概要：呼吸上皮は、吸入された有害物質、特に嚢胞性線維症の病原体に対する最初の化学的、免疫的、物理的障壁となります。 CFTRタンパク質の機能不全による局所粘液の肥厚、粘液線毛クリアランスの変化、pHの低下により、細菌の過剰増殖と過剰な炎症が促進されます。 我々はこのレビューで、嚢胞性線維症患者における上皮内の呼吸粘膜の変化と免疫グロブリンAに関連する局所免疫に関する現在の知識を要約することを目的としました。

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1. はじめに

1938 年にドロシー アンダーセンによって特定された嚢胞性線維症 (CF) は、多系統疾患であり、白人集団で最も一般的な致死性の常染色体劣性遺伝性疾患です [1-3]。 CFは世界中で約85,000人に影響を与えています[4]。 発生率は人種や民族によって異なり[3]、北ヨーロッパ系の人々では出生約3000人に1人の割合で発生し、キャリア頻度は25人に1人と推定されています[5]。 CF の有病率は、特に効果の高いモジュレーター療法に関連した生存率の向上だけでなく、診断方法と新生児スクリーニングの改善による新規症例の早期発見によって増加しています [3,6]。

CF は、1989 年に発見された CF 膜貫通コンダクタンス制御因子 (CFTR) 遺伝子の変異によって引き起こされます。CFTR 遺伝子はヒト 7 番染色体の長腕に位置し、ATP 結合カセットファミリーに属するアニオンチャネルをコードしています [7-10]。 CFTRは、すべての上皮（鼻粘膜、気管、肺、外分泌膵臓、腸、汗腺、腎臓、唾液腺、精巣、子宮）の頂端表面、ならびに粘膜下腺の漿液細胞、単球、免疫細胞で発現されます。 、平滑筋細胞、神経細胞、心臓細胞[11-22]。 正常な大気道および小気道では、最近、繊毛細胞よりも分泌細胞および基底細胞に多く局在している[23]。 その広範な表現は、この病気の全身的な性質を説明しています。 CFTR タンパク質は、上皮バリアを通過するイオンの輸送と水の移動を調節するチャネルです。 これは、細胞膜を通過する陰イオン輸送（塩化物、重炭酸塩、チオシアン酸塩、およびグルタチオン）に関与しており[24-27]、他のイオンチャネルや輸送体、例えば上皮性Naプラスチャネル（ENaC）などの輸送体を制御すると記載されている。 CFTR [17]。 CFTR 遺伝子には 2,000 を超える変異が報告されており、そのうち 382 が CF の原因であることが知られています [28,29]。

CFTRの機能不全は、CFTRが発現する臓器に多くの症状を引き起こすが、依然として肺疾患が罹患率と死亡率の主な原因である[3](2018年にヨーロッパにおけるCF患者の66.14%の死亡率の原因となっている)[30]。 1950 年代から徐々に導入された対症療法により、生存率と生活の質が改善されました。 CFTR タンパク質の欠損を修正する標的治療が現在利用可能です。 補正器 (lumacaftor、lumacaftor、および lumacaftor) と増強剤 (ivacaftor) [31] は、それぞれ CFTR の折り畳みと処理を復元し、CFTR チャネルの開口部を改善することができます。 これらの薬剤は、FEV1、BMI、生活の質を改善し、汗の塩化物と肺の増悪の数を減少させます[32-39]。

上気道では、ほぼすべての患者が慢性副鼻腔炎と鼻の炎症を発症し、鼻ポリープの出現を促進します[40]。 CF肺疾患は、粘液詰まり、慢性好中球性炎症、再発性感染を特徴とする粘膜閉塞性疾患であり、気管支拡張症や肺実質の破壊などの進行性の肺の構造的損傷を引き起こす[41,42]。 活性化された好中球は気道に補充され（最も顕著な炎症細胞集団となる）、多数の炎症性メディエーターを排出します[43-45]。 変異型CFTRチャネルは、好中球関連の酸化ストレスに対抗する抗酸化物質を輸送しない。これは、CF肺組織の損傷（気管支拡張症および気管支軟化症）および進行性の肺機能低下の原因となる、炎症誘発性サイトカインと抗炎症性サイトカインの不均衡の一因となる[46]。 欠陥のある免疫応答（粘稠な粘液、欠陥のある免疫細胞、抗菌分子、および粘液線毛クリアランスの減少）は、日和見病原体による急性かつ進行性の慢性肺感染症を引き起こします[45]。 呼吸器系ウイルス、メチシリン感受性黄色ブドウ球菌、インフルエンザ菌が最初に流行し、年齢とともに、肺機能と生命予後の悪化に関連する緑膿菌などのより有害で耐性のある病原体に取って代わられる[47-49]。

2. CF呼吸上皮の変化

呼吸上皮は、吸入された病原体に対する最初の障壁であり、鼻から終末呼吸細気管支までの気道を覆っています[50]。 この偽重層上皮は、4 つの主要な細胞タイプ (気道上皮細胞の 50% 以上を占める繊毛細胞、杯細胞、基底細胞、クラブ細胞) で構成され、化学物質 (抗菌分子、リゾチーム、ラクトフェリン、プロテアーゼ、および抗プロテイナーゼなど）、免疫学的および物理的バリア [20、51-54]。 最近、異なる転写サインに基づく主要な上皮細胞のいくつかのサブセットが単一細胞分析によって記載されました（繊毛細胞については 3 つ、基底細胞および分泌細胞については 5 つ）[55]。 繊毛細胞の最初のサブセットは、SPAG1、LRRC6、および DNAAF1 などの繊毛事前集合のマーカーを示し、2 番目のサブセットは成熟繊毛細胞のマーカー (TUBA1A および TUBB4B) を発現しました。 炎症誘発性血清アミロイド A タンパク質を発現する 3 番目のサブセットは、おそらく免疫応答に関与していたと考えられます。 分泌細胞の最初のサブセットは、SCGB1A1 およびセルピンファミリーメンバーの発現を特徴とし、細気管支のクラブ細胞と同じパターンを共有していました。 杯細胞自体（第２のサブセット）は、ＭＵＣ５ＢおよびＭＵＣ５ＡＣ、ＡＧＲ２、およびＳＰＤＥＦを発現した。 3 番目のサブセットは繊毛細胞の前駆細胞であると考えられており、DNAH、ANKRD、MUC16、および MUC4 の発現を示しました。 別のタイプの分泌細胞 (粘液性) は、MUC5B、TFF1、および TFF3 を発現しました。 最後に、5 番目のサブセットは、リゾチームとラクトフェリンを発現する漿液分泌細胞です。 基底細胞については、5 つのサブセットが定義されています。サブセット 1 は腫瘍タンパク質 P63 とサイトケラチン 5 および 15 が豊富です。 トポイソメラーゼ II アルファのサブタイプ 2 (増殖基底細胞) および増殖マーカー Ki-67。 セルピンファミリーのサブセット 3 (分泌細胞に移行する基底細胞)。 サブセット 4 は、AP-1 ファミリーメンバーの JUN および FOS の発現を示しました。 そしてサブセット 5 は -catenin を発現しました。 それらの正確な役割は不明のままですが、健康な対照とCF患者の間で同様の割合です[55]。

剖検研究により、扁平上皮化生、炎症性浸潤、気管支拡張症、粘液化膿性栓などのCF患者の肺の変化が明らかになった[57,58]。 これは、気道上皮の仕様の変化（繊毛細胞の減少と杯細胞の増加[59]）、網様基底膜の肥厚[60]、細胞外マトリックスの構造成分（エラスチン、コラーゲン、グリコサミノグリカン）の分解と関連していた。 [61]。 上皮間葉転換（EMT）は、分極した上皮が間葉細胞に脱分化する発生および修復中の生理学的プロセスです[62]。 これには、極性マーカー (例、ZO-1 または E-カドヘリン) の喪失、遊走能力の強化、紡錘形などの間葉の特徴の獲得、ビメンチンの発現、フィブロネクチンなどの細胞外マトリックスタンパク質の分泌が含まれます。 [63,64]。 損傷後、EMT により間葉細胞が病変上で移動し、粘膜毛様体上皮に再分化できる層が形成されます。 慢性炎症ではEMTが持続し、リモデリングを引き起こす可能性がある[65]。 さまざまな研究により、CF ではリモデリングが発生するが、EMT の存在は依然として不明であることが示されています [66]。 ある研究では、EMTマーカー（フィブロネクチンとN-カドヘリン）の発現が、C38対照細胞株と比較してIB3細胞（CF気管支上皮由来の細胞株）で増加していることが実証されました[67]。 TGFシグナル伝達はEMTを促進し、これらの特徴はIB3細胞におけるTGF阻害により可逆的でした。 さらに、TGF-発現はCFで増加し、網様基底膜の肥厚と関連しています。 EMT の存在と上皮細胞の分化の変化は、線毛細胞数の減少、杯細胞数の増加、間葉マーカー発現の増加を示す、CF 気管支上皮の異常な表現型を特徴付けることを目的としたより最近のデータによって確認されました [68] (図 1) 、未公開データ）。 興味深いことに、CFTR発現上皮細胞のEMT感受性はCFTRモジュレーターによって逆転した[69]が、末期CF患者では、単細胞トランスクリプトームにより上皮分化の変化が確認され、基底細胞が少なく、繊毛細胞および分泌細胞に移行する細胞が多いことが確認された。非 CF コントロール [55]。

CF の生理病理学における感染の役割は重要です。 欠損したCFTRタンパク質は、ヒトおよびブタ(マウスではない)の重炭酸塩排泄を減少させ、気道表面液のpHを低下させることにより感染を促進する[70]。 CF ブタ気道上皮細胞培養では、この酸性環境が緑膿菌の死滅を損なうことが示されています [71]。 さらに、正常な成豚の気管における重炭酸塩分泌を阻害すると粘液線毛輸送が遅くなるため、粘液線毛クリアランスが変化し[72]、粘液線毛クリアランスの障害は毛様体周囲の液体量の減少にも関連している[73]。 CF 気道組織は、感染 (ウイルスおよび/または細菌) に対して、タンパク質および転写レベルの両方で対照気道とは過剰に、時には異なる反応を示します。 このことは、CF および非 CF 対照の小児から採取した一次気道上皮細胞の RNA 配列決定による緑膿菌およびヒトライノウイルス感染症に関する最近の研究によって強調されています [74,75]。 これは、特にベースラインでのIL-8産生の増加によって[76,77]だけでなく、緑膿菌感染後のIL-8 mRNAレベルの延長によっても、CF気道の持続的な炎症反応に寄与する可能性があります。 CF患者の喀痰中のIL-8レベルの上昇に加えて、TNF-やIL-1などの他の炎症促進性サイトカインも上方制御されている[77]。 気管支肺胞洗浄液では、IL-6、IL1、Th1 (INF-)、Th2 (IL-5、IL-13)、および Th17 (IL-17A) の濃度) サイトカインは非 CF コントロールと比較して増加しました [78]。 この過剰な炎症および改ざんされた細菌の死滅および排除に加えて、特にヒトパラインフルエンザ 3 ウイルス [79] またはライノウイルス [75,80] に対する CF では生来の抗ウイルス防御が変化しているようです。

3. CF呼吸上皮における免疫グロブリンAの粘膜免疫

3.1. IgAの構造

免疫グロブリン (Ig) A は、呼吸器粘膜で最も豊富な Ig (Ig の 70 パーセント) [81] であり、粘膜関連リンパ組織、特に気管支関連リンパ組織に存在する B 細胞によって産生されます。全身免疫系[82]。 成熟B細胞は、T細胞依存性およびT細胞非依存性のクラススイッチ組換えの両方を受けることによってIgA発現を獲得します[83]。

単量体 IgA は 160 kDa のタンパク質であり [84]、そのうち 2 つのサブクラスが存在します: IgA1 と IgA2 (後者は 2 つのアロタイプ変異体を示し、白人集団で優勢な IgA2m(1) とアフリカ人集団で優勢な IgA2m(2) です)。 IgA2 は、ヒンジ領域の 13- アミノ酸が欠失しているため、細菌性プロテアーゼに対する耐性が高いという点で IgA1 と異なります。 最も多く産生されるサブクラスである IgA1 は、血清中の IgA の約 90% を占めますが、IgA2 の割合は粘膜組織により多く存在します [82]。 骨髄形質細胞によって産生される IgA は主に単量体であり、血清中に存在します (88 パーセント) が、粘膜分泌型の IgA は大部分が重合体 (80 パーセント、ほとんどが二量体) です [50,82,84]。ポリマー免疫グロブリン受容体 (pIgR) への結合に必要なポリペプチド [82,84]。 血清 IgA 濃度は年齢とともに増加し、性別や喫煙状況によって変化します [85]。

3.2. IgA の規制と役割

上皮細胞の側底表面に発現する膜貫通タンパク質である pIgR は、上皮の基礎となる固有層の形質細胞によって産生される二量体 IgA (d-IgA) の上皮トランスサイトーシスを媒介します [81]。 d-IgA の結合の有無にかかわらず、pIgR はエンドサイトーシスされて頂端膜に送達され、d-IgA の非存在下では pIgR の半分が側底極にリサイクルされます [86-88]。 pIgR の発現は、サイトカイン (IFN-α、TNF-α、IL-1、IL-4、IL-17)、ウイルス、細菌、真菌、レチノイン酸、およびホルモン[89]。 輸送中または頂端極では、分泌成分 (SC) として知られる pIgR の細胞外リガンド結合領域が未確認のロイペプチン感受性エンドペプチダーゼによって切断され、遊離型または分泌型 IgA (S) の成分として放出されます。 -IgA) [90]。 内腔では、S-IgA が病原体や粒子を凝集させて中和し、いわゆる「免疫排除」によって病原体や粒子が上皮に付着するのを防ぎます [91]。 さらに、in vitro では、特定の IgA がトランスサイトーシス中にインフルエンザ ウイルスや麻疹などのウイルスを中和する能力を示す研究が行われています [92-95]。 別の研究では、IgAが固有層の可溶性抗原に結合することができ、その後、免疫複合体がpIgR依存性機構を通じて内腔に輸送されることが示されました[96]。 S-IgA は古典的補体経路を活性化しないが、骨髄細胞によって発現される IgA Fc 受容体に結合し、食作用、抗体依存性細胞媒介細胞毒性、スーパーオキシド生成、脱顆粒、サイトカイン分泌、抗原提示、およびカルシウム動員を促進する可能性がある [82, 92,97]。 SCもその役割を果たします。 まず、S-IgA を安定化し、好中球エラスターゼなどによるタンパク質分解から保護します [81]。 第二に、インフルエンザウイルスに対する中和能力を高めることにより、IgAの効果的な機能を改善します[98]。 最後に、SC は粘液を結合し、内腔と上皮の間に界面を形成することにより、S-IgA の適切な局在を調節します [99]。 Free SC には抗菌特性もあります。 たとえば、肺における肺炎球菌 SpsA 表面タンパク質の結合を減少させます [100]、好中球化学誘引物質 IL-8 および他のケモカインに結合し、それらの活性を阻害することで抗炎症剤として作用します [101]。 大規模なグリコシル化はSCおよびS-IgAの非特異的役割にとって重要であり、炭水化物の変化は欠陥のあるSCに関連している[102]。 まとめると、pIgR は微生物叢と上皮炎症の調節を通じて粘膜の恒常性において重要な役割を果たします。

3.3. CF における IgA 免疫

感染症や炎症における pIgR 発現の役割に関しては、慢性閉塞性肺疾患などの慢性呼吸器疾患 [103-105]、およびアレルギー性鼻炎や慢性鼻副鼻腔炎などの上気道疾患 [106] において、pIgR 発現がすでに研究されています。気道上皮細胞が減少することが示されました。 細菌性呼吸器感染症に関しては、Streptococcus pneumoniae が SC に結合して、in vitro で上皮細胞に侵入する可能性があります [107]。

CF では、いくつかの研究で血清中の IgA 濃度の増加 [108]、特に緑膿菌の慢性感染 [109] やより重度の疾患 [110] が示されています。 この増加は、CF 患者の喀痰または気管支肺胞洗浄でも示唆され [111]、CF 喀痰中の遊離 SC の増加 [112]。 特異的抗緑膿菌 IgA は、患者が慢性感染症 [113] または肺機能低下 [114] に苦しんでいる場合、血清中で上方制御されることも示されているが、喀痰 [115] や鼻汁 [116] でも同様である。 しかし、他の研究では、CF 唾液 [117] および胃管腔灌流液 [118] における IgA 分泌の減少が示されました。 CF の治療法研究では、pIgR はα-1 アンチトリプシンを気管支内腔に輸送するためにも使用されました [119]。 最近、CF 肺における pIgR 発現と pIgR 調節異常および IgA 免疫の原因となる可能性のあるメカニズムを評価するために、多峰性アプローチ (肺組織、喀痰、血清、初代上皮細胞培養物、CF マウスを含む) を使用した研究が実施されました [120] 。 この研究では、上皮 pIgR 発現、IgA 産生 (緑膿菌特異的 IgA を含む)、および IgA と B 細胞が CF 肺、喀痰、および血清において上方制御されることが示されました。 B 細胞を含む気管支周囲のリンパ球凝集の増加は CF [121] に記載されており、IgA 供給源の可能性があります。

しかし、CFヒト気管支上皮細胞とF508delマウスでの実験では、対照細胞にCFTR阻害剤を添加することで再現されるように、pIgR/SC産生とd-IgAトランスサイトーシスの構成的下方制御が明らかになった。 この負の CFTR-pIgR 経路には、CF におけるミスフォールド F508del-CFTR の活性化と、それに続く折り畳まれていないタンパク質応答 (UPR) が関与しており、小胞体 (ER) ストレスと UPR 経路が粘膜表面での IgA 産生の重要な調節チェックポイントであることが示されています。 実際、ER ストレス活性化 UPR は、SC および S-IgA 分泌を下方制御することができました。 緑膿菌でコーティングされたマイクロビーズによる慢性肺感染の in vivo モデルは、感染が IL-17 炎症性宿主反応を通じて F508del マウスの肺における pIgR 発現と IgA 産生を回復できることを示した [120]。 緑膿菌感染は、pIgR発現を刺激し、ERストレスとUPR活性化をさらに増加させる宿主IL-17応答を駆動することにより、CFTR-pIgR経路を調節します。 ER、緑膿菌感染によってさらに引き起こされるストレスは、UPR 活性化によって不十分に相殺される可能性があり、IgA アップレギュレーションに寄与することが示されています [122]。 連続的にTh17炎症が増加したT細胞のTh17分化促進（pIgR mRNAを調節できる）は、CF気管支拡張症と非CF気管支拡張症の両方に存在する現象であり、おそらくCFTR欠損だけに関連しているわけではない[123,124]。 IL{20}}やTNF-βなどの緑膿菌感染症で上方制御される他のサイトカインも、pIgR発現を上方制御することができた。 この最近の研究は、CF 患者の唾液中の SC 濃度の低下を示す結果を一致させる可能性があります。 これは、肺は後天性細菌感染の標的であるため、上方制御が肺でのみ選択的に起こる可能性があることを示唆している[120]。 CF の増悪の原因であるヒトインフルエンザ A ウイルスなどの他の微生物も、ER ストレスを増加させ、その非構造タンパク質 1 の発現を通じてストレスを調節する可能性がある [125,126]。 ただし、肺感染がない場合の pIgR 調節不全は、F508del モデルでのみ評価されました。 したがって、非 F508del 患者では pIgR を介した IgA 分泌は依然として不明瞭であり、よりまれな CFTR 変異についてはさらに取り組む必要がある [120]。 CF 患者における呼吸上皮の変化と IgA システムの調節不全の主な特徴を図 2 と表 1 にまとめます。

IgA とマイクロバイオームの関係に関して、腸と炎症性腸疾患に関する最初のデータは、炎症誘発性 IgA で覆われた細菌が炎症性腸疾患を引き起こす可能性があり、将来的にはそれらの細菌を根絶することが有望である可能性があることを示しました [127]。 最近、クローン病における NOD2 欠損は、マイクロバイオーム/IgA 相互作用を調節不全にする IgA の逆トランスサイトーシスを増加させることが示されました [128]。 多反応性 IgA は腸内の微生物叢に対する生来の反応性にも関与しており [129]、IgA 欠損による腸内細菌叢異常の誘発が記載されている [130]。

肺 - 腸軸は、肺疾患の経過に対する腸内細菌叢の影響の可能性 (およびその逆) であり、最近、Price らによって CF でレビューされました。 [131]。 例えば、腸内マイクロバイオームの変化は、小児における増悪やシュードモナスの定着と関連していた[132]。 腸における IgA 産生と肺の樹状細胞との間のクロストークの可能性を考慮すると [133]、S-IgA に関する将来の研究はおそらく、両方とも CF の影響を受ける肺と腸の間の関係に焦点を当てる必要がある。 実際、呼吸器/腸粘膜の炎症を促進する可能性のある IgA 結合細菌は、将来の治療の標的となる可能性があります。

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