Elucidation of the mechanism of mitochondrial disease cell death inhibition and drug discovery

• Project/Area Number: 20H03648
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52050:Embryonic medicine and pediatrics-related
• Research Institution: Jichi Medical University
• Principal Investigator: Osaka Hitoshi 自治医科大学, 医学部, 教授 (90426320)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 秋山 泰 東京工業大学, 情報理工学院, 教授 (30243091) ; 山口 雄輝 東京工業大学, 生命理工学院, 教授 (50345360)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2020: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
• Keywords: アポモルフィン / ミトコンドリア病 / パーキンソン病 / アルツハイマー病 / 非アルコール性脂肪性肝疾患 / ミトコンドリア / Leigh脳症 / MELAS / 酸化ストレス / 細胞死 / フェロトーシス

Outline of Research at the Start

ミトコンドリアは生体内ATP産生の中心であり、ミトコンドリア呼吸鎖複合体は、好気的代謝により、生体内が必要とするATPの大半を産生する。ミトコンドリア病とは、主として呼吸鎖複合体の遺伝性疾患であり、約1万人あたり1人と、頻度の高い遺伝性疾患である。
今回の研究では、各種誘導体を合成し、Apomorphineの細胞保護作用と①ATP産生上昇、②mTOR抑制、③炎症性サイトカインの抑制、④D-Rアゴニスト作用との関係を明らかにし、Apomorphineの細胞保護作用に必要な特性が①～④のいずれかを明らかにする。またApomorphineの結合蛋白を同定することにより、Apomorphineの細胞保護作用経路を明らかにし、同時に新規ミトコンドリア病治療薬を得る。

Outline of Final Research Achievements

We found that apomorphine inhibits BSO-induced cell death by inhibiting ferotosis and, as a molecular mechanism, binds to and activates the enzyme X, reducing NADH stress seen in mitochondrial diseases and improving mitochondrial function. Furthermore, since the ferotosis inhibitory effect of apomorphine is different from that of dopamine agonists, we synthesized and explored apomorphine derivatives without dopamine receptor binding ability, and created a number of ferotosis inhibitors with reduced side effects caused by dopamine agonist activity. The research results were compiled and a patent application was filed.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

アポモルフィンおよび誘導体は、ミトコンドリア機能低下にともなうATP産生能を改善し、フェロトーシス、還元ストレス上昇、炎症の指標を有意に改善させることを見出した。またその分子基盤として酵素Ｘの活性化にあることを見出した。アポモルフィンおよび誘導体は、ミトコンドリア病のみならず、加齢によるミトコンドリア機能低下と関連した疾患、アルツハイマー病やパーキンソン病、非アルコール性脂肪性肝疾患等における有効性が期待される。実際に共同研究により、これらの疾患群への有効性を示しつつある。これらの成果により新しい機序に基づいた日本発の新薬創成が可能となった。

Research Products

• [Journal Article] Total and reduced/oxidized forms of coenzyme Q10 in fibroblasts of patients with mitochondrial disease (2023)
  • Author(s): Watanabe, C., Osaka, H., Watanabe, M., Miyauchi, A., Jimbo, E. F., Tokuyama, T., Uosaki, H., Kishita, Y., Okazaki, Y., Onuki, T., Ebihara, T., Aizawa, K., Murayama, K., Ohtake, A., & Yamagata, T.
  • Journal Title: Mol Genet Metab Rep Volume: 34 Pages: 100951-100951
  • DOI: 10.1016/j.ymgmr.2022.100951
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Case of Infantile Mitochondrial Cardiomyopathy Treated with a Combination of Low-Dose Propranolol and Cibenzoline for Left Ventricular Outflow Tract Stenosis (2022)
  • Author(s): Shimozawa, H., T. Sato, H. Osaka, A. Takeda, A. Miyauchi, N. Omika, Y. Yada, Y. Kono, K. Murayama, Y. Okazaki, Y. Kishita and T. Yamagata
  • Journal Title: International Heart Journal Volume: 63 Issue: 5 Pages: 970-977
  • DOI: 10.1536/ihj.21-859
  • ISSN: 1349-2365, 1349-3299
  • Year and Date: 2022-09-30
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Valine-restricted diet for patients with ECHS1 deficiency: Divergent clinical outcomes in two Japanese siblings (2021)
  • Author(s): Sato-Shirai, I. Ogawa, E. Arisaka, A. Osaka, H. Murayama, K. Kuwajima, M. Watanabe, M. Ichimoto, K. Ohtake, A. Kumada, S.
  • Journal Title: Brain Dev Volume: 43 Issue: 2 Pages: 308-313
  • DOI: 10.1016/j.braindev.2020.10.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Valine metabolites analysis in ECHS1 deficiency (2021)
  • Author(s): Kuwajima M, Kojima K, Osaka H, Hamada Y, Jimbo E, Watanabe M, Aoki S, Sato-Shirai I, Ichimoto K, Fushimi T, Murayama K, Ohtake A, Kohda M, Kishita Y, Yatsuka Y, Uchino S, Mimaki M, Miyake N, Matsumoto N, Okazaki Y, Ogata T, Yamagata T, Muramatsu K.
  • Journal Title: Molecular Genetics and Metabolism Reports Volume: 29 Pages: 100809-100809
  • DOI: 10.1016/j.ymgmr.2021.100809
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Leigh syndrome-like MRI changes in a patient with biallelic HPDL variants treated with ketogenic diet (2021)
  • Author(s): Numata-Uematsu Yurika、Uematsu Mitsugu、Yamamoto Toshiyuki、Saitsu Hirotomo、Katata Yu、Oikawa Yoshitsugu、Saijyo Naoya、Inui Takehiko、Murayama Kei、Ohtake Akira、Osaka Hitoshi、Takanashi Jun-ichi、Kure Shigeo、Inoue Ken
  • Journal Title: Molecular Genetics and Metabolism Reports Volume: 29 Pages: 100800-100800
  • DOI: 10.1016/j.ymgmr.2021.100800
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Validation of a mitochondrial RNA therapeutic strategy using fibroblasts from a Leigh syndrome patient with a mutation in the mitochondrial ND3 gene (2020)
  • Author(s): Yamada Y, Somiya K, Miyauchi A, Osaka H, Harashima H
  • Journal Title: Sci. Rep Volume: - Issue: 1 Pages: 7511-7511
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64322-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ミトコンドリア病診療マニュアル 2023 のアウトライン (2023)
  • Author(s): 小坂仁
  • Organizer: 第21回ミトコンドリア病学会年会
  • Invited
• [Presentation] ミトコンドリア病に対するアポモルフィン誘導体の有効性の検討 (2023)
  • Author(s): 小林 瑞、宮内 彰彦、神保 恵理子、山形 崇倫、小坂 仁
  • Organizer: 第21回ミトコンドリア病学会年会
• [Presentation] The Redox State of Coenzyme Q10 in Mitochondrial Disease Patients (2022)
  • Author(s): Chika Watanabe, Hitoshi Osaka, Miyuki Watanabe, Akihiko Miyauchi, Eriko F. Jimbo Yoshihito Kishita, Yasushi Okazaki, Kei Murayama, Akira Ohtake, Takanori Yamagata
  • Organizer: The 63rd Annual Meeting of the Japanese Society for Inherited Metabolic Diseases
• [Presentation] アポモルフィンのフェロトーシス制御によるミトコンドリア病治療 (2021)
  • Author(s): 宮内彰彦、渡邊知佳、小林瑞、山田直也、神保恵理子、高橋将文、山形崇倫、小坂仁
  • Organizer: 第20回ミトコンドリア病学会年会
• [Presentation] ミトコンドリア創薬 (2021)
  • Author(s): 小坂 仁、宮内彰彦、
  • Organizer: 第20回ミトコンドリア病学会年会
• [Presentation] Update on clinical trials in Leigh syndrome (2021)
  • Author(s): Osaka H.
  • Organizer: 258th ENMC International Workshop on Leigh syndrome spectrum
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Pre-clinical trials of Apomorphine for Leigh syndrome (2021)
  • Author(s): Osaka H
  • Organizer: 258th ENMC International Workshop on Leigh syndrome spectrum
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 原発性 CoenzymeQ10 欠乏症の早期診断系確立と病態解析 (2021)
  • Author(s): 渡邉知佳，宮内 彰彦，渡邊 美有紀，神保 恵理子，今澤 俊，村山 圭，大竹 明，山形 崇倫，小坂 仁
  • Organizer: J-mit 特別オンラインシンポジウム
• [Presentation] ECHS1欠損症患者における尿中代謝物の解析 (2020)
  • Author(s): 桑島真理、小坂仁、白井育子、濱田悠介、市本景子、村山圭、山形崇倫
  • Organizer: 第123回 日本小児科学会
• [Presentation] 皮膚線維芽細胞を用いた原発性コエンザイムQ10欠乏症の診断方法確立 (2020)
  • Author(s): 渡邉知佳，小坂仁，村山圭，大竹明，山形崇倫
  • Organizer: 第123回 日本小児科学会
• [Book] アポモルフィンのLeigh脳症に対する治療(柳茂、三牧正和編 ミトコンドリア疾患治療の新時代) (2023)
  • Author(s): 小坂仁、宮内彰彦
  • Total Pages: 7
  • Publisher: 実験医学