今なお世界で年間100万人以上の命を奪う恐ろしい感染症、結核。その強さの秘密は、私たちの免疫システムの攻撃をものともしない分厚い「細胞壁」にあります。この難攻不落の壁に、化学の力で初めて「目印」をつけることに成功した研究が登場しました。これまで見えなかった病原菌の姿を捉えるこの新技術は、結核との闘いに大きな転機をもたらすかもしれません。MIT（マサチューセッツ工科大学）の化学者たちは、世界で最も致死率の高い病原体である結核菌（Mycobacterium tuberculosis）の細胞壁に存在する、複雑な糖分子を特定する方法を発見しました。
世界で最も致死率の高い感染症である結核は、毎年約1000万人が感染し、100万人以上が死亡すると推定されています。一度肺に定着すると、細菌の厚い細胞壁が宿主の免疫システムと戦うのを助けます。その細胞壁の大部分は、グリカン（糖鎖）として知られる複雑な糖分子でできていますが、それらのグリカンがどのようにして細菌を防御するのに役立っているのかは、よくわかっていませんでした。その理由の一つは、細胞内でそれらを簡単に標識する方法がなかったためです。
MITの化学者たちは今回、その障害を克服し、特定の硫黄を含む糖と反応する有機分子を用いてManLAMと呼ばれるグリカンを標識できることを実証しました。これらの糖は3種類の細菌種でしか見つかっておらず、その中で最も悪名高く蔓延しているのが、結核を引き起こす結核菌です。
グリカンを標識した後、研究者たちはそれが細菌の細胞壁内のどこに位置するかを可視化し、結核菌が宿主の免疫細胞に感染する最初の数日間にそれに何が起こるかを研究することができました。
研究者たちは現在、このアプローチを用いて、培養液中または尿サンプル中の結核関連グリカンを検出できる診断法を開発したいと考えています。これは、既存の診断法に代わる、より安価で迅速な選択肢となる可能性があります。胸部X線や分子診断は非常に正確ですが、結核の発生率が高い発展途上国では常に利用できるとは限りません。これらの国々では、結核はしばしば喀痰サンプルから微生物を培養することによって診断されますが、その検査は偽陰性率が高く、一部の患者、特に子供にとっては喀痰サンプルを提供することが困難な場合があります。この検査はまた、細菌が成長するのに数週間を要するため、診断が遅れてしまいます。
「優れた診断の選択肢は多くなく、子供を含む一部の患者層では分析可能なサンプルを提供することが困難です。非常にシンプルで迅速な検査法を開発する機運が高まっています」と、MITのノバルティス化学教授であり、この研究の責任著者であるローラ・キースリング博士（Laura Kiessling, PhD）は述べています。
この論文の筆頭著者はMITの大学院生であるステファニー・スメランスキー氏（Stephanie Smelyansky）で、論文は2025年5月5日に『PNAS（米国科学アカデミー紀要）』に掲載されました。他の著者には、MITのポスドク研究員であるチーワン・マー博士（Chi-Wang Ma, PhD）、ヴィクトリア・マランド博士（Victoria Marando PhD ’23）、ハーバード大学T.H.チャン公衆衛生大学院のポスドク研究員であるグレゴリー・バブノビッチ博士（Gregory Babunovic, PhD）、MITの大学院生であるソ・ヨン・リー氏（So Young Lee）、そしてMITの生物工学准教授であるブライアン・ブライソン博士（Bryan Bryson, PhD）が含まれています。論文のタイトルは「「Exploiting Thioether Reactivity to Label Mycobacterial Glycans（チオエーテル反応性を利用したマイコバクテリアグリカンの標識）」」です。
グリカンの標識
グリカンはほとんどの細胞の表面に存在し、細胞間のコミュニケーションを仲介するなど、重要な機能を果たしています。細菌では、グリカンは微生物が宿主細胞に侵入するのを助け、また宿主の免疫システムとコミュニケーションをとり、場合によっては免疫応答を阻害するように見えます。
「結核菌は他の細菌と比較して非常に精巧な細胞外皮を持っており、それは多くの異なるグリカンで構成される豊かな構造です」とスメランスキー氏は言います。「しばしば過小評価されているのは、これらのグリカンが私たちの宿主細胞とも相互作用できるという事実です。私たちの免疫細胞がこれらのグリカンを認識すると、危険信号を送る代わりに、『危険はない』という反対のメッセージを送ることがあります。」
グリカンは、タンパク質やDNAとは異なり、標的とすることができる特徴的な配列や化学反応性を持たないため、いかなる種類のプローブでタグ付けすることも非常に困難です。また、タンパク質とは異なり、遺伝的にコードされていないため、細胞を遺伝子操作して緑色蛍光タンパク質のような蛍光タグで標識された糖を産生させることはできません。
結核菌の主要なグリカンの1つであるManLAMには、MTXとして知られる珍しい糖が含まれており、これはチオエーテル（2つの炭素原子に挟まれた硫黄原子）を持つ点で珍しいです。この化学基は、同様の基を含むアミノ酸であるメチオニンを標識するために以前に開発された小分子タグを使用する機会を提供しました。
研究者たちは、オキサジリジンとして知られるこのタグを用いて、結核菌のManLAMを標識できることを示しました。研究者たちはオキサジリジンを蛍光プローブに結合させ、結核菌ではこのタグが細胞壁の外層に現れることを示しました。研究者たちがこの標識を、病気を引き起こさずMTX糖を持たない近縁の細菌である*Mycobacterium smegmatis*に曝露したところ、蛍光信号は見られませんでした。
「これは、特定のグリカンを1つだけ選択的に可視化できる初めてのアプローチです」とスメランスキー氏は言います。
より良い診断法へ
研究者たちはまた、結核菌細胞内のManLAMを標識した後、それらがマクロファージと呼ばれる免疫細胞に感染するにつれて細胞を追跡できることも示しました。一部の結核研究者は、細菌細胞が宿主細胞内に入るとManLAMを脱ぎ捨て、それらの遊離したグリカンが宿主の免疫システムと相互作用すると仮説を立てていました。しかし、MITのチームは、グリカンが感染の最初の数日間は少なくとも細菌の細胞壁に残っているように見えることを発見しました。
「細菌はまだ細胞壁を体に付けています。したがって、一部のグリカンが放出されている可能性はありますが、その大部分は細菌の細胞表面に保持されており、これはこれまで示されたことがありませんでした」とスメランス-キー氏は言います。
研究者たちは現在、このアプローチを用いて、異なる抗生物質による治療後やマクロファージの免疫刺激後に細菌に何が起こるかを研究する計画です。また、細菌の細胞壁がどのように組み立てられるか、そしてManLAMが細菌がマクロファージや他の細胞に入るのをどのように助けるかをより詳細に研究するためにも使用できます。
「細菌を追跡する手がかりを持つことは非常に価値があり、これまで見えなかった細胞内および動物モデルにおけるプロセスを可視化することができます」とキースリング博士は言います。
彼女はまた、このアプローチを用いて結核の新しい診断法を創出することも望んでいます。現在、尿サンプル中のManLAMを検出するために抗体を使用する診断法が開発中ですが、この検査は、特にHIVや他の疾患のために免疫抑制状態にある患者など、非常に活発な結核症例の患者にしかうまく機能しません。
MITのチームは、抗体の代わりに彼らの小分子センサーを使用することで、たとえ少量しか存在しない場合でも尿中のManLAMを検出できる、より感度の高い検査を開発したいと考えています。
写真：ローラ・キースリング博士（Laura Kiessling, PhD）
