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GABAシナプス機能へのアストロサイトの能動的関与とその破綻:時空間的動態と病態

公募研究

研究領域グリアデコーディング:脳-身体連関を規定するグリア情報の読み出しと理解
研究課題/領域番号 23H04159
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
研究機関浜松医科大学

研究代表者

福田 敦夫  浜松医科大学, 医学部, 特命研究教授 (50254272)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
2024年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2023年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
キーワードNKCC1 / アストロサイト / GABA / てんかん / KCC2
研究開始時の研究の概要

GABAシナプス機能におけるアストロサイトの役割を根本的に見直し、GABAシナプス伝達においてCl-ホメオダイナミクスを介して極めて重要な何らかの能動的機能を持つと考え、 GABAシナプス間隙へのCl-補填などClホメオダイナミクスと、GABAの合成/放出/取り込みなど、ニューロンへの能動的関与でGABA作動性抑制性シナプス機能にどのような変化をもたらすのかを明らかにする。すなわち、アストロサイトによるシナプス間隙への細胞外Cl-の補填による神経細胞のCl-電気化学勾配の維持機構と、GABA合成とシナプス後細胞への放出機構のデコーディングを提案する。

研究実績の概要

1.GABAシナプス伝達の興奮転化へのアストロサイトNKCC1関与の証明:アストロサイト選択的にNKCC1を消去したALDH1L1-Cre::NKCC1-flox/floxマウスを用い、アストロサイトのGABA応答が細胞内Cl-濃度上昇であること、すなわちアストロがシナプス間隙へCl-を供給できないことを確認した。このとき、錐体細胞でのGABA作用逆転による後発射の閾値は低下し持続は延長した。アストロサイトのNKCC1がニューロンのCl-ホメオダイナミクスに能動的に働くことを証明した。
2. てんかん原性獲得モデルにおけるアストロサイトNKCC1の生理病態機能解析:ALDH1L1-Cre::NKCC1-flox/floxマウスでピロカルピン腹腔内投与による急性てんかんモデルを作成した。けいれん発作の潜時は有意に短縮し、また、けいれん重積や死亡等の発作重篤度も増し、明らかな易けいれん性を呈していた。アストロサイトのNKCC1がけいれん発作の抑制に働いていることを証明した。
3. GABAシナプスの興奮転化へのアストロサイトイトNKCC1関与機序の解明:以上から、ニューロンから放出されたGABAにアストロサイトがGABAA受容体を介してシナプス間隙へCl-を供給することで、シナプス後細胞のCl-濃度勾配の急激な破綻に対して防護的に働くこと考えられた。これらのCl-動態を直接可視化するため、テタヌス刺激中のニューロンとアストロサイトでの同時Cl-イメージングを試みたが、技術的困難さから結論的な結果には至らなかった。しかしながら、アストロサイトのNKCC1がニューロンのCl-ホメオダイナミクスに能動的作用をもたらすことは証明できた。

現在までの達成度 (区分)
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

シナプス間隙へのCl-の供給(野生型でのアストロサイトの[Cl-]i低下、ニューロンでは増加がKOではアストロサイトの[Cl-]i低下が消失)を直接可視化することはできなかったものの、アストロサイト選択的NKCC1を消去したALDH1L1-Cre::NKCC1-flox/floxマウスを独自に作成し、ニューロンから放出されたGABAにアストロサイトがGABAA受容体を介してシナプス間隙へCl-を供給することで、シナプス後細胞のCl-濃度勾配の急激な破綻に対して防護的に働くことを証明できた。シナプス間隙のCl-を低下させるニューロンのKCC2変化の検討は次年度とした。

今後の研究の推進方策

1.GABAシナプスの興奮転化へのアストロサイトNKCC1関与の機序の解明:ニューロンから放出されたGABAにアストロサイトがGABAA受容体を介してシナプス間隙へCl-を供給することで、シナプス後細胞のCl-濃度勾配の急激な破綻に対して防護的に働くという我々の仮説を、ALDH1L1-Cre::NKCC1-flox/floxマウスを用いてさらに検討する。ニューロンのNKCC1を阻害してシナプス後細胞のCl-濃度勾配を戻した場合の後発射がどうなるか観察し仮説を証明する。
2.てんかん原性獲得モデルを用いたニューロンNKCC1標的治療の評価: Bumetanideの臨床治験に疑問が残る理由が、ニューロンだけでなくアストロサイトのNKCC1も抑えてしまった結果である可能性を検討するため、KOでbumetanideでニューロンのNKCC1 だけを追加抑制した場合を検討する。また、てんかん原性獲得モデルでのニューロンとアストロサイトでのGABAの変化も確認する。
3.ニューロン興奮性へのアストロサイトNKCC1関与のインビボ2光子イメージング解析:アストロサイトにCa2+センサー(RCamP)を発現するマウスに、シナプシンプロモーターのAAVによりさらにGCaMP6を神経細胞に発現させ、ピロカルピンによるてんかん原生誘導を行って、神経細胞集団とアストロサイトの活動を2光子顕微鏡によるCa2+イメージングで解析する。ALDH1L1-Cre::NKCC1-flox/floxマウスでも同様の観察を行い、アストロサイトのNKCC1が、アストロサイトと神経細胞集団の活動相関に与える影響を明らかにする。ニューロンのKCC2持続脱リン酸化マウスではシナプス間隙Cl-増加が起こると考え、てんかん原生への影響を同様に観察する。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 4件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] Yale School of Medicine(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] マインツ大学(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] INSERM(フランス)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Early establishment of chloride homeostasis in CRH neurons is altered by prenatal stress leading to fetal HPA axis dysregulation2024

    • 著者名/発表者名
      Watanabe Miho、Sinha Adya Saran、Shinmyo Yohei、Fukuda Atsuo
    • 雑誌名

      Frontiers in Molecular Neuroscience

      巻: 17 ページ: 1373337-1373337

    • DOI

      10.3389/fnmol.2024.1373337

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Astrocytic NKCC1 inhibits seizures by buffering Cl- and antagonizing neuronal NKCC1 at GABAergic synapses2023

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Trong Dao、Ishibashi Masaru、Sinha Adya Saran、Watanabe Miho、Kato Daisuke、Horiuchi Hiroshi、Wake Hiroaki、Fukuda Atsuo
    • 雑誌名

      Epilepsia

      巻: 64 号: 12 ページ: 3389-3403

    • DOI

      10.1111/epi.17784

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Tubulin Polyglutamylation by TTLL1 and TTLL7 Regulate Glutamate Concentration in the Mice Brain2023

    • 著者名/発表者名
      Ping Yashuang、Ohata Kenji、Kikushima Kenji、Sakamoto Takumi、Islam Ariful、Xu Lili、Zhang Hengsen、Chen Bin、Yan Jing、Eto Fumihiro、Nakane Chiho、Takao Keizo、Miyakawa Tsuyoshi、Kabashima Katsuya、Watanabe Miho、Kahyo Tomoaki、Yao Ikuko、Fukuda Atsuo、Ikegami Koji、Konishi Yoshiyuki、Setou Mitsutoshi
    • 雑誌名

      Biomolecules

      巻: 13 号: 5 ページ: 784-784

    • DOI

      10.3390/biom13050784

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Dual action of serotonin on local excitatory and inhibitory neural circuits regulating the corticotropin‐releasing factor neurons in the paraventricular nucleus of the hypothalamus2023

    • 著者名/発表者名
      Sato Takayuki、Sugaya Takuma、Talukder Ashraf Hossain、Tsushima Yuki、Sasaki Shotaro、Uchida Katsuya、Sato Tatsuya、Ikoma Yoko、Sakimura Kenji、Fukuda Atsuo、Matsui Ko、Itoi Keiichi
    • 雑誌名

      Journal of Neuroendocrinology

      巻: 35 号: 12

    • DOI

      10.1111/jne.13351

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Maternal taurine as a modulator of Cl? homeostasis as well as of glycine/GABAA receptors for neocortical development2023

    • 著者名/発表者名
      Furukawa Tomonori, Fukuda Atsuo
    • 雑誌名

      Frontiers in Cellular Neuroscience

      巻: 17 ページ: 1221441-1221441

    • DOI

      10.3389/fncel.2023.1221441

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] アストロサイトNKCC1によるCl bufferingとGABAシナプス抑制への能動的関与.2023

    • 著者名/発表者名
      福田敦夫
    • 学会等名
      第6回グリアデコード領域会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Therapeutic effects of KCC2 chloride ion transporter activation on detrusor overactivity in mice with spinal cord injury.2023

    • 著者名/発表者名
      Watanabe K, Ishibashi M, Suzuki T, Otsuka A, Yoshimura N, Miyake H, Fukuda A.
    • 学会等名
      AUA (American Urological Association)2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Detrusor overactivity is associated with decreased expression of KCC2 chloride ion transporter in mice with spinal cord injury2023

    • 著者名/発表者名
      Watanabe K, Ishibashi M, Suzuki T, Otsuka A, Yoshimura N, Miyake H, Fukuda A.
    • 学会等名
      第110回日本泌尿器科学会総会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] SLC12A5 dependent disorders, a new challenge for clinic and research.2023

    • 著者名/発表者名
      Fukuda A.
    • 学会等名
      SLC12A5 - NDD SYMPOSIUM
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 浜松医大プレスリリース(Epilepsiaへ研究成果公表)

    • URL

      https://www.hama-med.ac.jp/topics/2023/29363.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 日本生理学会ホームページ サイエンストピックスNo.168

    • URL

      http://physiology.jp/science-topic/29742/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 日本生理学会ホームページサ イエンストピックスNo.172

    • URL

      http://physiology.jp/science-topic/30349/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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