脳のクリアランス促進による恒常性維持機構の解明

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K14859
• Research Institution: Ochanomizu University
• Principal Investigator: 毛内 拡 お茶の水女子大学, 基幹研究院, 助教 (90708413)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 脳梗塞 / 光血栓法 / アドレナリン受容体 / 細胞外カリウムイオン / 脳脊髄液 / アストロサイト / アクアポリン

Outline of Annual Research Achievements

脳卒中や外傷性脳損傷などの脳血管障害では、多くの場合、障害発生部位のみならず健康な部位にまで損傷が拡大してしまう二次的損傷が起こる。損傷拡大には、脳血管障害の超急性期に繰り返し生じる拡延性脱分極が関与している。拡延性脱分極の発生には、主に脳内のカリウムイオン（K＋）濃度の急上昇が引き金となる。脳血管障害の一種である虚血性脳卒中では、梗塞によって生じる虚血が組織の壊死を引き起こす。現在利用されている脳梗塞の治療法は、血栓溶解剤や脳保護薬などの対処療法であり、細胞外K＋濃度の正常化を標的とした具体的な治療法の開発が喫緊の課題となっていた。
脳は、頭蓋骨の中で脳脊髄液に浸っている。脳脊髄液は、ナトリウムイオン（Na＋）やK＋をはじめとするさまざまなイオンが含まれており、健常状態にある脳では各イオン濃度は一定に保たれている。脳脊髄液は頭蓋内を循環し、その動態が脳機能の恒常性に重要な役割を果たしていると考えられるが、その詳細は完全には解明されていない。
我々は、これまで脳脊髄液の動態に、水分子の動態が関与することに着目して研究を進めてきた。今年度は、脳脊髄液を脳組織内へ浸潤させる機序に、水分子の透過を担う「アクアポリン4」が関与する検証実験を行った。
また脳脊髄液の動態に、神経伝達物質のノルアドレナリンが関与している可能性がある。これまで、アドレナリン受容体を阻害することによって、脳脊髄液の浸潤が促進されることが報告されている。さらに脳梗塞の直後、脳のノルアドレナリン濃度が急激に増加することが知られている。これまで、脳梗塞の超急性期においてアドレナリン受容体に着目した研究結果は断片的に報告されていたが、統一的な見解は得られていなかった。
これまでに我々は、アドレナリン受容体を阻害することで、脳脊髄液の浸潤を促進し、脳梗塞後の細胞外K＋濃度の正常化を図れると予想している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は、以下の論文を出版した。
1.H. Mestre*, LM. Hablitz*, ALB. Xavier*, W. Feng*, W. Zou*, T. Pu*, H. Monai*, G. Murlidharan*, RM. Castellanos Rivera*, MJ. Simon*, MM. Pike*, V. Pla*, T. Du*, BT. Kress*, X. Wang, BA. Plog, AS. Thrane, I. Lundgaard, Y. Abe, M. Yasui, JH. Thomas, M. Xiao, H. Hirase, A. Asokan, JJ. Iliff, M. Nedergaard, Aquaporin-4-dependent glymphatic solute transport in the rodent brain, eLife, 2018;7:e40070, *These authors contributed equally to this work.
ロチェスター大学メディカルセンター（アメリカ合衆国）を中心とした6カ国（アメリカ合衆国、デンマーク、スウェーデン、ノルウェー、中国、日本）14機関が連携、参画した共著論文。脳脊髄液の動態に、水分子の動態が関与することに着目して研究。脳脊髄液を脳組織内へ浸潤させる機序に、水分子の透過を担う「アクアポリン4」という膜タンパク質（チャネル分子）が関与する検証実験を担った。

Strategy for Future Research Activity

レーザーを用いた光血栓法によって、大脳皮質に局所的に脳梗塞を生じる脳梗塞モデルマウスを作製し、アドレナリン受容体の阻害薬の効果を調べた。24時間後に脳の損傷を評価するTTC染色を行った結果、アドレナリン受容体の阻害薬を投与しないマウスでは、レーザーを照射した面積よりも損傷部位が広がっていた。一方、マウスにアドレナリン受容体の阻害薬をあらかじめ投与した場合は、損傷を最小限に食い止められることを見いだした。
また、右側大脳皮質に梗塞をおこしたマウスを透明な円柱の中で自由に行動させ、つかまり立ちをする際に使用する前肢の使用パターンを観察した（シリンダー試験）。その結果、マウスは脳梗塞後2日間にわたって、左側皮質が支配する右前肢を使用する頻度が上昇した。一方、アドレナリン受容体の阻害薬を事前に投与したマウスでは、左右の前肢の使用頻度に差は見られなかった。これにより、アドレナリン受容体の阻害薬の事前投与は、行動試験による運動機能の回復にも有効であることが分かった。
次に、脳梗塞に伴う脳内の水の動きの変化を詳しく調べるために、主にアストロサイトに発現するアクアポリン4の免疫組織化学染色により、脳内のアクアポリン4の分布を可視化した。その結果、脳梗塞3時間後では、損傷部位でアクアポリン4の標識が約6割減少していた。一方、アストロサイトにだけ発現している別のタンパク質（GLAST）の発現には変化が見られなかった。このことは、アクアポリン4の減少が細胞死によるものではないことを示唆している。一方、アドレナリン受容体の阻害薬を事前に投与すると、アクアポリン4の標識が維持されることを見いだした。
しかしながら、アドレナリン受容体がアクアポリン4の標識を維持する詳細な分子メカニズムは未解明である。今後、生化学的手法や蛍光イメージング法等を用いて解明する

Causes of Carryover

研究設備費として、蛍光実態顕微鏡、電算機器を申請する予定である。また、すでに３件の海外出張が決まっており、当該研究に関連する国際共同研究を行う予定である。その他に、国際会議に出席し、情報収集を行う。国内出張では、共同研究機関である理化学研究所や神戸大学、慶應義塾大学等に出向き、共同研究を行う。また、複数の国内学会に参加予定である。資料整理や研究補助をお願いする予定であり、謝金として申請する。また消耗品として、試薬・抗体・マウスを申請し、その他として、マウスの飼育費用、および論文投稿費用を申請する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ロチェスター大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ロチェスター大学
• [Journal Article] A spherical aberration-free microscopy system for live brain imaging (2018)
  • Author(s): Ue Yoshihiro、Monai Hiromu、Higuchi Kaori、Nishiwaki Daisuke、Tajima Tetsuya、Okazaki Kenya、Hama Hiroshi、Hirase Hajime、Miyawaki Atsushi
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 500 Pages: 236～241
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.04.049
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Aquaporin-4-dependent glymphatic solute transport in the rodent brain (2018)
  • Author(s): H. Mestre*, LM. Hablitz*, ALB. Xavier*, W. Feng*, W. Zou*, T. Pu*, H. Monai*, G. Murlidharan*, RM. Castellanos Rivera*, MJ. Simon*, MM. Pike*, V. Pla*, T. Du*, BT. Kress*, X. Wang, BA. Plog, AS. Thrane, I. Lundgaard, Y. Abe, M. Yasui, JH. Thomas, M. Xiao, H. Hirase, A. Asokan, JJ. Iliff, M. Nedergaard
  • Journal Title: eLife Volume: 7 Pages: e40070
  • DOI: 10.7554/eLife.40070
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Adrenergic receptor antagonism induces neuroprotection and facilitates recovery from acute ischemic stroke (2019)
  • Author(s): H. Monai, X. Wang, K. Yahagi, N. Lou, H. Mestre, Q. Xu, Y. Abe, M. Yasui, Y. Iwai, M. Nedergaard, H. Hirase
  • Organizer: 第9回アジア・オセアニア生理学会連合大会 FAOPS2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 健康な脳の鍵を握る脳の中のメタコミュニケーション (2019)
  • Author(s): 毛内拡
  • Organizer: 国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構 放射線医学総合研究所 脳機能イメージング研究部セミナー
  • Invited
• [Presentation] 健康な脳を支え、守る、グリア細胞の働き (2018)
  • Author(s): 毛内拡
  • Organizer: 第3回 お茶の水女子大学ヒューマンライフイノベーション研究所 公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Adrenergic receptor antagonism induces neuroprotection and facilitates recovery from acute ischemic stroke (2018)
  • Author(s): H. Monai, X. Wang, K. Yahagi, N. Lou, H. Mestre, Q. Xu, Y. Abe, M. Yasui, Y. Iwai, M. Nedergaard, H. Hirase
  • Organizer: Society for Neuroscience Annual meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Macroscopic neuroglial imaging of pathological states using a G-CaMP Tg mouse (2018)
  • Author(s): H. Monai and H. Hirase
  • Organizer: 研究拠点形成事業 Young Glia/ SPP1757
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脳の中のメタコミュニケーション～ニューロン以外の要素が知性をつくる！？～ (2018)
  • Author(s): 毛内拡
  • Organizer: 東京薬科大学 生命科学部 創立25周年記念シンポジウム
• [Presentation] 脳虚血超急性期の細胞外カリウムイオン濃度正常化における水チャネル AQP4 の関与 (2018)
  • Author(s): H. Monai, X. Wang, K. Yahagi1, N. Lou, H. Mestre, Q. Xu, Y. Abe, M. Yasui, Y. Iwai, M. Nedergaard, H. Hirase
  • Organizer: 第61回日本神経化学会大会・第40回日本生物学的精神医学会
• [Presentation] 深部微細構造を鮮明かつ定量的にイメージングする自動球面収差補正システム (2018)
  • Author(s): 上 喜裕, 毛内 拡, 樋口 香織, 西脇 大介, 田島 鉄也, 岡咲 賢哉, 濱 裕, 平瀬 肇, 宮脇 敦史
  • Organizer: 第27会 日本バイオイメージング学会年次大会
• [Presentation] Adrenergic receptor antagonism induces neuroprotection and facilitates recovery from acute ischemic stroke (2018)
  • Author(s): H. Monai, X. Wang, K. Yahagi, N. Lou, H. Mestre, Q. Xu, Y. Abe, M. Yasui, Y. Iwai, M. Nedergaard, H. Hirase
  • Organizer: 第41回日本神経科学大会
• [Remarks] 毛内研究室（生体組織学）
  • URL: http://www-p.sci.ocha.ac.jp/bio-monai-lab/achievement.html
• [Remarks] hi-rom.brain
  • URL: https://sites.google.com/site/hirombrain/achievement?authuser=0