いまだ世界中で猛威を振るう感染症、結核。その病原菌である結核菌は、咳やくしゃみによって空気中に放出された後、どのようにして過酷な環境を生き延び、次の人へと感染を広げていくのでしょうか？ この「空中サバイバル術」の謎を解き明かすことは、結核の「感染の鎖」を断ち切る上で極めて重要です。マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームが、この長年の疑問に迫る画期的な発見をしました。彼らは、結核菌が空中を漂う際に生存に不可欠となる一群の「サバイバル遺伝子」を特定。これらの遺伝子の多くは、これまで病気を引き起こす上では重要ではないと考えられていましたが、実は空気中での生存、つまり「感染力」にこそ深く関わっていたのです。この発見は、結核菌の弱点を突き、感染拡大そのものを防ぐ新しい治療薬開発への道を開くかもしれません。
2025年3月7日に「米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences）」で発表されたこの研究は、結核との戦いに新たな光を当てるものです。論文タイトルは「Candidate Transmission Survival Genome of Mycobacterium tuberculosis（結核菌の伝播生存候補ゲノム）」です。
「病原体が空気中を循環する際に、これらの急激な変化をどのように生き延びるかという点で、私たちは空気感染に対して盲点を持っていました」と、MITの流体病原体伝播研究室長であり、土木環境工学および機械工学の准教授、そしてMIT医療工学・科学研究所のコアファカルティメンバーでもあるリディア・ブロイバ（Lydia Bourouiba）博士は述べています。「今、私たちはこれらの遺伝子を通じて、結核菌が自身を守るためにどのようなツールを使っているのか、その手がかりを得ました」。
「もし薬剤がこれらの同じ遺伝子の産物を標的にすることができれば、個人を効果的に治療できるだけでなく、その人が治癒する前であっても、感染が他者に広がるのを防ぐことができるでしょう」と、ワイル・コーネル医科大学微生物学・免疫学部長であり、R.A.リーズ・プリチェット微生物学教授であるカール・ネイサン医学博士（Carl Nathan, MD PhD）は述べています。
ネイサン博士とブロイバ博士は本研究の共同責任著者であり、MITの共著者およびブロイバ博士が指導するフルイド・アンド・ヘルス・ネットワークのメンバー（共同筆頭著者であるポスドクのシャオイー・フー（Xiaoyi Hu）氏、ポスドクのエリック・シェン（Eric Shen）氏、学生メンティーのロビン・ヤーン氏（Robin Jahn）とリュック・ゲルツ氏（Luc Geurts）も参加しています。本研究にはまた、ワイル・コーネル医科大学、カリフォルニア大学サンディエゴ校、ロックフェラー大学、ハッケンサック・メリディアン・ヘルス、ワシントン大学の共同研究者も含まれています。
病原体の視点から
結核は、結核菌によって引き起こされる呼吸器疾患であり、最も一般的には肺に影響を及ぼし、感染者が咳やくしゃみなどによって空気中に排出する飛沫を介して伝播します。ウイルスによる大規模な世界的パンデミックの期間を除けば、結核は感染症による単一の死因として最多です。
「過去100年間で、1918年のインフルエンザ、1981年のHIVエイズの流行、そして2019年のSARS Cov2パンデミックがありました」とネイサン博士は指摘します。「これらのウイルスはそれぞれ膨大な数の人々を死に至らしめました。そして、それらが沈静化するにつれて、私たちは結核という『永続的なパンデミック』に取り残されています」。
結核に関する研究の多くは、その病態生理学、すなわち細菌が宿主を乗っ取り感染させるメカニズム、ならびに疾患の診断法や治療法に焦点を当てています。今回の新しい研究では、ネイサン博士とブロイバ博士は、結核菌自体の視点から結核の伝播に焦点を当て、空中伝播を生き延びるために結核菌がどのような防御に依存している可能性があるかを調査しました。
「これは、生物に何が起こっているのか、これらの急激な変化や非常に過酷な生物物理学的条件から保護されるというレベルで、空中という視点から結核を見る最初の試みの一つです」とブロイバ博士は言います。
重要な防御機構
MITで、ブロイバ博士は流体の物理学と、飛沫のダイナミクスが粒子や病原体をどのように拡散させるかを研究しています。彼女は、結核と、細菌がそのライフサイクル全体を通じて依存する遺伝子を研究しているネイサン博士とチームを組みました。
結核菌がどのように空気中で生き延びるかを把握するため、チームは細菌が伝播中に経験する条件を模倣することを目指しました。研究者らはまず、患者が咳やくしゃみで空気中に排出するものと粘度や飛沫サイズが類似した液体を開発することに着手しました。ブロイバ博士は、過去に行われた結核に関する実験的研究の多くが、科学者が細菌を培養するために使用する液体溶液に基づいていたと指摘しています。しかし、チームはこの液体が、結核患者が実際に咳やくしゃみで空気中に排出する液体とは化学組成が大きく異なることを発見しました。
さらに、ブロイバ博士は、結核患者から一般的に採取される液体は、例えば診断検査のために患者が吐き出す喀痰に基づいていると指摘しています。「その液体は濃くて粘り気があり、結核研究の世界のほとんどが体内で起こっていることを代表するものと考えています」と彼女は言います。「しかし、それは吸入可能な飛沫に分解するには粘着性が高すぎるため、他者への拡散には非常に非効率的です」。
ブロイバ博士の流体および飛沫物理学の研究を通じて、チームは空気中を伝播する結核菌含有マイクロ飛沫のより現実的な粘度と推定されるサイズ分布を決定しました。チームはまた、感染した肺組織の患者サンプル分析に基づいて、飛沫の組成を特徴付けました。その後、彼らは呼気から空気中に放出されるものと組成、粘度、表面張力、飛沫サイズが類似した、より現実的な液体を作成しました。
次に、研究者らは異なる液体混合物を微小な個々の飛沫としてプレート上に堆積させ、それらがどのように蒸発し、どのような内部構造を残すかを詳細に測定しました。彼らは、新しい液体が、細菌がより空気にさらされる傾向があった従来の液体と比較して、飛沫が蒸発する際に飛沫の中心にある細菌を保護する傾向があることを観察しました。より現実的な液体はまた、より多くの水分を保持することができました。
さらに、チームは各飛沫に、様々な遺伝子をノックダウンした細菌を注入し、特定の遺伝子の欠如が飛沫の蒸発に伴う細菌の生存に影響を与えるかどうかを確認しました。
このようにして、チームは4,000を超える結核菌遺伝子の活性を評価し、細菌が空中条件に適応する際に特に重要になると思われる数百の遺伝子ファミリーを発見しました。これらの遺伝子の多くは、空気にさらされたタンパク質など、酸化されたタンパク質の損傷修復に関与しています。他の活性化された遺伝子は、修復不可能なほど損傷したタンパク質の破壊に関係しています。
「私たちが見つけ出したのは、非常に長い候補リストでした」とネイサン博士は言います。「数百の遺伝子があり、他よりも顕著に関与しているものもありますが、それらが結核菌が伝播段階を生き延びるのを助ける上で決定的に関与している可能性があります」。
チームは、実験が細菌の生物物理学的伝播の完全な類似物ではないことを認めています。実際には、結核菌は空中を飛ぶ飛沫に含まれて運ばれ、移動中に蒸発します。遺伝子解析を行うために、チームはプレート上の飛沫を扱わなければなりませんでした。これらの制約の下で、彼らはプレートを極度に乾燥したチャンバー内に設置して飛沫の蒸発を加速させ、飛行中に経験するであろう状況を可能な限り模倣することで、飛沫伝播を再現しました。
今後、研究者らは、様々な条件下で飛行中の飛沫を研究できるプラットフォームを用いた実験を開始しています。彼らは、これらの遺伝子が実際に空気中を伝播する際に結核菌を保護するかどうかを確認するため、さらに現実的な実験で新しい遺伝子ファミリーに焦点を当てる計画であり、これにより結核菌の空中防御を弱める道が開かれる可能性があります。
「結核患者を見つけてから治療し治癒させるのを待つという考え方は、パンデミックを止めるには全く非効率的な方法です」とネイサン博士は言います。「結核菌を排出しているほとんどの人はまだ診断を受けていません。ですから、私たちはその伝播を中断させなければなりません。そして、プロセス自体について何も知らなければ、どうやってそれを行うのでしょうか？ 私たちは今、いくつかのアイデアを持っています」。
この記事は、MITのジェニファー・チュー氏（Jennifer Chu）が執筆したリリースに基づいています。
