iPSC由来のエンジニアリング心臓スフェロイドモデルが不整脈源性右室心筋症におけるテストステロンの線維化作用を明らかに

学術的背景

不整脈源性右室心筋症（Arrhythmogenic Right Ventricular Cardiomyopathy, ARVC）は、心筋組織が脂肪および線維組織に置き換わる遺伝性心筋症であり、不整脈、心室細動、さらには突然死を引き起こす。ARVCの発生率は1:2000から1:5000の間であり、男性患者は女性患者よりも発症しやすく、病状もより重篤である。研究によると、テストステロン（testosterone）はARVCの病理過程において重要な役割を果たす可能性があるが、その具体的なメカニズムはまだ明確ではない。特に、テストステロンが心筋線維化を促進することでARVCの進行を悪化させるかどうかについては、直接的な証拠が不足している。

この問題を解決するため、研究者らは患者特異的誘導多能性幹細胞（iPSC）由来の心筋細胞および心臓線維芽細胞を用いて、三次元エンジニアリング心臓スフェロイドモデルを構築し、ARVCの病理過程を模倣し、テストステロンの役割を探求した。この研究は、ARVCの病理メカニズムに新たな知見を提供するだけでなく、薬剤スクリーニングや個別化治療のための潜在的な実験プラットフォームを提供するものである。

論文の出典

この研究は、南京医科大学第一附属病院、東南大学、福建医科大学など複数の機関の研究チームによって共同で行われ、主な著者にはHongyi Cheng、Xinrui Wang、Sichong Qianらが含まれる。論文は2025年1月7日に『Bio-design and Manufacturing』誌にオンライン掲載され、タイトルは『Deep phenotyping of testosterone-prompted fibrosis in arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy using iPSC-derived engineered cardiac spheroids』である。

研究のプロセスと結果

1. 臨床データ分析と特徴選択

研究ではまず、60名のARVC患者の臨床データを後ろ向きに分析し、そのうち19名の患者が三次元電気生理学的マッピングを受けた。特徴選択アルゴリズム（Maximal Information Coefficient, MIC）を用いて、研究者らは性差が低電圧領域（Low-Voltage Area, LVA）の分布に影響を与える重要な因子の一つであることを発見した。男性患者のLVA面積はより大きく、テストステロンが心筋線維化に関与している可能性が示唆された。

2. iPSCの分化と心臓スフェロイドモデルの構築

研究チームは、異なる遺伝子変異（PKP2 c.336+1G>AおよびDSG2 1592T>G）を持つ2名のARVC患者からiPSCを抽出し、心室筋細胞（Ventricular Cardiomyocytes, VCMs）および心臓線維芽細胞（iPSC-derived Cardiac Fibroblasts, iCFBs）に分化させた。コラーゲンIおよびGeltreeマトリックスを組み合わせることで、研究者らは三次元心臓スフェロイドモデルを構築した。このモデルは、心筋細胞のアポトーシス、異常な脂肪生成、カルシウム処理障害など、ARVCの病理的特徴を成功裏に模倣した。

3. 心臓スフェロイドの機能分析

研究者らは、心臓スフェロイドの収縮機能、カルシウムトランジェント、線維化の程度を詳細に分析した。その結果、PKP2およびDSG2変異を持つスフェロイドは、より高い自発的収縮頻度と不規則な収縮パターンを示した。さらに、ジヒドロテストステロン（Dihydrotestosterone, DHT）処理後、変異スフェロイドでは線維化マーカーであるα-平滑筋アクチン（α-SMA）の発現が著しく増加し、DHTが線維化過程を悪化させることが示唆された。

4. 遺伝子変異とDNA損傷

Sangerシーケンシングおよび免疫蛍光染色により、研究者らはPKP2遺伝子のイントロン変異がエクソン2の異常スプライシングを引き起こし、細胞間結合タンパク質の発現に影響を与えることを発見した。さらに、DHT処理は変異心筋細胞のDNA損傷と活性酸素（Reactive Oxygen Species, ROS）レベルをさらに悪化させ、テストステロンがROS経路を介して線維化を促進することを示した。

5. 共培養実験とメカニズムの探求

共培養実験では、変異心筋細胞が放出するROSが共培養された線維芽細胞を活性化し、筋線維芽細胞に変換することで線維化を悪化させることが明らかになった。DHT処理はこの効果をさらに増強し、テストステロンがARVCの線維化過程において「トリガー」として機能することを示した。

結論と意義

この研究は、初めてin vitroでテストステロンがARVCにおける線維化促進作用を持つことを直接的に証明し、ROS経路を介してDNA損傷と線維化を悪化させる分子メカニズムを明らかにした。さらに、構築された三次元心臓スフェロイドモデルは、ARVCの病理研究および新薬スクリーニングのための強力なツールを提供する。この成果は、ARVCの病理メカニズムの理解を深めるだけでなく、将来の個別化治療のための潜在的なターゲットを提供するものである。

研究のハイライト

1. 革新的なモデル：iPSC由来の心筋細胞および線維芽細胞を用いて三次元心臓スフェロイドモデルを構築し、ARVCの病理的特徴を成功裏に模倣した。
2. メカニズムの解明：初めてテストステロンがROS経路を介してARVCの線維化を悪化させる分子メカニズムを明らかにした。
3. 臨床的意義：ARVCの個別化治療および薬剤スクリーニングのための新たな実験プラットフォームを提供した。

その他の価値ある情報

研究では、変異心筋細胞が放出するROSが線維芽細胞を活性化することが明らかになり、細胞間コミュニケーションがARVCの線維化過程において重要な役割を果たすことが示唆された。この発見は、ROS生成を抑制することで線維化プロセスを遅らせるという新しい治療戦略の可能性を示している。

この研究は、ARVCの病理メカニズムに新たな知見を提供するだけでなく、将来の臨床治療および薬剤開発の基盤を築く重要な一歩である。