特発性肺線維症（IPF）：ATII細胞サブタイプ、ATII-CCL20
特発性肺線維症においてspecial alveolar type 2 cell subtype characterized by high expression of CCL20 (referred to as ATII-CCL20)が重要な役割を果たしている、キープレイヤー発見ということ
Xu, Fei, Yun Tong, Wenjun Yang, Yiyang Cai, Meini Yu, Lei LiuとQingkang Meng. 「Identifying a survival-associated cell type based on multi-level transcriptome analysis in idiopathic pulmonary fibrosis」. Respiratory Research 25, no. 1 (2024年3月15日): 126. https://doi.org/10.1186/s12931-024-02738-w .
背景
特発性肺線維症（IPF）は、5年生存率が40%未満の進行性の疾患です。IPF患者の生存期間には大きな変動がありますが、その根底にあるメカニズムはまだ明らかではありません。
方法と結果
私たちは、32人のIPF患者から採取した13,223個の上皮細胞の単一細胞RNAシークエンスデータと、GEOの456人のIPF患者からのバルクRNAシークエンスデータを収集しました。単一細胞レベルでの教師なしクラスタリング分析と、バルクRNAシークエンスデータでのデコンボリューションアルゴリズムに基づき、CCL20の高発現を特徴とする特別な肺胞型2細胞サブタイプ（ATII-CCL20として言及）を発見し、ATII-CCL20の比率が高いIPF患者は予後が悪化することを見出しました。さらに、ATII-CCL20の比率が高いIPF患者では、免疫細胞の浸潤と代謝機能のアップレギュレーションが明らかになりました。最終的に、IPF患者のリスク層別化を最適化し、正確な予後評価の参考とするために、包括的な決定木とノモグラムが構築されました。
結論
私たちの研究は、IPF患者からの単一細胞およびバルクRNAシークエンスデータを統合することで、IPF患者において不良な予後と関連するリスク細胞サブタイプである特別なATII細胞サブタイプ、ATII-CCL20を同定しました。より重要なことに、ATII-CCL20細胞サブタイプは、代謝機能と免疫浸潤と関連していました。
序文、箇条書き要約
特発性肺線維症（IPF）は、重篤な慢性間質性肺疾患です。IPF患者の予後は不良で、診断後2～3年以内に大半の患者が死亡し、5年生存率は40%未満です。
IPF患者は、肺胞構造の破壊、肺機能の低下、ガス交換の中断、呼吸不全、最終的には死に至る経験があります。
IPFの進行に影響を与える因子はまだ明らかではありません。現在、IPFの進行を遅らせるために用いられる薬は、ニンテダニブとピルフェニドンの2種類だけですが、これらの薬の投与は疾患の重症度や個々の分子、遺伝、ゲノムの変異にはほとんど考慮されていません。
IPF患者の臨床進行は異質であり、急速に進行し予後が悪くなる患者もいれば、ほとんど悪化しない患者もいます。これらの進行の違いの理由はまだ明らかではありません。
肺上皮細胞はIPFの病態形成において重要な役割を果たします。単一細胞RNAシークエンシング（scRNA-seq）技術とバルクRNAシークエンシング（bulk RNA-seq）技術の組み合わせにより、IPFの発達の動的プロセス、IPF患者の予後に影響を与える生物学的因子のより正確な同定、および臨床治療の発展が促進されます。
臨床および実験的証拠は、IPFが上皮細胞駆動の障害であることを示しています。未知の上皮細胞サブタイプがIPF患者の生存に影響を与える可能性があるという仮説のもと、特別なATII細胞サブタイプ、ATII-CCL20を発見しました。これは代謝および免疫関連遺伝子の異常な発現を特徴とします。
ATII-CCL20の比率が高いIPF患者は、複数のデータセットで有意に生存率が悪化しています。この研究は、リスク細胞サブタイプATII-CCL20を明らかにし、IPFにおけるその機能的変化を解明しています。
さらに、IPF患者のリスク層別化を最適化し、IPF患者の正確な予後評価のための参考となる包括的な決定木およびノモグラムモデルを生成しました。これは、IPF患者の治療の新たな方向性を提供します。
Discussion要約
IPFは予後が悪く、臨床進行が異なる希少な線維化肺疾患です。遺伝学的研究により、肺上皮細胞の変化がIPFの発生と発展の基盤であることが示されました。
この研究では、IPF患者からのバルクRNA-seqデータとscRNA-seqデータを統合したトランスクリプトームフレームワークを利用しました。このアプローチを通じて、IPF患者の生存率が悪いことと関連する細胞サブタイプ、ATII-CCL20を特定しました。
ATII-CCL20は高度に分化した上皮細胞サブタイプであり、リポ蛋白質代謝のレベルが他のATII細胞よりも著しく低いことがわかりました。ATII-CCL20の比率が高いIPF患者は、炎症反応と代謝障害を経験する可能性が高くなります。
この研究では、ATII-CCL20の比率と臨床指標に基づく予後モデルを構築し、IPF患者の生存時間を予測することができました。これは個別化管理に重要な意味を持ちます。
ATII細胞はIPFの開始と進行の重要な要素であり、ATII-CCL20細胞サブタイプの比率が高いIPF患者は予後が悪いことが関連していました。この細胞サブタイプは、単一細胞レベルおよび個々の患者レベルでの代謝機能障害と密接に関連していました。
IPF患者におけるATII-CCL20レベルの上昇は、マクロファージの増加と関連しており、これは疾患の進行と炎症反応と密接に関連している特徴であることが示唆されました。
現在の臨床的予後ツールは主にGAP（性別、年齢、生理学）指数に依存していますが、患者の細胞構成を評価することでIPF患者の予後を予測することが可能です。
この研究は、IPF関連肺がんの発生と悪い予後にATII-CCL20細胞サブタイプの高いレベルが寄与する可能性があることを示唆しています。
この研究はIPF患者の予後に関連する肺胞型II細胞サブタイプを明らかにしましたが、臨床的に関連する因子（例：喫煙、金属/木材のほこりの吸入、遺伝的要因、生理学的指標、合併症）がノモグラムモデルで探求されなかったという限界があります。より大規模な研究が必要です。
ChatGPTに聞いてみた
バルクRNA-seqデータとscRNA-seqデータを統合したトランスクリプトームフレームワークについて、高校生でも理解できるように説明しますね。
まず、「トランスクリプトーム」というのは、細胞が持っている遺伝情報（DNA）のうち、実際に使われている部分（RNA）の全体像のことです。この情報からは、細胞が何をしているのか、どのように機能しているのかを知ることができます。
バルクRNA-seqデータとは？
バルクRNA-seq（シーク）とは、たくさんの細胞から取り出したRNAの情報をまとめて読み取る技術です。この方法では、たくさんの細胞が混ざっているため、どのRNAがどの細胞から来たのかは分かりません。でも、全体としてどのような遺伝子が活動しているかを知ることができます。
scRNA-seqデータとは？
一方、scRNA-seq（シングルセルRNAシーク）は、「シングルセル」という名前の通り、一つ一つの細胞からRNAの情報を読み取る技術です。これにより、個々の細胞レベルでどの遺伝子がオンになっているのか、つまりどのように働いているのかを詳細に知ることができます。
トランスクリプトームフレームワークの統合
この二つの技術を組み合わせると、病気の研究などでとても強力なツールになります。たとえば、ある病気にかかった人の肺の細胞を調べるとき、バルクRNA-seqで全体の傾向を掴みつつ、scRNA-seqで細かい細胞ごとの違いも見ることができます。
これにより、病気に関わる特定の細胞タイプや、病気の進行に伴う細胞の変化など、より深く理解することができるようになります。また、この情報をもとに、病気の治療法や新しい薬を開発するための手がかりにもなります。
簡単に言えば、バルクRNA-seqで森全体を見て、scRNA-seqで木一本一本を詳しく見ることで、森全体の詳細な地図を作るようなものです。これがバルクRNA-seqデータとscRNA-seqデータを統合したトランスクリプトームフレームワークの説明です。
Perplexityに聞いてみた
CCL20は、マクロファージ炎症性タンパク質-3（MIP-3）としても知られ、肺関連の状態において重要な役割を果たします。肺腺癌（LUAD）の文脈では、CCL20は上皮間葉転換（EMT）を促進し、炎症反応を強化し、TNF経路を活性化することでがんの進行を促進することが見られています。CCL20の高発現はLUAD患者の予後が悪いことと関連しており、そのノックダウンはLUAD細胞におけるEMTプロセスと細胞増殖を抑制することが示されています。さらに、CCL20は慢性閉塞性肺疾患（COPD）における樹状細胞（DC）の募集と関連しており、気道炎症と疾患の重症度における役割を示唆しています。研究はまた、CCL20がMAPKsおよびPI3Kシグナル伝達経路の活性化を通じて、肺がんにおける細胞移動と増殖を誘導することに関与していることを強調しています。全体として、肺におけるCCL20の存在は、がん進行やCOPDのような炎症性状態を含むさまざまな病理プロセスと関連しています。
引用文献：
マクロファージ炎症性タンパク質3（MIP-3）は、免疫応答と炎症において重要な役割を果たすケモカインです。MIP-3には、MIP-3α（CCL20）とMIP-3β（CCL19）の2つの主要な形態があります。MIP-3αはCCR6受容体に結合し、粘膜、皮膚、活性化した上皮細胞、Th17細胞によって産生されます。これは、Th17細胞、B細胞、記憶T細胞、未熟な樹状細胞など、さまざまな免疫細胞を炎症部位へ引き寄せます。さらに、MIP-3αは慢性炎症性疾患と関連しており、特定のウイルスに対する抗ウイルス活性を持つことが示されています。一方、MIP-3βは好中球の走化性と活性化に関与しています。MIP-3の発現は、関節リウマチ、乾癬、がん、自己免疫疾患などの状態と関連しており、様々な病理プロセスにおけるその重要性を強調しています。
引用文献:
[1] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2746067/
[2] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5015655/
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Macrophage_inflammatory_protein
[4] https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/macrophage-inflammatory-protein
[5] https://www.nature.com/articles/3780644
