Analysis of airway mucociliary transport via Toll-like receptors pathway

• Project/Area Number: 19K08600
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 53030:Respiratory medicine-related
• Research Institution: Hamamatsu University School of Medicine
• Principal Investigator: Fujisawa Tomoyuki 浜松医科大学, 医学部, 助教 (20402357)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 哲朗 浜松医科大学, 医学部, 教授 (00250184) ; 須田 隆文 浜松医科大学, 医学部, 教授 (30291397)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 線毛輸送系 / ウイルス感染 / 線毛運動 / Toll-like receptor / 生体防御 / 長時間作用性抗コリン薬 / ウイルス性気道感染 / 線毛輸送 / インフルエンザAウイルス / 粘液線毛輸送系 / 線毛機能 / TLR3 / インフルエンザウイルス / polyI:C / 線毛輸送能 / 線毛活性 / Toll様受容体 / 慢性気道疾患

Outline of Research at the Start

気管支拡張症，COPD，気管支喘息などの様々な慢性気道疾患において，粘膜線毛輸送系の障害が報告されており，これらの疾患の病態，とくに進展・増悪に重要な役割を果たしている．申請者は，気道上皮において，自然免疫応答で重要な役割を担うTLR (Toll-like receptor) のリガンドが粘液線毛輸送系に及ぼす影響を検討し，TLR3リガンドが遺伝子発現を介さずに粘液線毛輸送系を促進することを見出した．本研究では，TLR3を介した遺伝子発現に依存しない粘液線毛輸送系の促進機序を解明し，粘液線毛輸送系をターゲットにした慢性気道疾患の画期的な新規創薬に向けての基盤を築く．

Outline of Final Research Achievements

Mucociliary clearance is an airway defense mechanism that removes pathogens from the respiratory tract. However, the impact of innate immune response on mucociliary clearance remains unclear. To elucidate the mechanism of TLR-mediated promotion of mucociliary clearance, we focused on the TLR3 pathway and evaluated the effects of polyI:C and influenza A virus (IAV) infection on the promotion of ciliary activity and cilia-driven flow using murine tracheal tissue culture model. We found that polyI:C and IAV infection readily increased ciliary activity and cilia-driven flow via TLR3 activation. Mechanically, extracellular ATP release in response to TLR3 activation promotes ciliary activity through autocrine ATP-P2R loop.
We also analyzed the effects of long-acting muscarinic antagonists (LAMAs), therapeutics for asthma and COPD, on ciliary activity and cilia-driven flow. We found that the LAMAs, tiotropium and glycopyrronium, exerted a direct effect to enhance airway ciliary function.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

今回の研究により，IAV感染において、気道上皮は線毛輸送系を促進して、気道の生体防御に寄与することが明らかとなった．この結果は，IAVだけでなくRNAウイルス全般（コロナウイルス，ライノウイルスなど），ひいては現在猛威を振うCOVID-19に対する気道の生体防御機構の解明に応用できる．さらに，メカニズムを詳細に解明することにより，線毛輸送系の促進をターゲットにした新たな創薬研究に発展させることが可能となる．
また，既存の治療薬であるLAMAの新規作用として，線毛機能促進作用を明らかにしたことは，慢性気道疾患における生体防御の観点から臨床的な意義は大きい．

Research Products

• [Journal Article] Influenza A virus enhances ciliary activity and mucociliary clearance via TLR3 in airway epithelium. (2020)
  • Author(s): Kamiya Y, Fujisawa T, Katsumata M, Yasui H, Suzuki Y, Karayama M, Hozumi H, Furuhashi K, Enomoto N, Nakamura Y, Inui N, Setou M, Ito M, Suzuki T, Ikegami K, Suda T.
  • Journal Title: Respir Res. Volume: 21 Issue: 1 Pages: 282-282
  • DOI: 10.1186/s12931-020-01555-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Long Acting Muscarinic Antagonists Promote Ciliary Function in Airway Epithelium (2021)
  • Author(s): Katsumata M, Fujisawa T, Kamiya Y, Inoue Y, Hozumi H, Suzuki Y, Karayama M, Furuhashi K, Enomoto N, Nakamura Y, Inui N, Setou M, Ikegami K, Suda T
  • Organizer: American Thoracic Society 2021 International Conference Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 長時間作用型抗コリン薬による線毛運動促進作用の解析． (2021)
  • Author(s): 勝又峰生，藤澤朋幸，神谷陽輔，穗積宏尚，鈴木勇三，柄山正人，古橋一樹，榎本紀之，中村祐太郎，乾直輝，瀬藤光利，池上浩司，須田隆文
  • Organizer: 第61回日本呼吸器学会学術講演会
• [Presentation] 長時間作用性抗コリン薬は気道上皮の線毛機能を促進する． (2021)
  • Author(s): 勝又峰生，藤澤朋幸，神谷陽輔，穗積宏尚，鈴木勇三，柄山正人，古橋一樹，榎本紀之，中村祐太郎，乾直輝，瀬藤光利，池上浩司，須田隆文
  • Organizer: 第70回日本アレルギー学会学術大会
• [Presentation] PolyI:C and Influenza A Virus Promote Mucociliary Clearance via TLR3 Pathway. (2020)
  • Author(s): Kamiya Y, Fujisawa T, Yasui H, Hozumi H, Karayama M, Suzuki Y, Furuhashi K, Enomoto N, Nakamura Y, Inui N, Setou M, Suzuki T, Ikegami K, Suda T
  • Organizer: American Thoracic Society 2020 International Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TLR3リガンドによる粘液線毛輸送系の促進作用とその機序の解析 (2020)
  • Author(s): 神谷陽輔, 藤澤朋幸, 安井秀樹, 穗積宏尚, 柄山正人, 鈴木勇三, 古橋一樹, 榎本紀之, 中村祐太郎, 乾直輝, 瀬藤光利, 鈴木哲朗, 池上浩司, 須田隆文
  • Organizer: 第60回日本呼吸器学会学術講演会