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分子プローブ機能評価研究チーム[Functional Probe Research Laboratory] チームリーダー:尾上 浩隆
概略
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タバコを吸いたい気持ちを自己制御する2つの脳部位を発見

喫煙欲求は、タバコを連想させる視覚刺激(他人の喫煙シーンなど)に誘発され、その欲求の強さは、その場でタバコが入手可能かどうかなど状況によって変化することが知られています。しかし、このような状況依存性の喫煙欲求の形成が脳のどこでどのように行われるのかは詳しく分かっていませんでした。 カナダ マギル大学モントリオール神経研究所のアラン・ダガー教授との共同研究グループは、10人の喫煙者を対象として実験的に喫煙可・不可という状況をつくり、それぞれの状況で視覚刺激により誘導されたときの喫煙欲求に関わる脳の活性化部位をfMRIを用いて観察しました。その結果、喫煙欲求の強さに関わる部位として前頭前野の腹内側部(眼窩前頭皮質)を、喫煙可能状況に応じて喫煙欲求を促進する部位として前頭前野の背外側面(背外側前頭前野)を見いだしました。さらに背外側前頭前野の活動をTMSにより人為的に抑制すると、状況に依存する喫煙欲求の変化が起こらなくなることが分かりました。
これらの発見は、タバコなどの薬物に対する欲求が、前頭前野の腹側と背側の脳神経の連携により形成されていることを示します。この連携のバランスの乱れがタバコや薬物依存症の原因の1つと考えられ、今後、依存症の理解と有効な治療法の開発につながると期待できます → プレスリリースへ



体性幹細胞の自家移植によるパーキンソン病治療効果をライブイメージングで検証

パーキンソン病の治療は現在は薬剤投与による症状の緩和が主体で、原因であるドーパミン神経細胞の変性を防ぐなどの根本的な治療法はまだなく、人工的に分化させたドーパミン神経細胞を移植する再生医療が期待されています。この再生医療において有望とされているドナー細胞にはES細胞やiPS細胞、また成体にもともと存在する幹細胞などがあります。 このたび東北大学 出澤真理教授らとの共同研究によりパーキンソン病モデルサルから採取した間葉系幹細胞を効率よくドーパミン神経細胞に誘導し、その細胞を同じ個体の脳に自家移植する治療実験を行いました。障害を受けた左前肢で餌をつかむ際の速度やふるえの改善状況を観察したところ、運動機能は移植8か月後に回復しました。また移植したドーパミン神経細胞の機能をドーパミントランスポーターに対するPETプローブ(11C-CFT)を用いたPET撮像で観察したところ、ドーパミントランスポーターの発現が移植直後に顕著に上昇し、その後徐々に減少しましたが、7ヶ月後も移植前より高い値を持続していることがわかりました。さらに、MRIや18F-FDGを用いたPET検査から、移植片が腫瘍化した可能性はないことが示されました。 今後、移植細胞の長期生存能や機能再生をさらに向上させる技術を開発し、パーキンソン病を含めた神経変性疾患の自己細胞による治療法の確立をめざします。  → 関連記事へ



マーモセット無麻酔PETイメージング法を活用した統合失調症治療薬の評価

統合失調症は陽性症状(幻聴や妄想)、陰性症状(感情鈍麻や意欲低下)、認知機能障害(課題解決能力の低下等)を三大症状とする精神神経疾患で、脳内のドーパミンやセロトニンなどの神経伝達物質の異常により起こると考えられています。これまで使用されてきた多くの統合失調症治療薬は、脳内のドーパミンD2受容体に作用することで陽性症状に治療効果を発揮すると考えられていますが、近年登場してきた次世代の治療薬は、陽性症状以外の他の症状への治療効果や錐体外路症状の副作用の少なさが特徴であり、これはD2受容体への作用に加えてセロトニン5-HT1A 、5-HT2A 、5-HT7受容体やノルアドレナリン受容体等様々な受容体に作用するためであると考えられています。
PETイメージングは、薬物の脳内標的受容体への作用を非侵襲的に調べることができる重要な技術で、薬剤の投与量設定や選択性、作用機序を調べる目的で新薬の臨床開発試験において盛んに活用されています。今回当チームでは、大日本住友製薬株式会社の研究グループとの共同研究を行い、我々の研究室で確立した小型霊長類コモンマーモセットの無麻酔PETイメージング法を用いて、統合失調症治療薬の脳内標的受容体への作用を評価することに成功しました。
本研究では、ドーパミンD2受容体とセロトニン5-HT2A受容体それぞれに対する特異的なPETプローブを用いて、既に上市されている治療薬オランザピンと新規統合失調症治療薬(国内未承認)であるルラシドンの作用を比較しました。その結果どちらの薬剤も血中薬物濃度に比例して脳内D2受容体に対して結合することがわかりましたが、セロトニン5-HT2A受容体に対する作用は両薬剤で異なることが明らかとなりました。ルラシドンは優れた治療効果をもち、副作用も非常に少ない治療薬として期待されており、米国においては既に新しい治療薬として用いられています。今回得られた知見はルラシドンの作用機序の解明、ひいては統合失調症の病態解明につながることが期待されます。   → プレスリリースへ



サルの個性に脳のセロトニンが関係

セロトニンは、抑うつ、怒り、不安に作用し、セロトニン神経の働きの違いはヒトの性格(個性)や社会的な行動(協調性や寛大さ)の違いに関与するとされています。しかしその詳細な神経メカニズムは分かっていませんでした。
当チームは、非ヒト霊長類の中でも協調的な社会生活を営むなど、よりヒトに近いコモンマーモセットを用いて、ある個体が他の個体に対面した時に示す行動(社会性行動)を詳細に解析し、そのパターンが、攻撃性・不安・友好性の3種類に分類できることを明らかにしました。また、この個性と脳内のセロトニン神経との関係を明らかにするため、PET(陽電子放出断層画像法)検査によりそれぞれの個体の脳内セロトニン神経の活性を測定した結果、3種類の社会性行動の特性に関連する領域を大脳皮質内側面で発見しました。さらに、PET局所脳糖代謝測定法により、社会的状況の違いによる神経活動の変化を調べたところ、見知らぬ個体と対面したときに大脳皮質内側面がより活性化することや、大脳皮質内側面と他の脳領域(島皮質や海馬)との機能的結合が高まることが分かりました。 大脳皮質内側面は、ヒトにおいても自分と他人の関係認知や、感情評価・制御に関わっていることが知られています。今後、社会性の形成機構とそれに対する遺伝要因や環境要因の影響、自閉症を含めたコミュニケーション障害の病態などの解明につながると期待されます。  → プレスリリースへ   → 関連記事(RIKEN RESEARCH)へ



脳梗塞の病態を分子イメージングで診断

強い血管収縮作用を持つ分子の一つ20-Hydroxyeicosatetraenoic acid (20-HETE)は、脳梗塞が起きた時に一時的に大量に産生され、脳梗塞の初期症状を悪化させることが近年の研究で明らかになっています。脳梗塞時に20-HETEが産生される原因は、20-HETE合成酵素の活性が脳内で一時的に上昇するためと考えられ、脳の障害と20-HETE合成酵素の関係を正確に把握できれば、病態の程度や予後を知る上で重要な情報となります。
当研究チームでは、大阪大学大学院薬学研究科、大正製薬株式会社の研究グループとの共同研究により、20-HETE合成酵素を標的とするPETプローブ[11C]TROAを開発し、そのライヴイメージングに成功しました。 正常ラットを用いたPETでは、[11C]TROAは腎臓や肝臓など、平常時において20-HETE合成酵素が豊富に存在することが知られている臓器に高い集積を示しました。脳梗塞モデルラットにおいては、梗塞後7日目をピークに、障害を受けた側の脳半球で[11C]TROAの高い集積が認められました。これは、脳梗塞が起きた後に一過的に20-HETE合成酵素の活性が増加していることを示しており、この事実は、PET以外の方法でもRT-PCRや20-HETE含量の測定によって確認されました。 これらの結果から、20-HETE合成酵素の活性変動はPET検査で観察可能であり、脳梗塞の最適な治療戦略を確立するための重要な診断法となる可能性が示されました。 → 関連記事へ


移植されたES細胞の脳内での機能的な変化をライヴイメージングで検証


京都大学再生医科学研究所およびiPS細胞研究所(土井大輔研究員、高橋淳准教授ら)との共同研究による研究チームは、ヒトES細胞を用いたパーキンソン病治療の効果や副作用を詳しく検討するため、培養日数が短く分化度が低いドーパミン神経細胞と、培養日数が長く分化度が高いドーパミン神経細胞をパーキンソン病モデルのサルに移植し、MRIとPETによる移植片のライヴイメージングで、腫瘍形成能やドーパミン産生能の違いを調べました。その結果、未分化な移植細胞が腫瘍を形成してもPETで検出可能であること、分化度が高い移植細胞は腫瘍化せずドーパミン産生細胞としてはたらくことが示されました。またパーキンソン病の症状を改善させる効果があったのは、分化度の高い移植細胞だけでした。
今回の成果から、ES細胞を用いた移植治療では、移植細胞の分化度を制御し効果的で安全性の高い手法を確立できる可能性があること、MRIやPETなどの分子イメージング技術が移植治療を非侵襲的に検証する評価法として非常に有用であることが示されました。   → 関連記事へ



iPS細胞を用いた移植治療の効果を分子イメージングで診断

手や足をスムーズに動かすのに必要なドーパミンを産生する神経細胞が変性してしまうと運動機能障害が引き起こされます。この症状を示す典型例がパーキンソン病で、一度失われた神経は再生しないことから根本的な治療法のない難病の一つですが、近年の幹細胞研究の進展により、失われたドーパミン神経細胞を移植で補う再生医療の実現が期待されています。
当研究チームでは、京都大学iPS細胞研究所(菊地哲広研究員、高橋淳准教授ら)の研究グループとの共同研究により、ヒトのiPS細胞が効率よくドーパミン神経細胞になるための培養条件を探り、こうしてできたドーパミン神経細胞を、パーキンソン病モデルのカニクイザルに移植しました。移植後の生着状況やドーパミン産生能を調べるため、まずMRIにより移植細胞の位置を特定し、PET検査により移植細胞がドーパミン産生能を有していること、また移植細胞が異常に増殖していないことが確認できました。そしてこれらの事実は、病理組織検査によっても確認されました。
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PET検査で緑内障を早期に見つける

緑内障は、眼圧が長期間にわたって高いままになり、その結果視神経や網膜が傷つくためにおきると考えられていますが、眼圧が正常でも進行することがあり、眼圧測定だけでは緑内障を診断できないことが分かってきました。また緑内障で障害を受けるのは視神経だけでなく、目からの情報を受け取る脳神経のほうにより強く影響が現れる可能性も指摘されており、早期診断法の開発が望まれています。
当チームは岐阜薬科大学薬効解析学(原英彰教授ら)との共同研究で、緑内障モデルサルを用い、緑内障患者の脳内で何が起きているかを分子イメージングで調べました。脳神経の異常はしばしば炎症反応を伴うことが知られており、そこでは免疫担当細胞であるマイクログリアが活性化します。早期の緑内障に相当するサルでPET検査を行ったところ、目からの視神経が脳の神経とシナプスを作る最初の場所(外側膝状体)でマイクログリアが活性化していることを発見しました。また緑内障の進行に伴い、外側膝状体の神経変性が起きることも病理組織検査で確認できました。これらの結果は、これまで目のみの疾患と考えられてきた緑内障が、脳のPET検査で正確に診断できる可能性を示すものです。今後この検査法をヒトに応用し、非侵襲な緑内障の早期診断法として実用できるか研究を進めていきます。
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認知症マウスの側坐核における糖代謝の低下を検出

当チームで確立した無麻酔下PETイメージング法により、認知症モデルマウスの側坐核における糖代謝異常(神経活動の低下)を捉えることに成功しました(順天堂大神経内科 本井ゆみ子准教授、神戸泰紀助教との共同研究) 。
タウタンパク質は、脳の神経ネットワークを構成する神経軸索の機能に必須なタンパク質で、このタンパク質に異常が生じると細胞内で不溶性の凝集塊を作り、軸索輸送がうまくいかず、神経細胞の死を招くことが知られています。このようにタウタンパク質が原因となる病状は「タウオパチー」と呼ばれ、アルツハイマー型認知症(AD)や前頭側頭葉変性症(FTLD)に関係していることが知られています。タウオパチーの中にはタウタンパク質に変異を持つ場合と持たない場合の症例が存在しますが、変異のないタウオパチーが病態にどのように関係するかはあまり良く知られていません。 本研究では、正常なタウタンパク質がタウオパチーに関係するかを調べるために、正常なヒト型タウタンパク質を脳で発現する遺伝子導入マウス(Tg601マウス)を作製しました。Tg601マウスは成長に伴い記憶や不安行動に障害が表れ、老齢期ではその傾向がより顕著に認められました。この障害はヒトの脳の前頭葉に相当する部位で神経変性が起こることが考えられ、私たちが確立した無麻酔下マウスPETイメージング法により得られた画像をSPMによる解析の結果、意欲や恐怖などの情動に関与する領域である側坐核で糖代謝の低下、すなわち神経活動の低下を検出することに成功しました。また、組織化学的手法により側坐核でのシナプス数の減少を確認しました。私たちのイメージング手法が遺伝子改変マウスを用いた病態研究に有用であることが証明されました。 → プレスリリースへ


脳内炎症の発症の仕組みを解く酵素COX-1のライブイメージングに成功


神経変性疾患の多くは脳内の炎症が原因で起こることが報告されており、その炎症原因物質の生成酵素であるCOXは、炎症性疾患の診断や治療薬開発の標的として注目を集めています。このたび、正常時にも一定量発現しているCOX-1を標的とする新しいPETプローブを開発し、脳内炎症過程の初期にCOX-1の機能が亢進している様子を、ラットの生体脳で可視化することに成功しました。さらに細胞レベルでは、炎症反応によって活性化された免疫担当細胞マイクログリアが、COX-1の亢進を伴って増加していることも明らかになりました。COX-1のPETイメージング技術を確立できたことにより、脳内炎症の関与が考えられているアルツハイマー病やパーキンソン病などの病態解明や診断・治療法の開発が加速されるものと期待されます。 → プレスリリースへ





うつ病の治療に繋がる神経伝達の異常を発見

当研究チームでは、環境因子による精神障害の機序に代謝型グルタミン酸2/3受容体機能異常が関与する可能性を見いだしました。(大阪大学大学院薬学研究科、松田教授らとの共同研究)

うつ病の治療には、セロトニンなどのモノアミンを脳で増やす薬が用いられることが多いが、副作用などの問題もあり、より効果的な治療薬が待望されています。我々は、長期間の隔離飼育によって、うつ病様の行動を示したマウスの脳を詳細に調べたところ、前頭前野や海馬において、モノアミン神経の働きに深い関係があるグルタミン酸受容体の一つ、mGlu2/3受容体の結合能が増加していることを突き止めました。また、このマウスに選択的mGlu2/3受容体阻害剤を投与すると、うつ状態が改善されることを確認しました。本研究は、mGlu2/3受容体機能の亢進が、うつ病の発症メカニズムに密接に関与していることを示しており、今後の新しいうつ病治療薬の開発に寄与するものです。
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マーモセット無麻酔PETイメージング法確立

覚醒下で行うマーモセットPET実験システムは我々の研究室が世界で初めて開発したもので、これにより麻酔薬の影響のない状態で脳内セロトニントランスポーターの結合活性分布を捉えることに成功しました。
我々は繁殖効率が高く遺伝子改変が可能な小型霊長類のコモンマーモセットを用いました。コモンマーモセットは、ヒトと類似する社会性を示し、社会行動研究に優れています。我々は麻酔薬の影響のない、覚醒下で[11C]DASBを用いたPETイメージングを行なったところ、コモンマーモセットはアカゲザルとよく似た脳内セロトニントランスポーター分布を示しましたが、 アカゲザルと比較するとセロトニン神経起始核や線条体などでは低く、辺縁および新皮質領域では同じ、若しくはやや高い傾向を示していました。コモンマーモセットの無麻酔下PETの成功は、今後ヒトの社会行動およびその発達や病理に関わる脳内機構の解明研究につながることが期待されます。
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マウス無麻酔PETイメージング法確立

動物のPETイメージングでは良質な画像を得るために、撮影時に麻酔を使用します。しかし、麻酔薬は全身の機能に影響を及ぼすことから、生体本来の機能を正しく知るため、無麻酔でのPETイメージング法を確立しました。
げっ歯類のマウスは、他の哺乳類の実験動物と比較して小型で扱いやすく、また、遺伝子操作が容易であることから、多くの病態研究に使われています。しかし、PET研究では、その小ささゆえに高精度の測定は難しく、脳の細部を観察し機能を調べることには不向きであると考えられており、がんの研究以外にはあまり用いられていませんでした。我々は侵襲性の低いユニークな頭部固定法を開発し、PETによる無麻酔状態のマウスの脳機能を観察するための精度の高いイメージング法を確立し、麻酔により脳全体的に [18F]FDG の取り込みが著しく低下していることを明らかにしました。→ 関連記事へ    



血糖調節に関わる細胞内タンパク質の発見

糖取り込みを抑制するダントロレンの化学構造を利用し、「4型グルコース輸送体(GLUT4 )」の細胞膜へのtranslocation機能調節に関係する「NSPl1」の存在を見いだしました。
骨格筋細胞の糖取り込みが、血糖値の調節に重要である事は広く知られています。骨格筋の糖取り込み機構を解明する事は、「糖尿病」の発症メカニズムの解明やその予防、治療薬の開発等に重要となります。そこで、我々は糖取り込みを抑制するダントロレンの化学構造を利用した新規分子プローブを開発し活用したところ、分子量約23kDaの「NSPl1」の存在を見いだしました。「NSPl1」は、細胞内で「GLUT4」を介した生理的な血糖調節に関与し、薬物(ダントロレン)受容体としての役割も果たしています。今後、薬物受容体として発見されたNSPl1が、糖尿病治療薬開発の新ターゲットとなる可能性が期待されます。 → 関連記事へ