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心臓生理機能部

(A) 心不全の病態と治療法の基礎研究

1) 心不全病態の機構解析及び再生療法の研究

心不全における心筋収縮・拡張機能障害の発症から進展に亘る根本病態を分子から個体への統合的視点で研究し、その成果を基に、心不全に対する新たな治療法・予防法の開発基盤研究を進めています。本研究の第一の特色は、SPring-8放射光X線回折法による局所心筋の収縮タンパク質分子動態の解析と心室圧容積関係の計測を同時に行うことで、心機能をナノレベル及びマクロレベルの両面から評価し、さらに分子生物学的手法による病態因子解析を組み合わせて、心機能障害の分子機序の解明を目指すことです。第二の特徴は、世界をリードする放射光微小血管造影法並びに自律神経機能計測法(心臓生理機能部開発の神経活動計測法、マイクロダイアリシス法)を取り入れ、心不全病態を多角的かつ統合的に捉えることです。

心不全患者の50%以上が左室駆出率が保たれた心不全(HFpEF)に分類されるという直近の報告がありますが、未だ確立した治療法はありません。糖尿病に肥満、高血圧、高齢等を伴うとHFpEFの発症が促進されるとされています。初期のHFpEFでは、サイトカイン、プロテインキナーゼ、酸化ストレス、収縮タンパク質機能変化(リン酸化等による)等が心筋細胞、冠血管内皮・平滑筋細胞の機能障害を増幅しますので、これら因子の選択的阻害剤の有効性の検証が重要と考えています。これまで、Monash大学と共同でX線回折法並びに放射光微小血管造影法の初期糖尿病ラットへの応用により、プロテインキナーゼCβ及びRhoキナーゼの阻害剤がHFpEF発症初期の収縮タンパク質及び冠循環機能異常に対する有望な治療薬となり得ることを明らかにしました。(以下の項目2を参考)

当部では、左室駆出率が保たれてない心不全(HFrEF)に対する再生療法の評価も行ってきました。評価は、当部のラボ用X線装置による心臓標本の血管造影やSPring-8放射光微小血管造影法及びX線回折法の麻酔下小動物への応用により行いました。ラット虚血心臓モデルへの放射光応用で、心臓に移植したiPS由来心筋細胞の心筋収縮タンパク質分子が宿主心筋と同期して運動することを初めて証明しました(阪大と共同)(図1)。また、筋芽細胞移植(阪大と共同)やアドレノメデュリン皮下注射等の顕著な冠微小血管再生効果も明らかにしました。現在、京都大学大学院、京都大学iPS由来心筋細胞研究所(CiRA)と共同で、ハムスター心筋症モデルに対するヒトiPS由来心筋細胞の移植効果に関する研究を推し進めています。

図1A-F
図1G-H

図1  ラット慢性心筋梗塞モデルの梗塞巣に移植したiPS細胞由来心筋シート(A、赤サークル)と移植していない心臓の梗塞巣(D、青サークル)に放射光ビームを選択的に照射し、X線回折法で心筋収縮タンパク質の分子動態を評価した。評価は移植2週後に、麻酔下で行った。移植したiPS細胞由来心筋シートから得られたX線回折像(B、C)と移植を施さなかった梗塞巣から得られたX線回折像(E、F)を示す。iPS細胞由来心筋シートでのみ収縮期末に(1,1)反射を認め(Cの矢印)、アクチンに結合するミオシン頭部が増大していることが分かる。また、宿主心臓の左心室圧(LVP)から見た心収縮・拡張と移植細胞のアクチン・ミオシンの結合・解離が同期していることも分かった(G、E)。この結果は、移植したiPS細胞由来心筋細胞が心臓の一部となって張力を発生していることを示しており、心疾患に対する次世代型治療を開発する上で重要なエビデンスとなった(Higuchi, T. et al., Cell Transplantation 2015から引用)。


当部は、マイクロダイアリシス法の様々なモデル動物への応用により、心筋細胞障害機構の解明を進めています。将来は、HFpEFモデル動物へ応用し、心筋カテコラミンのHFpEF発症・進展での役割を調べます。国際共同研究として、オタゴ大学で遺伝子発現に重要なmicroRNAを心筋で解析し、HFpEFの初期分子マーカーを共同検索する予定です。また、オーストラリア放射光及びモナシュ・バイオイメージング施設で、心機能調節における冠循環、腎臓、自律神経等の役割を評価し、橋渡し研究を進めていきます。

関連成果等

  1. Furtado, M.B., J.C. Wilmans, A. Chandran, M. Tonta, C. Biben, M. Eichenlaub, H.A. Coleman, S. Berger, R. Bouveret, R. Singh, R.P. Harvey, M. Ramialison, J.T. Pearson, H. Parkington, N.A. Rosenthal, M.W. Costa. A novel mouse model for the study of Nkx2-5 reveals transcriptional control of cardiac ion channels. Differentiation 91:29-41, 2016.
  2. Katare R., S. Rawal, P.E. Munasinghe, H. Tsuchimochi, T. Inagaki, Y. Fujii, P. Dixit, K. Umetani, K. Kangawa, M. Shirai, and D.O. Schwenke. Ghrelin promotes functional angiogenesis in a mouse model of critical limb ischemia through activation of proangiogenic microRNAs. Endocrinology 157(2):432-445, 2016.
  3. Kainuma, S., S. Miyagawa, S. Fukushima, J. Pearson, Y-C. Chen, A. Harada, H. Watabe, G. Horitsugi, M. Ishibashi, H. Ikeda, H. Tsuchimochi, T. Sonobe, Y. Fujii, H. Naito, K. Umetani, T. Shimizu, T. Okano, E. Kobayashi, T. Daimon, A. Saito, T. Ueno, T. Kuratani, K. Toda, N. Takakura, J. Hatazawa, M. Shirai, Y. Sawa. Cell-sheet therapy with omentopexy promotes arteriogenesis and improves coronary circulation physiology in failing heart. Molecular Therapy 23(2):374-86, 2015.
  4. Higuchi T., S. Miyagawa, J.T. Pearson, S. Fukushima, A. Saito, H. Tsuchimochi, T. Sonobe, Y. Fujii, N. Yagi, A. Alberto, M. Shirai, Y. Sawa. Functional and electrical integration of induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes in an acute myocardial infarction rat model. Cell Transplantation.24:2479-2489, 2015.
  5. Shirai M., N. Joe, H. Tsuchimochi, T. Sonobe, D.O. Schwenke. Ghrelin Supresses Sympathetic Hyperexcitation in Acute Heart Failure in Male Rats: Assessing Centrally and Peripherally Mediated Pathways. Endocrinology. 156:3309-3316, 2015.
  6. Jiao Q., Q. Ke, W. Li, M. Jin, Y. Luo, L. Zhang, D. Yang and X. Zhang. Effect of inflammatory factor-induced cyclo-oxygenase expression on the development of reperfusion-related no-reflow phenomenon in acute myocardial infarction. Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology 42, 162-170, 2015.
  7. Larsimont J.C., K.K.Youssef, A. Sanchez-Danes, V. Sukumaran, M. Defrance, B. Delatte, M. Liagre, P. Baatsen, J.C. Marine, S. Lippens, C. Guerin, V. Del Marmol, J.M. Vanderwinden, F. Fuks and C. Blanpain. Sox9 Controls Self-Renewal of Oncogene Targeted Cells and Links Tumor Initiation and Invasion. Cell Stem Cell. 17(1): 60-73, 2015.
  8. Furtado M.B., M.W. Costa, E.M. Adi Pranoto, E. Salimova, A.R. Pinto, N.T. Lam, A. Park, P. Snider, A. Chandran, R.P. Harvey, R. Boyd, S.J. Conway, J.T. Pearson, D.M. Kaye, N. Rosenthal. Cardiogenic genes expressed in cardiac fibroblasts contribute to heart development and repair. Circ Res 114:1422-1434, 2014.
  9. Sonobe T., T. Akiyama, C.K. Du, D.Y. Zhan, M. Shirai. Contribution of calpain to myoglobin efflux from cardiomyocyte during ischemia and after reperfusion in anesthetized rat. Acta Physiol 210, 823-831, 2014.
  10. Du C.K., D.Y. Zhan, S. Morimoto, T. Akiyama, D.O. Schwenke, H. Hosoda, K. Kangawa, M. Shirai. Survival benefit of ghrelin in the heart failure due to dilated cardiomyopathy. Pharmacol Res Perspect 5, e00064, 2014.
  11. Sakurai S., Y. Kuroko, S. Shimizu, T. Kawada, T. Akiyama, T. Yamazaki, M. Sugimachi, S. Sano. Effects of intravenous cariporide on release of norepinephrine and myoglobin releases during myocardial ischemia/reperfusion in rabbits. Life Sci 114, 102-106, 2014.
  12. Shirai, M., D.O. Schwenke, H. Tsuchimochi, N. Yagi, K. Umetani, and J.T. Pearson. Synchrotron radiation imaging for advancing our understanding of cardiovascular function. Circ Res 112:209-221, 2013.
  13. Shirai, M., M. Beard, J.T. Pearson, T. Sonobe, H. Tsuchimochi, Y. Fujii, E. Gray, K. Umetani, D.O. Schwenke. Impaired pulmonary blood flow distribution in congestive heart failure - assessed using synchrotron radiation microangiography. J Synchrotron Rad 20:441-448, 2013.

2) 放射光画像による心筋収縮タンパク質動態及び微小血管ネットワーク機能の解析研究

心臓に固有な収縮・拡張機構とその障害の根本的原因の解明には統合的心機能研究が必須と考え、SPring-8放射光X線回折法による心筋収縮タンパク質分子動態のナノレベル画像解析法と心室圧-容積関係計測によるマクロレベル心臓機能解析法を麻酔下ラット拍動心臓に同時に応用する画期的な実験システムを、Monash大学と共同で世界に先駆け構築しました。これによって心機能は、分子と器官の両面から、収縮・拡張の全心周期に渡り実時間で解析可能となりました。さらに、心筋梗塞や心肥大・心不全モデル動物への応用研究により、心臓局所ごとの収縮タンパク質機能障害の度合いがピンポイントで評価できるようになりました。

独自のX線テレビシステムを麻酔下動物に応用した血管ネットワーク造影術を用いて、脳、腎、骨格筋などの臓器実質内の血管樹における血管運動・血流分配の可視化を行い、臓器循環調節の生理及び病態生理的機構を解析しています。最近は、SPring-8放射光を用いた高分解能微小血管造影法によって、麻酔下非開胸ラット、マウスの冠循環および肺循環の微小血管が、高い心拍数(約500bpm)でも観察可能となり、心筋梗塞後の新生血管、糖尿病性の硬化冠細動脈や肺高血圧症での肥厚細動脈などでの内皮・平滑筋機能の評価を行っています。この技術を遺伝子改変マウスへ応用し、循環器疾患の生体分子機構の解明並びに治療法の開発を進めています。

図2

図2 放射光高速微小血管造影法の麻酔下ラットへの応用で得られた肺動脈造影像(AとB)。Aは正常換気時、Bは急性低酸素換気時の血管造影で、いずれも非開胸下で得られたもの。太い伝導動脈部から100 μm径以下の細動脈部まで、肺動脈ネットワークがクリアーに可視化されています。また、低酸素時(B)には、正常換気時(A)と比べ、数百μm径の小動脈が著明に収縮(矢印)していること、さらに造影されている細動脈の枝数が減少していること分かります。Cは造影像AのN、造影像BのHの部分でのラインプロファイルで、低酸素で約25%の血管収縮が生じていることが分かります。このような微小血管の応答は、臨床X線装置や顕微鏡などの従来の血管可視化法では捉えることはできませんでした。放射光の高輝度、高指向性、X線エネルギー選択の容易性などの特性を利用することで可能となりました(Schwenke, D.O. et al., J Appl Physiol 2007から引用)。


図3

図3 麻酔下マウス(心拍数~500拍/分)での冠動脈造影例。冠動脈が、本管から細動脈(~50 μm)まで、ほぼ心臓全域に渡って一望できます。アセチルコリンは広範囲の枝を拡張させました。(Shirai, M. et al. Circ Res, 2013 から引用)


図4

図4 アドレノメデュリン(AM)の虚血心臓での血管新生促進効果を放射光高速冠微小血管造影法で評価しました。左冠動脈前下行枝を30分間閉塞後開放し、生理的食塩水(Vehicle対照)あるいはAMを3日間持続皮下注入したラットで、アセチールコリン(ACh)投与前後の冠微小血管造影を記録しました。ACh投与前(baseline)では、対照ラット(左上パネル)よりAM注入ラット(左下パネル)の方が100 μm径以下の冠細動脈の枝数が多く、冠動脈本管の径が太いことが分かります。内皮細胞依存性血管拡張物質であるAChに対して、対照ラット冠動脈はほとんど拡張しないか、むしろ収縮していますが(右上パネル)、ACh注入ラットでは著明な拡張応答(右下パネルの赤矢印)が認められます。以上より、AMはラット心臓虚血再灌流後の冠血管新生を促進するだけでなく、冠動脈の本管から細動脈までの内皮機能を改善することが分かりました(Shirai, M. et al. Circ Res, 2013 から引用)。

関連成果等

  1. Chen, Y.C., T. Inagaki, Y. Fujii, D.O. Schwenke, H. Tsuchimochi, A.J. Edgley, K. Umetani, Y. Zhang, D.J. Kelly, M. Yoshimoto, H. Nagai, R.G. Evans, I. Kuwahira, M. Shirai*, J.T. Pearson*. (2016). Chronic intermittent hypoxia accelerates coronary microcirculatory dysfunction in insulin resistant Goto-Kakizaki rats. Am J Physiol Reg Integr Comp Physiol. (accepted 31 May)
  2. Lang J.A.R, J.T. Pearson, C. Binder-Heschl, M.J. Wallace, M.L. Siew, M.J. Kitchen, A.B. te Pas, A. Fouras, R.A. Lewis, G.R. Polglase, M. Shirai, and S.B. Hooper. Increase in blood flow at birth; role of oxygen and lung aeration. J. Physiol. 594:1389-1398, 2016.
  3. Diong C., P.P. Jones, H. Tsuchimochi, E.A. Gray, G. Hughes, T. Inagaki, C.T. Bussey, Y. Fujii, K. Umetani, M. Shirai, and D.O. Schwenke. Sympathetic hyper-excitation in obesity and pulmonary hypertension: physiological relevance to the 'obesity paradox'. Int J Obes (Lond) 2016 Feb 23, doi:10.1038/ijo.2016.33
  4. Katare R., S. Rawal, P.E. Munasinghe, H. Tsuchimochi, T. Inagaki, Y. Fujii, P. Dixit, K. Umetani, K. Kangawa, M. Shirai, and D.O. Schwenke. Ghrelin promotes functional angiogenesis in a mouse model of critical limb ischemia through activation of proangiogenic microRNAs. Endocrinology 157(2):432-445, 2016.
  5. Waddingham M.T., A.J. Edgley, A. Astolfo, T. Inagaki, Y. Fujii, C-K. Du, D-Y. H. Tsuchimochi, N. Yagi, D.J. Kelly, M. Shirai and J.T. Pearson. Chronic Rho-kinase inhibition improves left ventricular contractile dysfunction in early type-1 diabetes by increasing cross-bridge myosin extension. Cardiovascular Diabetology 14:92, 2015.
  6. Nagai H., I. Kuwahira, D.O. Schwenke, H. Tsuchimochi, A. Nara, S. Ogura, T. Sonobe, Y. Fujii, R. Yamaguchi, L. Wingenfeld, K. Umetani, T. Shimosawa, J.T. Pearson, K. Yoshida, and M. Shirai. Activation of β3-AR/iNOS pathway in pulmonary M1 macrophage prevents development of intermittent hypoxia-induced pulmonary arterial hypertension. PLoS One 10(7):e0131923, 2015.
  7. Sonobe T., H. Tsuchimochi, D.O. Schwenke, and M. Shirai. Treadmill running improves hindlimb arteriolar endothelial function in type 1 diabetic mice as visualized by X-ray microangiography. Cardiovascular Diabetology 14(1):51, 2015.
  8. Shirai M, H. Nagai, E. Gray, J.T. Pearson, H. Tsuchimochi, T. Sonobe, S. Ogura, T. Inagaki, Y. Fujii, I. Kuwahira, Y. Yoshida, and D.O. Schwenke. Pulmonary vascular tone is dependent on the central modulation of sympathetic nerve activity following chronic intermittent hypoxia. Bas Res Cardiol, 109(5):432, 2014.
  9. Lang J., J.T. Pearson, A.B. te Pas, M. Wallace, M. Siew, M. Kitchen, A. Fouras, R. Lewis, K. Wheeler, G. Polglase, M. Shirai, T. Sonobe, and S.B. Hooper. Ventilation / perfusion mismatch during lung aeration at birth. J Appl Physiol 117(5):535-43, 2014.
  10. Nagai H., I. Kuwahira, D.O. Schwenke, H. Tsuchimochi, A. Nara, T. Inagaki, S. Ogura, Y. Fujii, K. Umetani, T. Shimosawa, K. Yoshida, J.T. Pearson, and K. Uemura, M. β2-adrenergic receptor dependent attenuation of hypoxic pulmonary vasoconstriction prevents a progression of pulmonary arterial hypertension in intermittent hypoxic rats. PLoS One 9(10):e110693, 2014.
  11. Shirai M., D.O. Schwenke, H. Tsuchimochi, K. Umetani, N. Yagi, J.T. Pearson. Synchrotron radiation imaging for advancing our understanding of cardiovascular function. Circ Res 112(1): 209-221, 2013.
  12. Joshi, M.S, P. Berger, D.M. Kaye, J.T. Pearson, J.A. Bauer, and R. Ritchie. Functional relevance of genetic variations of endothelial nitric oxide synthase (NOS3) and vascular endothelial growth factor (VEGF) in diabetic coronary microvessel dysfunction. Clin Exper Pharmacol Physiol 40:253-261, 2013.
  13. Jenkins M.J., J.T. Pearson, D.O. Schwenke, A.J. Edgley, T. Sonobe, Y. Fujii, H. Ishibashi-Ueda, D.J. Kelly, N. Yagi, and M. Shirai. Myosin heads are displaced from actin filaments in the in situ beating rat heart in early diabetes. Biophys J. 104(5): 1065-1072, 2013.
  14. Pearson J.T., M.J. Jenkins, A. Edgley, T. Sonobe, M. Joshi, M.T. Waddingham, Y. Fujii, D.O. Schwenke, H. Tsuchimochi, M. Yoshimoto, K. Umetani, D.J. Kelly, and M. Shirai. Acute Rho-kinase inhibition improves coronary dysfunction in vivo, in the early diabetic microcirculation. Cardiovasc Diabetol 12:111, 2013.
  15. Shirai M., M. Beard, J.T. Pearson, T. Sonobe, H. Tsuchimochi, Y. Fujii, E. Gray, K. Umetani, and D.O. Schwenke. Impaired pulmonary blood flow distribution in congestive heart failure assessed using synchrotron radiation microangiography. J Synchrotron Radiat 20(3): 441-448, 2013.
  16. Gray E.A., H. Tsuchimochi, J.T. Pearson, T. Sonobe, Y. Fujii, M. Yoshimoto, K. Umetani, M. Shirai, and D.O. Schwenke. Assessment of the serotonin pathway as a therapeutic target for pulmonary hypertension. J Synchrotron Radiat 20(5): 756-764, 2013.
  17. Jenkins M.J., A.J. Edgley, T. Sonobe, K. Umetani, D.O. Schwenke, Y. Fujii, R.D. Brown, D.J. Kelly, M. Shirai, and J.T. Pearson. Dynamic synchrotron imaging of diabetic rat coronary microcirculation in vivo. Arterioscler Thromb Vasc Biol 32(2): 370-377, 2012.
  18. Umetani K., J.T. Pearson, D.O. Schwenke, and M.Shirai. Development of synchrotron radiation X-ray intravital microscopy for in vivo imaging of rat heart vascular function. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2011: 7791-7794, 2011.
  19. Hoshino M., K. Uesugi, J. Pearson, T. Sonobe, M. Shirai and N. Yagi. Development of an X-ray real-time stereo imaging technique using synchrotron radiation. J. Synchrotron Rad. 18: 569-574, 2011.
  20. Schwenke D.O., J.T. Pearson, T. Sonobe, H. Ishibashi-Ueda, A. Shimouchi, K. Kangawa, K. Umetani and M. Shirai. Role of Rho kinase signaling and endothelial dysfunction in modulating blood flow distribution in pulmonary hypertension. J. Appl. Physiol. 110: 901-908, 2011.
  21. Sonobe T., D.O. Schwenke, J.T. Pearson, M. Yoshimoto, Y. Fujii, K. Umetani and M. Shirai. Imaging of the closed-chest mouse pulmonary circulation using synchrotron radiation microangiography. J. Appl. Physiol. 111: 75-80, 2011.

最終更新日 2016年07月01日

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