2015 Fiscal Year Research-status Report
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15K15045
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
石岡 憲昭 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (70184471)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石原 昭彦 京都大学, 人間・環境学研究科(研究院), 教授 (90184548)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 宇宙飛行 / 筋萎縮 / 人口冬眠 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
長期にわたる惑星間飛行と宇宙滞在は、骨格筋の萎縮や性質の変化(筋線維のタイプ移行や酸化能力の低下)や骨量減少を引き起こすため有人宇宙探査において解決すべき大きな課題の一つである。一方で、哺乳動物が長期にわたり動きを止めると骨格筋の萎縮や骨量減少が生じるが、冬眠動物であるヤマネやコウモリは、長期にわたる冬眠期間中に、筋萎縮や骨量減少は生じない。本研究では、冬眠 (低温環境への滞在を含む)による骨格筋や骨組織の変化を解析し、低体温誘導と耐性維持の分子機構を明らかにすることで長期の宇宙滞在を可能にする「人工冬眠」への応用を目指している。
初年度は①高磁場MRIイメージングにより冬眠直後と長期冬眠後の同一個体における骨格筋の状態を定量比較するために、マウスを用いて筋肉別に画像解析による定量化を撮像条件とともに検討した。その結果、複数の筋が起始停止する接合部付近での判別に検討を要するが、撮像範囲を絞ることで撮影時間が短縮され、筋などの軟部組織が明確に撮れることを明らかにした。画像解析は継続中である。
②アフリカヤマネの活動を制限した場合の骨格筋特性の変化と低温下15℃(他の哺乳動物が擬似冬眠できる低温状態) で4週間飼育して、それぞれ常温で通常飼育したアフリカヤマネとをサーモグラフによる皮膚温、前脛骨筋の重量、骨格筋の酸化系酵素 (SDH) 活性、筋線維のタイプ比、横断面積、ＳＤＨ染色強度を比較した。その結果、アフリカヤマネでも活動を制限すると骨格筋、筋線維で萎縮とSDH活性の減少が他の哺乳動物同様に認められた。一方、低温環境下では他哺乳動物には見られない皮膚温が環境温度の変化に従い変化することや骨格筋においてSDH活性の増大が認められ、有酸素的な代謝能力が増大することにより、低温時でも代謝を維持していることを示唆した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度は、①高磁場Magnetic Resonance Imaging (MRI) 生体イメージングにより、冬眠導入直後と長期間冬眠後の骨格筋、骨のイメージングから筋骨の状態を解析するための準備実験を実施したが、複数の筋が起始停止する接合部付近での判別が難しく検討が必要になり、準備実験としての画像がまだ解析中で初年度内に終了しなかった。しかしながら撮像範囲を絞ることで撮影時間を短縮し軟部組織を明瞭に取れることが確認され、骨格筋以外にも心筋の動きを比較解析できることが判明した。
②アフリカヤマネを低温環境（15℃）で飼育し飼育前後での筋骨格の状態を解析した結果、活動を制限するとマウス、ラット同様に筋の萎縮が観察され酸化系酵素であるSDH活性が減少することが明らかになる一方、低温環境下での飼育ではマウスでは環境温度に関係なく皮膚温（体温）を維持しているが、アフリカヤマネでは環境温度の変化に従いほぼ環境温度まで皮膚温（体温）を下げることを明らかにした。また、SDH活性が増大することが判明した。このことは有酸素的な代謝能力を増大し低温時の代謝を維持していると考えられ、その結果、冬眠時の筋萎縮を防いでいる可能性が示唆された。
③オミックス解析を目指し、次年度に向けての遺伝子解析の準備を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
冬眠動物の骨格筋についての先行研究は、コウモリの冬眠前後で分析を行い、冬眠後に骨格筋に萎縮が認められなかったこと、さらに、筋萎縮の抑制にはheat shock protein 70 (HSP70) が関係していることを明らかにしている。しかしながら、筋萎縮を抑制している遺伝子は1種類だけ (HSP70) とは限らず、複数の遺伝子が相互に関係していると推察される。また、初年度の低温飼育実験の結果から代謝の維持に関する遺伝子群、特に骨格筋の機能や代謝に関係するマーカー遺伝子 (PPARα、PPARδ/β、PGC-1α、FOXO1、FOXO3、HRPsなど)の変化が大きく関わっていると考えられる。そこで、アフリカヤマネ、ラット、マウスを１５℃ (低温：他の哺乳動物が擬似冬眠できる低温状態)の環境で飼育して仮冬眠にした群（実験群）と２５℃（常温）の環境で飼育した対照群に分け、HSP、FOXO1、PGC-1α等、骨格筋の機能、代謝に関わる遺伝子群の発現を解析する。
一方、最近の筋肉の老化や筋疾患進行の際に見られる機能性組織の萎縮には、幹細胞恒常性の変化が関わり、筋再生に重要な調節経路であるJAK-STAT（Janus kinase-signal transducer and activator of transcription）シグナル伝達を標的にすると、消耗性筋萎縮のさまざまな症状が軽減されるとの報告がある。また冬眠動物の寿命が比較的長いことから、冬眠に伴う抗老化に関する情報を得るために、冬眠と老化に関わる遺伝子群や筋再生調節経路と合わせてデータを解析する。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた実験動物の新規購入や餌等の飼育および組織化学研究関連の試薬類を購入する計画で研究分担者へ配分したが、研究分担者の研究室で飼育している既存の動物、試薬で実験を実施できたため、新規購入を次年度として持ち越した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は、匹数を多くしてアフリカヤマネ、マウス、ラットの低温飼育実験を予定しており、初年度同様に動物飼育と試薬類を購入する計画である。
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