Silica-challenged macrophage secretome drives distinct alveolar and bronchial epithelial-fibroblast crosstalk: a multicellular preclinical modelling approach

珪肺症は、砂、石、コンクリートに含まれるものと同じ結晶質シリカの、微細で鋭い粒子を吸い込むことによって引き起こされる、執拗な肺疾患である。これらの粒子が肺の奥深くに沈着すると、体の免疫系はマクロファージと呼ばれる特殊な細胞を送り出し、それらを掃除しようとする。しかし、シリカは消化するには鋭すぎるため、免疫細胞はプロセスの中で死滅してしまう。その結果、慢性的な炎症を引き起こす毒性の化学物質のカクテルが放出される。この持続的な信号により、肺の裏打ちが崩壊し、組織が硬化して線維化と呼ばれる瘢痕組織へと変化する。数十年にわたり、科学者たちは正確にどのようにこの連鎖反応が起こるのか、そしてどのようにそれを止めるのかを理解しようと試みてきたが、その研究方法において困難な選択に直面してきた。プラスチックの皿の上に細胞を平らに広げた従来のラボ実験では、実際の肺組織の複雑な三次元構造を捉えきれないことが多く、一方で動物実験は、解剖学的構造や呼吸パターンの違いにより、人間への転用がうまくいかないことが多い。

この溝を埋めるために、オーストラリアのアスベスト・ダスト病研究所の研究チームは、肺の自然な構造を模倣するように配置されたヒト細胞を用いて、この疾患をモデル化する新しい方法を開発した。細胞を孤立させて観察する代わりに、彼らは細胞による小さな三次元の球体を作り、さらに異なる種類の細胞が互いに接触することなく化学信号を通じてコミュニケーションできるよう、異なる細胞が上下に配置される層状のシステムを作成した。彼らの目的は、シリカによって負荷がかかった免疫細胞から放出される毒性の信号が、肺の裏打ちや、その支持構造を構築する細胞にどのように影響を与えるのか、そして細胞の物理的な配置が結果を左右するのかどうかを見極めることだった。これらの複雑なモデルをより単純な平面モデルと比較することで、研究者たちは、以前は見えなかった疾患の詳細を明らかにすることを期待した。

研究者たちはまず、肺内のマクロファージのように振る舞うよう、特定の種類のヒト免疫細胞を訓練した。彼らはこれらの細胞を2種類の異なるサイズのシリカ粒子に曝露し、粒子が細胞の健康状態にどのような影響を与え、どのような化学物質を放出するかを測定した。その結果、より小さなシリカ粒子の方がより損傷が大きく、免疫細胞が大量の炎症信号を放出させることが分かった。チームは、ストレスを受けたこれらの免疫細胞の周囲にある液体（これには毒性の化学物質のカクテルが含まれている）を回収し、その液体を用いて他のヒト肺細胞を処理した。彼らはこの混合物を、二種類のヒト肺細胞、すなわち酸素交換が行われる微細な肺胞（肺の空気袋）を裏付ける肺胞細胞と、太い気道を裏付ける気管支細胞に対してテストした。そして、これら二種類の細胞を、皿の上の平坦な二次元培養、三次元の球体モデル、そして免疫細胞の上にあるメッシュの上に肺細胞が位置する層状システムの3つの異なるセットアップで観察した。

研究者がこの毒性の免疫信号を平坦な二次元培養に適用した際、二種類の肺細胞の間で明確な差が見られた。肺胞細胞は健康状態が悪化し、時間の経過とともに炎症の兆候を示した。対照的に、気管支細胞は概ね安定しており、数日後には炎症レベルが正常に戻った。しかし、研究者が三次元の球体モデルに移行すると、状況はより複雑かつ啓示的なものとなった。球体内の肺胞細胞は、健康状態の著しい低下と、強く持続的な炎症反応を示した。さらに重要なことに、これらの細胞は「上皮間葉転換」と呼ばれるプロセスを示す兆候を見せ始め、つまり、瘢痕組織を構築する細胞のような挙動をし始めたのである。球体内の気管支細胞もいくつかの変化を示したが、それらはより軽微であり、細胞の物理的な構造というよりも主に遺伝子レベルでの変化であった。

最も衝撃的な結果は、研究者が肺の構造的枠組みを構築する責任を持つ細胞である線維芽細胞を、この混合プロセスに加えた時に現れた。肺細胞と線維芽細胞の両方を含む三次元の球体において、肺胞細胞は強力な反応を駆動した。毒性の免疫信号の存在により、線維芽細胞は高度に活性化し、瘢痕組織を構築するための大量のタンパク質を産生した。これは、肺胞細胞が強力な増幅器として機能し、局所的な免疫反応を広範な線維化反応へと変えていることを示唆している。気管支細胞を組み合わせた場合でも、彼らのパートナーである線維芽細胞は比較的穏やかであり、瘢痕形成タンパク質をわずかに産生するにとどまった。この違いは、関与する肺細胞の種類が、結果として生じる瘢痕の深刻さを決定づけることを浮き彫りにしている。

細胞が接触せずにどのように対話するかをさらに理解するために、チームは肺細胞が線維芽細胞の上にある多孔質の膜の上に位置する層状システムを使用した。このセットアップにより、細胞同士を物理的に分離したまま、化学物質が層間を通過することを可能にした。線維芽細胞は毒性の免疫信号に直接さらされることはなかったが、上の層にある肺細胞が処理されると、線維芽細胞は強く反応した。肺細胞は危険を察知し、独自の信号を放出して下の線維芽細胞へと伝え、組織の再構築を開始するよう指示した。これにより、肺細胞が中間役として機能し、最初の免疫攻撃を、構造細胞に組織の再構築を指示するメッセージへと翻訳していることが確認された。肺胞細胞は気管支細胞よりもはるかに大きなメッセージを送り、線維芽細胞のより積極的な活性化を導いた。

本研究は、珪肺症のような肺疾患を研究する際には、細胞の物理的な配置が極めて重要であると結論づけている。多くの従来の研究で使用されてきた単純な平坦モデルでは、損傷の全容や、異なる肺細胞がどのように相互作用するかという詳細を捉えることができなかった。実物の肺の構造をより反映した三次元モデルを使用することで、研究者たちは、肺胞細胞がシリカ誘発性の損傷に対してはるかに脆弱であり、気管支細胞よりも線維化プロセスを駆動する可能性が高いことを明らかにすることができた。これらの知見は、損傷の発生場所が肺内における疾患の重症度を決定すること、つまり、空気の袋への損傷が瘢痕化の主要な要因であることを示唆している。研究者たちは、これらの複雑なマルチセル（多細胞）モデルが、疾患の進行過程をより明確に捉え、それを阻止する方法を提示する、新しい治療法をテストするためのより正確なプラットフォームを提供すると提案している。