ホーム > 各部のご紹介 > 心臓生理機能部 > 循環器病の神経・液性機構の統合的解析に向けた神経放電計測法、マイクロダイアリシス法及びテレメトリー計測法の開発

心臓生理機能部

(C) 循環器病の神経・液性機構の統合的解析に向けた神経放電計測法、マイクロダイアリシス法及びテレメトリー計測法の開発

本研究では、主に小動物疾患モデルを用いたin vivo実験を通して、神経因子並びにペプチドを中心とした液性因子が、虚血性心疾患、高血圧、糖尿病などの生活習慣病において、どのように循環及び呼吸・代謝機能障害に関わるかを調べています。また、解明した病態を基に、治療法の開発を行っています。
研究は大きく以下の3つから構成されています。

1) 無麻酔・自由行動下および麻酔下小動物疾患モデルでの循環・呼吸・代謝の神経・液性調節に関する研究

覚醒・自由行動下ラットにおいて腎臓及び腰部交感神経活動及び血圧、血流などの血行動態指標を1ヶ月間慢性記録する技術を開発して、高血圧や心不全進行における神経性調節の役割を究明し、そこをターゲットとした治療法の開発を進めています。

また、最近、レーザー血流計と光ファイバー型血流プローブの慢性的埋め込み法をラット、マウスに応用した自由行動下の心筋組織血流計測を始めました。この手法は心筋の任意の部位における心筋局所血流を無麻酔・自由行動下で連続的に計測可能であり、心筋の血流調節機構の基礎研究のみならず、手術時の心筋血流量モニタリング、および虚血心筋の再生治療の評価にも適用可能であると考えられます。

図5

図5 レーザー血流計によるラット左心室心筋血流量の連続計測(麻酔下)
心筋血流量は計測部位(プローブと血管との位置関係)によって大きく異なりますが,基本的には安静時の心筋血流波形は収縮期の小さなピークと拡張期の大きなピークの2つの成分が認められ,冠動脈血流と同様に拡張期優位な血流パターンを示します。


図6

図6 トレッドミル運動時の左心室心筋血流応答の計測例
A: ラットのトレッドミル運動時(30 m/minで60秒間)の心拍数(最上段)および心筋血流量応答(中段および下段)。心筋血流量は運動開始直後から急激に上昇し、運動開始後30秒程度で安定しました。
B: マウスのトレッドミル運動時(30 m/minで60秒間)の心筋血流応答(上段)および高速掃引表示(下段) 。運動時にも二峰性の波形が観察され、動きによるノイズは極めて少ない。


覚醒下遺伝子改変マウスの血圧・心拍数、一回換気量・呼吸数、酸素摂取量・二酸化炭素排出量、体温などを、beat by beatから日内変動レベルまで記録・解析できるシステムを構築し、循環と呼吸・代謝の協調に関する分子機構を統合的に調べています。最近は、自発運動時でも計測できるようにシステム改良を進めています。

麻酔下動物において、肺循環を特異的に調節する肺交感神経の電気活動記録に初めて成功しました。この方法により、低酸素時の全身循環維持における心肺のβ受容体を介した神経性血管拡張機構の重要性を明らかにしました。また、麻酔下ラットの急性心筋梗塞おいて、グレリン皮下注射が心臓交感神経活動増大および致死性不整脈を顕著に抑制することを示しました。さらに、グレリン皮下注射は、慢性低酸素性肺高血圧ラットにおいて、肺組織エンドセリン-1の発現を抑制し、肺細動脈の内皮機能改善およびリモデリング抑制効果を有することを明らかにしました。

関連成果等

  1. Yamakoshi K., K. Yagishita, H. Tsuchimochi, T. Inagaki, M. Shirai, D.C. Poole, Y. Kano. Microvascular oxygen partial pressure during hyperbaric oxygen in diabetic rat skeletal muscle. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 309:R1512-1520, 2015.
  2. Kidoya H., H. Naito, F. Muramatsu, D. Yamakawa, W. Jia, M. Ikawa, T. Sonobe, H. Tsuchimochi, M. Shirai, R.H. Adams, A. Fukamizu, N. Takakura. APJ Regulates Parallel Alignment of Arteries and Veins in the Skin. Dev Cell.33:247-259, 2015.
  3. Zohdi, V., J.T. Pearson, M. Kett, P. Lombardo, M. Schneider-Kolsky, and M.J. Black. When early life growth restriction in rats is followed by attenuated postnatal growth: effects on cardiac function in adulthood. Eur J Nutr 54(5):743-750, 2015.
  4. Zohdi V., J. Lim, J.T. Pearson and M.J. Black. Developmental programming of cardiovascular disease following intrauterine growth restriction: findings using a rat model of maternal protein restriction. Nutrients 7:119-152, 2015.
  5. Ngo, J.P., S. Kar, M.M. Kett, B.S. Gardner, J.T. Pearson, D.W. Smith, J. Ludbrook, J.F. Bertram, and R.G. Evans. Vascular geometry and oxygen diffusion in the vicinity of artery-vein pairs in the kidney. Am J Physiol Renal Physiol 207: F1111-F1122, 2014.
  6. Yokoyama U., S. Minamisawa, A. Shioda, R. Ishiwata, M-H. Jin, M. Masuda, T. Asou, Y. Sugimoto, H. Aoki, T. Nakamura, Y. Ishikawa. Prostaglandin E2 Inhibits Elastogenesis in the Ductus Arteriosus via EP4 Signaling. Circulation 129:487-496, 2014.
  7. Okumura S., T. Fujita, W. Cai, M. Jin, I. Namekata, Y. Mototani, H. Jin, Y. Ohnuki, Y. Tsuneoka, R. Kurotani, K. Suita, Y. Kawakami, S. Hamaguchi, T. Abe, H. Kiyonari, T. Tsunematsu,Y. Bai, S. Suzuki, Y. Hidaka, M. Umemura, Y. Ichikawa, U. Yokoyama, M. Sato, F. Ishikawa, H. Izumi-Nakaseko, S. Adachi-Akahane, H. Tanaka and Y. Ishikawa. Epac1-dependent phospholamban phosphorylation mediates the cardiac response to stresses. Journal of Clinical Investigation 124(6):2785-2801, 2014.
  8. Skiold B., Q. Wu, S.B. Hooper, P.G. Davis, M. Tolcos, J. Pearson, R. Vreys, G. Egan, S.K. Barton, J.L-Y. Cheong, G.R. Polglase. Early detection of ventilation induced brain injury using magnetic resonance spectroscopy and diffusion tensor imaging: an in vivo study in preterm lambs. PLoS One 9(4):e95804, 2014.
  9. Nakaoka H., Y. Nakagawa-Toyama, M. Nishida, T. Okada, R. Kawase, T. Yamashita, M. Yuasa-Kawase, K. Nakatani, D. Masuda, T. Ohama, T. Sonobe, M. Shirai, I. Komuro and S. Yamashita. Establishment of a novel murine model of ischemic cardiomyopathy with multiple diffuse coronary lesions. PLoS One 8(8): e70755, 2013.
  10. Ogura S., T. Shimosawa, S. Mu, T. Sonobe, F. Kawakami-Mori, H. Wang, Y. Uetake, K.I. Yoshida, Y. Yatomi, M. Shirai and T. Fujita. Oxidative stress augments pulmonary hypertension in chronically hypoxic mice overexpressing oxidized LDL receptor. Am J Physiol Heart Circ Physiol 305(2): H155-H162, 2013.
  11. Maeda H., H. Nagai, G. Takemura, K. Shintani-Ishida, M. Komatsu, S. Ogura, T. Aki, M. Shirai, I. Kuwahira, K-I. Yoshida. Intermittent-hupoxia induced autophagy attenuates contractile dysfunction and myocardial injury in rat heart. Biochim Biophys Acta 1832(8): 1159-1166, 2013.
  12. Fujii Y., M. Shirai, S. Inamori, A. Shimouchi, T. Sonobe, H. Tsuchimochi, J.T. Pearson, Y. Takewa, E. Tatsumi and Y. Taenaka. Insufflation of hydrogen gas restrains the inflammatory response of cardiopulmonary bypass in a rat model. Artif Organs 37(2): 136-141, 2013.
  13. Inamori S., M. Shirai, N. Yahagi, J.T. Pearson, Y. Fujii, K. Umetani, Y. Kobayashi, Y. Okura, M. Yakehiro and M. Minamiyama. A comparative study of cerebral microcirculation during pulsatile and nonpulsatile selective cerebral perfusion: Assessment by synchrotron radiation microangiography. ASAIO J 59(4): 374-379, 2013.
  14. Fujii Y., M. Shirai, H. Tsuchimochi, J.T. Pearson, Y. Takewa, E. Tatsumi and Y. Taenaka. Hyperoxic condition promotes an inflammatory responses during cardiopulmonary bypass in a rat model. Artif Organs 37:1034-1040, 2013.
  15. Schwenke D.O., T. Tokudome, I. Kishimoto, T. Horio, P.A. Cragg, M. Shirai and K. Kangawa, One dose of ghrelin prevents the acute and sustained increase in cardiac sympathetic tone after myocardial infarction. Endocrinology 153(5): 2436-2443, 2012.
  16. Higuchi K., Y. Nakaoka, W. Shioyama, Y. Arita, T. Hashimoto, T. Yasui, K. Ikeoka, T. Kuroda, T. Minami, K. Nishida, Y. Fujio, K. Yamauchi-Takihara, M. Shirai, N. Mochizuki and Komuro I. Endothelial Gab1 deletion accelerates angiotensin II-dependent vascular inflammation and atherosclerosis in apolipoprotein E knockout mice. Circ J 76(8): 2031-2040, 2012.
  17. Shioyama W., Y. Nakaoka, K. Higuchi, T. Minami, Y. Taniyama, K. Nishida, H. Kidoya, T. Sonobe, H. Naito, Y. Arita, T. Hashimoto, T. Kuroda, Y. Fujio, M. Shirai, N. Takakura, R. Morishita, K. Yamaguchi-Takihara, T. Kodama, T. Hirano, N. Mochizuki and I. Komuro. Docking protein Gab1 is an essential component of postnatal angiogenesis after ischemia via HGF/c-Met signaling. Circ Res 108: 664-675, 2011.

2) マイクロダイアリシス法を用いた神経・液性循環調節機構および心筋障害の解析研究

世界に先駆けてマイクロダイアリシス法を心臓に応用し、自律神経の伝達物質であるノルエピネフリン・アセチルコリンを生体内で直接モニターしてきました。心臓マイクロダイアリシス法により測定された心筋間質のノルエピネフリン・アセチルコリン濃度は、心臓局所における交感・副交感神経終末からのノルエピネフリン・アセチルコリン分泌の指標であり、同法を用いて生理的条件下、および病態下における心臓循環器系の自律神経による調節機構の解明を推進しています。また、マイクロダイアリシス法を副腎髄質にも応用し、副腎間質アセチルコリン・カテコラミン濃度は、それぞれ、節前神経終末からのアセチルコリン分泌、副腎髄質からのカテコラミンン分泌の指標であり、副腎髄質からのカテコラミン分泌の調節機構、ならびに交感神経節伝達機構の解明を推進しています。さらに、組織間質の蛋白・ペプチドを効率よくサンプリングできる新しいプローブを開発し、虚血・再灌流時における心筋細胞傷害の指標として、虚血部心筋間質ミオグロビン濃度のモニタリングを確立し、虚血・再灌流時における心筋細胞傷害機構の解明を進めています。

関連成果等

  1. Abe C., Y. Nagai, S. Shimizu, T. Akiyama, T. Kawada, M. Sugimachi and H. Morita. Reduced carotid baroreceptor distensibility-induced baroreflex resetting contributes to impairment of sodium regulation in rats fed a high-fat diet. Am J Physiol Heart Circ Physiol 308, H942-950, 2015.
  2. Sata Y., T. Kawada, S. Shimizu, A. Kamiya, T. Akiyama and M. Sugimachi. Predominant role of neural arc in sympathetic baroreflex resetting of spontaneously hypertensive rats. Circ J 79, 592-599, 2015.
  3. Shimizu S., T. Kawada, T. Akiyama, M.J. Turner, T. Shishido, A. Kamiya, M. Shirai and M. Sugimachi. Guanfacine enhances cardiac acetylcholine release with little effect on norepinephrine release in anesthetized rabbits. Auton Neurosci 187, 84-87, 2015.
  4. Kawada T., T. Akiyama, S. Shimizu, Y. Sata, M.J. Turner, M. Shirai and M. Sugimachi. Acute effects of arterial baroreflex on sympathetic nerve activity and plasma norepinephrine concentration. Auton Neurosci 186, 62-68, 2014.
  5. Du C.K., D.Y. Zhan, T. Akiyama, T. Sonobe, T. Inagaki and M. Shirai. Myocardial interstitial serotonin and its major metabolite, 5-hydroxyindole acetic acid levels determined by microdialysis technique in rat heart. Life Sci 117, 33-39, 2014.
  6. Shimizu S., T. Akiyama, T. Kawada, A. Kamiya, M.J. Turner, H. Yamamoto, T. Shishido, M. Shirai and M. Sugimachi. Medetomidine suppresses cardiac and gastric sympathetic nerve activities but selectively activates cardiac vagus nerve. Circ J 78, 1405-1413, 2014.
  7. Komaki F., T. Akiyama, T. Yamazaki, H. Kitagawa, S. Nosaka and M. Shirai. Effects of intravenous magnesium infusion on in vivo release of acetylcholine and catecholamine in rat adrenal medulla. Auton Neurosci 177, 123-128, 2013.
  8. Kawada T., T. Akiyama, S. Shimizu, A. Kamiya, K. Uemura, M.J. Turner, M. Shirai and M. Sugimachi. Sympathetic afferent stimulation inhibits central vagal activation induced by intravenous medetomidine in rats. Acta Physiol 209, 55-61, 2013.
  9. Zhan D.Y., C.K. Du, T. Akiyama, T. Sonobe, H. Tsuchimochi, S. Shimizu, T. Kawada and M. Shirai. In vivo monitoring of acetylcholine release from cardiac vagal nerve endings in anesthetized mice. Auton Neurosci 176: 91-94, 2013.
  10. Sonobe T., T. Akiyama, C.K. Du, D.Y. Zhan and M. Shirai. Contribution of serotonin uptake and degradation to myocardial interstitial serotonin levels during ischemia-reperfusion in rabbits. Acta Physiol 207: 260-268, 2013.
  11. Kawada T., T. Akiyama, S. Shimizu, A. Kamiya, K. Uemura, Y. Sata, M. Shirai and M. Sugimachi. Central vagal activation by α2-adrenergic stimulation is impaired in spontaneously hypertensive rats. Acta Physiol 206: 72-70, 2012.
  12. Shimizu S., T. Akiyama, T. Kawada, Y. Sata, M. Mizuno, A. Kamiya, T. Shishido, T. Inagaki, M. Shirai, S. Sano and M. Sugimachi. Medetomidine, an α2-adrenergic agonist, activates cardiac vagal nerve through modulation of baroreflex control. Circulation Journal 76: 152-159, 2012.
  13. Shimizu S., T. Akiyama, T. Kawada, T. Sonobe, A. Kamiya, T. Shishido, T. Tokudome, H. Hosoda, M. Shirai, K. Kangawa and M. Sugimachi. Centrally administered ghrelin activates cardiac vagal nerve in anesthetized rabbits. Auton Neurosci 162: 60-65, 2011.

3) 骨格筋収縮と循環調節の関係:末梢動脈疾患おける運動時異常昇圧の機序に関する研究

近年、食生活の欧米化や生活様式の変化、および高齢化社会の進展に伴い、末梢動脈疾患(PAD)の患者数は年々増加傾向にあります。下肢のPAD患者さんに良く見られる症状として、少し歩いただけで下肢が痛くなり歩けなくなり、しばらく休むと再び歩けるようになる、という「間歇性跛行」という症状があり、この時、運動強度は低いのにも関わらず血圧が異常に上昇することが報告されています。その原因の探るため、我々はPADモデル動物を用いて静的筋収縮時の血圧応答を調べ,低灌流状態の筋では、筋内の一次求心性神経(感覚神経)、特にグループⅢおよびグループⅣと呼ばれる細い神経が異常興奮することで反射性に交感神経活動が上昇し,血圧の上昇をもたらしていることがわかりました。

図7

図7 末梢動脈障害(PAD)モデルラットにおける静的筋収縮時の過剰昇圧応答
実験動物を用いて脊髄前根を電気刺激することによって下肢筋に静的筋収縮(Static Contraction)を引き起こすと,発揮筋張力(Force)に応じて反射性に交感神経活動の増加および血圧(Arterial Pressure)の上昇が起こります(運動昇圧反射)。下肢の動脈血流を外科的に減少させたラット(PADモデル)では,この反射が亢進しています。すなわち,PADモデルラットでは筋収縮初期の交感神経活動(RSNA)および昇圧応答が大きい。また,対照群(Control)では筋収縮後半の血圧は安静時レベル近くまで戻りつつあるが,PADモデルラットでは筋収縮後半においても血圧が有意に上昇したままでした。


その異常興奮をもたらす要因として、グループⅢおよびグループⅣ神経に発現している酸感受性イオンチャネル(ASIC)やATPチャネルが筋収縮に伴って生じる代謝産物の増加やpHの低下により感作されている可能性を報告しました。

図8

図8 末梢動脈障害(PAD)モデルラットにおける静的筋収縮時の過剰昇圧応答
PADモデルラットで観察された静的筋収縮時の運動昇圧反射(左側のパネル)の亢進は,酸感受性イオンチャネル3(ASIC3)の選択的阻害剤であるAPETx2の下肢循環内選択的投与により抑えられたことから(右側のパネル)、ASIC3チャネルがこの反射亢進に関与していると考えられます


また、末梢の感覚神経に発現しているオピオイド受容体を選択的に刺激することで、中枢オピオイド系への影響を極力抑えつつ筋収縮時の異常昇圧を抑制可能である事がわかりました。今後、前述の遠心性自律神経活動計測に加え、種々の臓器由来の感覚神経活動を計測することで、求心性および遠心性神経の両面からPADにおける神経性循環調節異常の解明を目指します。

関連成果等

  1. Yamauchi K., H. Tsuchimochi, A.J. Stone, S.D. Stocker and M.P. Kaufman. Increased dietary salt intake enhances the exercise pressor reflex. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 306:H450-454, 2014.
  2. Tsuchimochi H., K. Yamauchi, J.L. McCord and M.P. Kaufman. Blockade of acid sensing ion channels attenuates the augmented exercise pressor reflex in rats with chronic femoral artery occlusion. The Journal of Physiology. 589: 6173-6189, 2011.
  3. Leal A.K., J.L. McCord, H. Tsuchimochi and M.P. Kaufman. Blockade of the TP receptor attenuates the exercise pressor reflex in decerebrated rats with chronic femoral artery occlusion. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 301 (5): H2140-2146, 2011.
  4. McCord J.L., H. Tsuchimochi, K. Yamauchi, A.K. Leal and M.P. Kaufman. Tempol attenuates the exercise pressor reflex independently of neutralizing reactive oxygen species in femoral arterial ligated rats. Journal of Applied Physiology. 111: 971-979, 2011.
  5. Tsuchimochi H., J.L. McCord, A.K. Leal and M.P. Kaufman. Dorsal root tetrodotoxin-resistant sodium channels do not contribute to the augmented exercise pressor reflex in rats with chronic femoral artery occlusion. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 300(2): H652-663, 2011.
  6. McCord J.L., H. Tsuchimochi and M.P. Kaufman. P2X2/3 and P2X3 receptors contribute to the metaboreceptor component of the exercise pressor reflex in decerebrated cats. Journal of Applied Physiology. 109(5): 1416-1423, 2010.
  7. Tsuchimochi H., J.L. McCord and M.P. Kaufman. Peripheral μ-opioid receptors attenuate the augmented exercise pressor reflex in rats with chronic femoral artery occlusion. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 299(2): H557-565, 2010.
  8. Tsuchimochi H., J.L. McCord and M.P. Kaufman. Chronic femoral artery occlusion augments exercise pressor reflex in decerebrated rats. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 299(1): H106-113, 2010.

最終更新日 2016年07月01日

ページ上部へ