Junsuke Uwada et al., |
要約 |
| クローン病や潰瘍性大腸炎を含む炎症性腸疾患（IBD）は、消化管に持続的な炎症を引き起こす腸管疾患である。現在、炎症性腸疾患の病因は完全には解明されておらず、疾患を完全に治癒させるための治療法も不十分である。腸管上皮細胞は、必須栄養素の吸収に加え、粘液分泌や上皮バリアの形成を通じて、外来抗原（微生物や未消化の食物など）の侵入を防ぐ役割を担っている。腸管上皮の恒常性が破綻すると、炎症が悪化する。したがって、上皮機能の維持・強化は、炎症性腸疾患治療において治療的利益をもたらす可能性がある。ムスカリン性アセチルコリン受容体（mAChR）は、アセチルコリンに対するGタンパク質共役型受容体であり、腸管上皮細胞にも発現している。近年の研究により、腸管上皮の恒常性維持におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割が明らかになってきた。また、上皮細胞におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の活性化には、非神経性アセチルコリンが重要であることも認識されている。本総説では、腸管上皮の恒常性維持に関わるムスカリン性アセチルコリン受容体および非神経性アセチルコリン系に関する研究の最新の知見を概説し、炎症性腸疾患治療の標的としてのそれらの可能性について論じる。 |
| 目次（クリックして記事にアクセスできます） |
| 1. はじめに |
| 2. 腸管上皮におけるムスカリン性アセチルコリン受容体 |
| 3. 粘液層の維持におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割 |
| 4. 炎症性サイトカインに対する上皮バリア機能におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割 |
| 5. 上皮バリア修復におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割 |
| 6. 上皮細胞再生におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割 |
| 7. 上皮バリア機能障害へのムスカリン性アセチルコリン受容体の関与 |
| 8. 非神経性アセチルコリン |
| 9. 炎症性腸疾患の治療標的としてのムスカリン性アセチルコリン受容体 |
| 10. 結論 |
| 本文 |
| 1.はじめに |
| 腸管内腔は、食事摂取などを通じて様々な物質にさらされています。さらに、腸管内腔には多種多様な細菌が生息し、腸内細菌叢を形成しています。腸管上皮細胞は、内側の固有層と管腔内の環境を隔てる役割を担っています。腸管上皮細胞は、必須栄養素を吸収するだけでなく、不要な抗原や細菌の侵入を阻止するバリアも形成しています。腸管上皮の恒常性やバリア機能が破綻すると、細菌やその他の抗原が侵入し、炎症反応が引き起こされる可能性があります。クローン病や潰瘍性大腸炎を含む炎症性腸疾患の患者では、しばしば腸管バリア機能の障害や炎症の増悪が認められます [1,2]。現在、炎症性腸疾患の治療は一般的に炎症反応の抑制を目的としています。これに対し、上皮バリアの維持や再生は炎症の原因を取り除くことにつながるため、炎症性腸疾患治療における有効な戦略となり得ます。したがって、腸管上皮機能の恒常性を維持するメカニズムを解明する必要があります。 |
| 腸管機能は自律神経系によって制御されています。副交感神経系は、神経伝達物質であるアセチルコリン（ACh）を介して腸管平滑筋細胞上のムスカリン性アセチルコリン受容体（mAChR）を活性化し、腸管運動を促進します[3]。先行研究によれば、ムスカリン性アセチルコリン受容体は腸管上皮細胞にも存在し、粘膜の水分保持に重要な役割を果たす塩化物イオン（Cl-）の分泌を調節しています[4,5]。アセチルコリンはニコチン性アセチルコリン受容体（nAChR）にも作用します。ニコチン性アセチルコリン受容体は腸管において抗炎症作用を発揮します。例えば、迷走神経の刺激は、脾臓や腸管のマクロファージに発現するα7-ニコチン性アセチルコリン受容体を活性化し、腫瘍壊死因子-α（TNF-α）などの炎症性サイトカインの放出を抑制します[6]。したがって、ニコチン性アセチルコリンシグナル伝達は、炎症性腸疾患に対する治療標的となり得ます。一方、近年では、腸管上皮の恒常性維持におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割に関する報告が数多くなされています。しかし、これらの報告の中には、ムスカリン性アセチルコリン受容体の機能や関与する受容体サブタイプに関して矛盾するものも見受けられます。本レビューでは、腸管上皮に発現するムスカリン受容体サブタイプと、腸管上皮の恒常性維持におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割について、特に粘液層の維持、バリア機能の保護・再生、および幹細胞の分化・増殖に焦点を当てて概説することを目的としました。副交感神経以外にも、いくつかの細胞種がアセチルコリンを分泌し、上皮細胞上のムスカリン性アセチルコリン受容体を活性化させます。近年、上皮細胞によるアセチルコリンの合成および分泌様式が明らかになってきたことを受け、非神経性アセチルコリン系に関する報告についても検討しました。最後に、腸管上皮機能を保護・改善することによる炎症性腸疾患治療の薬理学的標的としてのムスカリン性アセチルコリン受容体の可能性について議論しました。 |
| 2. 腸管上皮におけるムスカリン性アセチルコリン受容体 |
| ムスカリン性アセチルコリン受容体は、Gタンパク質共役型受容体（GPCR）ファミリーに属し、内因性リガンドとしてアセチルコリンを受け取ります。哺乳類において、ムスカリン性アセチルコリン受容体は5つのサブタイプ（M1～M5）から構成されています。M1、M3、およびM5サブタイプはGαq/11タンパク質と共役し、ホスホリパーゼCβを活性化します。これによりジアシルグリセロールとイノシトール1,4,5-三リン酸が産生され、それぞれプロテインキナーゼC（PKC）の活性化と細胞内Ca2+の動員が引き起こされます。対照的に、M2およびM4受容体はGαi/oタンパク質を介してシグナルを伝達し、アデニル酸シクラーゼ活性を抑制して、サイクリックAMP（cAMP）の産生を低下させます。ムスカリン性アセチルコリン受容体は、腸管平滑筋細胞における運動性の調節や、腸管上皮細胞における塩化物イオンなどの陰イオン分泌の調節に役割を果たしているため、長年にわたり精力的に研究されてきました。腸管上皮は、整列した腸上皮細胞（小腸の腸細胞または大腸の結腸細胞）、杯細胞、およびパネート細胞から構成されています。これらの細胞は、陰窩（クリプト）底部に存在する少数の「ロイシンリッチリピート含有Gタンパク質共役型受容体5（Lgr5）陽性幹細胞」という共通の起源から分化します。 |
| これらの細胞におけるムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプの発現は、免疫組織化学、in situハイブリダイゼーション、定量PCR、および薬理学的アッセイを用いて検討されてきました。以前の総説において、Hirotaらは消化管におけるムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプについて概説しました[7]。本稿では、腸管上皮に焦点を当ててムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプを評価した最近の研究に基づき、最新の知見を提示します（表1）。 |
表1. 腸管上皮細胞におけるムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプ |
| qPCR：定量PCR、IHC：免疫組織化学、ISH：in situハイブリダイゼーション。「-」は、当該サブタイプにおいて検出されなかったことを示す。 |
| 結腸上皮細胞（コロノサイト）において主に発現しているムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプは、M1およびM3です。腸管上皮細胞において、ムスカリン性アセチルコリン受容体、特にM3サブタイプは、Cl-（塩化物イオン）の分泌を促進する働きをします[7]。ムスカリン毒素7（MT7）は、ヘビ毒由来のペプチド性アンタゴニストであり、M1サブタイプに対して高い特異性を示します[21]。結腸陰窩（クリプト）に対するムスカリン毒素7の薬理学的結合実験により、そこには約80%のM1受容体と20%のM3受容体が存在することが明らかになっています。機能的には、M3受容体がCl-分泌を促進するのに対し、M1受容体は抑制的に作用する可能性があります[14]。腸管上皮細胞のモデルとして頻繁に用いられるヒト結腸上皮細胞由来の細胞株T84は、M1とM3の両方を発現していますが[20]、Cl-分泌を担っているのはM3サブタイプです[22]。しかし、M3受容体ノックアウト（KO）マウスにおいてもムスカリン性アセチルコリン受容体刺激によるイオン分泌が維持されることから、M1受容体などの他のサブタイプが代償的な役割を果たしている可能性があります[15,23]。このように、結腸上皮細胞に発現するM1とM3はいずれもGαq/11タンパク質と共役しますが、その機能は部分的に異なっている可能性があります。 |
| パネート細胞、杯細胞、幹細胞といった他の上皮細胞も、ムスカリン性アセチルコリン受容体を発現しています。組織内におけるこれらの細胞の割合は比較的少ないため、薬理学的な結合実験において、細胞表面で機能している主要なムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプを特定することは困難です。したがって、細胞特異的な受容体ノックアウト（KO）マウスやサブタイプ選択的リガンドを用いて、その機能的影響を評価する研究が特に重要となります。ここで述べた上皮細胞に加え、粘膜下組織の免疫細胞もムスカリン性アセチルコリン受容体を発現しており、アセチルコリン刺激がこれらの免疫細胞上のムスカリン性アセチルコリン受容体を介して上皮細胞に間接的な影響を及ぼす可能性が示唆されています。以下に、これらの細胞に発現するムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプと、上皮の恒常性維持におけるそれらの機能との関係について述べます。 |
| 3. 粘液層の維持におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割 |
| 上皮表面の粘液および抗菌ペプチド（AMP）は、高分子や細菌が腸管上皮に到達する前にその侵入を防いでいる。粘液層に欠陥が生じると、細菌感染が助長され、炎症反応が誘発される可能性がある。炎症性腸疾患患者では、粘液バリアの異常が頻繁に認められる[24]。したがって、粘液分泌や抗菌ペプチド産生の改善は、炎症性腸疾患の治療において有益である可能性がある。 |
| 腸の陰窩や絨毛に存在する杯細胞は、粘液を分泌します。腸管神経から放出されるアセチルコリンは、杯細胞上のムスカリン性アセチルコリン受容体に作用し、粘液の放出を誘発します[25,26]。粘液層の維持に不可欠なムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプは特定されていません。他の組織では、コリン作動性刺激に応答した分泌は主にM3サブタイプが担っています。例えば、結膜の杯細胞において、M3サブタイプの遺伝的欠損が涙液分泌を著しく減少させることが示されています[27]。近年の研究では、腸管における粘液分泌には主にM1サブタイプが関与していることが示唆されています[28]。腸管杯細胞におけるM1の発現は、シングルセルRNAシーケンシング（scRNA-seq）を用いた研究によって裏付けられています[29]。杯細胞からの粘液分泌は、細胞内Ca2+依存的に複数の小胞が融合する「複合型エキソサイトーシス（compound exocytosis）」と、小胞が個別に融合する「一次型エキソサイトーシス（primary exocytosis）」に分類されます。アセチルコリン刺激による粘液放出は前者の機構によるものであり、そのプロセスは、M1やM3のようなGαq/11共役型ムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプによる細胞内Ca2+濃度の上昇によって引き起こされる可能性があります[30,31]。さらに、M3サブタイプ欠損（KO）マウスを用いた研究により、M3が杯細胞の維持および粘液の主要成分であるMuc2（訳者注：MUC2（ムチン2）は、主に小腸や大腸の杯細胞で産生・分泌されるゲル形成性の高分子糖タンパク質（ムチン）です。腸管内面で強固な粘液層を形成し、物理的・化学的刺激や腸内細菌から腸壁を保護する重要なバリア機能を担っています）の発現に重要であることが明らかになりました[32]。一方、Knoopらは、杯細胞においてM3受容体とともにM4受容体も豊富に発現していることを示しました[12]。この研究により、M4サブタイプは小腸における免疫寛容に重要な役割を果たしていることが明らかになりました。そのメカニズムは「杯細胞関連抗原輸送（GAP：goblet cell-associated antigen passages）」と呼ばれ、管腔内の抗原を粘膜固有層の抗原提示細胞へと輸送するものです。対照的に、結腸粘膜ではM3受容体が杯細胞関連抗原輸送の誘導に関与しています[28]。このように、杯細胞上のムスカリン性アセチルコリン受容体は、粘液分泌による抗原侵入の防止と、杯細胞関連抗原輸送による抗原の取り込み・輸送の両方を制御しています。 |
| 抗菌ペプチド（AMP）は、小腸の陰窩（クリプト）に存在するパネート細胞から分泌されます。抗菌ペプチドは細菌感染の防止や腸内細菌叢の制御を担っているため、その機能異常は炎症性腸疾患（IBD）などの病態に関与しています[33]。パネート細胞からの分泌は、細菌環境だけでなく、コリン作動性刺激によっても影響を受けます[34,35]。パネート細胞におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の刺激は細胞内Ca2+濃度を上昇させ、これが抗菌ペプチドを含む小胞のエキソサイトーシスを誘発する可能性があります[36,37]。線虫（カエノラブディティス・エレガンス）においては、コリン作動性ニューロンがムスカリン性アセチルコリン受容体を介して腸管上皮でのWnt発現を誘導し、その結果、C型レクチンやリゾチームといった抗菌ペプチドの発現が亢進することが示されています[38]。したがって、ムスカリン性アセチルコリン受容体は抗菌ペプチドの分泌のみならず、その遺伝子発現にも関与している可能性があります。 |
| 全体として、ムスカリン性アセチルコリン受容体は粘液や抗菌ペプチドの放出を介して高分子や細菌の上皮への侵入を防ぐことにより、腸管上皮の恒常性維持に寄与している。 |
| 4. 炎症性サイトカインに対する上皮バリア機能におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割 |
| 固有層の免疫細胞は、細菌や抗原の侵入に応答して活性化する。炎症性腸疾患患者の腸粘膜では、TNF-αやインターフェロンγ（IFNγ）といった炎症性サイトカインの分泌が亢進している[39,40,41]。これらのサイトカインは、腸管上皮細胞の膜透過性を増大させ、バリア機能を破綻させることが知られている[42,43]。炎症性腸疾患治療におけるTNF-α中和抗体の有効性が示されていることからも明らかなように[44]、腸管上皮に対するこれら炎症性サイトカインの影響を軽減することは有益であると考えられる。 |
| ラットの結腸上皮において、TNF-αおよびIFN-γによって誘発される細胞間隙透過性の亢進は、ムスカリン受容体アゴニストによる事前刺激によって抑制された[19]。NF-κB（核内因子κB）はTNF-αの主要なシグナル伝達因子であり、腸管上皮のバリア機能の破綻に関与している[45,46,47]。腸管上皮バリア機能の研究に用いられるヒト結腸腺がん由来細胞株HT-29/B6細胞[48]において、TNF-αはバリア機能を低下させるとともに、NF-κBシグナル伝達の亢進を伴って炎症性サイトカイン（IL-8）の発現を増加させたが、これらはいずれもムスカリン性アセチルコリン受容体の刺激によって抑制された[19]。TNF-αによる作用がこのように減弱するのは、TNF-α受容体（TNFR）のシェディング（細胞膜からの切り出し・放出）が生じるためである。TNF-α受容体の細胞外ドメインのシェディングは、細胞表面のTNF-α受容体密度を低下させるとともに、切断されて可溶型となったTNF-α受容体（sTNFR）によってTNF-αを中和することで、TNF-αの作用を抑制する[49,50]。HT-29/B6細胞ではM3サブタイプが主に発現しているため、TNF-αの作用はこのムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプを介して抑制されている可能性がある。TACE（TNF-α変換酵素、別名ADAM-17）は、TNF-α受容体のシェディングに関与するメタロプロテアーゼである[51]。TACEの活性化に関与する上流のシグナル伝達分子の一つに、p38 MAPKがある[52]。さらなる研究により、M3サブタイプは、Gαq/11タンパク質を介したCa2+応答、特にストア作動性カルシウム流入（SOCE）に続いてp38 MAPKを活性化することで、TNF-αの作用を抑制することが示されている[53,54]。また、M3サブタイプによるTACEの活性化は、上皮成長因子受容体（EGFR）のトランスアクティベーションも引き起こす[54]。この反応は、イオン分泌の適切な調節[55]や腸管上皮の恒常性維持[56]に寄与している可能性がある。 |
| ムスカリン性アセチルコリン受容体の刺激は、インターロイキン-1β（IL-1β）によって誘発されるバリア機能障害に対する抵抗性を付与する[57]。IL-1βによる処理は、NF-κBシグナル伝達を介して、ケモカイン（CXCL-1、CXCL-10、IL-8、およびCCL-7）やミオシン軽鎖キナーゼ（MLCK）の発現を亢進させる。ムスカリン性アセチルコリン受容体の刺激は、IL-1βによるNF-κBの活性化を抑制しなかったため、これらサイトカインやMLCK（訳者注：MLCKとは、ミオシン軽鎖キナーゼ（Myosin light-chain kinase）という酵素の名前です。細胞の中で筋肉が縮む動きや、細胞の形が変わる動きを助けるはたらきをします）の発現も抑制されなかった。対照的に、ムスカリン性アセチルコリン受容体刺激は、IL-1βによるMLCKを介したミオシン軽鎖（MLC）のリン酸化を著しく阻害したが、そのメカニズムは不明である。MLCKの活性化は、オクルーディンなどのタイトジャンクション構成因子のエンドサイトーシスを介してバリア機能の破綻を引き起こす[58,59]。実際、IL-1βはタイトジャンクションに局在するオクルーディンの量を減少させたが、ムスカリン性アセチルコリン受容体刺激はこの減少を抑制した。したがって、ムスカリン性アセチルコリン受容体は、MLCKによるMLCのリン酸化を抑制することで、IL-1βによって誘発されるバリア機能障害を抑制している可能性がある[57]。 |
| デキストラン硫酸ナトリウム（DSS）誘発性大腸炎は、ヒトの潰瘍性大腸炎のモデルとして広く用いられている[60]。デキストラン硫酸ナトリウムの投与は腸管上皮細胞に損傷を与え、その結果、侵入する細菌に応答してマクロファージの浸潤や、TNF-αやIL-1βといった炎症性サイトカインの放出が引き起こされる。TNF-αに対する中和抗体が、デキストラン硫酸ナトリウム誘発性大腸炎モデルにおいて粘膜の完全性を改善することが示されている[61]。特筆すべき点として、M3ノックアウト（KO）マウスではデキストラン硫酸ナトリウム誘発性大腸炎がより重症化したことが挙げられる[23]。近年、別の潰瘍性大腸炎実験モデルである酢酸処置マウスにおいて、McN-A-343が抗炎症作用を示すことが報告された[62]。McN-A-343はM1サブタイプに対して比較的高い作用を示すため、M1選択的アゴニストとして広く使用されているが、他のムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプにも作用する[63]。したがって、デキストラン硫酸ナトリウム、特にM1およびM3サブタイプは、活性化した自然免疫系から放出されるTNF-αやIL-1βなどの炎症性サイトカインの作用を抑制し、腸管上皮バリアの破綻を防ぐ可能性がある。 |
| Hosicらは、TNF-αがバリア機能に及ぼす影響を検討するため、不死化細胞株ではなく、ヒト小腸上皮細胞の初代培養系を確立した[64]。同研究において、ニコチン受容体およびムスカリン受容体のいずれを介する刺激も、TNF-αによって誘発されたバリア機能の破綻を改善することはなかった。したがって、上皮細胞におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割について再検討する必要があるかもしれない。そのためには、この初代培養系、細胞株、および生体内（in vivo）におけるムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプの発現や応答性を比較することが求められる。 |
| 5. 上皮バリア修復におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割 |
| 上皮バリア機能の破綻は高分子や細菌の侵入を招き続けるため、さらなる炎症反応を防ぐにはバリア機能の修復が重要である。ブタ結腸上皮細胞の培養系において、カルバコールやオキソトレモリンによる刺激は、上皮バリア機能の形成過程における経上皮電気抵抗を増大させた[65]。この作用はアトロピンの併用によって阻害されたことから、ムスカリン性アセチルコリン受容体刺激が上皮バリアの形成を促進すること、およびムスカリン性アセチルコリン受容体が損傷した上皮バリアの再生に関与している可能性が示唆された。また、結腸上皮細胞由来のアセチルコリンも検出され、ムスカリン受容体作動薬を添加せずにアトロピンを投与した場合にはバリア機能の形成が抑制された。したがって、結腸上皮細胞由来の非神経性アセチルコリンによるオートクリン／パラクリン作用が、バリア形成に関与している可能性がある[65]。 |
| M1およびM3サブタイプを発現するヒト結腸上皮細胞由来のT84細胞（訳者注：T84細胞は、ヒト結腸癌（大腸がん）の肺転移巣から樹立された上皮性接着細胞株です。コンフルエント状態で強いタイト結合（密着結合）やデスモソームを形成し、電解質や水分の定向輸送能を持つため、腸管上皮のバリア機能や感染症、薬物動態の研究モデルとして広く利用されています）を用いた研究において、M1受容体を介した細胞外シグナル調節キナーゼ1/2（ERK1/2）の活性化および焦点接着キナーゼ（FAK）の活性化が、エタノール誘発性上皮損傷からの回復に寄与することが報告されています[20]。焦点接着キナーゼの活性は、タイトジャンクション複合体の再配置の制御を通じて、上皮バリアの維持および修復に重要です[66]。また、細胞外シグナル調節キナーゼ1/2の活性化は、タイトジャンクション因子の発現を介して腸管バリア機能を促進します[67,68]。げっ歯類の結腸粘膜断片を用いた研究では、細胞外シグナル調節キナーゼ1/2の活性化においてM3サブタイプではなくM1サブタイプが重要であることが示されています[14]。Khanらは、T84細胞においてIFN-γ誘発性のバリア機能障害によりM1サブタイプの発現が低下することを示しました[20]。この知見は、炎症性サイトカインがM1受容体レベルを抑制することでバリア機能の回復を阻害している可能性を示唆しています。抗がん剤として用いられるチロシンキナーゼ阻害剤はT84細胞単層のバリア機能を低下させることが示されている一方、カルバコールによるコリン作動性刺激は、ERK1/2の活性化を介してバリア機能障害の進行を遅らせます[69]。したがって、ERK1/2およびFAKを介したシグナル伝達は、mAChR（ムスカリン性アセチルコリン受容体）による上皮バリアの維持または修復に寄与している可能性があります。これらのキナーゼは細胞の増殖や遊走にも関与しています。そのため、mAChRによるこれらのキナーゼの活性化は、後述するように、幹細胞や前駆細胞からの上皮細胞の補充や、上皮細胞の恒常性維持に関与すると考えられます。 |
| ムスカリン性アセチルコリン受容体は、損傷に対するバリア機能の維持や、障害されたバリア機能の回復には重要ですが、少なくとも結腸においては、恒常的な上皮バリア機能に不可欠というわけではない可能性があります。これは、M1、M3、あるいはM1/M3を遺伝的に欠損させても、腸管上皮の透過性に有意な差は認められなかったためです[32,70]。しかし、小腸においては、M3ノックアウトマウスで恒常的なバリア機能が部分的に障害されています[70]。したがって、バリア機能におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割は、小腸と大腸で異なる可能性があります。 |
| 6. 上皮細胞再生におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の役割 |
| 幹細胞および前駆細胞の分化・増殖は、急速なターンオーバーを行い、損傷後には上皮細胞の補充が行われる腸管上皮細胞の維持に不可欠である。腸管コリン作動性ニューロンから放出されるアセチルコリンは、スコポラミン感受性の機序を介して粘膜の増殖を促進することから、ムスカリン性アセチルコリン受容体がこれらの過程を助長している可能性が示唆されている [16, 71]。腸管上皮の再生を担う幹細胞は、陰窩（クリプト）の底部に位置するLgr5陽性細胞である。いくつかの研究により、Lgr5陽性幹細胞に発現するムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプが明らかにされている。Greigらは、RT-PCRを用いて空腸および回腸の陰窩由来サンプルを解析し、M1サブタイプのみを検出した [13]。対照的に、免疫組織化学的研究からは、M3およびM5サブタイプの発現が示唆されている [10, 16]。重要な点として、スコポラミン投与はLgr5陽性細胞の分化・増殖を抑制し、小腸陰窩底部からの消失を引き起こした [10]。さらに、マウスにおいてM1選択的アゴニストであるMcN-A-343を投与したところ、細胞増殖が促進され、腸管粘膜の増殖が増加した [13]。したがって、ムスカリン性アセチルコリン受容体は腸管上皮における幹細胞機能の維持に寄与している可能性がある。 |
| 一方で、ムスカリン性アセチルコリン受容体が腸管幹細胞の機能に負の影響を及ぼすことを示す報告もある。小腸の陰窩・絨毛オルガノイド培養系において、ムスカリン性アセチルコリン受容体アゴニストの処理はオルガノイドの増殖および分化を抑制したのに対し[8,9]、アトロピン単独での処理はこれらを促進した。これらの知見は、ムスカリン性アセチルコリン受容体が腸管上皮細胞自身から分泌される非神経性アセチルコリンのシグナルを受け取ることで、幹細胞および前駆細胞の分化・増殖を抑制していることを示唆している[9]。さらに、M3ノックアウト（KO）マウスでは、陰窩サイズの増大や、細胞増殖および遊走の促進が認められた[72]。また、通常のムスカリン性アセチルコリン受容体ノックアウトマウス、特にM2、M3、およびM5受容体ノックアウトマウスにおいても、絨毛長の増大が観察されている[73]。 |
| 総合すると、M3およびM5受容体を介した刺激は分化や増殖に対して抑制的に働く可能性がある一方、M1受容体はLgr5陽性幹細胞および前駆細胞の機能を維持・促進することで、上皮細胞の再生と維持に寄与していると考えられます。M1、M3、M5の各サブタイプはいずれも同じGαq/11タンパク質と共役しているため、この提案は興味深いものです。一つの可能性として、M1またはM3/M5サブタイプのいずれかがLgr5陽性幹細胞そのものではなく、その近傍で幹細胞ニッチを形成する細胞に発現し、幹細胞機能を間接的に制御していることが考えられます。あるいは、この現象は、腸管上皮細胞の増殖や遊走に関与する細胞外シグナル調節キナーゼ1/2や焦点接着キナーゼの活性が、M3受容体ではなくM1受容体によって選択的に誘導されるという既知の知見 [14,20] に関連している可能性もあります。実際、M3ノックアウト（KO）マウス由来の腸管オルガノイドにおいて、亢進した細胞外シグナル調節キナーゼ1/2活性を阻害することで細胞増殖が抑制されたという報告もあります [72]。M1受容体とM3受容体を介したシグナル伝達の間に、なぜこのような違いが生じるのかは不明です。腸管上皮細胞株を用いたGαq/11タンパク質量を変化させる実験では、Gαq/11シグナル伝達は増殖抑制的に作用し、終末分化した腸管上皮細胞における分泌や吸収といった生理的機能に関与している可能性が示唆されています [74]。したがって、M1受容体はGαq/11タンパク質非依存的な経路で細胞外シグナル調節キナーゼ1/2を活性化している可能性があります。一方で、腸管上皮細胞におけるGαq/11の欠失は、適切な分化、特にパネート細胞への分化を阻害することから、分化制御におけるM1/M3を介したGαq/11シグナル伝達の影響については、さらなる研究が必要であると考えられます [75]。 |
| 全体として、腸上皮の再生における増殖・分化の促進と抑制の間には、細胞外シグナル調節キナーゼ1/2サブタイプ特異的なバランス調節が存在する可能性がある。 |
| 7. 上皮バリア機能障害へのムスカリン性アセチルコリン受容体の関与 |
| 前述の通り、腸管上皮細胞におけるムスカリン性アセチルコリン受容体は、様々なメカニズムを介して上皮の恒常性維持に寄与している。しかし、ムスカリン性アセチルコリン受容体が上皮バリア機能を低下させる可能性を示唆する研究もいくつか報告されている。例えば、ラット回腸切片を用いた実験では、カルバコール処理によって、エンドサイトーシスおよび細胞間経路を介した粘膜側から細胞膜側への輸送が亢進することが明らかになっている[76]。さらに、迷走神経への電気刺激が、ムスカリン性アセチルコリン受容体の活性化を介して空腸上皮の透過性を亢進させることも示されている[26]。特筆すべき点として、ピロカルピンの腹腔内投与によりムスカリン性アセチルコリン受容体を介した刺激を受けた小腸上皮をUssingチャンバー（訳者注：Ussingチャンバー（ウッシングチャンバー）は、生体の上皮組織（腸管、皮膚、角膜など）や培養細胞シートを2つの液槽（半室）の間に挟み、イオンや薬物の輸送・透過、およびバリア機能を電気生理学的に測定・研究するための実験装置です）で解析した際、細菌の通過が増加したという報告がある[77]。同研究では、ピロカルピン投与によって粘液分泌が減少することも明らかになった。マウス回腸においては、M3サブタイプが巨大分子に対するバリア透過性を増大させた[78]。対照的に、初代培養腸管上皮細胞やCaco-2細胞、T84細胞といった結腸由来細胞株においては、ムスカリン性アセチルコリン受容体の活性化が上皮バリア機能を悪化させることは認められなかった[57,64,65,79]。 |
| 腸管組織に多様な細胞種が存在することが、この違いを説明し得る。Ussingチャンバーを用いた実験で使用される組織には、上皮に加え、粘膜下層に免疫系細胞や神経系細胞も含まれている。ストレスは、コリン作動性神経によるムスカリン性アセチルコリン受容体の活性化を介して、腸管上皮の透過性を亢進させることが示されている。この過程においては、コルチコトロピン放出因子（CRF）や肥満細胞の活性化が重要な役割を果たしている [80,81]。Wallonらは、上皮下領域にムスカリン性M2およびM3受容体を発現する好酸球が存在することを明らかにした。M3受容体の活性化を介して好酸球から放出されるコルチコトロピン放出因子は、近傍の肥満細胞を活性化させることで、腸管上皮のバリア機能を低下させる [79]。また、本研究では潰瘍性大腸炎患者において活性化および脱顆粒した好酸球の増加が認められており、ムスカリン性アセチルコリン受容体刺激を介した好酸球の活性化と炎症の増悪との関連が示唆された。さらに、マクロファージ上のM3受容体が活性化すると、同細胞は古典的活性化型（M1様）表現型へと分化し、それによって炎症反応が促進される [32]。 |
| これらの研究は、組織全体あるいはサブタイプ非選択的な様式でのムスカリン性アセチルコリン受容体の活性化が、腸管上皮バリア機能に有害な影響を及ぼす可能性があることを示唆しています。したがって、上皮の恒常性維持には、ムスカリン性アセチルコリン受容体の局所的またはサブタイプ特異的な活性化が重要です。 |
| 8. 非神経性アセチルコリン |
| 副交感神経や腸管コリン作動性神経から放出されるアセチルコリンに加え、腸管上皮細胞やT細胞から放出される非神経性アセチルコリンなど、複数の供給源由来のアセチルコリンが、腸管上皮細胞およびその周囲の細胞に作用します。副交感神経や腸管神経由来のアセチルコリンは、マクロファージ上のα7ニコチン受容体に作用して炎症性サイトカインの放出を抑制するほか、ムスカリン性アセチルコリン受容体の活性化を介して杯細胞からの粘液分泌を促進します[26,82]。また、神経由来のアセチルコリンは、陰窩基部の幹細胞や前駆細胞に作用し、腸管粘膜組織の増殖を促進する可能性もあります[16,71]。 |
| 様々な組織において、非神経細胞から放出されるアセチルコリンの重要性が次第に認識されるようになってきた[83]。アセチルコリンはアセチルコリンエステラーゼ（AChE）によって容易に分解される不安定な物質であるため、神経終末由来のアセチルコリンだけでは、上皮細胞上の受容体を活性化するには不十分である可能性がある。そのため、上皮細胞から放出されるアセチルコリンがオートクリンまたはパラクリン様式で作用しているのではないかと考えられている。実際、非神経細胞由来のアセチルコリンが、上皮バリアの形成や粘膜の増殖調節に関与していることが示されている[9,65]。 |
| コリンアセチルトランスフェラーゼ（ChAT）は、コリンからのアセチルコリン合成を担う酵素である。コリンアセチルトランスフェラーゼプロモーター制御下で蛍光タンパク質を発現するトランスジェニックマウスを用いた解析により、コリンアセチルトランスフェラーゼ陽性細胞が小腸および結腸の上皮内に散在する孤立細胞として存在することが示された[84]。コリンアセチルトランスフェラーゼを発現するこれらのタフト細胞は、近位結腸を除き、小胞型アセチルコリントランスポーター（vAChT）を発現していないことが確認されており、これはアセチルコリンが小胞非依存的な様式で放出されることを示唆している。このことと整合して、小胞型アセチルコリントランスポーター阻害剤であるベサミコールは、結腸上皮における非神経性アセチルコリン分泌を阻害しないことが報告されている[85]。多特異性有機カチオントランスポーターであるOCTN1（訳者注：OCTN1（SLC22A4）は、抗酸化物質であるエルゴチオネインや各種の有機カチオンを細胞内へ取り込む膜輸送体（トランスポーター）です。小腸や腎臓、肝臓、脳などの幅広い組織に発現し、生体の酸化ストレス防御や薬物の体内動態に関与しています）には、クローン病との関連が指摘されているバリアント（アミノ酸置換L503F）が存在する[86]。興味深いことに、OCTN1はアセチルコリンを輸送することが可能であり、L503Fバリアントではその輸送機能が低下していることが示されている[87]。したがって、OCTN1は、腸管上皮細胞における非神経性アセチルコリンの放出を担う候補の一つであると考えられる。タフト細胞は高親和性コリン輸送体（CHT1）を発現していないため、コリン作動性ニューロンとは異なるメカニズムを介してアセチルコリン合成に必要なコリンを供給している可能性がある[84]。コリン輸送体様（CTL）ファミリーは5つのメンバーから構成されるが、そのうちCTL4は、アセチルコリンの合成および分泌に関連するコリンの取り込みに寄与することが報告されている[88]。マウス回腸においてリポ多糖（LPS）投与により炎症反応を惹起した際、CTL4およびアセチルコリンの発現はいずれも増加した[89]。したがって、炎症は腸管上皮における非神経性アセチルコリン産生を増大させる可能性がある。しかしながら、先行研究においては、クローン病および潰瘍性大腸炎の患者から採取された検体において、腸管上皮でのコリンアセチルトランスフェラーゼ発現が低下していることが報告されている[57]。 |
| 腸管に浸潤するCD4+ T細胞はコリンアセチルトランスフェラーゼを発現し、アセチルコリンを産生します。コリンアセチルトランスフェラーゼ陽性T細胞は、細菌感染に対する宿主防御に関与しています[90]。さらに、T細胞由来のアセチルコリンは、リゾチームやディフェンシンAなどの抗菌ペプチドの発現に寄与することが報告されています[91]。デキストラン硫酸ナトリウム誘発大腸炎モデルにおいて、コリンアセチルトランスフェラーゼ陽性T細胞は急性免疫応答を増悪させますが、その後の腸管炎症の収束を促進します[92]。 |
| 上述の通り、神経性および非神経性のアセチルコリン系は、コリンの取り込みやアセチルコリンの放出機構に関与する特定の因子において異なっています。したがって、これらの差異を標的とすることで、神経性および非神経性のアセチルコリンレベルを薬理学的に区別し、制御できる可能性があります。 |
| 9. 炎症性腸疾患の治療標的としてのムスカリン性アセチルコリン受容体 |
| 図1に要約されるように、腸管上皮細胞におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の活性化は、恒常性の維持に寄与します。しかし、各ムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプは異なる細胞種に発現し、それぞれ異なる役割を担っているため、活性化されるサブタイプによってその結果は異なり得ます。例えば、M1受容体は上皮バリアの再生や粘液分泌を担うことが示されている一方、M3受容体は炎症性サイトカインに対する防御に関与しています。好酸球やマクロファージに発現するM3受容体の活性化は、間接的に上皮バリア機能を脅かす可能性があります。さらに、がん細胞において発現が増加しているM3受容体[94]の活性化は、結腸がん細胞の遊走や浸潤を促進します[93]。こうした状況を鑑みると、M3受容体の活性化は腸管上皮の恒常性に悪影響を及ぼす可能性があります。したがって、サブタイプ選択的アゴニストやポジティブ・アロステリック・モジュレーター（PAM）が腸管上皮細胞の恒常性に及ぼす影響、およびそれらが炎症性腸疾患治療に与える効果を明らかにすることが重要です。特に、M1受容体選択的アゴニストやポジティブ・アロステリック・モジュレーターは、統合失調症やアルツハイマー病の治療薬候補として精力的に開発が進められています[95,96]。炎症性腸疾患治療におけるこれらの薬剤の可能性を探ることは、興味深い課題と言えます。下痢などの消化器系障害は、ムスカリン受容体刺激に伴う主な副作用です。M1やM2サブタイプの関与も報告されていますが[97,98]、この作用は主に平滑筋におけるM3サブタイプに起因するものです。そのため、安全な治療を行う上では、ドラッグデリバリーシステムなどを活用し、上皮細胞特異的なムスカリン受容体を標的とした刺激を行うことが望まれます。 |
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| 図1.腸管上皮組織における粘膜防御機構とムスカリン受容体の作用。 小腸（左パネル）および結腸（右パネル）の腸管上皮が示されている。腸管上皮は、吸収上皮細胞（小腸の腸上皮細胞または結腸の結腸上皮細胞）、杯細胞、パネート細胞、および幹細胞から構成されている。これらはそれぞれ、上皮バリアの形成、粘液や抗菌ペプチドの分泌、ならびに分化・増殖による上皮細胞の補充を担っている。粘膜下層には様々な免疫細胞が常在または浸潤しており、侵入細菌に対する免疫応答を担っている。これらの細胞はムスカリン性アセチルコリン受容体を発現しており、ムスカリン性アセチルコリン受容体は各細胞の機能を調節している。下表は、これらの各機能に対するムスカリン性アセチルコリン受容体の作用をまとめたものである。上皮細胞に対する作用はオレンジ色で、その他の細胞に対する作用は青色で示されている。ムスカリン性アセチルコリン受容体サブタイプの右側に記された上下の矢印は、各サブタイプの活性化がその応答をそれぞれ増強または抑制することを示している。 |
| 腸管上皮において高いアセチルコリンエステラーゼ活性が認められている[89,99]。したがって、アセチルコリンエステラーゼ阻害薬は、腸管上皮細胞近傍でのアセチルコリンの安定性を高め、アセチルコリンシグナル伝達を増強することによって、腸管上皮の恒常性維持に寄与する可能性がある。実際、パラオキソンによるコリンエステラーゼの阻害は、杯細胞およびパネート細胞の脱顆粒を促進し、それによって経口投与されたサルモネラ菌に対する防御を強化することが示されている[100]。また、アセチルコリンエステラーゼ阻害薬であるピリドスチグミンが、デキストラン硫酸ナトリウム誘発性大腸炎の病態を軽減することも報告されている[101]。 |
| アセチルコリンの合成と放出の促進は、アセチルコリンシグナル伝達を増強します。脳内のオレキシン（訳者注：オレキシンは、脳の視床下部で分泌され、覚醒（目を覚ましている状態）の維持や食欲、やる気の調節に重要な役割を果たす神経伝達物質（神経ペプチド）です。夜間にその働きを抑える「オレキシン受容体拮抗薬」は、依存や耐性が少ない新しい不眠症治療薬として広く使われています）は迷走神経コリン作動性経路を刺激し、この経路はムスカリン性アセチルコリン受容体依存的な機序を介して、リポ多糖誘発性の結腸上皮透過性亢進を抑制します[102]。アセチルコリンを産生するタフト細胞は化学受容体を発現し、苦味物質に応答することから、アセチルコリンの放出は食事成分によって制御されている可能性があります[84]。さらに、腸内細菌によって産生される短鎖脂肪酸であるプロピオン酸は、結腸における非神経性アセチルコリンの分泌を誘導します[103,104]。したがって、プレバイオティクスやプロバイオティクスは、結腸上皮における非神経性アセチルコリンの増加に寄与する可能性があります。重要な点として、プロピオン酸の作用は腸管上皮細胞に特異的であると予想されるのに対し、アセチルコリンエステラーゼ阻害薬は神経細胞と非神経細胞の双方においてアセチルコリン量を増大させると予想されます。アセチルコリンはその局所的な作用ゆえに、放出細胞の局在に応じて異なる効果を発揮すると考えられています。しかしながら、上皮細胞由来の非神経性アセチルコリンが腸管上皮の恒常性や炎症性腸疾患に及ぼす影響については、完全には解明されていません。それゆえ、プロピオン酸を介した非神経性アセチルコリン放出が腸管上皮の恒常性に及ぼす促進的な作用は、基礎研究および臨床応用の双方において興味深い課題となっています。 |
| 10. 結論 |
| 要約すると、ムスカリン性アセチルコリン受容体は、従来から知られている腸管の収縮や分泌に加え、腸管上皮の恒常性維持に関わる様々な機能にも関与しています。しかし、腸管上皮やその周囲の細胞集団（免疫細胞を含む）において、それぞれ異なる細胞種で機能するムスカリン性アセチルコリン受容体のサブタイプについては、完全には解明されていません。さらに、各細胞のムスカリン性アセチルコリン受容体にアセチルコリンを供給するコリン作動性システムについても不明な点が多く残されています。その結果、腸管上皮におけるムスカリン性アセチルコリン受容体の作用機序の全容は依然として明らかになっていません。本総説では詳細に論じませんでしたが、ニコチン性アセチルコリン受容体もアセチルコリンの重要な標的であり、腸管の炎症反応への関与について活発な研究が行われています。したがって、ムスカリン受容体とニコチン受容体の関係性を含め、腸管組織全体におけるアセチルコリンネットワークを包括的に理解することは、腸管上皮の恒常性維持に寄与する炎症性腸疾患治療の新たな戦略を提示するものとなるでしょう。 |
| 参考文献（本文中の文献No.は原論文の文献No.と一致していますので、下記の論文名をクリックして、原論文に記載されている文献を参考にしてください） |
| この文献は、Int J Mol Sci. 2023 Mar 30;24(7):6508.に掲載されたRole of Muscarinic Acetylcholine Receptors in Intestinal Epithelial Homeostasis: Insights for the Treatment of Inflammatory Bowel Disease.を日本語に訳したものです。タイトルをクリックして原文を読むことが出来ます。 |