免疫系の謎にメスが入る「ヒトの免疫機能とワクチン応答を再現できるツール」

コロナウィルスに感染して、症状が重篤に出る人と、そうでない人の差は何なのでしょうか？
この問いに明確な答えはまだありませんが、科学者たちは免疫系の謎を解明するツールを開発したようです。

Today’s scientists, however, now have a new tool to help them tease out the immune system’s mysteries, thanks to a group of researchers at the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University.

参照元：https://wyss.harvard.edu/news/the-immune-system-is-very-complicated-but-now-its-on-a-chip/
– ハーバード大学ヴィース生物学インスパイアード・エンジニアリング研究所 Wyss Institute

ベテランのサイエンスライターであるエド・ヨン氏のシンプルかつ極めて正確な言葉をThe Atlantic誌に引用すると、”免疫系は非常に複雑である “となります。

COVID-19のパンデミックが明らかにしたように、科学は微生物の侵入から我々を守る高度な防御機構をまだ完全に理解していないのです。

SARS-CoV-2に感染しても、症状が出ない人がいる一方で、激しい発熱や体の痛みに悩まされる人がいるのはなぜでしょうか？

また、体内で作られたサイトカインの嵐に負ける人がいるのはなぜでしょうか？

これらの疑問に対する正確な答えは、まだ得られていません。

しかし、ハーバード大学ヴィース生物学研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）の研究者たちによって、免疫系の謎を解明するための新たなツールが開発されました。

研究チームは、マイクロ流体チップ装置内でヒトのB細胞およびT細胞を培養し、リンパ節や人体の他の部位に存在する、免疫反応を仲介する構造体であるリンパ濾胞を自発的に形成するように誘導しました。

リンパ濾胞は、「ナイーブ」B細胞やT細胞を収容するさまざまな部屋から成り、特定の抗原にさらされると、完全な免疫反応に至る一連の過程が開始されるのです。

研究者は、免疫系の正常な機能を調べることができるほか、このリンパ球濾胞（LF）チップは、様々なワクチンに対する免疫反応を予測し、最適なワクチンを選択するために用いることができ、皿の中の細胞やヒト以外の霊長類などの既存の前臨床モデルよりも大きく改善されます。

この成果は、本日、Advanced Science誌に掲載されました。

筆頭著者であるヴィース研究所のシニアスタッフサイエンティストGirija Goyal博士（Ph.D.）話します。

Goyal博士：動物は、新しいワクチンを開発・試験するための標準的な研究モデルでしたが、その免疫システムは私たち自身のものとは大きく異なっており、ヒトがどのように反応するかを正確に予測することはできません。私たちのLFチップは、感染やワクチン接種に対するヒトの免疫反応の複雑な振り付けをモデル化する方法を提供し、将来的にワクチン作成のペースと質を大幅に向上させることができるでしょう。

偶然の発見

多くの偉大な科学的発見と同様に、LFチッププロジェクトも研究室でのセレンディピティの結果です。

Goyal博士をはじめとするヴィース研究所の科学者たちは、血液中を循環しているB細胞やT細胞が、ある組織に入るとどのように挙動を変えるかを調べたいと考えました。

そこで、ヒトの血液サンプルからこれらの細胞を採取し、マイクロ流体デバイスのオーガンチップ内で培養して、臓器と出会ったときに経験する物理条件を再現したのです。

しかし、もう一方の流路に培養液を流して細胞に栄養を与えると、B細胞やT細胞がチップ内で自発的に3次元構造に自己組織化し始め、「胚中心」（LF内で複雑な免疫反応が起こる構造）に類似していることがわかり、研究者たちは驚きを隠せませんでした。

Goyal博士：あまりに予想外のことだったので、当初の実験から完全に切り離して、この細胞が何であるかを解明することに集中しました。

研究者たちが、流動条件下で有機分子チップの内部に形成された謎の構造を調べ始めたところ、細胞がCXCL13と呼ばれる化学物質を分泌していることが判明しました。

CXCL13は、がんや自己免疫疾患などの慢性炎症に反応して、リンパ節内や体内の他の部位にLFが形成される際の特徴的な化学物質です。

この酵素は、特定の抗原に対するB細胞の活性化に重要であり、血液中を循環しているB細胞には存在しないものです。

CXCL13もAIDも通常の2次元ディッシュで培養した細胞には存在せず、循環血液細胞から機能的なLFを作り出すことに成功したことが示唆されました。

ヒトの体内のLFでは、活性化されたB細胞が成熟し、特定の病原体に対する抗体を大量に分泌するプラズマ細胞など、複数の種類の子孫細胞に分化します。

研究チームは、サイトカインIL-4と抗CD40抗体の組み合わせや細菌の死骸など、研究室でB細胞の活性化に用いられているいくつかの刺激を加えたところ、LFチップに血漿細胞が存在することを検出しました。

すると驚くべきことに、血漿細胞は生体内と同じようにLFの中に密集していたのです。

ヴィース研究所の技術者で論文の二番目の著者であるプラナフ・プラバラ氏は話します。

プラバラ氏：これらの発見は、複数の種類の病原体に対する反応など、ヒトの免疫系の複雑さを解明するために使用できる機能モデルがあることを確認したため、特に興奮しました。

チップ上でワクチン効果を予測する

研究チームは、免疫反応を引き起こすことができる機能的なLFモデルを手に入れたので、このLFチップを使って、ワクチンに対するヒトの免疫系の反応を再現し、研究することができないか検討しました。

ヒトの体内では、ワクチン接種によって樹状細胞と呼ばれる特殊な細胞が誘導され、注射された病原体を取り込んでリンパ節に移動し、その表面で病原体の断片を提示します。

そこで、この抗原提示細胞は、LFの局所T細胞の助けを借りてB細胞を活性化し、B細胞を病原体に対する抗体を産生する形質細胞に分化させるのである。このプロセスを再現するため、研究チームはLFチップに樹状細胞を加え、4人の別々のヒトドナーから得たB細胞およびT細胞も加えました。

次に、H5N1型インフルエンザワクチンと、ワクチンに対する免疫反応を高めることが知られているSWEと呼ばれるアジュバントをチップに接種しました。

その結果、ワクチンとアジュバントを接種したLFチップは、2次元培養したB細胞やT細胞、あるいはワクチンを接種したがアジュバントを接種しなかったLFチップに比べて、有意に多くのプラズマ細胞や抗インフルエンザ抗体を産生することがわかりました。

次に研究チームは、8人の異なるドナーの細胞を使って実験を繰り返しました。

今度は、市販のインフルエンザワクチン「Fluzone」を使いました。

その結果、処理したLFチップには、再び血漿細胞や抗インフルエンザ抗体が有意に多く認められました。

また、ワクチンを接種したLFチップについて、活性化した免疫細胞から分泌されることが知られている4種類のサイトカインのレベルを測定したところ、そのうち3種類（IFN-、IL-10、IL-2）のレベルが、フルゾンを接種したヒトの血清中に見られるレベルと同様であることが判明しました。

Wyss社の研究者たちは現在、製薬会社やゲイツ財団と共同で、LFチップを使ってさまざまなワクチンやアジュバントのテストを行っています。

ウィス研究所の創設ディレクターであり、ハーバード大学医学部（HMS）とボストン小児病院血管生物学のジューダ・フォルクマン教授、ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学・応用科学大学院の生体工学部教授である責任著者ドナルド・イングバー医師は話します。

フォルクマン教授、イングバー医師：COVID-19のパンデミックに端を発したワクチン開発の慌ただしさは、そのスピードに驚かされましたが、需要の増加により、従来の動物モデルは突然希少資源となりました。LFチップは、感染症とワクチンの両方に対するヒトの免疫反応を研究するための、より安価で迅速、かつ予測可能なモデルを提供するものであり、将来的に多くの疾患に対するワクチン開発の合理化と改善につながることを期待しています。

この論文のその他の著者には、ウィス研究所のYunhao Zhai、Min Sun Kim、Aditya Patil、Danielle Curran、Jaclyn Long、Abidemi Junaid、Tom Ferranteが含まれます。Wyss Institute、Brigham and Women’s Hospital、HMSのBruce Bausk、Tal Gilboa、Limor Cohen、David Walt、元Wyss InstituteメンバーのGautam Mahajan, Liangxia Xie, Roey Lazarovits, Adam Mansour, Sanjay Sharma, Oren Levy, Rachelle Prantil-Baun が含まれます。

本研究は、DARPA（協力契約番号W911NF-12-2-0036）、National Institutes of Health（助成金UG3HL141797）、Bill and Melinda Gates Foundation、BARDA（契約75A50121C00075）、Wyss Institute for Biologically Inspired Engineeringから支援を受けています。