心臓におけるin vivo 四次元代謝イメージング技術の開発と応用

• 研究課題/領域番号: 19K17579
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分53020:循環器内科学関連
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 勝俣 良紀 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (80464832)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2019年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: メタボローム / 虚血再灌流 / 代謝 / マイクロダイアライシス / マイクロダイアラシス法 / 四次元代謝イメージング / 同位体元素 / グルタチオン / レドックス

研究開始時の研究の概要

マイクロダイアラシス法を用いて、冠動脈結紮モデルにおける心筋局所の代謝の時間的変化を正確に把握することを目指す。このマイクロダイアラシスの技術と同位体元素を用いた定量的代謝フラックスイメージング（代謝の空間的把握）技術を組み合わせることで、in vivo 四次元代謝イメージング技術を確立する。そのうえで、このin vivo 四次元代謝イメージング技術を用いて、水素の同位体である重水素（2H2）の代謝動態を追跡し、水素の虚血再灌流障害抵抗性に関するメカニズムの解明を目指す。

研究成果の概要

心筋障害部位での超急性期の代謝の継時的な変化をとらえるために、マイクロダイアラシス法を用いた技術の開発を行った。Wistarラットの左室心筋局所に ダイアリシスプロープを植え込んで、インジェクションポンプを用いて灌流し、終端より環流液を回収し、質量分析法で代謝産物を網羅的に解析した。虚血時および再還流時に、細胞外のグルタチオン関連物質の有意な変動が明らかになった。心筋培養細胞でも、虚血再酸素化時に、グルタチオンの細胞外への放出が増大し、細胞内の活性酸素、過酸化脂質が経時的に増大した。またグルタチオンの投与は、細胞内のグルタチオン濃度を保持し、虚血再酸素化時の細胞障害を抑制した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

虚血再灌流における詳細なRedox代謝変化を検証するため、空間的および時間的な網羅的代謝解析技術を確立した。マイクロ波による心臓処理を行うことで代謝産物の死後のdegradationを完全に抑制し、虚血再灌流時のRedox代謝産物の局在の可視化（マッピング）に成功した。さらに、虚血および再灌流に伴い、ダイナミックに変化する代謝産物の推移を時間軸で把握するために、メタボローム解析とマイクロダイアリシス法を組み合わせた、同一個体で心筋細胞外の代謝変化を連続的に測定する手法を確立した。これらの手法を組み合わせた代謝4次元マッピングは代謝物の時間的変化を明らかにした点に特色を有する。

研究成果

• [雑誌論文] Qualitative and Quantitative Effects of Fatty Acids Involved in Heart Diseases (2022)
  • 著者名/発表者名: Moriyama Hidenori、Endo Jin、Ikura Hidehiko、Kitakata Hiroki、Momoi Mizuki、Shinya Yoshiki、Ko Seien、Ichihara Genki、Hiraide Takahiro、Shirakawa Kohsuke、Anzai Atsushi、Katsumata Yoshinori、Sano Motoaki
  • 雑誌名: Metabolites 巻: 12 号: 3 ページ: 210-210
  • DOI: 10.3390/metabo12030210
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] H2 Inhibits the Formation of Neutrophil Extracellular Traps. (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohsuke Shirakawa
  • 雑誌名: JACC Basic Transl Sci. 巻: 7 号: 2 ページ: 146-161
  • DOI: 10.1016/j.jacbts.2021.11.005
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Therapeutic Targets for DOX-Induced Cardiomyopathy: Role of Apoptosis vs. Ferroptosis (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Kitakata, Jin Endo, Hidehiko Ikura, Hidenori Moriyama, Kohsuke Shirakawa, Yoshinori Katsumata, Motoaki Sano
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 23(3) 号: 3 ページ: 1414-1414
  • DOI: 10.3390/ijms23031414
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Time-Series Transcriptome Analysis Reveals the miR-27a-5p-<i>Ppm1l</i> Axis as a New Pathway Regulating Macrophage Alternative Polarization After Myocardial Infarction (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Goto , Genki Ichihara , Yoshinori Katsumata , Seien Ko , Atsushi Anzai, Kohsuke Shirakawa, Jin Endo, Masaharu Kataoka , Hidenori Moriyama , Takahiro Hiraide, Hiroki Kitakata , Takayasu Kobayashi, Keiichi Fukuda , Motoaki Sano
  • 雑誌名: Circulation Journal 巻: 85 号: 6 ページ: 929-938
  • DOI: 10.1253/circj.CJ-20-0783
  • NAID: 130008043200
  • ISSN: 1346-9843, 1347-4820
  • 年月日: 2021-05-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pharmacokinetics of hydrogen after ingesting a hydrogen-rich solution: A study in pigs (2021)
  • 著者名/発表者名: Ichihara Genki、Katsumata Yoshinori、Moriyama Hidenori、Kitakata Hiroki、Hirai Akeo、Momoi Mizuki、Ko Seien、Shinya Yoshiki、Kinouchi Kenichiro、Kobayashi Eiji、Sano Motoaki
  • 雑誌名: Heliyon 巻: 7 号: 11 ページ: e08359-e08359
  • DOI: 10.1016/j.heliyon.2021.e08359
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] MITOL/MARCH5 determines the susceptibility of cardiomyocytes to doxorubicin-induced ferroptosis by regulating GSH homeostasis (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitakata Hiroki、Endo Jin、Matsushima Hirokazu、Yamamoto Shoichi、Ikura Hidehiko、Hirai Akeo、Koh Seien、Ichihara Genki、Hiraide Takahiro、Moriyama Hidenori et al.
  • 雑誌名: Journal of Molecular and Cellular Cardiology 巻: 161 ページ: 116-129
  • DOI: 10.1016/j.yjmcc.2021.08.006
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Imeglimin prevents heart failure with preserved ejection fraction by recovering the impaired unfolded protein response in mice subjected to cardiometabolic stress (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitakata Hiroki、Endo Jin、Hashimoto Shun、Mizuno Erika、Moriyama Hidenori、Shirakawa Kohsuke、Goto Shinichi、Katsumata Yoshinori、Fukuda Keiichi、Sano Motoaki
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 572 ページ: 185-190
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.07.090
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] <i>TNFRSF13B</i> c.226G>A (p.Gly76Ser) as a Novel Causative Mutation for Pulmonary Arterial Hypertension. (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinya Y, Hiraide T, Momoi M, Goto S, Suzuki H, Katsumata Y, Kurebayashi Y, Endo J, Sano M, Fukuda K, Kosaki K, Kataoka M.
  • 雑誌名: J Am Heart Assoc. 巻: 10 号: 5
  • DOI: 10.1161/jaha.120.019245
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A novel device for detecting anaerobic threshold using sweat lactate during exercise. (2021)
  • 著者名/発表者名: Seki Y, Nakashima D, Shiraishi Y, Ryuzaki T, Ikura H, Miura K, Suzuki M, Watanabe T, Nagura T, Matsumato M, Nakamura M, Sato K, Fukuda K, Katsumata Y
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 2 号: 1 ページ: 4929-4929
  • DOI: 10.1038/s41598-021-84381-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Daily inhalation of hydrogen gas has a blood pressure-lowering effect in a rat model of hypertension. (2020)
  • 著者名/発表者名: 10: Sugai K, Tamura T, Sano M, Uemura S, Fujisawa M, Katsumata Y, Endo J, Yoshizawa J, Homma K, Suzuki M, Kobayashi E, Sasaki J, Hakamata Y.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 10 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-020-77349-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] MerTK Expression and ERK Activation Are Essential for the Functional Maturation of Osteopontin-Producing Reparative Macrophages After Myocardial Infarction (2020)
  • 著者名/発表者名: Kohsuke Shirakawa, Jin Endo , Masaharu Kataoka, Yoshinori Katsumata, Atsushi Anzai, Hidenori Moriyama, Hiroki Kitakata, Takahiro Hiraide, Seien Ko, Shinichi Goto, Genki Ichihara, Keiichi Fukuda, Tohru Minamino, Motoaki Sano
  • 雑誌名: Journal of American Heart Association 巻: 9 号: 18
  • DOI: 10.1161/jaha.120.017071
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Quantitative measurement of the myocardial infarction area using Q-space magnetic resonance imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Genki Ichihara, Junichi Hata, Daisuke Nakashima, Yawara Haga, Kyohei Daigo, Kazuhisa Sugai, Yuji Iwasawa, Yoshinori Katsumata, Jin Endo, Motoaki Sano, Eiji Kobayashi, Kazuki Sato, Masaya Nakamura, Keiichi Fukuda
  • 学会等名: 第86回日本循環器学会学術集会
  • 国際学会
• [学会発表] Continuous analysis of local in vivo metabolic changes using micro-dialysis technique (2021)
  • 著者名/発表者名: Yohinori Katsumata, Genki Ichihara, Yuki Sugiura, Shinichi Goto, Seien Ko, Takahiro Hiraide, Hiroki Kitakata, Hidenori Moriyama, Kohsuke Shirakawa, Atsushi Anzai, Jin Endo, Masaharu Kataoka, Motoaki Sano, Keiichi Fukuda
  • 学会等名: 第85回日本循環器学会学術集会
  • 国際学会
• [学会発表] Continuous analysis of local in vivo metabolic changes using a microdialysis technique, (2021)
  • 著者名/発表者名: Genki Ichihara, Yoshinori Katsumata, Yuki Sugiura, Shinichi Goto, Seien Ko, Takahiro Hiraide, Hiroki Kitakata, Hidenori Moriyama, Kohsuke Shirakawa, Atsushi Anzai, Jin Endo, Masaharu Kataoka, Motoaki Sano, Keiichi Fukuda,
  • 学会等名: Japanese circulation Society
  • 国際学会
• [学会発表] Continuous analysis of local in vivo metabolic changes using a microdialysis technique, (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Katsumata, Genki Ichihara, Yuki Sugiura, Shinichi Goto, Seien Ko, Takahiro Hiraide, Hiroki Kitakata, Hidenori Moriyama, Kohsuke Shirakawa, Atsushi Anzai, Jin Endo, Masaharu Kataoka, Motoaki Sano, Keiichi Fukuda,
  • 学会等名: The 4st JCS Council Forum on Basic Cardiovascular
  • 国際学会