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平成22年4月20日

科学技術振興機構(JST)
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日本医科大学
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抗うつ薬が成熟脳神経細胞を成熟前の状態に戻すことを発見

(抗うつ薬の作用メカニズム解明に前進)

JST 課題解決型基礎研究の一環として、日本医科大学の小林 克典 講師らは、抗うつ薬の長期投与によって、成体マウスの脳の成熟脳神経細胞が、幼若型の神経細胞に変化することを発見しました。抗うつ薬の治療効果や副作用のメカニズム解明を前進させ、より安全なうつ病治療法開発に貢献する成果です。

抗うつ薬は、うつ病だけでなく不安障害などさまざまな精神疾患の治療にも用いられています。抗うつ薬の作用には、成体脳でも神経細胞が生まれ続ける特殊な部位として知られる海馬の「歯状回注1)」が重要であると分かっていましたが、その作用メカニズムの詳細は明らかになっていませんでした。

本研究グループは今回、成体マウスに抗うつ薬・抗不安薬として用いられる選択的セロトニン再取込阻害薬(SSRI)注2)を1ヵ月間投与し、歯状回の神経細胞の生化学的変化、電気生理学的変化を詳細に検討しました。その結果、SSRI投与によって、それまで成熟細胞として働いていた神経細胞が成熟マーカー分子の発現を停止し、幼若細胞と同様に機能するようになることを発見しました。これは通常の神経細胞の発達・成熟と逆方向の変化です。このことから、SSRIは一度成熟した脳神経細胞を成熟前の状態に戻す作用を持つことが明らかになりました。

本研究の成果は、SSRIの持つ多様な効果の神経基盤の解明を大きく前進させるとともに、神経細胞の若さをコントロールする技術の基盤にもなり、神経発達障害や加齢に伴う神経機能不全の治療法開発にもつながることが期待されます。

本研究成果は、米国科学雑誌「米国科学アカデミー紀要(PNAS)」のオンライン速報版で2010年4月19日の週(米国東部時間)に公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

研究領域 「精神・神経疾患の分子病態理解に基づく診断・治療へ向けた新技術の創出」
(研究総括:樋口 輝彦 国立精神・神経医療研究センター 理事長)
研究課題名 「マウスを活用した精神疾患の中間表現型の解明」
研究代表者 宮川 剛(藤田保健衛生大学 総合医科学研究所 教授)
共同研究者 小林 克典(日本医科大学 医学部 薬理学講座 講師)
研究期間 平成19年10月〜平成25年3月

JSTはこの領域で、少子化・高齢化・ストレス社会を迎えた日本において社会的要請の強い認知・情動などをはじめとする高次脳機能の障害による精神・神経疾患に対して、脳科学の基礎的な知見を活用し、予防・診断・治療法などで新技術の創出を目標にしています。

上記研究課題では、精神疾患モデルマウスの脳について各種先端技術を活用した網羅的・多角的な解析を行い、生理学的、生化学的、形態学的特徴の抽出を進め、さらに、これらのデータを人間の解析に応用することによって、精神疾患における本質的な脳内中間表現型の解明を目指します。

<研究の背景と経緯>

うつ病治療の第一選択薬として用いられるSSRIは、不安障害の治療にも用いられるなど、さまざまな精神疾患に対する有効性が示されています。一方で、SSRIには患者が不安や焦燥を持つなどの副作用もあり、若年者への使用には特に注意が喚起されています。このようにSSRIには多様な作用がありますが、そのメカニズムの詳細については、これまで明らかにされていません。

抗うつ薬は一般に海馬の歯状回での神経新生を促進し、抗うつ薬が実験動物の行動に及ぼす効果に、この神経新生が必要であることが分かっています。歯状回は海馬の神経回路の入り口にあり(図1)、海馬に入力する情報を制御する重要な部位です。新しく生まれた神経細胞の大部分は歯状回の主要細胞である顆粒細胞になりますが、生まれてから数週間の間は成熟した顆粒細胞(成熟顆粒細胞)とは非常に異なる性質を持っています(図2)。この幼若顆粒細胞の存在割合の増加による海馬機能の変化が、抗うつ薬の治療効果に関与する可能性があります。しかし、幼若顆粒細胞の割合は歯状回の全顆粒細胞の1〜数%で、そのような少数の細胞群がそれ単独で海馬機能に大きな影響を及ぼし得るかどうかは不明です。また、神経新生の関与が示唆されているのは抗うつ薬の効果の一部であり、神経新生には全く影響を及ぼさない場合もあります。

神経新生の関与の有無に関わらず、抗うつ薬が歯状回の機能をどのように変化させるかについては詳細な解析が行われていません。本研究グループの小林講師らは2004年から2008年に、顆粒細胞の軸索、苔状線維(たいじょうせんい)図1)が形成するシナプス注3)が海馬神経回路の伝達効率を左右する可塑性注4)にとって重要であり、苔状線維シナプスに対するセロトニンの修飾作用がSSRIの長期投与によって安定化することを示しました。他の研究者からも、SSRIが歯状回神経機能に及ぼす効果についての散発的な報告がありますが、一定の条件における包括的な解析は、これまで行われていませんでした。

<研究の内容>

本研究グループは今回、SSRIの一種フルオキセチンを成体マウスに約1ヵ月間投与し、その後に電気生理学、生化学、組織学的解析を行い、歯状回に生じる細胞レベルの変化について詳細な解析を行いました。

まず幼若顆粒細胞の割合を確認する目的で、神経細胞の成熟ステージを特異的マーカー分子の発現によって検討したところ、予想に反してフルオキセチン投与後は成熟マーカーを発現する細胞が極端に減り、逆に幼若マーカーを発現する細胞が増えていました(図3)。この結果から、SSRIによって神経新生が活発になり、新しく生まれた幼若顆粒細胞が成熟顆粒細胞に置き換わった可能性が考えられます。この可能性を直接的に検討するため、生後発達の初期(生後1〜3日齢)マウスにその時点で生まれた細胞をラベルする手法を適用し、ラベルされた細胞の成熟マーカー発現を追跡しました。その結果、フルオキセチン投与前に成熟マーカーを発現していた細胞が、フルオキセチン投与によって発現を停止することが明らかになりました(図4)。

次に、上記の成熟マーカー発現の低下が本当に細胞の幼若化を反映するかどうかを確認するために、成熟・発達とともに変化する神経細胞機能に対するフルオキセチンの効果を詳細に解析しました。その結果、フルオキセチン投与マウスでは以下のような、通常の発達・成熟(図2)とは逆方向の変化が観察されました。

  1. (1) 顆粒細胞が活動電位を発生しやすくなっていました(興奮性注5)の上昇)。さらに、活動電位に、幼若顆粒細胞に特徴的な成分が含まれていました。
  2. (2) 歯状回において、刺激誘導性の最初期遺伝子注6)の発現が低下していました(図5A)。
  3. (3) 歯状回に入力するシナプスにおいて、長期可塑性の一種である長期抑圧が亢進していました。
  4. (4) 歯状回の出力である苔状線維シナプスでは、連続刺激によって短期可塑性の一種であるシナプス促通が生じます。成体の苔状線維シナプスは例外的に顕著な促通を示すことで知られていますが、フルオキセチン投与マウスではこのシナプス促通が幼若レベルに低下していました(図5B)。

これらの結果は全て、フルオキセチン投与によって顆粒細胞が機能的にも幼若化したことを示しています。

さらに、神経毒によってセロトニン神経を損傷させたマウスと遺伝子改変操作によってセロトニン5−HT4受容体を欠損させたマウスでは、フルオキセチンによる成熟マーカー発現の低下と機能的幼若化がともに抑制されていました。

今回の解析結果によって、SSRIが一度成熟状態に達した脳神経細胞を成熟前の状態に戻す作用を持つことが明らかになりました。

なお、本研究は藤田保健衛生大学と共同で行われ、本成果の一部は私立大学戦略的研究基盤形成支援事業(事業名:中枢神経系疾患の診断・治療技術の創出を指向した基礎・臨床融合型研究の基盤形成)の支援で行われました。

<今後の展開>

神経幼若化は、成熟とともに失われた機能を回復させることにより、神経系に対して有益に働く可能性があります。一方、成熟とともに獲得した機能を失わせるため、機能不全を引き起こすことも考えられます。従って、今回の発見によって、SSRIの持つ多様な効果の神経基盤が明らかになり、抗うつ薬の治療効果のみならず、有害反応(副作用)のメカニズムの解明が大きく前進すると考えられます。ひいては、より安全なうつ病治療法の開発に貢献することが期待されます。

また今回の発見は、神経細胞の成熟の状態、つまり見かけ上の若さが比較的容易に変化することを示しています。さらに解析が進み、その制御が可能になれば、神経発達障害や加齢に伴う神経機能不全をはじめとする多様な精神・神経疾患の治療法の開発にもつながるものと期待されます。

<参考図>

図1

図1 海馬の神経回路

海馬に入る情報は歯状回→CA3→CA1の順にシナプスを介して伝達される。歯状回の主要神経細胞である顆粒細胞の軸索は苔状線維と呼ばれ、隣接するCA3領域の錐体細胞とシナプスを形成する。

図2

図2 顆粒細胞の機能の発達・成熟変化

海馬の顆粒細胞のさまざまな機能が、成熟に伴ってどの様に変化するかをイメージで表した図。横軸は幼若期から成熟期への時間軸、縦軸は各機能の活動の程度(上にいくほど、機能が活発になる)を示す。

成熟とともに低下する機能(細胞体の興奮性、入力シナプスの長期抑圧)と、成熟とともに出現もしくは増加する機能(刺激誘発性の最初期遺伝子発現、出力シナプスのシナプス促通)がある。入力シナプスにおける長期増強は成熟前の一時期(臨界期)に顕著に見られる。

図3

図3 フルオキセチン投与による歯状回の成熟マーカー発現低下

免疫組織化学的に解析した顆粒細胞の成熟ステージマーカー発現変化。

図中の白く見える部分がマーカーの存在を示す。各写真中央部の>型に見える部分が歯状回顆粒細胞層で、その中の白く見える点がそれぞれのマーカーを発現する顆粒細胞を示す。フルオキセチン投与マウスでは、成熟顆粒細胞で発現するカルビンジンの発現が顕著に低下し、幼若マーカーであるカルレチニンの発現が増加していた。

図4

図4 成熟顆粒細胞の幼若化の証明実験

生後1〜3日齢のマウスに分裂細胞のマーカーであるBrdUを投与し、その時点で生まれた細胞をラベルする。神経分化後は細胞が分裂しないためBrdUは細胞内に保持される。9週間後に免疫組織化学実験を行うと、BrdUでラベルされた細胞はほぼ全て成熟マーカーを発現していた。その後にフルオキセチン投与を行うとBrdUでラベルされた細胞が幼若型に変化していた。

図5

図5 フルオキセチン投与による顆粒細胞機能の幼若化

  1. (A) マウスの足底に電気刺激を与えると、コントロールマウスの歯状回では最初期遺伝子c-Fosたんぱくの顕著な発現が見られる。このc-Fos発現がフルオキセチン投与マウスでは大きく低下していた。
  2. (B) 成体マウスの苔状線維シナプスでは、1Hzの頻回刺激によってシナプス伝達効率の顕著な促通が見られる。フルオキセチン投与マウスではこの促通が10日齢のマウスと同程度まで低下していた。

<用語解説>

注1) 歯状回
記憶などの認知機能に重要な海馬の一領域で、近年は精神疾患との関連で注目されている。
注2) 選択的セロトニン再取込阻害薬(SSRI:Selective serotonin reuptake inhibitor)
セロトニン神経終末から放出されたセロトニンが神経末端に再取込されるのを防ぎ、細胞外のセロトニン濃度を上昇させる薬物。
注3) シナプス
神経細胞間の情報伝達部位。
注4) 可塑性
外的な力などが加わって状態が変化した場合に、その状態が持続する性質。シナプス伝達効率の可塑性には短期的なものと長期的なものがある。短期的に伝達効率が上昇する現象をシナプス促通と呼び、長期的に上昇・低下する現象をそれぞれ長期増強・長期抑圧と呼ぶ。
注5) 興奮性
神経細胞の情報はONとOFF、2種類の状態しか存在しない活動電位によって担われ、活動電位の発生(ONの状態)を興奮と呼ぶ。ここでは興奮性を少なくとも1つの活動電位を発生できる性質として定義する。
注6) 最初期遺伝子
細胞に刺激が与えられた際に、急速かつ一過性に発現する遺伝子。

<論文名>

“Reversal of hippocampal neuronal maturation by serotonergic antidepressants”
(セロトニン系抗うつ薬による海馬神経成熟の逆転)
doi: 10.1073/pnas.0912690107

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

小林 克典(コバヤシ カツノリ)
日本医科大学 医学部 薬理学講座 講師
〒113-8602 東京都文京区千駄木1−1−5
Tel: 03-3822-2131(内線:5272) Fax:03-5814-1684
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<JSTの事業に関すること>

長田 直樹(ナガタ ナオキ)
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