細胞外小胞を介した、心房細動が合併症を生じる機構の解明と次世代先制医療への応用

• 研究課題/領域番号: 22K08152
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分53020:循環器内科学関連
• 研究機関: 東京医科歯科大学
• 研究代表者: 笹野 哲郎 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (00466898)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 心房細動 / 細胞外小胞 / 期外収縮 / cell-free DNA / バイオマーカー / 細胞外核酸 / 合併症 / NO

研究開始時の研究の概要

心房細動は本邦で最も頻度の高い不整脈であり、多彩な合併症を来すことが知られている。本研究では、心房細動で特異的に放出される細胞外小胞に着目し、①心房細動特異的細胞外小胞が血管内皮細胞や心室筋細胞に作用してその機能変化を惹起する、②心房細動特異的細胞外小胞が脂肪細胞に作用して炎症反応を惹起する、という仮説のもと、心房細動の病態下で心筋細胞と他の細胞・他の臓器を結ぶ細胞間コミュニケーションとしての細胞外小胞の病態生理を解明し、さらに疾患特異的細胞外小胞を疾患バイオマーカーとして臨床応用するものである。

研究実績の概要

心房細動では血中の血中CRPの上昇などの炎症反応が生じる。一方、心房炎症は心房細動の発症・進展に関連する因子でもあり、心房細動と全身および局所の炎症は互いに増悪因子としてvicious cycleを形成するものと考えられる。心房炎症が心房細動を進展させる機構は広く研究されているのに対し、心房細動が炎症を惹起するメカニズムは未解明の部分が多かった。我々は、心房筋細胞から放出される液性因子が全身にあたえる影響について検討を行った。
心房細動時には、高頻度興奮によってダメージを受けたミトコンドリアがexhophoreとして細胞外に放出され、その中のミトコンドリア由来DNAがセルフリーDNAとして放出される。我々は、心房細動患者300名、心房細動を持たない対照群300例を対象とした多施設研究を行い、末梢血中のセルフリーDNA濃度を評価したところ、心房細動群ではセルフリーDNA濃度が有意に高値であることを明らかにした。心房細動のバイオマーカーとして以前報告されたマイクロRNAについては、多施設研究では有意差がみられなかった。さらに、脳梗塞既往の有無で比較すると、脳梗塞既往群では血中セルフリーDNAが有意に高値であり、セルフリーDNAは心房細動有病リスクのバイオマーカーであると同時に、脳梗塞合併のリスク評価にも活用できると思われた。
さらに、心房細動時に血中に放出される液性因子として細胞外小胞の定量を行うと、細胞外小胞が有意に上昇していた。さらに、心房細動で放出される細胞外小胞中のsmall RNA seqによりも網羅的解析を行い、心房細動で放出される細胞外小胞のプロファイルは健常者と異なっていることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当年度は、心筋細胞から放出された細胞外核酸・細胞外小胞が心房細動に関連するバイオマーカーとして利用可能か、多施設研究により評価を行った。心房細動患者300名、心房細動を持たない対照群300例を対象とした多施設研究を行い、末梢血中のセルフリーDNA濃度を評価したところ、心房細動群ではセルフリーDNA濃度が有意に高値であることを明らかにした。心房細動のバイオマーカーとして以前報告されたマイクロRNAについては、多施設研究では有意差がみられなかった。この理由を明らかにするため、食事前後を含めてセルフリーDNAとマイクロRNAを定量して日内変動を評価したところ、セルフリーDNAに比してマイクロRNAは日内変動が大きく、食事による有意な変化が見られた。多施設研究においては採血タイミングは固定しておらず、このことがマイクロRNAがバイオマーカーとして有用性を示さなかった理由と考えられた。
また、脳梗塞既往の有無で比較すると、脳梗塞既往群では血中セルフリーDNAが有意に高値であった。本検討は、あくまでも脳梗塞の既往であり、脳梗塞発症予測として本研究を外挿できるわけではないが、セルフリーDNAは心房細動有病リスクのバイオマーカーであるのに加えて、脳梗塞合併のリスク評価にも活用できると思われた。
一方、心房細動において放出された病態特異的細胞外小胞に関するプロファイル分析を継続した。心房筋細胞に高頻度電気刺激を加えた際に放出された細胞外小胞を回収し、その機能解析を行った結果、心房細動で放出された細胞外小胞は脂肪細胞の炎症反応を促進することが明らかとなり、細胞外ATPによるマクロファージ遊走促進と相乗的に、脂肪組織を含む周辺組織の炎症を惹起することが明らかとなった。

今後の研究の推進方策

1)　 心房細動における病態特異的細胞外小胞が周囲の心筋細胞および線維芽細胞に与える影響の評価：心房筋細胞を高頻度電気刺激し、放出されたの細胞外小胞を回収・抽出して、心筋細胞および線維芽細胞に転嫁する。心筋細胞においては、パッチクランプ法により活動電位およびイオン電流の評価を行い、細胞外小胞の添加による細胞電気生理学的変化を評価すると同時に、Caインジケーターを用いた光学的評価によってCa transientの変化を検討する。線維芽細胞に関しては、細胞外小胞の添加後に炎症性サイトカインの発現変化および筋線維芽細胞への形質転換の評価を行う。これにより、心房細動の際に心房内で心房リモデリングが徐々に進展していくことのメカニズム解明を行う。
2)　疾患特異的細胞外小胞のバイオマーカーとしての有用性の検討：心房細動症例では細胞外小胞の濃度が上昇しており、細胞外小胞中のマイクロRNAの含有が異なっていることが明らかとなった。この疾患特異的細胞外小胞の同定のため、フローサイトメトリーによる細胞外小胞の評価系を確立し、表面マーカーのプロファイルの違いから、疾患特異的な細胞外小胞の評価を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Edge AI Model Deployed for Real-Time Detection of Atrial Fibrillation Risk during Sinus Rhythm (2024)
  • 著者名/発表者名: Wu Hongmin、Sawada Takumi、Goto Takafumi、Yoneyama Tatsuya、Sasano Tetsuo、Asada Ken
  • 雑誌名: Journal of Clinical Medicine 巻: 13 号: 8 ページ: 2218-2218
  • DOI: 10.3390/jcm13082218
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Incidence of phrenic nerve injury during pulmonary vein isolation using different cryoballoons: data from a large prospective ablation registry (2024)
  • 著者名/発表者名: Tachibana, S. Miyazaki, S. Nitta, J. Shirai, Y. Nagata, Y. Sagawa, Y. Sekiguchi, Y. Inamura, Y. Sasaki, T. Yamauchi, Y. Inaba, O. Ono, Y. Suzuki, M. Suzuki, A. Iwai, S. Okada, H. Mizukami, A. Azegami, K. Hachiya, H. Handa, K. Goto, K. Nishimura, T. Hirao, K. Takahashi, A. Sasano, T.
  • 雑誌名: Europace 巻: 26 号: 4
  • DOI: 10.1093/europace/euae092
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ablating Myocardium Using Nanosecond Pulsed Electric Fields: Preclinical Assessment of Feasibility, Safety and Durability (2024)
  • 著者名/発表者名: Nies Moritz、Watanabe Keita、Kawamura Iwanari、Wang Bingyan J.、Litt Jeffrey、Turovskiy Roman、Danitz David J.、Uecker Darrin R.、Linder Keith E.、Maejima Yasuhiro、Sasano Tetsuo、Reddy Vivek Y.、Koruth Jacob S.
  • 雑誌名: Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology 巻: - 号: 7
  • DOI: 10.1161/circep.124.012854
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sacubitril/valsartan attenuates atrial conduction disturbance and electrophysiological heterogeneity with ameliorating fibrosis in mice (2024)
  • 著者名/発表者名: Iwamiya Satoshi、Ihara Kensuke、Furukawa Tetsushi、Sasano Tetsuo
  • 雑誌名: Frontiers in Cardiovascular Medicine 巻: 11 ページ: 1341601-1341601
  • DOI: 10.3389/fcvm.2024.1341601
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Risk stratification of atrial fibrillation and stroke using single nucleotide polymorphism and circulating biomarkers (2023)
  • 著者名/発表者名: Sasano Tetsuo、Ihara Kensuke、Tanaka Toshihiro、Furukawa Tetsushi
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 18 号: 10 ページ: e0292118-e0292118
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0292118
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genetic risk score of cerebral infarction in atrial fibrillation genome‐wide association study (2023)
  • 著者名/発表者名: Ebana Yusuke、Liu Lian、Ihara Kensuke、Abe Keiko、Terao Chikashi、Kamatani Yoichiro、Sasano Tetsuo、Furukawa Tetsushi
  • 雑誌名: European Journal of Clinical Investigation 巻: 53 号: 12
  • DOI: 10.1111/eci.14084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Porphyromonas gingivalis, a periodontal pathogen, impairs post-infarcted myocardium by inhibiting autophagosome?lysosome fusion (2023)
  • 著者名/発表者名: Shiheido-Watanabe Yuka、Maejima Yasuhiro、Nakagama Shun、Fan Qintao、Tamura Natsuko、Sasano Tetsuo
  • 雑誌名: International Journal of Oral Science 巻: 15 号: 1 ページ: 42-42
  • DOI: 10.1038/s41368-023-00251-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Endoplasmic Reticulum Selective?Autophagy Alleviates Anthracycline-Induced Cardiotoxicity (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakagama Shun、Maejima Yasuhiro、Fan Qintao、Shiheido-Watanabe Yuka、Tamura Natsuko、Ihara Kensuke、Sasano Tetsuo
  • 雑誌名: JACC: CardioOncology 巻: 5 号: 5 ページ: 656-670
  • DOI: 10.1016/j.jaccao.2023.05.009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Edoxaban eliminates hypercoagulability evoked by transient temperature changes in human whole blood (2023)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Anna、Hamada Satomi、Oono Ai、Hasegawa Yuki、Yamauchi Yasuteru、Okishige Kaoru、Hirao Kenzo、Sasano Tetsuo
  • 雑誌名: Journal of Arrhythmia 巻: 39 号: 6 ページ: 901-908
  • DOI: 10.1002/joa3.12945
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extracellular Vesicles for the Treatment of Atrial Fibrillation. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ihara K and Sasano T.
  • 雑誌名: JACC Clin Electrophysiol. 巻: 9 号: 2 ページ: 159-160
  • DOI: 10.1016/j.jacep.2023.01.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gene therapy to terminate tachyarrhythmias. (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawajiri K, Ihara K, Sasano T.
  • 雑誌名: Expert Rev Cardiovasc Ther. 巻: 20 号: 6 ページ: 431-442
  • DOI: 10.1080/14779072.2022.2085686
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of Inflammation in the Pathogenesis of Atrial Fibrillation (2022)
  • 著者名/発表者名: Ihara Kensuke、Sasano Tetsuo
  • 雑誌名: Frontiers in Physiology 巻: 13 ページ: 862164-862164
  • DOI: 10.3389/fphys.2022.862164
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of the recording condition on the quality of a single-lead electrocardiogram. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hamada S, Sasaki K, Kito H, Tooyama Y, Ihara K, Aoyagi E, Ichimura N, Tohda S, Sasano T.
  • 雑誌名: Heart Vessel. 巻: 37 号: 6 ページ: 1010-1026
  • DOI: 10.1007/s00380-021-01991-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 循環器領域におけるAIとICTの社会実装 (2023)
  • 著者名/発表者名: 笹野 哲郎
  • 学会等名: 日本生体医工学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Artificial Intelligence in EP : current status and future (2023)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Sasano
  • 学会等名: Korean Heart Rhythm Society meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The Artificial Intelligence in the Prediction of AF (2023)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Sasano
  • 学会等名: Korean Heart Rhythm Society AF summit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] AI時代の心電学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 笹野 哲郎
  • 学会等名: 日本循環器学会九州地方会
  • 招待講演
• [学会発表] 心不全モデルマウスにおけるサクビトリル・バルサルタンの心房への抗不整脈効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩宮賢、井原健介、古川哲史、笹野哲郎
  • 学会等名: 心電学関連研究会2023
• [学会発表] レーザー回折散乱法による血漿中細胞外小胞の直接定量的測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 新田義一、辰巳ことね、川尻紘平、井原健介、笹野哲郎
  • 学会等名: 心電学関連研究会2021
• [学会発表] Exosomes in patients with atrial fibrillation may regulate adipocyte differentiation (2023)
  • 著者名/発表者名: 川尻紘平、ニョ ジン レイモン、井原健介、古川哲史、笹野哲郎
  • 学会等名: 日本循環器学会学術集会
• [学会発表] 心房細動時に心房筋が心外膜脂肪組織に与える影響の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石川紗佳、鈴木杏奈、岩嵜利奈、笹野哲郎
  • 学会等名: 日本循環器学会関東甲信越地方会
• [学会発表] ウェアラブル機器を用いた不整脈検出 (2022)
  • 著者名/発表者名: 笹野哲郎
  • 学会等名: 日本心臓病学会
  • 招待講演
• [学会発表] Risk stratification of atrial fibrillation and stroke from blood tests and novel ECG analysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Sasano
  • 学会等名: Asia pacific Heart rhythm society
  • 国際学会
• [学会発表] Genetic and physiological factors to predict atrial fibrillation (2022)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Sasano
  • 学会等名: 日本不整脈心電学会学術大会
  • 招待講演
• [学会発表] 心房細動に対する新たなバイオマーカーと治療標的探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 笹野哲郎
  • 学会等名: 日本不整脈心電学会学術大会
  • 招待講演
• [学会発表] Application of artificial intelligence in the prediction and detection of atrial fibrillation (2022)
  • 著者名/発表者名: Tetsuo Sasano
  • 学会等名: 日本不整脈心電学会学術大会
  • 招待講演
• [図書] 循環器疾患 最新の治療2024-2025 (2023)
  • 著者名/発表者名: 笹野 哲郎
  • 総ページ数: 566
  • 出版者: 南江堂
• [備考] 東京医科歯科大学循環器内科HP
  • URL: https://tmd-cvm.jp/