心臓生理機能部
研究活動の概要

“あるがままの生体”の生理学的観察を基本として、心臓・血管機能の神経・液性調節機構を、分子から個体への統合的視点で研究している。また、生理的知見を基に、循環器病における中枢・末梢神経性調節破綻の機序及びその病態生理的意義に焦点を当て、その解明とそこをターゲットとする的確な治療法の開発を進めている。
現在の研究テーマは以下の２項目である。

  1. 循環器病の神経・体液性機序の解明とそれに基づく治療法開発
    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・脳疾患、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・呼吸・代謝障害の病態に関わるかを主に小動物疾患モデルで調べている。また、その成果を臨床へのトランスレーショナルリサーチに展開している。研究には、放射光X線イメージング、心臓マイクロダイアリシス法、無麻酔マウスの循環、呼吸、代謝、神経機能の統合モニタリングなどの独自のin vivo測定法を用い、分子生物学的in vitro解析と結び付けている。
    　
    1. 糖尿病性心腎障害モデル動物の心血管機能障害のX線イメージング解析：
      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世界に先駆け構築し、糖尿病や心不全時の心筋収縮・拡張機構障害の根本的原因を探っている。
      ラボ用マイクロフォーカスX線テレビシステム（空間分解能10～20μm）を新たに開発して、麻酔下小動物の脳、腎、骨格筋などの臓器実質内血管ネットワークの血管運動・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る。また、放射光高速微小血管造影法を用い、ラット、マウスの高速拍動の心肺や腎の微小血管応答を観察し、病態下の血管内皮・平滑筋機能障害や血管新生を調べている。オーストラリア放射光施設ではヒツジなど大型動物で心血管機能を評価している。
    2. 心臓自律神経・心筋機能障害の分子機構のマイクロダイアリシス法および光学的手法による解析：
      自律神経性循環調節の機構解明を目指し、マイクロダイアリシス法を用い、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いる。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・副交感神経活動の指標となる。また、心筋間質のミオグロブン濃度は心筋細胞障害の指標となる。
      または、神経細胞にカルシウムセンサー蛋白質を発現する遺伝子改変マウスを用い、二光子顕微鏡下で臓器自律神経および一次求心性神経活動を可視化し、自律神経系による臓器機能制御機構の詳細な解析を目指している。
    3. マウス肥大心の心筋・冠血管機能障害のメカニズム解析：
      肥大心の野生型および遺伝子改変マウスモデルを用いて、心筋収縮・拡張機能障害のメカニズムを、サルコメアから丸ごと心臓レベルにわたって解析している。また、心臓交感神経の過緊張と炎症が2次的に冠血管障害を引き起こす機構についても調べている。
    4. 細胞移植並びに補助循環による心臓病の治療に関する研究：
      心不全に対する新たな再生医療開発の研究を、前年度に引き続き小動物モデルで行っている。心筋梗塞による心不全ラットモデルに加え、心筋症自然発症ハムスターモデルを用いてiPS由来心筋細胞シート移植の有用性を調べている。
    5. ヒツジ・ウサギ・マウス新生児の脳・肺血管機能のオーストラリア及びSPring-8放射光での解析：
      マウスと家兎モデルの肺微小循環の可視化を行うことで、出生後に肺呼吸へ移行する時の肺血流増大のメカニズムを調べ、そのメカニズムの破綻が新生児肺高血圧症および気管支・肺血管形成異常にどのように関わるかを明らかにすることを目指している。
      これまで小動物で構築した微小血管造影技術を大型動物である子羊に初めて応用し、絨毛膜羊膜炎による新生児脳障害の血管病態を調べている。麻酔下で、神経性刺激時の脳微小血管造影を近赤外光脳機能イメージングと同時に行い、脳の体性感覚活性化によって起こる脳循環・機能応答を調べている。また、NICUのルーチン的な処置を行い、その処置が脳血管障害を軽減あるいは増悪するのかを調べている。
      　
  2. 循環器疾患関連タンパク質の構造生理的研究
    循環器疾患に関連するタンパク質を対象に、主として放射光X線結晶構造解析法を用いたサブナノレベル分解能での構造活性相関の理解を進め、将来の創薬への基盤作りを目指している。
2016年の主な研究成果
  1. 循環器病の神経・体液性機序の解明とそれに基づく治療法開発
    • 糖尿病性心血管病の病態解明と治療法開発
      • 糖尿病性心筋症及び冠血管障害の治療法開発に関する研究
        我々の研究から、糖尿病と高血圧を合併したラットモデルでは、心筋収縮タンパク質のミオシン頭部の異常解離（心臓拡張能異常）および冠微小循環の内皮由来血管拡張因子の産生障害とRho-kinaseの活性増大が強く示唆された。そこで、SPring-8放射光技術を利用して、同モデルに対するファスジル（Rho-kinase阻害薬）とロサルタン（アンジオテンシン２受容体拮抗薬）の慢性投与の効果を調べた。その結果、非投与群で認められた冠微小動脈の内皮由来血管拡張因子（NOおよびEDHF）の機能低下は、慢性投与で有意に改善することが分かった。特に、ファスジル投与は、ロサルタン投与比べ、NOの冠細動脈拡張能および冠血流分布を大きく改善した。また、X線回折法により拍動心臓の左心室の心筋収縮タンパク質クロスブリッジ動態を心室内膜下層、中膜、外膜下層の3層で調べた結果、両投与とも左心室心筋収縮機能を有意に改善したが、ファスジルはロサルタンより改善効果が大きかった。以上より、ファスジルの新たな治療薬としての可能性が示唆された（国際高血圧学会大会で報告）。
      • 糖尿病性冠血管障害の機構解明に関する研究
        微小血管造影法をGoto-Kakizakiラット（prediabetes）に応用して、睡眠時無呼吸症候群の主な病態因子である間歇的低酸素(5-21％、90秒ごと、1時間40回、毎日8時間で4週間暴露)は、糖尿病の病態因子とは独立して、大小の冠動脈の内皮依存性拡張応答障害（NOおよびEDHFの機能低下）を増悪させることを明らかにした（Am J Physiol Reg Integr Comp Physiol 2016 Aug 311:R426-R439）。
        昨年度は糖尿病性下肢血管障害に与える運動トレーニング負荷の影響を調べた。今年度は、db/db糖尿病肥満マウスモデルの冠微小血管造影を行うことで、糖尿病性冠血管機能障害に対する中等度以上の運動トレーニングの影響を調べた。その結果、運動トレーニングによる内皮機能改善の多くは、ほぼ細動脈特異的に誘導されることが判明した。メカニズムとして運動によるEDHF活性化が示唆された。また、骨格筋特異的なmiR-1、-133および-499並びに血管のmiR-126および-222の産生増大を含む保護機構が活性化し、アポトーシスと血管数減少を抑制することを見出した。（Cardiovasc Diabetol 2017 Jan 16(1):10.）。
      • 糖尿病性心・腎血管障害に対するLiraglutide投与の効果に関する研究
        Zucker肥満ラット（インスリン抵抗性）において、主に右心室を支配する右冠動脈の血管機能をSPring-8放射光微小血管造影法で評価した。また、Zucker肥満ラットの血圧および腎臓糸球体濾過量の測定を行い、当部のラボ用マイクロフォーカス微小血管造影装置で腎血管機能を評価した。その結果、低用量のLiraglutide慢性投与は、Zucker肥満ラットにおいて、血中クレアチニンと尿中アルブミンを減少させ、150μm径以下の腎小動脈のNOを介した拡張機能を部分的に回復させた。他方、冠小動脈では、Zucker肥満および非肥満ラットのいずれにおいても、NOを介した拡張機能を増大させた。
    • 心不全の病態解明と治療法開発
      • マイクロダイアリシス法を用いた心臓虚血・再灌流時の心筋細胞傷害に関する研究
        心虚血・再灌流時において、血小板から分泌されるセロトニンは、セロトニンreceptorを介した作用(receptor-dependent)の他に、モノアミンオキシダーゼにより代謝される過程でH2O2を発生させ、心筋細胞傷害を引き起こす(MAO-dependent)。今回、麻酔下ラットの左室虚血部において、心虚血・再灌流時のセロトニン、およびモノアミンオキシダーゼによる代謝物である5-HIAAを同時モニターし、セロトニン動態に及ぼすセロトニン再取り込み機構、およびモノアミンオキシダーゼの関与を明らかにした。また、マイクロダイアリシス法を用いることにより、心虚血・再灌流時において心筋細胞から放出されるmicroRNAをモニターすることに成功し、再灌流後にmicroRNA-1, -21, -126a, 133aが上昇することを明らかにした。(Free Radic Res 2016 Jun 50(6):645-653, Am J Physiol Heart Circ Physiol 2017 Jan 312(1):H60-H67)
      • 生理下および病態下におけるマイクロダイアリシス法を用いた自律神経機能の解析とそれに基づく治療法開発に関する研究
        麻酔下ウサギにおいて、マイクロダイアリシス法を用いることにより、α2c-adrenergic agonistであるnitrobiphenylineは、心臓交感神経活動を低下させ、他方、心臓迷走神経活動を亢進させることを明らかにし、心不全に対するvagal activation therapyとして有効な治療薬となり得ると考えられた。また、糖尿病モデルラットにおいて、マイクロダイアリシス法を用いることにより、迷走神経刺激による心臓迷走神経終末からのアセチルコリン分泌応答、および心拍数応答は亢進していることを明らかにした。
    • 新たな病態モデル及び研究法の開発
      • 拡張型心筋症マウスでの心臓交感神経終末ノルエピネフリン動態の研究
        K210ノックインDCMモデルマウスの心臓交感神経終末におけるNE動態を明らかにするために、心筋間質NE及びDHPG濃度を同時モニタリングすることにより、心臓交感神経終末におけるNE分泌機能、NE再取り込み機能、NE含量を評価した。心臓交感神経終末におけるNE含量及びNE再取込機能の低下が明らかになった。
      • 拡張型心筋症の心機能・形態の治療開発研究
        K210ノックインDCMモデルマウスにおけるGSK-3βノックアウトは、心臓拡大、線維化およびアポトーシスを抑制し、心不全にともなうβ型ミオシン重鎖アイソフォーム発現を減少させ、心機能を改善した。その結果、寿命も延びた。GSK-3βは家族性DCMの良い治療ターゲットとなり得ると考えられた。(Am J Physiol Heart Circ Physiol 2016 Jun 310(11):H1808-15)。
      • 心筋Ca2+結合蛋白質（CHP3）ノックアウトマウスを用いた慢性低酸素性肺高血圧症に関する研究
        単離心筋細胞では、CHP3は心筋肥大を抑制する因子であることが分かっている。今回、CHP3が慢性低酸素性肺高血圧にともなう右心室肥大でどのような役割りを果たすかを調べている。慢性低酸素負荷（8％酸素、6週間）に対し、野生型マウスでは右心室肥大のみが生じたが、CHP3ノックアウトマウスでは右心室肥大に加えて、さらに左心室肥大も生じることが分かった。また、野生型マウスの右心室におけるCHP3の発現は低酸素で著しく低下するが、左心室では一旦低下した後、有意に回復してくることも分かった。CHP3は低酸素性心筋肥大の調節因子として働いている可能性が示唆された。
      • 小動物の微細神経の電気活動計測を可能にする神経束可視化技術の開発
        神経細胞にyellow fluorescent protein (YFP)を発現する遺伝子改変マウスThy1-YFPマウスを用い、蛍光実体顕微鏡下で臓器自律神経を可視化し、マウスの自律神経走行を明らかにするとともに、神経活動計測を容易にする方法を確立した。
    • 細胞移植並びに補助循環による心臓病の治療に関する研究
      • 心筋症自然発症ハムスターモデルに移植したiPS由来心筋細胞シートの心血管新生効果の解析
        心筋梗塞の自然発症モデルでの改良型iPS由来心筋シートの治療効果を評価するため、心筋症自然発症ハムスター（J2N-k）を用いた。放射光冠微小血管造影により、改良型iPS由来心筋細胞シートを左心室前壁に移植したJ2N-kハムスターでは、左冠動脈前下行枝の血管拡張能が改善することが分かった。
      • 体外循環時の炎症反応と臓器障害：
        体外循環は心臓手術及び心肺補助には欠かせない方法となっているが、体外循環時に起こる炎症反応は様々な合併症の根源とされており、抑制することが望まれている。我々は体外循環時の炎症発生病態とその治療法を研究するためのラット体外循環モデルを開発した。今回、このモデルを用いて、グレリンの単回投与が体外循環時の炎症を抑制するかどうかを調べた。体外循環開始時にグレリン（250μg/kg）あるいは生食（対照）を単回投与し、開始から２および4時間目の血中の炎症バイオマーカーとカテコラミンを評価した。また、4時間目に脳、心臓、肺および腎臓を摘出し、臓器障害の程度を病理学的検査で調べた。その結果、グレリンは炎症マーカーを有意に減らすことが分かり、現在、臓器障害抑制効果について評価を進めている。
    • 新生児における脳・肺血管機能に関する研究：
      SPring-8放射光屈折コントラスト法をラビット新生児に応用して、気道と肺循環を可視化したところ、酸素は出生時の肺血流増大を増幅するものの、出生時の肺循環開通には必須条件ではなかった。これに対し、部分的な肺領域への空気流入によって引き起こされる迷走神経反射が肺全体への血流開通に関与する可能性が高いことが判明した。この発見は従来説を覆すもので、新生児肺高血圧のメカニズム解析に繋がると考えられた（J Physiol London March 594(5):1389-98, 2016; J Physiol London 2016 Nov EPub ahead of print）。

  2. 循環器疾患関連タンパク質の構造生理的研究
    循環器疾患に関連したタンパク質分子、特にADAMおよびADAMTSファミリータンパク質や止血血栓形成機構に関連した一群のプロテアーゼに着目し、リコンビナントタンパク質の調製、機能解析およびX線結晶構造解析を行い、基質認識機構、活性調節機構の研究を進めた。ADAMおよびADAMTSファミリータンパク質の立体構造と機能相関に関して最新の知見を網羅する総説を発表した(Toxins, 8(5), 155, 2016)
研究業績
  1. Mohamed RMSM, Morimoto S, Ibrahim IAAEH, Zhan DY, Du CK, Arioka M, Yoshihara T, Takahashi-Yanaga F, Sasaguri T. GSK-3 beta heterozygous knockout is cardioprotective in a knockin mouse model of familial dilated cardiomyopathy. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 310, H1808-H1815, 2016.
  2. Chen YC, Inagaki T, Fujii Y, Schwenke DO, Tsuchimochi H, Edgley AJ, Umetani K, Zhang Y, Kelly DJ, Yoshimoto M, Nagai H, Evans RG, Kuwahira I, Shirai M, Pearson JT. Chronic intermittent hypoxia accelerates coronary microcirculatory dysfunction in insulin-resistant Goto-Kakizaki rats. American Journal of Physiology-Regulatory Integrative and Comparative Physiology. 311, R426-R439, 2016.
  3. Inagaki T, Akiyama T, Du CK, Zhan DY, Yoshimoto M, Shirai M. Monoamine oxidase-induced hydroxyl radical production and cardiomyocyte injury during myocardial ischemia-reperfusion in rats. Free Radical Research. 50, 645-653, 2016.
  4. Diong C, PJones P, Tsuchimochi H, Gray EA, Hughes G, Inagaki T, Bussey CT, Fujii Y, Umetani K, Shirai M, Schwenke DO. Sympathetic hyper-excitation in obesity and pulmonary hypertension: physiological relevance to the 'obesity paradox'. International Journal of Obesity. 40, 938-946, 2016.
  5. Lang JAR, Pearson JT, Binder-Heschl C, Wallace MJ, Siew ML, Kitchen MJ, te Pas AB, Fouras A, Lewis RA, Polglase GR, Shirai M, Hooper SB. Increase in pulmonary blood flow at birth: role of oxygen and lung aeration. Journal of Physiology-London. 594, 1389-1398, 2016.
  6. Jin H, Fujita T, Jin M, Kurotani R, Hidaka Y, Cai W, Suita K, Prajapati R, Liang C, Ohnuki Y, Mototani Y, Umemura M, Yokoyama U, Sato M, Okumura S, Ishikawa Y. Epac activation inhibits IL-6-induced cardiac myocyte dysfunction. Journal of Physiological Sciences. Epub, 2016.
  7. Furtado MB, Wilmans JC, Chandran A, Tonta M, Biben C, Eichenlaub M, Coleman HA, Berger S, Bouveret R, Singh R, Harvey RP, Ramialison M, Pearson JT, Parkington H, Rosenthal NA, Costa MW. A novel mouse model for the study of Nkx2-5 reveals transcriptional control of cardiac ion channels. Differentiation. 91, 29-41, 2016.
  8. Samarage CR, Carnibella R, Preissner M, Jones H, Pearson JT, Fouras A, Dubsky S. Technical Note: Contrast free angiography of the pulmonary vasculature in live mice using a laboratory x-ray source. Medical Physics. 43, 6017, 2016.
  9. Ngo J, Ow CPC, Gardiner BS, Kar S, Pearson JT, Smith DW, Evans RG. Diffusive shunting of gases and other molecules in the renal vasculature: Physiological and evolutionary significance. American Journal of Physiology - Regulatory Integrative and Comparative Physiology. 311, R797-R810, 2016.
  10. Lew JKR, Pearson JT, Schwenke DO, Katare R. Exercise mediated protection of diabetic heart through modulation of microRNA mediated molecular pathways. Cardiovascular Diabetology. 16, 10, 2016.
  11. Sonobe T, Haouzi P. H2S concentrations in the heart after acute H2S administration: methodological and physiological considerations. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 311, H1445-H1458, 2016.
  12. Judenherc-Haouzi A, Zhang XQ, Sonobe T, Song J, Rannals MD, Wang J, Tubbs N, Cheung JY, Haouzi P. Methylene blue counteracts H2S toxicity-induced cardiac depression by restoring L-type Ca channel activity. American Journal of Physiology - Regulatory Integrative and Comparative Physiology. 310, R1030-R1044, 2016.
  13. Haouzi P, Sonobe T, Judenherc-Haouzi A. Developing effective countermeasures against acute hydrogen sulfide intoxication: challenges and limitations. Annals of the New York Academy of Sciences. 1374, 29-40, 2016.
  14. Sonobe T, Haouzi P. Sulfide Intoxication-Induced Circulatory Failure is Mediated by a Depression in Cardiac Contractility. Cardiovascular Toxicology. 16, 67-78, 2016.
  15. Takeda S. ADAM and ADAMTS family proteins and snake venom metalloproteinases: structural overview. Toxins. 8, 1-35, 2016.
  16. Kawada T, Akiyama T, Li M, Zheng C, Turner MJ, Shirai M, Sugimachi M. Acute arterial baroreflex-mediated changes in plasma catecholamine concentrations in a chronic rat model of myocardial infarction. Physiological Reports. 4, e12880, 2016.
  17. 戦 冬雲, 杜 成坤, 森本 幸生, 秋山 剛, Schwenke DO, 細田 洋司, 寒川 賢治, 白井 幹康, Pearson JT. 遺伝性拡張型心筋症に対する新規治療法の開発に向けて. BIO Clinica . 31, 101-104, 2016.
  18. 武田 壮一. プロトロンビナーゼ複合体の立体構造とトロンビン産生の構造基盤. 日本血栓止血誌. 27, 450-455, 2016.