Pathophysiological significance of mechanisms underlying metabolic remodeling of hypertrophied heart

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K09568
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 磯 達也 群馬大学, 大学院医学系研究科, 研究員 (10400756)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大日方 英 群馬大学, 未来先端研究機構, 准教授 (50332557)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 心肥大 / 構造リモデリング / 代謝リモデリング / 脂肪酸代謝 / グルコース代謝 / 心不全

Outline of Annual Research Achievements

血行動態的負荷の増加によって心筋細胞肥大や間質線維化（構造リモデリング）が誘導される。心臓の構造リモデリングの分子機序に関して多くの研究がなされてきたが、エネルギー代謝変換（代謝リモデリング）の調節経路、および構造リモデリングと代謝リモデリングとの統合的な調節メカニズムについてはほとんど不明であった。申請者らは、脂肪酸取り込み障害と代償的なグルコース取り込みの亢進を呈するCD36ノックアウト（CD36KO）マウスに大動脈縮窄（TAC）による心肥大モデルを作成し、これらの疑問点にアプローチした。CD36KO-TACマウスでは、心収縮は低下し、心筋肥大と間質線維化は野生型より増強した。メタボローム・フラクソーム解析を用いて、肥大心筋では、高エネルギーリン酸（ATPとホスフォクレアチン）産生が低下しており、また、取り込まれたグルコースがTCA回路経由によるATP産生よりも、アミノ酸・脂質・核酸の生合成に優先的に利用されることを明らかにした。次に、この知見をさらに発展させ、心肥大が誘導される際、心筋細胞の細胞膜を構成する脂質二重層のグリセロリン脂質の脂肪酸が、「どこから供給されるのか（外因性か内因性か）」、「圧負荷病態下でその供給源が変化するのか」、「それらが障害された場合、心肥大形成・心不全進展にどのように影響するのか」について、外因性脂肪酸取り込み障害マウス・内因性脂肪酸合成障害マウス・外因性脂肪酸取り込み障害＋内因性脂肪酸合成障害マウスを用いて検討中である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

外因性脂肪酸取り込み障害モデルとしてCD36 KOマウスを準備した（全身KOマウス）。内因性脂肪酸合成障害モデルとして脂肪酸合成酵素(FASN)KOマウスを用意した（タモキシフェン誘導性の心臓特異的cFASN KOマウス）。両者の障害モデルとして、外因性取り込み障害モデルと内因性合成障害モデルを交配したマウス(CD36KO+cFASN KO)を作成した。交配が完了し、これらのマウスの心臓を（a）負荷のない状態と（b）TACによる圧負荷モデルを作成し、心機能を評価した。（a）負荷のない状態で6か月間観察したが、CD36KO, cFASN KO, CD36KO+cFASNKOともに、明らかな心臓の形態異常や心機能異常は認められなかった。（b）圧負荷モデル作成後、8週間心機能を評価した。CD36KOマウスでこれまでの観察と同様に心機能が低下し、CD36KO+cFASNKOでは、心機能がさらに低下した。cFASN KOでは、心機能低下傾向が認められるものの、コントロール群と比べて、有意差は認められなかった。現在、摘出した心臓の形態変化・タンパク発現変化・代謝変化・脂質二重層の組成変化について解析中である。4群のマウスの交配と、再現性のある圧負荷モデル作成に時間を要したため、予定よりやや遅延している。

Strategy for Future Research Activity

長鎖脂肪酸は、ATP産生のためのエネルギー基質として利用されるほか、脂質二重層（細胞膜、細胞内小器官）のグリセロリン脂質の主成分として利用される。今後の研究では、心機能変化のみられた上記のマウスを用いて、 (a)負荷のない場合、(b)TACによる圧負荷を加えた場合、組織変化・単離心筋形態・代謝・脂質二重層の脂質組成にどのような変化がみられるか、を明らかにする。
＜追加評価項目＞
心肥大・線維化の組織学的評価、メタボローム解析、18F-FDG（グルコーストレーサー）/125I-BMIPP（脂肪酸トレーサー）を用いた取り込み実験、代謝・心肥大・線維化などに関する遺伝子群のタンパク発現・mRNA発現の変化、酸化ストレス・シグナル伝達の指標の発現変化を比較検討する。
上記に加えて、本研究で最も重要な脂質成分の解析を実施する。脂質二重層のグリセロリン脂質（PC/PS/PE/PIの各クラスのリン脂質およびそれぞれのリゾ体）の組成（特にsn-1位とsn-2位の脂肪酸組成）と細胞内のアシルCoA組成がどのように変化するかを中心に解析する。脂肪酸取り込み障害や脂肪酸合成障害があるとアシルCoAの組成変化が生じ、そのアシルCoの組成変化がそのまま脂質二重層のグリセロリン脂質の組成変化に関連すると予想している。

Research Products

• [Journal Article] Exercise endurance capacity ismarkedly reduced due to impaired energy homeostasis during prolonged fasting inFABP4/5 deficient mice. (2019)
  • Author(s): Iso T, Haruyama H, Sunaga H, Matsui M, Matsui H, Tanaka R, Umbarawan Y, Syamsunarno MRAA, Yokoyama T, Kurabayashi M.
  • Journal Title: BMC Physiol. Volume: 19(1) Pages: 1-10
  • DOI: 10.1186/s12899-019-0038-6.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 心臓エネルギー代謝と圧負荷ストレス応答 (2019)
  • Author(s): 磯達也
  • Journal Title: 循環器内科 Volume: 85(3) Pages: 312-319
• [Journal Article] Therapeutic Vaccine Against S100A9 (S100 Calcium-Binding Protein A9) Inhibits Thrombosis Without Increasing the Risk of Bleeding in Ischemic Stroke in Mice (2018)
  • Author(s): Kawano T, Shimamura M, Nakagami H, Iso T, Koriyama H, Takeda S, Baba K, Sasaki T, Sakaguchi M, Morishita R, Mochizuki H.
  • Journal Title: Hypertension Volume: 72(6) Pages: 1355-1364
  • DOI: 10.1161/HYPERTENSIONAHA.118.11316.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Circulating FABP4 is eliminated by the kidney via glomerular filtration followed by megalin-mediated reabsorption (2018)
  • Author(s): Shrestha S, Sunaga H, Hanaoka H, Yamaguchi A, Kuwahara S, Umbarawan Y, Nakajima K, Machida T, Murakami M, Saito A, Tsushima Y, Kurabayashi M, Iso T
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 8(1) Pages: 16451
  • DOI: 10.1038/s41598-018-34902-w.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CD36 is indispensable for nutrient homeostasis and endurance exercise capacity during prolonged fasting (2018)
  • Author(s): Iso T, Haruyama H, Sunaga H, Matsui H, Matsui M, Tanaka R, Umbarawan Y, Syamsunarno MRAA, Putri M, Yamaguchi A, Hanaoka H, Negishi K, Yokoyama T, Kurabayashi M
  • Journal Title: Physiol Rep Volume: 6(19) Pages: e13884
  • DOI: 10.14814/phy2.13884.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Myocardial fatty acid uptake through CD36 is indispensable for sufficient bioenergetic metabolism to prevent progression of pressure overload-induced heart failure (2018)
  • Author(s): Umbarawan Y, Syamsunarno MRAA, Koitabashi N, Obinata H, Yamaguchi A, Hanaoka H, Hishiki T, Hayakawa N, Sano M, Sunaga H, Matsui H, Tsushima Y, Suematsu M, Kurabayashi M, Iso T
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 8(1) Pages: 12035
  • DOI: 10.1038/s41598-018-30616-1.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] AMPK-KLF4 Signaling Activated by the Change of Intracellular FA Composition Regulates Mitochondrial Integrity (2019)
  • Author(s): 今友里衣、松井弘樹、須永浩章、古川希、小板橋紀通、磯達也、横山知行、倉林正彦
  • Organizer: 第83回 日本循環器学会、横浜（パシフィコ横浜）
• [Presentation] Therapeutic Vaccine against S100A9 Inhibits Thrombosis without Increasing the Risk of Bleeding (2019)
  • Author(s): 中神啓徳、島村宗尚、河野友裕、磯達也、森下竜一
  • Organizer: 第83回 日本循環器学会、横浜（パシフィコ横浜）
• [Presentation] Deranged Fatty Acid Composition by Elovl6 Regulates Cardiac Inflammation and Fibrosis after Pressure Overload in Mice (2019)
  • Author(s): Saitoh M, Matsui H, Sunaga H, Umbarawan Y, Furukawa N, Koitabashi N, Iso T, Yokoyama T, Kurabayashi M
  • Organizer: 第83回 日本循環器学会、横浜（パシフィコ横浜）
• [Presentation] Serum Free Fatty Acid Composition as a Critical Regulator for Cardiac FGF21 Production in Patients with Acute Myocardial Infarction (2019)
  • Author(s): 須永浩章、小板橋紀通、松井弘樹、磯達也、船田竜一、笠間周、高間典明、長坂崇司、横山知行、倉林正彦
  • Organizer: 第83回 日本循環器学会、横浜（パシフィコ横浜）
• [Presentation] Activation of Cardiac AMPK-FGF21 Pathway during Acute Myocardial Infarction (2019)
  • Author(s): Sunaga H, Koitabashi N, Matsui H, Iso T, Funada R, Kasama S, Takama N, Nagasaka T, Yokoyama T, Kurabayashi M
  • Organizer: 第83回 日本循環器学会、横浜（パシフィコ横浜）
• [Presentation] Fatty Acids as Central Fuels for Overloaded Hearts: Estimation of Catabolism and Anabolism in vivo Pressure-overloaded Hearts (2019)
  • Author(s): 磯 達也, Umbarawan Y, Syamsunarno MR, 須永浩章、松井弘樹、小板橋紀通、倉林正彦
  • Organizer: 第83回 日本循環器学会、横浜（パシフィコ横浜）
• [Presentation] Circulating FABP4 is Eliminated by the Kidney via Glomerular Filtration followed by Megalin-mediated Reabsorption (2019)
  • Author(s): Iso T, Shrestha S, Sunaga H, Kurabayashi M
  • Organizer: 第83回 日本循環器学会、横浜（パシフィコ横浜）
• [Presentation] Genetic Deletion of Fatty Acid Synthase in Vascular Smooth Muscle Cell Ameliorates Monocrotaline-induced PAH in Mice (2019)
  • Author(s): 古川聡子、松井弘樹、須永浩章、古川希、小板橋紀通、磯達也、横山知行、倉林正彦
  • Organizer: 第83回 日本循環器学会、横浜（パシフィコ横浜）
• [Presentation] Circulating FABP4 is Eliminated by the Kidney via Glomerular Filtration followed by Megalin-mediated Reabsorption (2018)
  • Author(s): Shrestha S, Iso T, Sunaga H, Kurabayashi M
  • Organizer: CVMW2018心血管代謝週間、第35回国際心臓研究学会日本部会
• [Presentation] FGF21は急性心筋梗塞における心筋代謝ストレスを示す新たなバイオマーカーである (2018)
  • Author(s): 須永浩章、小板橋紀通、松井弘樹、磯達也、横山知行、村上正巳、倉林正彦
  • Organizer: CVMW2018心血管代謝週間、第40回心筋生検研究会
• [Presentation] Circulating FABP4 is removed by the Kidney via Glomerular Filtration and Megalin-mediated Reabsorption (2018)
  • Author(s): Iso T, Shrestha S, Sunaga H, Kurabayashi
  • Organizer: The 2nd JCS Council Forum on Basic Cardio Vascular Research（奈良春日野国際フォーラム）
• [Presentation] Elevation of Serum Fibroblast Growth Factor 21 in Patients With Acute Myocardial Infarction: A Potential Role of AMPK Activation Following Sympathetic Overdrive (2018)
  • Author(s): Sunaga H, Koitabashi N, Matsui H, Iso T, Yokoyama T, Kurabayashi M
  • Organizer: The 91st annual meeting of American Heart Association, McCormick Place, Chicago, USA
  • Int'l Joint Research