SARS-CoV-2のS1タンパク質は、マウスの血液脳関門を通過する〜すべてがNになる〜
公開が遅くなって申し訳ないが、学術論文雑誌的には個人的にはネイチャーが最高峰だと思ってるのでこの話は参考になるとは思います。
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Nature Neuroscience
エリザベス・M・レア、アリック・F・ログスドン、キム・M・ハンセン、リンゼイ・M・ウィリアムズ、メイ・J・リード、クリステン・K・バウマン、サラ・J・ホールデン、ジェイコブ・レイバー、ウィリアム・A・バンクス、ミシェル・A・エリクソン
ネイチャー・ニューロサイエンス第24巻、368-378ページ（2021年）この論文を引用する
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メトリクス
概要
コロナウイルス感染症2019の原因となる重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2が脳に侵入するかどうかは不明である。重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2は、そのスパイクタンパク質のS1サブユニットを介して細胞に結合する。我々は、静脈内に注射した放射性ヨウ素化S1（I-S1）が雄マウスの血液脳関門を容易に通過し、脳領域に取り込まれ、実質的な脳空間に入ることを示した。また、I-S1は肺、脾臓、腎臓、肝臓にも取り込まれた。経鼻投与されたI-S1も、静脈内投与に比べて約10倍低いレベルではあるが、脳内に入った。APOE遺伝子型と性別は、全脳のI-S1取り込みには影響しなかったが、嗅球、肝臓、脾臓、腎臓での取り込みには様々な影響が見られた。海馬と嗅球におけるI-S1の取り込みは、リポポリサッカライドによる炎症によって減少した。メカニズムの研究から、I-S1は吸着性のトランスサイトーシスによって血液脳関門を通過すること、マウスのアンジオテンシン変換酵素2が脳と肺の取り込みに関与するが、腎臓、肝臓、脾臓の取り込みには関与しないことが示された。
メイン
重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2（SARS-CoV-2）は、コロナウイルス感染症2019（COVID-19）のパンデミックの原因となっています。COVID-19は、肺炎や急性呼吸困難に加えて、味覚・嗅覚の喪失、頭痛、痙攣、発作、錯乱、視力障害、神経痛、めまい、意識障害、吐き気・嘔吐、片麻痺、運動失調、脳卒中、脳出血など、CNSに関連した多くの症状を伴います1,2。COVID-19の症状の一部は、ウイルスが中枢神経系に直接作用することによるものではないかと推測されています。例えば、呼吸器系の症状は、SARS-CoV-2が脳の呼吸中枢に侵入することが一因であると考えられています1,3。また、COVID-19では脳炎が報告されているが、これはウイルスやウイルスのタンパク質が脳に侵入した結果であると考えられる4,5。SARS-CoV-2のmRNAは脳脊髄液から回収されており4、血液脳関門（BBB）を通過できることが示唆されている。2003年から2004年にかけて大流行した近縁種のSARSウイルスを含む他のコロナウイルスもBBBを通過することができ6,7,8、SARS-CoV-2はBrainSphereモデルで神経細胞に感染することができる9。しかし、SARS-CoV-2は、COVID-19がサイトカインストームと関連し、多くのサイトカインがBBBを通過してCNS機能に影響を与えるように、BBBを直接通過せずにCNSに変化を引き起こす可能性がある10。
ここでは、SARS-CoV-2のウイルスタンパク質の1つであるスパイク1タンパク質（S1）がBBBを通過できるかどうかを評価する。この問題は2つの理由から重要であり、臨床的にも重要である。まず、ウイルスから排出されたタンパク質の中には、BBBを通過して神経炎症を誘発したり、CNSの機能を低下させたりするものがあることがわかっている11,12,13,14,15,16,17。第二に、細胞に結合するウイルスタンパク質は、ウイルスの活動をモデル化するために使用することができる。言い換えれば、ウイルス結合タンパク質がBBBを通過するならば、そのタンパク質はウイルスが同様にBBBを通過することを可能にすると考えられる18,19。S1は、SARS-CoV-2の結合タンパク質であり（参考文献20）、アンジオテンシン変換酵素2（ACE2）21,22,23に結合するほか、おそらく他のタンパク質にも結合すると考えられる。
本研究では、I-S1がマウスのBBBを容易に通過し、脳の実質組織に入り、程度の差こそあれ、脳内皮細胞に封じ込められ、脳毛細血管グリコカリックスに結合していることを示した。我々は、I-S1を静脈内および鼻腔内に投与した際の脳への進入速度、11の異なる脳領域におけるI-S1の取り込み、I-S1の輸送に対する炎症、APOE遺伝子型および性別の影響を調べ、脳におけるI-S1の取り込みを、肝臓、腎臓、脾臓および肺における取り込みと比較した。糖タンパク質WGAを用いた実験から、I-S1の脳内への取り込みは、小胞依存的な吸着性トランスサイトーシスのメカニズムが関与している可能性が高いことがわかった。
結果
I-S1タンパク質はマウスの血液脳関門を通過して輸送される
S1タンパク質は、RayBiotech社とAMSBIO社の2つの市販業者から入手した。S1タンパク質は、RayBiotech社とAMSBIO社の2社から入手した。S1タンパク質は社内で放射性標識し、オートラジオグラフィーのゲルで標識後に無傷であることを確認した（Extended Data Fig.1およびSupplementary Fig.1）。I-S1がマウスのBBBを通過するかどうかは，多重時間回帰分析（MTRA）を用いて，血液から脳への流入定数（Ki）を測定することで確認した。MTRAは，I-S1の組織/血清比を，血中からのI-S1のクリアランスを補正した時間である曝露時間に対してプロットしたものである。このプロットの直線部分の傾きは、Ki、すなわちI-S1の一方向性流入定数を測定する。
I-S1と一緒に99mTc標識アルブミン（T-Alb）を注入した。T-Albは無傷のBBBをほとんど通過しないため、脳の血管空間の測定に使用できる。I-S1の脳/血清比がT-Albの脳/血清比を上回る場合は、血管外のI-S1、すなわちBBBを通過した物質を表している。T-Albは、末梢組織床や、病気や炎症によって破壊されたBBBのリーク性を測定するためにも使用できる。
2つの供給源から得られたI-SIタンパク質のKi値は、約3%の差があった（図1）。これらの結果は、T-Albとは異なり、I-S1がマウスBBBを容易に通過することを示している。
I-S1の血中からのクリアランスと末梢組織への取り込み
RayBiotech社から静注されたI-S1の血中からのクリアランスと、脳などの組織への取り込みを、やはりMTRAを用いて測定した（Fig.2）。血中からのI-S1のクリアランスは、最初の10分間は直線的で、約6.6分の半減期を経て（Fig.2a）、その後、プラトーに達した。Fig.2以降の図では、I-S1の組織/血清比からT-Albの組織/血清比を差し引いている。この「デルタ」組織/血清比は、血管内のI-S1と、毛細血管の漏れにより組織内に侵入したI-S1に対して補正されている。このようにして得られたデルタ値は、組織によるI-S1の特異的な取り込みを表している。
図2：I-S1（RayBiotech）は、血液から除去され、末梢組織に取り込まれる。
a, 血中からのI-S1（RayBiotech社）のクリアランス。データは非線形一相指数減衰モデルに適合させた：y = 0.617(e-0.165t) + 1.13、半減期は4.20分（n = 15マウス、r2 = 0.956）。血中からのクリアランスは最初の10分間は直線的で、半減期は6.6分であった。 b-f, y軸はI-S1の組織/血清のデルタ比を示し、血管スペースと非特異的な漏出を補正した（Methods）。 b, 全脳のI-S1 Ki値は有意にゼロではなかった（P < 0. 0001）で、組織への取り込みがあったことを示している。 c-f, 異なる組織に対するI-S1のKi値は、その曲線の直線部分に基づいて計算された。 c, 肺に対するI-S1のKi値は、有意にゼロではなかった（P < 0. d, 脾臓のI-S1 Ki値は有意にゼロではなかった(P = 0.0014; n = 8匹のマウス; n = 7匹のマウス(塗りつぶした丸)はMTRAの仮定に反する非線形性のために回帰分析から除外された)。e, 腎臓のI-S1 Ki値は有意にゼロではなかった（P = 0.024; n = 15マウス）。 f, 肝臓のI-S1 Ki値は有意にゼロではなかった（P = 0.0001; n = 11マウス; n = 4マウス（塗りつぶした円）は非線形性のために回帰分析から除外された）。誤差はすべてs.e.m.である。
すべての組織でI-S1の取り込みが見られた（Fig.2b-f）。脾臓と肝臓の取り込みは非線形であり、これらの組織床が血液と平衡していることを示唆している。血液中のほとんどの物質は、腎臓または肝臓で除去される。腎臓に比べて肝臓でのI-S1の取り込みが非常に高いことから、I-S1は主に肝臓で血液から除去されると考えられる。脳内でのI-S1の取り込みに地域差があるかどうかを調べるために、嗅球を採取し、脳全体を10の領域に分けて解剖した（Extended Data Fig.2）。その結果、I-S1はすべての脳領域に入り込み、各領域間で統計的に有意な差は見られなかった。
同様に、I-S1（AMSBIO）の血中からのクリアランスと、脳などの組織への取り込みを測定した（図3）。その結果は、RayBiotech由来のI-S1で得られた結果（Fig.2）と同様であったが、いくつかの違いがあった。AMSBIO由来のI-S1は、血液からの排出が早く（半減期3.6分）、肝臓への取り込み速度はRayBiotech由来のI-S1の肝臓への取り込み速度の約5倍であった（P < 0.0001）。これらの結果を総合すると、I-S1は主に肝臓で血液から排出され、S1はCOVID-19に関連する他の組織（腎臓、肺、脾臓など）にもアクセスできることがわかる。
図３
Fig2
I-S1の脳および血液中での安定性
RayBiotech社のI-S1を静脈内に注射し、酸沈殿法により血液や脳内での安定性を測定した（補足表1）。I-S1を生体外の組織に添加した場合（プロセッシングコントロール）、ほとんど分解されなかった。I-S1をi.v.注射してから10分後に脳、10分後と30分後に血清から回収した放射能は安定しており、ほとんどの放射能が酸で沈殿していた。I-S1をi.v.注射してから30分後に脳から回収した放射能は、ほとんどが分解されていた。これは、I-S1がそのままBBBに入り、最終的に脳内で分解されることを示しているが、これがI-S1からの放射性ヨウ素の切断を伴うのか、あるいはS1タンパク質自体の分解を伴うのかは明らかではない。
毛細血管床に取り込まれたI-S1のほとんどは脳に実質に入る
BBBを通過したと思われる物質が、実は毛細血管床に隔離されていて、脳実質・間質液空間に入ることができないケースがまれにある。そこで、次に、静脈内に注入されたI-S1が毛細血管壁を完全に越えて脳実質に入るかどうかを評価した。これには、毛細血管床の内腔側に可逆的に付着する静脈内注射されたI-S1の量を測定することも可能な、「毛細血管枯渇法」を改良した方法を用いた。その結果、I-S1の内腔側への結合は経時的に変化しないのに対し、脳毛細血管に保持されるI-S1の量は経時的にわずかに増加することがわかった（拡張データ図3）。最も大きな経時変化は、脳実質に入るI-S1の量であった。これらの結果から、30分までに50％以上のI-S1が毛細血管の壁を完全に越えて、脳実質と間質液の空間に入り込んだことがわかる。
WGAは、脳および一部の末梢組織におけるI-S1の取り込みを促進する
小麦胚芽アグルチニン（WGA）は、植物レクチンの一種で、タンパク質やペプチドが内皮細胞の内腔側表面の糖タンパク質に結合し、小胞に内包された後、膜を越えて輸送される過程である吸着性トランスサイトーシス24によってBBBを通過する。WGAの場合、WGAがシアル酸やN-アセチルグルコサミンを含む細胞表面の糖タンパク質と結合すると、吸着性トランシトーシスが起こる。多くのウイルスタンパク質もシアル酸やN-アセチルグルコサミンを含む糖タンパク質と結合するため、WGAをそのようなウイルスタンパク質と一緒に注射すると、BBBを越えて輸送され、末梢組織に取り込まれることが促進される18。ここでは、静脈内に注射したI-S1（RayBiotech社またはAMSBIO社）の脳、肺、脾臓、腎臓への取り込みが、WGAを含むと増加することを発見した（図4b-e）。また、WGAの併用により、I-S1（RayBiotech）のクリアランスが増加したが、I-S1（AMSBIO）のクリアランスは増加せず、血中のI-S1が減少したことが示された（Fig.4a）。WGAの共同投与は、肝臓におけるI-S1（RayBiotech）の取り込みを減少させたが、I-S1（AMSBIO）の取り込みは減少しなかった（Fig.4f）。ただし、別の実験では肝臓におけるI-S1（RayBiotech）の取り込みは減少した（下記およびFig.4h参照）。
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