- 著者: Hao Zhang, Yanghanzhao Wang, Mengdi Qu, Wenqian Li, Dan Wu, Juan P. Cata, Changhong Miao
- Corresponding author: Changhong Miao; Hao Zhang (Department of Anesthesiology, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai, China); Juan P. Cata (Department of Anesthesiology and Perioperative Medicine, The University of Texas-MD Anderson Cancer Center, Houston, TX, USA)
- 雑誌: Clinical and Translational Medicine
- 発行年: 2023
- Epub日: 2023-05-21
- Article種別: Review
- PMID: 36629024
背景
敗血症は、感染に対する宿主の免疫応答が調節不全に陥り、多臓器不全と高い死亡率を招く致死的な病態であると定義されている Brinkmann et al. Science 2004。好中球は、病原体に対する自然免疫の第一線として極めて重要な役割を担う Zhang et al. ClinTranslMed 2023。通常、好中球は貪食、脱顆粒、および好中球細胞外トラップ (NETs) の放出という3つの主要なアプローチを通じてエフェクター機能を発揮する Zhang et al. ClinTranslMed 2023。NETsは、脱凝縮したDNA、ヒストン、ミエロペルオキシダーゼ (MPO)、およびその他の顆粒タンパク質から構成される網状の細胞外構造であり、微生物を捕捉し殺傷する能力を持つ Zhang et al. ClinTranslMed 2023。
しかし、敗血症においては、好中球の過剰な活性化とNETsの放出が、内皮細胞を炎症促進性および凝固促進性の表現型へと変化させるパラドックス的なドライバーとなることが報告されている Zhang et al. ClinTranslMed 2023。この内皮細胞の機能障害は、微小循環障害、組織低灌流、および致死的な臓器不全の主要なメカニズムであり、敗血症の進行における重要な特徴の一つである Zhang et al. ClinTranslMed 2023。
敗血症では、好中球の寿命延長と遊走障害が生じ、血管内への好中球の閉じ込めを促進し、局所的なNETs放出を増加させることが知られている Zhang et al. ClinTranslMed 2023。この「好中球 → NETs → 内皮機能障害」という分子クロストークを体系的に理解することは、敗血症の治療標的を同定するために不可欠である。これまでの研究では、個々の要素に焦点を当てた報告は多数存在するものの、これらの複雑な相互作用が多臓器不全へと至る統合的なカスケードとして詳細に整理されたレビューは不足しており、この分野における知識ギャップが残されている。特に、NETsが内皮細胞の代謝、グリコカリックスの完全性、および抗凝固システムに与える影響を包括的に分析し、それらを標的とした治療戦略の可能性を提示する試みは未開拓の領域であった。本レビューは、これらの未解明な点を統合的に解明することを目的とする。
目的
本レビューは、敗血症において好中球および好中球細胞外トラップ (NETs) が内皮細胞機能障害を駆動する分子機構を系統的に整理し、その結果として生じる炎症促進性、凝固促進性、血管透過性亢進、およびグリコカリックス分解といった病態生理学的変化を詳細に解析することを目的とする。さらに、これらのメカニズムを標的とした潜在的な治療戦略候補を提示し、敗血症における内皮細胞機能障害に対する新たな治療アプローチの開発に貢献することを目指す。本レビューは、好中球の遊走障害からNETs形成、そして内皮細胞機能障害に至る一連のイベントを統合的に解析し、その複雑な相互作用を詳細に記述することで、これまでの個々のメカニズムに焦点を当てた研究では得られなかった全体像を提示する。
結果
好中球の遊走障害と血管内滞留メカニズム: 敗血症では好中球の遊走が著しく障害され、血管内への滞留が増加する。通常、好中球はCXCR2 (CXC receptor 2) を介してCXCL2 (CXC ligand 2) 勾配に沿って感染局所へ動員されるが、敗血症ではTLR2 (Toll-like receptor 2) の直接活性化によりCXCR2が下方制御され、走化活性が障害される。さらに、C5a (complement component 5a) およびLPS (lipopolysaccharide)-ERK1/2 (extracellular regulated protein kinases 1/2)/PI3K-Akt経路によりCCR2 (CC receptor 2) が好中球に異所性に発現し、CCL2 (CC ligand 2) 産生臓器（肺、肝、腎）への不適切な浸潤を引き起こす。生理的に最短寿命の白血球である好中球が、敗血症ではC5a/LPS経路によりBcl-xL上昇、Bim低下、MCL-1 (myeloid cell leukaemia-1) 安定化、カスパーゼ抑制（アポプトソーム形成阻害）を通じてアポトーシスが遅延する。PD-L1 (programmed cell death ligand 1) 高発現好中球サブクラスターがリンパ球アポトーシスを誘導し、敗血症性免疫抑制を増幅する。これらの機序により好中球が血管内に閉じ込められ、NET産生が増加して遠隔臓器障害が生じる。高齢マウスでは肥満細胞由来CXCL1がCXCR2の脱感作を促進し、好中球の逆行性経内皮遊走 (rTEM) が増加して全身性炎症と臓器障害を悪化させることが示された (Fig 1)。
NET形成の三経路と分子メカニズム: NET形成には主に3つの経路が存在する。(i) 自殺型NETosis (suicidal NETosis) は、NADPH oxidase依存的なROS (reactive oxygen species) 産生、カルシウム流入増加、PAD4 (peptidyl arginine deaminase 4) 活性化、ヒストンシトルリン化、クロマチン凝縮解除、MPO (myeloperoxidase)/NE (neutrophil elastase) 協調によるクロマチン分解・核外膜崩壊を経て、NETsが細胞外に放出される（数時間を要する）。(ii) 生存型NETosis (vital NETosis) は、ROS非依存的にDNAがビーズ状構造として核外膜から出芽し、細胞外膜と融合して放出される（30分以内）。放出後も好中球は走化性、貪食、NETs産生機能を維持する。(iii) ミトコンドリアDNA NETosis (mtDNA NETosis) は、細胞死を伴わずROS依存的にmtDNA (mitochondrial DNA) が放出される。mtDNAはヒストンを含まずプラスミドDNAに類似し、マクロファージからTNFα (tumor necrosis factor alpha)、IL-1β (interleukin-1 beta) 分泌を誘導する。血小板のTLR4 (Toll-like receptor 4) がグラム陰性菌によるNET形成を誘導し、グラム陽性菌誘導NETosisはTLR2 (Toll-like receptor 2) と補体受容体3を介することが報告されている。
Immunothrombosis：NET媒介凝固異常: NETのDNA・ヒストン骨格は赤血球、血小板、白血球、血漿タンパクを招集し、von Willebrand Factor (vWF) との相互作用で血栓形成の正のフィードバックループを形成する。NETs内のHistone H4は好中球とfactor XII (FXII) の相互作用を促進し、内因性凝固経路を開始する。敗血症マウスのNETではactive tissue factor (TF) が確認され、TF-enriched NETが外因性凝固経路を直接トリガーすることで播種性血管内凝固 (DIC) を駆動する。NETs上のTFはIL-1α (interleukin-1 alpha) およびcathepsin G (NE・PR3 (proteinase 3)・MPO) を介してTF mRNA発現とTF活性を内皮細胞で増強する。DICはNETsによる免疫血栓形成から進展し、臓器虚血・敗血症性ショックをさらに悪化させる。
Pro-inflammatory + pro-angiogenic内皮reprogramming: NETs成分 (MPO/H2O2) は、pulmonary artery endothelial cells (HPAECs) においてTLR4/NFκB (nuclear factor kappa B) 経路を活性化し、ICAM-1 (intercellular adhesion molecule-1)、VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule-1)、PECAM-1 (platelet endothelial cell adhesion molecule-1) の発現増加とVEGF (vascular endothelial growth factor)、PDGF (platelet-derived growth factor)、FGF (fibroblast growth factor) の分泌増加（pro-angiogenic因子）を惹起する。活性化NFκBはさらにIL-6 (interleukin-6)、IL-8 (interleukin-8) 分泌を増加させ、VEGFR2 (vascular endothelial growth factor receptor 2)→PI3K/Akt経路によりFOXO1 (forkhead box protein O1)（内皮クエイエスセンス維持転写因子）を抑制し、MYC（細胞増殖・糖解糖促進転写因子）を活性化する。これにより内皮細胞のGLUT1 (glucose transporter 1)、PFKFB3 (fructose-2,6-bisphosphatase-3)、LDH-A (lactate dehydrogenase-A) が上昇して嫌気性糖解糖が促進し（Warburg型代謝シフト）、乳酸蓄積がIκBα (NFκB inhibitor alpha) 分解・NFκB活性化を介してさらにICAM-1/VCAM-1発現を増幅する。NETsはまた「M1様」マクロファージ表現型を誘導してIL-1/IL-6/IL-8/TNFを放出させ、さらなるVEGF/FGF産生を促す。この炎症・酸化ストレスの自己持続ループが血管炎症を増幅し多臓器不全を促進する (Fig 2)。
Glycocalyx分解と内皮透過性亢進: 内皮表面のglycocalyx (heparan sulfate・chondroitin sulfate・hyaluronic acid/CD44結合型GAG (glycosaminoglycans)、セレクチン・インテグリン含有糖タンパク質、SOD3 (superoxide dismutase 3) テザリング) は、好中球由来MPO、MMP-2/9 (matrix metalloproteinase-2/9)、cathepsin G、TNFα/IL-6/IL-8、肥満細胞由来プロテアーゼ/ヘパラナーゼ、ADAM15 (a disintegrin and metalloproteinase 15) により分解される。酸化ストレス誘導性のHDAC (histone deacetylase) がMMP発現を上昇させTIMP1/3 (tissue inhibitors of MMPs 1/3) を抑制し、syndecan-1・SOD3シェディングを促進してglycocalyx破壊を増幅する。Glycocalyx崩壊によりICAM-1・E-selectin等のadhesion moleculeが露出し、好中球・血小板のさらなる接着が誘起される。傍細胞透過性の増大は主にTNFα→NFκB→claudin-5破壊 (TJ (tight junctions))、ROS→occludin再配分、NETs誘導のRho/Src/Pyk2活性化→VE-cadherin (vascular endothelial-cadherin) 燐酸化・カテニン解離・エンドサイトーシスによる細胞間隙拡大、ICAM-1→caveolin-1燐酸化によるトランス細胞透過性増加で引き起こされる。NETs (MPO・ヒストン・ONOO- (peroxynitrite)) が内皮アポトーシスを誘導し（PARP-1 (poly (ADP-ribose) polymerase-1) 過活性化→ATP (adenosine triphosphate) 枯渇→内皮機能障害）、これが透過性亢進の主要メカニズムとなる (Fig 3)。
Anticoagulation system崩壊によるpro-coagulant phenotype: Glycocalyx（特にheparan sulfate）はAT (antithrombin)・HCII (heparin cofactor II) 経由の抗凝固機能を担うが、NET誘導のglycocalyx分解によりこれが崩壊する。好中球プロテアーゼ (cathepsin G・NE・PR3) がTF (tissue factor) 発現を直接上昇させ外因性凝固を促進する。MPO由来HOCl (hypochlorous acid) がTF mRNA発現を増加させ内皮のTF活性を亢進する。HistoneがTLR2/TLR4を介してTM (thrombomodulin) を下方制御しTF発現を上昇させ、さらにPS (phosphatidylserine) を外膜に露出させTF pro-coagulant活性を増強する。NETs→NFκB活性化→TM・EPCR (endothelial protein C receptor) タンパク発現低下・TACE (TNFα converting enzyme) 活性増加→EPCR shedding→TM-PC (protein C)-EPCR系（最重要内在性抗凝固機序）の崩壊。APC (activated protein C) 低下は抗凝固効果の喪失に加え、サイトカイン放出抑制・内皮保護・アポトーシス抑制のcytoprotective機能も喪失させる (Fig 4)。
治療標的の提示: PAD4 (peptidyl arginine deaminase 4) 阻害剤 (Cl-amidine：敗血症マウスの生存改善、GSK484：マウス肺血栓形成著明減少) やnNIF (neonatal NET-inhibitory factor) (PAD4活性・ヒストンシトルリン化・クロマチン凝縮解除を阻止) 、DNase1 (deoxyribonuclease 1)/DNase1-like3 (NET骨格分解、血栓フィードバックループ遮断) がNET形成を阻止する。PFKFB3 (fructose-2,6-bisphosphatase-3) inhibitor (3PO：ALI (acute lung injury) マウスで血管炎症抑制、PFK158：SCLC (small-cell lung cancer) 動物モデルでATP産生・増殖抑制) が内皮糖解糖・NFκB炎症を抑制する。NAC (N-acetylcysteine) (ICU (intensive care unit) 滞在短縮・sepsis severity改善) 、glutathione、HSA (human serum albumin) (ROS/RNS (reactive nitrogen species)・NFκB抑制) 、ビタミンC (ROS/RNS除去・NOX (NADPH oxidase) 活性化抑制・eNOS (endothelial nitric oxide synthase) 上昇) が酸化ストレスを軽減し内皮アポトーシスを防止するが、ビタミンCの臨床試験ではプラセボ比で臓器不全スコア改善が認められなかった (Fig 5, Table 1)。
考察/結論
先行研究との違い: 本レビューは、敗血症における好中球-NETs-内皮相互作用を「遊走障害・血管内滞留 → immunothrombosis → pro-inflammatory/pro-angiogenic reprogramming → glycocalyx/barrier崩壊 → 抗凝固系破綻」という統合的カスケードとして整理した点に学術的意義がある。この包括的なフレームワークは、従来の「敗血症 = サイトカインストーム」というパラダイムを補完し、「敗血症 = 好中球-内皮クロストーク駆動臓器不全」という新たな視点を強化する。これまでの研究は個々の分子メカニズムに焦点を当てることが多かったが、本レビューは、好中球の遊走障害からNETs形成、そして内皮細胞機能障害に至る一連のイベントを統合的に解析し、その複雑な相互作用を詳細に記述した点で、これまでのレビューと異なる。
新規性: 本研究で初めて、好中球の血管内滞留が単なる遊走障害だけでなく、アポトーシス遅延や異所性CCR2発現によっても促進されることを強調した。さらに、NETsが内皮細胞のWarburg型代謝シフトを誘導し、これがNFκB経路を介した炎症増幅に寄与するというメカニズムを詳細に提示したことは、これまで十分に報告されていない知見である。また、PAD4阻害剤、PFKFB3阻害剤、DNase、抗酸化療法といったマルチターゲット戦略が、敗血症の内皮機能障害に対してどのように作用しうるかを包括的に提示した点も新規である。
臨床応用: 本知見は、敗血症の診断、予後予測、および治療戦略の開発に重要な臨床的含意を持つ。具体的には、NETsバイオマーカー（MPO-DNA、citH3-DNA、cfDNA）による敗血症高リスク患者の層別化、抗凝固療法とNETs標的療法の併用（例：低分子量ヘパリンとDNase）、内皮グリコカリックス保護剤や内皮グリコカリックス分解酵素阻害剤の開発、内皮グリコカリックス分解を抑制することによる多臓器不全の予防などが考えられる。周術期敗血症管理へのトランスレーションも期待される。
残された課題: 今後の検討課題として、多くのNETs阻害剤が前臨床段階にあり、Phase II-III臨床試験が不足している点が挙げられる。PAD4阻害剤とDNaseの相対的な優位性や併用効果に関する直接比較試験は未完である。PFKFB3阻害剤の最適な投与量と投与タイミング、および敗血症の異質性（細菌種、感染源、合併症）に応じた治療選択基準は未確立である。また、好中球以外の自然免疫細胞（マクロファージ、NK細胞、補体）との統合的な理解が不十分であり、これら細胞間のクロストークがNETs誘導の内皮機能障害にどのように影響するかをさらに解明する必要がある。これらの課題を克服することで、次世代の敗血症治療標的開発のロードマップがより明確になるだろう。
方法
本研究はレビュー論文であるため、特定の実験方法や患者コホートを用いた研究は実施していない。代わりに、敗血症における好中球、NETs、および内皮細胞機能障害に関する既存の文献を系統的に収集・分析した。文献検索は、PubMed、Embase、Cochrane Library、およびWeb of Scienceの主要な医学データベースを用いて実施された。検索キーワードには、「sepsis」、「neutrophil」、「neutrophil extracellular traps」、「NETs」、「endothelial cell dysfunction」、「endothelial permeability」、「glycocalyx」、「immunothrombosis」、「pro-inflammatory」、「pro-coagulant」、「therapy」、「treatment targets」などが含まれた。検索期間は関連性の高い文献を網羅するため、2000年から2023年5月までとした。
収集された論文は、その関連性、科学的厳密性、および本レビューの目的との合致性に基づいてスクリーニングされた。特に、好中球の遊走障害、NETs形成のメカニズム、NETsが内皮細胞に与える影響（炎症促進性・血管新生促進性表現型への変化、グリコカリックス分解、血管透過性亢進、抗凝固系破綻）、およびこれらの病態を標的とした治療戦略に関する原著論文、レビュー論文、およびメタアナリシスが優先的に選択された。文献の質は、引用数、ジャーナルのインパクトファクター、およびピアレビューの有無に基づいて評価された。
データの抽出と統合は、各論文から得られた主要な知見、分子メカニズム、および関連する数値データ（例: 遺伝子発現の変化、タンパク質レベル、細胞応答、動物モデルにおける生存率や病態スコア）に基づいて行われた。抽出された情報は、好中球-NETs-内皮細胞の相互作用が敗血症の多臓器不全にどのように寄与するかという包括的なフレームワークを構築するために整理された。本レビューでは、特に以下の点に焦点を当てて分析を進めた。(1) 敗血症における好中球の遊走障害と血管内滞留の分子メカニズム、(2) NETs形成の異なる経路とその制御因子、(3) NETsが免疫血栓症を誘導するメカニズム、(4) NETsが内皮細胞の炎症促進性・血管新生促進性表現型を誘導するメカニズム、(5) NETsがグリコカリックス分解と内皮透過性亢進を引き起こすメカニズム、(6) NETsが抗凝固システムを破綻させ凝固促進性表現型を誘導するメカニズム、(7) これらの病態を標的とした潜在的な治療戦略（例: PAD4 (peptidyl arginine deaminase 4) 阻害剤、DNase1 (deoxyribonuclease 1)、PFKFB3 (fructose-2,6-bisphosphatase-3) 阻害剤、抗酸化剤）。
本レビューは、既存の知見を統合し、敗血症における好中球とNETsが内皮細胞機能障害に与える影響の全体像を提示することを目的とした。統計的手法は、個々の研究結果を解釈する際に用いられたが、本レビュー自体で新たな統計解析は実施していない。検索結果のスクリーニングとデータ抽出は複数のレビューアによって独立して行われ、意見の不一致は合意形成によって解決された。