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。

　今年度も、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継続している。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研究している。

　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。

2020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。

    　これまで本研究課題では、遺伝的背景により生活習慣病を自然発症するモデル動物を対象として用いてきた。本年度は、遺伝要因は固定し、環境要因によって生活習慣病を発症するモデルマウスの開発を行った。B6D2F1系統マウスに高脂肪食を8週間負荷すると、皮下脂肪・内臓脂肪の増加による著明な体重増加と耐糖能異常が認められた。続く8週間の後にはさらなる体重増加に加えて、心拍出量は保たれているが拡張機能が低下し始めていることが心臓ストレイン解析により観察された。このモデルマウスに対して、最初の8週間の高脂肪食負荷期間後から普通食・低強度運動トレーニング（週5回）による生活習慣への介入を行ったところ、体重・耐糖能・心筋拡張機能すべてにおいて改善が認められた。このときの心臓組織サンプルを用いてRNA-Seq解析を行い、生活習慣の変化によって発現変動する遺伝子について、現在解析を進めており、拡張障害発症の超初期に関わる因子を探索中である。

  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. 　令和元年度から冠動脈性血管老化進行因子の生理的基盤、血管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。老化促進モデル（SAMP8/TaSlc）および対照マウス（SAMR1/TaSlc）を用いて高脂肪飼料と高食塩負荷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。酸化ストレスによる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阻害薬（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、冠微小血管造影および心臓メタボローム解析を用いて、老化促進モデルではプリン・解糖代謝異常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、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。

    　糖尿病は、冠血管機能障害や冠血管リモデリングを誘発し、心筋灌流を次第に低下させ、心機能障害や心不全を引き起こす(Clinical Science ePub, 2021)。また、欧米型の食生活や運動不足は、糖尿病性心疾患の進行を加速させる危険因子であることが知られている。我々は、オタゴ大学（ニュージーランド）との長年にわたる共同研究の成果から、糖尿病性心不全の発症と関連するマイクロRNAを見出した。

    　肥満糖尿病モデルマウス（db/dbマウス；8週齢もしくは16週齢）を対象として心機能・血管機能評価を行い、マイクロRNAの発現量変化との関係性を調べたところ、心臓由来マイクロRNA（miRNA-126）が糖尿病性心疾患の進行度合いを示すバイオマーカーとなりうることがわかった。さらに、db/dbマウスに対する低強度もしくは高強度の運動トレーニングにより発現変化するマイクロRNAの役割を調べ、それらが冠血管新生や心機能改善に寄与することを明らかにした（Circulation Research 127:1384-1400, 2020）。

  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社との共同研究を継続中である。新規開発された心不全治療薬候補が心筋機能に与える影響について、心房細動モデル動物を用いた検討を開始する予定である。

  4. 生理活性ペプチドによる循環器系保護的役割の解明

    5. 　オタゴ大学（ニュージーランド）との共同研究で、糖尿病患者における生体内グレリンレベルの低下と糖尿病性末梢動脈疾患との関連性を、基礎・臨床の両面から明らかにした。さらに、糖尿病マウスに対するグレリンの慢性投与が、血管新生を促進するマイクロRNAの増加を介して病態を改善することを明らかにした（Neale et al. Sci Rep 10(1):13651, 2020）。

    　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中である（宮里部長班循環器病研究開発費の分担）。

研究業績
  1. Kawada T, Sonobe T, Nishikawa T, Hayama Y, Li M, Zheng C, Uemura K, Akiyama T, Pearson JT, Sugimachi M. Contribution of afferent pathway to vagal nerve stimulation-induced myocardial interstitial acetylcholine release in rats. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 319, R517-R525, 2020.
  2. Kawada T, Sata Y, Akiyama T, Shimizu S, Sonobe T, Pearson JT, Sugimachi M. Threshold and saturation pressures of baroreflex-mediated myocardial interstitial acetylcholine release in rats. Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical. 225, 102657, 2020.
  3. Sukumaran V, Tsuchimochi H, Sonobe T, Waddingham MT, Shirai M, Pearson JT. Liraglutide treatment improves the coronary microcirculation in insulin resistant Zucker obese rats on a high salt diet. Cardiovascular Diabetology. 19, 24, 2020.
  4. Lew JKS, Pearson JT, Saw E, Tsuchimochi H, Wei M, Ghosh N, Du CK, Zhan DY, Jin M, Umetani K, Shirai M, Katare R, Schwenke DO. Exercise Regulates MicroRNAs to Preserve Coronary and Cardiac Function in the Diabetic Heart. Circulation Research. 127, 1384-1400, 2020.
  5. Neale JPH, Pearson JT, Thomas KN, Tsuchimochi H, Hosoda H, Kojima M, Sato T, Jones GT, Denny AP, Daniels LJ, Chandrasekera D, Liu P, van Rij AM, Katare R, Schwenke DO. Dysregulation of ghrelin in diabetes impairs the vascular reparative response to hindlimb ischemia in a mouse model; clinical relevance to peripheral artery disease. Scientific Reports. 10, 13651, 2020.
  6. Inocencio IM, Tran NT, Nakamura S, Khor SJ, Wiersma M, Stoecker K, Polglase GR, Pearson JT, Wong FY. Increased peak end-expiratory pressure in ventilated preterm lambs changes cerebral microvascular perfusion: direct synchrotron microangiography assessment. Journal of Applied Physiology. 129, 1075-1084, 2020.
  7. Gardiner BS, Smith DW, Lee CJ, Ngo JP, Evans RG. Renal oxygenation: From data to insight. Acta Physiologica. 228, e13450, 2020.
  8. Ullah MM, Ow CPC, Evans RG, Hilliard Krause LM. Impact of choice of kinetic model for the determination of transcutaneous FITC-sinistrin clearance in rats with streptozotocin-induced type 1 diabetes. Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology. 47, 1158-1168, 2020.
  9. Li M, Zheng C, Kawada T, Inagaki M, Uemura K, Akiyama T, Sugimachi M. Impact of Peripheral α7-Nicotinic Acetylcholine Receptors on Cardioprotective Effects of Donepezil in Chronic Heart Failure Rats. Cardiovascular Drugs and Therapy. Epub, 2020.
  10. Iwata Y, Wakabayashi S, Ito S, Kitakaze M. Production of TRPV2-targeting functional antibody ameliorating dilated cardiomyopathy and muscular dystrophy in animal models. Laboratory Investigation. 100, 324-337, 2020.
  11. Iwata Y, Ito S, Wakabayashi S, Kitakaze M. TRPV2 channel as a possible drug target for the treatment of heart failure. Laboratory Investigation. 100, 207-217, 2020.
  12. 岩田 裕子. 心筋症・心不全治療をめざしたTRPV2阻害薬の開発. 医学のあゆみ 別冊 TRPチャネルのすべて. 46-52, 2020.