特集●ドライアイの本質に迫る―炎症仮説から涙液安定性仮説へ―あたらしい眼科29(3):323~328,2012特集●ドライアイの本質に迫る―炎症仮説から涙液安定性仮説へ―あたらしい眼科29(3):323~328,2012ドライアイとムチンとの関連OcularSurfaceMucinsandDryEye堀裕一*はじめに眼表面には,親水性で高分子の糖蛋白質であるムチンが存在し,涙液の保持や眼表面のバリア機能など重要な役割を担っている.ドライアイ患者においては涙液分泌減少のみならず,涙液の水濡れ性の低下も関連しており,眼表面の水濡れとムチンには密接な関係がある.本稿では,ムチンについて基本的なことから現在の知見までわかりやすく解説したいと考える.Iムチンとはムチンは,生体内では粘膜組織の表面に存在し,粘膜をうるおして粘膜の損傷を防いでいる.生体内の粘膜組織は,胃粘膜,腸粘膜,気管支,鼻粘膜,口腔粘膜,子宮などあらゆるところに存在するが,眼表面も粘膜組織の一つであり,ムチンによって保護されている.ムチンは数千kDと非常に高分子の糖蛋白質で,アポムチンとよばれるコア蛋白質に無数の糖鎖が結合している.ムチンの糖鎖はO型糖鎖(セリン/スレオニンに糖鎖が結合,Oグリコシド結合)の形をとることが特徴であり,このO型糖鎖(Oグリカンともいわれる)は,コア蛋白質中のセリンまたはスレオニンにN-アセチルガラクトサミンが結合し(Oグリコシド結合),さらに糖鎖が次々と結合している(図1).ムチンが高分子であるのは糖鎖(Oグリカン)によるところが多く,ムチンの分子量の50~80%を糖鎖が占めるといわれている1,2).また,ムチンはマイナスに荷電していると考えられ,こSer/Thr:セリンまたはスレオニン:その他のアミノ酸GalNAc:N-アセチルガラクトサミンSer/Thr-O-GalNAc-GalGal:ガラクトースGlcNAc:N-アセチルグルコサミンSer/Thr-O-GalNAc-GlcNAc図1ムチンにおける糖鎖セリンまたはスレオニンにOグリコシド結合にて糖鎖が付加する.れは糖鎖の末端がマイナスに荷電しているためといわれているが,このことにより表面の親水性に関与したり,病原体が上皮細胞に接着し組織に侵入することを防いだり,上皮細胞同士が互いにくっつかないようにする(anti-adhesion)役割を担っている3,4).現在までにムチンのサブタイプはMUC1からMUC21まで報告されており(表1),生体内のいたるところに存在している.II分泌型ムチンと膜型ムチンムチンはその構造から大きく分けて分泌型ムチン(secretedmucins)と膜型ムチン(membrane-associatedmucins)に分類することができる(図2,3).分泌型ムチンは,ゲル形成ムチン(gel-formingmucins)と可*YuichiHori:東邦大学医療センター佐倉病院眼科〔別刷請求先〕堀裕一:〒285-0841佐倉市下志津564-1東邦大学医療センター佐倉病院眼科0910-1810/12/\100/頁/JCOPY(35)323324あたらしい眼科Vol.29,No.3,2012(36)れたムチンで,その蛋白質は39kDaとムチンのなかでは非常に小さい6).一方,膜型ムチンは炭酸基の近くに疎水性の膜貫通ドメインをもち,細胞の表面に突き出るように存在してい溶性ムチン(solublemucins)に分けることができるが,ゲル形成ムチンは最も分子量の大きい糖蛋白質で,二量体,三量体を形成し最終的に分子量は40MDaという高分子になるといわれている5).可溶性ムチンは,非常に分子量の小さいムチンであり,MUC7とMUC9の2種類がある.MUC7は元来,唾液腺よりクローニングさ表1これまでに報告されたヒトムチン遺伝子遺伝子分類cDNAクローニング染色体反復配列のアミノ酸数MUC1膜型乳癌,膵癌1q21-q2320MUC2分泌型ゲル形成小腸11p1523MUC3A膜型小腸7q2217MUC3B膜型小腸7q2217MUC4膜型気管3q2916MUC5AC分泌型ゲル形成気管11p158MUC5B分泌型ゲル形成気管11p1529MUC6分泌型ゲル形成胃11p15169MUC7分泌型可溶性唾液腺4q13-q2123MUC8未分類気管12q24.313/41MUC9分泌型可溶性卵管1p1315MUC11膜型小腸7q2228MUC12膜型小腸7q2228MUC13膜型小腸,気管3q13.315MUC15膜型乳腺11p14.3NoneMUC16膜型OVCAR-3細胞(卵巣癌)19p13.2156MUC17膜型小腸7q2259MUC19分泌型ゲル形成遺伝子データベース12q12MUC20膜型腎臓3q2919MUC21膜型子宮頸癌6p2115NH2COOHD1D2D3D4タンデム反復タンデム反復n=17~124n=4NH2COOHヒスタチン様ドメインn=5~6糖鎖A.ゲル形成ムチンB.可溶性ムチン図2分泌型ムチン分泌型ムチンは分子量の大きいゲル形成ムチン(A)と分子量の小さい可溶性ムチン(B)に分類できる.両者とも反復配列(タンデム配列)ドメインをもち,無数の糖鎖が結合している.ゲル形成ムチンはシステインが豊富なDドメイン(D1~D4)が存在し,可溶性ムチンはヒスタチン様ドメインが存在する.細胞膜細胞外細胞内膜貫通ドメイン糖鎖NH2COOH図3膜型ムチン膜型ムチンは膜貫通ドメインをもち,炭酸基側を細胞内,アミノ基側を細胞外に出している.る.ちょうど,上皮細胞の表面に芝生が生えるように多数発現しているイメージであり,その細胞外の部分の長さは200~500nm程度とされる(図3)7).膜型ムチンの細胞内ドメイン(cytoplasmicdomain)は非常に短い領域しかなく,ムチンの構造のほとんどは細胞外ドメイン(ectodomain)である.細胞外ドメインには無数の糖鎖が結合した反復配列がみられる8).III涙液の構造と眼表面ムチン粘膜組織の一つと考えられる眼表面においても体内の他の粘膜組織と同じようにムチンで保護されている.眼表面におけるムチンの役割としては,1)涙液の保持,2)眼表面を潤滑にし,瞬目をスムーズに行う,3)スムーズな球面を形成し,良好な視力を獲得する,4)眼表面のバリア機能,5)病原体やデブリスを捕獲し取り除く,などがあげられ,ムチンは眼表面において重要な役割を担っている.以前は,涙液は油層,水層,ムチン層(粘液層)とはっきりと3層に分かれていると考えられていたが,現在,涙液におけるムチンの分布は図4のように考えられている.最表層の油層の下には,液層(または水/ムチン層)とよばれる水の層に分泌型ムチンが濃度勾配(上皮側が密)をもって存在している.また,角膜および結膜上皮油層分泌型ムチン液層(水/ムチン層)上皮細胞microplicae膜型ムチン上皮図4涙液の構造油層と液層(水/ムチン層)の2層と考えられており,液層(または水/ムチン層)には分泌型ムチンが濃度勾配(上皮側が密)をもって存在している.また,角膜および結膜上皮細胞の表面の微絨毛(microplicae)の先端に膜型ムチンが多数発現し糖衣(glycocalyx)を形成している.細胞の表面には微絨毛(microplicae)とよばれる細かいひだが存在し,その先端に膜型ムチンが多数発現し糖衣(glycocalyx)を形成している.この上皮の最表層に存在する膜型ムチンによって,もともと疎水性である角結膜上皮が親水性となり,涙液が眼表面にしっかりと保持されると考えられている.つまり,以前の涙液の概念で最内層(最も上皮細胞側)に存在するムチン層といわれていたものは,涙液の層というよりも角結膜上皮の一部であり,厳密にいうと涙液の構造は,油層と液層(水/ムチン層)の2層であると考えられる.眼表面では2種類の分泌型ムチン(MUC5AC,MUC7)と3種類の膜型ムチン(MUC1,MUC4,MUC16)が眼表面において発現している(図5).分泌型ムチンのうち,ゲル形成ムチンであるMUC5ACは眼表面ムチンにおいて最も発現が多いと考えられており,結膜の杯細胞から分泌される9).MUC7は分子量の小さい可溶性ムチンであるが,涙腺の腺房細胞に発現している10)が,その量は非常に微量であり,涙液中でどのような機能を果たしているかは不明である.膜型ムチンについては,眼表面ではMUC1,MUC4,MUC16の発現がわかっており11~13),そのうちMUC16が最も分子量も大きく発現も有意であることから眼表面では重要な働きを行う膜型ムチンと考えられている.眼表面では,MUC1およびMUC16はヒト角膜・結膜両者の上皮細胞に発現しており,MUC4はヒトにおいては,結膜上皮では全般的に発現している一方,角膜にお結膜上皮細胞MUC1(膜型)MUC4(膜型)MUC16(膜型)角膜上皮細胞MUC1(膜型)MUC16(膜型)(周辺部)MUC4(膜型)涙腺MUC7(分泌型可溶性)結膜杯細胞MUC5AC(分泌型ゲル形成)図5オキュラーサーフェスにおけるムチンの発現(37)あたらしい眼科Vol.29,No.3,2012325326あたらしい眼科Vol.29,No.3,2012(38)チン(MUC1およびMUC16)の糖鎖を架橋し,バリア機能を強固にしていることが明らかになった19,20).今後は膜型ムチンとガレクチン3との相互関係に注目が集まると思われる(図7).IVドライアイにおけるムチン発現過去の報告では,ドライアイ患者において眼表面におけるムチン発現が減少するとされている.非Sjogren症候群の患者においては膜型ムチンであるMUC16(H185抗体)がインプレッションサイトロジーにおいて発現が変化することが報告されており21),Sjogren症候群の患者において分泌型ムチンであるMUC5ACの発現が涙液中および結膜上皮においてそれぞれ減少すると報告されている22).つまり,ドライアイ患者の眼表面では,分泌型・膜型ともにムチン発現の減少がみられる.眼表面にはさまざまなムチンが関与しており,非常に重要な役割を担っている.図4に示したように,膜型ムチンの上に分泌型ムチンが涙液中に広がっているが,これは,ムチンが陰性に荷電しており,ムチン同士が互いに反発し合うために分泌型ムチンが涙液全体に広がると考えられている.また,親水性であるムチンが存在することで涙液が正常に眼表面に保持されるが,ムチンがなくなると涙液の保持ができなくなり,この部分が涙液層破綻となって観察される.最近,日常臨床においてよく遭遇する涙液層破壊時間(tearfilmbreakuptime:BUT)短縮型ドライアイはもともとわが国のTodaらのいては,周辺部の角膜には存在するが,中央部では非常に少ないかほとんど発現していない.MUC4発現には血清の影響が関与しており,血流の影響が大きい結膜および周辺部角膜では発現し,血流の影響がより少ない角膜中央部では発現しないのではないかと考えられている14).膜型ムチンは,眼表面において上皮の水濡れ性とバリア機能に関与しており非常に重要な役割を担っている.バリア機能に関しては,臨床的にはドライアイにおける角結膜上皮障害の評価の一つとして,ローズベンガル染色が有名で,これらは角結膜上皮が障害され,細胞表面の膜型ムチンが減少・消失すると,ムチンのコートがなくなり細胞を染色する(図6)が,このことは,培養細胞で実験モデルとして再現することができ,眼表面の膜型ムチンであるMUC16の発現を意図的に減少させるとバリア機能が破綻し,ローズベンガルが細胞内に侵入し染色される様子が観察される15,16).また,膜型ムチンは上皮への細菌の接着を防ぐ意味でのバリア機能も担っており,MUC16発現を意図的に減少させた角膜上皮細胞には黄色ブドウ球菌の接着が有意に増加したという研究報告もある17).最近,眼表面のムチンのバリア機能に関連した蛋白質としてガレクチン3が注目されている.ガレクチンとは,bガラクトシドに結合するレクチンの総称で,レクチンとは,糖鎖を特異的に認識して,結合および架橋をする蛋白質であり,ムチンを検出するための抗体としても用いられているものである.ガレクチン3は,分子量35kDの蛋白質で,もともと角膜上皮に存在することは知られており,上皮の創傷治癒に関連していると報告されていた18).このガレクチン3が眼表面において膜型ムガレクチン3膜型ムチンおよび糖鎖図7膜型ムチンとガレクチン3の複合体としてのバリアガレクチン3が眼表面において膜型ムチン(MUC1およびMUC16)の糖鎖を架橋し,バリア機能を強固にしている.ローズベンガル膜型ムチン上皮細胞染色されない細胞が染色される図6ローズベンガル染色角結膜上皮細胞由来の膜型ムチンが発現していると,上皮はムチンでコートされ,染色されない.膜型ムチンの発現が減少または消失すると,これらが細胞に侵入し染色する.正常涙液Tearbreakup分泌型ムチン膜型ムチン正常涙液Tearbreakup分泌型ムチン膜型ムチンmicrovilli/microplicaeムチンが豊富角結膜上皮ムチンが少ない図8BUT短縮型ドライアイの考え方BUT短縮型ドライアイはさまざまな要因で,眼表面の膜型ムチンの発現が低下し,眼表面の水濡れ性が低下することにより生じると考えられている.グループから報告された新しい疾患概念である23)が,これらの患者は,Schirmer値は正常で角結膜上皮障害もないか非常に軽度であるにもかかわらずBUTのみが極端に短く,非常に乾燥感を訴える.また,通常のドライアイ治療にほとんど反応せず,治療に苦慮するドライアイ患者の一つである.この疾患はさまざまな原因で眼表面のムチンの発現,特に膜型ムチンの発現が変化し,眼表面の水濡れ性が低下することで生じると考えられている(図8).BUT短縮型ドライアイは臨床的にはフルオレセイン染色を行って涙液破綻の状態を観察すると,丸型のダークスポットがみられることがよく知られている(図9).これは,膜型ムチンの発現が低下し,眼表面の水濡れ性が低下することで涙液が丸くはじかれる状態となっていると考えられている.この膜型ムチンの発現の変化による水濡れ性の低下の直接的な原因は今後追究する必要があると考える.わが国では,ムチン発現促進点眼がドライアイの治療法の選択肢の一つとして使用できるようになり,実際の患者を治療していくうえで,ムチンとドライアイとの関係がさらに明らかになっていくことを期待したい.文献1)ChaoCC,ButalaSM,HerpA:Studiesontheisolationandcompositionofhumanocularmucin.ExpEyeRes47:185-196,19882)GipsonIK,ArguesoP:Roleofmucinsinthefunctionofthecornealandconjunctivalepithelia.IntRevCytol231:図9BUT短縮型ドライアイ患者フルオレセイン染色にて涙液の破綻する様子を観察すると,丸型のダークスポットが開瞼直後から観察され(矢印),眼表面の水濡れが悪くなっている様子がわかる.1-49,20033)FleiszigSM,ZaidiTS,RamphalRetal:ModulationofPseudomonasaeruginosaadherencetothecornealsurfacebymucins.InfectImmun62:1799-1804,19944)GipsonIK,HoriY,ArguesoP:Characterofocularsurfacemucinsandtheiralterationindryeyedisease.OculSurf2:131-148,20045)Perez-VilarJ,HillRL:Thestructureandassemblyofsecretedmucins.JBiolChem274:31751-31754,19996)BobekLA,TsaiH,BiesbrockARetal:Molecularcloning,sequence,andspecificityofexpressionofthegeneencodingthelowmolecularweighthumansalivarymucin(MUC7).JBiolChem268:20563-20569,19937)BramwellME,WisemanG,ShottonDM:Electron-microscopicstudiesoftheCAantigen,epitectin.JCellSci86:249-261,19868)KomatsuM,CarrawayCA,FregienNLetal:Reversibledisruptionofcell-matrixandcell-cellinteractionsbyover-expressionofsialomucincomplex.JBiolChem272:33245-33254,19979)InatomiT,Spurr-MichaudS,TisdaleASetal:Expressionofsecretorymucingenesbyhumanconjunctivalepithelia.InvestOphthalmolVisSci37:1684-1692,199610)JumblattMM,McKenzieRW,SteelePSetal:MUC7expressioninthehumanlacrimalglandandconjunctiva.Cornea22:41-45,200311)InatomiT,Spurr-MichaudS,TisdaleASetal:HumancornealandconjunctivalepitheliaexpressMUC1mucin.InvestOphthalmolVisSci36:1818-1827,199512)PflugfelderSC,LiuZ,MonroyDetal:Detectionofsialomucincomplex(MUC4)inhumanocularsurfaceepitheliumandtearfluid.InvestOphthalmolVisSci41:1316(39)あたらしい眼科Vol.29,No.3,20123271326,200013)ArguesoP,Spurr-MichaudS,RussoCLetal:MUC16mucinisexpressedbythehumanocularsurfaceepitheliaandcarriestheH185carbohydrateepitope.InvestOphthalmolVisSci44:2487-2495,200314)HoriY,Spurr-MichaudS,RussoCLetal:Differentialregulationofmembrane-associatedmucinsinthehumanocularsurfaceepithelium.InvestOphthalmolVisSci45:114-122,200415)ArguesoP,TisdaleA,Spurr-MichaudSetal:Mucincharacteristicsofhumancorneal-limbalepithelialcellsthatexcludetherosebengalanionicdye.InvestOphthalmolVisSci47:113-119,200616)BlalockTD,Spurr-MichaudS,TisdaleAetal:FunctionsofMUC16incornealepithelialcells.InvestOphthalmolVisSci48:4509-4518,200717)RicciutoJ,HeimerSR,GilmoreMSetal:CellsurfaceO-glycanslimitStaphylococcusaureusadherencetocornealepithelialcells.InfectImmun76:5215-5220,200818)CaoZ,SaidN,AminSetal:Galectin-3and-7,butnotgalectin-1,playaroleinre-epithelializationofwounds.JBiolChem277:42299-42305,200219)ArguesoP,Guzman-AranguezA,MantelliFetal:Associationofcellsurfacemucinswithgalectin-3contributestotheocularsurfaceepithelialbarrier.JBiolChem284:23037-23045,200920)ArguesoP,PanjwaniN.Focusonmolecules:galectin-3.ExpEyeRes92:2-3,201121)DanjoY,WatanabeH,TisdaleASetal:Alterationofmucininhumanconjunctivalepitheliaindryeye.InvestOphthalmolVisSci39:2602-2609,199822)ArguesoP,BalaramM,Spurr-MichaudSetal:DecreasedlevelsofthegobletcellmucinMUC5ACintearofpatientswithSjogrensyndrome.InvestOphthalmolVisSci43:1004-1011,200223)TodaI,ShimazakiJ,TsubotaK:Dryeyewithonlydecreasedtearbreak-uptimeissometimesassociatedwithallergicconjunctivitis.Ophthalmology102:302-309,1995328あたらしい眼科Vol.29,No.3,2012(40)