実験動物ニュース

2024

Vol. 73

No. 2

実験動物感染症の現状

重症肺炎の原因となるコロナウイルス感染症の動物モデル：
SARS-CoV から SARS-CoV-2
永田典代 1
岩田（吉河）奈織子 1
長谷川秀樹 21
2

国立感染症研究所

国立感染症研究所

感染病理部

インフルエンザ・呼吸器系ウイルス研究センター（実験動物ニュース 2024 Vol. 73 No. 2, p. 44–51.）※本総説の一部は令和 3 年の日本実験動物学会総会シンポジウム 8 および令和 5 年度維持会員懇談会で発表されたものである

1. はじめに2019 年末から中華人民共和国湖北省武漢市を発端とした新型コロナウイルス（Severe acute respiratory
syndrome coronavirus 2：SARS-CoV-2）に関連した新型肺炎（coronavirus diseases 2019：COVID-19）の発生が報告され［1, 2］，ヒト−ヒトの感染が短期間で世界中に急速に拡大した。2020 年 1 月には，世界保健機関（World Health Organization：WHO）より ｢ 国際的に懸念される公衆衛生上の緊急事態 ｣ が宣言され，3 年 3 ヶ月後の 2023 年 5 月にその終了が発表された。本症は，国内の感染症法では 2020 年 2 月 1 日に期限付きで指定感染症と定められ，2021 年 2 月 13日には「新型インフルエンザ等感染症（いわゆる 2類相当）」に位置付けられた後，2023 年 5 月 8 日より 5 類感染症に移行された。一方で，SARS-CoV-2の変異株はいまなお次々と出現しており，2021 年 11月末に出現し急速に感染拡大したオミクロン株は，その出現以来，遺伝的にも抗原的にも急速に進化しており，2024 年 2 月現在も多くの亜系統の流行が報告されている［3］。
この世界的なパンデミック対応において，動物モデルは重要な役割を果たした。パンデミックの発生
後，2020 年初頭には WHO の R&D Blueprint によって，
COVID-19 Animal Models の WHO ワーキンググルー
プが急遽招集された（novel Coronavirus, COVID-19
Animal Models WHO Working Group, WHO R&D
Blueprint.）［4, 5］。世界各国から 100 名以上の動物モデル研究の専門家らが参加し，機密性の高い，迅速で惜しみない積極的な情報交換がおよそ 2 年間，毎週あるいは隔週のオンライン会議によって続けられた。この国際的な連携活動は，SARS-CoV-2 とその変異株に対する新規ワクチンや治療薬開発の加速化に貢献した［6］。

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著者らは，2003 年に発生した従来の重症急性呼吸器症候群コロナウイルス（SARS-CoV）や中東呼吸器症候群コロナウイルス（MERS-CoV）の動物モデ
ル研究に携わっていたこともあり，パンデミック当
初から，感染性ウイルスを扱う必要のある中和試験法の確立と in vivo 実験系の立ち上げを行った。また，
前述の COVID-19 Animal Models WHO Working Group
に参加し，他国の研究グループによる動物試験の情報を参考にしながら，新規ワクチン開発研究を円滑に進めるため国立感染症研究所（感染研）内の複数の部署と共にマウス，シリアンハムスター，サル，
ネコ，フェレットを用いて順次，感受性試験を行った［7］。一方で，SARS-CoV-2 のいわゆる D614G 株の国内分離株を使うことでマウス継代株の作出に成功し，新規ワクチンの安全性評価系を構築した［8］。
これらの研究の多くは，以前の SARS-CoV に関する基盤的研究に基づくものであり，この一連の出来事
によって，新興・再興感染症対策における動物モデ
ルの基盤的研究の重要性が再認識された。本稿では，
まず，私たちが行ってきた動物モデル研究の考え方について概説し，その後，SARS と MERS に関する
動物モデル研究，そして，SARS-CoV-2 感染症に対するワクチン開発における動物モデル研究の取り組みを紹介する。最後に COVID-19 対策における動物モデル研究の今後の課題についてまとめる。
2. コロナウイルス感染症のための動物モデル研究
感染症の動物モデル研究の主たる目的は，病原体の病原性及び病態の解明，新規診断法，ワクチン，
治療薬の開発のための評価系の確立である。私たちは，新興感染症の動物モデル研究を次の４つのステップで行ってきた。①感染症の病態・病理を理解するためにヒト感染症例の病理像を明らかにする。②モ

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像 の 本 態 は び ま ん 性 肺 胞 障 害（Diffuse alveolar
デルに必要な実験動物を選択するために動物種ごと
damage：DAD）であること，また，比較的病変が進の原因病原体に対する感受性を検討する。③適切な
行していない肺胞野の肺胞上皮にウイルス感染細胞
動物を選んだ後，感染実験系を確立する。また，動が検出されることが示された［14］。一方で，WHO物モデルの特性を理解し，評価系のためのプロトコー
や研究者同士のグローバルネットワークに基づき，ルを確立する。④確立した評価系を用いて新規ワク
香港［15, 16］やドイツ［17］の研究者から SARSチンや治療法の評価を行う。
CoV を分与頂いた後，2003 年夏には感染研にてカニ感染症の特徴によって in vivo 試験において求めら
クイザル，マウス，およびラットを用いて感受性試
れる評価は異なり，また，動物モデルによって評価
験を実施した。その結果，いずれの動物の肺におい法には限界がある。表 1 に COVID-19 に対するワクてもウイルスは感染，増殖したが，SARS 患者で報チン開発のための動物モデルにおける必要条件と対告されていたような明らかな SARS 発症は認められ象動物をまとめた。
なかった。図 1 に示すように，カニクイザルの肺で一方で，SARS-CoV-2 などのコロナウイルス感染
は一部，水腫を伴う急性肺炎像が認められたが，高実験に用いる動物種の選択には注意を要する。これ
い力価のウイルスを気管内投与した結果得られた組にはコロナウイルス感染を決定する宿主因子につい織像であり，病変は非常に限局したものであったて理解する必要がある［9］。コロナウイルスの感染は大きくわけて 3 つのステップからなる。まず，ウ ［18］。そこで，若齢のラットとマウスを用いてウイ
ルスの継代を行い，馴化を試みた。ウイルス液を動イルス表面のスパイクタンパク（S タンパク）と宿物に経鼻接種し，3 日目の肺洗浄液を回収，これを主 細 胞 膜 上 の ウ イ ル ス レ セ プ タ ー（SARS-CoV と次の動物に経鼻接種することを 10 回繰り返した結SARS-CoV-2 の場合はアンジオテンシン変換酵素 2：
果，感染力は上昇し一過性の体重減少が観察される
ACE2）との結合が生じ，次に複数の宿主プロテアー
よ う に な っ た。 疫 学 的 に ｢60 歳 以 上 の 高 齢 ｣ は
ゼによる S タンパクの開裂がおきると，この領域が
SARS 発症及び重症化のリスク因子とされていたこ
構造変化して膜融合がおき，その後，ゲノム RNA がとから，半年齢以上のラットやマウスを用いて評価
細胞内へ侵入して感染が成立する。よって，ウイル
スレセプターの役割をもつ宿主側の分子の形と局在， したところ，明らかな発症及び致死性が認められたさらに宿主プロテアーゼの局在が宿主特異性と臓器 ［19, 20］。
興 味 深 い こ と に， マ ウ ス 継 代 株 は Th2 背 景 の指向性を決定していると理解されており［10–12］，
BALB/c マウス（半年齢）に対して感染局所である肺コロナウイルス感染症の動物モデル開発の上で考慮
において，サイトカインストームを誘導し，致死的すべき点となる。
である一方で Th1 背景の C57BL/6 マウスでは SARSの発症はみられなかった。さらに，ウイルス接種 3
3. SARS の動物モデル開発研究
時間後の半年齢 BALB/c マウスに Th1 サイトカイン
2002–2003 年の冬季に発生した最初の SARS のアである IFN-γ を腹腔内投与すると，致死を免れた［20］。
ウトブレイク［13］に関連して，感染研は，WHO ネッ
このことから，感染後の個体における Th1/Th2 反応
トワークによってフィリピンから患者の肺組織を入のバランスは SARS 発症の有無に重要な要因である
手した。その病理検索によって，SARS 患者の病理表1

新型コロナウイルス感染症（COVID-19）ワクチン開発のための動物モデルにおける必要条件と候補となった実験動物

評価項目

動物モデルにおける必要条件

候補動物種

免疫原性
ワクチン抗原に対する抗体誘導があること。
VACCINE IMMUNOGENICITY 感染実験は不要。

マウス，ラット，マカク属サル

ワクチン安全性
VACCINE SAFETY

各プラットホームに必要な安全性試験が可能であること。感染実験は不要。

マウス，ラット

ワクチン効果VACCINE EFFICACY

ワクチン免疫後のウイルス増殖の低下，ハムスター，フェレット，ネコ，
発症阻止，重症化阻止あるいは致死阻止のいず マカク属サル，ウイルスレセプ
れかの評価ができること。
ター遺伝子導入マウスなど

ワクチン関連病変増悪
ワクチン免疫後の動物に対して感染させた際に
VACCINE ASSOCIATED
肺炎を引き起こすことが出来ること。
ENHANCED DISEASE（VAED）

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マウス，フェレット，マカク属
サル，ネコ

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図１ SARS-CoV 感染カニクイザルの急性肺炎像
カニクイザル（雄、3 年齢、個体番号 #4589）に 108 TCID50 の HKU39849 株を気管内カテーテルを用いて気管内接種（i.t.）した後、7 日目の肺組織像を示す［18］。（A）主に下葉に局所的な水腫と炎症性病変が観察された。
（B）A の枠線表示部位拡大。病変部の肺胞腔内は、マクロファージと好中球が主体の炎症性細胞と血漿成分（*）
で満たされていた。肺胞壁は II 型肺胞上皮（矢印）の再生像や炎症性細胞が認められた。（C）SARS-CoV 不活化粒子高度免疫ウサギ血清を用いた免疫組織化学法。ウイルス抗原陽性細胞は形態的に肺胞マクロファージと II 型肺胞上皮であった。

動物のいくつかのコロナウイルス感染症において，既感染個体が再感染すると疾患と免疫病理
immunopathology が増強されることから，SARSCoV ワクチン開発当時に同様の懸念があった。また，
水酸化アルミニウムアジュバントを添加した SARS
ワクチンを投与し，その後 SARS-CoV 感染に供された動物が，RS ウイルス感染マウスモデルで観察された eosinophilic immunopathology と同様の所見を示したという報告により，この懸念はさらに強まっていた［28–30］。そこで，私たちも SARS-CoV マウス
継代株を用いて VAED についての検証を行い，またその改善方法について検討した。その結果，水酸化ア ル ミ ニ ウ ム 添 加 不 活 化 SARS-CoV を 免 疫 し た
BALB/c マウスの一部の個体がマウス継代株感染後に激しい好酸球浸潤を伴って致死した。免疫学的・病理学的検索の結果，感染・発症防御には不完全な中和抗体が誘導されたときに個体の免疫が Th2 に傾いていると，感染後に Th2 側の過剰な免疫応答が誘導され，肺炎が増悪することが示唆された。これに対し，
Toll-like receptor アゴニストをアジュバントとして利用し，Th1 側の免疫を誘導することで Th1/Th2 応答は調整され，感染防御に十分な免疫を誘導し，VAEDを回避できることが示された［26, 37］。

ことが示唆された。また，SARS の immunopathology
を理解する上で有用なモデルと考えられた。このよ
うにして確立した SARS 発症モデルを用いて，共同研究者らと SARS-CoV の病原性研究やワクチン・抗ウイルス薬開発を進めた［21–27］。さらに，SARSCoV ワクチン開発にあたって懸念されていたワクチ
ン 関 連 疾 患 増 悪 Vaccine Associated Enhanced
Disease：VAED （後述）あるいは Vaccine-associatedenhanced respiratory disease：VAERD ［28–30］ に ついて，この動物モデルで研究することとした。
4. ワクチン関連疾患増悪（VAED）
RS ウイルス（respiratory syncytial virus）や麻疹ウ
イルスのワクチン開発において，ワクチンによる免疫 賦 与 後 の 感 染 で， よ り 重 症 化 し や す い と い う
VAED 現象が経験されていた［31］。1960 年代の RS
ウイルスワクチンの臨床試験において，ワクチン接
種後の小児が RS ウイルスに罹患後に重症化し，そのうち 2 名が死亡した［32］。死亡した小児の肺炎組
織像は好酸球浸潤が顕著であったこと［33, 34］，RS
ウイルス感染マウスモデルで同様の所見が得られた
こ と［35, 36］ か ら 好 酸 球 浸 潤 を 主 体 と す る
eosinophilic immunopathology が現在でも VAED の指標の一つとなっている。

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5. MERS 動物モデル開発研究2012 年 に サ ウ ジ ア ラ ビ ア で 初 め て 確 認 さ れ た
MERS は，MERS-CoV による呼吸器疾患である［38］。
2023 年 12 月までに WHO に報告された確定症例は2609 件であり，そのうち 939 名が死亡例であった（致死率およそ 36％）
［39, 40］。このウイルスは人獣共通感染症であり，ラクダ−ヒト間で感染・伝播している。
COVID-19 の発生以来，症例数は減少したものの，現在も中東では持続的な発生が報告されている。
ウイルスのレセプターはジペプチジルペプチダー
ゼ 4（Dipeptidyl Peptidase 4：DPP4）であることがすぐに示された［41］が，MERS-CoV はマウス，ラット，
ハムスター，フェレットの DPP4 に全く結合しない
ため，SARS-CoV と同様の動物モデルや馴化株の作出は不可能と推察された［42, 43］。これら小動物に対して感染実験が試みられたが，いずれも中和抗体の上昇は観察されなかった［43–46］。そこで，SARS
対策の際に共同研究を行っていた岡村匡史先生（国立国際医療研究センター）にご協力頂き，ヒト DPP4
遺伝子自体のプロモーターよってヒト DPP4 を発現するマウス（hDPP4-Tg マウス）を作出することで，感染モデル開発に成功した［47］。この感染モデルは致死的ではないが，MERS-CoV 感染による急性肺炎
発症モデルであり，治療薬 ･ ワクチン開発に適用可能である［48, 49］。当初，C57BL/6 背景の hDPP4-Tg
であったが，前述の SARS-CoV 感染モデルの経験上，免疫背景が Th2 であることが病態の転帰に影響するのでは，という発想から，さらにはマウスであれば動物用バイオセーフティレベル 3（ABSL3）実験施
設での取扱いが容易であることから，BALB/c への戻し交配をお願いし，現在では 2 系統の hDPP4-Tg を得ている。しかしながら，現状ではいずれの系統においても MERS-CoV 感染による致死モデルを私たちは得ていない。
海外からは CAG プロモーターを利用した hDPP4
Tg マウス［50］や，hDPP4 ノックインマウスと遺伝子組換えによるマウス馴化株を利用した致死モデルが報告されている［51, 52］。これらのモデルでは肺の他，脳あるいは血中など多臓器でウイルス増殖が観察される。この他，
MERS-CoV 感受性動物としては，急性〜重症感染モデルのマーモセット［53, 54］あるいは急性感染アカゲザルやウサギ［55, 56］の報告があるが，私たちは現在のところ，hDPP4 Tg マウスを用いた急性感染モデルにて研究を進めている。解析ツールが充実していること，また，ハンドリングの良さがマウスモデルの選択の理由である。
6. COVID-19 対策研究
SARS-CoV-2 の発見後，そのゲノム遺伝子情報から SARS-CoV と同様のウイルスレセプター，ACE2を利用してヒトに感染することがすぐに明らかにされた［2, 12］。同時にマウスの ACE2 との結合親和性

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は非常に低いこともそのアミノ酸配列から予測され，感受性に非常に乏しいとされた［2］。私たちは前述の よ う に，COVID-19 Animal Models WHO Working
Group に参加し，他国の研究グループによる動物試
験の情報を参考にしながら，非ヒト霊長類，ヒト
ACE2 遺伝子導入マウス，あるいはネコ，フェレット等を用いた感染動物モデルの開発に順次，取り組んだ（日本医療研究開発機構（AMED）2019 年度研究課題「新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のワクチン開発に関する研究」研究開発代表者長谷川秀樹）。海外では SARS-CoV 対策時に開発されたヒト ACE2 発現マウスが早々に活用され始めた一方で，
当初，国内では入手困難であったこと（順番待ち），
また，近交系マウスモデルの利便性を鑑み，そのモデル開発を試みた。
幸 い な こ と に， マ ウ ス に 感 染 性 が あ る SARSCoV-2 の欧州系統由来株（いわゆる D614G 変異ウイ
ルス：B.1 系統）が一株，見つかったことから，前述の SARS-CoV と同様の手順でマウス継代株を得ることが出来た［8］。In vivo 継代中，ウイルスの ORF1a
領域に 2 カ所，S 領域に 1 カ所（Q498H），N に 1 カ所アミノ酸置換を伴う変異が生じた。また，タンパ
クを使った結合能試験から，この S 領域の変異によってマウス ACE2 との結合能が上昇していることが確認された。このマウス継代株はマウスに体重減少と急性肺炎を引き起こすが，SARS-CoV のマウス継代
株と同様，使用するマウスの週齢 ･ 性と系統によって病態が異なるという特徴がある（図 2）。
最初の評価では，4 週齢と半年齢の BALB/c マウスを用いたが，継代株を接種したマウスはいずれの群でも 2 日目以降に体重減少がみられ，4 週齢では 4日目以降に全ての個体が回復した一方，半年齢マウ
スでは全ての個体が 3 日目，4 日目には呼吸困難のため瀕死あるいは致死となった。致死となった個体
では，強い肺水腫を伴うびまん性肺胞傷害を示し，急性期の死亡例の特徴とされる硝子膜形成も確認できた。ウイルス抗原は細気管支上皮と肺胞に頻見され，電子顕微鏡下で感染初期はクラブ細胞が主たる
感染 ･ 増殖の場であることが明らかとなった。
マウス継代株の 50％致死ウイルス量を決定後，およそ 50LD50 量に相当するウイルス量で週齢差について検討し，11 週齢以下では一過性の体重減少を認めるものの回復した一方で，17 週齢以降では致死となることが明らかとなった。感染後の肺中のサイトカ
イン・ケモカイン発現量を比較すると 17 週齢以上の個体では瀕死期に肺局所の IL-6 や IL-1beta の炎症性サイトカインの高値が観察され，一方で RANTES や
IFN-γ など Th1 サイトカインが低値であった。この
致 死 モ デ ル に 対 し， ウ イ ル ス 接 種 後，3 時 間 目 にIFN-γ を腹腔内投与すると致死を免れた。また，同様の条件で Th1 背景である C57BL/6 に感染実験を行ったが，一過性の体重減少と回復の遅れが認められる

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図 2 SARS-CoV-2 マウス継代株を利用した急性感染モデルと致死モデルの評価系
急性感染モデル（上）では，11 週齢以下の BALB/ ｃマウスを使用する。治療薬開発におけるウイルス増殖抑制効果等の薬効試験に有用である。また，急性肺炎後の後遺症についての研究への活用が期待される。致死モデル（下）は 17 週齢以降の BALB/c マウス（雌）を使用する。ワクチン開発や治療薬の重症化阻止の検討や
VAED の評価に用いられる。また，サイトカインストームが誘導されるため，SARS-CoV-2 感染による重症急性肺炎の病態研究に有用である。

CoV-2 自然感染モデルとして利用できる。ただし，感染後の表現型としては比較的軽度なものが多く，実際の研究への応用は現状，限られている。

も の の， 致 死 を 免 れ た。 こ の よ う に， 私 た ち の
SARS-CoV-2 マウス継代株の感染モデルではウイル
ス性肺炎とその後の immunopathology の破綻による致死モデルを再現することができる。
COVID-19 ワ ク チ ン 開 発 に お い て も SARS やMERS に対するワクチン開発時と同様に，VAED が懸念された［57］。そこで，SARS-CoV-2 の組換えス
パイク蛋白で免疫した BALB/c マウスに対して，マ
ウス継代株を接種したところ，免疫応答は Th2 側に傾き，肺局所に eosinophilic immunopathology が観察された。さらに，Th1 誘導アジュバントをワクチンに添加することでその現象を改善することが出来た［8］。現在，この動物モデルは新規ワクチン・治療法の開発のための薬効試験やワクチン関連疾患増悪現象の評価に利用されている。国内開発の組換えタンパクワクチンにおいては，臨床治験に進む為の有効性を証明する前臨床試験に利用された。
その後，アルファ，ベータ，ガンマ，オミクロンを含むいくつかの SARS-CoV-2 の変異株で N501Y 置換が同定された。この N501Y 置換は野生型マウスのACE2 に対する結合能を有し，マウスに対する感染性を発揮した。よって，これらの株は，マウスやウ
イ ル ス を 事 前 に 遺 伝 子 改 変 す る こ と な く，SARS-

7. COVID-19 研究における動物モデル研究の今後の課題
最後に COVID-19 研究における動物モデルの役割と今後の課題についてまとめる。COVID-19 パンデ
ミック当初，治療法と予防法開発に必要な動物モデ
ルの選択のため，各種動物モデルの感受性とその病態の検証が必要であった。その後，パンデミックが長 期 化 し， さ ら に 変 異 株 が 出 現 し て 以 降，reverse
zoonosis の可能性，伝播力の検証，疾患増悪，合併症，後遺症のメカニズムの解明，治療法，ワクチンの改良のために取り組むべき課題は多い。変異株についてはその病原性，免疫原性，ワクチン効果の検証あるいは宿主域の変化の継続的な監視が必要となっている。レセプター結合領域の複数の変異によって，ヒトをはじめとした各種動物に対する感染性や病原性に変化が生じている。変異株の病原性比較に関しては，各種動物モデルの妥当性を考えつつ，複数の動物モデルを組み合わせながら進めていく必要がある。

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8. おわりに
COVID-19 の基本的な理解は，その病態も含め不十分な点がまだ多い。一方で変異株の出現と感染拡
大 と そ の 長 期 化， さ ら に ワ ク チ ン 免 疫 に よ っ て
SARS-CoV-2 に 対 す る ヒ ト の 免 疫 は 多 様 化 し
COVID-19 対 策 の 必 要 性 は 複 雑 化 し て い る。
COVID-19 のパンデミック当初に設置された動物モデル研究の専門家らの国際的なネットワーク
COVID-19 Animal Models WHO Working Group は，2023 年始めには COVID-19 に対する限定的・機密的な対応を解除し，WHO R&D Blueprint がリストしている優先されるべき疾患（COVID-19，クリミアコン
ゴ出血熱，エボラウイルスおよびマールブルグ病，
ラッサ熱，MERS および SARS，ニパ及びヘニパウ
イルス病，リフトバレー熱，ジカ， Disease X ）［58］
へと対象を拡大させ，オープンかつ継続的な情報共有を行っている。すなわち，今回構築された国際的なネットワークは次の有事には迅速な対応に結びつくと期待されている。本稿では，重症肺炎の原因となるコロナウイルス感染症に対する治療法・予防法
開発のための各種動物モデルに関するこれまでの
我々の取り組みについて紹介した。今後の新型コロ
ナウイルス感染症研究や来たるべき新興感染症の対策研究を考える際の一助となれば幸いである。
9. 謝辞
2003 年の SARS 対応から始まった 3 つの重症肺炎
関連のコロナウイルス研究は，感染研内外の多くの共同研究者のご指導・ご協力をいただきました。また，所内の関連委員会・管理部門のご支援をいただきました。特に，当初からご指導いただいた，感染研の佐多徹太郎先生，森川 茂先生，西條政幸先生，網 康
至先生，田口文広先生，田代眞人先生，また，MERS
動物モデル開発研究のための Tg マウス作製にご尽力いただいた国立国際医療研究センターの岡村匡史先生，そして鈴木忠樹先生をはじめ感染研感染病理部員，研究生，実習生と技術員の皆様に深謝いたします。
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