高血圧・肥満・糖尿病などといった生活習慣病は、駆出率の保たれた心不全(HFpEF)の要因となる心筋拡張障害を引き起こす。HFpEFは生命予後が悪いため、これを早期に発見・診断し、治療介入を進めることが必須である。近年、食習慣の欧米化に伴う過体重(肥満)とインスリン抵抗性を有病する子供の数が増大している。特に日本人の過体重児では、インスリン抵抗性は高血糖ではなく脂質異常症と関連しており、成人期以前からすでに心機能低下や動脈硬化を引き起こしていると報告されている。食習慣の乱れは循環器系の老化を促進するため、初期の発症素因注目することが必要不可欠である。

　心臓生理機能部では、高輝度放射光を用いた高解像度生体イメージング技術および生理機能のin vivo 計測技術を駆使し、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心・血管機能を解析することにより、加齢および種々の生活習慣病に起因する心・血管機能障害の発症機序解明を目指している。
また、予防・先制医療の観点から、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、循環器疾患の予防法開発を目指している。

　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、5月まで】
2. 加齢および生活習慣病による血管老化機序、また引き起こす非血管細胞由来因子の解明
   【科学研究費助成事業 基盤研究(B)】
3. 家族性心筋症および心不全に対する新規治療薬の開発
4. 生理活性ペプチドによる心保護的役割の解明

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。現在、高輝度放射光を用いた心筋散乱解析およびタンパク質発現定量解析により、生活習慣病の重要因子として細胞骨格の脱チロシン化また細胞骨格・筋フィラメントタンパク質のアセチル化が心筋細胞レベルで拡張障害を及ぼしていることが明らかになった。

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

　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。しかし、意外とアポサイニン処置は血管内皮細胞機能異常を悪化したことから、非糖尿病モデルに対してNox2の活性化が内皮型NO合成酸素活性化のため必須であることが考えられる。
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 135:327-346, 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。
本年度、B6D2F1系統マウスに対して高脂肪食を8週間負荷し、4週間アポサイニン処置(Nox2抑制剤)有無の影響を検討した。その成果、両郡には高脂肪食による心機能低下が引き起こしたが、Nox2を抑制することにより、冠循環微小血管機能を改善させた。SAMP8系統マウスと違ってインスリン抵抗性が発症したB6D2F1系統マウスに対してNox2の過剰活性化による内皮細胞依存する酸化ストレスが生じると考えられる。

3. 新規心不全治療薬に関する大日本住友製薬株式会社との共同研究

　新しい心不全治療薬の候補としてストレッチ感受性チャネル阻害抗体を作出した。筋ジストロフィー心筋傷害モデルマウスを作成し、心筋傷害に対するストレッチ感受性チャネル阻害抗体の効果を大日本住友製薬との共同研究で現在調べているところである。

4. 生理活性ペプチドによる循環器系保護的役割の解明

　我々は成長ホルモン分泌促進物質グレリンが肺高血圧症モデルラットにおいて肺高血圧症の発症を抑制する効果がある。しかしながらグレリン処方は高額であり、循環半減期が10分程度のため、治療薬として困難である。合成ペプチド、hexarelin(グレリン様作用)も様々な報告にて心臓保護効果を示している。今回、肺高血圧症先端医学研究部と共同研究で肺高血圧症モデルラット(Sugen低酸素暴露)を対照してhexarelin処置の治療効果を検討した。残念ながら、hexarelin処置により右心室機能障害を改善されなかった(Waddingham et al. Front Physiol 12, 2022)。

1. Inagaki T, Pearson JT, Tsuchimochi H, Schwenke DO, Saito S, Higuchi T, Masaki T, Umetani K, Shirai M, Nakaoka Y. Evaluation of right coronary vascular dysfunction in severe pulmonary hypertensive rats using synchrotron radiation microangiography. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 320, H1021-H1036, 2021.
2. Saw EL, Pearson JT, Schwenke DO, Munasinghe PE, Tsuchimochi H, Rawal S, Coffey S, Davis P, Bunton R, Van Hout I, Kai Y, Williams MJA, Kakinuma Y, Fronius M, Katare R. Activation of the cardiac non-neuronal cholinergic system prevents the development of diabetes-associated cardiovascular complications. Cardiovascular Diabetology. 20, 50, 2021.
3. Abe I, Terabayashi T, Hanada K, Kondo H, Teshima Y, Ishii Y, Miyoshi M, Kira S, Saito S, Tsuchimochi H, Shirai M, Yufu K, Arakane M, Daa T, Thumkeo D, Narumiya S, Takahashi N, Ishizaki T. Disruption of actin dynamics regulated by Rho effector mDia1 attenuates pressure overload-induced cardiac hypertrophic responses and exacerbates dysfunction. Cardiovascular Research. 117, 1103-1117, 2021.
4. Sonobe T, Akiyama T, Pearson JT. Carrier-mediated serotonin efflux induced by pharmacological anoxia in the rat heart in vivo. Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology. 48, 1685-1692, 2021.
5. Pearson JT, Thambyah HP, Waddingham MT, Inagaki T, Sukumaran V, Ngo JP, Ow CPC, Sonobe T, Chen YC, Edgley AJ, Fujii Y, Du CK, Zhan DY, Umetani K, Kelly DJ, Tsuchimochi H, Shirai M. β-blockade prevents coronary macro- and microvascular dysfunction induced by a high salt diet and insulin resistance in the Goto-Kakizaki rat. Clinical Science. 135, 327-346, 2021.
6. Ngo JP, Noe KM, Zhu MZL, Martin A, Ollason M, Cochrane AD, Smith JA, Thrift AG, Evans RG. Intraoperative renal hypoxia and risk of cardiac surgery-associated acute kidney injury. Journal of Cardiac Surgery. 36, 3577-3585, 2021.
7. Rabaglino MB, Wakabayashi M, Pearson JT, Jensen LJ. Effect of age on the vascular proteome in middle cerebral arteries and mesenteric resistance arteries in mice. Mechanisms of Ageing and Development. 200, 111594, 2021.
8. Masaki T, Okazawa M, Asano R, Inagaki T, Ishibashi T, Yamagishi A, Umeki-Mizushima S, Nishimura M, Manabe Y, Ishibashi-Ueda H, Shirai M, Tsuchimochi H, Pearson JT, Kumanogoh A, Sakata Y, Ogo T, Kishimoto T, Nakaoka Y. Aryl hydrocarbon receptor is essential for the pathogenesis of pulmonary arterial hypertension. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 118, e2023899118, 2021.
9. Ow CPC, Trask-Marino A, Betrie AH, Evans RG, May CN, Lankadeva YR. Targeting Oxidative Stress in Septic Acute Kidney Injury: From Theory to Practice. Journal of Clinical Medicine. 10, 3798, 2021.
10. Matsumura T, Hashimoto H, Sekimizu M, Saito AM, Iwata Y, Asakura M, Kimura K, Tamura T, Funato M, Segawa K, Ogata K, Nakajima T. Study Protocol for a Multicenter, Open-Label, Single-Arm Study of Tranilast for Cardiomyopathy of Muscular Dystrophy. The Kurume Medical Journal. 66, 121-126, 2021.