研究課題
心機能制御の中心は交感神経である。神経シナプス末端から分泌されたノルアドレナリンが、心筋膜表面上のベータ受容体に結合して、刺激性Ｇ蛋白質を活性化する。Ｇ蛋白質はアデニル酸シクラーゼ酵素を刺激して、ATPを基質にセカンドメッセンジャーcAMPを産生する。心筋細胞内cAMPの上昇は、Ｌ型カルシウムチャネルをはじめ、フォスフォランバンなどの収縮関連蛋白をリン酸化し、カルシウムの細胞内流入が増やすとともに、収縮蛋白のカルシウム感受性を増す。本申請では、交感神経による機能制御として、心筋細胞におけるカルシウムとcAMPシグナルの数理的な制御解析を対象として、不整脈に代表される循環制御における恒常性の破たんを数理科学的に予測するシステムとして確立する。我々が過去四半世紀にかけて積み上げてきた薬理学的かつ分子生物学的実験などの結果を、複雑系の数理科学的な概念と方法で統合し、不整脈をはじめとする疾患モデル解析に統合していく。本研究の具体的な内容は、これまで独立した研究対象となってきたcAMP産生機構とカルシウム調節機構を、数理科学モデル研究において生体システムとして統合することであり、不整脈予測モデルとして開発することである。とりわけ両機構の主体をなすアデニル酸シクラーゼとその下流の分子、さらには電位依存性Ｌ型カルシウムチャネルに標的をあて、カルシウムとcAMPをメッセンジャーとして両者の活動が時間的・空間的にどのような制御を受けるのかを数理的に検証し、そのクロストークの乱れがホメオスタシスの破たんとなり、不整脈などの疾患発症となると考えている。とくに交感神経の過剰緊張や心不全時の圧負荷が重要と考える。我々の研究室では、時間空間的な物理因子に加えて、遺伝子発現あるいは欠損による酵素分子の量的変動を、薬理的な手法を駆使して細胞および個体レベルで検討する。
2: おおむね順調に進展している
本研究では交感神経による機能制御として、心筋細胞におけるカルシウムとcAMPシグナルの数理的な制御解析を対象として、不整脈に代表される循環制御における恒常性の破たんを数理科学的に予測するシステムとしての実験を進めている。まずは多様な不整脈の中から、もっとも頻回にみられる心房細動をモデルとした。心房細動はマウスモデルでは実現が困難とされてきたが、我々の研究室では、マウスに対して経食道的に心房に対してオーバーペーシングを行い、サプレッション後に心房細動を誘発させるモデルを検討した。旧来の不整脈モデルでは心房細動は誘発されるものの、持続時間が数秒程度と短いため、一般論における心房細動を不整脈と考えた場合の抑制試験が組みにくい。そこで我々は、マウスにおける交感神経と副交感神経の均衡を乱すためにノルアドレナリンを投与し、その後に経食道的なオーバーペーシングを施行した。自律神経系のバランスを交感神経優位に傾けることによって、従来の数秒程度の不整脈の持続が、数分~十分程度に延長することに成功した。ノルアドレナリンは、心筋細胞内のカルシウム流入を助長させることから、カルシウムとcAMPシグナルの均衡の破綻が、不整脈の悪化を引き起こしたと考えられた。我々はさらに様々な遺伝子操作動物において、カルシウムシグナル変化を観察したが、cAMPシグナルの下流分子の一つであるEpacの欠損によって、小胞体におけるカルシウム変動の減少を確認することができた。カルシウムの過負荷は不整脈を引き起こすことから、Epacシグナルの遺伝子的な欠損乃至、薬理学的な抑制が有効であることが推測された。数理モデルをもちいて、Epac機能の欠損状態が及ぼす効果を推測した場合においてもカルシウムシグナルの減弱が予測された。このことはEpac分子が不整脈予防の標的となりうることを示唆する。
最終到達目標は、これまで独立した研究対象となってきたcAMP産生機構とカルシウム調節機構を、数理科学モデル研究において生体システムとして統合することであり、不整脈予測モデルとして開発することである。とりわけ両機構の主体をなすアデニル酸シクラーゼとカルシウムに標的をあて、カルシウムとcAMPをメッセンジャーとして両者の活動が時間的・空間的にどのような制御を受けるのかを数理的に検証し、そのクロストークの乱れがホメオスタシスの破たんとなり、不整脈などの疾患発症となると考えている。とくに交感神経の過剰緊張は重要と考える。これまでの研究成果では、時間空間的な物理因子に加えて、遺伝子発現あるいは欠損による酵素分子の量的変動が重要であることを突き止めている。これまで実現困難とされていた長時間持続型の心房細動モデルを、交感神経の過剰緊張を薬理学的に誘発することにより、確立することに成功した。そこで本モデルをもちいて、カルシウムとcAMPシグナルの関連の検討を続ける。具体的には、交感神経の過剰緊張によってカルシウムシグナルの負荷がどの程度起こるかを数理モデルと合わせて検討する。さらに我々の先行研究において、Epacシグナルを抑制ないし欠損させることにより、心房細動を抑制することに成功しており、さらに数理モデル解析において、Epacシグナルの欠損がカルシウムシグナルを減弱させることを確認している。Epacについては遺伝子操作による欠損だけでなく、薬剤化合物による選択的な抑制が可能である。そこでEpacの薬理学的な抑制による不整脈抑制効果を検討するとともに、薬剤による抑制効果を数理モデルを通じて検討していく。
昨年度は実験及び解析自体は順調に進んだが、実験試薬や数理費用が予定額を下回り繰越金が生じた。また教員の異動が見込まれた為、混乱を避け大掛かりな検討を延期した背景がある。繰越金は本年度において検討対象を拡大、それに伴い実験試薬や数理計算費用の増大が見込まれる為全額執行予定である。また異動教員も研究体制が整いつつある。
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