COVID-19関連追加(20211020日)SARS-CoV-2は肺細胞の老化を誘発する

SARS-CoV-2は肺細胞の老化を誘導する: COVID-19肺疾患への影響の可能性】

Lipskaia L ,et al. Evidence that SARS-CoV-2 Induces Lung-Cell Senescence: Potential Impact on COVID-19 Lung Disease. American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology. Oct 11, 2021.

https://doi.org/10.1165/rcmb.2021-0205LE.

高齢は重症COVID-19の主要な危険因子である(1)COVID-19発症に年齢が関係する生物学的メカニズムを理解することは,予防および治療戦略の開発に不可欠である.我々は,健康の悪化や,特に肺を標的とした疾患(2)に極めて重要な役割を果たす基本的な老化プロセスである細胞老化(cell senescence)が、SARS-CoV-2誘発性肺疾患における肺の長期にわたる変化の進行といった肺疾患の病態に関与しているという仮説を立てた(2).老化細胞(senescent cells)は,安定した増殖停止状態(stable proliferation arrest)を示し,炎症性サイトカイン,免疫調節因子,プロテアーゼ,線維化促進因子(pro-fibrotic factors),および組織構造/機能を変化させる様々なエフェクターの放出を特徴とする,特異的老化関連分泌表現型(SASP: specific senescence-associated secretory phenotype)を獲得する(3).老化は,p53依存性CDK阻害剤p21のアップレギューション,および/または老化細胞の信頼できるマーカーであるp16の発現につながるDNA損傷応答を促進する無数のストレス因子によって引き起こされる.細胞老化は,加齢に伴う肺疾患,特に肺気腫,肺線維症,慢性閉塞性肺疾患において極めて重要である(2,4-6).最近の研究では,SARS-CoV-2 Spike protein-1が,ヒト老化細胞のSASPを悪化させ,重症COVID-19に見られる炎症反応を引き起こすことが示された.老化細胞を標的とした老化細胞除去薬(senolytic drugs)は,マウスβコロナウイルスに感染した老齢マウスの死亡率を低下させた(7)SARS-CoV-2感染と細胞老化との関連性をさらに評価するために,我々は,中等症または重症〜重篤COVID-19患者の気管支肺胞洗浄液(BALF)細胞を用いて得られたシングルセルRNAシーケンス(scRNA-seq)データを解析した(8),また,ヒトCOVID-19を研究するためのモデルとして,SARS-CoV-2に感染したマカクの肺細胞の老化を観察した(9)

まず我々は,中等症または重症〜重篤COVID-19患者と健常対照者との間で公開されているBALF細胞scRNA-seqデータセットからデータを抽出し,老化関連遺伝子を解析した(8).発症してから1016日後に採取したBALFでは,重症〜重篤患者の上皮細胞では,コントロールと比較して,p16をエンコードする老化マーカーCDKN2AmRNAが主に上皮細胞,マクロファージ,T細胞に高レベルで検出された(Fig. 1A).老化マーカーであるCDKN2ACDKN1Ap21をエンコード),Urokinase Plasminogen Activator Surface ReceptoruPAR),CXCL8IGFBP3GDF15の発現は,重症COVID-19患者の上皮繊毛細胞およびクラブ細胞において,中等症患者や健常対照者と比較して有意に増加しており,肺細胞の老化誘導がウイルス検出と同時に起こっていることが示唆された(Fig. 1B).なお,重症COVID-19患者は中等症患者よりも年齢が高く,中等症患者と健常対照者では年齢は同程度であった(Fig. 1).別の研究(10)のシングルセルデータセットでは,同年齢の軽症重症の同年齢の患者を比較したところ(supplemental  Fig. S1),CDKN1ACDKN2Aの影響は最初のデータセットよりも少なかったが,変化は同様であった.SARS-CoV-2に誘発された肺細胞の老化の程度と老化肺細胞の運命を経時的にさらに評価するために,我々は4dpiおよび30dpi,すなわちウイルス量がピークに達した時点と,気道サンプルのRT-qPCRが最初に陰性化した時点で,それぞれマカクを調査した(9)4dpiの肺切片の免疫組織化学的研究では,肺内皮細胞(ECs)や肺実質細胞(parenchymal cells)を含むSARS-CoV-2抗原染色細胞と,肺胞傷害部位に優勢な多数のp16およびp21免疫蛍光染色細胞が認められた(Fig. 2A).p16陽性細胞は,4dpiではSARS-CoV-2 Spike protein-1も陽性であり,老化肺細胞がウイルスに感染したことを示している.SARS-CoV-2抗原染色細胞は,30dpiではほとんど見られなくなったが,p16およびp21陽性細胞が肺全体に大量に蓄積していることから,ウイルスが除去された後も老化肺細胞が残っていることがわかった(Fig. 2A).p16陽性細胞は,4dpiおよび30dpiにおいて,DNA損傷マーカーであるγ-H2AX proteinおよびp53-binding protein 1p53も検出された(Fig. 2A).

興味深いことに,30dpiの肺では,4dpiで見られたconsolidationとなっていた肺実質領域はもはや見られず,肺胞壁と肺血管壁が肥厚し,コラーゲン染色で評価したように,豊富な細胞外マトリックスの沈着を伴う広範囲の肺実質リモデリングが見られた(Fig. 2B and supplemental Fig. S2).これらの進行した病変は,p16およびp21陽性細胞の大量蓄積を伴っており,そのほとんどがII型肺胞上皮細胞とECsであったことが,それぞれp16およびムチン1von Willebrand因子の二重免疫蛍光染色(double-immunofluorescence staining)で示された(Fig. 2B).また,多くの肺血管,特に血栓で閉塞した肺血管では,ほとんどのECsp16で染色され,von Willebrand因子染色(※血管内皮障害)やフィブリン染色が認められたことも注目に値する.これらのデータは,SARS-CoV-2によって引き起こされた肺病変と老化細胞の蓄積との間に,時間的およびtopographicな関係があることを示す初めての証拠である.

細胞老化は,通常,健康的な加齢(healthy aging)を著しく阻害し,加齢に伴う非伝染性疾患を促進する慢性的なストレス要因に対する反応であると考えられている(11).ここでは,重症COVID-19患者のBALF細胞が,高レベルの老化細胞マーカーを発現していた.このオリジナルの観察結果は,マカクのCOVID-19モデルでも確認された: 重症COVID-19関連肺傷害領域では,早期に大量の老化肺細胞が蓄積した.さらに,老化細胞は長期にわたって肺に残存し,その多くは肺胞隔壁や肺血管のリモデリングを含む長期的な肺の変化の進行と一致して認められた.細胞老化が組織の修復や炎症に悪影響を及ぼすことを考えると,これらの結果は,老化細胞の蓄積がSARS-CoV-2感染による早期の肺の変化や,潜在的にはかなりの割合の患者に見られるウイルス感染後の肺病変に寄与している可能性を示唆している(12).血栓を認めた血管内のECsのほとんどは老化しており,ECの老化と血管の血栓症の間には因果関係があることが示唆された.このように,細胞老化のプロセスを抑制したり,老化肺細胞を除去したりすれば,肺傷害を軽減できる可能性がある.現在,様々な肺疾患や他の原因によるARDSにおいて,老化をコントロールする戦略が提案されており,これは治療上重要な意味を持つかもしれない(13,14).最近のマウスを用いた研究では,マウスβコロナウイルスによる肺の炎症が老化細胞除去治療(senolytic treatment)によって著しく抑制され,老齢マウスの死亡率も低下した(7).これらの知見はまた,COVID-19やその他のウイルス感染症の病態における主要なメカニズムとしての老化を支持しており(15),ウイルス除去後の老化肺細胞の残存がウイルス感染後の肺疾患,すなわち肺気腫や線維症に寄与している可能性を示唆している.

 

Figure 1: Single-cell RNAseq of cells from COVID-19 patients revealed increased expression of  senescence markers in epithelial cells. (A) UMAP plot of cell types identified in BALFs (n=13)  from the GSE145926 dataset (7). (B) CDKN2A mRNA was predominantly detected in epithelial  cells, macrophages, and T cells. (C) CDKN2A expression was significantly upregulated in  epithelial cells from patients with severe COVID-19. (D) The expression of several senescence  markers (i.e., CDKN2A, CDKN1A, uPAR, CXCL8, IGFBP3, and GDF15) was significantly  increased in ciliated and club cells in BALFs from patients with severe COVID-19 pneumonia  compared to patients with moderate disease and to healthy controls. The statistical tests were  performed using the MAST package (Finak G et al. Genome Biology 2015), and adjusted P values  are reported. BALF, bronchoalveolar lavage fluid.

 

 

 

Figure 2A: SARS-CoV2 infection induced lung-cell senescence in cynomolgus macaques. Top.  Left and middle-left panels: representative micrographs of lung tissue from non-infected animals  (ni) and from animals at 4 and 30 dpi showing viral double-stranded RNA immunostaining (SARS-CoV2-J2, brown) in the parenchyma (left panel) and vessels (middle-left panel). Nuclei were  stained with methyl green (blue). Middle-right and right panels: representative micrographs  showing immunofluorescence of the senescence markers p16 (red) and p21 (red) in lung tissues.  Green elastin autofluorescence. Nuclei were stained with DAPI (blue). Bottom. Double  immunolabelling showing co-localization (pink in the merged images) of p16 (red) with SARS[1]CoV2 capsid protein Spike-1 (white, left panel), as well as with the DNA damage markers γH2AX (white, middle panel) and 53BP1 (white, right panel). Green elastin autofluorescence. Nuclei were  stained with DAPI (blue). Bar: 50 μ

Figure 2B: Lung lesions associated with cell senescence.  Representative micrographs of lung tissue from non-infected animals (ni) and from animals at 30 dpi showing lung lesions associated with cell senescence in the alveoli (left panel) and vessels  (right panel). Top: The lung lesions identified by hematoxylin/eosin staining (alveolar thickening  and vascular thrombosis) were confirmed by the Carstairs’ staining showing increased collagen  deposition (bright blue) and luminal fibrin (bright red) at 30 dpi. Bottom: Double  immunofluorescence showing co-localization of p16-positive alveolar cells (red) with Mucin 1  (Muc1, white), a marker of type II pneumocytes (left panel), and with von Willebrand factor (vWF,  white), a marker of endothelial cells (right panel). Note the intraluminal vWF staining indicating  thrombosis. Green elastin autofluorescence. The nuclei were labeled with DAPI (blue). The arrows  indicate thrombosis. Bar: 50 μ.

 

 

 

References

省略.

 

rcmb.2021-0205le.pdf