ミトコンドリア機能および筋細胞内脂肪に着目した疼痛発生メカニズムの解明

• Project/Area Number: 23K08645
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 56020:Orthopedics-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 高島 弘幸 北海道大学, 保健科学研究院, 准教授 (90608738)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 黄金 勲矢 札幌医科大学, 医学部, 講師 (10724073)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2027: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000); Fiscal Year 2026: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: MR spectroscopy / intra-myocellular lipid / mitochondria / ミトコンドリア / 疼痛 / 筋細胞内脂肪

Outline of Research at the Start

我々はMRSを用いて筋細胞内脂肪 (IMCL)および筋細胞外脂肪 (EMCL)について解析し、慢性腰痛患者の多裂筋では、IMCLが有意に上昇していることを世界で初めて発見した。ミトコンドリア機能の低下に伴うIMCLの上昇が遊離脂肪酸の蓄積および脂肪細胞の肥大化を惹起し、アディポサイトカイン産生調節機構が破綻することで炎症状態が促進し、疼痛の慢性化につながると考えている。本研究では、ミトコンドリアDNA（mtDNA）変異体マウスを用いて、IMCLおよびアディポサイトカイン産生調節機構と疼痛の行動学的評価との関連から疼痛の発生および慢性化のメカニズムの解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

我々は、慢性腰痛患者の傍脊柱筋の脂肪変性をMRSを用いて詳細に分析し、多裂筋のIMCLが有意に上昇していることを明らかにした。しかしながら、なぜIMCLが腰痛およびその慢性化と関連があるかは明らかにできていない。IMCLは、ミトコンドリア内でエネルギーとして利用され、2型糖尿病やインスリン抵抗性と関連があることが報告されている。我々は、ミトコンドリア機能の低下に伴うIMCLの上昇が遊離脂肪酸の蓄積および脂肪細胞の肥大化を惹起し、アディポサイトカイン産生調節機構が破綻することで炎症状態が促進され、疼痛の慢性化につながるという仮説をたて、動物実験を計画した。
これらの仮説を証明するために、ミトコンドリア機能不全を引き起こすモデルマウスとして、DNAポリメラーゼγ遺伝子 (Polg)のN末端「プルーフリーディング」エキソヌクレアーゼ領域に変異を有するPOLGマウスを使用する。
はじめにマウスの骨格筋のMRSによるIMCLが取得可能かを医歯学総合研究棟に配置されているSiemens社製 MAGNETOM Prisma 3Tを用いてファントムスキャンを繰り返し行った。VOIサイズの検討を中心に何度も検討を行ったが、マウスの筋のサイズ内でIMCLを計測することがどうしても困難であり、本装置の使用をあきらめざるを得なかった。現在、小動物（マウスおよびラット）用MRI（Bruker社製 Biospin 7T）を最も近場で所持している札幌医科大学教育機器センターで研究を行う手続きを進めている。
さらに、POLGマウスの繁殖方法について、スタンフォード大学と情報交換を行い、繁殖時の交配の手順などについて議論を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

北海道大学医歯学総合研究棟に設置されている臨床用MRIであるSiemens社製 MAGNETOM Prisma 3Tを用いて、モデルマウスのMRSを行うことが可能か、まずはファントムを用いて検討を行った。Wisterラットの下肢筋のMRSを行う場合のVOIサイズは1.5×1.5×2.0mmであったことから、さらに小さなマウスの場合は、1.0×1.0×1.5mmを想定して条件設定を行った。しかし、様々な検討を試したものの臨床用MRIでは安定したスペクトルが得られないことがわかった。マウスの安定したMRSを行い、IMCLを計測するためには、高い磁場強度が必要と考え、札幌市内で小動物用MRI（Bruker社製 Biospin 7T）が設置されている場所を確認したところ、札幌医科大学にあることがわかった。現在、札幌医科大学でMRSデータを取得するための手続きを進行中であり、令和６年度は、IMCLのデータ取得が可能になると考えている。同時に、POLGマウスの繁殖についても、スタンフォード大学から有益な情報を取得できたため、令和６年度は、POLGマウスの繁殖とともに、小動物用MRIでIMCLのデータ取得を行っていく。

Strategy for Future Research Activity

札幌医科大学の小動物用MRIおよび整形外科学講座の設備を利用し、研究を進めていく。