COVID-19:各臓器、細胞種のオルガノイドによる分析の総括

新型コロナウィルスは主に呼吸器に関わる感染症ですが、
様々な臓器に損傷を与える事があります。
共通的な症状としては、
〇発熱
〇倦怠感
〇息切れ
〇味覚、嗅覚障害
これらが挙げられています(1)。
新型コロナウィルスはエンベロープ膜上のSタンパク質が
ACE2受容体に結合する事が
細胞感染するための経路となります
そのACE2受容体は人の様々な細胞種に存在する
ことが明らかになっています(2)。
細胞内に侵入するためには細胞膜と膜融合する必要があり、
そのためにSタンパク質をへき開します。
その時に作用するタンパク質が
〇TMPRSS2(2)
〇CTSL(3)
これらです。
ーー
Yuling Han, Liuliu Yang, Lauretta A. Lacko & Shuibing Chen 
(敬称略)からなる医療研究グループは
新型コロナウィルスが様々な臓器に損傷を与える事実を受けて、
各臓器の細胞からなるオルガノイド(人工組織)から
細胞種ごとの感染性や感染抑制について調べた研究を
総括されています(1)。
本日はその内容の一部を読者の方と情報共有したいと思います。

//肺胞//ーー
Alveolar lung organoids(ALOs):肺胞オルガノイド
これについての研究です。
このALOsは
AT1, AT2(Type1/2肺胞上皮細胞)、間葉細胞を含みます。
ACE2受容体は主にAT2細胞に多く発現されています(4)。
人による人工多能性幹細胞技術によって
構築したオルガノイド研究で
AT2は新型コロナウィルスに対する感染性があります(4,6)。
また感染することで、
宿主の炎症性の免疫反応が再構築されます(7)。
感染したAT2細胞は感染した肺と似た特徴を持っています。
その特徴とは
タイプⅠ/Ⅲインターフェロン反応(8,9)
サーファクタントタンパク質の喪失、細胞死(10)
これらです。
-
(ALOs感染を防ぐ薬剤)
EK1:TMPRSS2抑制剤(6)
Remdesivir:M^pro(5)

//肺気道//ーー
hPSC-derived airway organoids(AWOs):肺気道オルガノイド。
これは
〇Multiciliated cells：繊毛細胞
〇Basal cells：基底細胞
〇Mucus-producing secretory cells:粘液分泌細胞
〇CC10-secreting club cells：気管支外分泌細胞
これらから構成されます。
新型コロナウィルス感染によって代謝機能が改変されます。
その代謝機能の変化とは
〇脂質代謝の抑制(11)
〇解糖の亢進(12)
これらです。
-
(AWOs感染を防ぐ薬剤)
GW6471:HIF1α、解糖レート抑制剤
Xanthohumol:脂肪酸生合成抑制剤(12)
ND-646:Acetyl-CoA carboxylase (ACC)抑制剤(12)

//気管支//ーー
Adult bronchial organoids(BCOs)気管支オルガノイド。
新型コロナウィルス感染後、サイトカイン、ケモカインの
変化が確認されました(13)。
-
(BCOs感染を防ぐ薬剤)
標的:Colony stimulating factor3(CSF3)(35)
MicroRNA hsa-MIR-5004-3p: SARS-CoV-2 leader sequence標的(14)。

//腸//ーー
新型コロナウィルス感染症の代表的な症状。
〇下痢
〇嘔吐
〇腹痛
これらがあります(15)。
Human intestinal organoids(IOs)は
〇Small intestina organoids(SIOs)：小腸
〇Colonic organoids(COs)：結腸
〇Ileal organoids(ILOs)：回腸
これらについてそれぞれ調べられています。
人の多能性幹細胞由来のSIOsとCOsは
共に新型コロナウィルスに感染する組織でした(16,17)。
感染によって小腸では超微組織的な変化を伴い、
かつインターフェロン活性遺伝子(ISGs)を含む
強固な転写反がありました(17)。
TMPRSS2, TMPRSS4はSIOsでウィルスの細胞内侵入を
促進するかもしれないとされています(19)。
感染したSIOsは炎症性経路やインターフェロン信号経路などの
活性化が生じました(20)。
-
(COs感染を防ぐ薬剤)
Remdesivir
Interferon-induced transmembrane proteins(IFITMs)抗体(18)
17-AAG:Heat shock protein 90抑制
Polyamine補充(36)
Autophagyの導入(36)

//腎臓//ーー
急性腎傷害を含む腎臓傷害は新型コロナウィルスの症状の中で
共通的なものです。
hPSC-derived kidney organoids(KOs)。
これに対する新型コロナウィルス感染症の影響が
調べられています。
Tubule epithelial cells:尿細管上皮細胞。
これでは3次元の組織の方が2次元の組織よりも
ACE2受容体の発現量は2倍高いことが示されています(21)。
KOsは新型コロナウィルスに感染することが
示されています(22)。
-
(KOs感染を防ぐ薬剤)
MEDS433：Human dihydroorotate dehydrogenase抑制(23)。

//肝臓//ーー
肝臓の損傷を含む肝臓機能の異常は
新型コロナウィルス感染症で多く診られています。
総ビリルビン量やアラニンアミノトランスフェラーゼ異常などです。
肝臓の細胞は
〇Hepatocytes:肝細胞
〇Cholangiocytes：胆管細胞 
これらが主要です。
hPSC-derived liver organoids(hPSC-LOs)はこれらを含みます。
上述した肝細胞には新型コロナウィルスが感染することが
確認されています(24)。
感染後、免疫系が惹起されます。
〇IL-17
〇ケモカイン
〇TNF
〇NF-κB
これらです。
また細胞性代謝が大きく抑制されています(24)。
ーー
ノンアルコール性脂肪性肝炎を持つ人から
作られた肝臓のオルガノイドは
通常よりも新型コロナウィルスの感染性が高まる
ことが確認されています。
従って、リスク因子となり得るとされています(25)。

//脳//ーー
新型コロナウィルス感染症では
〇嗅覚、味覚、記憶障害
〇脳卒中
など神経性症状がみられています。
人多能性幹細胞由来の脳のオルガノイド(BOs)による
新型コロナウィルスの研究では
〇皮質
〇海馬
〇視床下部
〇中脳
これらで確認されていますが、
神経細胞、星状膠細胞では検出は少なくなっています(26)。
一方で、星状膠細胞は脳オルガノイドでの
新型コロナウィルスの感染性を高める効果がる
ことが示されています(27)。
感染した脳の組織では自然免疫系、神経変性の遺伝子を
活性化する事が知られています(28)。
その遺伝子検査では神経細胞の代謝過程が変わります。
〇Eelectron transport–coupled proton transport,
〇Mitochondrial electron transport of cytochrome c to oxygen
〇NADH to ubiquinone
これらなどです(29)。
hPSC-derived choroid plexus organoids(CPOs)。
このモデルでは
新型コロナウィルス感染によって
上皮のバリア性を決める密着結合にダメージを与え
脳脊髄液のリークを引き起こすとされています(31)。
--
(KOs感染を防ぐ薬剤)
ACE2-blocking抗体
脳脊髄液の投与(29)
DICER1(a protein that cleaves double-stranded RNA)(30)

//眼//ーー
新型コロナウィルス感染症で入院した患者さんのうち
1/3は結膜炎を含む目の異常を訴えています。
hPSC-derived retinal organoids(ROs)。
この網膜の研究では
感染性があり、NF-κB経路を含め
炎症性免疫系が活性化されている事が確認されています(32)。

//心臓//ーー
新型コロナウィルス感染症は心臓血管疾患の原因となります。
〇急性心筋障害
〇心筋炎
〇不整脈
これらです。
これらは感染、炎症性免疫、サイトカインストームなどによって
引き起こされると言われています(33)。
hPSC-derived cardiac organoids(CDOs)では
感染によってサイトカインストームを起こします。
IFN-γ, IL-1β, poly(IC)は
心筋の収縮、拡張などの動きに異常をきたします。
これに対して
Bromodomain, Extraterminal domain抑制剤である
INCB054329によって症状を緩和することができる
可能性があるとされています(34)。

//オルガノイドの課題//ーー
オルガノイドによって人の細胞種ごとに
新型コロナウィルスに対する影響を評価する事ができますが、
血管、免疫、神経、臓器間の信号(内分泌)伝達
これらが欠けているため、
実際の症状とは異なる可能性があります。
また、呼吸器から入ったウィルスが
大きな人の身体の循環の中で
感染性を有する臓器に影響を与えるほど十分な量到達するか？
といった議論もあります。
ウィルス性なのか？
炎症性免疫性(サイトカイン、自己抗原を含む)なのか？
神経性なのか？
といった切り分けの難しさもあります。

//まとめ//ーー
新型コロナウィルスの細胞内感染に使われる
ACE2受容体は様々な臓器、その細胞種に発現しているため
オルガノイドの研究によって
それに応じた感染性が確認されています。
一方で、
新型コロナウィルスのウィルス量は
確認されている限り、10日程度で著しく低下するため
多くの臓器の細胞に本当に感染しているか？
といった見方もあります。

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