微生物、ミクログリア、および痛み - これから「健康」の話をしようか

f:id:daisuke1011:20200425113811p:plain

・慢性疼痛における腸内マイクロバイオームとミクログリアの関係。

・腸内細菌が慢性疼痛に寄与するためにミクログリアに

　影響を与える可能性のあるメカニズムについて。

・知識のギャップを強調し、その分野の今後の方向性について。

世界的には、5人に1人が慢性的な痛みに苦しみ、年齢とともに有病率が増加していると推定されている。

慢性疼痛の病態生理は、中枢神経系と末梢神経系の両方における複雑な感覚、免疫、および炎症性相互作用を包含する。

ミグログリアは、中枢神経系（CNS）のマクロファージの居住者であり、慢性疼痛の開始および持続性に重大に関与している。

ミクログリアは、CNSからの局所性信号に応答するが、胃腸管からの信号によって変調される。

前臨床および臨床研究からの新たなデータは、腸内に存在する最近のコミュニティ、および慢性疼痛の生産に関与している腸内マイクロバイオームとミクログリアとの間のコミュニケーションが関与していることを示唆している。

腸内マイクロバイオームを操作または復元する標的戦略は、ミクログリア活性化を減少させ、炎症に関連する症状を軽減することが示されている。

これらのデータは、慢性疼痛患者における腸内マイクロバイオームの操作が痛みの結果を改善する上で実行可能な戦略である可能性があることを示している。

急性から慢性疼痛への移行は、神経軸全体に沿った多数の適応によって定義される。

ミクログリア、中枢神経系の常駐免疫細胞（CNS）は、これらの適当の開発と持続性に批判的に関与している。

負傷または退化による求心路は明らかに中枢神経系（CNS）の傷害に対する炎症反応を促進することに関与しているが、新たな証拠は、腸内マイクロバイオームが慢性疼痛を引き起こす炎症促進プロセスに寄与する可能性を示唆している。

慢性疼痛と腸マイクロバイオームの関係はますます明らかになりつつある。

例えば、内臓痛、慢性骨盤痛、線維筋痛症、変形性膝関節症など様々な疼痛状態の患者は、健康な個体と比較してマイクロバイオームの多様性と豊富度の変化を示す。

dysbiosis後の腸内マイクロバイオームを復元すると、内臓の動物モデルにおける疼痛反応が改善する。

疼痛、ミクログリア、腸内マイクロバイオームの関係は直接テストされていないが、dysbiosisはうつ病、パーキンソン病などのいくつかの神経学的炎症状態の病因に関与している。

腸内マイクロバイオームとCNS炎症の明確な関係を考えると、腸内細菌のコミュニティ内の摂動が病原性ミクログリア表現型に寄与し、慢性疼痛の開始および維持を促進する可能性がある。

〈ミクログリア成熟と機能は腸内微生物によって形成される〉

腸内微生物叢は、生涯を通じて中枢の自然免疫系、特にミクログリアの発達および成熟を調整する。

無菌または抗生物質処理マウス由来のミクログリアは、細胞形態の変化を示し、細胞成熟の特異的マーカーを欠き、免疫刺激剤に対する免疫応答を損なっている。

これらの効果は、開発の初期に明らかであり、性特異的であり、男性由来のミクログリアは、無菌の胚でより差異的に発現した遺伝子を示す。

成人期には、無菌マウスおよび抗生物質処理マウスからのミクログリアも、特に免疫応答に関連する遺伝子において、性特異的なtranscriptomeな摂動を示す。

短鎖脂肪酸などの腸内の微生物代謝産物は、ミクログリアの機能および成熟の調節にも関与している。

例えば、遊離脂肪酸受容体（FFAR2）を欠損したマウスは、無菌状態で観察されるのと同じミクログリア活性の変化を示し、短鎖脂肪酸による経口投与は無菌動物の微小グリア細胞形態を回復させる。

これらの知見は、細胞成熟およびミクログリアの適切な機能における腸内微生物叢の必要な役割を強調する。

〈ミクログリアと腸内微生物は慢性疼痛に影響するのか〉

慢性疼痛の発症と伝達におけるミクログリアの役割は、現在十分に確立されている。

急性疼痛、炎症性疼痛、神経障害性疼痛の動物モデルでは、ミクログリアの活性化と増殖の亢進が観察されている。

活性化されたミクログリアは、毒性のある破片の貪食、抗原の処理と提示、および多くのサイトカインの放出を含む様々な自然防御機構を開始する。

腫瘍壊死因子(TNF)-αやインターロイキン(IL)-1βなどの炎症性メディエーターの産生は、中枢神経系の神経線維の活性化および感作に寄与し、痛みの伝達の増強につながる。

さらに、ミクログリアの活性化または増殖を阻害する標的化された薬理学的介入は、神経傷害性疼痛、炎症性疼痛、および術後疼痛を減衰させ、ミクログリアが疼痛プロセスに不可欠であるという考えを補強する。

ミクログリア-痛み、ミクログリア-マイクロバイオーム、痛み-マイクロバイオームの間の相互作用が確立されていることを考えると、慢性疼痛状態の発症には腸内細菌叢の異常とミクログリアの活性化が関連している可能性が高いと考えられる。

f:id:daisuke1011:20200425113306p:plain

一例として、化学療法誘発性末梢神経障害のモデルにおいて、腸内マイクロバイオームが疼痛感受性の主な決定因子であることが示され、疼痛感受性は脊髄におけるミクログリア増殖の程度と優位に相関していた。

さらに、複雑な局所疼痛症候群で観察される慢性疼痛は、脊髄および脳における活性化ミクログリアのレベルの上昇と関連している、および腸内微生物多様性の低下と関連している。

腸内細菌の常在菌が痛みの応答およびミクログリア細胞の機能に影響を与えることは明らかである。

〈迷走神経シグナル伝達〉

迷走神経は、中枢神経系から腸の粘膜層まで延びており、腸内微生物と脳との間の主要な双方向通信経路として機能している。

それらの物理的近接性を考慮すると、消化管上皮の迷走神経求心性末端は、直接または間接的に腸内微生物と相互作用し、CNSレベルで宿主の生理学に影響を及ぼすことが可能である。

毒素および細胞壁成分を含む細菌リガンドは、侵害受容器を直接活性化して痛みを生じさせることができる。

最近の研究では、黄色ブドウ球菌を含む特的の細菌類が、TRPV1チャネル依存症メカニズムを介して侵害受容器を活性化し、痛みを駆動することが実証されている。

迷走神経の結節神経節内の細胞はTRPV1を発現する。

したがって、腸内の特定の細菌種が迷走神経求心性に直接作用し、痛みの病因に寄与することが考えられる。

さらに、病原体Campylobacter jejuniの腸内局所感染は、迷走神経感覚ニューロンにおけるニューロン活性化マーカーc-FOSの発現を誘導するのに十分である。

ラクトバチルス・ラムノサス菌を投与すると、マウスの不安や抑うつのような行動が減少し、この効果は迷走神経切開術後に緩和される。

これらの知見は、腸から脳への情報の中継に迷走神経が関与していることを示しており、おそらく中枢神経系内の炎症に影響を与えていると思われる。

実際、腸内細菌と迷走神経求心性神経との間のコミュニケーションは中枢性炎症の調節に関与している。

迷走神経求心性神経はサイトカイン受容体を発現し、迷走神経が腸の炎症状態の変化を感知し、これらのシグナルを中枢神経系に中継することを可能にしている。

ミクログリアの反応性および形態も迷走神経の活動によって影響を受ける。迷走神経の刺激は、リポ多糖類（LPS）誘発性炎症に続くミクログリア増殖およびプロ炎症性サイトカインの発現を減衰させ、ナイーブマウスにおけるミクログリア細胞の隆起を増強する。

したがって、迷走神経は、腸内微生物に由来するシグナルがミクログリア活性化に影響を与えるための主要な解剖学的経路として機能し、その結果、痛みの伝達に寄与する可能性がある。

〈腸の透過性〉

腸内マイクロバイオームの適切な機能は、腸管バリアの発達と維持であり、腸内細菌や病原体を基礎となる免疫細胞から分離する。

腸管バリアは、保護粘膜層と腸管上皮細胞の単層で構成されている。

通常の生理的条件下では、微生物および微生物成分の移動はこのバリアによって制限される。

共生細菌（常在）は、粘膜表面上の病原体の植民地化およびこれらの微生物の上皮細胞および循環への侵入を阻害することにより、上皮バリアの完全性を保護する。

例えば、腸管異常症を有するマウスは、上皮バリアの透過性の増加を示す。

腸内常在微生物は、宿主免疫細胞とのコミュニケーションを介して間接的に上皮バリア透過性にさらに影響を与える。

最後に、酪酸および酢酸などの微生物由来の短鎖脂肪酸は、上皮密結合タンパク質を維持することにより、腸管バリアの完全性を維持する。

バリア機能の破壊および上皮の透過性の増加は、腸内細菌叢の組成の変化と関連している。

細菌異常による腸管バリア（リーキーガット：腸管壁浸漏）の破壊は、神経活性微生物化合物および免疫産物の腸壁を越えて全身循環への漏出を許容し、末梢炎症に影響を及ぼす。

腸管透過性の増加は、前炎症性サイトカインTNF-αおよびIL-6の血漿レベルの上昇と関連している。

末梢免疫応答の開始は、ミクログリア活性化を含む中枢性炎症に寄与しうる。

これは、循環中の免疫細胞および特定のサイトカイン（例えば、TNF-α、IL-1）が血液脳関門（BBB）を直接通過し、ミクログリアを活性化することができることを考えると、直接的に起こる可能性がある。

この末梢から中枢への免疫伝達は、BBBの破壊によってさらに促進される可能性がある。

実際、末梢性炎症の増加は、破壊されたBBB完全性および中枢性炎症と関連している。

BBBの透過性の亢進は、低分子細菌成分および代謝物がCNSに入り込み、ミクログリアの異常な活性化を誘発することを可能にする。

実際、腸内マイクロバイオームの操作は、BBBの完全性を損なうことが示されている。

胎児および成体の無菌マウスは、BBB透過性の増加およびタイトジャンクションタンパク質の脳内発現の変化を示す。

腸内マイクロバイオームの操作に続くBBB完全性のこの損失は、マイクログリア活性化および中枢性炎症の亢進に寄与している可能性が高い。

腸管バリアの完全性の破壊は、線維筋痛症、複合性局所疼痛症候群、および過敏性腸症候群を含むいくつかの慢性疼痛状態において報告されている。

腸管透過性の程度は、疼痛の重症度およびIL-2、IL-6、およびTNF-αなどのいくつかの炎症性サイトカインの血漿レベルと関連している。

これらの研究は、リーキーガットが全身性および中枢性炎症をもたらし、慢性疼痛の病態生理に寄与するという仮説を支持する。

慢性疼痛に関連する疾患や障害における腸管バリアの破壊が、疼痛反応の原因であるか結果であるかは不明である。

腸管障害がリーキーガットにつながり、慢性疼痛の発症を促し、腸のホメオスタシスと微生物群集をさらに破壊するという双方向性のメカニズムである可能性が高いと考えられる。

このメカニズムは、この関係における腸内微生物の影響を確立するために、前臨床研究や臨床研究で研究される必要がある。このような研究により、腸管バリアを標的とすることが慢性疼痛の治療において実行可能な戦略であるかどうかが明らかになるであろう。

〈TLR4を介したシグナル伝達〉

パターン認識受容体の一群である、トール様受容体（TLR）を介したシグナル伝達は、自然免疫系および感覚処理において重要な役割を果たしている。

特に、脊髄ミクログリア上のTLR4sの活性化は、炎症性シグナル伝達カスケードを刺激し、それは炎症性サイトカインの産生をもたらし、痛みの過敏性に寄与する。

細菌由来のLPSはまた、TLR結合を介して三叉神経節および後根神経節の感覚ニューロンを直接活性化し、感作することができる。

グラム陰性菌由来のLPSは、ミクログリア細胞上に発現するTLR4と結合し、ミクログリアの活性化と炎症性分子の産生を促進する。

TLR4シグナリングは、腸管異常症に続くとより顕著になる可能性がある。

例えば、炎症性腸疾患は、ヒトにおいてTLR4の発現増加と関連しているが、慢性疼痛に関連する病理学的炎症に寄与している可能性がある。

免疫細胞上でのTLR4の活性化はまた、腸にシグナルを送り返すことで、腸内環境の異常や痛みの処理に影響を与える可能性がある。

化学療法誘発性末梢神経障害のマウスモデルにおいて、TLR4発現の喪失は、腸管機能を改善し、疼痛反応を減少させる。

これらの知見は、LPS-TLR4依存性経路を介した慢性疼痛の産生における腸内マイクロバイオームの本質的な役割を支持する。

〈サイトカイン〉

中枢神経系および末梢神経系における炎症性サイトカインは、いくつかの病理学的疼痛状態の開始および持続において重要である。

現在、腸内細菌が循環サイトカインおよびミクログリア反応性のレベルに影響を与え得ることを示唆する証拠がある。Luczynskiら（2017）は、従来の植民地化されたマウスと比較して、細菌を含まないマウスが脊髄の炎症性サイトカインIL-6、IL-β、およびTNF-αの上昇した転写レベルを表示することを発見した。

無胚芽マウスにおける前炎症性サイトカインの発現の増加は、微小グリア活性化の亢進、内臓過敏症、およびTLRのアップレギュレーションと相関していた。

これらの症状は、微生物の植民地化後にはコントロールレベルに正常化された。

対照的に、Ernyら（2015）は、無菌状態がミクログリア反応性およびサイトカイン放出の低下をもたらすことを示した。

これらの相反する結果は、異なるマウス種の使用などの方法論の不一致に起因する可能性がある。

Luczynskiら（2017）は雄のみのマウスを用いて実験を行ったのに対し、Ernyら（2015）は雌雄混合のコホートを使用したことに注意することは興味深い。

ミクログリア細胞の性に依存する機能を考慮すると、おそらくこれらの知見は、ミクロバイオームの枯渇に応答して炎症を駆動する性特異的なメカニズムが存在するため、矛盾している。

いずれにしても、これらの研究は、サイトカインを媒介とするシグナル伝達における腸内マイクロバイオームの役割を明確に示しているが、この影響の方向性は不明である。腸内マイクロバイオームがミクログリア反応性とサイトカインレベルをどのように変化させるのか、また、それが男女間でどのように異なるのかを確認するためには、無菌動物を用いたさらなる研究が必要である。

抗炎症性サイトカインは、炎症反応を抑える免疫調節分子である。抗炎症性サイトカインの中でも、ミクログリアを含む自然免疫細胞によって産生されるIL-10は、過剰な炎症によって引き起こされる損傷との戦いに関与している。

抗炎症性サイトカイン、腸内マイクロバイオーム、および痛みとの間のリンクは強固である。

説明のために、無菌マウスは、従来のマイクロバイオームを持つマウスと比較して、より多くの量のIL-10を産生する。

ヒトでは、IL-10は、腸内炎症を減少させるのに不可欠な役割を果たしている。

経口プロバイオティクスによる治療後に腹痛の改善を示す過敏性腸症候群の患者はまた、IL-10の増加したレベルを示す。

IL-10はさらに、非腹痛に影響を与えることが示されている。

IL-10の投与は、複雑な局所疼痛症候群、末梢神経損傷、脊髄神経結紮、および多発性硬化症を含む多様な実験モデルにおいて、神経障害性および炎症性疼痛の発生を抑制する。

外部の炎症性メディエーターに曝露されると、生殖細胞を持たないマウスは、末梢性IL-10の増強された発現を示し、そして減弱された痛覚過敏およびアロディニアを示す。

抗IL-10抗体を投与すると、細菌を含まないマウスでは疼痛過敏症が生じ、炎症性疼痛における腸内細菌と宿主免疫系との間の重要な相互作用が示唆された。腸内マイクロバイオームはサイトカインシグナルを介した免疫応答の調節に不可欠な役割を果たしているため、腸内微生物も同様にミクログリアとの相互作用を通じてサイトカインを介した疼痛プロセスを調節している可能性がある。

〈BDNF〉

脳由来神経栄養因子（BDNF）は、神経細胞の生存、分化、神経新生、および情動・認知行動の調節に関与する神経栄養因子である。

BDNFは感覚ニューロン、アストロサイト、およびミクログリアで観察されているように、BDNFの細胞起源は非常に議論されているが、神経障害性疼痛伝達における重要なシグナル伝達分子としての役割は十分に評価されている。

腸内マイクロバイオーム組成の調節障害は、脊髄におけるBDNFの放出に影響を与え、痛みの発生に寄与する可能性がある。例えば、最近の研究では、内臓過敏症のラットモデルにおいて、プロバイオティクスのラクトバチルス・プランタラム（Lactobacillus plantarum）を用いた治療は、大腸拡張期の内臓痛反応を減衰させ、脊髄のBDNF発現を減少させることが実証された。

マイクロバイオーム組成を操作するために異なる技術を用いた多くの研究は、扁桃体および海馬を含む様々な脳領域におけるBDNF発現が、腸内マイクロバイオームの摂動に対して非常に敏感であることを示唆している。

腸内dysbiosisによる認知機能および気分の障害は、BDNF発現の変化と関連している）。

同様に、活性の増加または低下などのミクログリアの恒常性の乱れが、うつ病の根底にあるという仮説が立てられている。

慢性疼痛および胃腸症状の両方が、うつ病および不安を含む情動障害と併存することが多いので、マイクロバイオーム、ミクログリアおよびBDNFの間の相互作用が、気分障害を超えて疼痛状態にまで及んでいる可能性がある。

慢性疼痛の発症および維持におけるBDNF媒介シグナル伝達の要件は、性に特異的であるように思われることは注目に値する。脊髄におけるBDNFシグナル伝達の阻害は、雄マウスでは機械的アロディニアを逆転させるが、雌マウスでは逆転せず、ミクログリアBDNFを欠損した雄マウスでは、雌マウスおよび野生型マウスで示されるようなアロディニアの発症に失敗する。

これまでに、腸内マイクロバイオームとBDNFの関係における性の二型を検討した研究はなく、したがって、これはさらなる研究のための重要な領域であることに変わりはない。

〈今後の展望と課題〉

ミクログリアは慢性疼痛の開始と維持に不可欠な役割を果たすことが知られている。

前臨床研究では、ミクログリアを阻害することは慢性疼痛の治療に有効であるとされている。

前臨床でのしっかりとした証拠を考えると、ミクログリア阻害剤が臨床的に広く採用されることを期待することができるかもしれない。

しかし、慢性疼痛の治療薬としては、単一の特異的なミクログリア阻害剤はまだ開発されていない。

この橋渡し的な失敗のいくつかは、一度確立されたミクログリアの活性化を逆転させるという課題に起因しているかもしれない。

さらに、ミクログリアを効果的に阻害する特異的で脳に浸透する安全な治療薬を開発するという課題により、成功は限定されている。

このように、前臨床試験の文献で示唆された期待を生かすために、ミクログリアの反応性を変化させる代替的または優れた戦略を設計することが、大きなアンメット・クリニカルニーズとして残されている。

腸内微生物とミクログリアの相互作用に関する理解の進歩は、ここ数年で驚異的なものとなっている。

前臨床研究と臨床研究からの証拠の収束ラインは、マイクロバイオームとミクログリアが脳の健康と疾患を調節するために通信するという一般的な仮説を支持している。

腸内マイクロバイオームを操作または回復させる戦略は、ミクログリアの活性化を減少させ、炎症に関連した症状を改善するのに有効であることが、現在ではしっかりと確立されている。