2019年01月12日

肺胞上皮細胞

(Pneumocyte)

○肺胞上皮細胞とは

肺において血液ーガス交換を担っている肺胞の上皮細胞は、扁平なI型肺胞上皮細胞と、四角いII型肺胞上皮細胞という二種類の細胞から構成される。

I型肺胞上皮細胞は70平方メートルにも及ぶ肺胞の表面積の95％を占めており、酸素と二酸化炭素を交換する働きを持つ。一方、5％を占めるⅡ型肺胞上皮細胞は肺サーファクタントを分泌することで肺胞を表面張力から守り、肺胞の形態を維持する役目を果たしている。また、Ⅱ型肺胞上皮細胞はACE2というタンパク質を細胞膜に発現しており、コロナウイルスとの関連が注目されている。

図１　肺胞
　https://embryology.med.unsw.edu.au　より引用
　alveolus: 肺胞
　alveorar tyoe 1 cell :Ⅰ型肺胞上皮細胞
alveorar tyoe 2 cell :Ⅱ型肺胞上皮細胞

○血液空気関門

I型肺胞上皮細胞は厚さ0.2μmの扁平な形態をとり、片面が肺胞（外気）に、基底膜を介してもう片面が毛細血管に接触している。細胞小器官はあまり発達しておらず、異物を取り込む飲作用小胞＝ピノソームのみ観察される。

隣接する肺胞上皮細胞は密着結合しているため、隙間からの無制御な物質交換は無く、すべて肺胞上皮細胞、基底膜、血管内皮細胞を経由することとなる。これを血液空気関門と呼び、その厚さは約2.0μmである。密着結合には組織液の流出を防ぐ働きもある。

Ⅰ型肺胞上皮細胞は外気からの毒などの刺激を受けやすく、したがって傷つきやすいが、自身には分裂能がない。傷ついた場合にはII型肺胞上皮細胞がI型肺胞上皮細胞に分化して置き換わることによって、傷を修復する。

○酸素と二酸化炭素の交換

空気に触れているⅠ型肺胞上皮細胞は末端組織に比べてO2濃度が高く、CO2濃度が低く保たれており、毛細血管を流れる赤血球のヘモグロビンは酸素解離曲線に従って酸素を受け取ることができる。

無極性分子である酸素は細胞膜や基底膜を容易に通過するため、酸素の交換には特別なチャネルやトランスポーターを必要としない。二酸化炭素も酸素と同様に膜を通過することができるが、I型肺胞上皮細胞は分化の過程で二酸化炭素の透過能を二倍に向上させることが知られている。この機構には水チャネルのアクアポリン5が関与するという。

○肺サーファクタント

肺胞上皮の外気側には上皮被覆液と呼ばれる水の層が存在し、その表面張力は表面積を小さくする向き、すなわち常に肺胞を縮める向きに働いている。Ⅱ型肺胞上皮細胞は肺サーファクタントと呼ばれるリン脂質（界面活性剤）を分泌し、水層の表面を覆うことによって表面張力を弱め、肺胞の形態を支えている。

図　肺サーファクタントは上皮被覆液の表面張力を弱める。

○ACE2とTMPRSS

ACE2は、新型コロナウイルスやSARSの表面のスパイクタンパク質と結合しする受容体として注目されているタンパク質であり、スパイクタンパク質を切断するプロテアーゼであるTMPRSSと共に、新型コロナウイルスの細胞内侵入を促す分子として注目されている。TMPRSSによる切断を受けたウイルスタンパク質は活性化され、細胞内侵入が可能となる。

ACE2とTMPRSSの両方を細胞膜上に発現している細胞は、Ⅱ型肺胞上皮細胞や気管支細胞、鼻粘膜細胞、腸管の吸収細胞を挙げることができる。したがって、肺胞に至った新型コロナウイルスはACE2、TMPRSSを介してⅡ型は肺胞上皮細胞に侵入し、増殖することが想定される。

ACE2とスパイクタンパク質の結合を阻害し、侵入を防ぐ薬剤であるナファモスタットが、ウイルス感染を防ぐ薬剤になるのではないかとして注目されている。

○参考文献

・呼吸器系組織の創出に向けた基礎研究の進展田所友美

・二酸化炭素の細胞膜透過に関る「CO_2チャネル」は存在するのか? -科研費

・呼吸器とアクアポリン（日本小児アレルギー学会、2001）
・急性肺損傷（ALI），急性呼吸促迫症候群（ARDS）の病態と診療　－藤島清太郎

・Wikipedia

Ⅰ型肺胞上皮細胞

肺胞

Pulmonary alveolus

　急性呼吸窮迫症候群
・東大保健センター　研究紹介

2019年01月07日

HeLa細胞

(HeLa cell)

○HeLa細胞とは

HeLa細胞は、ヘンリエッタ=ラックスという黒人女性の子宮頸癌を由来とする細胞株である。1951年に確立されたHeLa細胞はヒト培養細胞の中で最も長い歴史を持ち、分裂の速さや環境変化に対する生存力の強さ、付着細胞であることが培養を容易にしているため、現在でも多くの研究室でin vitroモデルとして用いられている。

図１　HeLa細胞
　DNAをHoechestという色素によって染色したもの。左側の細胞は分裂期に入っている。

○不死化

通常のヒト細胞を組織から分離してシャーレ上で培養しようとする場合、何回かは分裂を繰り返すが、ある回数以上は分裂することができない。これをヘイフリック限界と言い、ヘイフリック限界を無視して無限に分裂を繰り返す細胞を,不死化した細胞、と呼ぶ。

ヘイフリック限界の分子的原因はテロメア短縮である。細胞周期を一周するごとにDNAは二倍に複製されるが、その両端を完全に複製することは不可能であり、DNAの両端に存在する「テロメア」という遺伝情報の乗らない繰り返し配列（TTAGGG）が分裂ごとに短くなっていく。テロメアは分裂カウンターの役割を果たすと言われ、5kbを切ると分裂周期は止まってしまう。ガン細胞などの不死化した細胞はテロメアを延長するテロメラーゼという酵素を多く発現しているため、ヘイフリック限界を回避できることが知られている。

○ヒトパピローマウイルス

HeLa細胞の場合、ヒトパピローマウイルス（HPV）が子宮頚部に感染したことが不死化の原因であるとされる。HPVは二本鎖のDNAウイルスであって、複数のタンパク質をコードする（Open reading frame）配列を持つ。その中に位置するE6,E7と呼ばれるたんぱく質が不死化の原因になったと考えられており、それぞれp53,pRBの働きを阻害する。p53はDNA損傷や環境変化に応答して修復やアポトーシスを誘導するタンパク質であり、pRBはS期に進行させる転写因子E2Fと結合して抑制する働きを持つ。p53,pRBは共に著名ながん抑制遺伝子である。

さらにp53はテロメラーゼの発現を抑えることが報告(Xu, et.al, 2000)されており、結果としてE6はテロメラーゼの発現増強の原因の一つにもなっていると考えられる。

なお、長い歴史の中ですでにパピローマウイルスのDNAはHeLa細胞のゲノムに挿入されており、HeLa細胞を扱ってもウイルスに感染する心配はない。

○HeLa細胞の異数性

通常、細胞は1-22番の常染色体を2本ずつと性染色体2本で、合計46本(2n)の染色体をもつ。しかしながら、HeLa細胞は異数性であり、それより多くの染色体をもっていることがしられている。

下の図は2006年に発表されたHeLa細胞の染色体の様子であるが、全ての染色体が異常に多いことがわかる。染色体の本数は細胞ごとに異なり、平均して82本程度になっている。

図2　HeLa細胞の染色体数は異常である。
Smirnov et al., 2006　より

○HeLa細胞の培養

HeLa細胞は付着細胞であり、シャーレ（ディッシュ）の上で育てることができる。分裂はおよそ24時間に一回であり、シャーレ上を細胞が埋め尽くした状態を(100%)コンフルエントという。例えば今50%コンフルエントであれば、100%コンフルになるのは明日、と考えられる。HeLa細胞に限らず、コンフルエントに至ってしまった培養細胞は形質が変化することが経験的に知られているため、そうなる前に数を調整する必要がある。

シャーレに付着した細胞をトリプシン処理によって剥がし、数を減らして別の新しいシャーレに撒きなおす作業を「継代」と呼ぶ。継代もまた数をこなすごとに細胞の形質が変化するので、その回数を記録したり、継代回数の少ない細胞を冷凍保存しておく必要がある。

培地はE-MEM（最小必須培地）と呼ばれる液体にウシ胎児血清（FBS)を加えたものが用いられる。一般的に血清を加えないと細胞は分裂しないことが知られているが、その原因物質は成長因子であると推測されるが、特定はされていない。ただし、HeLa細胞はFBS無しでも分裂することができるともいう。

○まとめ

HeLa細胞は、60年前に確立された最古のヒト培養細胞
黒人女性ヘンリエッタ=ラックスの子宮頸がん細胞が由来
パピローマウイルスの影響で不死化

〇参考文献

・＜総説＞ヒトの老化・ガンとテロメラーゼ　井出利憲・田原栄俊

・Downregulation of telomerase reverse transcriptase mRNA expression by wild type p53 in human tumor cells.

Xu,D et al oncogene, 2000

・HeLa　商品詳細

http://www.saibou.jp/service/kensaku/detail.php?catalogno=EC93021013-F0

・細胞培養講座「血清はなぜ必要？」

http://www.saibou.jp/service/know07.php

・Wikipedia

テロメア

HeLa細胞

ヒトパピローマウイルス

2019年01月03日

好中球

(Neutrophil)

○好中球とは

好中球は、白血球の細胞の一つである。好酸球、好塩基球と共に顆粒球に分類され、細菌や真菌を捕食して、殺菌する働きを持つ。骨髄において造血幹細胞から分化し、成熟すると核が分葉する。

メチレンブルー（塩基性色素、青）、エオシン（酸性色素、赤）、azure Bの混合液による染色をギムザ染色という。血液にギムザ染色を用いると、好酸球はエオジンによって赤く、好塩基球はメチレンブルーで青っぽく、好中球は両者で赤紫に染まることから、それぞれの名が付けられている。

図１　好中球　英語版Wikipediaより

○分化と成熟

造血幹細胞、前駆細胞、骨髄芽球、前骨髄球、骨髄球、後骨髄球、桿状核球、分葉核球＝好中球、の順に分化成熟する。骨髄芽球までは好酸球、好塩基球に分化する可能性を残すが、前骨髄球以降は好中球への分化が運命づけられている。分化の各段階でその数を増加させており、一つの造血幹細胞から生じる好中球はおよそ300億個である。

480px-Bloodcelldifferentiationchart(Japanese)

図2　造血幹細胞の分化　Wikipediaより

好中球は四種類の顆粒を持っており、前骨髄球の段階で生じる顆粒のことを一次顆粒（アズール顆粒）と呼ぶ。その後、骨髄球まで分化すると二次顆粒が生じ、桿状核球で三次顆粒、分葉核球に至って分泌顆粒が生じる。一次～三次顆粒は食胞と融合して細菌を殺すために用いられる。一方、分泌顆粒は”分泌”と名がついている通り、細胞膜と融合する顆粒である。ATPなどの顆粒内物質を分泌することのほかに、分泌顆粒の膜に刺さっている様々な受容体を炎症に応答して表出させる働きを持つ。

図3　分泌顆粒

体内の好中球のうち、末梢血を流れている循環プールはおよそ半数で、もう半数は脾臓や肝臓に辺縁プールとして蓄えられている。さらに骨髄にも前駆細胞を合わせた大量の滞留プールがあり、緊急事態への備えとなっている。感染症や炎症反応で放出された各種物質の刺激を受けると、プールから好中球が血液に流入し、その機能を果たす。

○好中球による防御

好中球は、体に侵入した細菌類に対する防御の役割を果たしている。ただし、細胞内寄生細菌や細胞内ウイルスに対しては無力である。

細菌が侵入すると、まずは末梢に位置するマクロファージや樹状細胞が貪食し、インターロイキンを放出して炎症反応を引き起こす。すると血管内皮細胞の透過が亢進され、血液中を流れていた好中球が組織へと浸潤するようになる。さらに炎症した細胞はケモカインを放出しているため、浸潤した好中球は受容体を介してシグナルを受け取り、アクチン骨格を形成することによってケモカイン濃度が高い方、すなわち炎症部位へと遊走する。

そして好中球が細菌に接近すると、膜上の受容体によって細菌の細胞膜/細胞壁、もしくは付着した抗体IgG（オプソニン）や補体を認識し、貪食を開始する。細菌が取り込まれて形成された袋を食胞と呼び、そこに顆粒を融合させることによって殺菌処理がなされている。

殺菌の方法は活性酸素を用いるものと、用いないものとに大別される。酸素依存性の機構においては、好中球はNADPH（還元剤）を材料として過酸化水素/活性酸素を合成し、アズール顆粒（一次顆粒）内のミエロペルオキシダーゼがCl−イオンを用いて亜塩素酸を合成する。亜塩素酸は強力な酸化剤として細菌の様々な物質を無差別に酸化するので、細菌は死ぬ。

非酸素依存機構には細胞壁を分解するリゾチーム(三次顆粒）、細菌の生存に必要な鉄を奪うラクトフェリン(二次顆粒)、プロテアーゼの一種であるエラスターゼ(一次顆粒)などがある。

細菌を貪食して殺害したのちに好中球もアポトーシス（自発的な死）し、マクロファージに食されるか、膿となって体外に出される。

○まとめ

酸性色素・塩基性色素の両方に染まる顆粒球を、好中球という。
造血幹細胞から分化する。
身体に侵入した細菌を殺菌するはたらきを持つ。

〇参考文献

・第75回日本血液学会学術集会

　教育講演5 好中球分化異常と疾患平位秀世

　http://www.myschedule.jp/jsh2013/detail.php?session_unique_id=EL-05&sess_id=8&strong=1
・Wikipedia　好中球

2019年01月02日

好塩基球

(Basophil)

○好塩基球とは

顆粒球のうち、メチレンブルーやヘマトキシリンなどの塩基性色素に染まるものを好塩基球という。その数は好酸球や好中球に比べて非常に少ない（白血球の0.5%）。体表面の寄生虫への応答や、アレルギー反応に関与すると考えられている。

図１　好塩基球　英語版Wikipediaより

○アレルギーと好塩基球

アレルギーはI型からIV型に分類され、I型は「IgE抗体や肥満細胞を介した素早い応答」、II型、III型は「IgG抗体を介した数時間程度遅れた応答」、IV型は「抗体を介さないキラーT細胞による遅延（慢性）型応答」である。と従来言われていたのだが、IgE抗体は慢性型応答にも関わっているということが近年明らかになっている。IgE依存的な慢性型応答に対して司令塔的に働くのが好塩基球であり、それを除去すると応答が消失するという。

ーーーーーーーーーーーーー
抗体（免疫グロブリン, Ig）の種類について

IgG...「Y」の形の単量体として存在する抗体。全体の70%以上を占める多数派。様々な抗原と結合し、補体活性化やオプソニン化による食作用の促進など

IgE...「Y」の形の単量体として存在する抗体。全体の0.001%という微量の抗体。アレルギーに関連。

図　抗体の構造　wikiより
　IgG, IgEともに単量体であり、図のような形で存在する。抗体と直接結合するY字の先端部分を可変部、それ以外を定常部と呼ぶ。Y字の下端の定常部をFc領域という。

ーーーーーーーーーーーーー

また好塩基球は、アナフィラキシーショック（急性なⅠ型アレルギー）にも関与する。肥満細胞が原因となる一般的なアナフィラキシーショックはIgE依存的なのに対し、好塩基球によるアナフィラキシーショックはIgG依存的である。好塩基球は肥満細胞と同様に膜上にFc受容体を持ち、抗原抗体複合体を受容するとシグナルが走り、血小板活性化因子(PAF)を放出して毛細血管を拡張させる。これが激しい場合、血圧が急低下することによってショックに陥る。

図　アナフィラキシーの様式
　上段が肥満細胞（マスト細胞）によるアナフィラキシー、中段が好塩基球、下段が好中球によるもの。
J Clin Invest. 2011;121(4):1260-1263. https://doi.org/10.1172/JCI57296.

○寄生虫と好塩基球

寄生虫の代表として、マダニの研究がなされている。マダ二は、皮膚に付着すると1～2週間吸血を続け、大きく膨らんで去っていくという特徴を持つ。中に病原体を持っていて、ライム病などの深刻な感染症を引き起こす可能性があるが、興味深いことにマウスやモルモットでは二度目のマダニ吸血に耐性があることが知られている。この免疫反応を担うのが好塩基球であり、吸血部位に集まっているようだ。詳しいことは不明であるが、好塩基球を除去すると耐性が失われることが知られている。

○まとめ

塩基性色素に染まる顆粒球を好塩基球という。
アレルギー反応に関与する。
体内に少ししか存在せず、多くの謎が残されている。

〇関連項目

・好中球

・好酸球

〇参考文献

Bloom!医科歯科大　No.11

「長い間謎であった好塩基球の生体内での役割を解明」　烏山一

東京医科歯科大学　研究紹介　免疫反応における好塩基球の役割の解明

https://immune-regulation.org/index.php?id=13

Wikipeda「好塩基球」「Basophil」

実験医学　2012年4月号　慢性アレルギー応答

2019年01月01日

好酸球

(Eosinophil)

○好酸球とは

顆粒球のうち、酸性色素(Eosin)に染まるものを好酸球という。骨髄において造血幹細胞から分化し、骨髄、末梢血、組織に100：１：100の割合で分布する。特に上皮組織に多く、肺や子宮、皮膚、消化管によく見られる。核は2葉に分かれており、多数の顆粒を有する。

図１　好酸球の模式図　英語版Wikipediaより

○顆粒

好酸球の顆粒には、主としてMBP（Major basic protein）、ECP/RNASE3(Eosinophil cationic protein)、EPO(Eosinophil peroxidase)、EDN/RNASE2(Eosinophil-derived neurotoxin)、リゾチームという５種類のタンパク質が含まれている。 MBP,ECPを構成するアミノ酸にはアルギニンをはじめとした塩基性(basic)のものが多いため、顆粒は酸性色素(eosin,橙色)に染まりやすい。

図2　好酸球ギムザ染色
　好酸球（中央）の顆粒がエオジンによって橙～赤に染まっていることがわかる。

○分化

好酸球は他の顆粒球同様、造血幹細胞から分化し、前駆球以降は好酸球のみの分化経路に乗っている。前駆細胞から好酸球が分化するためには、IL-3、G-CSF、IL-5の順に受容することが必要である。IL-3、IL-5はT細胞が主に分泌し、G-CSFは血管内皮やマクロファージが分泌する。分化のシグナルを受け取ると、細胞内ではMAPカスケードやNFκB、Jak-Stat経路が働く。また、好酸球に対するケモカインとしてeotaxinが知られており、血管外浸潤後の遊走に働いている。

○好酸球の機能

好中球に比べて貪食能は弱いが、蠕虫を脱顆粒によって殺害することができる。またRNAaseも保有（ECP,EDN）して、抗ウイルスにも働いている。EDNはまた、樹状細胞の走化因子としても働く。

さらに、好酸球はアレルギー部位に集まることが知られている。気管支喘息に多く集まるため、従来は傷害の原因とみられていたが、最近は寧ろTGFβを放出して組織修復（気道リモデリング）に働くと考えられている。

○まとめ

・酸性色素に染まる顆粒球を好酸球という。

・造血幹細胞から分化する。

・蠕虫を殺す役割。

〇関連項目
・好中球
・好塩基球

〇参考文献

Wikipedia
好酸球
Eosinophilli

New生理学　日本医事新報社
大阪大学大学院医学系研究科　好酸球増多症
http://www.imed3.med.osaka-u.ac.jp/disease/d-immu07-2.html

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