立命馆大学研究生院药学研究科的山口慎一朗先生(博士课程后期)、该大学研究生院生命科学研究科的谢祺琳先生( 2022年度博士课程前期结业)、该大学生命科学部的笠原浩太助教(现JT医药综合研究所研究员)、该大学药学部的中山胜文教授等人的研究小组发现了识别碳纳米管( CNT )的人类免疫受体。 本研究成果将于2023年4月7日(日本时间)刊登在英国科学杂志《Nature Nanotechnology》上。另外，本研究在JST战略性创造研究推进事业团队型研究( CREST )的研究领域“细胞外微粒引起的生命现象的阐明及其控制的基础技术的创造”以及JST战略性创造研究推进事业个人型研究(先驱)的研究领域“生物体中微粒的功能和控制”的支持下，与名古屋大学研究生院医学系研究科的丰国伸哉教授、东北大学研究生院信息科学研究科的木下贤吾教授等共同研究进行的。
■ CNT作为新一代纳米材料※1备受期待，但部分CNT可能存在石棉的毒性，其毒性表达分子机制尚不清楚。 ■通过独特的胰岛素探索※2，在世界上首次发现了识别CNT的人类免疫受体。 ■明确了巨噬细胞※3使用其免疫受体吞噬CNT※4引起炎症。 ■期待开发以本研究中发现的免疫受体及炎症信号为靶点的健康损害防治疗法。
CNT是被寄予厚望的日本新一代纳米材料，但据动物实验报告，部分多层CNT(Multi-Walled CNT: MWCNT )显示出与石棉相似的炎症毒性。 但是，MWCNT是如何在生物体内被识别并诱导炎症的，以及在人类中是否也发现了同样的炎症毒性还不清楚。 本研究小组发现，免疫细胞之一的巨噬细胞通过细胞表面一种叫Siglec-14的人类免疫受体吞噬MWCNT，引起炎症。 另外，发现通过使用新制作的抗Siglec14抑制单克隆抗体和Siglec-14的炎症信号抑制药，可以减轻MWCNT的炎症毒性。 为了今后CNT的实用化，保证人体的安全性是重要课题，期待本研究能有助于其发展。
CNT于1991年通过饭岛澄男老师(现名城大学终身教授·名古屋大学特聘平教授)的电子显微镜分析被发现，由于其高导电性、轻量性、强度等非常优异的物性，作为日本开发的新一代纳米材料，被期待用于半导体、电池、医疗等多个领域。 然而，在2008年以后的动物实验中，部分CNT相继被观察到与石棉同样的毒性，2019年国际化学物质事务局将CNT判断为有害物质。 因此，关于今后CNT的继续研究开发在国际上引起了很大的讨论。 CNT和石棉进入生物体内后经常被免疫细胞的巨噬细胞吞噬。 本来巨噬细胞吞噬侵入体内的微生物等，在生物防御上起着重要的作用，但如果吞噬了石棉和部分MWCNT，就会感受到强烈的压力，其压力应答( IL-1等炎症性细胞因子※6通过NLRP3基础核糖体※5活化的分泌等)，会引起慢性炎症。然而，为什么巨噬细胞经常摄取CNT仍然不清楚。
本研究小组最近在世界上首次发现Tim4作为识别MWCNT的受体，在老鼠实验中发现Tim4与MWCNT引起的炎症有关( 2021年2月10日立命馆大学-JST-东北大学共同新闻发布会※7 ) 但是之后，使用人类细胞进行的实验表明，即使是没有表达Tim4的巨噬细胞也能识别MWCNT，在人类中，Tim4以外的某种受体有可能与MWCNT的炎症相关。
Tim4的CNT识别方式是非常有特点的，那就是通常难以出现在蛋白质表面的芳香族氨基酸簇出现在Tim4的结构表面，该簇是CNT识别所必须的。因此，本研究为了寻找Tim4以外的CNT识别受体，进行了独特的硅胶探索。 也就是说，从已经进行了晶体结构分析的约150，000种蛋白质三维结构中探索具有芳香族氨基酸簇的人受体，成功地找到了Siglec-14。 通过分子动力学模拟※8，观察了Siglec-14与CNT稳定结合的情况，与该结合模型一致，证实了Siglec-14与Tim4一样通过芳香族氨基酸簇识别MWCNT。
有趣的是，Siglec-14受体在人巨噬细胞表面与一种叫做DAP12的接头蛋白缔合，通过一种叫做spleen tyrosine kinase (Syk )的磷酸化酶的激活传递炎症信号。 本研究组发现，Siglec-14在人巨噬细胞中识别MWCNT时，通过Syk的激活，一种名为NF-kB的转录因子被激活，分泌IL-8等炎症细胞因子，并诱导MWCNT的吞噬作用 。实际上，如图1所示，在显微镜下观察到，在人巨噬细胞系的THP-1细胞中表达Siglec-14时，MWCNT会明显进入细胞内。 我们已经知道，通过这种吞噬作用摄取的MWCNT会损伤吞噬细胞，结果导致细胞死亡和NLRP3核糖体活化，从而引起炎症(图2 )。 向人外周血单核细胞添加MWCNT会分泌炎症细胞因子，这被本研究制作的抗Siglec14抑制单克隆抗体所抑制。 由于小鼠没有Siglec-14，人为将Siglec-14导入小鼠肺泡巨噬细胞给药MWCNT，与未导入Siglec-14的小鼠相比，肺炎加重。 此外，研究表明，在该模型小鼠中口服一种叫做磷酸铵镁的Syk抑制剂可以减轻肺炎。 这些结果提示，人巨噬细胞上的Siglec-14吞噬MWCNT，通过其应激应答引起炎症。
本研究成果明确了人类和实验动物一样暴露于CNT时的炎症毒性表达机制，并与开发此时的治疗预防效果相关。 实际上，CNT是否对人类显示毒性，目前还不清楚。 化学物质的毒性表现也很大程度上取决于暴露量，因此有必要正确预测在处理CNT的工作环境等中的暴露量，慎重判断其风险。 今后，为了CNT的实用化，保证人体的安全性将是一个重大课题，期待本研究成果能对其有所帮助。
论文名称: carbon nanotube recognition by human siglec-14 provokes inflammation ( Siglec-14识别碳纳米管引起炎症)
作者姓名及所属: Shin-Ichiro Yamaguchi 1,2,12 , Qilin Xie 2,3,12 , Fumiya Ito 2,4 , Kazuki Terao 1 , Yoshinobu Kato 1 , Miki Kuroiwa 1 , Satoshi Omori 5 , Hideo Taniura 6 , Kengo Kinoshita 5,7,8,9 , Takuya Takahashi 3 , Shinya Toyokuni 2,4,10 , Kota Kasahara 2,3,11,* , and Masafumi Nakayama 1,2,* （山口慎一朗，謝祺琳，伊藤文哉，寺尾和希，加藤 慶宜，黒岩美希，大森聡，谷浦秀夫，木下賢 吾，高橋卓也，豊國伸哉，笠原浩太，中山勝文）
1Laboratory of Immunology and Microbiology, College of Pharmaceutical Sciences, Ritsumeikan University, Kusatsu, Japan
2CREST, Japan Science and Technology Agency (JST), Kawaguchi, Japan 3Computational Structural Biology Laboratory, College of Life Sciences, Ritsumeikan University, Kusatsu, Japan
4Department of Pathology and Biological Responses, Nagoya University Graduate School of Medicine, Nagoya, Japan
5Graduate School of Information Sciences, Tohoku University, Sendai, Japan 6Laboratory of Neurochemistry, College of Pharmaceutical Sciences, Ritsumeikan University, Kusatsu, Japan
7Tohoku Medical Megabank Organization, Tohoku University, Sendai, Japan 8Advanced Research Center for Innovations in Next-Generation Medicine, Tohoku University, Sendai, Japan
9Department of In Silico Analyses, Institute of Development, Aging and Cancer (IDAC), Tohoku University, Sendai, Miyagi 980-8575, Japan
10Center for Low Temperature Plasma Science, Nagoya University, Nagoya, Japan 11Current address: Central Pharmaceutical Research Institute, Japan Tobacco Inc., Takatsuki, Japan
12Contributed equally *Corresponding author
发表杂志:Nature Nanotechnology
刊登日期: 2023年4月7日(日本时间)
DOI： 10.1038/s41565-023-01363-w URL： https://www.nature.com/articles/s41565-023-01363-w
※1纳米材料 显示出粒径约为100 nm以下的材料，作为下一代的产业技术基础，有望在多个领域得到利用。 ※2硅胶探索 意思是指在电脑上根据虚拟实验，探索候补物质的方法。 本研究通过该方法从约150，000种蛋白质三维结构中寻找了具有芳香族氨基酸簇的受体。 ※3巨噬细胞 是免疫细胞之一，吞噬侵入体内的病原性微生物等，作为生物防御的堡垒起着重要的作用。 另一方面，也会引起过多的炎症诱发疾病。 ※4吞噬 表现出巨噬细胞等将异物吸入细胞内，消化，分解的作用。 ※5NLRP3基础设施核糖体 是各种细胞应激作用下炎症诱导的蛋白质复合体，这种复合体分泌炎症细胞因子IL-1。 ※6炎性细胞因子 是免疫细胞产生、分泌的液体因子，具有诱发炎症的作用。 ※7立命馆大学-JST-东北大学联合新闻稿2021年2月10日 https://www.ritsumei.AC.jp/profile/press release _ detail /？ id=421 ※8分子动力学模拟 表示根据牛顿的运动方程式在计算机中再现蛋白质等分子以及构成其集合体的原子的运动的方法。
(关于研究内容) 立命馆大学生命科学部助教笠原浩太(论文责任作者:现JT药品综合研究所) email.ktk SHR [ at ] fc.ritsumei.AC.jp 立命馆大学药学部教授中山胜文(论文责任作者) email.mnakayam [ at ] fc.ritsumei.AC.jp (关于报道) 立命馆大学宣传科负责人:名和 tel.075-813-8300 email.r-koho [ at ] ST.ritsumei.AC.jp 科学和技术振兴机构宣传科 tel.03-5214-8404 email.jst koho [ at ] jst.go.jp (关于JST业务) 科学技术振兴机构战略研究推进部生命创新集团保田睦子 tel.03-3512-3524 email.crest [ at ] jst.go.jp
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