循環器疾患の病態解明を目指すためには、心臓・血管の臓器形成機構から、循環臓器の恒常性維持機構を解剖学的・生理学的・生化学的・分子細胞生物学的・遺伝学的に調べる必要がある。細胞生物学部では、小型モデル動物である魚類の生体イメージング技術を駆使して形態形成と情報伝達を解析する手法を用い、循環臓器発生の分子メカニズムを明らかにする研究を遂行してきた。

　当部では、ゼブラフィッシュおよび成魚でも体が透明なDanionella cerebrum (透明魚) を用いた生体イメージング研究を展開し、血管形成、循環臓器の恒常性維持機構、さらに老化過程における循環系機能の変化について研究を行ってきた。小型魚類モデルを用いることで、脊椎動物に共通する循環臓器形成を可視化し、転写制御から臓器位置決定、心腔形成・弁形成などの心臓形成過程、さらに血管・脈管における動静脈形成やリンパ管形成を生体レベルで解析してきた。透明魚を用いることにより、ゼブラフィッシュでは主に初期形成段階までしか追跡できなかった循環臓器の変化を、成体期においても長期的に観察可能とした点は重要である。また、成熟期から老化期に至る循環臓器の維持機構や臓器間相互作用についても解析を進めてきた。循環臓器の恒常性は、環境変化や加齢に伴う組織応答の破綻により障害される可能性があり、これらの変化を生体内で直接可視化できる透明魚モデルは、臓器維持機構の理解に有用である。

　心臓では、心筋細胞と筋線維芽細胞、脈管細胞 (平滑筋細胞、内皮細胞、リンパ管内皮細胞)、組織マクロファージなど多様な細胞の相互作用により臓器としての最適なポンプ機能が維持されている。当部では、発生期から維持期に至るまでの細胞間相互作用を解析することで、心臓の収縮・弛緩機構を細胞生物学的観点から理解することを目指して研究を進めてきた。発生期には遺伝学的手法により細胞運命決定の協調作用を解析し、維持期には環境変化に応答する細胞動態を捉えることで、臓器維持の基盤となるメカニズムの理解を進めてきた。血管維持機構についても、心臓と同様に細胞間相互作用の重要性に着目し、これまで情報伝達による制御機構だけでなく、細胞間接着の直接作用による制御機構についても解析を進めてきた。

　循環器疾患は、心臓・血管を構成する細胞群の障害によって臓器機能が低下することにより発症する。炎症反応や細胞死の誘導、さらに線維化の進行による機能低下などが複合的に関与し、結果として臓器としての機能が障害される。こうした病態は循環臓器に限らず他の臓器でも起こりうるが、循環器と他臓器との相互調節を解析するためには、生体全体を可視化できるモデルが有用である。成熟後も透明な透明魚を用いた研究は、臓器間相互作用や環境依存的な遺伝子発現変化を解析する上で有効なアプローチであると考えられる。

　さらに本研究部では、魚類モデルを用いた循環研究を継続しながら、マウスモデルを用いた pH 応答機構と循環器疾患との関連についての研究にも取り組み、循環系の恒常性制御と疾患発症機構の解明を目指している。

　また、共創の場のイメージングプラットフォームの運営にも関わり、最先端イメージング機器を活用した研究基盤の整備と共同研究支援を行ってきた。伊東、申の両名は本プラットフォーム事業の専任として活動しており、その貢献は非常に大きい。

【主な実験内容】

1. ゼブラフィッシュを用いた心臓・血管形成機構の生体イメージング解析
2. 透明魚 (Danionella cerebrum) を用いた成体循環臓器の恒常性維持機構および老化過程の解析
3. 循環臓器における細胞間相互作用および細胞間接着による制御機構の解析
4. マウスモデルを用いた pH 応答機構と循環器疾患との関連解析

1. 循環のための心臓と血管の接合機構の解明
   　心臓への流入路 (IFT：総主静脈) および流出路 (OFT：大動脈) が心臓と接続することで血液循環が開始される。本研究では、心内膜内皮細胞と大血管内皮細胞の接着機構に着目し、特に総主静脈と心内膜の接合においてCadherin-6 (Cdh6) が重要な役割を果たすことを明らかにした。従来、内皮細胞間接着にはVE-cadherin (Cdh5) が中心的と考えられてきたが、本研究によりType2 cadherinであるCdh6が両内皮細胞に発現し、ジッパー様構造による接着を形成することを見出した。さらに、Cdh6の内在的挙動を可視化するためにEGFPノックイン個体を作製し、心臓収縮に伴う張力および胚発生過程の前後軸伸長に伴う張力を感知し、アクチン・ミオシン収縮を介して接着を強化する機構を解明した。本成果はDevelopmental Cell誌に掲載された。

2. 初期発生におけるpH感受性脂質PIP2の膜内外転移機構の解明
   　初期発生において、細胞膜脂質phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) はアクチン制御蛋白質と相互作用し、細胞形態および集団運動を制御する重要な分子である。本研究では、細胞外pHの低下によりPIP2が脂質二重膜の内層から外層へ移動 (flop) することを見出した。さらに、この過程に必須の分子としてtransmembrane 9 superfamily member 3 (TM9SF3) を同定した。TM9SF3欠損ゼブラフィッシュでは、①集団的細胞運動の障害、②成長遅延、③出血傾向が認められた。また、TM9SF3ノックアウトマウスにおいても血管内皮特異的欠損と同様の表現型が確認され、肺形成および血管形成における重要性が示された。以上より、pH依存的な膜脂質ダイナミクスが発生および血管形成に果たす新たな役割を明らかにした。本成果はNature Communications誌に掲載された。

3. 脳毛細血管網における新生血管のターゲティング機構の解明
   　脳の毛細血管網形成において、新生血管が既存の標的血管へ正確に接続される機構は十分に理解されていなかった。本研究では、ゼブラフィッシュ脳血管をモデルとして、新生血管のターゲティング機構を解析した。その結果、ケモカイン受容体Cxcr4aとそのリガンドCxcl12bによるシグナルが、新生血管内皮細胞の方向性のある移動に必須であることを明らかにした。特に、Cxcr4a欠損では先端のTip細胞が方向性を失い、標的血管へのターゲッティングが阻害されることを明らかにしており、Cxcr4a–Cxcl12bシグナルが脳毛細血管網における新生血管のターゲティングを制御し、最適な血管網形成に寄与することを示した。本成果はCell Structure and Function誌に掲載され、表紙論文に選出された。