| Project/Area Number |
19K23992
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
0903:Organ-based internal medicine and related fields
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
中釜 悠 大阪市立大学, 大学院医学研究科, 特任講師 (60846880)
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| Project Period (FY) |
2019-08-30 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | エネルギー代謝 / 解糖系 / ミトコンドリア呼吸 / 心筋 / 乳酸 |
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| Outline of Research at the Start |
末梢への循環維持装置である心臓は、いかなる生理的・病的状況においても、血液ポンプとして収縮・拡張を続ける使命を負う。激しい外的環境・内的需要の変化に順応すべく、心臓は「雑食な臓器」として適応しあらゆるエネルギー基質を巧妙に使い分けている。多くの細胞・体内組織にとって、解糖系の最終産物として外部へ排出する対象である「乳酸」も、心臓にとっては重要なエネルギー基質である。本申請では、マウス遺伝子工学的手法と心臓エネルギー代謝解析手法を駆使し、莫大な酸素消費と引き換えにしてまで、他細胞にとっては老廃物に過ぎない乳酸を敢えて積極的に代謝するようになった「心筋の代謝適応戦略」の理解を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
代謝回転の早い心臓組織においては、in vivoエネルギー代謝を高精度に解析することが一切不可能であった。我々は、慶應大学医化学教室との共同研究により、独自に最適化した試薬投与方法（経路、量）、臓器固定・回収時間、代謝物抽出法を確立し、高感度な心臓メタボローム解析のプラットフォームを構築しており、解糖系やTCA回路等、マウス心臓中心代謝を高分解・高感度に記述することに成功してきた。
そこでこの度、心臓特異的LDHアイソフォーム欠失マウスを樹立し、心臓機能の変化が心臓エネルギー代謝様式に規定されるという仮説のもと、表現型すなわち心臓機能と連動する代謝シグネチャの解明を試みてきた。
R1年度までに構築した (i) 薬剤負荷、(ii) トレッドミル運動試験の2つの負荷モデルを用いて、R2年度には負荷状況下でのLDH欠失マウスの表現型解析を実施し、心臓機能障害に関する知見を得た。これらの心臓表現型・機能障害は、LDH欠失マウスにおけるエネルギー代謝変容に起因していた。メタボローム解析により、LDH欠失マウスの心負荷耐容能低下を説明する代謝シグネチャの変容・代償機構が描出された。さらに、メタボローム解析の結果と網羅的心臓遺伝子発現解析とを統合させることにより、これら代謝シグネチャの変容・代償機構が、キーとなる少数のエネルギー代謝酵素(解糖系、ミトコンドリア酵素)の発現・活性変化によって駆動されていることが見出された。
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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
R2年度の第１四半期は、新型感染症の流行により研究室への出入り制限や、実験規模の縮小、動物実験の完全休止が生じ、研究を一時停止することを余儀なくされた。しかし、第２四半期以降、動物実験も含め、徐々に研究の再開が許可されるようになり、第１四半期に生じた遅れを取り戻すべく、実験動物の交配、解析を再開した。
第２四半期、負荷状況下でのLDH欠失マウスの表現型解析を実施し、心臓機能障害に関する知見を得た。第３四半期に、同マウスに対し13C標識化合物を用いたメタボローム解析を実施し、LDH欠失マウスの心負荷耐容能低下を説明する代謝シグネチャの変容・代償機構を描出した。第３～４四半期にかけて、網羅的心臓遺伝子発現解析を行い、代謝変容の背後でキーとなりその変化・代償機構を駆動している、少数のエネルギー代謝酵素(解糖系、ミトコンドリア酵素)を同定した。
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| Strategy for Future Research Activity |
R1年度の研究開始からR2年度にかけて得られた予備的知見は、『心臓LDHが媒介する「ピルビン酸-乳酸」の双方向性反応は、乳酸酸化によって元来、心臓が有している極大の酸素呼吸活性を維持しつつも、逆反応によりミトコンドリアにおける電子鬱滞を緩衝し、最小化することに寄与している』、という研究仮説を支持している。
心臓の酸素呼吸活性や、ミトコンドリアにおける電子鬱滞、或いはその緩衝機構としての「ピルビン酸-乳酸」代謝経路についての評価は、これまでex vivo心や、培養細胞を用いたin vitroシステムで行う以外に選択肢が無かった。我々は、従来のモデルの限界を越えるべく、in vivo心の状態を高度に保存することが可能な「エンドポイント代謝アッセイ」を構築し、こうした心臓代謝の特徴をstaticに描出してきた。一方、近年は、種々の高感度プローブが開発されるようになったため、エンドポイントアッセイに頼ることなく、in vivo組織内の局所酸素濃度変化や、pH変動を、リアルタイムに評価出来る可能性が高まっている。
本研究で用いてきたinotrope投与などの負荷モデルを用いて、in vivoにおける局所酸素濃度変化、pH変動に迫り、『心臓LDHが媒介する「ピルビン酸-乳酸」の双方向性反応は、乳酸酸化によって元来、心臓が有している極大の酸素呼吸活性を維持しつつも、逆反応によりミトコンドリアにおける電子鬱滞を緩衝し、最小化することに寄与している』ことの概念実証を試みる。また、敗血症（全身炎症や心臓感染症）の病態における心臓乳酸代謝の意義を理解するための病態モデルとして、急性・慢性心筋炎マウスモデルを樹立し、疾患代謝シグネチャを記述する。
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Report
(2 results)
Research Products
(5 results)
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[Journal Article] Therapeutic targeting of mitochondrial ROS ameliorates murine model of volume overload cardiomyopathy.2019
Author(s)
Okamura K, Nakagama Y, Takeda N, Soma K, Sato T, Isagawa T, Kido Y, Sakamoto M, Manabe I, Hirata Y, Komuro I, Ono M
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Journal Title
J Pharmacol Sci.
Volume: 141
Pages: 56-63
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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