大阪大学大学院医学系研究科の猪頭英里特任研究員（常勤）、村上真理助教、竹田潔教授（免疫学フロンティアセンター兼任）らの研究グループは、ヒトの腸管で樹状細胞が腸管管腔内の異物を認識するメカニズムを解明しました（図1）。

樹状細胞は腸管へ侵入した異物を最前線で感知する重要な働きを担っています。研究グループは過去にマウスにおいて、腸内細菌代謝物であるピルビン酸とGタンパク質共役型受容体のGPR31が異物の感知に重要な役割を持つことを報告していました。しかし、ヒトにおいてどのように樹状細胞が管腔内の異物を感知しているのかはこれまでに明らかになっていませんでした。

今回、研究グループは1細胞トランスクリプトーム解析によりGPR31がヒト腸管の通常型1型樹状細胞に特異的に発現していることを同定しました。さらに、iPS細胞と腸管オルガノイドの技術を用いた共培養システムを構築することにより、ピルビン酸がGPR31を介して通常型1型樹状細胞を活性化し、これにより樹状突起を腸管の管腔内まで伸ばすことで異物の取り込みが促進することを解明しました。

本研究成果は、ヒト腸管樹状細胞が管腔内へ樹状突起を伸展させるメカニズムの解明という基礎研究のみならず、腸管の免疫を活性化することで腸管感染症の予防や粘膜ワクチンの有効性向上の臨床応用に貢献することが期待されます。

この成果は、Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（オンライン）に2024年 10月 22日（火）午前４時（日本時間）に掲載されました。

図1. 本研究の概念図
ヒトの腸内細菌が作り出したピルビン酸が受容体GPR31を介して腸管の通常型1型樹状細胞を活性化する。その結果、樹状突起が腸管内部に伸びて細菌など異物を感知するようになる。

腸管の上皮層よりもさらに組織の内側に存在する樹状細胞やマクロファージは、腸管管腔内の異物を認識するために上皮の間を通り腸管管腔内まで突き出る長い樹状突起（上皮間樹状突起）を形成することが知られています。研究グループはこれまでにマウスにおいてピルビン酸とGPR31を介したメカニズムが上皮間樹状突起の形成に重要な役割を持つことを報告していました（Morita et al., Nature, 2019）。しかし、これまではヒト細胞を用いた実験手法の確立が困難であったことから、ヒトにおける腸管内の異物を感知するメカニズムは十分に解明されていませんでした。

本研究では、1細胞トランスクリプトーム解析、iPS細胞、腸管オルガノイドなどの新しいヒト細胞解析技術を用いることで、ヒト腸管における上皮間樹状突起形成のメカニズムの解明を行いました。

研究グループは、ヒト小腸の粘膜固有層から樹状細胞やマクロファージからなる単核食細胞を単離し、1細胞トランスクリプトーム解析を行いました。これによりGPR31がヒト通常型1型樹状細胞に特異的に発現していることが明らかになりました。また、GPR31を発現している通常型1型樹状細胞は、GPR31を発現していない通常型1型樹状細胞と比べて、抗原処理や抗原提示に関連する遺伝子の発現が高いことが分かりました。さらに、ヒト腸管の通常型1型樹状細胞は、ピルビン酸で活性化されると樹状突起の伸展が誘導されることが明らかになりました（図2）。

図2. ヒト腸管通常型１型樹状細胞はピルビン酸により樹状突起が伸展する
A ヒト小腸単核食細胞の1細胞トランスクリプトーム解析。GPR31は通常型１型樹状細胞に特異的に発現する。
B ヒト腸管通常型１型樹状細胞のピルビン酸刺激時の樹状突起伸展細胞の割合。*P < 0.05

次に、ピルビン酸による樹状突起伸展におけるGPR31の役割を解明するために、ヒトiPS細胞とテトラサイクリン応答型制御システム（Tet-Onシステム）を用いることで、薬剤誘導性にGPR31を発現することができるヒト通常型1型樹状細胞を樹立することに成功しました。この細胞をピルビン酸で刺激すると、GPR31が発現している時にのみピルビン酸による樹状突起伸展が誘導されました。このことから、ピルビン酸がGPR31を活性化することでヒト通常型1型樹状細胞の樹状突起伸展を誘導することが明らかになりました。

腸管の上皮細胞は隣り合う細胞と密接に結合することで細菌やウイルスの侵入を防いでいます。上皮層よりもさらに組織の内側に存在する樹状細胞が管腔内の抗原を認識するためには、密接に結合した上皮層の間を通り管腔内まで樹状突起を伸展させる必要があります。研究グループはヒトにおけるこのメカニズムを解明するために、ヒト腸管オルガノイド由来の上皮細胞を単層化培養することで上皮層バリアを再現しました。さらに3D培養によりこの単層化上皮細胞とヒト通常型1型樹状細胞を共培養する手法を確立しました。この共培養システムを用いると、ピルビン酸存在時かつGPR31発現時において、ヒト通常型1型樹状細胞の上皮間への樹状突起伸展が増加していることが明らかになりました（図３）。さらに、上皮間への樹状突起伸展が増加することにより、通常型1型樹状細胞への管腔内抗原の取り込みが増加し、この通常型1型樹状細胞は最終的に細胞障害性T細胞をより強力に活性化しました。

これらの一連の研究成果を統合すると、腸内細菌由来のピルビン酸はGPR31を介してヒト通常型1型樹状細胞を活性化し、その結果、通常型1型樹状細胞は上皮間に樹状突起を伸展して管腔内抗原を効率よく認識していることが明らかになりました。

図3. ヒト腸管通常型１型樹状細胞はピルビン酸・GPR31を介して上皮間に樹状突起を伸展する
A ヒト腸管通常型1型樹状細胞とヒト腸管オルガノイド由来の単層化腸管上皮細胞の3D共培養モデル。ピルビン酸刺激時に通常型1型樹状細胞は上皮間に樹状突起を伸展する。
B GPR31発現通常型１型樹状細胞はピルビン酸存在時に上皮の外側にある大腸菌（抗原）を取り込む。

本研究では、ヒトにおいて腸管の樹状細胞が腸管内の異物を認識するメカニズムの一端を明らかにすることができました。本研究で得られた知見が、腸管感染症の予防や粘膜ワクチンの有効性向上の新たな治療戦略につながることが期待されます。