Cerebral Malaria: Mechanisms of Brain Injury and Strategies for Improved Neurocognitive Outcome

脳マラリアにおける神経損傷のメカニズムはよく分かっていない． 脳マラリアの病態は不完全であるが，その解明は脳損傷の機序につながる。 また，神経認知的後遺症の予後因子に関する記述や死後調査により，ある程度の理解が得られている． しかし、3つの観察から、以下のような疑問が生じる。 1）ほとんど血管内に存在する寄生虫が、どのようにしてこれほど多くの神経細胞機能障害を引き起こすのか？ 2）ほとんどの患者の脳に多数の寄生虫がいるにもかかわらず、なぜ治療によって昏睡が急速に回復し、組織の壊死がほとんど認められないのか。 3）同様の症状を呈するにもかかわらず、なぜ神経学的転帰が悪い子供とほとんど障害がなく改善する子供がいるのか。

脳マラリアの病原性を評価する際の基本的問題は、ヒトにおけるCNS病理学的または生理的データが比較的乏しいことである。 脳組織の侵襲的な検査は安全ではないため、利用可能なデータは主に剖検研究によるものである。 しかし、これらの研究はサンプル数が限られており、死亡した患者と比較した場合、生存者における潜在的な差異に対処することができない。 このような制約があるため、病態研究の大部分は動物モデル、特にP. berghei ANKAに感染したC57BL/6またはCBAマウスを用いたマウスモデルで行われてきた。 しかし，マウスとヒトの病態には大きな違いがあり，ヒトの脳マラリアへの直接の外挿は適切でない可能性がある(19)．

Parasite Sequestration in the Brain

Parasite Sequestration in the cerebral microvascularatureは病原体の中心因子であり、その結果として隔離された寄生体の周囲の組織における病態生理学的変化が起こると考えられており、これが血管内寄生が神経機能障害を引き起こす理由や一部の患者の予後不良の理由だと思われる。 赤血球表面に露出している寄生虫由来のタンパク質を用いて、赤血球が内皮に付着すること（サイトアドヒアランス）により、隔離が生じる（21）。 赤血球膜タンパク質-1（PfEMP-1）をはじめとする寄生虫抗原群は、宿主の受容体との結合を仲介し、その中でも細胞間接着分子-1（ICAM-1）は、隔離された寄生虫に隣接する領域で発現が上昇する。 付着した赤血球が他の赤血球と凝集したり、非寄生赤血球とロゼットを形成したり、血小板を介した凝集を利用して互いに結合すると、隔離された寄生体量はさらに増加する。 封じ込めは灌流を損ない、低酸素症による昏睡を悪化させる可能性がある。 さらに、赤血球が変形して微小血管を通過する能力も低下する(22)。 したがって、低酸素と不十分な組織灌流は、主要な病態生理学的事象である可能性がある。 代謝産物（酸素とグルコース）の供給が決定的に減少することがありますが、小児の大部分では、特定の抗マラリア治療により昏睡状態は急速に回復するため、重大な神経組織の壊死は起こりそうにありません。 しかし、発作時や発熱時など代謝要求が高まる場合には、神経損傷のリスクが高くなり、患者が低血糖である場合 (23) や頭蓋内圧亢進により血流がさらに悪化する場合 (24) には悪化する可能性がある。

サイトカイン、ケモカイン、興奮毒性

サイトカインとケモカインは発症において複雑な役割を果たし、保護効果と有害効果の両方を有しています。 寄生虫抗原の放出は、炎症性サイトカインと抗炎症性サイトカインの両方を放出させる。 これらのメディエーターのバランスは寄生虫の制御に重要であるが、神経細胞障害の病態形成における役割は不明である。 脳マラリアにおけるサイトカインとして最もよく知られているTNFは，脳血管内皮のICAM-1発現を上昇させ，赤血球の細胞接着を増加させる． 隔離された領域の近くでは、局所合成が増加する。 疾患の初期にはTNFは保護的であるが、高濃度の状態が長く続くと合併症の原因となるため、このタイミングは重要である(25)。 TNFはまた、シナプス伝達（強度、スケーリング、長期増強）の調節にも関与している(10)。 したがって，サイトカインを介したシナプスの変化は，脳マラリアの症候群に寄与している可能性がある． TNFが病因として重要であるにもかかわらず，マクロファージのTNF産生を低下させるpentoxifylline（26,27）やTNFに対するMAb（28）は死亡率を低下させなかった．

他のいくつかのサイトカインやケモカインが重要で，特にインターロイキン（IL）-1b, IL-6, IL-10 が挙げられるが (29), 化学物質RANTESの低レベルは死亡率と独立して関連していた (30). NOの役割は議論のあるところである。 NO活性および誘導性NO合成酵素と病態との関連は一貫していない(31,32)。 NOは、宿主防御、血管状態の維持、神経伝達に関与しており、TNFのエフェクターであると考えられている。 炎症性サイトカインは、脳内皮細胞の誘導性NO合成酵素をアップレギュレートし、NOの産生を増加させることが示唆されている。 NOは血液脳関門（BBB）を通過して脳組織に拡散し、神経伝達を妨害するため、可逆的な昏睡の一因となる可能性がある（33）。

キヌレニン経路の代謝物であるキノリン酸やキヌレン酸などの他の炎症生成物も病態に重要である可能性がある。 キノリン酸はNMDA受容体アゴニストであり、興奮毒素である。 一方、キヌレン酸はアンタゴニストであり、一般に神経保護作用があると考えられている。 キノリン酸による興奮は、脳マラリアにおける痙攣の一因となる可能性がある。 小児では、脳脊髄液濃度の上昇は、重症度の高いアウトカム群にわたって段階的に認められるが（34）、成人では、濃度の上昇は腎機能障害と関連していた（35）。 NMDA受容体は神経伝達の調節や作動薬としての役割を担っているため、キノリン酸の高濃度は認知機能に対して長期的に悪影響を及ぼす可能性がある。

Endothelial Injury, Apoptosis, BBB Dysfunction, and Intracranial Hypertension

赤血球の内皮への付着は、炎症、細胞間シグナル伝達、シグナル伝達に関する遺伝子の転写で始まる一連のイベントを開始し、内皮活性化、内皮微粒子（EMPs）の放出、およびホスト細胞のアポトーシスとなる (36). pRBCを含む血管では広範な内皮活性化が見られ、マラリアの他の合併症と比較して、昏睡状態の患者では循環EMPの著しい増加が見られる(37)。 さらに、pRBCと血小板（血小板微粒子を生成する）の相互作用は、直接的な細胞毒性効果によって内皮細胞にさらなる傷害を与える（38）。 傷ついた内皮の修復は、循環内皮前駆細胞が十分に動員されないために障害され（39）、内皮の調節因子であるアンジオポエチン-1とアンジオポエチン-2の血漿レベルが変化している（40）。

マウスモデルでは、まず内皮細胞で、次に神経細胞やグリアでアポトーシスが観察され（41）、内皮にpRBCが接触することが刺激となっている（42）（図1）。 活性化/悪性化したCD8リンパ球の集積が見られる。 パーフォリン欠損モデルでは脳症状は見られず、パーフォリンmRNAの高増加を示す野生型でのみ見られることから、パーフォリン依存的にアポトーシスが誘導されている可能性がある(43)。 軸索損傷は、単軸索、びまん性あるいはより限局した実質斑、神経細胞体の4パターンが報告されており（44）、軸索損傷と血漿乳酸や昏睡の深さは相関している。 小児の軸索は、CSF微小管関連蛋白タウレベルの中央値が成人の3倍であることから、より傷害を受けやすいようである(45)。

寄生虫が付着した血管周囲のマクロファージは、通常血漿タンパク質との接触があった場合にのみ存在するsialoadhesinなどの受容体を発現する(46)。 封鎖部位の破壊により神経細胞が血漿タンパク質にさらされる可能性はあるが、血漿タンパク質の血管周囲への著しい漏出は見られていない(47)。 にもかかわらず、頭蓋内圧亢進症はアフリカの小児によく見られ、深い昏睡状態にある小児の40％までにコンピュータ断層撮影スキャンで脳の腫脹が見られる（48）。 BBBの機能不全が高血圧に寄与していると考えられるが，脳容積の増大は発作，高体温，貧血による脳血流の増加や封鎖によって引き起こされる可能性がある．

頭蓋内高血圧は脳灌流圧，栄養および酸素供給を低下させて全脳虚血障害，ヘルニア，脳幹圧迫，死亡に至ることがある（24,49）． 虚血傷害は急性期CTで認められ，傷害のパターンは灌流圧の臨界低下と一致する(48)． 回復期には大脳の萎縮がみられる． 重症高血圧児の多くは痙性四肢麻痺で退院し、その後重度の学習障害となる(24)。

脳血流と灌流

脳マラリア患者では脳血流量が増加する。 頸球静脈の酸素飽和度が正常値であることから、この増加は代謝要求が高く、酸素や栄養の供給を必要量に合わせるための適応反応であると考えられる（50）。 しかし、最近の網膜の研究では、局所灌流が低下している証拠が得られている(51,52)。 眼球では、脳マラリア患児のほとんどで、網膜の白化の複数の離散的な領域（100-1000μm）が観察される。 これらの領域は、フルオレセイン血管造影で毛細血管の灌流が低下している(51)、図2。 生理的には、局所灌流の低下は網膜電図の異常と関連している(52)。 網膜が脳内の事象を反映しているとすれば、脳内にも同様の閉塞が存在する可能性があり、脳マラリアにおける昏睡は、脳の小さいながらも複数の領域における灌流不足の結果である可能性が一部ある。 脳の領域は小さいので、早期治療と閉塞の迅速な除去により、組織の壊死は最小限に抑えられ、早期の灌流回復により、大多数の患者において神経学的総機能がほぼ完全に回復することが説明できるかもしれない。 しかし、低酸素にさらされることで、多くの小児に微妙な（例えば認知）障害が残ることに変わりはない。 死亡または重度の脳損傷を発症した者では、隔離された質量はより高く、血流障害は容易に回復せず、低酸素および虚血障害はより広範囲である可能性がある(53)。

局所血流も変化することがある。 経頭蓋ドップラー法では，回復後に重篤な機能障害を呈した小児11例中6例で超音波異常が側方化障害と関連していた（54）一方，重症頭蓋内圧亢進症患者では，脳灌流圧と血流速度の間に直線関係が認められ，自己調節機能が低下していることが示唆された．

発作

マラリア原虫はてんかん原性であり、発作のリスクは寄生虫血症とともに増加する(55)。 発作は小児脳マラリアでよく見られる特徴であり、>80%が発作を伴って入院し、入院中に60%で発作が再発する(56)。 他のモデルでは、長時間の発作の後、不可逆的な神経細胞の損傷が報告されている。数日以内にMRIで浮腫が認められるが(57)、時間の経過とともに、これは局所萎縮とグリオーシスに取って代わられる(58)。 しかし、発作が脳損傷の原因であるか、損傷した脳の現れであるかについては、見解の一致をみていない(59,60)。 したがって、外傷性脳損傷（TBI）における予防的抗痙攣薬は、即時発作の再発を防ぐが、その後のてんかんのリスクを減少させることはなかった（61）。 同様に、脳マラリア患児に対するPhenobarbitalの大量予防投与は、発作の再発を有意に抑制したが(62)、認知機能の予後を改善しなかった(63)。 しかし、この研究では、予防的なフェノバルビタールは、（呼吸抑制による）死亡率の上昇と関連しており、認知アウトカム研究は、元のコホートの半分しか含まれていない。 考えられるシナリオは、発作を引き起こす有害物質によって脳障害が引き起こされることである。

昏睡の深さ、期間、原因

脳マラリアは単一の均質な症候群ではなく、4つの異なるグループ、すなわち、長引く発作後状態、秘密のてんかん状態、重度の代謝異常、一次神経症候群であることが示唆されている(64)。

遷延性発作後状態は、発作に続発する昏睡を呈し、6時間以内に意識を回復し、良好な神経学的回復が得られる。 単純な熱性けいれんとは異なるが、同じ危険因子が存在する可能性がある。 一方、転換型てんかんの場合、発作が長引いた後、昏睡状態になります。 発作活動の身体的徴候は非常に微小であることが多いため、認識できないことがあります。 これらの患者は、換気不足による低酸素および高炭酸状態であり、誤嚥の危険性があるため、この状態を発見できなかった場合は悲惨なことになる可能性がある。 神経認知の転帰は、発作がどのくらい続いたかによるかもしれない。

重度の代謝異常のある患者は、蘇生後数時間で意識を取り戻すことがある。 意識障害は、好ましくない環境による二次的な現象である。 低血糖やアシドーシスが長期間続くと、神経細胞の機能障害や死亡を引き起こすことがあり、その結果は生存者の暴露期間に依存する。 ガンビア人の小児では、神経学的後遺症は繰り返される発作と深く長引く昏睡に関連しており、一方、死亡は低血糖とアシドーシスに関連していたことから、脳マラリアにおける早期死亡のほとんどは、圧倒的な代謝異常から生じていると考えられる（65）。 これらの異常を早期に改善することにより、最終的な治療のための時間を稼ぐことができる。 蘇生液としてのアルブミンの最近の第II相試験は、この主張を支持しており（66）、アフリカのいくつかの病院における重病児に対する支持療法としての体液膨張試験の進行中である（6326）

原発性神経症候群の患者は、しばしば重度の代謝異常なしに発作を示し、最悪の神経認知的転帰を持っている。 彼らは重度の貧血ではなく、昏睡は発作が治まった後も24～48時間持続する。 頭蓋内圧亢進が一般的である。

Pathogenesis of Some Specific Impairment

Cognitive sequelae.

ある前向き研究において、長期認知障害は25%の子供で報告された(18)。 レトロスペクティブな研究では、14-24%であった(17,67)。 認知障害の危険因子には、低血糖、発作、昏睡の深さと期間、および反射神経低下が含まれる(18,23,67,68)。 認知機能障害の免疫病態を検討した研究は1件のみである(29)。 この研究では、複数のサイトカインとケモカインの血清レベルは退院後6ヶ月の障害と相関しなかったが、TNFのCSFレベルはワーキングメモリと注意と相関し、CNS TNFレベルの上昇は長期的な認知予後に悪影響を及ぼすことが示唆された。 認知機能障害の危険因子に関する文献が少ないことから、この分野におけるさらなる研究の必要性が浮き彫りになった。 ほとんどの障害は、非言語機能、記憶、注意の障害を併せ持つ小児のサブグループで観察される(69)。 言語障害が全体的な障害の一部であるのか、それとも重度のマラリアが特定の言語中枢に障害をもたらすのか、その病因は不明である。

てんかん

てんかんは、曝露後数カ月から数年経過した曝露児の約10%で発症し(16)、累積発症率は時間とともに増加する(70)。 脳マラリアの発作は熱性疾患に伴って起こり、多くは複雑な特徴を持つが、側頭葉てんかんはまれで、代わりに、ほとんどが強直間代発作で、二次的に全身発作が観察される(71)。 てんかんの病態は、脳循環の境界領域における局所的な低酸素・虚血性障害（56,72）あるいは全体的な虚血性障害（48,72）の結果であると考えられるが、よくわかっていない。

最近のてんかん発生に関する概念では、脳損傷を受けた患者では、それぞれ異なる発作確率と独立放電を有する複数の過興奮ネットワークの領域が脳に発生するという仮説がある。 これらの放電が合体し、周囲の正常脳をより多く巻き込んだとき、臨床的な発作が発生する可能性がある(73)。 この概念は、動物モデルや難治性側頭葉てんかんの患者において研究されてきた。この患者では、海馬において広範な神経細胞の喪失、グリオーシス、軸索の発芽、新しいシナプスの形成が見られる。 生き残った神経細胞やグリアは、イオンチャンネルや受容体をコードする遺伝子を発現しており、この変化が損傷部位の生理的特徴の変化の原因であると考えられている(74)。 この考え方が正しいとすれば、脳マラリアでは、非灌流領域における低酸素／虚血性神経損傷が、カジュアルなメカニズムであると考えられる。

行動および精神神経障害

子どもでは、行動の問題には、不注意、衝動性、多動、行為障害、社会性の発達障害などがある。 強迫的、自傷的、破壊的な行動も観察される(17,55) (Richard Idro, 私見)。 症状は被爆後1-4ヶ月で発症し、その病因は不明である。 成人では、マラリア後神経症状（表1）が、寄生虫が除去された後に発症する(75)。 その病因も不明である。

以上より，赤血球の脳微小血管内への固着・封鎖は，局所内皮障害やアポトーシス，炎症，BBB機能障害，脳腫脹，頭蓋内圧亢進を引き起こす． また，赤血球の局在化により，局所灌流が阻害され，低酸素傷害を引き起こす可能性がある． 侵害的な傷害とてんかん原性寄生虫が発作を引き起こし、それが脳障害とさらなる発作の悪循環を引き起こす可能性があります。 重篤な代謝異常は、脳損傷を悪化させる可能性がある。 脳損傷の程度は、昏睡の原因、微小血管の閉塞の程度、炎症反応、曝露時間、ショックなどの合併症の有無、介入の可否と速度に依存することがある。 転帰を改善するためには、傷害のメカニズムが異なれば、別々の介入が必要となる場合がある

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