心臓生理機能部
研究活動の概要

　心臓生理機能部では、駆出率が保たれた心不全（HFpEF）や血管内皮機能障害といった、加齢および種々の生活習慣病に起因する心・血管機能障害の病態解明、そしてその予防法開発を目指している。

　生命維持に必要不可欠な心臓機能は、血液ポンプとしての心機能と、それをサポートする冠循環の複雑な機能連携により成り立っており、インスリン抵抗性や生活習慣病の発症に伴い、その連携が破綻する。我々は高輝度放射光を用いた高解像度生体イメージング技術を駆使することで冠微小血管機能および心筋収縮タンパク質機能の両面から解析することにより、心・血管機能障害発症メカニズム解明を目指している。さらに、運動や食習慣といった生活習慣の改善がどのように心・血管機能障害の発症を予防または改善するのかについて、遺伝子・タンパク質の網羅的発現解析やエピジェネティックな遺伝子発現制御に着目し、研究を推進している。

　今年度からは、広く蔓延する高血圧・糖尿病・肥満・加齢などを合併する心不全の病態を理解するため、心筋細胞以外の因子（血管・肺・腎臓など）がどのように心筋細胞の炎症や酸化ストレスの増大に関与しているのかについての研究を開始した。同様に血管機能に対しても、血管以外の因子が血管機能異常に及ぼす影響、さらに、糖尿病がどのように血管老化を促進させるのかについての研究を開始した。

　現在の主な研究テーマは以下の4項目である。

  1. 糖尿病に起因する心筋拡張障害発症機序および運動による予防効果の解明
    （AMED 循環器疾患・糖尿病等生活習慣病対策実用化研究事業）
  2. 糖尿病による冠血管老化を引き起こす非血管細胞の因子について
    [科学研究費助成事業 基盤研究（B）]
  3. 新規心不全治療薬に関するCardurion Pharmaceuticals株式会社との共同研究
  4. 生理活性ペプチド（グレリン、アドレノメデュリン、グルカゴン様ペプチド-1など）による循環器系保護メカニズムの解明

　これらの研究は、高輝度放射光を用いた高解像度生体イメージング技術や、生体信号の無線測定技術などのユニークな生理学的研究手法を駆使して行っている。さらにはタンパク質・遺伝子発現解析などを用いて、心不全発症におけるエピジェネティックな分子メカニズムの解明を目指している。

2019年の主な研究成果
  1. 糖尿病に起因する心筋拡張障害発症機序および運動による予防効果の解明

    2. 　2型糖尿病合併症の蔓延と共に心室拡張障害の患者が増加している。糖尿病合併症で多くみられるHFpEFは効果的な治療法が見いだされていない。HFpEFの初期症状として、心室拡張機能障害（以下、拡張障害）が生じる。HFpEF発症を予防するには拡張障害の早期診断および治療が必要である。そこで本研究の目的は、AMED事業の支援の下、心室拡張障害発症の超初期に関わる重要因子を心筋クロスブリッジ動態および収縮関連タンパク質翻訳後修飾の両面から解明し、日常的運動による拡張障害改善機序を解明することであった。

    　非肥満Ⅱ型糖尿病モデルGoto-Kakizaki（GK）ラットの安静群（座りがちの生活）では冠微小血管の炎症や心筋組織での酸化ストレスの増加が確認された。この事により、プロテインキナーゼCやRhoキナーゼ（ROCK）の活性化が起こり、結果的に心筋細胞内の収縮タンパク質、タイチンおよびミオシン結合タンパクC（MyBP-C）の修飾を介して心筋を硬直化させ、弛緩時間が延長することを明らかにした。また、主にNADPH oxidaseに起因するであろう酸化ストレスの増加によるこれらキナーゼ活性化が、グアニリルシクラーゼ活性および発現の低下を引き起こすことが示唆された（J Mol Cell Cardiol 137:119-131, 2019）。

    　4週齢GKラットに8週間の低強度運動トレーニング（LIT）を負荷し、心機能評価を行った。LITは麻酔下GKラットの左心室収縮および拡張機能指標に影響を及ぼすものではなかったが、GKラットでみられる代償性肥大を抑制する傾向にあった。LITはGKラットの持久力を向上させ、空腹時血糖値を改善させた。現在、血漿および心筋サンプルのRNAseq解析を実施し、心筋サンプルに対しては通常のプロテオーム解析に加えリン酸化解析も実施し、拡張障害の新規増悪因子および早期診断マーカーの探索を進めている。

    　上記と同様、4週齢高血圧（SHRSP/Izm）ラットおよび肥満・高血圧併発（SHRSP/fatty）ラットに8週間の低強度運動トレーニング（LIT）を負荷し、心機能評価を行った。LITは肥満による慢性の高血糖状態およびインスリン抵抗性は軽度改善した。高血圧による拡張機能の低下は運動で改善する可能性があるが、高血圧に肥満も合併すると運動だけでは改善が難しいことが示唆された。生活習慣病自然発症モデルラットは、その発症が遺伝背景に強く影響されるため、予め遺伝的背景を固定し、環境要因による生活習慣病を発症するモデルマウスの開発を開始した。

  2. 糖尿病に起因する冠循環血管老化の因子および運動不耐性

    3. 　本年度から冠動脈性血管老化進行因子の生理的基盤、および、内皮細胞および平滑筋細胞における炎症・酸化ストレスによる機能・形態変化への非血管細胞の役割解明について研究を開始した。
    初年度の実験を立ち上げ、老化促進モデル（SAMP8/TaSlc）および対照マウス（SAMR1/TaSlc）を用いて慢性高脂肪飼料による循環器系老化促進を再現し、in vivoで心機能および冠微小血管に及ぼす変化を検討している。酸化ストレスの老化要因を調べるため、SAMP8マウスにおいてアポサイニンもしくはモノアミンオキシダーゼ遮断剤（clorgyline）を慢性投与し、対照群マウスおよび溶媒投与群と比較した。その結果、老化促進モデルでは拡張障害と冠微小血管の平滑筋細胞機能障害が共に生じていることが示唆された。現在、血管の酸化ストレス定量、TRPチャネルおよびタンパク質翻訳後修飾等の寄与について解析を行っている。

    　また、運動（骨格筋収縮）時の急激な筋血流増大を引き起こす血管拡張因子の同定、および糖尿病における血管拡張機能低下のメカニズム解明を目指し、GKラットを対象に微小血管造影法にて血管機能解析を行っている。この研究により、糖尿病による運動耐容能低下に骨格筋微小循環不全が関わるかどうか、そしてどの拡張因子が阻害されているのかを解明する（初成果を4月FASEB大会（米国）にて発表予定）。

  3. 新規心不全治療薬に関するCardurion Pharmaceuticals株式会社との共同研究

    4. 　新しい心不全治療薬の開発に協力するため、Cardurion Pharmaceuticals社との共同研究を開始した。圧負荷による心不全モデルマウス（TACマウス）に対して新規に開発中の治療薬候補物質を投与したところ、心不全の進行に伴う心肥大、ANP発現と心筋線維化が抑制されることがわかった。他の心不全モデルに対する治療効果についても検討する予定である。また、マウス・ラットの単離心筋細胞を用いて細胞内Ca2+イオン濃度と収縮・弛緩率を測定し、開発中である治療薬の急性効果を評価している。今後、これら治療薬による細胞内酸化ストレスやミトコンドリア機能障害の抑制効果との関連性を調べる。

  4. 生理活性ペプチドによる心保護的役割の解明

    5. 　糖尿病性心・腎血管障害に対するグルカゴン様ペプチド-1受容体（GLP-1R）アゴニスト（Liraglutide）の効果に関する基礎研究結果を学会と論文で報告してきた。インスリン抵抗性のあるZucker肥満ラットにおいて、主に左心室を栄養する左冠動脈の血管機能を、SPring-8での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。摘出した心・腎臓の炎症誘発性因子、eNOS、ET-1、VCAM等のタンパク質及びmRNAの発現を定量解析した結果、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一酸化窒素（NO）を介した拡張機能を部分的に回復させた。また、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、eNOSタンパク質発現とNOを介した拡張機能を増大させた（J Pharmacol Exp Ther 369:375-388, 2019）。糖尿病性冠循環障害に対するLiraglutideの効果に関する論文はリバイス中である。

    　また、抗がん剤治療の副作用による腎障害に対するアドレノメデュリンの治療効果について、主に腎微小血管機能を対象に検討している（宮里部長班循環器病研究開発費の分担）。

研究業績
  1. Ow CPC, Ullah MM, Ngo JP, Sayakkarage A, Evans RG. Detection of cellular hypoxia by pimonidazole adduct immunohistochemistry in kidney disease: methodological pitfalls and their solution. American Journal of Physiology-Renal Physiology. 317, F322-F332, 2019.
  2. Kawada T, Akiyama T, Sonobe T, Shimizu S, Hayama Y, Pearson JT, Shishido T, Sugimachi M. Central activation of cardiac vagal nerve by α2-adrenergic stimulation is impaired in streptozotocin-induced type 1 diabetic rats. Autonomic Neuroscience-Basic & Clinical. 216, 39-45, 2019.
  3. Kawada T, Sonobe T, Hayama Y, Nishikawa T, Miyamoto T, Akiyama T, Pearson JT, Sugimachi M. Accentuated antagonism of vagal heart rate control and less potent prejunctional inhibition of vagal acetylcholine release during sympathetic nerve stimulation in the rat. Autonomic Neuroscience-Basic & Clinical. 218, 25-30, 2019.
  4. Bui CB, Kolodziej M, Lamanna E, Elgass K, Sehgal A, Rudloff I, Schwenke DO, Tsuchimochi H, Kroon MAGM, Cho SX, Maksimenko A, Cholewa M, Berger PJ, Young MJ, Bourke JE, Pearson JT, Nold MF, Nold-Petry CA. Interleukin-1 Receptor Antagonist Protects Newborn Mice Against Pulmonary Hypertension. Frontiers in Immunology. 10, 1480, 2019.
  5. Yoshimoto M, Onishi Y, Mineyama N, Ikegame S, Shirai M, Osborn JW, Miki K. Renal and Lumbar Sympathetic Nerve Activity During Development of Hypertension in Dahl Salt-Sensitive Rats. Hypertension. 74, 888-895, 2019.
  6. Sukumaran V, Tsuchimochi H, Sonobe T, Shirai M, Pearson JT. Liraglutide Improves Renal Endothelial Function in Obese Zucker Rats on a High-Salt Diet. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 369, 375-388, 2019.
  7. Wilmanns JC, Pandey R, Hon O, Chandran A, Schilling JM, Forte E, Wu Q, Cagnone G, Bais P, Philip V, Coleman D, Kocalis H, Archer SK, Pearson JT, Ramialison M, Heineke J, Patel HH, Rosenthal NA, Furtado MB, Costa MW. Metformin intervention prevents cardiac dysfunction in a murine model of adult congenital heart disease. Molecular Metabolism. 20, 102-114, 2019.
  8. Sonobe T, Akiyama T, Du CK, Pearson JT. Serotonin uptake via plasma membrane monoamine transporter during myocardial ischemia-reperfusion in the rat heart in vivo. Physiological Reports. 7, e14297, 2019.
  9. Waddingham MT, Sonobe T, Tsuchimochi H, Edgley AJ, Sukumaran V, Chen YC, Hansra SS, Schwenke DO, Umetani K, Aoyama K, Yagi N, Kelly DJ, Gaderi S, Herwig M, Kolijn D, Mügge A, Paulus WJ, Ogo T, Shirai M, Hamdani N, Pearson JT. Diastolic dysfunction is initiated by cardiomyocyte impairment ahead of endothelial dysfunction due to increased oxidative stress and inflammation in an experimental prediabetes model. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 137, 119-131, 2019.
  10. Nagano K, Kwon C, Ishida J, Hashimoto T, Kim JD, Kishikawa N, Murao M, Kimura K, Kasuya Y, Kimura S, Chen YC, Tsuchimochi H, Shirai M, Pearson JT, Fukamizu A. Cooperative action of APJ and a1A-adrenergic receptor in vascular smooth muscle cells induces vasoconstriction. Journal of Biochemistry. 166, 383-392, 2019.
  11. Pearson JT, Shirai M, Sukumaran V, Du CK, Tsuchimochi H, Sonobe T, Waddingham MT, Katare R, Schwenke DO. Ghrelin and vascular protection. Vascular Biology. 1, H97-H102, 2019.
  12. Honda M, Tsuchimochi H, Hitachi K, Ohno S. Transcriptional cofactor Vgll2 is required for functional adaptations of skeletal muscle induced by chronic overload. Journal of Cellular Physiology. 234, 15809-15824, 2019.
  13. Kakehi K, Iwanaga Y, Watanabe H, Sonobe T, Akiyama T, Shimizu S, Yamamoto H, Miyazaki S. Modulation of Sympathetic Activity and Innervation With Chronic Ivabradine and β-Blocker Therapies: Analysis of Hypertensive Rats With Heart Failure. Journal of Cardiovascular Pharmacology and Therapeutics. 24, 387-396, 2019.
  14. Ullah MM, Ow CPC, Hilliard Krause LM, Evans RG. Renal oxygenation during the early stages of adenine-induced chronic kidney disease. American Journal of Physiology-Renal Physiology. 317, F1189-F1200, 2019.