犬と猫の腎臓 ー 赤血球生成編
腎臓はいかにして血液の量を決めているか

腎性エリスロポエチン産生細胞(REP細胞)の局在と形態

成体の犬・猫において、赤血球産生を指令するホルモンであるエリスロポエチン(erythropoietin, EPO)の90%以上は腎臓で産生される。この事実は、腎臓を「濾過装置」としてのみ理解していると見落としてしまう、腎臓のもう一つの顔である。EPOを産生する細胞は、糸球体や尿細管上皮そのものではなく、その間を埋める間質に存在する特殊な細胞である。

REP細胞という線維芽細胞様細胞

EPOを産生する細胞は1型腎性EPO産生(REP)細胞(renal EPO-producing cell)と呼ばれ、皮質から外髄質にかけての尿細管間質に散在する線維芽細胞様の形態を持つ細胞である。星形〜樹状の突起を伸ばし、隣接する尿細管や毛細血管に接するように配置されている。通常の線維芽細胞と組織学的に見分けることは難しく、EPOを産生しているかどうかは免疫染色やin situハイブリダイゼーションといった特殊な手法でなければ判別できない。

間質という「センサー」の置き場所

REP細胞が尿細管上皮でも血管内皮でもなく間質に位置していることには理由がある。間質は尿細管周囲毛細血管からの酸素供給と、尿細管上皮自身の高い酸素消費(第6章で述べる近位尿細管の能動輸送を思い出してほしい)がせめぎ合う場所であり、腎皮質から外髄質にかけての組織酸素分圧を鋭敏に反映する。REP細胞はこの間質環境に身を置くことで、全身循環の酸素運搬状態を代弁するセンサーとして機能している。

REP細胞は「数」で調節する

個々のREP細胞は、EPOを産生するか・しないかのほぼ二者択一的な挙動を示すことが知られている。そのため、組織全体としてのEPO産生量は、1細胞あたりの産生量を微調整するというよりも、「EPOを産生している細胞の数」を増減させることで調節されている。低酸素が強くなるほど、動員されるREP細胞の数が増えていくとイメージすると理解しやすい。

酸素感知に適した腎臓の微小血管構築

腎臓が全身の酸素運搬状態を代表するセンサーとして選ばれているのは偶然ではない。腎臓の血管構築そのものが、酸素分圧の変化を鋭敏に映し出す仕組みになっている。

血流は豊富だが、皮質の酸素分圧は「絶妙」に保たれている

腎臓は体重あたりで見ると非常に血流の豊富な臓器であり、動脈血の酸素飽和度もほぼ全身動脈血と変わらない。しかし皮質から外髄質にかけての組織酸素分圧は、血流量だけで決まるわけではない。近位尿細管がナトリウム再吸収のために大量の酸素を消費し続けているため、腎皮質〜外髄質の組織酸素分圧は「血流は豊富だが同時に消費も激しい」という綱引きの結果として、全身の酸素運搬状態のわずかな変化に敏感に反応する範囲に保たれている。

尿細管周囲毛細血管とREP細胞の位置関係

第1章で述べたREP細胞は、この尿細管周囲毛細血管網のすぐそばの間質に位置する。毛細血管から拡散してくる酸素の量は、①全身の動脈血酸素含量(貧血や低酸素血症の影響を受ける)、②腎血流量、③近位尿細管の酸素消費量、という複数の要因の積分値を反映しており、REP細胞はいわばこの「積分値」を常時モニターしていることになる。

皮質と髄質、2つの異なる酸素環境

第1巻(尿生成編)で見たように、腎髄質は対向流交換系(直血管)によって血流が制限され、生理的にもともと酸素分圧が低い環境にある。この髄質の生理的低酸素と、REP細胞が主に分布する皮質〜外髄質の「調節可能な」酸素環境とは区別して理解する必要がある。髄質の低酸素は対向流増幅系を働かせるための正常な設計であり、それ自体が異常なEPO産生刺激にはならない。

造血の場としての骨髄と腎臓・肝臓の機能分担

EPOという「命令」を出すのは腎臓だが、実際に赤血球を作るのは骨髄である。この章では命令の受け手である骨髄の構造と、腎臓が主たるEPO産生臓器になるまでの発生学的な背景を整理する。

骨髄という赤血球の生産工場

成体の犬・猫では、造血は主に長骨・扁平骨の赤色骨髄で行われる。骨髄は洞様血管(sinusoid)が網目状に走る特殊な血管構築を持ち、その周囲の造血索に前駆細胞・成熟血球が密に存在する。赤芽球系前駆細胞は、マクロファージを中心にした「赤芽球島(erythroblastic island)」という特徴的な細胞集団を形成しながら分化を進める(第6章・第7章で詳述)。分化を終えた網赤血球は、洞様血管の内皮細胞の隙間を通り抜けて血流に入る。

胎児期のEPO産生臓器としての肝臓

EPOは成体では主に腎臓で産生されるが、胎児期には主として肝臓で産生される。出生前後にかけてEPO産生の主座が肝臓から腎臓へと移行していくことが、哺乳類に共通して知られている。成体になっても肝臓は少量のEPOを産生し続けており、腎臓の機能が著しく低下した際の予備的なEPO供給源として一定の役割を果たすと考えられているが、その産生量は腎臓の健常時の産生量には遠く及ばない。

腎臓・骨髄・肝臓、それぞれの役割分担

この役割分担を理解しておくと、次章以降で扱う酸素感知の分子機構や、腎臓由来のEPOが骨髄に届いてから起こることを、臓器をまたいだ一続きの物語として追いやすくなる。

HIF経路による酸素感知の分子機構

REP細胞が「今、酸素が足りているか」を判定する仕組みの中心にあるのが、低酸素誘導因子(hypoxia-inducible factor, HIF)という転写因子である。HIF経路は腎臓のEPO産生だけでなく、全身の細胞が低酸素に適応するための普遍的なセンサーだが、EPO遺伝子の調節において特によく研究されてきた。

酸素が十分にあるとき:HIFは分解される

HIFは、酸素に依存して働くHIFプロリル水酸化酵素(PHD)という酵素によって、酸素が十分にある状態ではHIF-αサブユニット(EPO産生においては主にHIF-2αが中心的な役割を果たす)の特定のプロリン残基が水酸化される。水酸化されたHIF-αはフォン・ヒッペル・リンドウ(VHL)蛋白に認識され、ユビキチン化を経てプロテアソームで速やかに分解される。つまり、酸素が十分にある通常状態では、HIF-αは作られてもすぐに壊されてしまい、機能する暇がない。

酸素が不足すると:HIFが安定化し、核内で働き出す

組織酸素分圧が低下すると、酸素を基質として必要とするPHDの活性が低下し、HIF-αの水酸化が起こらなくなる。水酸化されないHIF-αはVHLに認識されず分解を免れて安定化し、核内へ移行してHIF-β(ARNT)とヘテロ二量体を形成する。このHIF複合体が、EPO遺伝子の下流にある低酸素応答配列(hypoxia response element, HRE)に結合し、EPO遺伝子の転写を強力に活性化する。

REP細胞における特有の挙動:オール・オア・ナッシング

多くの細胞ではHIFの活性化は連続的・段階的だが、REP細胞ではむしろ「EPOを産生する細胞」としてスイッチが入るか入らないかという、ほぼ二者択一的な挙動を示す。低酸素の程度が強くなるほど、スイッチが入るREP細胞の総数が増えていく、という第1章で述べた「数による調節」の分子的背景がここにある。

EPO遺伝子発現調節と「オン・オフ」型産生様式

前章のHIF経路が「スイッチを入れる仕組み」だとすれば、本章ではそのスイッチが実際にEPOという分泌蛋白へと変換される過程と、腎臓全体としてのEPO産生量がどう積み上げられていくのかを見る。

HRE結合から分泌までの流れ

安定化したHIF-2α/HIF-β複合体がEPO遺伝子の低酸素応答配列に結合すると、EPO mRNAの転写が急速に増加する。REP細胞は分泌顆粒を持たず、産生されたEPOは合成されるそばから速やかに分泌される、いわば「作り置きをしない」タイプの分泌様式を取る。これにより、血中EPO濃度は組織酸素分圧の変化に比較的速やかに追随することができる。

「動員される細胞数」が全体の産生量を決める

第4章で述べたように、個々のREP細胞のスイッチはオン・オフ的であるため、腎臓全体としてのEPO産生量は、主に「今スイッチが入っているREP細胞の数」によって決まる。軽度の貧血や低酸素では、酸素分圧が最も低下しやすい部位(尿細管周囲毛細血管から遠い、あるいは酸素消費の多い尿細管に近いREP細胞)から順にスイッチが入り始め、低酸素がより高度になるにつれて動員される細胞の範囲が皮質のより広い領域へと広がっていくと考えられている。

負のフィードバックとしての全体設計

この一連の仕組みは、血中の酸素運搬能力(≒赤血球量)が回復すれば、REP細胞周囲の酸素分圧も回復し、HIFが再び分解される方向に働き、EPO産生が自然に収まっていくという負のフィードバックループの一部として設計されている。このループの全体像は第8章で改めて図とともに整理する。

骨髄における赤芽球系前駆細胞とEPO受容体

血流に乗って骨髄まで運ばれたEPOは、どの細胞にでも作用するわけではない。EPOの標的は、赤芽球系への分化がすでにある程度決まった、特定の段階の前駆細胞に限られる。

造血幹細胞から赤芽球系前駆細胞へ

骨髄の造血幹細胞は、多能性の前駆細胞を経て赤芽球・顆粒球・巨核球など各系統へ分化していく。赤血球系統では、比較的未分化なBFU-E(burst-forming unit-erythroid)から、より分化の進んだCFU-E(colony-forming unit-erythroid)へと段階を追って分化する。EPO受容体(EPOR)の発現量は、この過程でCFU-E期に向けて急激に増加し、CFU-E期からその直後の前赤芽球期にかけて最も高い密度で発現する。

EPO受容体シグナルの中心:生存(アポトーシス回避)

EPOがEPORに結合すると、JAK2-STAT5経路をはじめとする細胞内シグナル伝達が活性化される。この経路の主要な役割は、細胞増殖を積極的に「押し上げる」というよりも、本来であればアポトーシスに向かうはずの前駆細胞を生存させることにある(第7章で詳述)。CFU-E期の前駆細胞は、EPOによる生存シグナルを受け取れなければ速やかにアポトーシスに陥る、いわば「EPO依存性」の高い時期にある。

赤芽球島というマクロファージとの共生関係

第3章で触れた赤芽球島では、中心のマクロファージが分化中の赤芽球に鉄(トランスフェリン経由)を供給し、老朽化した核や細胞の除去も担う。EPOによる生存シグナルと、赤芽球島でのマクロファージからの支援とが組み合わさることで、効率的な赤血球産生が実現されている。

赤芽球の成熟過程とEPOの抗アポトーシス作用

本書の色使いのもとになっている「赤芽球成熟スペクトル」、すなわち好塩基性(青みがかった)前赤芽球から、ヘモグロビンを豊富に蓄えた成熟赤血球(赤色)への変化を、細胞レベルで追ってみよう。

核の変化とヘモグロビン蓄積という2つの軸

赤芽球の成熟は、大きく2つの変化が並行して進む過程として理解できる。

• 核の変化:前赤芽球の大きく疎な核クロマチンは、好塩基性→多染性→正染性赤芽球と進むにつれて徐々に凝集し、最終段階で核そのものが細胞から排出される(脱核)。
• 細胞質の変化:リボソームが豊富で青く染まる(好塩基性)細胞質は、ヘモグロビン合成が進むにつれて赤みを帯びていき(多染性を経て正染性へ)、最終的にはヘモグロビンでほぼ満たされた状態になる。

脱核直後の細胞は網赤血球(reticulocyte)と呼ばれ、わずかに残るリボソームRNAのために特殊染色でネット状構造として観察される。網赤血球は骨髄で1〜2日を過ごしたのち末梢血に入り、末梢血でもさらに1日程度かけて完全に成熟した赤血球になる。

EPOが効くのは「アポトーシスを止める」段階

第6章で述べたEPOの生存シグナルが最も重要になるのは、CFU-E期から前赤芽球期にかけてである。この時期にEPOが十分に供給されないと、前駆細胞はミトコンドリア経路を介したアポトーシスに陥り、赤芽球へ分化する前に脱落してしまう。逆にEPOが十分量存在すれば、この時期の前駆細胞の生存率が高まり、結果としてより多くの細胞が成熟赤血球まで分化を完了できる。

鉄という、もう一つの必須材料

ヘモグロビン合成には鉄が不可欠であり、EPOによる生存シグナルがいかに十分でも、鉄の供給(赤芽球島のマクロファージからのトランスフェリン経由の供給、第6章)が不足していれば効率的な赤血球産生は成立しない。この点は、第14章で扱う腎性貧血治療における鉄補充療法の重要性に直結する。

腎臓・骨髄・血液を結ぶ酸素運搬フィードバックループ

第1〜7章で個別に見てきた要素を、ひとつながりの負のフィードバックループとしてまとめる。この全体像を頭に入れておくと、次章以降で扱う病態や薬物が、このループのどこに介入しているのかを見失わずに整理できるようになる。

ループを1周たどる

1. 腎臓(REP細胞)が尿細管周囲毛細血管の酸素分圧を感知する(第1章・第2章・第4章)。
2. 低酸素を感知するとHIFが安定化し、EPOが血中へ分泌される(第4章・第5章)。
3. EPOは骨髄の赤芽球系前駆細胞(特にCFU-E期)に作用し、アポトーシスを防いで分化を後押しする(第6章)。
4. 分化を終えた赤血球が供給され、血中ヘモグロビン濃度・酸素運搬能力が高まる(第7章)。
5. 組織への酸素運搬が改善すると、腎臓のREP細胞への低酸素刺激が弱まり、EPO産生が自然に抑制される。

このループが正常に機能している限り、貧血や低酸素血症が生じても、多くの場合は数日〜数週間のうちに骨髄からの代償的な赤血球産生増加(網赤血球増加を伴う「再生性貧血」)が観察される。次章では、このループの入り口である腎臓自体が壊れてしまった場合に何が起こるかを見ていく。

慢性腎臓病(CKD)に伴う腎性貧血の病態生理

犬猫のCKD、特に猫で高頻度にみられるこの疾患では、進行するにつれて非再生性の貧血がしばしば併発する。その中心的な機序が、本章で扱う腎性貧血(renal anemia)である。

ネフロン喪失=REP細胞の喪失

CKDでは糸球体硬化・尿細管萎縮・間質線維化が進行し、ネフロンが不可逆的に失われていく。REP細胞は尿細管間質に存在するため、この間質の線維化・瘢痕化はそのままREP細胞の物理的な減少を意味する。残存する腎組織のREP細胞が総動員されても、進行したCKDでは必要量のEPOを産生しきれなくなる。

単純な「量の不足」だけではない複合的な病態

腎性貧血はEPO産生低下だけで完結する病態ではなく、複数の要因が重なり合って成立している。

• EPO産生の絶対的不足:REP細胞の減少そのもの(本章の中心)。
• 尿毒症物質による骨髄抑制:尿毒症性の物質が赤芽球系前駆細胞の増殖・生存を直接的に妨げるとされる。
• 赤血球寿命の短縮:尿毒症環境下では赤血球膜が変化しやすく、寿命がやや短縮するとされる。
• 消化管出血・鉄欠乏の併存:尿毒症性の消化管病変や食欲不振による鉄摂取不足が、ヘモグロビン合成をさらに制限する。
• 慢性炎症に伴う鉄利用障害:多くのCKD動物でみられる慢性炎症状態は、ヘプシジンを介して貯蔵鉄の利用を妨げる「慢性炎症性貧血」的な要素も上乗せする。

非再生性貧血という骨髄の反応パターン

腎性貧血は典型的に、正球性正色素性で、網赤血球数の増加を伴わない非再生性貧血として現れる。これは骨髄自体に問題があるのではなく、骨髄への「指令」であるEPOが不足しているために、本来なら起こるはずの代償的な赤血球産生増加が起こらないことを反映している。CKDの進行度(IRIS病期)が進むほど、貧血の程度も重くなる傾向がある。

腎性貧血以外の腎臓関連血液疾患

腎臓とEPOの関係は「不足」の方向だけではない。腎臓が関わる血液疾患には、EPOが過剰になる病態や、EPOの標的である骨髄側が反応できなくなる病態も存在する。

EPO産生腫瘍による二次性多血症

腎細胞癌など、腎臓由来の一部の腫瘍は、腫瘍細胞自体が調節を受けずにEPOを過剰産生することがあり、これが赤血球増加(二次性多血症、secondary polycythemia)の原因となりうる。この場合、貧血とは逆に赤血球量が過剰になり、血液粘稠度の上昇による症状(元気消失、粘膜のうっ血様変化、血栓塞栓症のリスク上昇など)がみられることがある。犬猫では比較的稀だが、原因不明の多血症を評価する際の鑑別診断のひとつとして重要である。

多発性嚢胞腎とEPO産生への影響

ペルシャ猫などでみられる多発性嚢胞腎(polycystic kidney disease)では、嚢胞そのものが局所的な低酸素環境を作り出し、部分的にEPO産生が促進されるという報告がある一方、疾患が進行すればCKDと同様のネフロン喪失・線維化により腎性貧血に至ることもある。同じ腎臓由来の疾患でも、経過や進行度によってEPO産生が増える方向にも減る方向にも振れうる、という点は臨床解釈の上で留意しておきたい。

赤芽球癆:骨髄側が反応できなくなる病態

EPOが十分量(あるいは薬理学的に過剰量)存在していても、骨髄の赤芽球系前駆細胞がそれに反応できなくなる病態が赤芽球癆(pure red cell aplasia, PRCA)である。腎臓病そのものというより、後述する組換えEPO製剤に対する抗体形成(第12章)によって引き起こされることが、犬猫でよく知られている代表的な原因である。

犬猫における腎性貧血の臨床的特徴と鑑別診断

腎性貧血そのものに特異的な症状はなく、貧血一般に共通する症状(元気消失、可視粘膜蒼白、運動不耐性、食欲低下)として現れる。CKDという背景疾患があることを手がかりに、他の貧血原因を除外しながら診断を組み立てていく必要がある。

腎性貧血を疑う手がかり

• すでにCKDの診断がついている、あるいは高窒素血症・低尿比重など腎機能低下を示唆する所見がある。
• 貧血が正球性正色素性で、網赤血球数の増加を伴わない(非再生性)。
• 出血や溶血を示唆する所見(黒色便、血尿、黄疸、球状赤血球など)が乏しい。

除外すべき他の貧血原因

非再生性貧血=腎性貧血と即断するのは早計であり、少なくとも次のような他の原因も考慮する必要がある。

診断はあくまで「除外」の積み重ね

腎性貧血には単独の確定的な検査所見があるわけではなく、CKDの存在、非再生性のパターン、他の原因の除外という3つを組み合わせた総合的な診断となる。この診断的な曖昧さは、次章以降で扱う治療薬の適応判断にも影響してくる。

組換えヒトエリスロポエチン製剤とその限界

腎性貧血の治療は、長らく「足りないEPOを外から補う」という発想の薬物が中心だった。この章では、その代表である組換えヒトエリスロポエチン(rHuEPO)製剤と、そこに内在する構造的な問題を扱う。

エポエチンアルファ:最初のESA

エポエチンアルファ(epoetin alfa)は、ヒトEPOの遺伝子組換え製剤であり、犬猫でも古くから注射薬として貧血の改善に用いられてきた。EPO受容体シグナルをそのまま利用し、骨髄の赤芽球系前駆細胞のアポトーシスを防ぐことで貧血を改善する、エリスロポエシス刺激薬(erythropoiesis-stimulating agent, ESA)の元祖である。

最大の弱点:種を超えた蛋白質としての免疫原性

エポエチンアルファはヒトのアミノ酸配列を持つ蛋白質であり、犬や猫の免疫系にとっては「異物」として認識されうる。実際、長期間(90日以上)投与された犬猫の一定割合で、内因性EPOとも交差反応する抗EPO抗体が形成され、外から投与したEPOだけでなく、もともと自分の腎臓が作っていたEPOの働きまで中和されてしまうことが報告されている。この結果として生じるのが、第10章で触れた赤芽球癆(PRCA)であり、一度発症すると内因性EPOも効かなくなるため、治療前よりもかえって重度で難治性の貧血に陥ることがある。

ダルベポエチンアルファ:半減期を延ばした改良型

ダルベポエチンアルファ(darbepoetin alfa)は、糖鎖修飾を増やすことでエポエチンアルファよりも半減期を大幅に延長した合成EPOアナログであり、週1回や2〜3週に1回といったより少ない投与頻度で管理できる点が犬猫の臨床でも利点とされてきた。糖鎖構造の違いにより免疫原性がいくぶん軽減されている可能性が示唆されているが、それでも抗体形成やPRCAのリスクが完全になくなるわけではなく、エポエチンアルファと同様の慎重な経過観察が必要である。犬猫向けに承認された動物用医薬品としてのダルベポエチン製剤は存在せず、いずれの使用も既存のヒト用医薬品を用いた適用外使用である。

HIF-PH阻害薬という新しいアプローチ

第12章で見た外因性EPO製剤の免疫原性という弱点を根本から回避する発想として登場したのが、HIF経路そのものに介入するHIFプロリル水酸化酵素(HIF-PH)阻害薬である。

「外から補う」のではなく「自分で作らせる」

HIF-PH阻害薬は、HIF-αを分解に導くPHDの働きを阻害することで、組織が実際には低酸素でなくてもHIF-αを安定化させ、あたかも低酸素状態であるかのようにEPO遺伝子の転写を誘導する。産生されるEPOは動物自身の内因性EPOであるため、「異種蛋白としての免疫原性」というリスクを構造的に回避できる点が最大の利点である。さらに経口投与が可能な低分子薬である点も、注射を要する既存のESAとの大きな違いである。

モリデュスタット(Varenzin-CA1):猫における実用化

この分野で先行して実用化されたのが、モリデュスタット(brand: Varenzin-CA1、Elanco社)である。米国では2023年5月、猫の慢性腎臓病に伴う非再生性貧血のコントロールを適応として、条件付き承認(conditional approval)を取得した。1日1回、28日間を1クールとして経口投与し、その後最低7日間の休薬期間を置く投与レジメンで用いられる。臨床試験では、投与開始から数週間のうちにヘマトクリット値の上昇がみられた症例が多く報告されている。

既存のESAとの位置づけの違い

HIF-PH阻害薬とESA(エポエチン・ダルベポエチン)は、いずれもEPO関連のシグナルを増強するという意味では共通の目的を持つが、介入する場所がまったく異なる(前者はHIF安定化の段階、後者はEPO受容体シグナルそのもの)。両者を併用した場合の安全性・有効性は十分に確立されておらず、既存のESAからHIF-PH阻害薬へ切り替えるかどうかは、担当獣医師の臨床判断に委ねられている。

腎性貧血管理における薬物選択と鉄補充療法

最終章では、これまで見てきた薬物群を並べて整理し、実際の腎性貧血管理においてしばしば見落とされがちな「材料」としての鉄の重要性を確認する。

治療選択肢の全体整理

鉄補充療法という土台

第7章で述べた通り、いかにEPOシグナルが強化されても、ヘモグロビン合成の材料である鉄が不足していれば赤血球産生は頭打ちになる。CKD動物では食欲不振による摂取不足、消化管出血、慢性炎症によるヘプシジンを介した鉄利用障害(第9章)などが重なり、機能的な鉄欠乏状態にあることが少なくない。ESAやHIF-PH阻害薬による治療を開始する前後には、鉄状態の評価と、必要に応じた鉄剤(経口または注射)の補充が治療成功の土台になる。