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米国：若年者における鼻上皮のトランスクリプトミクスプロファイルと喘息エンドタイプ

Makisey

Tヘルパー2（T2）高発現型、Tヘルパー17（T17）高発現型、およびT2低発現/T17低発現型という3つの相互排他的な喘息エンドタイプ

それは明らかになってきているようだが・・・

Yue, Molin, Kristina Gaietto, Yueh Ying Han, Franziska J. Rosser, Zhongli Xu, Christopher Qoyawayma, Edna Acosta-Perez, ほか. 「Transcriptomic Profiles in Nasal Epithelium and Asthma Endotypes in Youth」. JAMA, 2025年1月2日. https://doi.org/10.1001/jama.2024.22684.

重要なポイント

質問
鼻上皮の遺伝子発現を使用して、6歳から20歳までの若年者における喘息のエンドタイプを特定できるか。また、どのエンドタイプが最も一般的であるか。

発見
主に人種的および民族的に少数派の若年者を対象とした3つの研究で、鼻上皮の8つのシグネチャー遺伝子のクラスター分析を行った結果、Tヘルパー2（T2）高発現型、Tヘルパー17（T17）高発現型、およびT2低発現/T17低発現型という3つの相互排他的な喘息エンドタイプが特定された。この3つのエンドタイプは、人種構成や地理的な違いがあるにもかかわらず、各研究で類似した割合で見られた。T2高発現型は、3つの研究すべてで最も少ない喘息サブタイプであった（23%-29%）。

意義
鼻のトランスクリプトミクスプロファイルは、プエルトリコ系およびアフリカ系アメリカ人の若年者を中心にした3つの研究で類似しており、主にT2低発現型の喘息エンドタイプが明らかとなった。


T2^{HIGH}およびT17^{HIGH}プロファイルにおける遺伝子発現変化の規模、方向、および有意性
A: 3つの研究（STAR, n=76; EVA-PR, n=114; VDKA, n=27）のメタ解析で、T2^{LOW}/T17^{LOW}プロファイルのコンセンサスに属する個体と比較した際の、T2^{HIGH}プロファイルのコンセンサスに属する個体における差次的発現遺伝子（DEGs）を含む。
B: 同じく3つの研究（STAR, n=93; EVA-PR, n=121; VDKA, n=40）のメタ解析で、T2^{LOW}/T17^{LOW}プロファイルと比較した際の、T17^{HIGH}プロファイルのコンセンサスに属する個体におけるDEGsを含む。 火山図の説明 火山図は、−log10（生のP値）を縦軸に、log2フォールド変化を横軸にプロットしている。
−log10 P値: 差次的発現解析における生のP値の対数（底10）を示し、P値が小さい遺伝子（強い差次的効果を示す）は図の上部に位置する。
log2フォールド変化: 2つのグループ間での遺伝子発現レベルの変化率を示す。例えば、T2^{HIGH}/T17^{LOW}グループとT2^{LOW}/T17^{LOW}グループにおける遺伝子発現レベルの比率を2を底とする対数で表す。
色分けの意味
赤: |log2フォールド変化|が1を超え、FDR補正P値が0.01未満の遺伝子。
青: FDR補正P値が0.01未満だが、フォールド変化が閾値以下の遺伝子。
緑: |log2フォールド変化|が1を超えるが、FDR補正P値が有意水準を下回る遺伝子。
略語 DEGs: 差次的発現遺伝子。 EVA-PR: プエルトリコ人小児におけるエピジェネティック変異と喘息研究。
STAR: プエルトリコ系およびアフリカ系アメリカ人の喘息におけるストレスと治療反応研究。 VDKA: 小児喘息におけるビタミンD研究。

要旨

重要性

Tヘルパー2（T2）細胞とTヘルパー17（T17）細胞は、喘息に関連するCD4+T細胞のサブタイプである。これらの細胞タイプに基づいた喘息エンドタイプの特性を多様なグループで明らかにすることは、若年者の喘息に対する効果的な治療法を開発する上で重要である。

目的

6歳から20歳の学齢期の若年者を対象に、鼻上皮のトランスクリプトミクスプロファイルを解析することで、喘息のエンドタイプを特定し、その分布と特徴を調査する。

デザイン、設定、および参加者

以下の3つの研究に参加した6歳から20歳の喘息患者を対象にした横断的解析である：

  1. プエルトリコ系およびアフリカ系アメリカ人喘息児のストレスと治療反応（STAR; N = 156）

  2. プエルトリコ系の喘息とエピジェネティクスの変異（EVA-PR; N = 237）

  3. ビタミンDと喘息に関する研究（VDKA; N = 66）

主な評価項目

鼻上皮におけるT2およびT17経路の3つの遺伝子と5つの遺伝子のトランスクリプトミクスプロファイル。臨床的特徴、総IgEおよびアレルゲン特異的IgE、血中好酸球数、肺機能を各プロファイル間で比較。

結果

  • 平均年齢はSTARが14.2歳、EVA-PRが15.4歳、VDKAが10.3歳。女性参加者の割合は41%-53.2%。

  • 主な人種・民族は、EVA-PRがプエルトリコ系（100%）、STARとVDKAがアフリカ系アメリカ人（それぞれ71.8%、57.6%）。

  • 3つのプロファイルが特定された：T2高発現（T2HIGH）、T17高発現（T17HIGH）、T2低発現/T17低発現（T2LOW/T17LOW）。

    • 各プロファイルの分布：T2HIGHは23%-29%、T17HIGHは35%-47%、T2LOW/T17LOWは30%-38%。

    • T2HIGHプロファイルでは、総IgE値と血中好酸球数の中央値がT2LOWプロファイルより高かった（IgE：584-869 vs 105-382 IU/mL、好酸球：343-560 vs 164-413 cells/mL）。

    • すべてのプロファイルで、少なくとも50%の参加者が1つ以上のアレルゲン特異的IgE陽性であった。

  • 遺伝子発現メタ解析により、T2HIGHとT17HIGHプロファイルでそれぞれ3516個と2494個の差次的に発現する遺伝子が同定された。T17HIGHプロファイルはインターロイキン17と好中球シグナル伝達経路、T2HIGHプロファイルはインターロイキン13シグナル伝達経路と関連していた。

結論と意義

T2高発現型、T17高発現型、T2低発現/T17低発現型の鼻トランスクリプトミクスプロファイルは、人種的および民族的少数派の若年者を対象とした3つの研究で類似した割合で見られた。ほとんどの参加者はT2低発現型の喘息エンドタイプであり、これらのエンドタイプにおいて1つ以上のアレルゲンに感作されていることが一般的であった。


序文：

  • 喘息は世界中の子どもに最も一般的な慢性呼吸器疾患である。米国では、プエルトリコ系（23.5%）および非ヒスパニック系黒人（26.6%）の子どもたちが、非ヒスパニック系白人（12.1%）と比較して喘息による救急外来や緊急ケアを受ける割合が高い。

  • 喘息は多様性のある疾患であり、成人の気管支上皮での遺伝子発現研究により、分子的メカニズムやエンドタイプが特定されている。

  • T2-high喘息は、インターロイキン（IL-4、IL-5、IL-13）などのT2サイトカインや総IgE、気道好酸球の高値を特徴とし、現在利用可能な単クローン抗体治療薬がT2バイオマーカー（血中好酸球数や総IgE値）を基に選択されている。

  • T2-low喘息は十分に研究されておらず、T17-high喘息やT2-low/T17-low喘息が含まれる。T17-high喘息は好中球性気道炎症や血清中のIL-17およびIL-22の高値を特徴とする一方、T2-low/T17-low喘息（無顆粒球性喘息）は好酸球性または好中球性炎症が見られず、メカニズムがほとんど理解されていない。

  • 喘息にアトピー性（1つ以上のアレルゲンに感作）が伴う場合、T2-high喘息と同一視されることが多く、これが最も一般的な喘息エンドタイプと考えられてきたが、近年の疫学研究やバイオマーカー分析によりこの仮説に疑問が呈されている。

  • 主に非ヒスパニック系白人成人を対象とした気管支上皮遺伝子発現研究では、T2遺伝子の発現が上昇している個人は14%から27%に過ぎないと報告されている。

  • 若年者の喘息エンドタイプの頻度に関する研究は少なく、気管支鏡検査が困難であることが理由とされている。鼻上皮のサンプリングは、安全性や実施可能性、そして鼻と気管支上皮の発現相関が高いことから、有望な代替手法と考えられている。

  • 最近の成人の気管支上皮トランスクリプトミクス研究に基づき、本研究では、喘息の負担が高い人種的および民族的少数派の若年者では、T2-low喘息エンドタイプがT2-high喘息エンドタイプよりも一般的であると仮定した。

  • この仮説を検証するため、本研究では、主にプエルトリコ系および黒人の若年者を対象とした3つの研究で、8つのT2およびT17シグネチャー遺伝子の鼻上皮発現を解析し、喘息エンドタイプのトランスクリプトミクスプロファイルとその関連特性を特定した。

研究方法

研究対象と手法

  • STAR研究

    • プエルトリコ系およびアフリカ系アメリカ人の8～20歳の喘息患者を対象とした6週間の吸入ステロイド（ICS）反応性の研究。

    • プエルトリコ大学メディカルセンターとピッツバーグのUPMC小児病院で実施。

    • 基準：軽度から中等度の持続性喘息診断、4週間以上のステロイドや喫煙歴なし、URI（上気道感染症）なし。

    • ベースラインと6週間後にスパイロメトリー、FeNO測定、鼻上皮サンプル採取を実施。

  • EVA-PR研究

    • プエルトリコ系9～20歳の喘息患者を対象とした症例対照研究。

    • プエルトリコのサンフアンとカグアスで実施。

    • 基準：軽度から中等度の喘息、ステロイドやURIの使用歴なし。

    • STAR研究と同様の手法でサンプル採取と解析を実施。

  • VDKA研究

    • 6～16歳の喘息患者を対象としたビタミンD3投与による喘息増悪防止の48週間の多施設無作為化二重盲検試験。

    • ピッツバーグで鼻サンプル採取を実施する副次研究。

    • 基準：軽度喘息、前年に喘息増悪歴あり、血清ビタミンD濃度30ng/mL未満。

    • STAR研究と同様の手法でサンプル採取と解析を実施。

解析と手法

  • 遺伝子発現解析

    • T2（IL-13誘導性）遺伝子3つとT17（IL-17誘導性）遺伝子5つを選定。

    • RNAシークエンスデータを正規化し、対数変換（log2）を適用。

    • クラスター分析（k-meansクラスタリング）により、T2HIGH、T17HIGH、T2LOW/T17LOWの3つのプロファイルを同定。

  • プロファイルのバリデーション

    • 階層型クラスタリング、k-medoid、ガウス混合モデル、スペクトルクラスタリングを使用してプロファイルの一貫性を確認。

    • 5つのアプローチで一致したプロファイルを「コンセンサスプロファイル」として定義。

  • 統計解析

    • 各プロファイル間での人口統計、臨床特性、バイオマーカー、肺機能を比較（ANOVA、Kruskal-Wallis、χ2検定を使用）。

    • STARではICS反応性（FEV1の5%以上の増加）で参加者を比較。

  • バイオマーカー予測能力の評価

    • FeNO、総IgE、好酸球数を用いたROC解析。

    • 決定木機械学習法を使用し、STARで開発したモデルをEVA-PRとVDKAに適用。

  • 生物学的妥当性の検証

    • 負の二項回帰モデルによる差次的遺伝子発現メタ解析。

    • 差次的に発現した遺伝子に基づき、T2HIGHおよびT17HIGHプロファイルの経路解析を実施。

    • 重み付け遺伝子共発現ネットワーク解析を用いて遺伝子モジュールを特定し、遺伝子オントロジー解析を実施。

  • 解析ツールと報告

    • すべての解析はRバージョン4.3.0で実施。

    • STROBE報告ガイドラインに従って報告。

結果

研究対象の特性

  • 参加者分布

    • STAR: プエルトリコ系およびアフリカ系アメリカ人、156名。

    • EVA-PR: プエルトリコ系、237名。

    • VDKA: アフリカ系アメリカ人を含む多様な人種、66名。

  • 年齢

    • 平均年齢: VDKA（10.3歳） < STAR（14.2歳） < EVA-PR（15.4歳）。

  • 女性参加者の割合

    • STAR: 53.2%、EVA-PR: 43%、VDKA: 41%。

  • 過体重・肥満

    • STAR: 65.4%、EVA-PR: 45.6%、VDKA: 56.1%。

プロファイル解析

  • k-meansクラスタリングにより3つのプロファイルを特定：

    • T2HIGH（T2遺伝子発現上昇）：STAR 25.6%、EVA-PR 29.1%、VDKA 22.7%。

    • T17HIGH（T17遺伝子発現上昇）：STAR 36.5%、EVA-PR 35.0%、VDKA 47.0%。

    • T2LOW/T17LOW（発現上昇なし）：STAR 37.8%、EVA-PR 35.9%、VDKA 30.3%。

  • 感度解析でも結果は類似。

T2HIGHとT17HIGHプロファイルの特性

  • T2HIGH:

    • プエルトリコ系が多く、アレルギー性鼻炎の診断率が高い。

    • 総IgEと好酸球数が他のプロファイルより高い（P < .001）。

    • アレルゲン特異的IgE陽性率が高い（STAR 91.9%、EVA-PR 95.5%、VDKA 66.7%）。

    • STARではFeNOが高値（P < .001）。

  • T17HIGH:

    • STARとVDKAでは、T2LOW/T17LOWプロファイルより若年層に多い。

    • STARでは、アフリカ系アメリカ人が81.9%を占めるT2LOWプロファイルと比較して、若年層が多い。

バイオマーカー解析

  • カットオフ値（Youden Indexによる）:

    • 総IgE: 417.5 IU/mL。

    • 好酸球数: 210.4 cells/μL。

    • FeNO: 32.5 ppb。

  • 予測精度:

    • STAR: 総IgE 84%、好酸球 69%、FeNO 75%。

    • EVA-PR: 総IgE 70%、好酸球 61%、予測FeNO 77%。

    • VDKA: 総IgE 58%、好酸球 48%、予測FeNO 79%。

遺伝子発現と経路解析

  • 差次的遺伝子発現解析でT2HIGHプロファイルに3516個、T17HIGHプロファイルに2494個の遺伝子を特定。

  • 経路解析：

    • T2HIGH: IL-13シグナル伝達、糖タンパク関連経路が上昇。

    • T17HIGH: ウイルス応答、サイトカイン応答、インターフェロン-γ関連経路が上昇。

遺伝子モジュールとオントロジー解析

  • T2HIGHプロファイルで、明るい黄色、白色、暗い緑色モジュールが高い正の相関を示す（相関係数0.73、0.53、0.34）。

  • T17HIGHプロファイルでは、緑色と暗赤色モジュールが高い正の相関を示す。

  • 遺伝子オントロジー解析では、T2HIGHでIL-13関連経路が、T17HIGHでウイルス応答およびインターフェロン経路が強調される。

Discussion


主要な研究成果

  • T2-high喘息の再評価

    • 従来、6～20歳の学齢期において、喘息にアトピー性（アレルゲン感作）が多いことからT2-high喘息が最も一般的とされてきた。

    • 本研究では、T2-low喘息（T17HIGHおよびT2LOW/T17LOWのプロファイルを含む）がT2HIGHプロファイルよりも多いことを示した。

  • 先行研究との違い

    • 以前の研究では成人やステロイド使用者が対象だったのに対し、本研究では少なくとも4週間以上システム性ステロイドを使用しておらず、VDKA以外の参加者の96%以上は鼻腔内ステロイドも使用していなかった。

    • T2遺伝子だけでなく、T17遺伝子も解析対象とした。

  • アトピー性（感作）の頻度

    • T2LOWプロファイルでも1つ以上のアレルゲン感作を持つ参加者が多いことを確認。

    • 世界的な研究では、喘息患者におけるアトピー性の頻度は地域により2%～40%と異なる。

    • ドイツの研究ではアトピーと好酸球増加を基に喘息を4つのクラスターに分類し、アトピーのみの群にもT2-low喘息が含まれる可能性を示唆。

  • バイオマーカーの精度

    • 単一のバイオマーカーではT2-high喘息を正確に定義できない。

    • 本研究では、総IgEが418 IU/mL以上、FeNOが28 ppb以上の場合にT2HIGHプロファイルを高精度（77%-88%）で予測するツールを開発。

  • T17-high喘息の治療可能性

    • T17経路遮断薬の試験はこれまで限定的な成果しか得られていない。

    • 本研究で同定された遺伝子（FPR1、TREM1、IL23Aなど）は、T17-high喘息の新たな治療ターゲットになる可能性がある。

臨床的意義

  • 鼻トランスクリプトミクスプロファイルは、特に人種的および民族的少数派の若年者におけるT17-high喘息治療のエンドタイプ特化試験を可能にする。

  • 拡張されたT2およびT17トランスクリプトミクスシグネチャーは、精密なバイオマーカープロファイルや治療法の開発に役立つリソースを提供。

研究の限界

  1. 喘息エンドタイプを定義する基準が確立されていない。

  2. トランスクリプトミクスプロファイルの割り当ては単一の測定に基づいており、時間経過でエンドタイプが変化する可能性がある。

  3. 鼻上皮のトランスクリプトミクスは気管支上皮を完全には反映しない可能性がある。

  4. 参加者は主にプエルトリコ系と黒人であり、他の人種や民族に一般化できない場合がある。

4o


T2-lowプロファイルとT2HIGHプロファイルの違い

T2-lowプロファイル

  • 特性

    • T2遺伝子（例: IL-4, IL-5, IL-13）の発現が低い。

    • 好酸球性炎症やIgEの上昇が少なく、T2炎症マーカーの値が低い。

    • 多くの場合、T17遺伝子（例: IL-17, IL-22）の発現が高い（T17HIGH）か、T17遺伝子の発現も低い（T2LOW/T17LOW）。

    • アレルゲン特異的IgE感作（アトピー性）は見られることがあるが、必ずしも高いIgEや好酸球の特徴を持つわけではない。

    • 非好酸球性（例: 好中球性または無顆粒球性）の気道炎症が主に関連。

  • 臨床的課題

    • T2-high喘息に効果的な治療（例: 抗IL-4, 抗IL-5, 抗IL-13抗体）があまり効果を示さない。

    • 炎症機構が不明な部分が多く、治療が確立されていない。

T2HIGHプロファイル

  • 特性

    • T2遺伝子（IL-4, IL-5, IL-13）の発現が高い。

    • 高いIgE値や好酸球性炎症が特徴的。

    • 気道の好酸球浸潤や分泌物増加が見られる。

    • アレルゲン特異的IgE感作（アトピー性）が一般的に高い。

    • FeNO（呼気一酸化窒素）が上昇することが多い。

  • 臨床的特徴

    • 抗IL-4、抗IL-5、抗IL-13の単クローン抗体治療が効果的。

    • 重症喘息患者に多く見られる。

T2-low喘息とT2-high喘息の関連性

共通点

  • 両方とも気道の慢性炎症性疾患であり、喘息のエンドタイプとして認識される。

  • アトピー性を示す場合があるが、T2-high喘息ではアトピー性が主要な特徴なのに対し、T2-low喘息では必ずしもそうではない。

  • 両方とも臨床的に喘息症状（咳、喘鳴、気道過敏性）を示す。

相違点

  1. 炎症メカニズム

    • T2-high喘息: T2細胞（IL-4, IL-5, IL-13）の過剰応答が中心。

    • T2-low喘息: T17細胞（IL-17, IL-22）の関与や好中球性炎症、または顕著な炎症が見られない（T2LOW/T17LOW）。

  2. 治療への反応

    • T2-high喘息: 抗IL-4、抗IL-5、抗IL-13などの治療薬が有効。

    • T2-low喘息: 現在の治療薬が十分に効果を示さないことが多い。

  3. 頻度

    • T2-high喘息は過去に最も一般的とされてきたが、本研究ではT2-low喘息が若年者においてより頻繁に見られることが示唆されている。

  4. バイオマーカー

    • T2-high喘息: 高IgE、好酸球増加、FeNO上昇が特徴的。

    • T2-low喘息: これらのマーカーが低値または正常範囲。

Perplexityによる日本での検討の確認

利用可能な検索結果によれば、日本における喘息のトランスクリプトミクスプロファイル、特に若年者を対象とした研究は限定的である。ただし、日本の喘息研究および一般的なトランスクリプトミクス解析に関するいくつかの関連研究や知見が以下のように示されている：

  1. 日本全国のコホート研究
    日本では喘息患者のフェノタイプを分類し、これらのフェノタイプを分類するための潜在的なバイオマーカーを特定するための全国的なコホート研究が実施されている[5]。この研究ではトランスクリプトミクスについて明確には言及されていないが、日本における喘息のサブタイプ理解に向けた取り組みを示している。

  2. 小児喘息のトランスクリプトーム解析
    制御された喘息および治療抵抗性小児喘息に関するトランスクリプトーム解析が行われ、異なる遺伝子発現プロファイルが明らかにされた[4]。この研究は日本に特化したものではないが、小児喘息研究におけるトランスクリプトミクスの関連性を強調している。

  3. シングルセルRNAシーケンシング
    アレルギー性疾患の分子病態を詳細に理解するために、喘息研究でシングルセルRNAシーケンシングが重要性を増している[3]。この技術は、若年日本人集団を含む日本の喘息研究に適用される可能性がある。

  4. 気道トランスクリプトームネットワークに関する研究
    頻繁な喘息悪化の感受性に関連する気道トランスクリプトームネットワークを特定する研究が行われた[6]。これは日本や若年者に特化したものではないが、喘息のフェノタイプやリスク要因の理解におけるトランスクリプトミクス解析の価値を示している。

これらの研究は喘息研究およびトランスクリプトミクスに関する貴重な知見を提供する一方で、日本の若年者における喘息のトランスクリプトミクスプロファイルを特定的に扱った文献にはギャップが存在する。この分野でのさらなる研究は、喘息の病態発生や、この集団に特化した治療戦略に関する重要な洞察をもたらす可能性がある。

引用文献:
[1] https://www.nature.com/articles/s41467-022-28973-7
[2] https://www.nature.com/articles/s42003-024-05837-y
[3] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39384073/
[4] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25863981/
[5] https://www.jstage.jst.go.jp/article/allergolint/72/1/72_63/_article/-char/ja/
[6] https://www.jacionline.org/article/S0091-6749(23)00292-0/fulltext
[7] https://www.frontiersin.org/journals/immunology/articles/10.3389/fimmu.2022.988573/epub
[8] https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/02770903.2021.1945088




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