質合成とタンパク質リサイクルにおけるそれぞれの役割の違いに基づいている。しかし、いくつかの研究では、これはすべてのCD8+ T細胞サブセットにおいて必ずしもそうではないことがわかっている(131)。CD8+ T細胞の複雑性をさらに高めているのは、活性化されたときに、オートファジーと解糖mTOR経路によって媒介される代謝リプログラミングである(132)。AMPKは代謝経路の重要な調節因子であり、オートファジーを積極的に調節することができる(133)。これは、重要な初期段階のオートファゴソームタンパク質であるULKのリン酸化、およびRaptor(134)またはTSC2(135)のいずれかのリン酸化を介したmTORのダウンレギュレーションを介して行われる。AMPKの制御もまた、mTORはULK-AMPK相互作用を阻害することができるので、mTORによって制御することができる(133)。これらすべての代謝経路間の相互作用は、対処すべき複雑な問題を提供する。特にCD8+ T細胞活性化の場合、代謝制御は細菌性およびアレルギー性炎症性の両方の文脈で急速な増殖に重要である。このダイナミックな動きをさらに理解することで、T細胞を媒介とする喘息表現型を標的とする道が開ける可能性がある。T細胞受容体の活性化はmTORとオートファジー経路の両方を共活性化することも実証されているが、オートファジーはmTORとは独立して作動することも示されている(131)。また、CD8+ CD28・T細胞では、TCRの関与はCD28+ T細胞と比較してオートファジーを誘導する能力が低下しており、活性化されたときに代謝要求に失敗して産生する可能性が高くなることが記載されている(131)。発がん性CD8+ヒト細胞では、p38は代謝リモデリングを伴わないオートファジーの増加を誘導し、mTORに依存しないことから、炎症性コンテクストにおけるこれらの急速に増殖する細胞集団の媒介における治療的ノックダウンの可能性を示唆している(136)。印象的なことに、T細胞におけるAtg5ノックアウトは、より多くのIFNおよびTNF産生を伴う、より多くのエフェクターメモリー表現型を示した(137)。喘息の病因の特定の段階では、メモリーT細胞の生成は抗原への過剰反応によって症状を悪化させ、より慢性的な症例につながる可能性がある。代謝経路の相互接続と、T細胞の細胞エネルギーにおけるオートファジーの役割のために、新規な治療標的を同定するための研究が行われるべきである。mTORのような他の代謝系を介したオートファジーの標的化は、革新的なアプローチを提供する可能性があるが、非オートファジー特異的なメカニズムによって引き起こされる副作用が誘発される可能性がある。

表2に示すように、オートファジーを標的とした治療法は、オートファジーに特異的なメカニズムではなく、オートファジーに特異的なメカニズムによる副作用を誘発する可能性がある。

リンパ球におけるオートファジーのまとめ表

原文参照

喘息などの炎症性の文脈では、CD4+ T細胞はTH17およびTH2タイプを媒介とする炎症に関与し(138)、オートファジーを利用することも示されている(139)。CD8+細胞と同様に、CD4+ T細胞もまた、代謝や記憶などの様々な細胞機能に関与する広範なオートファジーを有することが判明している(112)。活性化の間、CD4+ T細胞ではオートファジーが大規模にアップレギュレートされている(122, 140)。TNFAIP3(141)およびVps34(142、143)のようなCD4+ T細胞におけるオートファジーを調節する複数のタンパク質が記載されており、両方とも細胞代謝において役割を果たしている。一般的に、ほとんどの文献では、活性化状態にあるときはエネルギーの必要性が高いため、CD4+ T細胞におけるオートファジーの増加に焦点が当てられている。代謝タンパク質とオートファジーは、炎症性疾患における両T細胞タイプの理解に不可欠であり、また、治療標的となり得るものでもある。mTORの細胞特異的ノックアウトは、敗血症のような高度に炎症を起こした状態でオートファジーを増加させ、CD4+ T細胞の生存を促進することが実証されている(144, 145)。IL-21はまた、CD4+ T細胞においてmTORに関与し、オートファジーを抑制し、全身性エリテマトーデスにおける分化とエフェクター機能の機能不全につながることが観察されている(146)。このことは、感染症や疾患の炎症状態においても代謝が依然として重要な役割を果たしていることを示しており、オートファジーがCD4+ T細胞数と健康的な機能の維持に果たす巨大な役割を示している。アレルギー性喘息の場合、オートファジーを標的とした臨床治療は、TH2分極したCD4+ T細胞の集団を減少させることができるかもしれない。驚くべきことに、TH2 分極化 CD4+ T 細胞では、選択的オートファジーが Bcl10 を標的にして分解し、NF-κB の活性化を制限することで、持続的な TCR の活性化を防ぐことがわかっている(147)。これらの結果は、他のCD4+集団では試験されておらず、結果はTH2分極細胞のみである可能性につながる。調節性CD4+ FoxP3+ T細胞(Treg)では、オートファジーは、これらのプロアレルギー性TH2細胞集団の抑制を含め、健康的な機能を維持するために不可欠である(113)。喘息などのアレルギー性疾患では、プロアレルギー環境がTregをより親炎症性にするためにTreg集団を歪めてしまう可能性があるため、Treg集団の二重の機能性を理解することが重要である(148)。喘息患者のTregがこのプロ炎症性または抑制性の表現型に偏っているかどうかによって、これらの細胞集団におけるオートファジーの標的化は症例に依存しなければならないだろう。TH2分極したCD4+細胞におけるオートファジーの標的化は、患者がプロ炎症性Tregの表現型を持っている場合に有用であろう。そうでなければ、CD4+細胞のオートファジーを標的とすると、炎症や症状を悪化させる抑制性のTreg集団が減少する可能性がある。このような変化や患者間の違いにより、治療法を決定することは困難である。これに関連して、CD4+ T細胞における機能不全のミトコンドリアの持続を引き起こす加齢と過活動性のオートファジーとの間には、慢性的な炎症と免疫系の障害につながる関連性があることが報告されている(149)。このことは、オートファジーのフラックスが時間の経過とともに変化して慢性疾患や炎症を引き起こす可能性があることを示唆している。CD4+ T細胞のサブセットや患者によってエネルギー代謝が異なるため、これらの細胞を標的とした治療は、オートファジー枯渇への影響が異なるため、複雑なものとなるであろう(139)。

オートファジーは、B細胞および形質細胞の様々な重要な機能において重要な役割を果たしている。それは、B細胞の記憶維持(123, 124)、ホメオスタシス、生存、およびエフェクター機能(116)に関与している。より具体的には、オートファジーであるAtg7は、肺疾患における抗原提示において重要な役割を果たす組織常駐型B1aのB細胞において重要であると記載されている(125)。免疫グロブリン分泌細胞としての血漿細胞の機能のために、この過程で発生するERストレスは、生存のためにオートファジーに非常に依存するようになる(114, 115)。オートファジーはまた、B細胞の血漿細胞への分化において役割を果たし、ループスなどの自己免疫疾患におけるその後の免疫グロブリン産生においてより大きな役割を果たしており、これらの疾患の治療の可能性のある治療標的を提供する可能性がある(117, 126)。興味深いことに、異なる刺激に対するB細胞の応答は、正則的なオートファジーから非正則的なオートファジーの間で変動する異なる細胞応答を生成する(116, 150)。最近、オートファジー誘導剤は、オートファジーが障害された老化患者のB細胞の生存を回復させることができた(151)。オートファジーのフラックスとメカニズムの変化は、B細胞のオートファジーの特徴付けを複雑にしている。しかし、様々な異なる免疫枝へのそれらの関与は、肺の炎症性表現型の治療において大きな影響を与えるためにそれらを標的とすることを可能にする。喘息におけるB細胞の役割は、オートファジー、生存、IgE分泌、および炎症の悪化につながる抗原提示の増強をアップレギュレーションすることにより、TH2サイトカイン分泌、IL-4に反応して有害であることが実証されている(152)。また、オートファジーは、B細胞の正常な発生には必須ではないとしても、持続的な炎症性疾患や自己免疫疾患には重要であることが示されている(153)。IgEの分泌は主に血漿細胞によって行われ、炎症反応のためにマスト細胞受容体に結合するため、アレルギー反応の主要なメディエーターである(154)。これらの細胞におけるオートファジーの重要な役割のために、それは治療標的を提供する可能性がある。例えば、TNFファミリーのB細胞活性化因子(BAFF)によって誘導される炎症性疾患などの特定の疾患表現型は、細胞内Ca2+レベルの調節、またはCaMKII、AKT、またはmTORの調節を通して標的となり、最終的にオートファジーを調節して疾患を軽減することができる(155)。小児喘息患者では、健康な小児と比較してBAFFのレベルが増加していることが観察されている(156)。IFN-α(153)およびIL-4(152)を含む様々なサイトカインがB細胞のオートファジーに影響を与えることがわかっている。どのサイトカインがB細胞と相互作用しているかを患者ごとに判断することは、個々の疾患表現型を特徴づけるために不可欠である。興味深いことに、LAMP-2Cは、外部キューに応答して提示を歪めるCMAをダウンレギュレーションすることにより、B細胞におけるMHC II提示において自然に抑制的な役割を果たしている(157)。Atg5はまた、MHC-IIを含む小胞への内部化されたBCRの再局在化における役割を果たすことが確立されている(118)。オートファジーは、それらの免疫グロブリン分泌と抗原提示において重要な役割を果たしているため、B細胞媒介性炎症性疾患のための実行可能なターゲットを提供する。オートファジーは、免疫グロブリン分泌と抗原提示に重要な役割を果たしているため、持続的な炎症性の可能性があるため、治療のための大きな臨床的手段となる。

先天性リンパ球

オートファジーはまた、喘息を含む様々な炎症性疾患において重要なプレーヤーである第2群自然リンパ系細胞(ILC2)(27)においても重要な役割を果たしている(158、159)。ILC2sは、肺上皮細胞からのアラーミン放出を介してシグナルを受け取る最初の細胞の一部である。これらのシグナルにより、ILC2sは、アレルギー反応を産生し、喘息の病因に寄与するTH2サイトカインの最初の生産者である(159)。ILC2sを特異的に標的化することは、これらの最初の活性化ステップにアプローチする治療法であり、喘息の症状だけでなく、ダウンカスケードを減少させる可能性がある。ILC2sにおけるオートファジー欠損(Atg5-/-)は、ILC2s細胞のホメオスタシスとエフェクター機能に直接影響を与えることが示されている。興味深いことに、重要なオートファジー機構の欠如は、TH2 サイトカインを産生する ILC2 の能力を低下させ、アポトーシスの増加につながる (27)。NF-κB 活性の低下は、Atg5 欠損マウスの活性化とサイトカイン分泌の低下を示唆している。さらに Ki-67 を用いて解析したところ、IL-33 挑戦マウス、野生型マウスともに ILC2s の増殖が低下していることが示された。一方、マスターレギュレーターTFEBを過剰発現させたTfebTGマウスでは、オートファジーが誘導され、増殖、サイトカイン分泌、活性化されたILC2sと関連していた。オートファジーの過剰発現とAtg5欠失は、ILC2の機能に鏡のような影響を与えることが示された(27)。他の研究では、Atg5がエフェクター機能と自然リンパ系細胞の生存率の調節に優勢な役割を持っていることが明らかにされている(119)。これらの結論は、mTORとオートファジーの関係が二項対立的である他のリンパ系細胞の観察結果と一致している。喘息における主要なサイトカイン生産者としてのILC2sの役割(159, 161, 162)により、それらはオートファジー経路への緊密な依存性により、アレルギー性喘息の改善のための有望なターゲットを提供する(27, 107)。リンパ系細胞に対するオートファジーの複数の効果は、図2に要約されている。特定の臨床的アプローチを策定するためには、喘息発症時のオートファジー阻害の効果を特徴づけるために、さらなる研究が必要である。

 

図2 リンパ系細胞におけるオートファジー機能の概要(27, 105, 107-115, 117, 118, 147)。

不変型ナチュラルキラーT細胞(iNKT)もまた、オートファジーのフラックスの影響を受けることが示されており(120、121)、喘息の病因において重要な役割を果たすことが記載されている(163、164)。オートファジー欠損症では、Atg5-/-のTH1 iNKTは、試験管内試験(in vitro)でiNKT活性化剤であるα-GalCerを用いて挑戦した場合、IL-17およびIFN-γ産生が減少し、エフェクター機能が低下していることが判明した;この知見は、α-GalCerを用いた生体内試験(in vivo)挑戦後にさらに支持された(121)。Atg5-/-はまた、複数のiNKTサブセットにおいて、 iNKT細胞死を誘導し、ミトコンドリアストレスの増加に伴う細胞周期の進行を 阻害することも実証されている(120)。より具体的には、オートファジーは、iNKTの発達の後期に おいて、成熟細胞への発達に不可欠であることが報告されている (120, 121)。Atg3などの他のオートファジータンパク質は、iNKTの記憶形成に重要であることが示されている。他のオートファジー欠損モデルと同様に、この場合にはウイルス感染で挑戦したときに、欠損したミトコンドリアと活性酸素のレベルが増加していた。彼らはさらに、ミトコンドリアタンパク質BNIP3とBNIP3Lが記憶形成に重要であり、オートファジーのノックアウトはミトコンドリアの破壊とこれらの必須タンパク質の損失をもたらしたことを述べている(106)。Vps34のような重要なオートファジー相互作用タンパク質は、iNKTの初期段階からの発育に重要であることがわかっているが、これがオートファジーと他の相互作用体との相互作用によるものであるかどうかは、まだ調査されていない(165)。いずれにしても、オートファジー経路における直接的および間接的なタンパク質の標的化は、喘息症状を改善するための治療のための明確なターゲットを提供する可能性がある。TH2分極したiNKTsおよび他のCD4+ T細胞による2型サイトカイン産生は、喘息の発症において重要な役割を果たしている。また、これらのiNKTsは、ヒト喘息性肺ではCD4+ T細胞の総集団のかなりの量であることが示されているが、健康なコントロールではない(163)。これらのiNKTsは、喘息の改善のためのオートファジー標的化のための非常に明確で現在のターゲットを提供する。

ウイルス誘発性肺炎におけるオートファジーの役割

ウイルス性肺感染症は喘息患者の治療を複雑にし、治療抵抗性につながる可能性がある(166)。細胞内成分のクリアリングにおけるオートファジーの役割のために、オートファジーとウイルスタンパク質の間には多くの相互作用がある。しばしば、細菌やウイルスは、オートファゴソームの形成とその後の破壊を避けるために、オートファジーを攻撃する方法を見つけます(167);いくつかのケースでは、複製の可能性を高めるために、または脱出を助けるために、感染のある時点でオートファジーをハイジャックして増加させることさえできる(168)。オートファジーの究極の抑制は、慢性的なウイルス感染後に起こる。APCの感染とそれに続く長期的なオートファジーの抑制は、インフラマソームの活性化につながり(25、30、79、96)、最終的には肺のリモデリングにつながる。IL-1およびIL-23(169)によって刺激された自然リンパ球によって産生されるIFN-γおよびIL-22のような炎症性サイトカインは、肺気道を調節し、常駐細胞型との相互作用を介して気道リモデリングに寄与する可能性がある。肺常在細胞におけるウイルス感染によるオートファジーフラックスの不整合は、これらの炎症反応と直接に喘息の病態形成に寄与する可能性がある。より古い研究では、以前のウイルス感染が後期喘息反応の患者を素因にすることが指摘されている(170)。それを裏付けるように、現代の診療所に来院する患者の高い割合は、以前に最近の呼吸器ウイルス感染を経験したことがある(171)。肺のウイルス感染はまた、生涯にわたって影響を及ぼす可能性のある気道リモデリングに寄与することができる(172、173)。上皮細胞および免疫細胞の感染は、気道リモデリングを悪化させるオートファジーフラックスに影響を与える可能性がある。ウイルス感染によるオートファジーの低下したミエロイド細胞によるIL-1およびIL-23の産生(43)は、喘息の表現型の増強に寄与する可能性がある。また、ステロイド抵抗性肺炎にも関与している可能性があり、マウスCD11c+特異的オートファジー欠損モデル(Atg5-/-)で観察されている(30)。上気道ウイルスによるオートファジーの破壊は、喘息の発症と増悪の両方に寄与する。しかし、上皮細胞と免疫細胞に対する影響が異なる場合があるため、オートファジーの特異的な影響を決定することは困難であると考えられる。ウイルス感染によるオートファジーの組織特異的なアブレーションは、特に肺では望ましくない結果をもたらする。ウイルス媒介のオートファジー破壊の予防は、将来の喘息発症を回避するための鍵となる。

オートファジーの調節は、インフルエンザウイルスおよびコロナウイルス(CoV)を含む様々な異なるウイルスの病態に存在し、それぞれが重大な肺炎症を引き起こす(174, 175)。CoVの複製過程におけるオートファジーの関与については、複数の論文が異なる結果を引用しており、議論の余地があるようである(176)。これらの結果の違いは、テストされているウイルスやオートファジータンパク質の違いに起因している可能性が高い。全体として、オートファジー経路に対するCoVsの特異的な効果を見つけるためには、より多くの調査が必要である。SARS-CoV、MERS-CoV、およびSARS-CoV-2などのヒトCoVs感染では、感染後のサイトカインストームは、主にIL-18、IL-1、およびIL-6の産生によって媒介される(177、178)。肺常在性APCにおける炎症性サイトカインの活性化は、これらの炎症性サイトカインの産生につながり、これは、ウイルス感染によって誘導されるオートファジーの欠如に起因する可能性がある。ベロB4細胞のMERS-CoV感染は、Belcin1-ユビキチン化を介してオートファジーを減少させることが示されている(179)が、これは、APC感染の場合には、オートファジー経路の障害に起因するインフラマソームの活性化につながる可能性がある(25, 30, 79, 96)。ウイルス感染によって誘導されるオートファジーの欠如が、肺のレジデントAPCにおけるインフラマソームの活性化を引き起こす可能性が非常に高く、したがって、オートファジーの欠如は、COVID-19を有する患者においてIL-18、IL-1、およびIL-6の産生を引き起こすであろう。この観察は、大気汚染、特にPM2.5は、オートファジーの既知の抑制経路であるmTORを増加させ、M2マクロファージの分極を損なうことが報告されており、IL-6およびIL-1βの高分泌と関連しているという事実によって支持されているかもしれない(180);しかしながら、マクロファージのオートファジーの減少への直接的な関与はまだ決定されていない。興味深いことに、多くの最近の研究は、大気汚染に曝露された患者の死亡率およびサイトカインストームが有意に高かったという考えを支持している。例えば、米国の3,000以上の郡から大気汚染データとCOVID-19死亡率を収集した最近の研究では、PM2.5のわずか1μg/m3の増加がCOVID-19死亡率の平均8%の増加と関連していることが明らかになった(181)。

IFNの産生は、SARS-CoVやMERS-CoVなどのウイルス感染に対する防御に重要な役割を果たしている;新しい研究では、APCからのIFN応答の誘導の遅れが疾患の発症に寄与していることが明確に示唆されている(182)。上皮細胞のほかに、SARS-CoVのウイルス感染においてIFN-α産生に有効であることが示されている唯一の候補はpDCsである(183);SARS-CoVと同様のSARS-CoV-2はIFNに対して感受性があることが示されている(184)。pDCはCoVに対する防御およびウイルスクリアランスにつながる肺炎症の誘導において重要であるため、COVID-19の患者ではその役割および機能を調査する必要がある。pDCsにおけるオートファジー欠損(Atg5-/-)は、試験管内試験(in vitro)および生体内試験(in vivo)でIFN-αの産生を停止させることが示されている(75)。したがって、感染後のpDCのようなAPCの様々なサブセット間のオートファジーの評価を調査する必要がある。これらの観察に基づいて、我々は、オートファジー誘導剤が、特にSARS-CoV-2感染の初期段階で、pDCsによる機能的なIFN-α産生を回復し、ウイルス力価を有意に低下させることができると予想する(75, 184)。最後に、SARS-CoV-2の発症におけるオートファジーの役割を支持するもう一つの事実は、予後の悪い患者はオートファジーに関して既往症を持っている可能性があるという観察である。肥満、高血圧、糖尿病、冠動脈性心疾患などの既往症はオートファジーの欠如と関連していることが多い(185, 186)ので、SARS-CoV-2感染後に報告された死亡率や転帰の増加にはオートファジーが関与していると考えるのが妥当である(187)。

細胞代謝維持におけるオートファジーの役割

オートファジーが代謝経路において重要な役割を果たしていることから、免疫代謝のメカニズムを理解することが不可欠である。主な代謝経路であるAMPK, mTOR, AKTなどは、すべてオートファジーを制御し、最終的には炎症の結果に影響を与える下流効果を持っている。オートファジーの制御と免疫代謝との関連性は、様々な異なる文脈で証明されている。オートファジーによって制御される機能は、アポトーシス、ミトコンドリアの維持、エネルギー代謝のスイッチ、プロテオスタシスなどの複数のメカニズムに影響を与える可能性がある。様々な免疫細胞では、オートファジーの制御異常も細胞分化の変化と関連している。マクロファージの場合、mTORおよびAMPK調節によるオートファジーの役割は、M1とM2マクロファージの間の代謝バランスにおいて役割を果たしている(188)。好中球はまた、オートファジー欠損、Atg7-/-のマウスモデルにおいて、解糖活性が増加していることが示されている。この強化された解糖活性は、破壊された分化と結合された;オートファジーが媒介する脂質代謝の阻害はまた、好中球の分化を停止させる結果となった(189)。非常に活発なB1 B細胞は、オートファジーに依存したエネルギー消費率が高い;Atg7欠失は、代謝遺伝子のダウンレギュレーションと機能不全ミトコンドリアのために、B1a B細胞の選択的損失をもたらす(125)。これはさらに、免疫細胞におけるオートファジーの必要性を支持するもので、分化および生存のための新しいタンパク質翻訳のためのプロテオスタシスおよびバルクタンパク質の除去を維持している(188)。喘息のような炎症性の文脈では、エネルギーの必要性とそのエネルギーの効率的な利用は、高度に複製性の高い生産性の高い免疫細胞タイプにとって極めて重要である。オートファジーの調節解除または損失を介したデリケートな代謝の調節障害は、これらの細胞集団の損失につながる。喘息発症の主要な炎症性細胞であるILC2sの代謝リプログラミングは、オートファジーと広範囲に関連していることが報告されている。Atg5の欠失はILC2代謝のレイアウトを完全に変えることが示された(27)。全体的なエネルギーレベルの低下は、解糖と脂肪酸代謝の変化と同様にILC2のエフェクター機能の抑制をもたらした。また、代謝解析およびトランスクリプトーム解析により、ILC2sでは解糖が亢進し、脂肪酸の酸化が抑制されていることが示された(27)。これらの代謝変化は、TH2 サイトカイン産生の減少、喘息や AHR の減少につながった。ILC2の代謝のさらなる障害は、活性酸素の増加とミトコンドリアの破壊を通じて見出された(27)。免疫代謝学の新しい分野は、将来的には病気をより深く理解する上で重要な鍵となるであろう。オートファジーと免疫細胞の代謝の間のつながりは広範であり、この理解において極めて重要な役割を果たす可能性が高い。

喘息におけるオートファジーの役割

喘息や他の炎症性疾患は異質であるため、オートファジーの標的化は患者ごとに評価しなければならない。喘息患者の集団が直面している最大の問題の一つは、治療を受ける前の患者の事前調整である。この前提条件付けは患者間の不均一性をもたらし、最も重要なのは肺の改造(40)と肺ウイルス感染(166)である。これらはいずれも古典的な治療に対する抵抗性、または症状の悪化とさらなる病因の悪化につながる。オートファジーは、様々な気道リモデリングプロセスにおいて、一般的な役割を果たしている(62)。これらのプロセスは、線維芽細胞集団および線維化(59)の調節から、ILC2s(27)などの主要な細胞集団におけるオートファジーの過剰活性化による炎症性サイトカイン分泌の増加レベルにまで及ぶ可能性がある。改造肺における細胞間の相互作用は、健康な肺と比較して全く異なる。オートファジーの欠損と喘息との間には間違いなく関連性がある(45, 46)が、臨床治療を受ける前に患者を前もって調整し、喘息の発症に寄与する能力はまだ完全には検証されていない。課題は、患者の肺リモデリングのレベルと開始時期、およびその原因を決定することである。オートファジーはこのリモデリングにおいて重要な役割を果たしているが、他の要因もある。炎症性疾患や真核細胞の一般的な機能のような大きなプレーヤーとして、オートファジーは、大きな治療ターゲットを提供している。しかし、異なる細胞タイプでオートファジーが果たす役割を決定することは、オートファジーをどのように特異的に標的化するかを理解するための鍵となる。間違った細胞タイプでオートファジーを標的にすると、健康なTreg集団(113)や健康な肺上皮細胞(57)の抑制など、望ましくない炎症を引き起こす可能性がある。特定のタイプの炎症が存在する特定の疾患表現型の標的化のために、特定の標的化剤を探索しなければならない。さらに、最良の臨床転帰を得るためには、疾患の発生段階を考慮することも重要である。実際、喘息患者が病態の開始期か増悪期かに応じて、標的とする特定の細胞型を考慮する必要がある。そして、疾患の発生の速度論は、治療標的を特定するための決定因子であるべきである。興味深いことに、オートファジーを全身的に標的化することで、有用な細胞のごく一部に及ぼす有害な影響を克服できるかもしれないが、この仮説はまだ検証されていない。

オートファジーモジュレーターと肺炎のための潜在的な治療法

オートファジー機能不全は、様々な疾患の発症に関与しており、特にアレルギー性喘息や気道炎症などの発症に関与していることから、近年、オートファジー機構の制御が可能性のあるアプローチとして浮上してきている。オートファジーは、タンパク質のネットワークによって正確に制御されているプロセスである。様々なオートファジー調節剤の中でも、FDAが承認している化合物がいくつかある。その中でもラパマイシンは、mTOR活性を阻害することでオートファジーを誘導することができる抗生物質である。ラパマイシンは、細胞質タンパク質FKBP-12に結合し、mTOR複合体の不安定化を導く(190)。この薬剤は、臓器移植拒絶を防ぐための免疫抑制剤として使用され、オートファジーの強力な誘導剤となり得るが、オートファジー活性化剤としての臨床応用にはさらなる調査が必要である。

トレハロースは、細菌、真菌、植物などの生物に含まれる天然の二糖類であり、オートファジーを誘導することが報告されている。トレハロースは mTOR 非依存性経路を介してオートファジーを誘導することが報告されている(191)。トレハロースが複数の細胞型でヒトサイトメガロウイルス感染を抑制することが以前に確立されている(192)。この結果は、オートファジー誘導剤もまた、選択的な方法でウイルス誘発性肺炎に対する治療オプションとして考慮され得ることを示唆している。SARS-CoV-2感染の初期段階でオートファジーを増加させることは有益である可能性があるので、この文脈でのトレハロースの治療的応用が検討されるべきである。

タモキシフェンは非ステロイド性エストロゲン受容体(ER)拮抗薬であり、乳がんに対する化学療法剤として広く使用されている(193)。タモキシフェン治療はオートファジーを誘導することが知られており(194)、多くの最近の研究では、タモキシフェンには抗ウイルス機能があり、耐性ウイルス感染症に使用すべきであることが示唆されている(195)。興味深いことに、無作為化臨床試験では、抗痙攣薬でありオートファジー誘導薬であるカルバマゼピンが、中等度または重度の気管支喘息の治療において高い効果を示すことが示されている(196)。カルバマゼピンはイノシトール濃度を低下させ(197),mTOR非依存性経路を介して抗菌性オートファジーを誘導することが示されており(198),再利用薬によるオートファジー誘導が喘息の表現型によっては容易に実施可能な可能性を示唆している。また、高血圧の治療薬としてFDAに承認されているクロニジンは、イミダゾリン受容体と結合して活性化し、細胞内のcAMPレベルを低下させ、オートファジーを誘発する(199)。最近、堅牢なオートファジー誘導剤が記述され、報告された(200)。α4ウイルスFas-associated death domain-like interleukin-1b-converting enzyme-inhibitory protein (α4vFLIP)は、細胞侵入のためのtrans-activator of transcription (TAT)に結合し、試験管内試験(in vitro)および生体内試験(in vivo)でオートファジーを有意に増加させることが示されている。オートファジー誘導剤と比較した場合、α4-vFLIPはより特異的で耐久性があり、特にウイルス誘発性肺炎を改善するための抗ウイルス剤として生体内試験(in vivo)で利用される場合には頑健であると考えられている(201)。

一方、いくつかの化学化合物もまた、オートファジーフラックスを阻害することができ、例えば、精神疾患の治療に使用されるFDA承認薬であるクロミプラミンのようなものである。クロミプラミンとその活性代謝物であるデスメチルクロミプラミン(DCMI)は、オートファゴソームマーカーの蓄積を誘導し、オートファジー過程の阻害につながるオートファジーカーゴの分解を阻害した(202)。また、DCMIは細胞毒性が高く、従来の化学療法薬の細胞毒性効果を高めるという特徴がある(203)。

主にマラリアの予防・治療に用いられる薬剤であるクロロキンは、神経毒性や心電図上の患者のQT間隔の変化などの副作用を有しており、これは心臓不整脈に関連している。また、クロロキンは、PPT1を阻害し(204)、エンドソームの酸性化を阻害することで、ウイルスの複製やオートファゴソームのフラックスを阻害する;エンドソームやリソソームに蓄積すると、酸性のpHを必要とするリソソソーム酵素が阻害され、オートファゴソームの融合が阻害される(205)。しかし、クロロキン処理は、ゴルジ体およびエンドリソソームネットワークの乱れを含む複数の細胞変化をもたらす。クロロキン処理のこのような広範な作用範囲は、そのオートファジー阻害作用の探索を困難にしている(205)。したがって、抗ウイルス活性にもかかわらず、おそらくオートファジーの阻害によるものと思われるが、COVID-19患者に対するクロロキン処理は、ほとんどまたは全く有益な影響を及ぼさないことが報告されている(206)。

オートファジーを調節する化合物は他にも様々なものが確立されており、これらの分子の多くが有益な効果を発揮することが示されている。心強い結果が得られた多くの研究があるにもかかわらず、細胞タイプに特異的な治療法はまだ利用できない。特定の細胞集団におけるオートファジーの役割をさらに特徴づけることで、オートファジーを調節することを目的としたより特異的なアプローチを設計することが可能になるかもしれない。

結論

オートファジーは、mTORなどの他の多くの代謝経路と同様に主要な経路であり、細胞機能に大きな役割を果たしている。肺の炎症性コンテクストにおける開始とその後のアレルゲンチャレンジの両方におけるその役割は、完全に調査する必要がある。それは、これらの段階で特定の細胞タイプのオートファジーフラックスの変化の影響を理解することが臨床的に重要である(図3)。異なる細胞タイプに対するオートファジーの影響は不均一であるため、適切な臨床結果を得るためには、オートファジーを細胞特異的に標的化することが目標でなければならない。オートファジーの全身的標的化は特定の喘息表現型に対する治療法であるが、すべての患者にとって理想的な治療法ではない。臨床プロファイルが異なると、異なる治療オプションが必要となり、カスタマイズされた治療アプローチが必要となる。この治療法では、患者の炎症の状況や環境を理解することも重要である。他の喘息治療と同様に、類似点に基づいた患者のクラスタリングが不可欠である。これらの要因には、疾患のステージだけでなく、オートファジーの必要性も含まれている必要がある。したがって、慢性患者を治療する前に、これらの異なる疾患表現型を決定しなければならない。SARS-CoV-2のようなウイルスの発症におけるオートファジーの役割は、治療オプションへの洞察のために、さらに探求されなければならない。オートファジーの調節を標的とした理想的なカスタマイズされた治療法は、細胞特異性と発病の速度論の両方を考慮したものであろう。有望な細胞特異的薬剤の獲得は、それらのオートファジーフラックスを調節するために研究されなければならない。全身的なオートファジー変調は有用であるかもしれないが、理想的には特定の問題のある免疫細胞型の制御は、望ましくない副作用を避けることができるかもしれない。肺炎を有する患者のクラスタリングは、治療の選択肢を指示することができるかもしれない。肺炎と喘息は不均一な疾患であるため、適切なオートファジーモジュレーターを設計するためには、個別化されたクラスター化されたアプローチが解決策となる可能性がある。

 

図3

免疫細胞の種類と肺の炎症に寄与するオートファジーの機能のまとめ。赤線はオートファジーが介在する炎症の増加を示し、黒線はオートファジーが介在する肺リモデリングへの寄与を示す[(23, 25, 27, 30, 37, 41, 57-59, 63, 66, 74, 79, 89, 96, 97, 110, 127), (116, 122, 123, 137, 140, 154)]。

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