歯周病が脳のインスリン抵抗性及び認知機能障害に与える影響とそのメカニズムの解明

• Project/Area Number: 23K16821
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 59040:Nutrition science and health science-related
• Research Institution: Tohoku University (2024); Komatsu University (2023)
• Principal Investigator: 渡辺 数基 東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (10908073)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 歯周病 / 認知症 / 神経細胞 / RNA-seq / 脳 / グルコース代謝 / インスリン / 糖尿病 / インスリン抵抗性

Outline of Research at the Start

歯周病は加齢により増加し、歯槽骨の破壊を来す疾患であるが、様々な全身疾患を増悪させることが明らかとなっている。歯周病は脳の炎症性因子とアミロイドβ（Aβ）を増加させ、認知症のリスク因子となることが示唆されているが、脳のインスリン感受性やグルコース代謝、記憶形成関連因子にどのような影響を与えるかを評価した研究は乏しい。本研究では歯周病原細菌感染モデルを用いて記憶形成能を評価し、歯周病が脳のインスリン抵抗性や記憶形成関連因子に与える影響を調査する。歯周病の予防及び改善を通して脳のインスリン抵抗性やグルコース代謝を改善することが認知症の発症予防となる、というエビデンスを構築することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

歯周病は加齢により増加し、歯槽骨の破壊を来す疾患であるが、糖尿病など様々な全身疾患の増悪因子となることが明らかとなってきた。中でも認知症との関連が注目を集めており、歯周病患者は健常者と比較しアルツハイマー型認知症（AD）の発症リスクが約1.7倍になることが報告された。また歯周病原細菌であるPorphyromonas gingivalis (Pg)をマウスに投与すると認知機能が低下し、炎症性サイトカインや代表的なADの病理であるアミロイドβ（Aβ）の沈着が海馬において増加することが報告された。しかし一方で、歯周病原細菌感染が脳組織のインスリン感受性に与える影響に焦点を当てた報告は乏しいのが現状である。そこで本研究では、歯周病が神経系細胞のインスリンシグナルやグルコース代謝に与える影響を調査するとともに、記憶形成関連因子を低下させるかに着目して研究を行った。昨年度は主にヒト由来神経芽細胞腫であるSH-SY5Y細胞を用いて、Pg由来LPSの影響をin vitroの実験系にて調査した。RNA-seqによりPgにより影響を受ける遺伝子を網羅的に解析し、複数の発現変動遺伝子(DEGs, Differentially Expressed Genes)を同定した。本年度は発現が低下した遺伝子群を用いたPathway解析およびNetwork解析を主として行なった。Pathway解析では、PgはInsulin signaling pathwayに関連した遺伝子群に作用し、神経細胞に影響を与えている可能性が示された。またNetwork解析では神経新生に関連する遺伝子がハブ遺伝子として同定された。神経細胞におけるグルコース代謝や神経新生は記憶形成に密接な関連があるため、Pgはこれらの因子を介して記憶形成に影響を与えている可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

Pgによる影響の解明をタンパク質レベルで試みたが、細胞に添加する物質のTime courseの検討などで時間を要した。また研究開始当初は細胞へのグルコース取り込みを質量分析装置で行う予定であったが、共同研究者が所持する機器に不具合が生じたため、Flow Cytometryによるグルコース類似体に結合した蛍光物質の取り込みを測定する実験系に切り替える研究計画とした。

Strategy for Future Research Activity

PgがInsulin signalingに関連するタンパク質のリン酸化等を評価するとともに、CREBなど記憶形成に関連するタンパク質の発現をWestern blottingにより評価する。またグルコースの細胞内への取り込みを評価するために蛍光分子をグルコース類似体に結合した2-NBDGを用いて、Pgが細胞へのグルコース取り込みに与える影響を解析する。また研究成果の論文化を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Genetic analysis of impaired healing responses after periodontal therapy in type 2 diabetes: Clinical and in?vivo studies (2024)
  • Author(s): Nakagawa Keita、Watanabe Kazuki、Mizutani Koji、Takeda Kohei、Takemura Shu、Sakaniwa Eri、Mikami Risako、Kido Daisuke、Saito Natsumi、Kominato Hiromi、Hattori Atsuhiko、Iwata Takanori
  • Journal Title: Journal of Periodontal Research Volume: - Issue: 4 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1111/jre.13249
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Highly purified hypochlorous acid water facilitates glucose metabolism and memory formation in type 2 diabetic mice associated with altered-gut microbiota (2024)
  • Author(s): Watanabe Kazuki、Maruyama Yusuke、Mikami Risako、Komatsu Keiji、Kikuchi Kenji、Hotta Kunimoto、Yoshikawa Toshikazu、Ogasawara Kouetsu、Hattori Atsuhiko、Arakawa Shinichi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 14 Issue: 1 Pages: 16107-16107
  • DOI: 10.1038/s41598-024-67129-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] N1‐Acetyl‐5‐methoxykynuramine, which decreases in the hippocampus with aging, improves long‐term memory via CaMKII/CREB phosphorylation (2024)
  • Author(s): Watanabe Kazuki、Maruyama Yusuke、Iwashita Hikaru、Kato Haruyasu、Hirayama Jun、Hattori Atsuhiko
  • Journal Title: Journal of Pineal Research Volume: 76 Issue: 1
  • DOI: 10.1111/jpi.12934
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stanniocalcin in the Corpuscles of Stannius Inhibits the Osteoclastic Activation by Regulating the Rankl/Opg Expression (2023)
  • Author(s): Kouhei Kuroda Ajai K. Srivastav Akiko Suzuki Muhammad Ahya Rafiuddin Kenji Toyota Masato Endo Masato Honda Kazuki Watanabe Yusuke Maruyama Yoshiaki Tabuchi Atsuhiko Hattori Makoto Urata Hajime Matsubara Nobuo Suzuki
  • Journal Title: Journal of Biological Regulators and Homeostatic Agents Volume: 37 Pages: 5141-5149
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inhabiting Tubes of Beard Worms Discovered in the Deep Sea of Toyama Bay, Japan (2023)
  • Author(s): Shouzo Ogiso、Shion Ohshima、Hiroyuki Mishima、Kaito Hatano、Tomoki Takahashi、Hideto Tsutsui、Yasuhiro4 Morii、Nobuhiro Yamawaki、Ajai K Srivastav、Hajime Matsubara、Kazuki Watanabe、Jun Hirayama、Atsuhiko Hattori、Nobuo Suzuki
  • Journal Title: International Journal of Zoological Investigations Volume: 9 Issue: 2 Pages: 486-491
  • DOI: 10.33745/ijzi.2023.v09i02.055
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analysis of Seawater Toxicity at Five Concentrated Seawater Discharge Sites in Korea Using a Goldfish Scale-Based In Vitro Bioassay System (2023)
  • Author(s): Chun-Sang H Kuroda K Sato M Hatano K Watanabe K Hirayama J Sakatoku A Toyota K Rafiuddin MA Matsubara H Honda M Srivastav AK Sungjong L Suzuki N
  • Journal Title: Intern. J. Biol. Environ. Invest. Volume: 3 Pages: 1-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Melatonin is more effective on bone metabolism when given at early night than during the day in ovariectomized rats (2023)
  • Author(s): Miki Yukari、Seki Azusa、Mishima Hiroyuki、Maruyama Yusuke、Watanabe Kazuki、Kobayashi-Sun Jingjing、Kobayashi Isao、Kuroda Kohei、Oshima Shion、Okamoto Takeru、Matsubara Hajime、Srivastav Ajai K .、Tabuchi Yoshiaki、Hirayama Jun、Hattori Atsuhiko、Suzuki Nobuo
  • Journal Title: Melatonin Research Volume: 6 Issue: 2 Pages: 161-172
  • DOI: 10.32794/mr112500147
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The use of biosignal measurements for circadian clock evaluation (2023)
  • Author(s): Kawashima R , Suzuki I , Watanabe K , Fukuda T , Nogawa M , Hirayama J
  • Journal Title: Advances in Health and Disease. (Edited by Lowell T. Duncan) Nova Science Publishers. Volume: 66 Pages: 107-129
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Kynurenine promotes Calcitonin secretion and reduces cortisol in the Japanese flounder Paralichthys olivaceus (2023)
  • Author(s): Ikari T、Furusawa Y、Tabuchi Y、Maruyama Y、Hattori A、Kitani Y、Toyota K、Nagami A、Hirayama J、Watanabe K、Shigematsu A、Rafiuddin Muhammad Ahya、Ogiso S、Fukushi K、Kuroda K、Hatano K、Sekiguchi T、Kawashima R、Srivastav AK.、Nishiuchi T、Sakatoku A、Yoshida M、Matsubara H、Suzuki N
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 8700-8700
  • DOI: 10.1038/s41598-023-35222-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nocturnal melatonin increases glucose uptake via insulin-independent action in the goldfish brain (2023)
  • Author(s): Watanabe Kazuki、Nakano Masaki、Maruyama Yusuke、Hirayama Jun、Suzuki Nobuo、Hattori Atsuhiko
  • Journal Title: Frontiers in Endocrinology Volume: 14 Pages: 1173113-1173113
  • DOI: 10.3389/fendo.2023.1173113
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] daptation to the shallow sea floor environment of a species of marine worms, Oligobrachia mashikoi, generally inhabiting deep-sea water. (2023)
  • Author(s): Shouzo Ogiso, Kazuki Watanabe, Yusuke Maruyama, Hiroshi Miyake, Kaito Hatano, Jun Hirayama, Atsuhiko Hattori, Yukina Watabe, Toshio Sekiguchi, Yoichiro Kitani, Yukihiro Furusawa, Yoshiaki Tabuchi, Hajime Matsubara, Mana Nakagiri, Kenji Toyota, Yuichi Sasayama, Nobuo Suzuki.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 6299-6299
  • DOI: 10.1038/s41598-023-33309-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 歯周病原細菌Porphyromonas gingivalis由来LPSが神経細胞に与える影響の網羅的解析 (2024)
  • Author(s): 渡辺 数基、加藤 かれん、西屋敷 駿、Louisa Yokebed Bruel）、平山順、小笠原康悦
  • Organizer: 第76回日本細菌学会東北支部総会・学術大会
• [Presentation] Porphyromonas gingivalis 由来 LPS が神経芽細胞に 与える直接的影響の解析 (2024)
  • Author(s): 渡辺数基、小笠原康悦
  • Organizer: 第 66 回歯科基礎医学会学術大会
• [Presentation] Effects of staniocalcin, a blood calcium-regulating hormone, on osteoblasts and osteoclasts in goldfish scales. (2023)
  • Author(s): Kuroda, K , Srivastav, A.K , Suzuki, A , Rafiuddin, M.A , Toyota, K , Endo, M , Honda, M , Watanabe, K , Maruyama, Y , Tabuchi, Y , Hattori, A , Urata, M , Matsubara, H , Suzuki, N
  • Organizer: International Symposium: Environmental Issues in a Post-Covid 19 Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高血糖により引き起こされる骨疾患を解析するための高血糖モデル魚の開発 (2023)
  • Author(s): 黒田康平, 丸山雄介, 渡辺数基, 豊田賢治, 松原創, 平山順, 服部淳彦, 鈴木信雄
  • Organizer: 第47回日本比較内分泌学会大会
• [Presentation] Social contexts mediate reward systems in a cricket Gryllus bimaculatus (2023)
  • Author(s): Terao K, Kosaki Y, Maruyama Y, Watanabe K, Kataoka K, Hattori A, Matsumoto Y
  • Organizer: Non-Traditional Arthropod Model Systems: Studying Form and Function
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] メラトニン関連インドール化合物による最終糖化産物（AGEs）の架橋切断及び架橋形成阻害効果 (2023)
  • Author(s): 丸山 雄介, 渡辺 数基, 加藤 晴康, 服部 淳彦
  • Organizer: 第23回日本抗加齢医学会総会
• [Presentation] 記憶増強作用を持つメラトニン代謝産物AMKの低用量長期投与が記憶形成能と血中生化学パラメーターに与える影響 (2023)
  • Author(s): 渡辺数基, 丸山雄介, 平山順, 服部淳彦
  • Organizer: 第23回日本抗加齢医学会総会
• [Presentation] 糖尿病モデルラットにおける実験的歯周炎の治癒期の網羅的遺伝子発現解析 (2023)
  • Author(s): 中川佳太, 水谷幸嗣, 渡辺数基, 齋藤夏実, 竹村修, 坂庭愛理, 三上理沙子, 城戸大輔, 武田浩平, 小湊広美, 服部淳彦, 岩田隆紀
  • Organizer: 第66回春季日本歯周病学会学術大会