研究紹介

代謝研究グループ
研究紹介

代謝研究グループ紹介

 本研究室では「インスリン抵抗性」に起因する様々な合併症の発症機序解明、および治療薬開発を目指しています。インスリン抵抗性は肥満や糖尿病、メタボリック症候群の主要因であるとともに、合併症として多様な組織・臓器障害を惹起すると考えられています。様々な糖尿病合併症も、インスリン抵抗性合併症として捉えることが可能です。現在以下のような研究を分担して進めています。 

インスリン抵抗性とは

  インスリンと言えば糖尿病を想起される方が多いと思いますので、糖尿病の面からインスリン抵抗性を説明したいと思います。糖尿病の病態を一言で表すと、すなわち「インスリンの作用不足」ということになります。数多くのインスリン作用の中で、この場合は血液中の糖を細胞内に移動させる、すなわち血糖降下作用を意味しています。インスリン作用不足を来す原因は大きく2つに分けて、(1) インスリン分泌の低下(量の減少)と (2) インスリン作用障害(効力の減少)として考えることができます。1型糖尿病(T1DM)の場合は、膵β細胞の喪失により上述(1)インスリン分泌の低下(量の減少)が発症の原因となります。

  一方、糖尿病の大多数を占める2型糖尿病(T2DM)の場合は、過食による肥満や運動不足、更に遺伝的素因やストレス等の複数の要因が絡み合って、上述(2)インスリン作用障害(効力の減少)が発症機序の中心となります。特に腹腔内脂肪(内臓脂肪)の多い場合は、インスリン分泌が十分であっても(高インスリン血症でも)、必要なインスリン作用を発揮できない状況(病態)が生じます。この病態をインスリン抵抗性と称し、内臓脂肪の多いメタボリック症候群をインスリン抵抗性症候群と言うこともできます。

 

  従って「インスリン抵抗性」を解除することができれば、糖尿病もメタボリック症候群も治療することができるわけですが、そのためにはまずインスリン作用の詳細を理解しなくてはなりません。図にインスリン受容体シグナル伝達の一部を示していますが、複雑に枝分かれした数多くのインスリンシグナルが多様なインスリン作用を担っていることが判明しています。すなわち、血糖値を下げる「糖代謝作用」以外にも脂質代謝やアミノ酸代謝においてもインスリンは重要な役割を果たしています。また、増殖因子としての「細胞増殖作用」の他、心血管系への循環作用、消化吸収作用、中枢作用、細胞分化(幹細胞)作用についても多くの研究が進められています。

インスリン作用とインスリン抵抗性

インスリン抵抗性研究(図1)

  糖尿病の薬物治療では、経口薬などによる血糖コントロールが不良である場合、インスリン注射剤を用いて血糖値正常化へ注射量を調節していきます。単純明快ではありますが、残念ながらインスリン注射をすれば必ず糖尿病が良くなるとは言い切れません。インスリン注射をしても血糖が下がりにくい場合があり、注射量をどんどん増やしていくと糖尿病合併症が進行しやすくなるなど、医師、患者さん双方にとって頭の痛い問題です。このような現象が生じる原因は多岐にわたるのですが、インスリンによる血糖降下作用が減弱する現象を一つの概念として「インスリン抵抗性」と呼んでいます。

  インスリン抵抗性を治療するためには、まずその発症機序を、さらにはインスリンがどのようなメカニズムで血糖を下げるのか、その作用機序を知らなければなりません。ここでは培養脂肪細胞を用いて、血糖降下というインスリン作用を(目で)見る研究の一端を紹介します。

 

  血液中の糖は、脳や内蔵、筋肉などの細胞内に取り込まれることによって消費され、血糖値が低下します。グルコースなどの糖類は親水性であるため、細胞膜を通過することができません。では、どうやって細胞内に入るのか? それは、糖輸送体と呼ばれる蛋白質分子が細胞膜を貫通し、糖だけを細胞内に取り込めるチャネルを作るからです。この糖輸送体にはいろいろな種類がありますが、インスリン作用に最も大切なものはGLUT4Glucose transporter type-4)で、筋や脂肪組織に特に多く存在しています。インスリン刺激によって、細胞内の核周囲(図1左)から細胞膜表面へ移動(図1右)して糖を取り込みますが、インスリン刺激がなくなると細胞膜から外れて、再び核周囲に戻って待機します(図1左:培養脂肪細胞における、GLUT4-eGFP 過剰発現による蛍光画像)。

インスリン作用とインスリン抵抗性

インスリン抵抗性研究(図2)

  インスリンによるGLUT4の細胞内移動のメカニズムは詳細に検討され、図2のように、数多くの細胞機能が動員されていることが報告されています。大事なポイントですが、これらの作用すべてが、お互いに時間的、空間的に密接にリンクしたものであることが理解されています。すなわち、これらのどのステップが障害されても、あるいは、スムーズにリンクされなくなっても、見かけ上は同じインスリン抵抗性として、血糖降下作用が障害されることになります。この点は、糖尿病の原因が多種多様なものであることと関連しているのかもしれません。

インスリン作用とインスリン抵抗性

インスリン抵抗性研究(図3)

  GLUT4 が細胞内をどこまで移動したかがわかれば、細胞内におけるインスリン作用の障害部位を大まかに推測できるようになりました。具体的には、図3に示すアッセイを組み合わせて行います。例えば、細胞膜表面のGLUT4 染色ではインスリン作用が障害されているのに、GLUT4 ring assay ではインスリン作用が正常に認められる場合は、GLUT4 蛋白が細胞膜へ挿入されるステップが障害されていることが考えられます。つまり、細胞膜 fusion (SNARE システム)を制御しているメカニズムに焦点を当てて調べればよいことがわかります。また、インスリンが細胞に結合しているのに、GLUT4 がほとんど移動しないという場合は、インスリン受容体以下のシグナル伝達系に問題があるということが推測できるわけです。興味のある方は是非、研究室を覗いてみてください。

  近年のインスリン抵抗性研究の進歩により、全身的には同じインスリン抵抗性であっても、各臓器それぞれでは障害の程度が異なることがわかってきました。糖尿病の原因それぞれによって、インスリン抵抗性の責任臓器・進展経過が異なることが示され、現在も多くの研究が進められています。

骨格筋、肝臓および脂肪組織

骨格筋、肝臓および脂肪組織

  メタボリック症候群、糖尿病などインスリン抵抗性を有する患者さんには腹腔内をはじめ異所性脂肪沈着が亢進している例が多く、骨格筋組織内にも多くの脂肪細胞が認められます。異所性脂肪沈着の特徴として脂肪細胞の肥大化が認められ、アディポカインと呼ばれる脂肪細胞由来内分泌因子に異常をきたすことが判明しています。

  本研究ではインスリン抵抗性モデル動物を用いて、上述の生体内環境がヒト幹細胞に与える影響を解析しています。ヒト幹細胞にはクローニングが容易であるiPS細胞の特徴を生かして、同一クローン・同時培養のヒトiPS細胞をラット健常個体、糖尿病個体、あるいはインスリン抵抗性因子負荷個体に移植することにより、糖尿病環境が与える生体内幹細胞機能(増殖能・分化能)への影響を正確に定量評価することを目的としています。

 

(1)ラット糖尿病モデルの作出

  2型糖尿病モデル動物として、食餌性負荷(高脂肪高フルクトース食)により、インスリン抵抗性を誘導したラットを用います。他に、糖尿病患者血液中で濃度上昇が認められる炎症性サイトカイン等の持続皮下投与(皮下埋め込みポンプ使用)によるインスリン抵抗性因子負荷モデルを用います。糖尿病あるいはインスリン抵抗性発症について、血液検査(空腹時血糖値、インスリン値、HbA1c、グリコアルブミン)、糖負荷試験(ivGTT法)により確認します。

 

(2)移植用iPS細胞・分化機能細胞の準備

  ヒトiPS細胞は、京都大学iPS細胞研究所との共同研究により、骨格筋分化に関わる転写因子MyoDを発現するiPS細胞クローン(201B7 iPS-MyoD細胞)を使用しています。同一培養皿上のiPS細胞を移植カプセル内の多孔性メンブレン上へ播種(1x106個細胞)・接着させ、生体内細胞移植用の免疫隔離カプセルを作製します。

 

(3)生体内幹細胞移植による糖尿病性幹細胞障害の同定

  前述の免疫隔離カプセルをラット背側皮下に移植し、一定期間後にカプセルごと細胞を回収します。回収細胞は、細胞増殖能・生存活性についてレゾルフィン蛍光アッセイにより、分化能はDNAアレイまたはRNA-Seqによる遺伝子発現解析、ブロット法による分化マーカータンパク発現解析により評価を進めています。

 

(4)霊長類モデル生体内幹細胞移植による糖尿病性幹細胞障害の同定

  実験(3)に用いたラットに代えて、実験動物の中で最もヒトに近いとされるカニクイザルを用いた研究を滋賀医科大学との共同研究により進めています。これまでに高カロリー食負荷によるカニクイザル2型糖尿病モデルの作出に成功しており、上記同様に生体内幹細胞移植実験を進めています(図)。

 

中枢神経系

中枢神経系

  糖尿病の主要合併症の1つである神経障害では、末梢神経の髄鞘形成に障害を生じることが報告されています。しかし、糖尿病症例では中枢高次機能の低下を示す症例が多く認められることから、我々は中枢神経系においても同様の髄鞘形成障害が生じている可能性を考えています。

  本研究では、中枢神経系における髄鞘形成に関わるオリゴデンドロサイトに着目し、糖尿病・インスリン抵抗性モデル動物を用いて上述の仮説を検証することを目的としています。

 

(1)実験方法

細胞培養系

  オリゴデンドロサイト前駆細胞の初代培養系を利用して、増殖や分化時における細胞内メカニズムの解明を目指しています(下図)。

 

動物モデル

  糖尿病や脱髄/再髄鞘化の疾患モデル動物を利用して、動物の代謝状態や行動の変化、オリゴデンドロサイトを含む中枢神経系の細胞の様子を調べ、糖尿病と髄鞘の関連を調べています。

 

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