フコイダンとウイルス感染 | 高分子もずくフコイダンの研究成果なら、エビデンスサイト

1-1免疫系の概要

2-1 ウイルスの構造と特徴の概要

前章では免疫系の仕組みを概観しましたが、本章では、いよいよウイルスの構造と感染するまでのメカニズムを知ると同時に現状でのフコイダンの効果についてもみていきたいと思います。

ウイルスは、基本的な構造として、中心に核酸(DNAもしくはRNA)を持ち、タンパク質の殻であるカプシドに覆われています。さらに外側に、エンベロープと呼ばれる膜を持つものも知られています。ウイルスの構造は、感染力や突然変異の起こりやすさ等、ウイルス自身の特徴に影響を与えます。

2-3ウイルスが感染するまでのフコイダンの作用

ウイルスが細胞へ感染するまでにはいくつかのパターンがあります。エンベロープを持つRNAウイルスの場合を一例として説明します。

COVID-19と同様にエンベロープを持つRNAウイルスは細胞表面の受容体と結合してエンドサイトーシス(細胞膜を通過できない物質を細胞が細胞内に取り込む作用)によって宿主の細胞内に取り込まれた後、細胞膜に融合してカプシドを開放し、RNAを細胞に放出します。このCOVID-19と同じ特徴を持つウイルスの感染におけるフコイダンの作用については2件の有用な報告がありますので、以下に紹介します(図2-4)。

報告①²⁾：フコイダンが細胞表面に結合することでヒトパラインフルエンザウイルス(hPIV)の細胞表面への吸着を阻害して、感染を防止することが報告されています²⁾。

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2-3-1 報告①：フコイダンによるパラインフルエンザウイルスの感染阻害効果

フコイダンとフコイダンの主な構成要素であるL-フコースについてヒトパラインフルエンザウイルス2型(hPIV-2)に対するLLCMK2細胞での増殖効果を研究しました。

血球吸着テストでは、フコイダンが細胞融合と血球吸着を阻害するが、L-フコースはどちらも部分的にしか阻害しないことが分かりました。ウイルスRNAがフコイダン入りで培養したhPIV感染細胞で検出されませんでした。しかし、L-フコースはウイルスRNAの合成を阻害しませんでした。hPIV2へのGFP発現による蛍光観察では、ウイルスのタンパク質合成がフコイダンで阻害されるが、L-フコースではされないことが示され、さらに、ウイルスの侵入がフコイダンでは阻害されるが、L-フコースではされないことが確認されました。

これらの結果より、フコイダンは細胞表面に結合することによる細胞表面へのウイルスの侵入を阻害し感染を妨げることが示唆されました。さらに硫酸化多糖であることがフコイダンによる阻害にとって重要であることが示されました。

報告②³⁾：フコイダンがデング熱ウイルス(DENV2)感染においてエンベロープに直接作用して阻害することが報告されています³⁾。

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2-3-2 報告②：フコイダンによるデング熱ウイルスの感染阻害効果

海藻の一種であるオキナワモズク由来の硫酸化多糖、フコイダンはグルクロン酸と硫酸化フコースを含む炭水化物の繰り返しから構成されています。ここで著者らはこの化合物が潜在的にデング熱ウイルス2型(DEN2)感染を阻害することを発見しました。ウイルス感染は、他の型ではなくDEN2がフコイダンで前処理されたときに阻害されました。グルクロン酸をグルコースに還元したフコイダン誘導体はウイルス感染を阻害しませんでした。脱硫酸化フコイダンはDEN2感染の阻害活性がかなり減衰しました。フコイダンにだけ結合したDEN2粒子は、フコイダンが直接的にエンベロープの糖タンパク質(EGP)と相互作用することを示しています。分子構造からの解析では、DEN2のEGPの233番目のアルギニンが推定上のヘパリン結合部位のひとつである310番目のリシンと立体構造的に近位であること、310番目のリシンはフコイダンとの相互作用で最も重要であること、が示唆されています。結論としては、フコイダンの硫酸基とグルクロン酸の両方がDEN2感染の阻害に対しての重要であることの証拠となるでしょう。

3-1　ウイルス感染と自然免疫系

細胞にウイルスが付着すると、自然免疫系の仕組みがはたらきます。この自然免疫系のしくみは、ウイルスの複製を阻害することと、感染した細胞の破壊を引き起こして、獲得免疫系が応答するまでの時間を稼ぐ役割を担っています(図3-3)。

3-2　フコイダンによる自然免疫系の活性化効果

自然免疫系のしくみを具体的に見てみましょう。ウイルスに感染した細胞はウイルスなどに反応するサイトカインの一種であるインターフェロンを産生して細胞の外に分泌します(図3-3)。分泌されたインターフェロンは他の細胞におけるウイルスの複製を阻害します。さらにインターフェロンはナチュラルキラー(NK)細胞を活性化させます。活性化されたNK細胞は、細胞の表面タンパク質を認識して細胞がウイルスに感染しているかどうかを判断し、感染した細胞に自殺(アポトーシス)を起こさせることで破壊します。マクロファージはウイルスを食作用で分解しウイルスの情報を取り出します(図3-4)。

インターフェロンとNK細胞とでウイルスの感染が全身に拡大することを遅らせている間に、破壊したウイルスの情報が樹状細胞に集められます。集められたウイルスの情報は樹状細胞によりリンパ器官に伝えられて、リンパ器官の中でウイルスに特異的な受容体を持つT細胞を活性化させて、獲得免疫系の応答を促進します(図3-4)。このように、樹状細胞は自然免疫系の細胞ですが、情報を獲得免疫系へ橋渡しをする機能も持っています。

フコイダンはこの自然免疫系のしくみで働く細胞の一種・マクロファージとNK細胞の活性化²⁾、樹状細胞の活性化³⁾⁴⁾、に関与することが報告されています(図3-5)。それぞれのはたらきの詳細については以下の表の通りです。

報告③：ヘルペスウイルス(HSV)感染1週間前にフコイダンを投与することで病変が軽症になり、回復までの期間が治療薬であるアシクロビル(ACV)投与の場合と同程度になること、フコイダンの投与によってマクロファージの貪食作用が活性化され、NK細胞による感染細胞の破壊(細胞障害性免疫)が活性化されたことが報告されています²⁾。

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3-3-1　フコイダンによるマクロファージとNK細胞の活性化²⁾

【報告③】²⁾

食用褐藻であるワカメから単離された硫酸化多糖類のフコイダンは、ヘルペスウイルス(HSV-1)の潜在的な阻害剤であることが以前のin vitroの実験で示されていました。HSV-1はヘルペスウイルスの一種で、免疫不全の宿主において、軽度の粘膜潰瘍から重症に至るまでの感染症を引き起こします。in vivoでは、HSV-1の複製は自然免疫系と獲得免疫系の両方で調節された免疫応答の下で制御されます。

本研究では、フコイダンのin vivoにおけるウイルス複製および宿主の免疫防御系に対する効果を調べました。生存率と病変スコアから判断すると、HSV-1感染1週間前にフコイダンを投与することで病変が軽症になり、回復までの期間は治療薬であるアシクロビル(ACV)投与の場合と同程度になることが分かり、フコイダンの経口投与がHSV-1の感染からマウスを保護することが確認されました。in vitroでのマクロファージの貪食作用活性およびB細胞幼若化の実験では、水と比較してフコイダンで4.3倍、LPSで5.2倍貪食作用が活性化されました。これらの結果よりフコイダンによって有意に刺激されることが確認されましたが、マクロファージの活性化を測る一酸化窒素の産生量測定では有意な変化が観察されませんでした。in vivoでの研究において、フコイダンの経口投与は、5-フルオロウラシル処理で免疫抑制されたHSV-1感染マウスにおいて、NK活性の有意な増加をもたらしました。HSV-1感染マウスのNK活性を含む細胞障害性免疫の活性は、フコイダンの経口投与によって有意な増加がみられました。HSV-1接種マウスでの中和抗体の産生は、水と比較してフコイダンで2、3週後の抗体力価が有意に増加されました。

これらの結果は、フコイダンの経口摂取が、ウイルス複製の直接阻害および自然免疫と獲得免疫の防御機能の両方の刺激を通じて保護効果を発揮する可能性があることを示唆しました。

報告④：フコイダンは動物試験において、樹状細胞によるT細胞活性化効果とサイトカイン(IL-6、IL-12、TNF-α)の産生を促進することが報告されています³⁾。

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3-3-2　フコイダンによる樹状細胞の活性化^3,4)

【報告④】³⁾

海由来の硫酸化多糖類は、特定の抗ウイルス、抗腫瘍、抗炎症および抗凝固活性を有することが示されています。しかしin vivoでの免疫調節効果についてはあまり研究されていませんでした。今回の研究では、in vitroおよびin vivoでのマウス樹状細胞(DC)の成熟に対する、アスコフィラン ノドッサムから精製された硫酸化多糖の効果を評価しました。フコイダンは骨髄由来DC(BMDC)の活性化と炎症誘発性サイトカインの産生を誘導しました。さらにin vivoで投与した場合は、CD40、CD80、CD86、MHCクラスIおよびMHCクラスIIの応答の増大、ならびに脾臓DCにおけるIL-6、IL-12およびTNF-αの産生を促進しました。興味深いことに、アスコフィラン　ノドッサムは、DC成熟を促進するための明確な効果を持つブラダーラック由来のフコイダンよりも高度な共刺激分子の応答の増大と炎症誘発性サイトカインの産生を誘導しました。アスコフィラン　ノドッサムはDCの存在下でIL-12依存的にIFN-γ産生と、Th1およびTc1細胞の生成を促進しました。またアスコフィラン　ノドッサムは骨髄分化一次応答88(MyD88)シグナル伝達経路を介してDC成熟を誘発されていました。これらの結果より、アスコフィラン　ノドッサム由来のフコイダンはDC成熟を誘導により、in vivoでTh1およびTc1応答を増強することを示しています。今回の研究結果は、感染症や癌と闘うための新しい治療戦略の開発を促進する可能性があります。

報告⑤：培養細胞の試験において、フコイダンが樹状細胞に発現するスカベンジャー受容体を介して未成熟なT細胞を活性化させてサイトカインの産生を促進することが報告されています⁴⁾。

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3-3-2　フコイダンによる樹状細胞の活性化^3,4)

【報告⑤】⁴⁾

樹状細胞(DC)は、未成熟なT細胞にとって最も強力な抗原提示細胞です。今回の研究では、スカベンジャー受容体(SR-A)が、末梢血DC(PBDC)および単球由来DC(MDDC)によって発現されることが示されました。さらに、これらの細胞への抗SR-A抗体の結合は、SR-Aアゴニストであるフコイダンの存在下では低下しました。これらのDCをフコイダンまたは抗SR-A抗体で処理すると、PBDCの特定の細胞群における共刺激分子CD83および主要組織適合遺伝子複合体クラスIIの表面発現が著しく増加しました。さらに、フコイダンで処理されたPBDCは、TNF-αを産生しましたが、IL-12p70は産生しませんでした。さらに、フコイダンによる成熟は、TNF-α中和抗体による前処理によって排除されました。最後に、インターフェロン分泌とT細胞の増殖は、T細胞とフコイダンによって成熟化されたPBDCの共培養によって増強されました。p38 MAPKおよびグリコーゲンシンターゼキナーゼ3の特異的阻害剤は、フコイダン処理されたPBDCのTNF-α産生および成熟を抑制しました。さらに、SR-Aを欠損したMDDCは、フコイダンの存在下でCD83発現、TNF-α産生、およびp38MAPKとグリコーゲンシンターゼキナーゼ3のリン酸化により応答を増大できませんでした。まとめるとこれらの結果は、SR-Aの結合がTNF-αの誘導をもたらし、それがPBDCの成熟を誘導し、それによってT細胞の増強が引き起こされることを示唆しています。

4-1　ウイルス感染と獲得免疫系

3章では自然免疫の反応におけるフコイダンの効果について3件の報告を行いました。この章では、免疫系のもう一つの仕組みである獲得免疫系において、どのようにウイルスが認識され、排除されるか、また獲得免疫系の働きにおけるフコイダンの効果について報告を紹介します。

獲得免疫系で働く主な免疫細胞は、抗体を作り出すB細胞と、ウイルスに感染した細胞を除去するはたらきなどをもつT細胞です。

B細胞とT細胞は、そのままではあらゆる物質に反応してしまい、自らが放出する抗体等の物質にも反応してしまうため、胸腺あるいは骨髄などにおいて受容体を変更するか(B細胞の場合)、削除されるか、不活性化されます。これらを自己免疫寛容といい、獲得免疫系が自己を攻撃しないようにしています。

B細胞はウイルスの一部分を抗原とした特定の結合部位を持ち、細胞の受容体との結合を阻害する抗体である免疫グロブリンを大量に分泌します。ウイルスを抗原とする場合、ウイルスの核酸、カプシド、エンベロープ、またはその一部をもとにして抗体が作られます。そのため抗体は抗原の種類に応じて異なる特徴を持ち、全身のウイルスとその毒素を排除します。いくつかのB細胞は記憶細胞に分化して次からの免疫応答をより効率的にします(図4-1)。

対照的にT細胞は機能によって3種類に分類されます(図4-2)。ウイルスに対する最初の獲得免疫応答では、ウイルスの一部を抗原として反応するリンパ球が増殖し、次回以降に同じウイルスが入ってきた場合に免疫応答するリンパ球が増えるようになります。また二次応答以降では、いくつかのリンパ球が記憶細胞に変わり、次に同じウイルスが侵入したときにより早くより効率的に反応するようになります。これらを免疫記憶といいます。

4-2　フコイダンによる獲得免疫系における抗体産生の増加効果

報告⑥：フコイダンの経口摂取による、高齢者におけるインフルエンザワクチン接種後の抗体産生への影響を調査しました。フコイダン群はプラセボ群よりも高い抗体価を示しました。これにより、フコイダンは、季節性インフルエンザウイルス3種に対する抗体産生を増加させることが報告されています²⁾。

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4-3-1　フコイダンによるインフルエンザウイルスに対する抗体産生の増加作用²⁾

【報告⑥】²⁾

高齢者はインフルエンザワクチンに対する免疫反応が不十分であることが知られています。海藻から抽出された硫酸化多糖類であるメカブフコイダン(MF)は、免疫調節効果があることが以前に示されていました。そこで、著者らは経口MF摂取の有無による、高齢の日本人男女におけるインフルエンザワクチン接種後の抗体産生を調査しました。60歳以上の70人を対象に、二重盲検無作為化プラセボ対照試験を実施しました。被験者は2つの群のどちらかにランダムに割り当てられ、MF(300 ㎎/日)またはプラセボを4週間摂取し、その後3種の季節性インフルエンザワクチンを接種しました。血球凝集阻害力価およびナチュラルキラー(NK)細胞活性を測定するために、ワクチン接種の5週間後および20週間後に血清を採取しました。 MF群は、プラセボ群よりも季節性インフルエンザウイルスワクチンに含まれる3つの株すべてに対して高い抗体価を示しました。MF群では、NK細胞の活動は、MF摂取後9週間でベースラインから増加する傾向がありました（P = 0.08）。しかし、プラセボ群では、9週間で実質的な増加は認められず、NK細胞活性は9週間から24週間で大幅に減少しました。これらの結果から免疫の弱まった高齢者では、MFの摂取によりワクチン接種後の抗体産生が増加し、インフルエンザの流行を防ぐ可能性があります。

報告⑦：フコイダンのウイルス複製と宿主の免疫防御系への影響を調べました。試験管試験では、マクロファージの食作用活性とB細胞の成熟はフコイダンによって著しく刺激されました。また、フコイダンの経口投与により、免疫抑制されたHSV感染マウスのNK活性、細胞障害性T細胞活性および中和抗体の産生は著しく促進されました。これにより、フコイダンによりヘルペスウイルス(HSV)感染時のB細胞の細胞数と抗体産生量が増加したことが報告されています³⁾ (図4-3)。

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4-3-2　フコイダンによるヘルペスウイルスに対する抗体産生の増加作用³⁾

【報告⑦】³⁾
【報告③】と同じ文献のため省略

5-1　ウイルス感染と免疫調節

ウイルスに感染し、生体内で増殖しても、免疫系の働きによって通常は抑え込むことができ、その際に特段の症状が出ないようになっています。しかし、感染したウイルスの種類や体調によっては免疫系に不具合を引き起こし、免疫系の異常な促進や抑制によって様々な症状が生じてしまう場合があります。

5-2　免疫の疾患(不全から暴走まで)と免疫調節について

生体内でどのように感染したウイルスが増殖するかについては、ウイルスの種類とヒトの免疫系がどのような応答(反応)をするかで決まります(図5-1)。極端な場合、免疫系が全く働かなければウイルスが全身もしくは重要な器官に感染して死に至り(免疫不全症)、免疫系が正常に働けばウイルスは即座に体外に排除されて、感染による全身症状が出る前に完治します(無症状感染)。

しかしながらヘルペスウイルスのように、通常ではほとんど病気を起こさないウイルスが体内に残り(潜在し)、不調になったときだけ症状を示す日和見感染を引き起こす場合があります。同様に、腸内や皮膚に常在する細菌やウイルスが体内に侵入・感染しないように免疫系は常に働いていますが、体調不良や異物の侵入によって免疫系の一部が適切に働かない(免疫が弱まった)状態になると、外部からのウイルスなどの異物だけでなく、常在する細菌やウイルスも体内への侵入・感染を始めます(図5-2)。このような、免疫が弱まった状態を普段の状態まで一時的に引き上げる作用が「免疫調節作用」といいます。

一方で、ウイルスの種類やヒトの健康状態によっては、ウイルス感染の過程で免疫が過剰に活性化されてしまい、感染後数日で症状が劇的に悪化する急性症状を示す場合があります。

また、自分自身の身体を免疫系が誤って攻撃する反応を自己免疫疾患といいます。この自己免疫疾患は、ウイルス感染などが引き金となって発症することも報告されています。特にヘルペスウイルスの一種であるEBウイルスの感染は、様々な自己免疫疾患に関与すると考えられています¹⁾。

上記の例のように、異物の侵入・感染後に活性化された免疫細胞などによって異物が除去された直後や、アレルギーなどで自分の細胞に免疫細胞が攻撃しているとき、過剰に活性化された免疫を普段の状態まで一時的に引き下げる作用も免疫調節作用です。これら不適切な免疫の活性を普段の状態まで戻す働きを免疫調節作用といいます(図5-3)。

5-3　フコイダンによる免疫調節作用

免疫調節作用についての研究は、食品分野の中でも特に乳酸菌や食物繊維において活発に進められています。しかし、免疫調節作用のメカニズムについては明らかになっていないことが多く、分かっている範囲では、(1)T細胞分化誘導、(2)サイトカイン調節、(3)抗体産生の制御、(4)NK細胞活性化、を適切にコントロールすることで免疫を普段の状態に保つと考えられています²⁾。食物繊維の一種であるフコイダンと免疫との関連についてはまだ研究が十分ではありませんが、ウイルス感染による炎症の抑制作用が報告されています³⁾。当社はフコイダンの免疫調節効果についての研究をさらに探求してゆく所存です。

報告⑧：フコイダンがマウスのマクロファージの受容体と肝炎ウイルス(MHV)の結合を阻害することで、ウイルス感染後に免疫系がウイルス感染していない肝細胞まで過剰に攻撃することで生じる劇症肝炎を抑制し補体の活性化を阻害することが報告されています³⁾。

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5-3-1　肝炎ウイルスにおけるフコイダンの免疫調節作用³⁾

【報告⑧】³⁾

＜背景と目的＞

マクロファージのスカベンジャー受容体(SR-A)は、主に骨髄細胞に発現する受容体であり、免疫恒常性の維持に重要な役割を果たします。SR-Aの発現は劇症肝炎(FH)患者の肝臓で応答が増大されたため、FHの病因におけるSR-Aの機能メカニズムを研究しました。

＜方法＞

SR-A欠損マウスとその野生型の子供をマウス肝炎ウイルスの一種MHV-A59に感染させて、FH、組織損傷の状態、血清アラニンアミノトランスフェラーゼ、炎症性サイトカインと補体(C5a)を測定し、比較しました。 好中球枯渇を伴うまたは伴わないMHV感染後に肝障害を研究しました。

＜結果＞

結果では、SR-A欠損マウスがMHV誘発性肝炎に耐性があることを示しました。 C5aRaによる治療は、MHVに感染した野生型マウスとSR-Aマウスの間の炎症反応と肝障害の違いを減少させ、C5a誘発性の炎症誘発性反応がSR-Aを介したFH病因の調節に重要な役割を果たすことを示唆しています。SR-Aは、MHV刺激により、好中球におけるTGF活性化キナーゼ1のリン酸化を効率的に増強し、それによって細胞外シグナル調節キナーゼ経路の活性化とそれに続くNETosis(免疫反応のひとつで好中球細胞外トラップによって引き起こされる細胞死)形成を促進することを示しました。さらに、SR-Aの遮断がMHV感染によって引き起こされる肝障害を軽減したという証拠を提供しました。

＜結論＞

SR-Aは、NETosisの誘導とそれに続く補体活性化を増強することにより、ウイルス誘導FHの病因を促進します。SR-Aを標的とすることは、FHの新しい免疫療法戦略として採用される可能性があります。

＜要約＞

FHは世界中で高い死亡率を示す疾患です。FH患者およびマウス実験FHの肝臓におけるSR-Aのレベルの上昇は、SR-AがFHの病因に役割を果たすことを示した。ここでは、SR-A欠損マウスはMHVによって誘導されるFHに耐性があり、SR-A阻害剤であるフコイダンはマウスのFHの進行を抑制することを示しています。著者らの研究は、SR-A機能を阻害する薬剤の使用がFHの患者に有益である可能性があることを示唆しています。