脳内トキソプラズマ。

Abstract

Toxoplasma gondii は常在性の細胞内寄生体で、世界人口の 3 分の 1 以上が慢性的に感染していると言われている。 この寄生体は、ヒトを含む哺乳類に感染すると、脳や筋肉の細胞内に慢性的かつ非免疫原性のブラジゾイトシストを形成することが特徴である。 急性期の感染症では神経系や眼球の障害が典型的であるが、慢性期の感染症では行動変化との関連が指摘されている。 慢性感染の成立と維持には、宿主の免疫と寄生虫の免疫回避のバランスが重要である。 ここでは，Toxoplasma gondiiと中枢神経系細胞との既知の細胞間相互作用を概説し，Toxoplasma gondiiの行動および神経疾患への影響について報告する。 最後に、宿主と病原体の相互作用をより完全に理解することを可能にする新しい技術について概説する

1. トキソプラズマ・ゴンディは，細胞内寄生虫であるApicomplexa門に属し，特徴的な偏光細胞構造と先端部の複雑な細胞骨格・器官配置を有している． この偏性細胞内寄生虫は、哺乳類や鳥類の有核細胞のほぼすべてに感染し、複製することができる。 T. gondii のヒトへの主な感染経路は、生肉または希少肉の摂取であると考えられています。 さらに、T. gondiiの垂直感染も可能であり、女性が妊娠中に一次感染を受けると、水頭症などの胎児の病的状態を引き起こす可能性がある。 実際、米国ではT. gondii感染は胎児奇形の主要な原因となっています。 食習慣や、糞便中に環境的に堅牢なオーシストを排出するネコ科動物への曝露によって、最大で人口の80％が感染している可能性がある。 オーシストは環境中で最大1年間安定的に存在し、食物や水源を汚染し、他の温血動物を感染させる可能性があります。 最近の研究では、オーシスト獲得感染症が臨床的に最も深刻な感染形態であり、猫の糞便に直接さらされるだけでなく、自治体の飲料水の汚染によって起こる可能性があることが示唆されています。

Toxoplasma gondii の病因および感染には、急速に複製を繰り返すタキゾイト期と、成長が遅くシストを作るブラジゾイト期という、細胞内における重要な段階があります。 当初、ヒトへの潜伏感染はほとんど無症状であると考えられていた。 しかし、最初のAIDS危機の際、トキソプラズマは主要な日和見病原体として知られるようになった。 宿主の適応免疫反応が弱まると、寄生虫の組織嚢が破裂し、未知のメカニズムでブラディゾイトが放出される。 このような再出現感染により、寄生体は急速に分裂するタキゾイト期に移行し、トキソプラズマ脳炎などの重大な疾病を引き起こす。

最近まで、T. gondii慢性感染は、神経系の変化が認められるものの、健康な患者ではほとんど無害であると考えられていた。 しかし、モデル動物を用いた最近の研究では、感染後に行動学的な変化が現れることが示唆されている 。 さらに、最近では、寄生虫感染と統合失調症などの神経疾患との関連も指摘されています。 したがって、宿主と寄生虫の関係、感染と疾病の関係をより詳細に解析することが重要である。 これらの問題の中心は、宿主の免疫反応の関与であり、これはまだ解明され始めたばかりである。

2 急性感染と伝播

一次感染の最も多い原因は、Toxoplasma gondii 組織シストの摂取によるものである。 胃の中を通過した後、腸管上皮に侵入し、増殖を続ける。 寄生体は細胞内に局在しているため、寄生体の遺伝子型に依存するものの、可溶性、液性、細胞性の抗菌因子からほとんど保護される。 しかし、この急性期にTH1免疫応答が引き起こされることは、最近、.NETジャーナルで報告されたとおりである。 寄生虫は自然免疫系を操作するための適応を発達させており、リンパ球や自然免疫系の細胞が流入しても、腸管組織内で増殖を続けることが多い . 逆説的ですが、これらの細胞、特に樹状細胞やマクロファージが細胞内に感染し、寄生虫に「トロイの木馬」方式で血行性拡散能力を付与していると考えられています。 その後、寄生虫は何らかの形で筋肉や脳組織に限局されるようになります。 その過程で、寄生虫は血液脳関門を構成する内皮細胞を通過すると考えられている。 Lachenmaierらによる最近の研究では、感染したマウス脳内皮細胞が血液脳関門を通過する感染白血球の移動を促進することが示唆されている .

3 ブラディゾイトの形成

慢性的で強固なブラディゾイト段階は、肉食による寄生虫の感染に不可欠であり、寄生虫の偏在の原因であると思われる。 組織嚢は宿主細胞から成り、分化の過程で作られた嚢壁に囲まれた100以上の個々の寄生虫を含むことができる。 慢性期への移行は、寄生虫、宿主、あるいはその両方への外因性ストレスによって誘導されると考えられているが、感染細胞の種類によっては自然に起こることもある。 BladerとSaeijによると、神経細胞と筋肉細胞は最終的に分化し、細胞周期から離脱する。 彼らは、成長中の細胞内ではタキゾイトの成長が優先されるが、タキゾイトが宿主の細胞周期を操作できなくなると、ブラジゾイトの発生が始まるというモデルを提唱している。 宿主細胞の侵入前にトキソプラズマ・ゴンディをアルカリ性培地にさらすと、ブラジゾイトの分化が促進される。 また、宿主細胞の侵入前に2時間熱ショック（43℃）を行い、その後37℃で2時間寄生虫を侵入させ、感染後12〜48時間さらに熱ショックを行うと、宿主細胞への負担が少ない誘導方法である。 亜ヒ酸ナトリウム、ニトロプルシドナトリウム、三置換ピロール（化合物1）などを用いた化学的な誘導法も有効である。 アミノ酸のアルギニンのような栄養欠乏は、成長を遅らせ、分化を促進する . また、ピリミジンのデノボ生合成経路とサルベージ経路を同時に阻害（低CO2経由）すると、成長が遅くなり、ブラジゾイトへの分化が促進される . 宿主細胞の遺伝子発現の変化は、タキゾイトの複製を遅らせることが示されており、これはブラジゾイトに特異的な遺伝子発現を誘導している可能性がある .

ブラジゾイト期の臨床的重要性と、ブラジゾイト期をin vitroで生成できることから、いくつかの研究の焦点となっています。 T. gondii の嚢壁膜は、大部分が糖タンパク質で構成されており、宿主の免疫システムの検出を軽減しながら、寄生虫の構造および栄養の必要性を維持するために重要であると考えられている。 さらに、細胞内小器官にも観察可能な変化が起こり、密な顆粒が減少し、微小粒子と大きなアミロペクチン顆粒が増加することが分かっている。 寄生虫は細胞分裂を抑制し、静止したG0状態に入り、寄生虫のeIF2リン酸化により一般的なタンパク質翻訳が大幅に遅くなる。 興味深いことに、寄生体に豊富に存在するプロテアーゼインヒビターをノックアウトすると、in vitroでのブラジゾイト形成が促進されることがわかった。 分化中のタキゾイトの高解像度タイムコース実験の転写プロファイルは、eupathdb.orgで公開されています。 これらの研究では、CO2飢餓、ニトロプルシドナトリウム、アルカリ性培地、化合物1処理などのさまざまな誘導条件にさらされた複数の菌株の寄生体の転写産物が測定されています。 これらの研究の結果は、既知のブラディゾイトマーカーのアップレギュレーションを確認するだけでなく、アップレギュレーションされた新規の初期転写物セットを明らかにした (Davis PH, 原稿準備中)。 Sullivanらによると、ブラディゾイトのシスト形態は、以下の点でトキソプラズマの成功に強く寄与している：（1）シストは消化管プロセスを生き残り、小腸への侵入を可能にする、（2）シストは宿主の免疫反応（および現在の薬剤治療）に対して抵抗性がある、（3）寄生体は宿主の寿命を通じて宿主細胞を動揺させずに持続する、（4）組織シストのブラディゾイトは感染性を持っており肉食伝播に有利である。

4. 中枢神経系への感染に対する免疫反応

中枢神経系の組織に侵入すると、寄生体は代謝と増殖の活動を抑え、宿主の免疫系の活性化を避けながら、微妙なバランスを保っている。 一方、宿主にとっては、病原体の増殖と激しい免疫病理の可能性を両立させることが有利である。 トキソプラズマの不顕性感染のほとんどはこのバランスを示しているが、様々な宿主と寄生体の遺伝子型の相互作用により、観察される免疫反応と感染経過にかなりのばらつきがあることに注意する必要がある . ヒトの中枢神経系感染の研究は困難であるため、T. gondii中枢神経系感染における免疫反応に関するほとんどの報告は、マウスモデルに由来している。 マウスとヒトの間には免疫学的な違いがあることが知られており、エフェクター分子の種を越えた比較は困難である。 しかし、これらのモデルから、トキソプラズマ感染における細胞性免疫制御について多くの知見が得られている。 CNSの細胞に対するトキソプラズマ感染の影響に関するいくつかの研究が、表1にまとめられている。

CNSに侵入したタキゾイト寄生体は、おそらく異なる親和性でアストロサイト、ニューロン、およびミクログリア細胞に感染すると思われる。 寄生虫の侵入に続いて、CD4+ および CD8+ T 細胞が流入しますが、この過程はまだ十分に解明されていませんが、T. gondii CNS 感染の制御に重要であり、CD28 または ICOS 刺激経路を介して活性化される可能性があります . 感染とそれに続くリンパ球の浸潤は、二光子画像観察に基づき、CNS組織の構造変化を引き起こすことが報告されている . マクロファージやNK細胞などの自然免疫応答の細胞成分も、感染時にCNSに侵入することができるが、その役割はあまり明らかではない。 流入した活性化T細胞の主な特徴はIFN-γの産生であり、免疫細胞を介した方法で寄生虫の再活性化を防ぐのに必須であることが示されている … 続きを読む 程度は低いが、ミクログリアや他の細胞も、感染後にIFN-γや他のいくつかの炎症促進・抗炎症サイトカインやケモカインを産生する . In vitro の研究では、アストロサイトとミクログリア細胞は、活性化すると寄生虫の複製を抑制できることが示唆されており、おそらく神経細胞が慢性感染の主要な細胞型である理由を説明している。 さらに、寄生虫のクリアランスは、宿主細胞のオートファジーに依存しているようである。 しかし、最近の報告では、ミクログリア細胞は、再初感染した寄生虫の拡散において「トロイの木馬」として機能している可能性が示唆されている

T. gondiiによる急性CNS感染時およびその後の宿主は、免疫による障害を回避しつつ、寄生虫増殖を制御するバランスを維持する必要がある。 IL-10の抑制作用は、一次感染時の免疫病理学的予防には必要であるが、T. gondiiの二次感染時の免疫亢進の予防には必要なく、記憶反応の生成にも必要ない。 IL-27 はトキソプラズマ症においても免疫抑制的であり、IL-10 の産生を誘導する可能性があると言われている。 免疫関連病態は、アストロサイトや他のミクログリア細胞によって産生されるマトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）の阻害剤である誘導性TIMP-1によって局所的に制御されていると考えられている。 寄生虫がCNSに感染すると、CNSに移動するT細胞は、組織のリモデリング、細胞移動、および炎症に関与するタンパク質であるMMP-8およびMMP-10の発現を増加させることが示されている。 MMP阻害剤であるTIMP-1の非存在下では、寄生虫の負荷が約4倍減少したが、MMP活性が抑制されていない状態では、さらなるCNS損傷が起こることが予測される。

慢性感染が成立すると、寄生虫は主にCNS内のブラディゾイト期に見られるようになる。 顕微鏡観察によると、シストは脳全体に存在するが、大脳皮質、海馬、基底核、扁桃体に集中していた。 第一に、急性免疫反応によってタキゾアイト期に感染した細胞が排除され、ブラジゾアイトを含む細胞のみが生存し続けることがある。 第二に、急性免疫反応に伴うインターフェロンγのアップレギュレーションが、寄生虫の分化を維持すると考えられる。 最近の研究では、細胞外の寄生虫とは異なり、シスト担持細胞はCD8+T細胞には見えないことが示されており、このような細胞内シスト構造は免疫回避の有効な手段であることが示唆されている . あるいは、このデータは、神経細胞が表示するMHCクラスIが比較的低いことによって説明されるかもしれない。 さらに、T 細胞の挙動は CNS での抗原の利用可能性に依存することが示されている

注目すべきは、宿主免疫反応のさまざまな変化により、寄生虫がタキゾイトに戻り、最終的にトキソプラズマ脳炎になることで特徴付けられる再上昇性病変が生じることが示されていることです。 この発見の臨床的意義はAIDSの流行期に明らかになった。 しかし、ほとんどの免疫不全状態では、寄生虫感染は宿主の寿命まで慢性不顕性状態を維持する（後述の行動変化は別として）。 ブラジゾイトのシストが免疫不全の宿主で定期的に（あるいはランダムに）破裂し、近くの細胞に素早く再侵攻するかどうかは未解決の問題である 。 まれにしか放出されないシストに対して、再侵入前に細胞外寄生虫の一部または全部を排除する強固な記憶反応が起きている可能性もある。 あるいは、ブラジゾイトのシストは単に宿主より長持ちするのかもしれない。 おそらく、これらの事象の組み合わせが、宿主と寄生虫の相互作用によって示される長期的なバランスに寄与し、その結果、この寄生虫感染症が世界で最も普及している感染症の1つになっているのだと思われる

5. Toxoplasma gondiiの行動への影響を探る

ある種の寄生虫は、その感染を促進するために宿主の行動を選択的に変化させることが知られている。 トキソプラズマ・ゴンジーの潜伏感染は、ヒトの感染症の中でも最も一般的なものであるが、初期の研究ではマウスモデルで有害な記憶効果を示したにもかかわらず、ほとんどが無症状であると想定されてきた 。 最近になって、この寄生虫が宿主の行動を変化させる能力があることが分かってきた。 感染したラットは、非感染の対照群に比べ、ネコ（この寄生虫の決定的な宿主）に対する恐怖心が少なく、その結果、寄生虫に性的優位性を与えることが示された . このことから、この寄生虫が人間にも同様の影響を与えるのではないかと、研究者たちは考えている。 このような宿主の行動変化が、寄生虫によるものなのか、それとも寄生虫に対する宿主の免疫反応の結果によるものなのかは不明である。 あるいは、宿主の病気の副作用である可能性もあるし、宿主がより高いエネルギー需要を満たすために、より大きなリスクを負うようになるというような、偶然の副産物である可能性もある。 例えば、感染したラットは、感染していないラットよりも活動的である。 興味深いことに、感染したラットは、感染していないラットに比べて、提示された各新規刺激に対する新奇恐怖症（neophobic）が少ない . また、一部の感染ラットは猫の臭いがする場所を強く嫌うが、一部の感染ラットは猫の臭いがする場所に潜在的に性的魅力を感じることがわかった。

行動操作仮説は、寄生虫が自身の成功を高めるために不可欠な宿主行動を特異的に操作することを仮定する。 しかし、学習性恐怖、不安、生得的恐怖に関与する神経回路は大きく重複しており、寄生虫がこれらすべてを非特異的に破壊する可能性が示唆された。 あるグループは、内側および外側扁桃体のシスト密度が、海馬、嗅球、前頭前野などの他の構造物の密度のほぼ2倍であることを報告している … 扁桃体は、記憶や恐怖などの情動反応の処理に主要な役割を担っている。 感染マウスがネコの臭いに非野生型の魅力を感じたり、恐怖や性的興奮の反応が変化するのは、このためかもしれない。 したがって、行動操作仮説は、寄生虫がネコの生得的な恐怖を改善し、場合によってはそれを新しい魅力やネコの魅力に置き換える一方で、他の領域を変化させないように見えることを支持することになる。

測定可能な範囲では、感染マウスでは、記憶に関連しない認知機能、不安、社会的行動は対照と比較して変化しないが、脳病理、運動調整、感覚の障害が深く広範囲に発生する 。 これらの変化は、上述のように、MMPタンパク質分解の亢進や新しい脳構造の形成が一因である可能性がある。 T. gondii感染後の中枢神経系の変化は、ヒトの宿主にも行動学的な影響を与えることが提唱されている。 トキソプラズマの潜伏感染とヒトの行動変化との間には、男性では反応の鈍化、ルール意識の低下、新規性追求行動の低下と嫉妬の増大、女性では乱暴さと良心的な性格などの相関があると発表されている（総説あり）。 これは、インターロイキン-2などのサイトカインの増加によるドーパミンの炎症性放出によるものか、あるいは寄生虫の直接的な産生による可能性がある。 トキソプラズマ症によるとされる神経行動学的症状の多くは、ヒトの脳におけるドーパミンの一般的な機能と相関している。 トキソプラズマに関連した精神的後遺症

脳の中辺縁と中皮質の領域間のドーパミン不均衡は、統合失調症の発症に関与していると疑われている。 このことは、統合失調症とトキソプラズマ症との関係を可能にするかもしれない 。 統合失調症は、最も一般的で重篤な精神疾患の一つである。 統合失調症は、多くの場合、若年成人期に発症し、思考処理、知覚、認知、気分、精神運動行動における障害によって特徴づけられる。 精神疾患の原因として、人格の変化や危険を冒す行動に加え、寄生虫の役割に関心が集まっています。 特に、抗精神病作用や気分安定作用を持つ薬剤（統合失調症やその他の精神疾患の治療に用いられる）は、感染者ではT. gondiiに対する阻害作用によって増強される可能性があります 。 この例として、抗精神病薬のハロペリドールや気分安定薬のバルプロ酸は、in vivoではないものの、in vitroで最も効果的にトキソプラズマの増殖を抑制する。

現在までに、因果関係は証明されていないが、相関するデータは豊富にある。 例えば、トルコで6ヶ月以内に自動車事故に巻き込まれた185人の非酩酊自動車ドライバーが、トキソプラズマ症について評価された。 事故に遭ったドライバーのコホートは、対照群（非事故群）と比較して、T. gondii感染の可能性がかなり高いことが判明した。 それぞれ33％対8.6％の血清陽性であった。 統合失調症やその他の重度の精神障害者におけるトキソプラズマ・ゴンジーの血清陽性を評価した研究は数多くあるが、相関する結果は一貫していない。 さらに、トキソプラズマ・ゴンディ脳炎は統合失調症や他の精神疾患と類似した症状を示すことがある . AIDS患者やトキソプラズマ脳炎患者では、妄想、思考障害、幻聴などの症状を伴う症例が多く報告されている .

トキソプラズマ・ゴンジーの感染は、ヒトでは強迫性障害との関連も指摘されている .

トキソプラズマ・ゴンジーの感染は、ヒトでは強迫性障害との関連も指摘されている .

トキソプラズマ・ゴンジーの感染は、ヒトでは強迫性障害との関連も指摘されている。 男性は “超自我の強さ（ルール意識）が低く、警戒心が強い “ことに加え、”都合のいい人、疑り深い人、嫉妬深い人 “であった。 これらの要因は、物質乱用、不安、パーソナリティ障害と関連している。 女性は、超自我の強さが高く、温厚、良心的、道徳的順守を示唆する因子を持つという、ほぼ正反対の行動を示しました。 しかし、男女とも、感染していない対照者と比較して、より多くの不安を抱えていることがわかった。 Flegrによれば、テストステロンのレベルの違いが、これらの観察された違いのもう一つの理由である可能性があるとのことである 。 あるいは、観察された行動の変化は、宿主の細胞性免疫力をさらに低下させるために、寄生虫がテストステロンの利用可能性を誘導した結果である可能性もある。 ある小規模な研究では、血清陽性の男性は非感染の男性よりもテストステロン濃度が高いことが判明しました。しかし、高いテストステロンが行動学的あるいは生物学的に感染しやすいのか、あるいは寄生虫が間接的にテストステロン濃度を上昇させるのかは不明です。 現在進行中のハイスループット細胞ベーススクリーニング研究では，ヒト細胞で17α-水酸化酵素を過剰発現させると，トキソプラズマのin vitro増殖率が大幅に上昇し，この転写物を siRNA で阻害すると細胞内増殖が減少した（Davis PH, 原稿準備中）． 17α-水酸化酵素は、コレステロール様分子をテストステロンなどのアンドロゲン前駆体に変換する重要な代謝酵素である。 この発見は、テストステロン様ステロールが寄生虫の成長に直接役立つ可能性を示唆している。

7. 今後の方向性

T. gondii 感染が宿主行動を変える可能性が高まっているため、慢性 Toxoplasma gondii は治療不能であり、再寄生虫剤への期待が高まっている。 しかし、薬剤の開発には、血液脳関門や寄生虫の嚢壁を通過することが必要であるため、困難が予想される。 さらに、仮に寄生虫を神経細胞から除去し、組織破壊を起こさなかったとしても、既存の組織病理が行動関連の後遺症を解決する妨げになる可能性がある。 最近、P. falciparum に加えて T. gondii のタキゾイトを in vitro で阻害できる化合物がいくつか同定され、これらの化合物のいくつかは、抗ブラジゾイト特性を調査中です (Davis PH, 原稿準備中)。

さらに、寄生虫感染に関する複雑な免疫制御過程の理解が進んでいることから、ワクチン開発の可能性もあります。 しかし、表 1 に示すように、免疫系とブラジゾイトステージとの相互作用に関する情報はほとんどなく、今後の貴重な研究対象となりそうです。 また、寄生虫が血液脳関門を通過する過程や、T細胞の感染制御における分子事象の解明も今後の課題である。 電子顕微鏡がアピコンプレックスに対する我々の理解を深めたように、生物発光や2光子イメージングなどの高度なイメージングも、この寄生虫の働きや宿主との相互作用についてより詳細でリアルタイムの情報を提供することが期待される。 さらに、抗原や宿主免疫細胞の正確な役割も、4量体ベースの分子ツールでしっかりと解明されることが期待される。 最後に、siRNAや宿主遺伝子の過剰発現などの宿主修飾によって、寄生虫のライフサイクルに必要な重要な細胞因子が明らかになるかもしれない。 8898>

Acknowledgement

著者らは、引用した研究者に感謝するとともに、誤って省略した研究に対して謝罪した。 資金援助はNIH NCRR P20 RR16469, NIAID 5F32 AI077268, NIGMS 8P20 GM103427, and the University of Nebraska at Omahaから受けている

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