How to predict the collapse of homeostasis in circulatory regulation

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18KT0073
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 石川 義弘 横浜市立大学, 医学研究科, 教授 (40305470)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤田 孝之 横浜市立大学, 医学部, 講師 (40468202) ; 横山 詩子 横浜市立大学, 医学部, 准教授 (70404994) [Withdrawn] ; 梅村 将就 横浜市立大学, 医学部, 助教 (50595353) ; 齋藤 純一 横浜市立大学, 医学部, 助教 (30779301) [Withdrawn]
• Project Period (FY): 2018-07-18 – 2021-03-31
• Keywords: 心筋細胞 / アデニル酸シクラーゼ / カルシウム / 不整脈 / 数理モデル

Outline of Annual Research Achievements

心機能制御の中心は交感神経である。神経シナプス末端から分泌されたノルアドレナリンが、心筋膜表面上のベータ受容体に結合して、刺激性Ｇ蛋白質を活性化する。Ｇ蛋白質はアデニル酸シクラーゼ酵素を刺激して、ATPを基質にセカンドメッセンジャーcAMPを産生する。心筋細胞内cAMPの上昇は、Ｌ型カルシウムチャネルをはじめ、フォスフォランバンなどの収縮関連蛋白をリン酸化し、カルシウムの細胞内流入が増やすとともに、収縮蛋白のカルシウム感受性を増す。本申請では、交感神経による機能制御として、心筋細胞におけるカルシウムとcAMPシグナルの数理的な制御解析を対象として、不整脈に代表される循環制御における恒常性の破たんを数理科学的に予測するシステムとして確立する。我々が過去四半世紀にかけて積み上げてきた薬理学的かつ分子生物学的実験などの結果を、複雑系の数理科学的な概念と方法で統合し、不整脈をはじめとする疾患モデル解析に統合していく。本研究の具体的な内容は、これまで独立した研究対象となってきたcAMP産生機構とカルシウム調節機構を、数理科学モデル研究において生体システムとして統合することであり、不整脈予測モデルとして開発することである。とりわけ両機構の主体をなすアデニル酸シクラーゼとその下流の分子、さらには電位依存性Ｌ型カルシウムチャネルに標的をあて、カルシウムとcAMPをメッセンジャーとして両者の活動が時間的・空間的にどのような制御を受けるのかを数理的に検証し、そのクロストークの乱れがホメオスタシスの破たんとなり、不整脈などの疾患発症となると考えている。とくに交感神経の過剰緊張や心不全時の圧負荷が重要と考える。我々の研究室では、時間空間的な物理因子に加えて、遺伝子発現あるいは欠損による酵素分子の量的変動を、薬理的な手法を駆使して細胞および個体レベルで検討する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では交感神経による機能制御として、心筋細胞におけるカルシウムとcAMPシグナルの数理的な制御解析を対象として、不整脈に代表される循環制御における恒常性の破たんを数理科学的に予測するシステムとしての実験を進めている。まずは多様な不整脈の中から、もっとも頻回にみられる心房細動をモデルとした。心房細動はマウスモデルでは実現が困難とされてきたが、我々の研究室では、マウスに対して経食道的に心房に対してオーバーペーシングを行い、サプレッション後に心房細動を誘発させるモデルを検討した。旧来の不整脈モデルでは心房細動は誘発されるものの、持続時間が数秒程度と短いため、一般論における心房細動を不整脈と考えた場合の抑制試験が組みにくい。そこで我々は、マウスにおける交感神経と副交感神経の均衡を乱すためにノルアドレナリンを投与し、その後に経食道的なオーバーペーシングを施行した。自律神経系のバランスを交感神経優位に傾けることによって、従来の数秒程度の不整脈の持続が、数分~十分程度に延長することに成功した。ノルアドレナリンは、心筋細胞内のカルシウム流入を助長させることから、カルシウムとcAMPシグナルの均衡の破綻が、不整脈の悪化を引き起こしたと考えられた。我々はさらに様々な遺伝子操作動物において、カルシウムシグナル変化を観察したが、cAMPシグナルの下流分子の一つであるEpacの欠損によって、小胞体におけるカルシウム変動の減少を確認することができた。カルシウムの過負荷は不整脈を引き起こすことから、Epacシグナルの遺伝子的な欠損乃至、薬理学的な抑制が有効であることが推測された。数理モデルをもちいて、Epac機能の欠損状態が及ぼす効果を推測した場合においてもカルシウムシグナルの減弱が予測された。このことはEpac分子が不整脈予防の標的となりうることを示唆する。

Strategy for Future Research Activity

最終到達目標は、これまで独立した研究対象となってきたcAMP産生機構とカルシウム調節機構を、数理科学モデル研究において生体システムとして統合することであり、不整脈予測モデルとして開発することである。とりわけ両機構の主体をなすアデニル酸シクラーゼとカルシウムに標的をあて、カルシウムとcAMPをメッセンジャーとして両者の活動が時間的・空間的にどのような制御を受けるのかを数理的に検証し、そのクロストークの乱れがホメオスタシスの破たんとなり、不整脈などの疾患発症となると考えている。とくに交感神経の過剰緊張は重要と考える。これまでの研究成果では、時間空間的な物理因子に加えて、遺伝子発現あるいは欠損による酵素分子の量的変動が重要であることを突き止めている。これまで実現困難とされていた長時間持続型の心房細動モデルを、交感神経の過剰緊張を薬理学的に誘発することにより、確立することに成功した。そこで本モデルをもちいて、カルシウムとcAMPシグナルの関連の検討を続ける。具体的には、交感神経の過剰緊張によってカルシウムシグナルの負荷がどの程度起こるかを数理モデルと合わせて検討する。さらに我々の先行研究において、Epacシグナルを抑制ないし欠損させることにより、心房細動を抑制することに成功しており、さらに数理モデル解析において、Epacシグナルの欠損がカルシウムシグナルを減弱させることを確認している。Epacについては遺伝子操作による欠損だけでなく、薬剤化合物による選択的な抑制が可能である。そこでEpacの薬理学的な抑制による不整脈抑制効果を検討するとともに、薬剤による抑制効果を数理モデルを通じて検討していく。

Causes of Carryover

昨年度は実験及び解析自体は順調に進んだが、実験試薬や数理費用が予定額を下回り繰越金が生じた。また教員の異動が見込まれた為、混乱を避け大掛かりな検討を延期した背景がある。繰越金は本年度において検討対象を拡大、それに伴い実験試薬や数理計算費用の増大が見込まれる為全額執行予定である。また異動教員も研究体制が整いつつある。

Research Products

• [Journal Article] Epac1 deficiency inhibits basic fibroblast growth factor-mediated vascular smooth muscle cell migration. (2019)
  • Author(s): Kato Y, Yokoyama U, Fujita T, Umemura M, Kubota T, Ishikawa Y.
  • Journal Title: J Physiol Sci. Volume: 69 Pages: 175-184
  • DOI: 10.1007/s12576-018-0631-7.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antenatal Administration of Betamethasone Contributes to Intimal Thickening of the Rat Ductus Arteriosus. (2019)
  • Author(s): Kemmotsu T, Yokoyama U, Saito J, Ito S, Uozumi A, Nishimaki S, Iwasaki S, Seki K, Ito S, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Circ J. Volume: 83 Pages: 654-661
  • DOI: 10.1253/circj.CJ-18-1033.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous hyperthermia-chemotherapy effect by arterial injection of Fe(Salen) for femur tumor. (2019)
  • Author(s): Umemura M, Islam MR, Fukumura H, Sato I, Kawabata Y, Matsuo K, Nakakaji R, Nagasako A, Ohtake M, Takayuki F, Yokoyama U, Nakayama T, Eguchi H, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Cancer Sci. Volume: 110 Pages: 356-365
  • DOI: 10.1111/cas.13851.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An appropriately sized soft polyester external stent prevents enlargement and neointimal hyperplasia of a saphenous vein graft in a canine model. (2019)
  • Author(s): Yasuda S, Goda M, Shibuya T, Uchida K, Suzuki S, Noishiki Y, Yokoyama U, Ishikawa Y, Masuda M.
  • Journal Title: Artif Organs. Volume: 43 Pages: 577-583
  • DOI: 10.1111/aor.13399.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Usefulness of Exchanged Protein Directly Activated by cAMP (Epac)1- (2019)
  • Author(s): Prajapati R, Fujita T, Suita K, Nakamura T, Cai W, Hidaka Y, Umemura M, Yokoyama U, Knollmann BC, Okumura S, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Circ J. Volume: 83 Pages: 295-303
  • DOI: 10.1253/circj.CJ-18-0740.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Alternating magnetic field (AMF) enhances cytotoxicity of compound c. (2018)
  • Author(s): Akimoto T, Umemura M, Nagasako A, Ohtake M, Fujita T, Yokoyama U, Eguchi H, Yamamoto T, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Cancer Sci. Volume: 109 Pages: 3483-3493
  • DOI: 10.1111/cas.13781.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Epac activation inhibits IL-6-induced cardiac myocyte dysfunction. (2018)
  • Author(s): Jin H, Fujita T, Jin M, Kurotani R, Hidaka Y, Cai W, Suita K, Prajapati R, Liang C, Ohnuki Y, Mototani Y, Umemura M, Yokoyama U, Sato M, Okumura S, Ishikawa Y.
  • Journal Title: J Physiol Sci. Volume: 68 Pages: 77-87
  • DOI: 10.1007/s12576-016-0509-5.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A selective antagonist of prostaglandin E receptor subtype 4 attenuates abdominal aortic aneurysm. (2018)
  • Author(s): Mamun A, Yokoyama U, Saito J, Ito S, Hiromi T, Umemura M, Fujita T, Yasuda S, Minami T, Goda M, Uchida K, Suzuki S, Masuda M, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Physiol Rep. Volume: 6 Pages: e13878
  • DOI: 10.14814/phy2.13878.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Novel treatment for oral cancer using intrinsically magnetized paclitaxel. (2018)
  • Author(s): Nakakaji R, Umemura M, Mitsudo K, Kim JH, Hoshino Y, Sato I, Masuda T, Yamamoto M, Kioi M, Koizumi T, Fujita T, Yokoyama U, Iida M, Sato M, Sato H, Murofushi S, Shibata S, Aoki I, Eguchi H, Tohnai I, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Oncotarget. Volume: 9 Pages: 15591-1605
  • DOI: 10.18632/oncotarget.24570.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Acute hyperthermia inhibits TGF-β1-induced cardiac fibroblast activation via uppression of Akt Signaling. (2018)
  • Author(s): Narikawa M, Umemura M, Tanaka R, Fujita T, Yokoyama U, Ishigami T, Kimura K, Tamura K, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 8 Pages: 6277
  • DOI: 10.1038/s41598-018-24749-6.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tissue-type plasminogen activator contributes to remodeling of the rat ductus arteriosus. (2018)
  • Author(s): Saito J, Yokoyama U, Nicho N, Zheng YW, Ichikawa Y, Ito S, Umemura M, Fujita T, Ito S, Taniguchi H, Asou T, Masuda M, Ishikawa Y.
  • Journal Title: PLoS One. Volume: 13 Pages: e0190871
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0190871.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Vidarabine，an anti-herpesvirus agent，prevents catecholamine-induced arrhythmias without adverse effect on heart function in mice. (2018)
  • Author(s): Suita K, Fujita T, Cai W, Hidaka Y, Jin H, Prajapati R, Umemura M, Yokoyama U, Sato M, Knollmann BC, Okumura S, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Pflug Arch Eur J Phy. Volume: 470 Pages: 923-935
  • DOI: 10.1007/s00424-018-2121-4.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrostatic pressure suppressed fibrotic change via Akt/GSK-3 signaling in human cardiac fibroblasts. (2018)
  • Author(s): Tanaka R, Umemura M, Narikawa M, Fujita T, Yokoyama U, Ishigami T, Kimura K, Tamura K, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Physiol Rep. Volume: 6 Pages: e13687
  • DOI: 10.14814/phy2.13687.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Proteomic analysis of aortic smooth muscle cell secretions reveals an association of myosin heavy chain 11 with abdominal (2018)
  • Author(s): Yokoyama U, Arakawa N, Ishiwata R, Yasuda S, Minami T, Goda M, Uchida K, Suzuki S, Matsumoto M, Koizumi N, Taguri M, Hirano H, Yoshimura K, Ogino H, Masuda M, Ishikawa Y.
  • Journal Title: Am J Physiol Heart Circ Physiol. Volume: 315 Pages: H1012-1018
  • DOI: 10.1152/ajpheart.00329.2018.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Tissue-type plasminogen activator promotes intimal thickening formation of the ductus arteriosus． (2018)
  • Author(s): Saito J，Yokoyama U，Nicho N，Zheng YW，Ito S，Ito S，Taniguchi H，Asou T，Masuda M，Ishikawa Y.
  • Organizer: Weinstein 2018 Cardiovascular Development and Regeneration Conference．
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Antenatal administration of betamethasone promotes closure of the preterm ductus arteriosus via intimal thickening formation． (2018)
  • Author(s): Kemmotsu T，Yokoyama U，Azuma S，Saito J，Ito S，Uozumi A，Nishimaki S，Iwasaki S，Seki K，Ito S，Ishikawa Y.
  • Organizer: Weinstein 2018 Cardiovascular Development and Regeneration Conference.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Prostaglandin E-EP4 signaling-mediated fibulin-1 integrates extracellular matrices to promote smooth muscle cell migration of the ductus arteriosus． (2018)
  • Author(s): Ito S，Yokoyama U，Saito J，Masuda M，Asou T，Ishikawa Y.
  • Organizer: Weinstein 2018 Cardiovascular Development and Regeneration Conference.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanoresponse to periodic hydrostatic pressure enables fabrication of human arterial graft． (2018)
  • Author(s): Saito J，Yokoyama U，Takayama T，Horade M，Ito H，Sugo Y，Kurasawa K，Ogawa M，Miyagi E，Kaneko M，Ishikawa Y.
  • Organizer: American Society for Matrix Biology Biennial Meeting 2018.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 胎盤由来プロスタグランディンEはFibulin-1を介した動脈管リモデリングを促進する． (2018)
  • Author(s): 横山詩子，伊藤智子，石川義弘.
  • Organizer: 第50回日本結合組織学会学術大会.
• [Presentation] The role of Epac1 in the development of ventricular arrhythmia in mice． (2018)
  • Author(s): Prajapati R，Fujita T，Suita K，Nakamura T，Cai W，Hidaka Y，Okumura S，Ishikawa Y.
  • Organizer: 第28回日本病態生理学会大会.
• [Presentation] 線維芽細胞と組織内圧からみた心臓障害修復過程の病態生理． (2018)
  • Author(s): 田中 遼，梅村将就，成川雅俊，石川義弘.
  • Organizer: 第28回日本病態生理学会大会.
• [Presentation] Fibulin-1の動脈管内膜肥厚形成における役割． (2018)
  • Author(s): 中川路太一，横山詩子，伊藤智子，石川義弘.
  • Organizer: 第28回日本病態生理学会大会.
• [Presentation] 母体ラットへのべタメタゾン投与が動脈管内膜肥厚に与える作用の検討． (2018)
  • Author(s): 釼持孝博，横山詩子，齋藤純一，伊藤智子，魚住 梓，岩崎志穂，西巻 滋，関 和男，伊藤秀一，石川義弘.
  • Organizer: 第63回日本新生児成育医学科医・学術集会.
• [Presentation] プロスタグランディンE受容体EP4シグナルは腹部大動脈瘤の増悪に関与する． (2018)
  • Author(s): 廣見太郎，横山詩子，Al M，竹内一郎，石川義弘.
  • Organizer: CCM輸液・栄養研究会.
• [Presentation] プロスタグランディンE-EP4シグナルによる大動脈瘤進行の分子機序. (2018)
  • Author(s): 横山詩子，廣見太郎，石川義弘.
  • Organizer: 心血管膜輸送研究会2018.
• [Presentation] 周期的加圧培養による移植可能な血管グラフトの作製． (2018)
  • Author(s): 齋藤純一，横山詩子，高山俊男，洞出光洋，伊藤弘明，須郷慶信，倉澤健太郎，宮城悦子，金子 真，石川義弘.
  • Organizer: 第17回日本心臓血管発生研究会.
• [Book] ガイトン生理学 原著第13版 (2018)
  • Author(s): John E. Hall (著), 石川義弘 (翻訳), 岡村康司 (翻訳), 尾仲達史 (翻訳), 河野憲二 (翻訳)
  • Total Pages: 1100
  • Publisher: エルゼビア・ジャパン社
  • ISBN: 4860347749
• [Remarks] 横浜市立大学大学院医学研究科 循環制御医学
  • URL: http://www-user.yokohama-cu.ac.jp/~seiri1/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 電源装置及び磁界発生システム. (2018)
  • Inventor(s): 石川義弘，梅村将就，秋本大輔，岸 和人 他
  • Industrial Property Rights Holder: 公立大学法人横浜市立大学，株式会社リコー
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2018-99149
• [Patent(Industrial Property Rights)] 金属アセン錯体を含む薬剤送達システム. (2018)
  • Inventor(s): 石川義弘，梅村将就，中鍛治里奈 他
  • Industrial Property Rights Holder: 公立大学法人横浜市立大学，慶応大学，株式会社IHI
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2018-233877