肺胞マクロファージ

肺胞マクロファージ（または肺マクロファージ）は、マクロファージの一種で、専門的な貪食細胞であり、気道内および肺胞レベルに存在するが、肺胞壁からは分離されている。^[1]

肺胞マクロファージは、体と外界を隔てる主要な境界の 1 つに位置しているため、その活動は比較的活発です。呼吸器表面から ほこりや微生物などの粒子を除去する役割を担っています。

肺胞マクロファージには、呼吸器表面から集めた粒子状炭素などの外因性物質の顆粒が含まれていることがよく見られます。このような黒い顆粒は、喫煙者の肺や長期の都市居住者 に特によく見られます。

肺胞マクロファージは肺胞内の 3 番目の細胞タイプです。他の 2 つはI 型肺胞細胞とII 型肺胞細胞です。

肺胞マクロファージは、恒常性、宿主防御、組織リモデリングにおいて重要な役割を果たす食細胞である。 ^[7]それらの個体群密度は、これらの多くのプロセスにとって決定的なものである。それらは高度に適応性があり、多くの分泌物を放出し、いくつかの表面受容体を用いて他の細胞や分子と相互作用することができる。肺胞マクロファージは、アポトーシス細胞や壊死細胞の貪食にも関与している。^[8]それらは、正常な細胞や構造を保護するために、貪食される物質を選択的である必要がある。^[8]感染と戦うために、貪食細胞は、病原性微生物の表面にある病原体関連分子パターン（PAMP）を認識するのに役立つ多くのパターン認識受容体（PRR）を促進します。 ^{[9] PAMPはすべて、}病原体のグループに特有でありながら基本構造は不変であるという共通の特徴を持ち、病原性（生物が他の生物に感染症を引き起こす能力）に不可欠である。^[9]微生物のパターン認識に関与するタンパク質には、マンノース受容体、補体受容体、DC-SIGN、Toll様受容体（TLR）、スカベンジャー受容体、CD14、Mac-1などがあります。^{[9] [10]} PRRは3つのクラスに分けられます。

1. 細胞活性化につながる遺伝子転写機構を活性化するシグナル伝達PRR、
2. 病原体の結合と貪食に機能するエンドサイトーシスPRR、および
3. 分泌された PRR は通常、オプソニンまたは補体活性化因子として機能します。

侵入微生物の認識と除去は、オプソニン依存性経路とオプソニン非依存性経路の両方を通じて行われます。オプソニン依存性貪食を促進する分子メカニズムは、特定のオプソニン/受容体ペアによって異なります。たとえば、IgG オプソニン化病原体の貪食はFcγ 受容体(FcγR) を通じて行われ、微生物の周囲に貪食細胞が拡張し、炎症誘発性メディエーターが生成されます。逆に、補体受容体を介した病原体の摂取は、目に見える膜拡張なしで行われ (粒子は細胞内に沈むだけ)、通常は炎症性メディエーター反応を引き起こしません。

細胞内への取り込み後、微生物は小胞ファゴソームに封じ込められ、これが一次または二次リソソームと融合してファゴリソソームを形成する。^[9]細胞内殺菌にはさまざまなメカニズムがあり、酸化プロセスと酸化代謝とは無関係なプロセスがある。前者は膜酵素系の活性化を伴い、酸素摂取の刺激（呼吸バーストとして知られる）と、微生物にとって非常に有毒な分子種である活性酸素中間体（ROI）への還元を伴う。^[9]呼吸バーストの誘発に関与する酵素は、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADPH）オキシダーゼとして知られ、5つのサブユニットで構成される。^[9] 1つの成分は膜シトクロムで、gp91phoxとp22phoxの2つのタンパク質サブユニットで構成され、残りの3つの成分は細胞質由来のタンパク質であるp40phox、p47phox、およびp67phoxである。^[9] NADPHオキシダーゼは静止状態ではAMの細胞質に存在しますが、活性化されると、その細胞質成分の2つであるp47phoxとp67phoxのチロシン残基とセリン残基がリン酸化され、細胞骨格要素を介して細胞膜上のシトクロム成分gp91phox/p22phoxへのNADPHoxの転座を媒介できるようになります。^[11]

他の食細胞と比較して、AMの呼吸バーストは規模が大きい。^[9]酸素非依存性殺菌機構は、酸の生成、リゾチームの分泌、鉄結合タンパク質、および毒性のカチオン性ポリペプチドの合成に基づいています。^[9]マクロファージは、その顆粒とリソソーム内にパッケージ化された抗菌分子のレパートリーを持っています。^[9]これらの細胞小器官には、プロテアーゼ、ヌクレアーゼ、ホスファターゼ、エステラーゼ、リパーゼ、および高度に塩基性のペプチドなど、食作用リソソームに放出される無数の分解酵素と抗菌ペプチドが含まれています。^[9]さらに、マクロファージは、貪食された病原体から必須の微量栄養素を飢餓状態にするために使用されるいくつかの栄養素枯渇機構を持っています。^[9]微生物の中には、貪食細胞による破壊を回避できる対抗手段を発達させているものがある。リソソームを介した分解は感染を中和し定着を防ぐ効率的な手段であるが、いくつかの病原体はマクロファージに寄生し、成長、維持、複製のための宿主細胞として利用する。^[9]トキソプラズマ・ゴンディやマイコバクテリアなどの寄生虫は、ファゴソームとリソソームの融合を防ぐことができ、リソソーム加水分解酵素の有害な作用を免れる。他の寄生虫は、貪食小胞を離れ、発育が妨げられない細胞質マトリックスに到達することでリソソームを回避する。これらの例では、マクロファージが多数の非常に毒性の高い分子を生成し、飢餓メカニズムを誘導することで、貪食された微生物を積極的に破壊するよう誘発される可能性がある。^[9] 最後に、一部の微生物は呼吸バースト中に生成された酸素代謝物を解毒する酵素を持っています。^[9]

脅威を撃退するには不十分な場合、肺胞マクロファージは炎症性サイトカインとケモカインを放出し、適応免疫反応を担う高度に発達した防御食細胞ネットワークを喚起します。COVID-19感染中、肺胞マクロファージは肺胞腔内でSARS-CoV-2に対する第一防衛線として機能するという二重の役割を果たします。また、過剰なサイトカイン産生を通じて過剰炎症反応に寄与し、肺の損傷や急性呼吸窮迫症候群（ARDS）を悪化させる可能性があります。

肺は特に敏感で損傷を受けやすいため、I型およびII型の肺胞マクロファージへの付随的な損傷を避けるために、肺胞マクロファージは静止状態に保たれ、炎症性サイトカインをほとんど産生せず、貪食活性もほとんど示さない。これは、貪食受容体マクロファージ1抗原（Mac-1）の発現低下によって証明されている。^{[7] [12]} AMは、適応免疫と体液性免疫という体の2つの免疫システムの誘導を積極的に抑制する。適応免疫は、間質樹状細胞、B細胞、およびT細胞に対するAMの効果を通じて抑制される。これらの細胞は破壊するものの選択性が低く、正常細胞に不必要な損傷を与えることが多いためである。下気道における制御不能な炎症を防ぐために、肺胞マクロファージは一酸化窒素、プロスタグランジン、インターロイキン-4および-10（IL-4、IL-10）、および形質転換成長因子-β（TGF-β）を分泌します。^{[12] [13] [14] [15]}

一酸化窒素（NO）はげっ歯類における免疫調節の主な源であり、肺胞マクロファージ中の一酸化窒素合成酵素2型（NOS2）によって生成される。^[14] NOはインターロイキン-2（IL-2）受容体の生成に関与するキナーゼのチロシンリン酸化を阻害し、その発現はT細胞の増殖に不可欠である。 ^[13]しかし、ヒトではNOS2の活性を検証することは困難であった。^[14]

ヒト誘導性一酸化窒素合成酵素（iNOS）のプロモーターがリポ多糖類（LPS）+インターフェロンガンマ（IFNγ）によるNO活性化に反応しない理由には2つの説明がある。^[14] 1つ目は、マウスNOS2遺伝子のLPS/IFNγ誘導発現を制御するエンハンサー要素のヒト対応物に、不活性化ヌクレオチドのさまざまな変異があるためである。2つ目は、ヒトマクロファージに、遺伝子NOS2の最適な発現に必要な核因子（LPS誘導性核因子κB/Rel複合体）が存在しないことである。^[14] NOS2の検証が難しいのは、げっ歯類のAMと比較して、ヒトAMでの発現がはるかに厳密に制御されているためだと考えられている。^[14] NOS2は自己調節フィードバックループの一部であり、アレルゲンまたは誘発因子が炎症性サイトカイン産生を刺激し、それがNO産生を刺激し、NOがサイトカイン産生をダウンレギュレーションします。^[14]ラットでは、NOは顆粒球マクロファージコロニー刺激因子（GM-CSF）を介した樹状細胞の成熟を阻害し、ヒトでは環状GMP依存性メカニズムを介してTNF-αを介したヒト樹状細胞の成熟を阻害します。^[14] NOは、ヒト樹状細胞が炎症部位で抗原を内部化する能力を延長し、抗原特異的免疫応答につながる初期段階を調節します。^[14]

NO産生は喘息の病理に関連していると考えられています。喘息患者は気道上皮細胞におけるiNOSの発現が増加し、呼気中の一酸化窒素レベルが上昇します。^[14]

他にも多くの免疫調節因子が単離されていますが、最も重要なのはプロスタグランジンとサイトカインです。PGE2はマクロファージに由来し、記述された最初の免疫調節因子でした。^[14] PGE2は、末梢血リンパ球IL-10転写およびタンパク質産生の増幅、ならびにマクロファージおよびT細胞の不活性化に機能します。^[14] PGE2は、細胞膜成分であるアラキドン酸に由来する免疫調節エイコサノイドであり、アラキドン酸カスケード（シクロオキシゲナーゼおよびPGE2合成酵素によるアラキドン酸の連続的な酸素化および異性化）で処理されます。^[16] PGE2による標的細胞の制御は、EP1、EP2、EP3、およびEP4と呼ばれる4つの細胞膜関連Gタンパク質共役Eプロスタノイド（EP）受容体を介したシグナル伝達を介して行われます。^[16] PGE2は、EP2およびEP4受容体シグナル伝達を介して細胞内環状アデノシン一リン酸（cAMP）エフェクターの産生を刺激する能力を介してFcγ介在食作用を阻害することにより、AMによる細菌殺傷およびROI産生を阻害する。^{[11] [16]} EP2およびEP4受容体は、主に刺激性Gタンパク質（Gs）を介してシグナル伝達し、アデニル酸シクラーゼ（AC）活性とそれに続くcAMP形成を増加させる。^[11] cAMPは、2つの下流エフェクター分子、タンパク質キナーゼA（PKA）およびcAMPによって直接活性化される交換タンパク質（Epac-1および-2）の活性化を介して、複数の細胞機能に影響を及ぼすセカンドメッセンジャーである。 ^[11] Epac-1およびPKAは両方とも、AMによる細菌殺傷の阻害に関与する重要な因子である。^[11] PKAの効果は、多くの細胞タンパク質、特に転写因子cAMP応答要素結合タンパク質（CREB）上のセリンおよびスレオニン残基をリン酸化できることから生じます。cAMP/PKA/CREB軸はTNF-α放出の阻害を媒介します。^[11] AMによる貪食細菌の殺菌は、還元型NADPHオキシダーゼを介したROIの放出など、いくつかの異なる殺菌メカニズムに依存しています。^{[9] [11]} NADPHオキシダーゼによるROI生成は、FcRを介した貪食後の重要な殺菌メカニズムです。^[11] PGE2は、Gs結合型EP2およびEP4受容体の両方をライゲーションによって活性化し、cAMP産生を刺激し、続いて下流のcAMPエフェクターであるPKAおよびEpac-1を活性化します。どちらもNADPHオキシダーゼ成分p47phoxのリン酸化とファゴソーム膜への移行を阻害し、呼吸バーストを阻害する。^[11]

IL-4は多面的機能を持つサイトカインで、Tヘルパー2型（Th2）細胞の発達に重要な役割を果たしている。IL-4は、ナイーブCD4-T細胞から成熟したTh2型細胞への分化、および免疫応答の発達中に免疫グロブリン（Ig）のIgEおよびIgG4へのクラススイッチに重要である。^{[17] [18]} Igは哺乳類にのみ存在する抗体のクラスであり、補体活性化、貪食のためのオプソニン化、および毒素の中和によって身体を病原体から保護することで、アレルギー反応や多くの種類の病原体に対する防御に重要な役割を果たしている。^[18]

IL-4 と IL-10 はどちらも、ヒト AM によるメタロプロテアーゼ (コラーゲンやその他の細胞外タンパク質を分解するエンドペプチダーゼ) の産生を低下させることが示されています。^{[14] [15]} IL-4 は、マクロファージの生物学的機能に対して、刺激的または抑制的のいずれかの二重の効果があります。^[15] MHC クラス II 抗原 (外因性経路の一部として CD4-T 細胞とのみ相互作用する細胞外タンパク質複合体) および Mac-1 (自然補体系の一部としての表面受容体) の発現を増強し、貪食を促進します。^[15] IL-4 は、PGE2 の産生に不可欠な酵素であるプロスタグランジン H シンターゼ -2 (PGHS-2) の発現を低下させることで、PGE2 の産生を阻害することも示されています。^[14]しかし、IL-4 は、炎症誘発反応における重要なサイトカインである TNF-α、IL-1、および -6 の産生を阻害します。^[15]

IL-10は炎症誘発性サイトカインTNF-αおよびINF-γの分泌を阻害し、T細胞、NK細胞、AMの増殖を抑制します。^[14] IL-10はTGF-βと同様の免疫調節メカニズムを共有しています。^[14]両方のサイトカインがヒト肺胞マクロファージのアポトーシス率を低下させ、それによって間接的に肺胞マクロファージを介したT細胞増殖の阻害を促進すると考えられています。^[14]細菌産物による活性化により、アポトーシスの基礎速度が大幅に増加します。アポトーシスは特にサイトカインの存在によって制御されます。IFNγはアポトーシス速度を増加させますが、IL-10とTGF-βはそれを減少させます。^[14]しかし、IL-10は免疫系に逆効果をもたらし、実際には外来病原体による感染を促進することが示されています。細菌および寄生虫感染におけるIL-10の役割は、宿主の免疫システムを回避する戦略であることが発見されました。^[19] AMの膜を介して侵入してAMに寄生し、AMを宿主細胞として利用してその中で成長および複製することで繁栄する細菌があります。通常、この感染は、細菌を破壊する肺胞マクロファージ内の酵素を活性化するT細胞によって排除されますが、これらの細菌はサイトカインシグナル伝達ネットワークを自分たちに有利になるように変更することが示されています。阻害性サイトカインであるIL-10は、細胞内レジオネラニューモフィラ複製に対するIFNγの保護効果を完全に逆転させることにより、ヒト肺胞マクロファージおよび単球の感染を促進します。^[19]エルシニア・エンテロコリチカは毒性抗原LcrVを放出し、Toll様受容体2とCD14（TLR4を介したLPSシグナル伝達の補助表面タンパク質）を介してIL-10を誘導し、IFNγとTNF-αの抑制をもたらすことも示されています。^[19]

正常な状態では、肺胞マクロファージは肺胞上皮細胞に密着し、αvβ6インテグリンの発現を誘導する。インテグリンはαサブユニットとβサブユニットからなる二量体細胞表面受容体であり、TGF-βを活性化する。^{[20] [21]} TGF-βは、細胞増殖、アポトーシス、細胞外マトリックス合成、炎症、免疫応答などのさまざまな生物学的プロセスを調節する多機能サイトカインである。^[22] TGF-βは、炎症誘発性サイトカイン産生を抑制し、それによってTリンパ球機能を阻害することで、抗炎症活性を厳密に制御する。^[23]インテグリンavβ6とavβ8は、潜在的なTGF-βを細胞表面に隔離し、そこでの活性化は、恒常性の維持における環境ストレスに対する細胞応答と密接に結合することができる。インテグリンはまた、活性化されたTGFβをマクロファージの近くに局在させる。^[24] 通常、成熟TGFβは、そのN末端フラグメントである潜在性関連ペプチド（LAP）との潜在性複合体として分泌され、その活性を阻害する。^[22]潜在性複合体は、潜在性TGF-β結合タンパク質に結合することにより、細胞外マトリックスに共有結合する。^[20] TGF-βは肺において多様なメカニズムによって活性化され、最終的にはLAPのタンパク質分解または構造変化を伴う。^[24 ] αvβ6インテグリンは、インテグリンのリガンド結合部位として機能し、TGF-β活性化装置の必須成分であるTGF-β1 LAPに結合してTGF-βの活性化を媒介することができる。^{[22] [25]} TGFβが活性化されると、マクロファージ機能（サイトカイン産生および貪食）の抑制につながる。^[22]活性化TGF-βが肺胞マクロファージ上に発現する受容体に結合すると、受容体調節性Small Mothers Against Decapentaplegic (R-SMAD)ホモログ2および3のリン酸化を含む下流シグナル伝達カスケードが誘導される。^{[7] [22] [23]}リン酸化SMAD-2および-3は、共通メディエーターSMAD4 (co-SMAD-4)とヘテロ多量体複合体を形成する。組み立てられると、複合体はインポーチンα/βの助けを借りて核孔を介して核に移行する。核内に入ると、これらの複合体は蓄積し、最終的に転写因子として作用し、TGF-β標的遺伝子の発現を制御する。^[23]このように、TGF-βシグナル伝達は、細胞表面の受容体から核への直接経路を伴う。

Toll様受容体（TLR）はシグナル伝達PRRであり、さまざまな細菌タンパク質を認識できます。^[10]細菌は宿主防御機構を回避する手段を発達させていますが、リポグリカンやリポタンパク質などのPAMPを発現し、これらはTLRを介して自然免疫系の細胞によって認識されます。^[10] PAMPがTLRに結合すると、TLRは宿主細胞内で炎症反応と防御反応を引き起こし、肺胞マクロファージ（エンドサイトーシスと運動性に重要な成分）内でアクチン重合を誘導します。^[22]肺胞マクロファージ内でのアクチン重合はインテグリン発現の抑制を引き起こし、それが今度はTGF-βの不活性化とSMAD 2/3の基底リン酸化レベルのダウンレギュレーションを引き起こします。その後、肺胞マクロファージが活性化され、肺胞上皮細胞から剥離する^[22] [15]。活性化されると、マクロファージは貪食の準備ができ、炎症性サイトカイン（TNF-αとIL-6）を分泌し始める。^[22]

マクロファージのプライミングには、IFN-γとTNF-αによる呼吸バースト活性の増強が関与している。^[9] IFNγは、マクロファージにおけるNADPHオキシダーゼのNADPHに対する親和性の増加と、gp91phoxタンパク質の遺伝子転写およびメッセージ発現の速度の増加の両方を誘導する。^[9] TNF-αは、p47phoxおよびp67phox転写産物の発現を増加させることにより、自己分泌刺激として作用する。呼吸バースト応答中に生成されるROIは、マクロファージによるTNF-αの産生を増強する。^[9]

ガス交換は、付随的な損傷を避けるためにできるだけ早く回復されなければならないため、活性化リンパ球はIFNγを分泌し、マクロファージによるマトリックスメタロプロテアーゼMMP-9の産生を刺激する。^[22] AMは、貪食阻害に関与する経路であるPGE2依存性PKAシグナル伝達経路を介して部分的にMMP-9を産生することが報告されている。^[26] MMP-9は潜在性TGF-βを活性化し、肺胞上皮細胞上のαvβ6インテグリンの発現を再誘導し、それによって肺胞マクロファージを休止状態に戻す。^{[7] [22] [26]} TGF-βの活性化は、その産生が間質線維芽細胞におけるコラーゲン合成を刺激し、それが肺胞壁構造の回復に必要となるため、有利でもある。^[22]

• 胚葉由来のヒト細胞タイプのリスト

• 組織学画像: 13906loa – ボストン大学の組織学学習システム - 「呼吸器系: 肺 (ヒト)、肺胞マクロファージ」
• KUMC の組織学 resp-resp16「肺胞」
• ufl.edu のスライド