| 研究課題/領域番号 |
21K06812
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| 研究機関 | 徳島文理大学 |
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研究代表者 |
古谷 和春 徳島文理大学, 薬学部, 准教授 (40452437)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | カリウムチャネル / 薬物 / イオンチャネル / 不整脈 / 電気生理学 / 薬理学 / 心臓 |
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| 研究実績の概要 |
薬物によるhERGチャネル（電位依存性カリウムチャネルの一種）の遮断は、心室筋細胞の活動電位の再分極を遅延させ、QT延長症候群の原因となる。一方、これまでに研究代表者は、ニフェカラントやアミオダロンなど一部のhERG遮断薬は、hERGチャネルの電位依存的活性化を促進し（ファシリテーション作用）、hERG電流を増加させることがあること、そしてこの作用は心室筋細胞の再分極をむしろ促すことでhERG遮断薬の催不整脈リスクを下げることを示してきた。しかし、hERG遮断薬がファシリテーション作用を発揮する機構は完全には理解されていない。本研究の目的は、hERG遮断薬のファシリテーション作用の分子機構を明らかにし、不整脈との関連を調べることである。
初年度である令和3年度は、ファシリテーション作用の電気生理学的解析と数理モデルの構築および解析により、分子機構のモデルを立てた。成果として、ファシリテーション作用の発現にはhERGチャネルの細胞内ゲートの開口により薬物相互作用部位である中心腔への侵入経路が開くことが必要であると分かった。また、脱分極によるhERGチャネルの不活性化は、薬物に対する親和性を高めた。さらにファシリテーション作用は、作用を誘導する刺激がなければ、活動依存的に作用が解除された。その為、中心腔で相互作用した薬物は、細胞内ゲートが閉口するとチャネル内部に閉じ込められ、再開口を促し、細胞内ゲートが再開口するとチャネルから遊離すると考えられた。薬物-チャネル相互作用の形成と解除の速度も電気生理学的に評価し、数理モデルを構築した。そのモデルをシミュレートすると実験で観察したファシリテーション作用が再現された。一方、構造基盤に関しては、薬物相互作用の構造モデルを構築し、ファシリテーション作用を持つ遮断薬に特有の相互作用様式を見出しており、このモデルの実験的検証を開始した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究は、hERG遮断薬によるファシリテーション作用の分子機構を理解し、不整脈との関連を調べることを目的としている。初年度である令和3年度は、機能的な機構に関しては、速度論的理想モデルを構築すること、構造的な機構に関しては、開状態と閉状態における薬物-hERG相互作用モデルを構築し、ファシリテーション作用の分子機構に対する仮説を立てることを目標においていた。上述の「研究実績の概要」で説明した通り、それらの目標はクリアしており、ここまでの研究は順調に進展している。1）hERGチャネルファシリテーション作用の詳細な電気生理学的解析、2）ファシリテーション作用を再現する薬物-hERG相互作用の速度論的理想モデルの構築および基礎的シミュレーション解析、3）hERGチャネルの不活性化の構造基盤と薬物相互作用への影響、4）ファシリテーション作用の有無による薬物-hERGチャネル相互作用の差異に関して、それぞれ論文を執筆しており、次年度中に投稿予定である。また、膜タンパク質の立体構造予測や薬物誘発性不整脈のin silico解析技術は急速に発展している。その領域の研究も並行して進め、薬物-hERGチャネル相互作用の構造モデルからhERGチャネル阻害を定量的に予測し、心筋細胞活動電位への影響、心組織における不整脈発生への影響を多階層で解析する方法論を構築し、論文を発表した。この方法論を、hERGチャネルのファシリテーション作用の解析に応用する研究を開始している。この研究は当該年度の計画には入れておらず、予想以上の進展を見せた点であると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
二年目以降、機能的には、薬物-チャネル相互作用モデルの実験的検証と精緻化により理解を進める。理想モデルが予測する薬物作用特性を実験的に検証する。初年度と同様に、hERGチャネルを哺乳類細胞に異所性に発現させ、ファシリテーション作用を発揮する薬物とhERGチャネルの相互作用の速度論と、チャネルゲート機能への影響を、電気生理学的実験手法により詳細に解析する。新たに得た定量的データに基づき、数理モデルを精緻化する。得られたモデルの数学的な解析から、現象の本質的な理解を得る。さらに、電位依存的なゲート機能特性が変化したhERGチャネル変異体を用い、薬物作用に影響するチャネル側の特性を理解する。一方、薬物側の特性として、ファシリテーション作用を発揮する薬物とファシリテーション作用を発揮しない薬物（ドフェチリドやd-ソタロール）のhERGチャネルの相互作用の速度論やhERG相互作用形式の違いを比較する。
また、構造モデルから提案されるファシリテーション作用の構造基盤を、変異hERGチャネル、および薬物の構造的アナログを用いて検証する。薬物相互作用部位への点変異導入により、薬物作用が変化するか検証する。変異によるチャネルゲート機能の速度論的変化にも着目する。ファシリテーション作用を起こさず、不整脈誘発リスクが高いドフェチリド、d-ソタロールにファシリテーション作用を起こさせるような改変を行い、hERGチャネルへの作用、心筋細胞、心臓機能への影響を電気生理学的に評価する。逆に、ファシリテーション作用をなくすニフェカラントの構造改変もモデルに基づき行う。
機能的機構の理解と構造的機構の理解の融合を目指し、薬物によるhERGチャネル制御および催不整脈性に関する統合的な議論を行う。
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