研究紹介

メカノバイオロジー

先端医科学研究センターグループ　責任者　小尾 正太郎

＃１　流れずり応力が血管内皮前駆細胞の分化に及ぼす効果

血管内皮前駆細胞は成体の血管新生に関与し、骨髄由来のCD34陽性細胞の一部が血管内を循環し、虚血部の血管に接着して内皮下に遊走し、新たな血管の構築に関与しています。その過程で、血液や組織液に起因した物理的刺激である流れずり応力が血管内皮前駆細胞に作用します（J Biomed Nanotechnol, 2014）。現在、血管内皮前駆細胞は慢性閉塞性動脈硬化症や狭心症、心筋梗塞の患者に対して移植をして血管新生を促したり、血管内皮前駆細胞がホーミングしやすい人工血管やステントが研究されていますが、臨床効果はまだ十分ではありません。

私たちは、流れずり応力が血管内皮前駆細胞をより成熟した内皮細胞に分化誘導することを報告してきました（Am J Physiol Cell Physiol, 2012）。その機序としてVEGFR2/PI3K/Akt/mTORのシグナルが重要であることを解明しました。また、流れずり応力は血管内皮前駆細胞を静脈よりはむしろ動脈に分化誘導することを報告しました（J Appl Physiol, 2009）。動脈化の機序として、転写因子Sp1が活性化して動脈内皮のマーカーであるephrinB2の転写が亢進することがわかりました。

現在、流れずり応力による血管内皮前駆細胞の遺伝子の発現変化に関して網羅的に解析をしています。

図1　血管内皮前駆細胞に作用する流れずり応力。血管内皮前駆細胞は血液あるいは組織液に起因する流れずり応力を感知し、応答しています。

図2　流れずり応力負荷装置。培養皿でステンレス製の円盤を回転させて細胞に定量的な流れずり応力を負荷します。

図3　流れずり応力による血管内皮前駆細胞の形態変化。血管内皮前駆細胞に流れずり応力を負荷すると、流れの方向に細胞が伸展・配勾します。

図4　流れずり応力が脈管形成に及ぼす効果。流れずり応力を負荷した血管内皮前駆細胞はヒト臍帯静脈内皮細胞との共培養において脈管形成数が多くなります。

＃２　伸展張力が心臓線維芽細胞の分化に及ぼす効果

心臓における線維化は、線維芽細胞とその分化形態である筋線維芽細胞が化学的・機械的刺激に応答して産生する細胞外基質の過剰な蓄積に起因し、心不全、不整脈、心筋症などを誘発します。しかし、機械的刺激が心臓線維芽細胞の分化に及ぼす効果に関しては十分にはわかっていません。

現在、伸展張力が心臓線維芽細胞の分化に及ぼす効果に関して、Thermo-transient receptor potential (TRP)チャンネルによるカルシウム伝達機構を中心に細胞内シグナル、転写機構を中心に解析しています。

＃３　温熱刺激が骨格筋に及ぼす効果

近年、加齢や病気による移動能力の低下により筋肉量の減少や歩行障害を生じるサルコペニアが問題となっています。80歳以上における有病率は11~50%に及んでおり、高齢化社会ではその対策が急務となっています。高齢者のサルコペニアの予防と治療は運動ですが、すでに機能不全を生じてしまったサルコペニアの運動療法は困難です。そこで新たなリハビリテーションが求められています。

私たちは、骨格筋芽細胞においてThermo-transient receptor potential V1（TRPV1）チャンネルが温度を感知して細胞外から細胞内にカルシウムイオンが流入し、骨格筋束細胞に分化が誘導されることを明らかにしました（FEBS Open Bio, 2018）。その機序として、温熱刺激によりTRPV1/Calmodulin/PKC/Hsf1のシグナルが活性化してHsp70の産生が増大し、蛋白合成系であるAkt/mTOR/S6K1/4EBP1が活性化して骨格筋分化マーカーであるMef2d、Myf5、Myf6、Myod1の蛋白合成が増大することを明らかにしました。

また、骨格筋細胞は様々なサイトカインを分泌し、周囲の骨格筋だけでなく脂肪細胞や他の臓器に影響を及ぼしています。運動や温熱刺激により骨格筋細胞からインターロイキン６（IL6）が分泌され骨格筋の肥大や再生に関与していると考えられています。私たちは、温熱刺激によりTRPV1/PKC/CREBを介してIL6の産生が増大することを明らかにしました（J Appl Physiol, 2017）。

私たちが明らかにした基礎実験から温熱刺激がサルコぺニア患者の新たな治療法として有効であることが示され、現在臨床応用に向けて検討しています。

図5　温熱刺激は骨格筋芽細胞を骨格筋束細胞に分化誘導します。TRPV1が温熱刺激を感知して骨格筋分化マーカーの蛋白の合成が増大します。

図6　骨格筋芽細胞は温度を感知してIL6を分泌します。TRPV1が温熱刺激を感知してPKC、CREBを活性化してIL6の産生が増大します。IL6はオートクライン・パラクライン効果により骨格筋芽細胞を分化誘導すると考えられます。

論文

  1. Oguri G, Nakajima T*, Kikuchi H, Obi S, Nakamura F, Komuro I. Allyl isothiocyanate (AITC) activates nonselective cation currents in human cardiac fibroblasts: possible involvement of TRPA1. Heliyon 7(1): e05816, 2020.

  2. Arikawa T, Nakajima T*, Yazawa H, Kaneda H, Haruyama A, Obi S, Amano H, Sakuma M, Toyoda S, Abe S, Tsutsumi T, Matsui T, Nakata A, Shinozaki R, Miyamoto M, and Inoue T. Clinical Usefulness of New R-R Interval Analysis Using the Wearable Heart Rate Sensor WHS-1 to Identify Obstructive Sleep Apnea: OSA and RRI Analysis Using a Wearable Heartbeat Sensor. J Clin Med 9(10) : 3359, 2020.

  3. Sawaguchi T, Nakajima T*, Haruyama A, Hasegawa T, Shibasaki I, Nakajima T, Kaneda H, Arikawa T, Obi S, Sakuma M, Ogawa H, Takei Y, Toyoda S, Nakamura F, Abe S, Fukuda H, Inoue T. Association of serum leptin and adiponectin concentrations with echocardiographic parameters and pathophysiological states in patients with cardiovascular disease receiving cardiovascular surgery. PLoS One 14(11): e0225008, 2019.

  4. Nakajima T*, Shibasaki I, Sawaguchi T, Haruyama A, Kaneda H, Nakajima T, Hasegawa T, Arikawa T, Obi S, Sakuma M, Ogawa H, Toyoda S, Nakamura F, Abe S, Fukuda H, Inoue T. Growth Differentiation Factor-15 (GDF-15) is a Biomarker of Muscle Wasting and Renal Dysfunction in Preoperative Cardiovascular Surgery Patients. J Clin Med. 8(10): 1576, 2019.

  5. Koyabu Y, Abe S, Sakuma M, Kanaya T, Obi S, Yoneda S, Toyoda S, Nakajima T, Inoue T*. Short-term Safety and Mid-term Efficacy of Prasugrel Versus Clopidogrel in Patients Undergoing Percutaneous Coronary Intervention. Intern Med. 58(16):2315-2322, 2019.

  6. Saito F, Toyoda S, Arikawa T, Inami S, Watanabe R, Obi S, Sakuma M, Kanaya T, Abe S, Nakajima T, Inoue T*. Prediction of Acute-phase Complications in Patients with Infectious Endocarditis. Intern Med. 58(16):2323-2331, 2019.

  7. Obi S, Nakajima T*, Hasegawa T, Nakamura F, Sakuma M, Toyoda S, Tei C, and Inoue T. Heat induces myogenic transcription factors of myoblast cells via transient receptor potential vanilloid 1 (Trpv1). FEBS Open Bio. 9(1): 101-113, 2018.

  8. Kaneda H, Nakajima T*, Haruyama A, Shibasaki I, Hasegawa T, Sawaguchi T, Kuwata T, Obi S, Arikawa T, Sakuma M, Amano H, Toyoda S, Fukuda H, Inoue T. Association of serum concentrations of irisin and the adipokines adiponectin and leptin with epicardial fat in cardiovascular surgery patients. PLoS One. 13(8): e0201499, 2018.

  9. Nakajima T*, Koide S, Yasuda T, Hasegawa T, Yamasoba T, Obi S, Toyoda S, Nakamura F, Inoue T, Poole DC, Kano Y. Muscle hypertrophy following blood flow-restricted low force isometric electrical stimulation in rat tibialis anterior: Role for muscle hypoxia.　J Appl Physiol(1985). 125(1): 134-145, 2018.

  10. Sakuma M, Nasuno T, Abe S, Obi S, Toyoda S, Taguchi I, Sohma R, Inoue K, Nishino S, Node K, Attizzani G, Bezerra H, Costa M, Simon D, and Inoue T*. Mobilization of progenitor cells and assessment of vessel healing after second generation drug-eluting stenting by optical coherence tomography. Int J Cardiol Heart Vasc 18: 17-24, 2018.

  11. Sawaguchi T, Nakajima T*, Hasegawa T, Shibazaki I, Kaneda T, Obi S, Kuwata T, Sakuma M, Toyoda S, Ohni M, Abe S, Fukuda H, Inoue T. Serum adiponectin and TNFα concentration are closely associated with epicardial adipose tissue fatty acid profiles in patients undergoing cardiovascular surgery. Int J Cardiol Heart Vasc 18: 86-95, 2017.

  12. Obi S, Nakajima T*, Hasegawa T, Kikuchi H, Oguri G, Takahashi M, Nakamura F, Yamasoba T, Sakuma M, Toyoda S, Tei C, Inoue T. Heat induces interleukin-6 in skeletal muscle cells via TRPV1/PKC/CREB pathways. J Appl Physiol(1985) 122(3): 683-694, 2017.

  13. Nakajima T*, Yasuda T, Koide S, Yamasoba T, Obi S, Toyoda S, Sato Y, Inoue T, Kano Y. Repetitive restriction of muscle blood flow enhances mTOR signaling pathways in a rat model. Heart Vessels. 31(10): 1785-1695, 2016.

  14. Kikuchi H, Oguri G, Yamamoto K, Takano N, Tanaka T, Takahashi M, Nakamura F, Yamasoba T, Komuro I, Obi S, Nakajima T*. Thermo-sensitive transient receptor potential vanilloid (TRPV) channels regulates IL-6 expression in mouse adipocytes. Cardiovascular Pharmacology 4: 156, 2015.

  15. Obi S*, Yamamoto K, Ando J. Effects of shear stress on endothelial progenitor cells. J Biomed Nanotech. 10(10): 2586-2597, 2014.

  16. Obi S, Masuda H, Akimaru H, Shizuno T, Yamamoto K, Ando J, Asahara T*. Dextran induces differentiation of circulating endothelial progenitor cells. Physiol Rep 2(3): e00261, 2014.

  17. Obi S, Masuda H, Shizuno T, Sato A, Yamamoto K, Ando J, Abe Y, Asahara T*. Fluid shear stress induces differentiation of circulating phenotype endothelial progenitor cells. Am J Physiol Cell Physiol. 303(6): C595-606, 2012.

  18. Shirakura K, Masuda H, Kwon SM, Obi S, Ito R, Shizuno T, Kurihara Y, Mine T, Asahara T*. Impaired function of bone marrow-derived endothelial progenitor cells in murine liver fibrosis. Biosci Trend. 5(2): 77-82, 2011.

  19. Masumura T, Yamamoto K, Shimizu N, Obi S, Ando J*. Shear Stress Increases Expression of the Arterial Endothelial Marker EphrinB2 in Murine ES Cells via the VEGF-Notch Signaling Pathways. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 29(12): 2125-2131, 2009.

  20. Shirakura K, Kwon SM, Masuda H, Obi S, Ito R, Shizuno T, Kurihara Y, Mine T and Asahara T*. Establishment of Two Liver Fibrosis Models to Examine Endothelial Progenitor Cell Kinetics. Tissue Engineering and Regenerative Medicine 6(12): 1128-1133, 2009.

  21. Obi S, Yamamoto K, Shimizu N, Kumagaya S, Masumura T, Sokabe T, Asahara T, Ando J*. Fluid shear stress induces arterial differentiation of endothelial progenitor cells. J Appl Physiol. 106(1): 203-211, 2009.

  22. Shimizu N, Yamamoto K, Obi S, Kumagaya S, Masumura T, Shimano Y, Naruse K, Yamashita JK, Igarashi T, Ando J*. Cyclic strain induces mouse embryonic stem cell differentiation into vascular smooth muscle cells by activating PDGF receptor {beta}. J Appl Physiol. 104: 766-772, 2008.

  23. Toda M, Yamamoto K, Shimizu N, Obi S, Kumagaya S, Igarashi T, Kamiya A and Ando J*. Differential gene responses in endothelial cells exposed to a combination of shear stress and cyclic stretch. Journal of Biotechnology 133: 239–244, 2008.

  24. Yamamoto K, Shimizu N, Obi S, Kumagaya S, Taketani Y, Kamiya A, and Ando J*. Involvement of cell-surface ATP synthase in flow-induced ATP release by vascular endothelial cells. Am J Physiol Heart Circ Physiol 293: H1646-H1653, 2007.

  25. Yamamoto K, Sokabe T, Watabe T, Miyazono K, Yamashita JK, Obi S, Ohura N, Matsushita A, Kamiya A, and Ando J*. Fluid shear stress induces differentiation of Flk-1-positive embryonic stem cells into vascular endothelial cells in vitro. Am J Physiol Heart Circ Physiol 288: H1915-H1924, 2005.

  26. Sokabe T, Yamamoto K, Ohura N, Nakatsuka H, Qin K, Obi S, Kamiya A, and Ando J*. Differential regulation of urokinase-type plasminogen activator expression by fluid shear stress in human coronary artery endothelial cells. Am J Physiol Heart Circ Physiol 287: H2027-H2034, 2004.

著書

  1. 小尾正太郎　血管内皮前駆細胞のhoming　血管再生治療　診断と治療社　108-112, 2012.

  2. 小尾正太郎　血管内皮前駆細胞とflowの関係　血管再生治療　診断と治療社　113-117, 2012.

  3. 小尾正太郎、増田治史、浅原孝之　血管内皮前駆細胞　血管新生研究の最先端　医薬ジャーナル社　49-55, 2013.

  4. 小尾正太郎、浅原孝之　血管―メカニズムから再生治療へ　腎と透析　東京医学社　894-898,　2013.

主要な受賞歴

  1. Excellent presentation賞 Syotaro Obi, Teruo Inoue, Toshiaki Nakajima. Heat increases myogenic differentiation through Trpv1. Asia Prevent 2019. 2019.7.14 Osaka

  2. 学会優秀賞 小尾正太郎、井上晃男、中島敏明　「温熱刺激はTRPV1/PKC/CREBシグナルを介して骨格筋からIL6を分泌させる」日本心臓病学会 2016.9.23 東京

  3. 学会奨励賞優秀賞 Syotaro Obi, Kimiko Yamamoto, Nobutaka Shimizu, Shinichiro Kumagaya, Tomomi Masumura, Yasumasa Shimano, Masahiro Shibata, Takayuki Asahara, and Joji Ando. ｢FLUID SHEAR STRESS INCREASES TRANSCRIPTION OF EPHRINB2 GENE VIA SP1 ACTIVATION IN ENDOTHELIAL PROGENITOR CELLS｣第33回微小循環学会総会、2008年2月21日 東京

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