Elucidation of the molecular mechanism of the protection of cartilage degeneration via chondrocyte death and investigation of cartilage protection by its inhibition

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K09408
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 西谷 江平 京都大学, 医学研究科, 特定助教 (70782407)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 変形性関節症 / 軟骨損傷 / 細胞死 / VCPタンパク / 小胞対ストレス / MAPキナーゼ / 炎症性サイトカイン

Outline of Annual Research Achievements

大腿骨・脛骨間に繰り返しストレスを加えるCyclic compressionモデルをラットを用いて作成し、介入後２週で大腿骨後方顆部の軟骨細胞死を、4週で軟骨損傷を生じることを確認した。また、このモデルでは６ヶ月では大腿骨、脛骨の軟骨変性、滑膜炎も見られ、外傷性軟骨損傷から変形性関節症へと至るモデルであることを確認した。このモデルに対して、細胞死抑制効果のある新規化合物であるKUS121を投与したところ、２週、４週で細胞死抑制効果により、生存細胞数の有意な改善が確認され、軟骨基質においても、損傷領域の減少や、変形性関節症スコアの軽減が見られた。また、免疫染色において、小胞体ストレスの軽減と軟骨破壊分解酵素の抑制が見られた。Cyclic compressionにより滑膜においてもKUS121の投与によりSublining layerの肥厚や炎症細胞の浸潤などの軽減が見られ、滑膜炎スコアも軽快した。滑膜内のタンパク分解酵素の発現も低下していた。
メカニズムを検討すべく、ヒト軟骨細胞を採取してin vitroで実験を行った。KUS121が作用するvalosin-containing protein （VCP）蛋白質は、滑膜や軟骨細胞にも発現し、KUS121が軟骨細胞においてATP消費を抑制する作用を有することを確認した。軟骨細胞にツニカマイシンを投与し小胞体ストレスを惹起したところ生細胞数が減少したが、KUS121を投与することによる生細胞数のレスキューに成功した。KUS121は小胞体ストレスと応答のうち、PERK、ATF4、CHOPの系とIRE1からJNK Mapキナーゼの系の抑制を介して細胞死抑制効果を得ていることがわかった。さらにKUS121は炎症性サイトカインである、TNF-α、IL-1βを抑制し、また軟骨基質分解酵素を抑制することも確認された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ラットでの、大腿骨・脛骨間に繰り返しストレスを加えるCyclic compressionモデルを確立し、このモデルが外傷性軟骨損傷から、関節全体の変性を伴う変形性関節症へと至るモデルであることを確認した。このモデルに対して、細胞死抑制効果のある新規化合物であるKUS121を投与し、短期の検討ではあるが軟骨細胞死の抑制及び軟骨損傷領域の減少が得られることがわかった。メカニズムとして、細胞実験により、KUS121の小胞体ストレス軽減作用による炎症性サイトカインの抑制、軟骨基質分解酵素の抑制効果が確認された。

Strategy for Future Research Activity

KUS121による短期の軟骨細胞死抑制効果、軟骨損傷抑制効果が確認された。より長期において、実臨床で重要となる外傷性変形性関節症への進行を抑制できるのかということは、まだわかっていないため、今後より長期の観察により初期の軟骨細胞死を抑制することにより、最終的な変形性関節症抑制効果が得られるのかを検討する予定である。また、適切な投与タイミングと投与期間を得るため、受傷早期における遺伝子・タンパク発現の検討を行い、外傷後どの時点からどの時点まで、どの作用に対して介入すれば最も効果的に軟骨保護作用を得られるかを検討したいと考えている。

Research Products

• [Journal Article] A VCP modulator, KUS121, as a promising therapeutic agent for post-traumatic osteoarthritis. (2020)
  • Author(s): Saito M, Nishitani K, Ikeda HO, Yoshida S, Iwai S, Ji X, Nakahata A, Ito A, Nakamura S, Kuriyama S, Yoshitomi H, Murata K, Aoyama T, Ito H, Kuroki H, Kakizuka A, Matsuda S.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 20787
  • DOI: 10.1038/s41598-020-77735-2.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] VCP阻害剤である新規化合物は軟骨細胞死抑制効果を介し、外傷性軟骨損傷に対して軟骨保護作用をもつ (2020)
  • Author(s): 西谷江平、斉藤元央、中村伸一郎、栗山新一、伊藤宣、松田秀一
  • Organizer: 第12回日本関節鏡・膝・スポーツ整形外科学会
• [Presentation] 新規VCP ATPase阻害剤であるKUS121は小胞体ストレス応答抑制を介した軟骨細胞死抑制作用により関節軟骨保護作用を有する (2020)
  • Author(s): 斉藤 元央, 西谷 江平, 池田 華子, 伊藤 宣, 岩井 祥子, 季 翔, 村田 浩一, 青山 朋樹, 黒木 裕士, 垣塚 彰, 松田 秀一
  • Organizer: 第35日本整形外科学会基礎学術集会