Study on pathogenesis of invasive pneumococcal disease by different serotypes

• Project/Area Number: 21K08503
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 54030:Infectious disease medicine-related
• Research Institution: Toyama Institute of Health
• Principal Investigator: 大石 和徳 富山県衛生研究所, その他部局等, 所長 (80160414)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金谷 潤一 富山県衛生研究所, 細菌部, 主任研究員 (80463131) ; 磯部 順子 富山県衛生研究所, 細菌部, 上席専門員 (10421893) ; 安居 輝人 国立研究開発法人医薬基盤・健康・栄養研究所, 医薬基盤研究所 感染症制御プロジェクト, プロジェクトリーダー (60283074)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 肺炎球菌 / 血清型 / ヒト微小脳血管内皮細胞 / 細胞間移動能 / 細胞内侵入能 / 髄膜炎発症 / 侵襲性ポテンシャル / RNA seq解析 / 莢膜 / 脳微小血管内皮細胞 / 髄膜炎 / 経細胞間移動 / 経細胞侵入 / 菌細胞間移動 / トランスクリプトーム / 侵襲性肺炎球菌感染症 / 経細胞間移動能 / トランスクリプトーム解析 / プロテオーム解析

Outline of Research at the Start

本研究では菌の血清型によって侵襲性及び病型の違いが生じる機序を、異なる血清型の菌と生体内関門細胞（①ヒト鼻腔上皮、②ヒト血管内皮、③ヒト脳微小血管内皮）のin vitroにおける経細胞間移動能を解析することにより明らかにする。さらに、菌が①～③の生体内関門を通過する際に発現する細胞のトランスクリプトーム及びプロテオーム解析を行うことで、肺炎球菌の侵襲性に関与する膜蛋白質分子を同定する。

Outline of Annual Research Achievements

血清型23A,10Aは成人侵襲性肺炎球菌感染症において髄膜炎発症のリスクが高いことが報告されている(Chang B, et al. Sci Rep 2022)。我々は血液脳関門バリアのモデルとして、試験管内のトランスウエルチャンバーを用いたヒト微小脳血管内皮細胞系(TY09)を用いた。主要な血清型の肺炎球菌分離株(IPD由来)をトランスウエル上層に添加し、2時間後の菌細胞間移動 (bacterial transcytosis: BT%)を算定した。2時間の菌インキュベーション後の培養液中のATP値測定による細胞障害性は認められなかった。また、BTの生理学的な指標として、肺炎球菌添加2時間後のTY09細胞の電気抵抗値測定によっても細胞障害性は認められなかった。
血清型23Ａ(0.38)のBT（％）は、血清型3(0.03)や血清型12F(0.14)のBT（％）に比べ有意に高かった。また、血清型10A（0.31）のBT(%)も血清型3より有意に高かった。また、試験管内 菌細胞内侵入 (bacterial invasion: BI)（％）の測定でも血清型23A(0.006)は他の4血清型[血清型3(0.0003), 10A (0.0009), 12F(0.001), 19A (0.0023)]より有意に高かった。結果的として、BT（％）とBI（％）は正相関することが判った。試験管内 BT（％）, BI（％）の測定から、血清型により血液脳関門バリアの通過能が異なり、特に血清型23A, 10Aは細胞間移動能が高く、血液脳関門バリアを通過しやすいことが示唆された。この結果は成人IPDの疫学所見において、血清型23A,10Aが髄膜炎発症のリスクが高いとする疫学所見を支持している。
また、肺炎球菌の試験管内BTにおける細胞側応答を評価するために、in vitro TY09 細胞を用いたRNA seq解析を行った。その主要コンポーネント解析およびヒトの転写物のヒートマップ解析において、肺炎球菌血清型 23A、血清型3 添加のいずれにおいても、TY09細胞において活性が高まった複数の遺伝子発現の経路が検出された。とりわけミトコンドリアにおける代謝経路の活性化が認められた。

Research Products

• [Journal Article] Pneumococcal meningitis in adults in 2014-2018 after introduction of pediatric 13-valent pneumococcal conjugate vaccine in Japan. (2022)
  • Author(s): Chang B, Tamura K, Fujikura H, Watanabe H, Tanabe Y, Kuronuma K, Fujita J, Oshima K, Maruyama T, Abe S, Kasahara K, Nishi J, Kubota T, Kinjo Y, Serizawa Y, Shimbashi R, Fukusumi M, Shimada T, Sunagawa T, Suzuki M, Oishi K; Adult IPD Study Group.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 12 Issue: 1 Pages: 3066-3066
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06950-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic changes in clinical characteristics and serotype distribution of invasive pneumococcal disease among adults in Japan after introduction of the pediatric 13-valent pneumococcal conjugate vaccine in 2013-2019． (2022)
  • Author(s): Tamura K, Chang B, Shimbashi R, Watanabe H, Tanabe Y, Kuronuma K, Oshima K, Maruyama T, Fujita J, Abe S, Kasahara K, Nishi J, Kubota T, Kinjo Y, Fujikura H, Fukusumi M, Shimada T, Sunagawa T, Suzuki M, Yamamoto Y, Oishi K.
  • Journal Title: Vaccine Volume: 40 Issue: 24 Pages: 3338-3344
  • DOI: 10.1016/j.vaccine.2022.04.062
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ワークショップ１．進化する肺炎球菌：診断、病原性、次世代ワクチン.肺炎球菌の経細胞間移動能および細胞間侵入能の評価． (2023)
  • Author(s): 金谷潤一、前西絵美、田村恒介、磯部順子、大石和徳.
  • Organizer: 第96回日本細菌学会（姫路市）
• [Presentation] Increased transcytosis of Streptococcus pneumoniae serotypes 10A and 23A across human brain microvascular endothelial cells: a possible implication of developing bacterial meningitis. (2023)
  • Author(s): Jun-ichi Kanatani, Emi Maenishi, Kaho Ikeda, Keiko Kimata, Kazuki Saito, Junko Isobe, Kazunori Oishi.
  • Organizer: The fourth Asian Pneumococcal Symposium (Seoul, South Korea).
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 進化する肺炎球菌：診断、病原性、次世代ワクチン.肺炎球菌の経細胞間移動能および細胞間侵入能の評価． (2023)
  • Author(s): 金谷潤一、前西絵美、田村恒介、磯部純子、大石和徳.
  • Organizer: 第96回日本細菌学会
• [Presentation] Bacterial transcytosis of Streptococcus pneumoniae across the host cells: an in vitro model for analysis of invasive potential (2021)
  • Author(s): Jun-ichi Kanatani, Emi Maenishi, Junko Isobe, Kazunori Oishi.
  • Organizer: The 3rd Asian Pneumococcal Symposium
  • Int'l Joint Research