特発性肺線維症における線維芽細胞・免疫細胞crosstalkのcrucial role
特発性肺線維症における線維芽細胞・免疫細胞crosstalkのcrucial role
CCL18、CCL2、CX3CL1、CXCL1、IL-6、IL-8などのメディエーターを介した免疫細胞と線維芽細胞の相互作用は、IPFにおける組織リモデリングに加わる可能性のある炎症メカニズムにも寄与し、IPF治療における炎症メカニズムの役割を確認が必要である。これらの研究を通じて、線維芽細胞の活性化と線維化表現型に対するT細胞の保護的役割が明らかにされ、これはさらなる（治療的）研究の基盤となる可能性がある
Thiam, F., Phogat, S., Abokor, F.A. et al. In vitro co-culture studies and the crucial role of fibroblast-immune cell crosstalk in IPF pathogenesis. Respir Res 24, 298 (2023).
IPFは、呼吸不全に至る肺組織の集中的なリモデリングを特徴とする致死的な肺疾患である。IPF肺のリモデリングは、制御不能な線維化によって特徴づけられる。線維芽細胞とその収縮表現型である筋線維芽細胞は、典型的な創傷治癒反応を担う主要な細胞型であるが、IPFではこれらの反応が異常であり、線維芽細胞の過剰な活性化を招き、肺の非弾性化に寄与して肺機能の低下をもたらす。IPF発症の背後にある特異的な機序は不明であったが、最近、自然免疫と適応免疫がIPFの線維化過程に関与していることが示唆されている。これに関連して、線維芽細胞と免疫細胞の間に起こる特異的な相互作用と、これがIPFの病態生物学にどのように寄与しているかを調べるために、いくつかのin vitro共培養モデルが用いられてきた。本総説では、線維芽細胞と自然免疫系および適応免疫系の細胞との異常な相互作用を調べるために使用されてきたin vitroモデルについて、また、これらがIPF患者の肺における線維化過程にどのように寄与しているかを考察する。
序文要約
written with ChatGPT4要約
特発性肺線維症（IPF）は、進行性で障害を伴う肺の病気であり、2000年から2012年の間に78％増加し、現在、世界的に10,000人あたり0.33～4.51人が影響を受けています。IPFの正確な病因は未だ不明ですが、環境因子（例えば、煙、鋼、真鍮、農業への曝露）や内在因子（遺伝、年齢、性別）など、いくつかのリスクファクターと関連があります。IPFは非常に異質な疾患であり、慢性的な肺炎症と線維化の環境を引き起こします。肺組織の過剰な線維化は、最初の診断から中央値で3年の生存期間を持つ呼吸不全につながります。現在、IPFの治療のために米国食品医薬品局（FDA）によって承認されている2つの薬剤は、肺機能の低下と悪化を遅らせるニンテダニブとピルフェニドンです。これらの治療はIPFの進行を遅らせるのに成功していますが、病気は依然として治癒不可能です。したがって、病気の根本的な基本メカニズムを明らかにし、最終的には治療法を導くための独自の治療標的を提供するための研究が緊急に必要です。
IPFの病理メカニズムは、傷の治癒と組織修復への誇張された異常な反応に関与していることが示されています。正常な修復と傷の治癒応答中の肺組織において、線維芽細胞は重要な効果細胞です。この過程の一環として、線維芽細胞は増殖し、傷のある部位に移動し、その後活性化され、高度に合成的で収縮性のある筋線維芽細胞表現型に分化します。この活性化は、（筋）線維芽細胞による細胞外マトリックス（ECM）タンパク質（例えば、コラーゲン）の産生と関連しており、これは他の細胞タイプをサポートし、修復プロセス中に損傷した組織を回復させます。しかし、IPFでは、肺損傷に続く肺上皮からの線維原性メディエーター（例えば、変換成長因子-β1（TGF-β1）、血小板由来成長因子（PDGF）、結合組織成長因子（CTGF）など）の増加した放出により、線維芽細胞が過剰に活性化されます。損傷した肺上皮からのケモカインとサイトカインの放出と誇張された免疫応答もあり、これにより好中球やマクロファージなどの先天免疫細胞のリクルートと活性化が行われ、（筋）線維芽細胞をさらに活性化するメディエーターの濃度が増加します。これらの先天免疫細胞は、損傷した上皮と共に適応免疫系（例えば、B細胞やT細胞）をさらに活性化します。さまざまな研究で、活性化された先天免疫細胞と適応免疫細胞および肺線維芽細胞間の多細胞相互作用が、IPFの病理メカニズムにおいて重要であることが示されています。これらの相互作用は、線維原性メディエーターの産生と放出を通じて行われ、肺線維芽細胞の表現型と機能に影響を与え、IPFを特徴づける線維化病変の発達に寄与します。
IPFにおける免疫-線維芽細胞の相互作用を評価し理解するために、異なる体外モデルが確立されています。これらの多様な体外モデルは、3次元（3D）ハイドロゲルトランスウェル共培養から脱細胞化肺スキャフォールドに至るまでの範囲で、IPF患者および健康な対照個体から派
生した免疫細胞と線維芽細胞、および連続的な肺細胞ラインを組み込み、体内環境の細胞の空間配置を模倣して、異常な細胞間コミュニケーションの研究を可能にします。これらの代表的な（3D）体外モデルは、免疫細胞-線維芽細胞間コミュニケーションに関与する特定のプロセスの評価を可能にし、これがIPFの病因にどのように寄与するかを理解し、潜在的な（新規）治療標的を特定するのに役立ちます。
このレビューでは、2Dおよび3Dの体外モデルを使用して、肺線維芽細胞と免疫細胞間の相互作用に関与するメディエーターとメカニズムを調査したさまざまな研究を要約します。これらの研究を、IPFの線維化メカニズム（ECMタンパク質の産生、肺線維芽細胞の増殖、移動、およびアポトーシスを含む）の文脈で評価し、この相互作用が肺組織のリモデリングに寄与する炎症メディエーターの産生にどのようにつながるかを検討します。そして、これらをIPFの（将来の）治療研究の文脈に置きます。
ChatGPT4解説
この文は、特発性肺線維症（IPF）の研究において使用される様々な体外（in vitro）モデルについて説明しています。これらのモデルは、3次元（3D）ハイドロゲルトランスウェル共培養から脱細胞化された肺スキャフォールドに至るまでの範囲があり、IPF患者から得られた免疫細胞と線維芽細胞、健康な対照個体からのそれら、さらには連続的な肺細胞ラインを組み込んでいます。これらのモデルの目的は、体内（in vivo）環境における細胞の空間的配置を模倣し、異常な細胞間コミュニケーションを研究することです。
以下に、この文の各要素について詳しく解説します：
1. **体外モデル（In Vitro Models）**: これらは実験室内で行われる実験で、生体内環境を模倣するために設計されています。体外モデルは、生体内での複雑な相互作用をより制御された環境で研究することを可能にします。
2. **3次元ハイドロゲルトランスウェル共培養**: これは、細胞が3次元の構造内で成長することを可能にする体外モデルです。ハイドロゲルは細胞に自然な環境を提供し、トランスウェルシステムは異なる細胞タイプが互いに近接して成長しながらも物理的に分離されている状態を作り出します。
3. **脱細胞化肺スキャフォールド**: これは、細胞を取り除いた後の肺組織の枠組みです。このスキャフォールドは、細胞が自然な肺組織の構造内で成長するための支持体を提供します。
4. **免疫細胞と線維芽細胞**: これらの細胞は、IPF患者および健康な対照個体から採取され、研究に使用されます。これにより、疾患の状態と正常な状態の細胞の挙動を比較することができます。
5. **連続的な肺細胞ライン**: これらは実験室で無限に増殖可能な肺細胞のラインです。これらは一貫した結果を得るために使用されます。
6. **空間的配置の模倣と異常な細胞間コミュニケーションの研究**: これらのモデルは、生体内での細胞の配置と相互作用を模倣することで、IPFにおける異常な細胞間コミュニケーションを研究することを目的としています。
要するに、これらの体外モデルは、IPFの病態をより深く理解し、新たな治療法の開発につながる可能性のある貴重な洞察を提供するために使用されています。
環境毒素は肺に吸入され、IPF発症における上皮層への反復傷害を引き起こす。繰り返される上皮傷害は、線維芽細胞を過剰に活性化し、免疫細胞を引き寄せるメディエーターの放出を引き起こす。線維芽細胞はいくつかの自然免疫細胞と相互作用し、IPF病態の様々な側面を引き起こしている。
刺激されたB細胞は線維芽細胞と相互作用し、線維芽細胞の遊走を増加させるだけでなく、フィブロネクチン、PAI1、α-SMAの合成を増加させる。
T細胞と線維芽細胞との間のクロストークは、線維芽細胞の増殖を増加させ、コラーゲン産生を増加させる。T細胞と線維芽細胞の相互作用は、カルポニンとα-SMAの減少、筋線維芽細胞の分化も引き起こす。
マスト細胞-線維芽細胞相互作用はトリプターゼの放出に大きく依存しており、トリプターゼは線維芽細胞の増殖と遊走を増加させ、HGF、フィブロネクチン、コラーゲンI、α-SMA、IL-6の合成と放出の増加を可能にすることによって、線維芽細胞の表現型を変化させる。
好中球エラスターゼは、線維芽細胞がIL-8を放出する量を増加させる一方、線維芽細胞とマクロファージ間の双方向クロストークは、コラーゲンIとIIIの発現を増加させ、CCL18、CCL2、CX3CL1、CXCL10の放出を増加させる。
このように、様々な免疫細胞と線維芽細胞との間のクロストークは、線維芽細胞の過剰活性化を引き起こし、線維芽細胞の遊走と増殖を増加させ、線維芽細胞病巣を生じさせると同時に、ECMタンパク質の過剰産生と分解を引き起こし、瘢痕組織の進行性蓄積を助長し、免疫細胞の古典的な化学誘引物質の放出を引き起こすことによって、IPFのリモデリングに寄与している
（図はBiorender.comで作成）。
このレビューでは、特発性肺線維症（IPF）における免疫細胞と肺線維芽細胞の相互作用の役割を評価するために確立された様々な体外（in vitro）モデル（トランスウェル共培養やCM露出モデルなど）についてまとめています。これらのモデルは、線維化、線維芽細胞の移動と増殖、およびIPFにおける肺組織の慢性的なリモデリングに関連する炎症プロセスなど、様々なメカニズムを調査するために使用されています。さらに、3Dバイオプリントされた肺組織モデル、マイクロフルイディックス肺オンアチップシステム、PCLS、3D肺オルガノイドなど、より複雑なバイオミメティックまたはバイオアーティフィシャルモデルも、IPFにおける複雑な多細胞間相互作用を評価するための（新しい）体外システムとして探求されています。これらの相互作用は、免疫細胞と線維芽細胞の対話を超え、上皮細胞や内皮細胞など他の肺細胞タイプとのコミュニケーションを含む可能性があります。
最近のデジタル空間プロファイリング研究では、IPF組織の異なる領域と健康な対照組織を比較し、IPFの線維芽細胞焦点におけるECMタンパク質（例えば、テナシンC、線維状コラーゲン（COL1A2））の遺伝子発現の増加が明らかにされました。バイオインフォマティクスによるリガンド-レセプター相互作用分析を通じて、隣接する肺胞中隔がTGF-β1、骨形成タンパク質4（BMP4）、CCL2、CD24、HGF、分泌性リン酸タンパク質1（SPP1）、プラスミノーゲン活性化因子、ウロキナーゼ（PLAU）などのメディエーターを介してシグナルを送る可能性が示されました。また、免疫浸潤細胞はTGF-β1、高機動群ボックス1タンパク質（HMGB1）、CD24、SPP1を介して線維芽細胞焦点にシグナルを送ることが示されました。さらに、サイトカインCXCL12の受容体であるCXCR4のアップレギュレーションが、CXCL12の増加および線維芽細胞焦点におけるNF-カッパB阻害因子ゼータ（NFKBIZ）のダウンレギュレーションと関連していました。遺伝子編集実験を通じて、NFKBIZのダウンレギュレーションが肺胞上皮細胞におけるTGF-β1誘導型IL-6のmRNAおよびタンパク質発現の低下につながることが示されました。したがって、この研究は、IPFにおける免疫浸潤細胞、病的な線維芽細胞焦点、および肺胞中隔間の潜在的な相互作用を明らかにし、線維化を抑制する炎症メカニズム（IL-6活性）をダウンレギュレートする可能性を示しました。これらのデータのほとんどが観察的であり、さらにIL-6経路を標的とするモノクローナル抗体トシリズマブのIPFにおける臨床試験が非感染性肺合併症のリスクを増加させたという事実を考慮すると、免疫-上皮-線維芽細胞の三培養システムによる繊細な時空間メカニズムのさらなる評価が重要です。これにより、このレビューで説明されているモデルを改善し、新しい治療標的を明らかにすることができます。ほとんどの2Dおよび3D共培養システムは、概念実証モデルとして開発され、中程度のスループット研究に使用されています。これらのシステムを高スループット設定に適応させることは、活発な研究分野であり、おそらくバイオエンジニアリング、高度な自動化、および人工知能技術/方法の組み合わせを伴います。高スループット技術に関するバイオミメティックモデル研究の分野で改善が見られるエリアには、細胞とマトリゲル（基底膜タンパク質）の混合物をプリンターにロードし、オルガノイドが形成される細胞埋め込みマトリゲルの滴を正確に印刷するバイオプリンティング技術による多細胞スフェロイドまたはオルガノイドの開発が含まれます。迅速な集合体形成のために非接着性基質上に細胞を播種する液体オーバーレイ技術も、スフェロイドの形成に効率的かつ再現性があります。これらの方法の応用は、IPFなどの肺疾患の治療研究に大きな利点をもたらすでしょう。
IPF therapeutic studies and lung immune cell-fibroblast crosstalk
特発性肺線維症（IPF）の治療研究と肺免疫細胞-線維芽細胞の対話についての要約です。
IPFの治療薬としてFDAに承認されているピルフェニドンとニンテダニブがありますが、IPFが未だに治癒不可能な病気であるため、これらの薬がIPFの異常な免疫細胞-線維芽細胞の相互作用など、異なる病態メカニズムにどのように作用するかについての研究が進められています。この評価のために、AliらはB細胞にピルフェニドンとニンテダニブを投与し、CpGまたはβ-グルカンで活性化させました。その結果、ニンテダニブ処理されたB細胞の条件付き培養液（CM）は肺線維芽細胞の移動を減少させることがわかりましたが、ピルフェニドン処理されたB細胞のCMではそのような結果は観察されませんでした。さらに、ニンテダニブ処理されたB細胞のCMは、線維芽細胞のフィブロネクチン、PAI1、α-SMA、および血管内皮成長因子A（VEGFA）の発現を減少させましたが、ピルフェニドン処理されたB細胞のCMではそのような効果はありませんでした。また、ニンテダニブはmTORの活性化を減少させ、SrcおよびJNKのリン酸化を減少させましたが、ピルフェニドンにはこれらの効果はありませんでした。
一方で、ニンテダニブとピルフェニドンは、その抗線維化効果によりIPFの進行を遅らせ、生存率を向上させることが示されています。Behrらの生存分析では、ニンテダニブとピルフェニドン治療を受けた個人の死亡率が、抗線維化療法を受けていない個人と比較して減少していることがわかりました。さらに、Margaritopoulosらは、ピルフェニドンを特に使用した場合、治療を受けていないIPF患者と比較して約30%の生存率の向上があったことを発見しました。しかし、現在の治療法の利点にもかかわらず、IPFは依然として治癒不可能な病気であり、世界中での死亡率は10万人あたり0.5から12の範囲です。したがって、このレビューで提示されたユニークな共培養モデルを使用することで、承認された薬の新しい作用機序を評価し、患者特有の精密医療を支援することができます。さらに、このレビューで議論された線維化の特定のメカニズムとピルフェニドンおよびニンテダニブの相互作用は、IPFの将来の薬物開発研究に大いに役立つ可能性があります。これと並行して、これらの複雑な共培養研究を通じて、IPFのための新しい治療標的およびエージェントを発見する可能性もあります。例えば、Lacyらの研究では、T細胞がミオファイブロブラストの分化を抑制することができることが示され、これはさらなる治療法の評価のための革新的なメカニズムを見つける上で重要です。