Towards therapeutic application of neutrophil-secreted extracellular vesicles in sepsis

• Project/Area Number: 19K07562
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 49050:Bacteriology-related
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: Kumagai Yumi 順天堂大学, 医学部, 助教 (90277591)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 射場 敏明 順天堂大学, 医学部, 教授 (40193635) ; 長岡 功 順天堂大学, 大学院医学研究科, 教授 (60164399)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 敗血症 / 細胞外小胞 / 好中球 / LL-37 / 抗菌作用 / シグナル伝達経路 / レポーターマウス / 生体防御ペプチドLL-37 / マイクロベシクル / Ca2+シグナリング / カルパイン / 抗菌活性 / ectosome / 抗菌活性分子 / lactoferrin / CRAMP / FPR2 / CXCR2 / エクトソーム

Outline of Research at the Start

細菌感染を主因とする敗血症は、未だに有効な治療法が確立されておらず、先進国でも致死率が高い疾患である。研究代表者はこれまでに、好中球由来の細胞外小胞（エクトソーム）が抗菌活性を有すること、また敗血症モデルマウスの病態改善に効果的であることを示してきた。
本研究では、エクトソーム放出に関わるシグナル伝達機構や、エクトソームの抗菌活性に関与する因子を明らかにする。さらに、マウス敗血症に対してより有効なエクトソームの生成を試み、またこれらの知見がヒト敗血症患者の好中球へ適応できるかどうかを検討する。本研究の成果は、治療が困難な敗血症に対して有効な治療法を開発するための重要な一歩になると期待される。

Outline of Final Research Achievements

The research representative showed that the human host defense peptide LL-37 enhances in releasing extracellular vesicles (EVs) from neutrophils. The EV possesses antimicrobial and anti-inflammatory functions, effectively acting in a mouse sepsis model. Furthermore, lactoferrin and CAMP contained in EVs were implicated in antimicrobial activity, and the Ca2+-calpain-ROCK pathway was identified as contributing to LL-37-mediated EV generation. When a Ca2+ ionophore was applied to neutrophils along with LL-37, EV generation was enhanced, leading to improved antimicrobial activity. Currently, a system utilizing knock-in reporter mice is being constructed to identify the physiological target cells of EVs.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

敗血症は細菌感染が主因となっておこるが、未だに有効な治療法は存在せず、先進国でも患者の25-60％が死亡するという致死率の高い重篤な疾患である。研究代表者がすでに示している、好中球由来の細胞外小胞 (Extracellular Vesicles, EV) が敗血症モデルマウスの病態を改善するという事実に加えて、本研究では、EVに含まれる抗菌活性分子や、EV生成に関わるシグナル伝達経路を明らかにした。またEVの標的細胞の同定を現在試みているが、これらの研究結果はすべて、EVを利用した敗血症の有効な治療法を開発するための貴重な情報であると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Minimal information for studies of extracellular vesicles (MISEV2023): From basic to advanced approaches (2024)
  • Author(s): Welsh, J. A., Goberdhan, D. C. I., O’Driscoll, L., Buzas, E. I., Blenkiron, C., Bussolati, B., Cai, H., Di Vizio, D., Driedonks, T. A. P., Erdbrugger, U., Falcon-Perez, J. M., Fu, Q.-L., Hill, A. F., Lenassi, M., Lim, S. K., Mahoney, M. G., Mohanty,.. .Kumagai, Y.,... Witwer, K. W
  • Journal Title: Journal of Extracellular Vesicles Volume: 13 Issue: 2
  • DOI: 10.1002/jev2.12404
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Antimicrobial peptide LL-37 ameliorates a murine sepsis model via the induction of microvesicle release from neutrophils (2020)
  • Author(s): Kumagai Y, Murakami T, Kuwahara-Arai, Iba T, Reich J, Nagaoka I
  • Journal Title: Innate Immun Volume: 26 Issue: 7 Pages: 565-579
  • DOI: 10.1177/1753425920936754
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Therapeutic action of antimicrobial cathelicidin peptide LL-37 on a murine sepsis model (2020)
  • Author(s): Nagaoka I, Hu Z, Hosoda H, Kumagai Y
  • Journal Title: Juntendo Medical Journal Volume: 66 Pages: 297-311
  • NAID: 130007893567
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 生体防御ペプチドLL-37は、抗菌活性を有する細胞外小胞の放出を促進することで マウス敗血症の病態改善に関与する (2023)
  • Author(s): 熊谷 由美、角田 宗一郎、 洲崎 悦生、長岡 功
  • Organizer: 日本エンドトキシン・自然免疫研究会
• [Presentation] Neutrophil-derived ectosomes with antibacterial potential ameliorate mouse sepsis (2021)
  • Author(s): Kumagai Y, Kurebayashi N, Nagaoka I, Susaki E
  • Organizer: The 95th annual meeting of the Japanese Society of Bacteriology.
• [Presentation] LL-37 ameliorates mouse sepsis by inducing the section of antimicrobial microvesicles from neutrophils. (2021)
  • Author(s): Kumagai Y, Kakuta S, Kuwahara K, Susaki E, and Nagaoka I
  • Organizer: The International Society of Extracellular Vesicles 2021
• [Presentation] マウス敗血症の病態改善に関与する好中球由来細胞外小胞. (2021)
  • Author(s): 熊谷由美, 宮原克, 長岡功、洲崎悦生.
  • Organizer: 第8回日本細胞外小胞学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生体防御ペプチドLL-37は、抗菌活性を有する細胞外小胞の放出を介してマウス敗血症の病態改善をする (2020)
  • Author(s): 熊谷由美 角田宗一郎 桒原京子 長岡功
  • Organizer: 第94回 日本細菌学会
  • Invited
• [Presentation] Antimicrobial peptide LL-37 induces neutrophil-derived extracellular vesicles with antibacterial potential and protects murine sepsis (2020)
  • Author(s): Kumagai Y, Murakami T, Kuwahara-Arai K, Nagaoka I
  • Organizer: International Society of Extracellular Vesicles 2020（国際細胞外小胞学会）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 生体防御ペプチドLL-37による抗菌活性を有する細胞外小胞の放出を介したマウス敗血症の病態改善 (2020)
  • Author(s): 熊谷由美 射場敏明 長岡功
  • Organizer: 第7回 日本細胞外小胞学会
• [Presentation] 抗菌ペプチドLL-37は好中球からの細胞外小胞の放出を介してマウス敗血症を改善する (2019)
  • Author(s): 熊谷由美, 村上泰介, 長岡 功
  • Organizer: 第66回トキシンシンポジウム
• [Presentation] 抗菌ペプチドLL-37による好中球細胞外（エクトソーム）の放出を介したマウス敗血症の病態改善 (2019)
  • Author(s): 熊谷由美, 村上泰介, 桒原 京子, 長岡 功
  • Organizer: 第6回日本細胞外小胞学会
• [Presentation] 生体防御ペプチドLL-37 の敗血症モデルに対する保護効果 (2019)
  • Author(s): 長岡 功, 熊谷由美, 細田浩司, 村上泰介, 鈴木 香
  • Organizer: 第93回日本細菌学会
  • Invited
• [Presentation] Antimicrobial peptide LL-37 induces antibacterial ectosomes from neutrophils (2019)
  • Author(s): 熊谷由美, 村上泰介, 桑原京子, 長岡 功
  • Organizer: 第93回日本細菌学会
  • Invited
• [Book] エンドトキシン・自然免疫研究22 -エンドトキシン・自然免疫研究の新たな可能性を求めて (2019)
  • Author(s): 熊谷由美, 村上泰介, 桒原京子, Reich Johannes, 田村弘志, 長岡 功
  • Total Pages: 82
  • Publisher: 医学図書出版株式会社