● シンポジウム 2 神経保護と神経再生 新規脳傷害モデル「光傷害」における 脳組織再生とグリア細胞の活性化 森田 光洋 要 旨 頭部外傷に伴う脳組織の変性と再生を予測することは困難であり，このことが適切な治療方法の選択を困難 にしている．頭部外傷の基礎研究が進展しない原因の一つとして，臨床を適切に反映した動物モデルがないこ とが挙げられる．ヒトでは頭蓋を破壊しない程度の物理的衝撃であっても脳挫傷を引き起こしうるが，これを げっ歯類などにおいて再現することは困難である．従来の頭部外傷モデルは，頭蓋を除去して露出させた脳実 質に物理的衝撃を与えることによって作成されている．しかし，頭蓋除去はグリア細胞の活性化などを引き起 こすため，こういったモデルでは変性が長期にわたって進行し，再生がみられる場合はほとんどない．この問 題を解決するため，頭蓋の一部を薄削し，この部分から照射した光によって大脳皮質の一部を破壊する方法を 開発した．この光傷害と名付けた方法を用いて，閉鎖性頭部外傷に伴う脳組織の変化を検討したところ，傷害 24 時間後から出血が顕在化し，損傷部位は約 1 カ月の間に縮小して脳挫傷を形成した．また，損傷の収縮過 程において活性化ミクログリアが損傷内部に集積する一方，ネスチンを発現する活性化アストロサイトの突起 が損傷周辺部位を覆い，この部分で顕著な組織再生が進行した．ネスチン陽性活性化アストロサイトは顕著な 脂肪酸の取り込みを示したことから，損傷部位におけるエネルギー代謝を維持し，組織再生を促進しているの かもしれない． （脳循環代謝 25：63∼66，2014） キーワード : 閉鎖性脳傷害，組織再生，グリオーシス，ネスチン，VEGF メージングにより，哺乳動物の脳では，正常状態にお イントロダクション いても，神経細胞が代謝負荷にさらされていることが 明らかになりつつある．すなわち，毛細血管から離れ ゼブラフィッシュでは脳組織が高い再生能力をも た脳組織は NADH の自家蛍光が高いことから，ATP ち，脳損傷がほぼ完全に修復されることが知られてい 産生に必要な酸素が不足している2）．ヒトの脳血流 る1）．これは，脳組織が潜在的な再生能力を持つこと は，神経細胞が消費しているエネルギー消費に対して を示唆しているが，脳傷害の臨床において脳組織再生 十分ではなく，fMRI でみられる Neurovascular coupling と機能回復は個人差が非常に大きい．おそらくヒトの は，神経活動に伴って消費された ATP を補充するこ 脳は，「神経細胞の密度」と「神経活動の頻度」がともに とよりも，むしろ ATP 産生に対する抑制を解除する 高いため，傷害に伴う興奮毒性，炎症，代謝負荷など 役割があるのかもしれない．脳傷害はカリウムイオン の影響が大きく，再生能力が発揮されにくいと考えら の蓄積や血流の不全によってエネルギー収支をさらに れる．とくに，近年の多光子顕微鏡を用いた in vivo イ 悪化させるため，脳細胞の生存が長期にわたって脅か され，潜在的な再生能力は失われる．しかし，血流の 神戸大学大学院理学研究科 〒 657-8501 兵庫県神戸市灘区六甲台町 1-1 TEL: 078-803-6636 FAX: 078-803-6636 E-mail: [email protected] 供給増加や神経細胞の代謝抑制によってエネルギー収 支を改善することができれば，潜在的な再生能力を引 き出し，高い確率で脳機能を回復させることができる かもしれない． ─ 63 ─ 脳循環代謝 第 25 巻 第 2 号 図 1．光照射に伴う出血と脳挫傷 アストロサイトは神経細胞と血管の間に介在する細 を誘導する方法を開発した．具体的には，頭蓋の一部 胞であり，脳における血流や栄養供給に主要な役割を を薄削し，そこから強い光を照射することによって皮 果たしている．哺乳類の脳におけるエネルギー収支は 質の一部を破壊した．光が照射された部位では，2∼ 進化に伴って急速に悪化したため，アストロサイトの 3˚C 温度が上昇し，顕著に血流が増加したことから， 発達によりこれを補ったと考えられる．それでは，脳 頭部打撲と同様に神経活動とエネルギー代謝が亢進し 傷害に伴うエネルギー収支の破綻に対して，アストロ たと考えられる．図 1 に示したように，照射 1 時間後 サイトはどのように対応するのであろうか？ この細 の脳組織に変化はみられないが，2 日後では照射部位 胞は様々な神経精神疾患において活性化され，形態， とその周辺で出血がみられ，30 日後には脳挫傷が形成 増殖および遺伝子発現が大きく変化することが知られ された．光照射に伴う神経変性とアストロサイト活性 ている．この活性化はエネルギー収支を改善し，脳組 化を組織学的に解析したところ，図 2 に示すように， 織再生を促進するのだろうか？ この問題を解決する 損傷 4 日後にみられる神経細胞が脱落した領域は，21 ためには，動物モデルにおいて脳組織再生と活性化ア 日後までに顕著に収縮して脳挫傷となった．また，損 ストロサイトの関係を調べることが必要である．しか 傷周辺部位には活性化アストロサイトの集積がみられ し，既存のモデルでは脳組織再生がほとんどみられ た．この活性化アストロサイトは図 3 に示すように 2 ず，十分な研究が行われてこなかった．これに対し 種類に分けることができる．すなわち，損傷近傍では て，我々が開発した「光傷害マウス」は顕著な脳組織再 ネスチンを発現した活性化アストロサイトが，損傷か 生と，特徴的なアストロサイトの活性化を示すため， ら放射状に突起を伸ばしているのに対し，損傷から遠 上記の問題の解決に有用であると期待されている． 位の活性化アストロサイトはネスチンを発現せず，星 状の形態を示していた．このネスチン陽性活性化アス 光傷害マウスにおける脳組織再生 トロサイトは損傷の収縮に伴って再生した損傷部位に 集積しており，図 4 に示すように，再生部位では神経 局所的な組織変性に対するグリア細胞の応答を研究 細胞が活性化アストロサイトの突起に沿って配列し， する目的で，光傷害マウスは開発された．脳傷害で 神経突起を形成した．以上の結果から，損傷周辺部位 は，複数の要因によってグリア細胞は活性化される． におけるネスチン陽性活性化アストロサイトは組織再 例えば脳卒中であれば，「血流不全」とそれに伴う「組 生に必要な足場構造を提供していると考えられる． 織変性」がグリア細胞を活性化する．頭部外傷の場 活性化アストロサイトと脳代謝 合，局所的な組織変性に対するグリア細胞の応答を， 単純化して研究することが可能になるが，従来のモデ ルは必ずしもこの目的に適していない．FPI や CCI と 顕著な組織再生を示し，特徴的な活性アストロサイ いった従来の局所性脳傷害モデルは，頭蓋除去によっ トが集積する光傷害モデルでは，エネルギー代謝にど て露出した脳実質に物理的衝撃を与えることによって のような変化が起こっているだろうか？ 我々は，活 作成されるが，近年，頭蓋除去自体がグリア細胞を活 性化アストロサイトにおける脂肪酸代謝に注目した研 性化することが報告されている3）．こういった状況を 究を進めている．正常な脳におけるエネルギー産生は ふまえ，頭蓋を保持した状態で，局所的な脳組織変性 糖代謝によって担われているが，傷害に伴う血流不全 ─ 64 ─ 新規脳傷害モデル「光傷害」における脳組織再生とグリア細胞の活性化 図 3．損傷周辺における 2 種類の活性化アストロサイト 図 2．損傷の収縮とアストロサイトの活性化 はグルコースの供給を大幅に減少させると考えられ る．また，傷害を受けた細胞は大量の脂肪酸が放出さ れるため，適切にこれを代謝し除去する必要がある． 遺伝子発現の網羅的な解析によると，細胞増殖を伴っ た活性化アストロサイトは脂質代謝関連遺伝子の増加 がみられるため4），損傷周辺で増殖するネスチン陽性 活性化アストロサイトは，脂肪酸を代謝し，神経細胞 図 4．再生部位における活性化アストロサイトと神経細胞 が利用可能なケトン体を供給する可能性がある．この 点を検討するための第 1 歩として，光傷害モデルにお まとめ ける脂肪酸取り込みの変化を検討した．具体的にはパ ルミチン酸を基本骨格としたトレーサーである BMIPP を投与し，損傷部位への集積をオートラジオグラフに 我々が開発した光傷害モデルは，臨床における閉鎖 よって検出した．その結果，損傷 7 日後と 14 日後に 性頭部外傷の病態を再現し，従来の動物モデルではみ おいて，損傷部に顕著な BMIPP の集積がみられた． られない顕著な脳組織再生を示した．おそらく，頭蓋 このことは，光傷害モデルにおける組織再生部位では 除去などに伴う炎症がないため，潜在的な再生能力が 脂肪酸の代謝が亢進していることが示唆される． 発揮されやすい環境にあると考えられる．損傷周辺に ─ 65 ─ 脳循環代謝 第 25 巻 第 2 号 はネスチン陽性活性化アストロサイトが集積し，組織 再生の足場を形成するとともに，脂肪酸代謝などによ りエネルギー収支を維持する可能性が示唆された．今 後は，遺伝子改変マウスを利用するなどして，ネスチ ン陽性活性化アストロサイトが脳組織の代謝と再生に 果たす役割を明らかにし，潜在的な再生能力の促進に よる脳傷害治療法の開発につなげたい． 文 献 1） Kishimoto N, Shimizu K, Sawamoto K: Neuronal regeneration in a zebrafish model of adult brain injury. Dis Model Mech 5: 200–209, 2012 2） Kasischke KA, Lambert EM, Panepento B, Sun A, Gelbard HA, Burgess RW, Foster TH, Nedergaard M: Two-photon NADH imaging exposes boundaries of oxygen diffusion in cortical vascular supply regions. J Cereb Blood Flow Metab 31: 68–81, 2011 3） Xu HT, Pan F, Yang G, Gan WB: Choice of cranial window type for in vivo imaging affects dendritic spine turnover in the cortex. Nat Neurosci 10: 549–551, 2007 4） Zamanian JL, Xu L, Foo LC, Nouri N, Zhou L, Giffard RG, Barres BA: Genomic analysis of reactive astrogliosis. J Neurosci 32: 6391–6410, 2012 図 5．損傷部位における BMIPP の集積 Abstract Cerebral recovery and glial activation in a novel closed-head injury model “photo injury” Mitsuhiro Morita Kobe University Graduate School of Science, Hyogo, Japan The current difficulty of predicting the progression of cerebral degeneration and recovery after head injury hampers making appropriate treatment. The lack of clinically relevant animal model is the most significant problem in the basic research of head injury. Even mechanical impact without skull fracture leads to contusion in human brain, however this process is hardly mimicked in rodents. Thus, classical head-injury models have been created by givinig impact to brain parenchyma through craniotomy. Most models show long-term degeneration and lack recovery, largely due to craniotomy, which activates glial cells by itself. In order to address this problem, we have developed a novel method to create injury by strong light exposure through small thinned-skull region. This intact skull injury have shown hemorrhage within 24 hours and significant shrinkage of initial injured region to form small contusion. This cerebral recovery has been accompanied by the accumulation of CD68-positive microglia and nestin-positive astrocyte in the center and periphery of lesion, respectively. The process of nestin-positive reactive astrocyte covered recovering region, whereas reactive astrocyte distal to lesion lacked nestin expression. Since fatty acid has accumulated in the nestin-expressing reactive astrocytes, these cells may facilitate tissue recovery by maintaining energy metabolism in lesion. Key words:closed-head injury, tissue recovery, gliosis, nestin, VEGF ─ 66 ─
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