大阪大学大学院医学系研究科の大学院生　奥野翔太さん（循環器内科学）、肥後修一朗　特任准教授（常勤）（重症心不全内科治療学）、坂田泰史　教授（循環器内科学）らの研究グループは、COVID-19ワクチン接種後に心筋炎を発症するメカニズムを、ヒトiPS細胞由来分化心筋細胞を用いて検証しました。そしてmRNAワクチンで用いられるSARS-CoV-2ウイルスのスパイク蛋白質受容体結合ドメイン(S-RBD)が、iPS細胞由来分化心筋細胞にエンドリソソーム経路を介して取り込まれ、インターフェロン応答遺伝子を発現上昇させ、ウイルス応答に関わる翻訳後修飾であるISG化を促進させることを見出しました（下図）。COVID-19ワクチン後心筋炎の機序解明につながることが期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Scientific Reports」に、12月4日にオンライン公開されました。

図. SARS-CoV-2ウイルスのスパイク蛋白質受容体結合ドメイン(S-RBD)がISG化を促進する仕組み

SARS-CoV-2ウイルスによる新型コロナウイルス感染症(COVID-19)はパンデミックとして社会に深刻な脅威をもたらしました。ワクチンはパンデミックを抑えるための重要なツールです。ウイルス感染に重要なスパイク蛋白質の情報をコードし、スパイク抗原に対する免疫を誘導するmRNAワクチンは、COVID-19の感染、重症化、死亡を有意に低下させましたが、大規模接種開始後にmRNAワクチンと心筋炎の関連が明らかになりました。現在では、頻度は稀ですが、注意すべき副反応と考えられています。しかしながら、COVID-19ワクチン後心筋炎のメカニズムは未だ明らかではありません。

研究グループは、mRNAワクチンから産生されるSARS-CoV-2ウイルスのスパイク蛋白質受容体結合ドメイン（S-RBD）がiPS細胞から分化した心筋細胞に与える直接的な影響を検証しました。まず、ゲノム編集技術を用いてSARS-CoV-2ウイルス受容体であるACE2をノックアウトしたiPS細胞を作成することでS-RBDがACE2を介してヒトiPS細胞由来分化心筋細胞に取り込まれることがわかりました（図1）。また、S-RBDが取り込まれる過程を、S-RBDを蛍光蛋白質で標識してライブセルイメージングを用いて検出することに成功しました（図2）。

図1. ACE2野生型およびノックアウトiPS細胞由来分化心筋細胞におけるACE2とS-RBDの結合 ACE2野生型およびノックアウトiPS細胞を心筋細胞に分化させ、S-RBDを投与した後の免疫染色像です。野生型のiPS細胞由来分化心筋細胞ではACE2と結合するS-RBDが観察されますが、ノックアウトの心筋細胞ではACE2蛋白質の発現がなく、S-RBDの結合は観察されませんでした。

図2. iPS細胞由来分化心筋細胞における蛍光S-RBD蛋白質の取り込み過程のライブセルイメージング
iPS細胞由来分化心筋細胞において、S-RBD（緑色蛍光蛋白質で標識）と早期エンドソーム蛋白質であるRAB5A（赤色蛍光蛋白質で標識）の局在を共焦点顕微鏡で観察しました。

さらに、研究グループは、取り込まれたS-RBDが心筋細胞に与える影響を検証するために、S-RBD投与後の遺伝子発現変化を1細胞ごとに網羅的に定量するシングルセルRNAシークエンスを行いました。成熟心筋細胞において、インターフェロン応答遺伝子の発現が上昇しており、ISG15を介した翻訳後修飾であるISG化を促進することが明らかになりました（図3）。

図3. シングルセルRNA解析による成熟心筋細胞でのインターフェロン応答遺伝子の発現上昇とISG化の促進
シングルセルRNA解析により、全細胞集団は6つのクラスターに区別され（A、B）、成熟心筋細胞と定義されたクラスターにおいてインターフェロン応答遺伝子の発現が上昇し、ISG化が促進されていました（C）。

COVID-19に対するmRNAワクチン接種後に、特に若年者において心筋炎の発症リスクが増加することが明らかとなっています。本研究は、S-RBD蛋白質自体がヒト心筋細胞に炎症反応を引き起こすことを証明しました。COVID-19ワクチン後心筋炎の機序解明の一助となり、今後より副反応の少ないmRNAワクチン開発につながるとことが期待されます。

本研究成果は、2023年12月4日（日本時間）に、英国科学誌「Scientific Reports」にオンライン公開されました。

タイトル：SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain is internalized and promotes protein ISGylation in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes
著者名：Shota Okuno1, Shuichiro Higo1,2,*, Takumi Kondo1, Mikio Shiba1, Satoshi Kameda1, Hiroyuki Inoue1, Tomoka Tabata1, Shou Ogawa1, Congcong Sun1, Saki Ishino3, Tomoyuki Honda4, Shigeru Miyagawa5, Yasushi Sakata1

1. 大阪大学　大学院医学系研究科　循環器内科学
2. 大阪大学　大学院医学系研究科　重症心不全内科治療学共同研究講座
3. 大阪大学　大学院医学系研究科　附属最先端医療イノベーションセンター
4. 岡山大学　大学院医歯薬学総合研究科　病原ウイルス学
5. 大阪大学　大学院医学系研究科　心臓血管外科学

*. 責任著者

本研究は、日本学術振興会基盤研究B(21H02915)、挑戦的研究（萌芽）(22K19526)、若手研究(23K15128)、日本医療研究開発機構再生医療実現拠点ネットワークプログラム(21bm0804008h0005、22bm0804035h0001)、先進医薬研究振興財団、日本応用酵素協会、大阪大学クロスイノベーションイニシアティブ助成の支援を受けて行われました。