生命科学でも AI が話題の中心になっているが、２０２５年には人間の脳と AI を比較する研究が一段と進むような予感がする。特に、比較によって AI では難しいことを見つけ出し、新しいアルゴリズムに生かす研究は、我々の脳についても理解が深まると同時に新しいAIの設計につながる。

今日紹介する米国スクリップス研究所からの論文は、脳に学ぶことの重要性を示した研究の典型で、１１月１８日 米国アカデミー紀要 にオンライン掲載された。タイトルは「Identification of movie encoding neurons enables movie recognition AI（脳の動画エンコーディング方法の特定は動画を認識する AI を可能にする）」だ。

現在の AI の動画認識能力には問題が多いようだ。おそらく大きくて早いコンピュータで計算量をこなせば原理的には動画も認識できると思うが、普通のコンピュータでは難しい。例えば刑事ドラマで今でも監視カメラの映像を粘り強い刑事が徹夜で調べると言ったシーンはこのことを物語っていることになる。

まずこの研究の結論から述べると、動画をエンコードして一つの表象を作成する過程を全てオタマジャクシの視覚系に任せ、それを読み取って学習させた AI と一般的なカメラ画像を学習した AI とで、ペンテトラゾール添加によりシャーレの中のオタマジャクシの泳ぎが変化するのを動画から認識できるか調べている。同じように３００回動画を学習させて、薬剤濃度を区別できるか調べると、オタマジャクシの脳を用いた方が的中率が他の AI モデルより高いことを示している。

この研究で読み取っているのは視蓋と呼ばれる、網膜から投射を受け二次元的マップを形成する視蓋の神経活動を多数の神経細胞の興奮として記録し、視覚系本来のアルゴリズムにより視蓋野に形成される表象を使っている

すなわち、神経回路の処理を受けたあと視蓋に表象される神経興奮パターンは、連続した写真画像を読み取る AI より動画認識能力に優れていることになり、視蓋野で行われている処理を理解することで、なぜ脳の方が優れているのかがわかる。

この研究は、オタマジャクシの視蓋野での神経活動を、まず単純な対象が現れ消えていく短い過程を記録して、処理方法を解析している。対象を見るとき、網膜には対象が明るくなった時に反応する ON 型と、暗くなったときに興奮する OFF 型の神経が存在し、これが視蓋野に投射されている。この研究では、この２種類のシグナルの変化が実際には回転などの動きの認識に関わり、また OFF 型の神経が変化の終わりで正確に興奮することで、動きの認識の重点対象を回りから区別して認識している。

このように特に OFF 型のシグナルを光の変化だけでなく、対象物の変化を捉えるのに使っているのに利用していることが、動画認識を可能にしており、おそらく一般的な AI にはこのアルゴリズムが存在しない。

On/Off 型神経からもわかるように我々の視覚は網膜ですでに因数分解が行われており、これが視蓋野の神経興奮として現れる。この点については、京大医学部時代に親しく交流があった中西先生の On/Off 神経の発見など長い研究の歴史があるが、これを動画認識の点から再検討し、さらに現在の AI と比較したのがこの研究の面白さだ。またオタマジャクシを用いたのも面白い。

このように、AI と比べて我々の脳を知る研究は今後もどんどん発展すると思う。この研究の筆頭著者は平本さんという日本人の研究者で、この分野を是非牽引していってほしい。

皆様改めて明けましておめでとうございます。

さて、昨年アルツハイマー病研究分野での私の一押しは、store operated calcium channel（SOCC）の機能を調節する機構が異常 Tau により破壊され、細胞質のカルシウムバランスが変化することがアルツハイマー病 (AD) 発症に関わる重要な過程で、SOCC の調節に関わる細胞内マトリックスを再構築する薬剤が、AD の進行を止めることができることを示した、ベルギーからの論文だった。この論文が示すことは、小胞体 (ER) と細胞膜の間で Ca イオンをやりとりして局所細胞質の Ca を維持することの重要性だ。

今日紹介するコーネル大学からの論文は、樹状突起から飛び出たスパインでのシナプス刺激を樹状突起全体の興奮に拡大させる細胞膜と ER を統合している分子機構について明らかにした研究で、元旦に紹介するにふさわしい極めて重要な研究だと思って取り上げた。タイトルは「Periodic ER-plasma membrane junctions support long-range Ca 2+ signal integration in dendrites（ERと細胞膜の規則正しく繰り返す接合構造が樹状突起でCaシグナルを遠くへの伝達を支持している）」で、１２月２０日 Cell にオンライン掲載された。。

神経の樹状突起から飛びだした多くのスパインは他の神経とのシナプスを形成し、ニューラルネットでの重み付けの基盤を形成している。この論文を読むまで、スパインでの神経興奮は軸索での伝達のように膜の電位差により開くカルシウムチャンネル（voltage gated calcium channel;VGCC）をリレーして膜を伝わっていくのかと考えていたが、実はそう簡単な話ではなかったようだ。

この研究では、スパインに張り巡らされた ER が筋肉の収縮を統合する筋小胞体と同じような機能を持つのではと考え、まず樹状突起に存在する ER 構造を調べると、見事にレールのようにつながるネットワークができており、しかも細胞膜との間に VGCC や JPH3 と呼ばれる細胞膜と ER の結合を調節するタンパク質が、規則正しい間隔で並んだ接合部が形成されていることを明らかにする。

重要なことは、この接合部は細胞骨格分子とは全く無関係で、JPH3 分子により独自に決められており、JPH3 がノックダウンされると接合部は減少する。そして、JPH3 分子は接合部に VGCC を集めてくる役割を持っており、しかも神経活動が高まると、この接合部は多くの VGCC を集めてより興奮性の高い接合部へと変化する。

この接合部の構造的変化は、スパインの興奮により活性化される CAMKII が接合部に集まって誘導され、神経刺激はスパインの構造を変化させることが知られているが、スパインだけにとどまらず周りの細胞膜と ER 接合部まで変化が及び神経の反応性が決まることがわかる。

さらに、この接合部には ER から Ca を放出して細胞質の Ca 濃度を維持する RyR カルシウムチャンネルとともに細胞質の Ca を調節する SOCC とそれを ER にリンクさせる STIM2 分子も集まっており、興奮局所での Ca イオンのホメオスターシスを維持する複雑な仕組みが集まっていることがわかる。

最後にこの構造の意義を調べるため、１個のスパインを刺激したとき、ER 内での Ca 濃度がどのように変化するかを調べると、なんとスパインから２０ミクロン離れた ER まで Ca 濃度の低下が及び、また刺激を繰り返すと ER の Ca 濃度変化が減衰しながらも繰り返されることを観察し、ER からのカルシウム放出に関わる RyR と VGCC が一緒になってスパインからの刺激を樹状突起を通して伝えていることが明らかになった。

以上が結果で、元旦早々難しい論文の紹介になったが、スパインでの刺激が、どのように神経全体で共有されるのかという素朴な疑問に、構造と機能から明確に答える素晴らしい論文だ。さらに、最初に紹介したベルギーの論文を考えると、明らかになった新しい機構は AD の理解にも必須だと思う。AD では神経細胞が失われることだけが問題にされるが、それ以前の神経過程では、シナプスからのシグナル伝達の低下が必ず見られるはずだ。この点でも、この研究の意義は大きい。

今年は AI の１年だったが、他の医学生物学分野でも多くのブレークスルーがあった。ガンワクチンや新しいモダリティーのアルツハイマー薬は２０２５年に形になっていくのではないだろうか。もちろん発生学でも面白い論文が多く発表された。しかし、発生学の伝統を考えると、今年の一押しは今日紹介するカリフォルニア大学サンフランシスコ校のグループの論文につきる気がする。

論文のタイトルは「Synthetic organizer cells guide development via spatial and biochemical instructions（合成オーガナイザーは空間的生化学的インストラクションを介して発生を調整制する）」で、１２月１９日 Cell にオンライン掲載された。

オーガナイザーの概念は１９２４年ドイツのHans SpemannとHilde Mangoldにより、イモリの胚の分化を組織化している原口背唇部の機能を指す言葉として提案された。その後オーガナイザーの本態は発生研究の中心に座り続けてきた。

多くの研究が実際の胚を用いているのに対し、この研究はES細胞塊という自己組織化能はあっても発生プログラムがほぼ存在しない細胞の塊にオーガナイザーを付加することで、プログラムを指示する合成的手法をとったところが新しい。実際、ES 細胞が使える様になったとき、オーガナイザーを合成できれば胚を使った研究より遙かに明確な実験が可能になるはずだ、と思ったのは私だけではないと思う。

しかし、オーガナイザーの分子条件がわかってきても研究は簡単ではなかったと思う。この研究の最大のブレークスルーは、ES 細胞の塊に接着し、しかし同化しない細胞塊を形成する条件を検討し、合成オーガナイザーに用いた線維芽細胞株 L929 が自ら凝集塊を形成しつつ、ES 細胞塊とは接着しても、ES 細胞塊とは同化しない接着システムを設計した点だ。すなわち、ともに P-cadherin を発現する ES 細胞側にGFP、L929 側に ICAM の細胞外を抗 GFP 抗体変換した遺伝子を発現させることで、合成オーガナイザー細胞塊が自然に ES 細胞塊と接着して、２種類の細胞塊が集まったダルマ状の構造をとらせることができることを示した点だ。

後は、これまで知られているオーガナイザー分子なかでも定番の Wnt3A を L929 に発現させ、ES 細胞塊にボディープランを誘導できるか調べることになる。結果は期待通りで、Wnt3A を導入して接着させるだけで、細胞塊は球状から楕円状へと伸びて、中胚葉マーカーの定番 Brachyury が合成オーガナイザーに接する場所で誘導される。

もちろん Wnt3A と同じ作用を持つ薬剤を加えても中胚葉は誘導されるが、最初の段階では細胞塊全体に分布して、そのあと自己組織化で分離が始まる。しかし、面白いことに L929 に Wnt3A の代わりに Wnt3A シグナルをブロックする DKK 遺伝子導入してES細胞と接着させ、そこに薬剤を加えると、オーガナイザーの反対側に中胚葉が分布する。

以上の結果は、Wnt3A 発現合成オーガナイザーだけで前後軸が決まり、中胚葉を誘導できることが明らかになった。

実際の胚では、Wnt3A 発現と DKK 発現が対極に存在するので、次に Wnt3Abオーガナイザーを片方に、DKK オーガナイザーをもう片方に接着させる実験を行っている。すると、より大きな Wnt3A の勾配が形成され、Wnt3A だけでは得られなかった神経細胞や外胚葉が、胎児と同じように発生し、細胞の種類で見ると受精後６.５日を超えた発生が起こることがわかった。

一方、Wnt3A オーガナイザーを用いて、すなわち浅い勾配を用いる場合は、より心臓が形成される環境に近い状態が形成され、通常の ES 細胞培養では見ることができない、心室腔を持つ心臓が形成されることを示している。

結果は以上で、ES 細胞をカエルやイモリのアニマルキャップと同じように用いて、発生を兼有できることが可能になったと言える。まさに年末に紹介するのにふさわしい発生学の論文と言える。うれしいことに筆頭著者は Yamada Toshimichi さんでおそらく日本の研究者だと思う。若手として是非日本の発生学を引っ張っていってほしいと思う。

山中さんが iPS細胞について初めて発表した Wisler の Keystone ミーティングで、私は座長をしていたが、あっけにとられて職務を忘れるぐらいの衝撃だった。気がつくとマイクの後ろに質問者の長蛇の列で、運営のルールなどどこかに飛んでしまった。しかし、このとき皆の頭にあったのは、どうして染色体構造で守られている山中４因子の結合部位を、４因子を発現させるだけで開けることができるのかという疑問だった。ただ、この問いには山中さんも答えられない。

この問題についてはその後多くの研究が行われ、閉じた染色体でもモチーフに結合できるパイオニア因子についてわかってくると、Myc 以外の因子にこの機能があり、閉じた染色体をランダムにアタックしているうちに多能性を決めるモチーフが開いて、そこに多能性を決める Oct/Sox2/Klf4 が結合すると考えられるようになった。

今日紹介するエジンバラ大学からの論文はまさに閉じた染色体が開く過程を詳しく解析したかなり専門的な論文で、エピジェネティックスの解析手法の進歩を感じさせる研究だ。タイトルは「Nucleosome fibre topology guides transcription factor binding to enhancers（ヌクレオソームのトポロジーが転写因子のエンハンサーへの結合をガイドする）」だ。

この研究では、線維芽細胞に山中４因子を発現させて iPS細胞を誘導するだけでなく、トロフォブラスト幹細胞へのリプログラミングも同時に調べているが、簡単にするために iPS細胞誘導リプログラミングに絞って紹介する。

研究では４因子誘導４８時間目の細胞と、誘導前、そして iPS細胞を比べることで、iPS細胞ヘ変化する途中過程で起こっている４因子の結合と染色体構造変化を追跡している。

まず、閉じた染色体にも結合できるパイオニア因子活性を持つ因子が、Oct4、 Sox2、Klf4（OSK）で、Myc はオープン染色体にしか反応しないことを確認する。

閉じたクロマチンと言ってもヒストンの上から結合するわけではない。ただ、パイオニア因子が結合下回りの染色体は閉じていると想定される。そこで、各因子が結合している周りのヌクレオソーム構造を詳しく調べている。

この結果、最初の段階ではそれぞれの因子が独立したパイオニア因子としてヌクレオソームに割り込むような形で結合しているうちに、ヌクレオソームがほどけ、OSK が同時に結合できる部位が開いたところで、初めて全因子が揃って結合するエンハンサーが生まれることを示している。そして、それまで単独で反応を繰り返していた OSK それぞれが、初めてそこに集まることを示唆している。

そして OSK3因子が一緒に作用する部位は、染色体のトポロジー解析から、個々の因子が自然に集まってくるように３次元的にクロマチン高次構造で決定されており、とくにリンカーヒストンと呼ばれるヌクレオソームの外側に結合するヒストンの結合が低下した、クロマチンの糸が折り曲がるループが集まった部位に３因子が結合することを示している。

結果は以上で、極めて専門的な実験なのでかなり割愛して紹介したが、ウォディントンやドリーの伝統が生きているエジンバラ大学にふさわしい素晴らしい研究だと感心した。

アルファベットを使う言語圏では失読症すなわち文字を読むことが難しい子供は、おそらく我が国の２倍に達するとされている。同じ子供でも習う文字の違いによりこれだけの差が出るということは、アルファベットを読めるようになることは脳に大きな変化を強いることを意味する。確かに毎日アルファベットで書かれた文献を読んでいると、日本語より高い注意力が必要だと感じる。単語をピックアップして読み飛ばすことが意外と難しい。実際失読症と注意力障害は一定程度オーバーラップすることも知られている。

今日紹介するオランダにあるマックスプランク心理言語学研究所からの論文は、UKバイオバンクのデータを使って失読症と相関する遺伝子を脳画像へのマッピングを試みた研究で、１２月１８日 Science Advances に掲載された。タイトルは「Distinct impact modes of polygenic disposition to dyslexia in the adult brain（失読症の成人脳に対する多遺伝子要因の異なるインパクト）」だ。

これまで失読症を脳画像から調べる研究は行われており、左脳の様々な領域の関与が示唆されていたが、決定的な結果はほとんど得られていなかったようだ。失読症には少なくとも３５種類の遺伝子多型が関係するという研究もあり、様々な要因で起こってくることを考えると、失読症という診断名だけで脳の構造との相関を調べようとしても多様性が大きすぎて簡単でないと考えられる。

そこでこの研究ではUKバイオバンクに登録され、ゲノム検査とともに詳しい脳画像検査が行われている3３１６９５人の失読症と診断された成人と、正常３５２３１人を対象に、まず失語症と相関するとされている遺伝子リスクを積算した多遺伝子リスクスコアを指標に脳画像との相関を調べている。こうすることで、より安定的な脳の状態を対象にすることが可能になる。

こうして見えてきた多遺伝子リスクスコア（PGS）と相関する脳の領域は驚くほど広範にわたっており、内壁から側頭及び前頭脳皮質に連続的につながり運動野でピークに達する領域の大きさの変化が見られるというのは、例えば注意障害などの広がりとは比べものにならない。すなわち、失読症は脳全体が関わる複雑な状態であることがわかる。

次にリスク算定の基礎になった個々の多型を脳画像にマッピングすると、PGSとは全くことなり、より局在したパターンが見えてくる。このパターンは１０種類に分類でき、それぞれのパターンと相関する多型及びそれとリンクする遺伝子が特定できる。それぞれの意義については割愛するが、例えば BCL11L 遺伝子のように遺伝子変異が言語能力に影響することが知られている遺伝子やNEURODのように神経文化に直接関わることが知られている遺伝子も含まれる。

詳細は省くが、このバンクには脳の構造だけでなくテンソル法で調べた神経結合についても調べられており、失読症のPGSで低下する部位が特定されているが、同じ部位が注意障害のPGSと相関し、また新しい問題に対応する流動的知性にかかわる部位とのオーバーラップが特定され、失語症を形成する際の脳機能についても新しいヒントが得られている。

以上、失語症に関わる個々の遺伝子や機能を脳画像とマッピングすると、様々な領域が特異的に相関することが明らかにできることから、失読症を理解するには各領域の遺伝子の機能を理解した上でそれを統合する方法を発見することが重要であることがわかる。

人間の言語は音以外の物理性がないことが最大の特徴だが、それに物理性を与えて記録として使える様にしたのが文字だ。この新しい課題を今のような文字を習う方法で個人に解決を強いていいのかどうか、是非脳研究で明らかにしてほしい。

昨日は私が会った中でも強い印象を持った免疫学者の一人、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の Jason Cyster 研の研究を紹介した。リンパ球、特にBリンパ球のリンパ節へのホーミングを調節している中心分子が CCL21 だという常識を疑うところから始めたベテランの目を感じさせる論文だ。

今日は同じ西海岸の免疫学者の一人で、やはり強い印象を受けたスタンフォード大学の Mark Davis 研から発表された新しいインフルエンザワクチンについての研究を紹介する。タイトルは「Coupling antigens from multiple subtypes of influenza can broaden antibody and T cell responses（複数のインフルエンザサブタイプの抗原を合体させると抗体反応とT細胞反応を拡大できる）」だ。

Mark Davis は１９８０年代、T細胞抗原受容体のクローニング競争で勝利するのは利根川さんか本庶さんかという世間の下馬評を覆して、遺伝子サブトラクションを用いて遺伝子クローニングに成功した一人で、少なくともこの１０年以上は人間の免疫反応を丹念かつ網羅的に調べる研究を行っており、このブログでもすでに４回紹介している。

この研究では我々のインフルエンザワクチンに対する反応の多様性について広く信じられている original antigenic sin と呼ばれる最初の感染ウイルスによる免疫系のバイアス説を疑い、まず多様性の原因を実際にワクチンを受けた人で HA1、HA3、 HAB それぞれの抗原に対する反応を調べ、反応がいずれかの HA 抗原にバイアスがかかっていること、また双生児を利用した研究で、反応のタイプの遺伝性が大きく、逆に過去のワクチンや感染の影響が大きくないことを確認し、最初の感染やワクチンがそれ以降の反応を決めるという考えは間違っていると結論する。

そして多様性の原因について、T細胞へ抗原を提示する MHC のゲノム型が大きな役割を占めていることを発見する。そして、結局反応にバイアスがかかるのは、一つのタイプの HA に高い親和性を持つB細胞が抗原を取り込んで、特定のペプチドをT細胞に提示する過程でバイアスが起こると着想する。すなわち、インフルエンザに対する抗体を発現するB細胞がT細胞を刺激するという閉じた回路が、一定のHAへのバイアスを促進すると考えた。

それなら、同じB細胞が親和性の高い HA だけでなく他のHAも取り込めるように３種類の HA を一つの分子にまとめてしまえば、同じB細胞は結合するHAのみならず他の HA もT細胞に提示することが可能になる。

このアイデアをマウスで確かめると、よく使われる３種類をただ混合したワクチンと異なり、全てのタイプの HA に対する強いT細胞反応とともに、抗体を誘導することができる。

最後に人間でも同じことが見られるか調べるため、切除した扁桃腺のオルガノイド培養に従来型の HA 混合あるいは一つの分子にまとめた新しい抗原で免役し、B細胞が全ての HA を同時に取り込める複数の HA が結合型したワクチンで強い反応が起こることを示している。さらに、これだけでなく、鳥インフルエンザ H5 に対処にも反応できることを示し、多くの CD4 T細胞を動員することがワクチンの効果を決めることを明らかにしている。

厳密な分析の後に、新しいワクチンまで提案できるベテランの目を感じる素晴らしい仕事だ。さらに、扁桃腺のオルガノイド培養もなかなか面白い。

リンパ節は哺乳類になって初めて現れる器官で、局所の免疫状態を感知して、特異的免疫反応に必要なリンパ球の種類をリクルートして、迅速に外来抗原に対応する基地の役割がある。まさに、炎症を組織化するために進化した器官だ。

身体に存在するリンパ球は膨大な数で、それらが無秩序に動員されると混乱を来すだけだ。そこで、特定のリンパ球をリクルートする複雑なケモカインネットワークがリンパ球には存在し、必要なときに必要なリンパ球をより選択的に動員できるようにできている。

今日紹介するカリフォルニア大学サンフランシスコ校、ケモカイン研究の第一人者 Cyster 研からの論文は、平時と炎症時でケモカインネットワークが変化することで感染に対応していることを示した研究で、１２月２７日 Cell にオンライン掲載された。タイトルは「Inflammation switches the chemoattractant requirements for naive lymphocyte entry into lymph nodes（炎症が化学誘起物質の依存性をスイッチしてリンパ球のリンパ節への流入を調節する）」だ。

論文を読んでいて、基礎知識がないとおそらくついて行けないなと感じるぐらい複雑な論文だ。ただ、研究はリンパ節へのリンパ球のホーミングは CCL21 とその受容体 CCR7 が調節しているという通説を疑うプロの視点から始まっている。すなわち、局所炎症が起こると肝心の CCL21 の発現がリンパ節で低下するという気づきから始まっている。

そこで炎症時という最もリンパ球ホーミングが必要な時期に働くケモカインや遊走誘導因子を探索するため、多くの実験を重ねたのがこの論文で示されている。ただ、複雑なので結論だけをいかにまとめておく。

実験では足蹠にウイルスを感染させ所属リンパ節の変化を見る実験系を使っている。

1. 感染後２４時間目で見ると、メカニズムははっきりしないが CCL21 の発現は強く抑えられる。そのため、通常のリンパ球のホーミングは阻害される。
2. 代わりになる遊走分子を探索する過程で、血管内皮でコレステロールを 25-hydrocholesuterol に転換する酵素 Ch25 、そして樹状細胞で 25-hydrocholesterol を遊走活性のある 25-dihydroxycholesterol(25HC) に転換する酵素 Cyp7b1 が強く誘導されることを発見する。
3. この結果、炎症により血管内皮で hydrooxycholesterol が合成分泌され、それを近くに存在する樹状細胞が取り込んで、25HC を分泌して、樹状細胞から血管内皮への 25HC 勾配が形成され、これにより 25HC の受容体 EBI2 を持つリンパ球が血管から遊走するようになる。すなわち、遊走因子のスイッチが起こる。
4. EBI2 は記憶リンパ球で強く発現しているので、このスイッチにより記憶リンパ球をより優先的に動員することが可能になる。
5. この血管内皮近くの遊走因子スイッチをさらに補助するために、リンパ節内に存在するランゲルハンス細胞と呼ばれる皮膚からリクルートされてきた細胞も 25HC 分泌に参加する。
6. また、通常のリンパ球ホーミングにはそれほど寄与しない CCL19 も炎症時には働いて、平時のホーミングを炎症型に変化させるのに一役買っている。
7. 同じことは腫瘍組織でも見られるので、腫瘍組織で遊走因子のスイッチを起こすことで、抗ガン免疫を高める可能性がある。

以上が結果で、長年この分野を牽引しているプロの実験について解説できないのは残念だが、免疫反応調節の複雑性がよく理解できる論文なので、是非読んでみてほしい。こうして得られた知識が、新しいワクチンやアジュバントに生かせることも申し添えておく。

小さな分子を体内に設置したセンサーで持続的に測ることは可能になっている。最も普及しているのはブドウ糖を図るセンサーで、２万円以下で市販されている。測定にはグルコースオキシゲナーゼ酵素がセンサーとして使われ、発生する過酸化水素が電極で酸化されるときの電流を測定している。このとき、ブドウ糖はグルコン酸と過酸化水素に変化し、センサーから離れるので、何度もセンサーとして使える。

では同じ原理をタンパク質に適用して、体内の特定のタンパク質濃度が測れるか研究が続いているが簡単ではない。というのもタンパク質に結合できるセンサーを設計しても、タンパク質が結合すると簡単には離れないため、センサーが使えなくなってしまう。ブドウ糖のように都合良く反応すると他の分子に変化させることが難しい。

今日紹介するイリノイ州 North Western 大学からの論文は、微小電気刺激でセンサーを動かすことで結合するタンパク質の解離を促進するという難しい問題を解決した研究で、１２月９日号 Science に掲載された。タイトルは「Active-reset protein sensors enable continuous in vivo monitoring of inflammation（能動的にリセットするタンパクセンサーは体内で持続的に炎症のモニターを可能にする）」だ。

センサーのアイデアだが、電極から DNA ストランドを伸ばし、もう片方に特異的にタンパク質に結合するセンサー（ここでは RNA で形成させたアプタマーと呼ばれる分子を使っているが抗体でも良いらしい）と電極と反応するフェロセンを結合させ、500mV の電流で DNA を電極に近づけて電極でフェロセンの電子を感知させるとき、センサーにタンパク質が結合すると、この反応が遅れることを利用して、タンパク質の結合を検出している。

ただ、この方法ではいったん結合したタンパク質が離れないのでセンサーが使えなくなってしまう。そこで、電場をかけてセンサーを振動させることでメカニカルにタンパク質を解離させることを着想し、95Hz の電場で完全にふるい落とせることを発見する。

これを元に、センサーを開発し、最終的に IL-6 と TNFα の自然炎症で分泌されるサイトカインを皮膚に差し込んだ針型のセンサーで検出できるか試みている。詳細は省くが、糖尿病ラットの皮膚に設置して２つのサイトカインをモニターすると、ファスティングを続けると両者とも皮膚で濃度が低下すること、そこにインシュリンを加えると一時的に上昇した後低下を続けること、そして LPS 刺激で炎症を誘導すると上昇に転じることなどを示している。

そして、この傾向が ELISA 法で計った血中サイトカインとほぼ一致していることを確認して、このセンサーを今後様々なタンパク質モニタリングに利用できることを明らかにしている。

最後に、センサーを設置したことにより体内の異常が誘導されないかも調べており、半日ぐらいであればセンサーを設置したまま生活しても問題ないことを示している。 以上が結果で、素人にもわかりやすいアイデアで感心する。もちろん実際のセンサーに仕上げる工学は私の想像を遙かに超える素晴らしい技術で、工学と医学の融合を絵に描いた論文だと思う

喘息の発症に腸内細菌叢が重要な役割を演じていることは広く認められており、北欧では帝王切開で生まれた子供の細菌叢を回復させるための便移植が進められている。メカニズムについてはまだまだはっきりしないが、細菌叢によって刺激を受けたタフト細胞が、喘息を悪化させる抗酸菌症を誘導する自然免疫リンパ球 ILC2 を誘導するからと考えられている。

今日紹介するカナダトロント大学からの論文は、ILC2 の活性化と肺への移動に細菌叢だけでなく、トリコモナス類の原虫が関わっていることを示した研究で、１２月１９日 Cell にオンライン掲載された。タイトルは「A gut commensal protozoan determines respiratory disease outcomes by shaping pulmonary immunity（腸の常在原虫が肺での免疫を変化させて呼吸器疾患のアウトカムを決定する）」だ。

この研究は、マウスの常在性原虫 Tritichomonas muris (Tm) を摂取させると、全身性の好酸球症が誘導され、肺にも好酸球の強い浸潤が見られるという発見から始まっている。肺の好酸球浸潤は喘息を悪化させる要因なので、Tm のような常在原虫が喘息の悪化原因になる可能性は高い。

この好酸球症の原因を探ると、Tm が腸内に住み着くと、IL-5 や IL-13 を分泌して好酸球症を誘導する自然免疫リンパ球 ILC2 が活性化され、腸内から肺へ移動することで、肺の好酸球の浸潤を誘導していることを発見する。この発見が研究のハイライトで、当然人間で起これば喘息を悪化させる要因になる。ILC2 の活性化から肺での好酸球浸潤まで、詳細にメカニズムが検討されているが、極めて複雑なので、実験の詳細は割愛して、実際に何が起こっているかの結論だけ紹介する。

1. 寄生虫でも好酸球症が起こることが知られているが、Tm は直接 ILC2 に働くのではなく、まず細菌叢を刺激して、コハク酸の分泌を誘導、これがタフト細胞を刺激して IL-25 分泌を促進し、ILC2 の活性化を誘導する。このとき分泌される IL-5 は全身の好酸球増加を誘導する。
2. こうして腸管で活性化された ILC2 は、通常肺に存在する ILC2 とは異なっており、肺へと移行すると、そこで T細胞や B細胞と抗原非依存性の相互作用を起こし、刺激し合う。このとき、特に CD4T細胞は IL-2 を分泌して ILC2 の増殖を助ける。また ICOS リガンドを介した B細胞との相互作用により、肺での IL-5 分泌が起こる。
3. こうして活性化された好酸球浸潤が起こると、ハウスダストに含まれているダニによる喘息の重症度が高まる。すなわち、アレルギー反応自体は抗原依存性だが、好酸球浸潤により喘息が悪化する。
4. しかしながら、原虫が常在し、肺での好酸球浸潤が起こることは悪いことばかりではない。結核菌を吸入させたとき、肺上皮を超えて全身に広がろうとするが、これを好酸球がシールドを作って防いでくれることを実験的に明らかにしている。
5. では、人間ではどうなのか？ Tm に似た原虫が人間でも常在することが知られている。また、腸内での寄生虫は全身のアレルギーに直接関わることも知られている。しかしながら常在原虫とアレルギーの関係を実験的に確かめるのは難しい。そこで、重症の喘息と、気管支拡張症の患者さんの痰を調べると、重症喘息者だけで原虫DNAが検出できる。ただ、マウスの場合 ILC2 の誘導は全て腸内で行われ、肺では原虫の寄与はないことから、この結果を原虫とアレルギーの因果性と結論するわけにはいかない。

以上、腸内で細菌叢との相互作用や、人間の常在原虫の寄与などまだまだ解明が必要だが、寄生虫だけでなく、原虫までも ILC2 好酸球を通してアレルギーに関わるという発見は面白い。

ウェアラブルデバイスで集める健康情報は、これまでの検査と比べ特異性では全く劣っているが、持続的に何ヶ月もデータをとることで、通常の診察室では決して気づけない変化を捉えることができるため、これまで知り得なかった身体の状態変化を教えてくれるのではと期待されている。例えば以前、Covid-19 の感染を、医療機関に行く前にウェアラブルデバイスで診断できる可能性について紹介した（https://aasj.jp/news/watch/18428）。私は毎朝６ｋｍぐらいを早足で散歩してからこの原稿を書くのを日課にしているが、自覚しなくても小さな変化がタイムの変化として現れるのを感じている。

今日紹介するイエール大学からの論文は、客観的な検査が難しい精神疾患の診断にウェアラブルデバイスが役に立つかを、診断名とともに遺伝子多型検査も加えてウェアラブルデバイスデータとの相関を調べて研究で、１２月１９日 Cell にオンライン掲載された。タイトルは「Digital phenotyping from wearables using AI characterizes psychiatric disorders and identifies genetic associations（ AI を用いたウェアラブルデータによるデジタル形質は精神異常を特徴付け、さらに遺伝的相関も特定する）」だ。

この研究では、米国で行われている学童を含む若年層のコホート研究を利用して、Fitbit として市販されているスマートウォッチを用いて心拍数、カロリー消費、アクティビティー、歩数、睡眠など７項目を連続的に記録し、これらのデータを罹患数の比較的多い不安症と、注意障害と相関させられるか調べている。

データは従来型の AI で大規模言語モデルは使っていないが、ウェアラブルからの連続データを、平均値や多様性など４９種類の指標に分解したあと XGBoost と呼ばれる機械学習を用いたモデルと、連続データを軽量化してデコードする Xception と呼ばれるモデルを用いて、不安神経症と ADHD の診断に使える可能性を調べている。結果は満足できるもので、詳細は省くが ADHD の場合 AUROC と呼ばれる指標でそれぞれ 0.83、0.89 と診断の助けにかなり使えることが明らかになった。一方不安神経症の場合、それぞれ 0.69 と 0.71 で、診断能力は落ちるが役には立ちそうだ。また、どちらの場合も Xception モデルを用いる方が診断能力は高い。

通常 AI は診断までのプロセスがわかりにくいので、ここではどの指標が重要なのかを調べるため、それぞれの指標を除去してもう一度計算し直す作業を行い、診断に寄与する指標を探っている。結果、ADHD の場合、昼食後の心拍数が、また不安神経症では睡眠の長さや深さが最も大きく寄与することを示している。

ここまでなら多くの論文がすでに存在するが、この研究ではさらにそれぞれの指標と ADHD との相関が指摘されていた遺伝子多型との相関を調べ、SNP-rs186003 が起立時の時間と相関することを特定している。またそれぞれのモデルで得られるスコアが ADHD と相関するとして知られていたいくつかの遺伝子多型と相関することも示している。

最後に ADHD に限らず、遺伝子多型との相関を調べ、rs365990 、ミオシン重鎖のコーディング領域の多型が心拍数上昇に関わることを発見し、ウェアラブルのパワーを示している。そして同じ多型が双極性障害の多型とオーバーラップしているという面白い事実を特定している。

他にも眠りがちで活動性が低いことと相関する多型が、ADHD と関わることも発見している。

結果は以上で、他にも様々な多型がリストされているが割愛する。ウェアラブルデータは特異性が低いが、遺伝子多型と相関させることでメカニズムはわからないが精神状態を決めている身体的要因と相関していることを示し、医学のツールとして役立つと結論している。

特に傑出しているという印象はないが、Cell もこのような論文を掲載するのかと驚いた。