脳脊髄液の単一細胞解析は神経炎症の共通特徴を明らかにする

単一細胞解析による脳脊髄液中の神経炎症の共通特性の解明

神経炎症(neuroinflammation)は神経系疾患における主要な病理学的特徴であり、脳脊髄液(cerebrospinal fluid, CSF)と末梢免疫系との間で複雑な相互作用を伴う。過去の研究により、多発性硬化症(Multiple Sclerosis, MS)や他の神経炎症疾患においてCSF中でのリンパ球クローン拡大現象が明らかにされてきたが、これら免疫細胞の特性や動的変化メカニズム、健康と疾患の違いに関しては、多くの未解明の科学的課題が残されている。これらの課題を解明し、CSF免疫環境の特徴と疾患状態での生物学的意義を明らかにするために、Benjamin M. Jacobsらが徹底的な研究を行った。

この研究は、イギリスのケンブリッジ大学(University of Cambridge)、ロンドンのクイーンメアリー大学(Queen Mary University of London)、およびドイツのミュンヘン工科大学(Technical University of Munich)の研究者たちによって共同で実施され、2025年1月21日に国際的なトップジャーナル《Cell Reports Medicine》に発表された。本研究は、イギリスのMS Societyおよび欧州連合Horizon 2020研究プロジェクトの助成を受け、単一細胞RNAシーケンシング技術(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)とリンパ球受容体シーケンスを組み合わせて実施された。研究は、CSF中の細胞およびその転写プログラムを解析し、MSや他の神経炎症疾患における疾患横断的な免疫特性を明らかにした。


研究の背景と目的

研究者たちは、CSFは長い間「免疫特権地帯(immune privilege)」と見なされてきたが、多種の神経疾患において免疫細胞が豊富に存在することが既に確認されていると指摘している。特に、慢性炎症性疾患であるMSでは、特定のリンパ球クローンの拡大が異常な免疫応答を引き起こし、寡クローン性抗体帯(oligoclonal bands)を形成する。しかし、B細胞やT細胞が炎症下でCSF内に移動するメカニズムや、これらのクローン拡大の要因がMS特有であるのか、他の神経炎症疾患でも共通に起こるのかは不明だ。

したがって本研究の主な目的は、炎症性および非炎症性疾患の状況下でCSF免疫環境を単一細胞レベルで体系的に分析し、MSと他の神経炎症疾患の共通点と差異を明らかにして、新薬開発や疾患のメカニズム研究への手がかりを提供することである。


研究の流れと方法

研究対象とサンプル

研究では、123名の患者と対照から得られた354,055個のCSF細胞および422,809個の末梢血細胞(PBMC)が以下の4つのグループに分類された: - 多発性硬化症(MS):76名のPBMCサンプル、203,220個のCSF細胞。 - その他の炎症性神経疾患(OIND):19名の患者、30,796個のCSF細胞。 - 感染性神経疾患(ID):23名の患者、83,339個のCSF細胞。 - 非炎症性神経疾患(NIND):36名の対照、36,700個のCSF細胞。

研究者たちは、scRNA-seqおよび免疫受容体配列解析を利用して上記の細胞群を包括的に分析し、差分遺伝子発現(Differential Gene Expression, DGE)の計算や補足的なバイオインフォマティクス解析を統合した。


研究手順と実験方法

(1)単一細胞転写プロファイリングと細胞組成分析

統一多様体近似投影(Uniform Manifold Approximation and Projection, UMAP)の分布によって、CSFとPBMCの細胞型分布が大きく異なることが明らかとなった: 1. 非炎症状態:CSFは樹状細胞(dendritic cells, DCs)、CD8+ T細胞、制御性T細胞(Tregs)、および特定のマクロファージが豊富。一方、PBMCはB細胞と単球が主に含まれていた。 2. 炎症状態:CSF中で抗体分泌細胞(antibody-secreting cells, ASCs)が顕著に増加。この現象は特にMSおよび感染症の背景で顕著だった。

(2)リンパ球クローン解析と免疫受容体遺伝子配列解析

研究では、602のB細胞クローングループと11,541のT細胞クローン体を同定: - B細胞:クローン性拡大はMSグループでより顕著で(53.4%)、主にIgG1陽性の抗体分泌細胞であった。 - T細胞:クローン性拡大のT細胞は主にエフェクター記憶CD8+細胞を占め、EBウイルス(Epstein-Barr virus, EBV)およびサイトメガロウイルス(Cytomegalovirus, CMV)に反応するTCR(T細胞受容体)が多く見られた。

(3)差分遺伝子発現解析と機能富化

  • CSF中免疫細胞は一般的に組織居住マーカー、細胞毒性、および抗原提示の関連遺伝子をアップレギュレーション。
  • 遺伝子セット富化解析(Gene Set Enrichment Analysis, GSEA)にて、CSF細胞でコレステロール恒常性遺伝子が大幅に活性化されていることを示し、これは転写因子SREBF1およびSREBF2によって駆動されていると推測。
  • MS特有の遺伝子ではCCL22が抗体分泌細胞で著しく上昇し、CD99やCRIP2などの遺伝子はそれぞれ樹状細胞やCD4+ T細胞に見られた。

(4)単一細胞eQTL解析

研究では、CSF特有の発現量遺伝子座(expression quantitative trait loci, eQTL)をいくつか特定。その中にはMSリスクと関連するEAF2およびZC2HC1Aが含まれる。特にEAF2の低発現はB細胞クローン拡大および過剰増殖に重要な役割を果たす可能性が示唆された。


主な成果と発見

  1. 抗体分泌細胞(ASCs)のCSF中での増加が神経炎症の特徴
    MS、OIND、感染性神経疾患を問わず、ASCsの割合は炎症条件下で顕著に上昇。この現象はMS特有ではなく、神経炎症の共通的なマーカーとして観察された。

  2. CSF免疫細胞に特異な転写プロファイルおよびクローン性拡大特性
    ASCsおよび記憶B細胞はCSF中で独自の転写特性を示し、PBMCと顕著に異なっていた。一方で、T細胞は主にエフェクター記憶表現型を持ち、ウイルス特異性と結びついていた。

  3. MS患者CSFは限定的な特異的転写調節を示す
    MSで特異的に発現する一部の遺伝子(例:CCL22)の存在が認められたが、多くのCSF転写特性および免疫細胞の挙動は、他の炎症疾患間で高い一致を示した。

  4. eQTL解析がMSリスクと関連するCSF特異的な遺伝子調節メカニズムを示唆
    コレステロール代謝、免疫細胞移動、クローン拡大を調節する複数の重要遺伝子を特定し、MSリスク座が免疫機能に与える影響を具体的に示した。


研究の意義とハイライト

この研究では、単一細胞解析技術を全面的に活用し、CSF中の免疫細胞が健康および病理状態で示す特徴を極高い解像度で初めて明らかにした。本研究の重要性は以下の通り: 1. MSおよび他の神経炎症疾患の共通免疫特性を明らかにし、精密医学の指針を提供。 2. MS病理メカニズムにおけるCSF免疫微環境やクローン性免疫細胞拡大の理解を深めた。 3. CSF免疫細胞の挙動を調節し、MSリスクと関連する重要遺伝子を特定し、創薬およびターゲット治療に貢献。

研究は方法および規模の両面で先行し、複数の神経炎症疾患に対する新たな研究視点を提供し、神経系疾患の免疫病理に関する将来的な研究に強力な理論的基盤を提供した。