スイスと日本の科学研究チームは最近、インフルエンザウイルスが生きた人間の細胞の表面を移動して細胞内に侵入する全過程を高い空間的・時間的解像度で初めて記録し、ウイルス感染の初期段階を解明する上で前例のない詳細な視点を提供した。研究によると、宿主細胞は受動的な標的ではなく、ウイルスが近づくと能動的に伸びたり、押したり、引いたりすることがわかっています。ウイルスと細胞の関係は、正確に調整された「侵入のダンス」に似ています。
インフルエンザ感染は通常、ウイルスを含む飛沫が人体に侵入したときに始まります。ウイルスは気道上皮などの細胞表面に付着して侵入を完了します。共同チームは培養ヒト細胞をモデルとして使用し、拡大視野で細胞表面の超微細構造の動態を継続的に観察できる特殊な顕微鏡イメージング技術を開発し、それによってインフルエンザウイルスが生細胞に侵入する完全なプロセスを初めて「ライブブロードキャスト」することができた。このプロジェクトはチューリッヒ工科大学の分子医学教授である山内洋平氏が主導しました。同氏はウイルスの侵入を「ウイルスと細胞の間のダンスのようなもの」と表現した。細胞はウイルスの方向に積極的に「手を伸ばし」、ウイルスがエンベロープされてエンドサイトーシスされるプロセス全体に参加します。
この研究では、結果はこのプロセスがウイルスの感染完了を助けるだけであることを示しているが、ウイルスは実際にはホルモン、コレステロール、鉄などの必須分子を取り込むために細胞が使用する通常のエンドサイトーシス経路をハイジャックしていることが判明した。インフルエンザウイルスは、最初に細胞表面上の特定の分子に結合する必要があり、次に細胞膜に沿って「滑り」、最も効果的な「侵入入口」となる表面受容体が高濃度に存在する領域を見つけるまで、膜表面上のある位置から別の位置に移動します。受容体がウイルスを認識し、その凝集が完了すると、細胞膜に徐々に凹んだ穴が形成されます。クラスリンと呼ばれる構造タンパク質がウイルスの形成と支持に関与し、穴を深くし、最終的にはウイルスをポケットのように包み込んで小胞を形成します。その後、この小胞は細胞内に引き込まれ、その表面コーティングが徐々に崩壊してウイルスが細胞内に放出され、複製プロセスの次の段階が始まります。
過去に研究者らは電子顕微鏡を使用してこの重要なリンクを捕捉しようと試みたが、そのような技術では細胞を固定して破壊する必要があり、静的な「スナップショット」しか取得できないため、動的なプロセスを復元することが困難になっていた。蛍光顕微鏡では生きた細胞を画像化できますが、空間分解能に制限があり、細胞膜の凹みやタンパク質の凝集などの微細な構造の詳細を明らかにすることはできません。これらのボトルネックを打破するために、研究チームは原子間力顕微鏡（AFM）と共焦点蛍光顕微鏡を組み合わせた「ウイルス可視デュアルモード共焦点原子間力顕微鏡」（ViViD-AFM）という新しい方法を開発した。一方で、この技術は原子間力顕微鏡を使用して細胞の表面形態をナノメートルスケールで描写します。一方、蛍光シグナルを使用してウイルスと関連タンパク質の位置をマークし、構造と機能の同時追跡を実現します。
ViViD-AFM の助けを借りて、研究者らは、細胞が侵入を完了するためにさまざまなレベルでウイルスと積極的に「協力」していることを観察しました。たとえば、細胞はウイルスの位置にクラスリンを正確に動員し、ウイルスをカプセル化する膜小胞の形成を助けます。ウイルスが細胞表面からわずかに離れると、細胞膜が上方に「持ち上げ」られ、ウイルスに再接近して捕捉するための明らかな変形とダイナミックな動きが引き起こされます。こうした動きは、ウイルスが少しでも逸脱するとより激しくなります。これは、インフルエンザウイルスが細胞自体の高度に調節された物質取り込みシステムを大幅に借用し、感染経路として本来生命維持活動に使用されていた機構を「逆転」させていることを示している。
研究チームは、この新しいイメージングプラットフォームは、生細胞系におけるウイルス侵入の各段階に対する候補薬の特異的な効果をリアルタイムで観察できるため、抗ウイルス薬の開発にとって非常に重要であり、それによってより標的を絞ったスクリーニングと阻害戦略の最適化が可能になると指摘した。なお、ViViD-AFMはインフルエンザウイルスに限定されません。将来的には、他のウイルス、さらにはワクチン粒子と細胞の間の相互作用を研究するためにも使用できる可能性があります。これは、感染の初期段階におけるより包括的な物理的および生物学的な手がかりを提供し、新しい抗ウイルス療法と予防法の設計のための実験的基盤を提供すると期待されています。