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免疫学において、白血球の血管外遊出（白血球接着カスケードまたは血管外遊出とも呼ばれる、細胞が損傷を受けていない血管壁を通過する現象）とは、白血球が循環系から血管外へ移動し、組織損傷や感染部位に向かう過程のことである。この過程は、非特異的な白血球の動員を伴う自然免疫応答の一部を構成する。単球は、感染や組織損傷がない場合でも、マクロファージへの分化過程でこの過程を利用する。
白血球の血管外漏出は主に毛細血管後細静脈で起こる。そこでは血行動態的なせん断力が最小限に抑えられている。この過程はいくつかの段階に分けられる。
これらの段階のいずれかが抑制されると、白血球の動員が停止することが実証されている。
白血球（白血球細胞）は、その機能のほとんどを組織内で発揮します。その機能には、異物の貪食、抗体の産生、炎症反応の引き金となる物質（ヒスタミンとヘパリン）の分泌、ヒスタミンの不活性化などが含まれます。一般的に、白血球は生体の防御に関与し、炎症反応を促進または抑制することで、病気から生体を守ります。白血球は血液を輸送媒体として利用し、体内の組織に到達します。以下に、現在白血球の血管外遊出に関与すると考えられている4つのステップについて簡単にまとめます。
病原体の認識と活性化により、罹患組織の常在マクロファージはIL-1、TNFα、ケモカインなどのサイトカインを放出します。IL-1、TNFα、C5a [ 1 ]は、感染部位付近の血管の内皮細胞にセレクチンなどの細胞接着分子を発現させます。循環白血球は、ケモカインの存在により、損傷または感染部位に局在します。
Like velcro, carbohydrate ligands on the circulating leukocytes bind to selectin molecules on the inner wall of the vessel, with marginal affinity. This causes the leukocytes to slow down and begin rolling along the inner surface of the vessel wall. During this rolling motion, transitory bonds are formed and broken between selectins and their ligands.
For example, the carbohydrate ligand for P-selectin, P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1), is expressed by different types of leukocytes (white blood cells). The binding of PSGL-1 on the leukocyte to P-selectin on the endothelial cell allows for the leukocyte to roll along the endothelial surface. This interaction can be tuned by the glycosylation pattern of PSGL-1, such that certain glycovariants of PSGL-1 will have unique affinities for different selectins, allowing in some cases for cells to migrate to specific sites within the body (e.g. the skin).[2]
At the same time, chemokines released by macrophages activate the rolling leukocytes and cause surface integrin molecules to switch from the default low-affinity state to a high-affinity state. This is assisted through juxtacrine activation of integrins by chemokines and soluble factors released by endothelial cells. In the activated state, integrins bind tightly to complementary receptors expressed on endothelial cells, with high affinity. This causes the immobilization of the leukocytes, which varies in vessels that contain different shear forces of the ongoing blood flow.
白血球の細胞骨格は、白血球が内皮細胞上に広がるように再編成される。この形態では、白血球は仮足を伸ばして内皮細胞間の隙間を通過する。無傷の血管壁を通過するこの細胞の移動は、血管外遊走と呼ばれる。[ 3 ]これらの隙間は、白血球と内皮の相互作用によって形成されるが、内皮の力学的特性によって自律的に形成されることもある。[ 4 ]白血球の血管外遊走は、白血球と内皮細胞の表面に存在するPECAMタンパク質が相互作用し、細胞を効果的に内皮を通して引っ張ることによって起こる。内皮を通過すると、白血球は基底膜を貫通しなければならない。貫通のメカニズムについては議論があるが、膜のタンパク質分解、機械的な力、またはその両方が関与している可能性がある。[ 5 ]血管からの脱出の全過程は、血管外遊走として知られている。間質液に入った白血球は、走化性勾配に沿って損傷部位や感染部位へと移動する。
図に示されている白血球の血管外遊出の段階は、接近、捕捉、転がり、活性化、結合、結合の強化と拡散、血管内クリーピング、傍細胞移動または経細胞移動である。
セレクチンは、組織マクロファージによるサイトカイン活性化後まもなく発現する。活性化された内皮細胞は、最初はPセレクチン分子を発現するが、活性化後2時間以内にはEセレクチンの発現が優位になる。内皮セレクチンは、シアリルルイスXを含む白血球膜貫通型糖タンパク質上の糖鎖に結合する。
一部のセレクチンの発現が抑制されると、免疫応答が遅くなる。L-セレクチンが産生されない場合、P-セレクチン（これも白血球によって産生される）同士が結合するため、免疫応答は10倍遅くなる可能性がある。P-セレクチンは高い親和性で互いに結合するが、受容体部位の密度がE-セレクチン分子よりも低いため、結合頻度は低い。これにより、白血球の初期ローリング速度が上昇し、ローリングの遅い段階が長くなる。
細胞接着に関与するインテグリンは、主に白血球上に発現している。転がりながら移動する白血球上のβ2インテグリンは、内皮細胞の接着分子に結合し、細胞の移動を停止させる。
細胞外ケモカインによる細胞活性化により、あらかじめ形成されたβ2インテグリンが細胞内貯蔵庫から放出される。インテグリン分子は細胞表面に移動し、高親和性パッチに集積する。細胞内インテグリンドメインは、タリン、α-アクチニン、ビンキュリンなどの細胞質因子を介して白血球の細胞骨格と結合する。この結合によりインテグリンの三次構造に立体構造変化が生じ、リガンドが結合部位にアクセスできるようになる。インテグリンとリガンドの結合には、二価陽イオン（例えばMg2 +）も必要である。
インテグリンリガンドであるICAM-1とVCAM-1は炎症性サイトカインによって活性化される一方、ICAM-2は一部の内皮細胞で恒常的に発現しているが、炎症性サイトカインによって発現が抑制される。ICAM-1とICAM-2は2つの相同なN末端ドメインを共有しており、どちらもLFA-1に結合することができる。
走化性において、細胞の移動はβ1インテグリンが細胞外マトリックスの成分に結合することによって促進される。具体的には、VLA-3、VLA-4、VLA-5はフィブロネクチンに、VLA-2、VLA-3はコラーゲンやその他の細胞外マトリックス成分に結合する。
血管外漏出は、炎症反応によって生じる背景サイトカイン環境によって制御され、特定の細胞抗原とは無関係である。初期免疫応答で放出されるサイトカインは血管拡張を誘発し、血管表面の電荷を低下させる。血流が遅くなることで、分子間結合が促進される。
1976年、SEM画像により、白血球の微絨毛状の先端にホーミング受容体があり、白血球が血管から出て組織に入ることができることが示されました。[ 7 ] 1990年代以降、白血球の血管外遊出に関与するリガンドの正体が精力的に研究されてきました。このテーマは、典型的なフローチャンバーを使用して生理的なせん断応力条件下で徹底的に研究できるようになりました。[ 8 ] 最初の実験以来、奇妙な現象が観察されました。白血球と血管壁との結合相互作用は、より高い力の下で強くなることが観察されました。セレクチン（E-セレクチン、L-セレクチン、P-セレクチン）がこの現象に関与していることがわかりました。せん断閾値要件は直感に反するように思えます。なぜなら、せん断が増加すると接着結合に加わる力が大きくなり、剥離能力が増加するように思われるからです。それにもかかわらず、細胞は転がり速度が最小となる最適なせん断に達するまで、よりゆっくりと規則的に転がります。この逆説的な現象は、広く関心を集めているにもかかわらず、満足のいく説明がなされていない。
当初は却下された仮説で、近年注目を集めているのがキャッチボンド仮説である。この仮説では、細胞にかかる力が増加すると、解離速度が遅くなり、結合寿命が長くなり、白血球の血管外遊出のローリング段階が安定化する。[ 9 ] 流れによる細胞接着の促進は、接着結合のオンレートの輸送依存的な増加、またはオフレートの力依存的な減少によって生じる可能性のある、未解明の現象である。L-セレクチンは、P-セレクチン糖タンパク質リガンド-1（PSGL-1）や他の血管リガンド上での白血球のローリングを維持するために、特定の最小せん断力を必要とする。低い力はL-セレクチン-PSGL-1のオフレート（キャッチボンド）を減少させ、高い力はオフレート（スリップボンド）を増加させるという仮説が立てられている。実験では、オフレートの力依存的な減少が、PSGL-1上でのL-セレクチン含有マイクロ球体または好中球のフロー促進ローリングを決定づけていることがわかった。[5]キャッチボンドは、力が増加すると、短いボンド寿命を長いボンド寿命に変換し、せん断が閾値から最適値まで上昇するにつれて、ローリング速度を低下させ、ローリングステップの規則性を高めます。せん断が増加すると、スリップボンドへの移行によりボンド寿命が短くなり、ローリング速度が増加し、ローリングの規則性が低下します。せん断最適値以下および以上で、ボンド寿命の力依存的な変化がL-セレクチン依存性細胞接着を制御すると仮説が立てられています。これらの知見は、流れが強化された細胞接着のメカニズムとしてキャッチボンドの生物学的機能を確立します。[ 10 ] 白血球は、流れの増加に伴ってキャッチボンド挙動を起こし、白血球の血管外遊出におけるテザリングおよびローリングステップにつながるようですが、強固な接着は別のメカニズムであるインテグリン活性化によって達成されます。
キャッチボンド機構の他の生物学的例としては、細胞や細菌に作用する高い流体速度と大きなせん断力に反応して、線毛の接着先端で尿路壁にしっかりと付着する細菌が挙げられます。[ 9 ] [ 11 ] せん断力の増加が細菌と標的細胞間の結合相互作用を強めるメカニズムの模式図は、キャッチボンドがチャイニーズフィンガートラップと非常によく似た働きをすることを示しています。キャッチボンドの場合、細胞にかかる力によって線毛の接着先端が引っ張られ、標的細胞にさらにしっかりと閉じます。力の強さが増すにつれて、線毛と標的細胞表面の細胞受容体との間の結合が強くなります。[ 11 ]クリプティックボンドの場合、力によって線毛が標的細胞に向かって回転し、標的細胞のリガンド（主に糖分子）に結合できる結合部位が増えます。これにより、細菌と標的細胞間の結合相互作用が強まります。
平行平板フローチャンバーは、in vitro での白血球と内皮細胞の相互作用を研究するために最もよく使われるフローチャンバーの 1 つです。これらは 1980 年代後半から研究に使用されてきました。[ 12 ]フローチャンバーは白血球のローリングを研究するための重要なツールでしたが、スケール/アスペクト比 (微小血管系と大きな血管モデル)、流れ条件 (分岐での収束流と発散流など)、サイズが大きい (高さ > 250 μm、幅 > 1 mm) ため大量の試薬 (~ ml) が必要となるなど、生理的な in vivo 条件を研究する際にはいくつかの制限があります。[ 13 ] マイクロ流体ベースのデバイスの出現により、これらの制限は克服されました。SynVivo 合成微小血管ネットワーク (SMN) と呼ばれる新しい in vitro モデルは、CFD Research Corporation (CFDRC) によって製造され、ポリジメチルシロキサン (PDMS) ベースのソフトリソグラフィープロセスを使用して開発されました。 SMNは、幾何学的特徴、流れ条件、試薬量など、複雑な生体内血管構造を再現できるため、血管外漏出細胞の挙動を研究するための生物学的に現実的な環境を提供するだけでなく、薬物送達や創薬にも役立ちます。[ 14 ] [ 15 ]
白血球接着不全症（LAD）は、インテグリンβ2鎖（LFA-1およびMac-1に存在する）の欠陥によって引き起こされる、白血球の血管外遊出過程の欠陥に関連する遺伝性疾患です。これにより、白血球が停止して血管外遊出する能力が損なわれます。LAD患者は、細菌感染症の再発や創傷治癒の遅延に苦しみます。好中球増加症はLADの特徴的な症状です。
敗血症などの広範囲に及ぶ疾患では、白血球の血管外漏出が制御不能な段階に入り、白血球好中球が前例のない速度で宿主組織を破壊し始め、米国だけでも約20万人の命を奪っています。[ 16 ]好中球の機能不全は通常、何らかの感染症に先行し、病原体関連分子パターン（PAMP）が誘発されます。白血球の血管外漏出が激化すると、酸素ラジカルやプロテアーゼを放出する好中球によってより多くの組織が損傷を受けます。[ 16 ]
SynVivo合成微小血管ネットワーク（SMN）を用いた最近の研究により、好中球機能不全によって引き起こされる病態を治療するための抗炎症療法の研究が可能になった。SMNは白血球の血管外遊出の各段階を詳細に分析することを可能にし、それによって薬剤が白血球の血管外遊出を阻害する効果を定量化する手法を提供する。最近の研究結果の一部は、流体力学が好中球と内皮細胞の相互作用に及ぼす影響を示している。言い換えれば、好中球の接着は、分子間相互作用だけでなく、せん断力にも大きく影響される。さらに、せん断速度が低下すると（例えば、毛細血管後細静脈では）、白血球の固定化が容易になり、より頻繁に起こるようになる。その逆もまた真であり、せん断力が高い血管では、白血球の固定化はより困難になる。これは、血流の乱れが白血球の不動化を阻害または促進することによって免疫系の反応に深刻な影響を与えるさまざまな疾患において大きな意味を持ちます。この知識があれば、薬剤が白血球の血管外遊出に及ぼす影響をより良く研究することができます。[ 13 ] [ 16 ] [ 14 ]