ECMOモデルにおける一酸化窒素および水素ガス添加による臓器障害の改善効果の検討

Research Project

Project/Area Number	22K09190
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 55060:Emergency medicine-related
Research Institution	Kitasato University
Principal Investigator	小林こず恵北里大学, 医療衛生学部, 講師 (60448975)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	小久保謙一北里大学, 医療衛生学部, 准教授 (20287965)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywords	ECMO（人工肺） / 生体適合性 / 一酸化窒素 / 水素 / 臓器障害
Outline of Research at the Start	体外循環による臓器障害を低減させ、心臓血管手術や血液透析などの体外循環を伴った治療を受ける患者の予後を改善させることである。その方法として、人工肺吹送ガスへのNOおよびH2ガスを添加する方法を用い、脳における酸化ストレスやアポトーシスの発生を低減できるかどうか明らかにすることを目的とする。本研究では、ラット体外式呼吸補助（Extracorporeal membrane oxygenation：ECMO）モデルにおいて、人工肺吹送ガスに一酸化窒素（NO）ガスおよび水素（H2）ガスを添加することにより、脳障害が軽減されるか検討を行う。
Outline of Annual Research Achievements	本研究の最終目的は、体外循環による臓器障害を低減させ、心臓血管手術や血液透析などの体外循環を伴った治療を受ける患者の予後を改善させることである。その方法として、人工肺吹送ガスへのNOおよびH2ガスを添加する方法を用い、脳における酸化ストレスやアポトーシスの発生を低減できるかどうか明らかにすることを目的とする。本研究では、ラット体外式呼吸補助（Extracorporeal membrane oxygenation：ECMO）モデルにおいて、人工肺吹送ガスに一酸化窒素（NO）ガスおよび水素（H2）ガスを添加することにより、脳障害が軽減されるか検討を行う。そのため、体外循環時の局所の血流障害による脳障害がどのような生体不適合反応により起こっているのか、また、それをNOやH2といった生理活性ガスを用いることで低減できるかどうか、局所臓器の血流障害の原因や実際の生体臓器と人工材料を使用したときの生体反応を比較検討する。本研究では、ラットECMOモデルにおいて、人工肺吹送ガスにNOとH2ガスを添加することにより、脳障害が軽減されるか検討を行う。体外循環時に局所臓器の虚血が起こり様々な臓器障害が起こることが知られているが、それを防ぐ方法は確立されていない。また人工肺におけるNOやH2放出の効果を判定するためには、in vivoでの実験が必要である。そこで、小型動物を用いたラットECMOモデルを用いて、人工肺のNOガスの効果を明らかにする本研究に着手した。それにより、臓器保護や抗炎症作用といった生体適合性改善の面でも効果が期待でき、救命救急領域においても有用であり、臨床的な意義も大きいと考えられる。現在、ラットECMO循環モデルによる6時間の循環とその後4時間放置し、炎症が強く起きる実験系を確立した。この実験系では、循環終了後2時間程度でIL-6の濃度が急激に上昇するモデルである。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 2022年度はECMO施行時のアポトーシスによる臓器障害（脳障害）の評価を中心に実験を行った。しかし、脳障害を評価するには測定するタイミングが早かったのではないかと考え、今後時間単位の延長ではなく循環実験後1日や2日といった日数単位で観察期間の延長を検討し、脳障害の評価を行う必要が生じたが、実験施設の環境上、延長は難しい事、動物倫理的に耐えがたい苦痛を与える可能性があることから、現段階では脳障害の評価が難しいと結論に至った。そこで2023年度は、まずは、体外循環で炎症が生じる時間帯を炎症反応の指標であるIL-6の濃度で確認することにした。その結果、6時間の体外循環後4時間以内にIL-6が急激に上昇することを明らかにした。また、実験では、血圧、酸素飽和度、IL-6の濃度から、人工肺との接触の有無にかかわらず体外循環そのものがデータに大きく影響すること、体外循環の終了方法（急に循環を止める）こともデータに大きく影響することが新たに分かった。しかし本来の計画では評価系の確立、評価方法の方針が確定し、NOやH2を人工肺吹送ガスに添加することにより、臓器障害が軽減されるか検討を行う予定だったが実際には評価系の確立、評価方法の方針に時間がかかり、進捗としてはやや遅れていると考える。
Strategy for Future Research Activity	現在、ラットECMO循環モデルによる6時間の循環とその後4時間放置し、炎症が強く起きる実験系を確立した。この実験系では、循環終了後2時間程度でIL-6の濃度が急激に上昇するモデルである。IL-6が上昇から全身性の炎症が起きていると考え、脳に限定するのではなく、腎臓、肝臓等の血流の多い臓器の炎症を評価することとする。研究代表者は他の研究として正常ラット透析モデルを用いた残存腎機能に関する研究を行っており、その際、透析4時間後のラット腎臓は、透析を行っていないラットの腎臓より腎うっ血、IL-6上昇、急性腎障害マーカーの上昇を確認している。そのため、ラットECMO循環モデルでも同様の現象またはそれ以上の変化がみられると考えられる。2024年は、確立したラットECMO循環モデルにNOやH2を人工肺吹送ガスに添加する実験群を入れて、臓器障害が軽減について評価することとする。また、脳障害に関しても、評価マーカーでは障害度が測れなかったが実際には起こっている可能性が考えられる。そこで、各臓器の動脈、静脈の血管の様子を摘出臓器の位相コントラストX線CT撮影した画像から3D画像処理を行い血管の走行、血管径等評価する。位相コントラストX線CT撮影は、高エネルギー加速器研究機構の施設で行う。それにより、血管系の変化が見られれば、炎症による影響が各臓器に起きている評価の1つとなる。位相コントラストX線CT撮影は、本研究期間ですべて終了できるかは不確定ではあるが、臓器内で起こる何らかの変化に関して傾向をつかみたい。