In SARS-CoV-2, astrocytes are in it for the long haul （論文の翻訳）
SARS-CoV-2感染による最も悲惨な結末は、初感染時には現れず、後に現れ、神経機能の低下と不釣り合いに関連する。中枢神経系（CNS）の合併症は、急性期の後に現れることが多いが、後に持続して顕著になり、数週間から数ヵ月続く（すなわち、ロングCOVID）。実際、COVID-19に伴う重篤な神経疾患は急性期にはまれであるが(1, 2)、COVID-19生存者の7.3～33.62％がロングCOVIDを経験し(3, 4)、頭痛、疲労、無嗅覚症、認知障害、うつ病など、多様な神経学的・精神神経学的合併症を伴う。さらに、COVID-19生存者では、大脳皮質のいくつかの領域における灰白質の消失など、驚くべき脳の病理学的変化が確認されている(5)。重要な疑問の一つは、SARS-CoV-2が脳細胞に直接感染するかどうかである。これに対処するため、Andrewsら(6)はCNSにおける感染の一次根源を調査し、SARS-CoV-2が非正規のメカニズムによって脳のアストロサイトに優先的に感染するという証拠を提示した。このことは、ロングCOVIDに伴う神経症状が、神経炎症の亢進と非自律的な神経細胞死から間接的に生じていることを示している。
SARS-CoV-2が中枢神経系に及ぼす影響を理解する上で最も重要なことは、どの細胞がこのウイルスの影響を受けるのか、そしてその影響が直接的なものなのか間接的なものなのかを区別することである。CNSの症状が複雑で多様であることを考えると、健康への影響が神経系への直接的な感染から生じているのか、それとも下流の神経炎症反応を引き起こすような間接的な低酸素症、凝固障害、全身性炎症から生じているのかを見極めることが不可欠である。このような問題に対処するためには、どの中枢神経系集団がウイルスに直接感染するかを明らかにすることが重要である。現在までのところ、SARS-CoV-2感染の推測は、死後組織の検査によるところが大きい。SARS-CoV-2が神経組織に感染し、複製するウイルスの能力を指す神経向性は、依然として不明である。最近では、ヒト多能性幹細胞（hPSC）ベースのモデルを用いて、さまざまな脳細胞型に対するSARS-CoV-2の神経向性を調べ、治療標的の大規模スクリーニングを行う便利なツールが開発されている(7)。興味深いことに、神経-血管周囲オルガノイドを用いた研究では、血管ユニット内のペリサイトがSARS-CoV-2の脳への侵入とアストロサイトへの拡散を媒介する可能性が同定された(8)。PNAS誌でAndrewsら（6）は、hPSC由来の大脳皮質オルガノイドと、発達期および成人期のヒト大脳皮質初代組織を用いて、SARS-CoV-2の神経向性についてさらに調べた（図1）。先の報告を補強するように、SARS-CoV-2はアストロサイト、特に感染した血管系に隣接するアストロサイトに優先的に感染し、複製・伝播することがわかった。注目すべきことに、SARS-CoV-2に対するアストロサイトのこの脆弱性は、発達期だけでなく成人期にも存在する。対照的に、ニューロンとミクログリアは直接感染する可能性は低い。重要なことは、ミクログリアとアストロサイトの両方が再活性化される一方で、SARS-CoV-2の直接的な投与量感受性効果は反応性アストロサイトにおいてのみ観察されるということである。
図１
アストロサイトは脳におけるSARS-CoV-2の主要な標的である。SARS-CoV-2は大脳皮質の初代およびオルガノイド皮質培養において、神経細胞よりもアストロサイトに優先的に感染し、アストロサイトの再活性化と非細胞性の自律神経細胞死をもたらすことが示されている。さらに、BSG/CD147とDPP4は、大脳皮質アストロサイトにおけるSARS-CoV-2感染の主要な分子メディエーターであることがわかった。略語 BBB、血液脳関門、CSF、脳脊髄液、CVO、脳室周囲臓器。
多くの研究から、SARS-CoV-2が細胞内に侵入する際、その義務的レセプターに依存していることが示唆されている(9)。正規のSARS-CoV-2レセプターであるアンジオテンシン変換酵素2（ACE2）は、鼻上皮細胞、内皮細胞、周皮細胞（ペリサイト）など多くの細胞種でSARS-CoV-2の主要な侵入レセプターである（10）。しかし、大脳皮質アストロサイトでは、感染前後を問わずACE2の発現は検出されない。ACE2でないとすれば、皮質アストロサイトにおけるSARS-CoV-2感染を媒介する分子メカニズムは何であろうか？Andrewsら（6）は、野生型SARS-CoV-2の膜貫通セリンプロテアーゼ2（TMPRSS2）を介した侵入を促進する宿主因子であるニューロピリン1（NRP1）の発現を最初に調べた（11）。しかし、NRP1はACE2と同様、感染した皮質細胞では検出されなかった。受容体のバシギン（BSG/CD147）は、周皮細胞（ペリサイト）やアストロサイトでSARS-CoV-2プロテアーゼであるフリン（FURIN）やカテプシンB（CTSB）と豊富に共発現しており、SARS-CoV-2侵入の代替ルートを示している(12)。さらに、中東呼吸器症候群関連コロナウイルスの主要なレセプターであるジペプチジルペプチダーゼ4（DPP4）は、SARS-CoV-2の結合標的であることが示唆されている（13）。PNASにおいて、Andrewsら(6)はDPP4とBSG/CD147がアストロサイトにおけるSARS-CoV-2感染を媒介できることを示した。具体的には、BSG/CD147のノックダウンやDPP4阻害剤（ビルダグリプチン）による治療はSARS-CoV-2感染を有意に減少させるが、逆にBSG/CD147やDPP4を過剰発現させるとin vitroでの感染を増加させる。DPP4の過剰発現では二本鎖RNA（dsRNA）+細胞とN+細胞の両方が増加するが、BSG/CD147の過剰発現ではdsRNA+細胞のみが増加する。これらの結果を総合すると、SARS-CoV-2の神経向性に関わる分子メカニズムは、SARS-CoV-2の侵入を促進し、複製に重要なDPP4とBSG/CD147がそれぞれ介在している可能性が高いことが示唆される。
SARS-CoV-2が大脳皮質アストロサイトに感染した場合、機能的にはどのような影響があるのだろうか？まず、Andrewsら（6）は、感染したアストロサイトが反応性と細胞ストレスの増加を示すことを発見した。さらに、SARS-CoV-2感染培養では、反応性ミクログリアの増加や、アポトーシスによるニューロンの全体的な減少など、非細胞自律的な炎症作用が認められる。研究により、アストロサイトは脳のエネルギー、代謝、微小環境の制御において重要な支持細胞であることが示唆されている(14)。興味深いことに、BSG/CD147はアストロサイトの代謝経路の重要な部分でもあり、ニューロンにエネルギーサポートを提供している(15)。したがって、アストロサイトにおけるSARS-CoV-2感染は、炎症と脳エネルギー代謝の機能障害を通じて間接的に神経細胞死を引き起こす可能性がある。
要約すると、Andrewsら(6)は、SARS-CoV-2がDPP4とBSG/CD147を介して脳のアストロサイトに感染し、炎症の増加と神経細胞死を引き起こすことを発見した。
脳におけるSARS-CoV-2感染の検出を報告した剖検研究はほとんどないが、COVID-19で死亡した26人の死後脳を分析したブラジルのプレプリントの著者は、そのうちの5人が遺伝的ウイルス成分を持ち、脳内にSARS-CoV-2スパイクタンパク質を持つことを発見した(16)。さらに、これらのSARS-CoV-2スパイク＋細胞の大部分（65.93％）はアストロサイトであり（16）、アストロサイトが脳内の主な標的細胞タイプであることが示唆された。
脳の免疫特権状態を回避して、SARS-CoV-2の神経侵入経路として考えられるのは、嗅覚系、脳神経、機能不全に陥った血液脳／脳脊髄液関門、および脳室周囲臓器である(10, 17)。アストロサイトに感染する際、おそらくウイルスは脳血管系を循環し、ペリサイトに感染し、その終足からアストロサイトに広がる。アストロサイトに感染すると、アストロサイトの代謝恒常性の機能障害が起こり、神経炎症が促進され、間接的にニューロンのエネルギー供給に影響を及ぼす。これらはCOVID-19に関連した中枢神経系合併症の一因となる可能性がある。より重篤な神経症状や精神神経症状は、病因、炎症、エネルギー欠乏に対してより脆弱な脳領域における神経細胞死やシナプス喪失から生じる可能性がある。
中枢神経系合併症は個人によって多様であり、ウイルス感染はダイナミックなプロセスであるため、より多くの臨床サンプルを用いて、異なる脳領域におけるウイルス量、神経免疫応答レベル、中枢神経系症状の相関関係をさらに調査することが重要である。さらに、異なるSARS-CoV-2変異体の脳細胞タイプへの感染能力を比較し、CNS症状との相関を理解することも重要である。
COVID-19患者の脳アストロサイトへのSARS-CoV-2感染が、観察された神経機能障害の近因であるとすれば、感染前のウイルス侵入を防ぐ方法と、感染後に続くCNS症状を緩和する手段が問題となる。考えられる戦略としては、周皮細胞やアストロサイトにおけるウイルス感染や複製の阻止、神経炎症を抑える介入などがあるが、これらに限定されるものではない。症状を緩和するために、脳の恒常性を回復させる手段として、脳への代謝エネルギーを増強するアプローチも有望であろう。脳オルガノイドは、まだ脳内の細胞や部位の多様性を完全に再現したものではないが、ウイルストロピズムのメカニズムを理解し、治療標的をスクリーニングするための強力なツールである。臨床観察、ヒト組織のin vitro使用、オルガノイド培養の組み合わせは、ヒトにおけるCOVID-19病態の理解を深め、SARS-CoV-2感染に対する治療法の開発を促進するのに役立つであろう。