虚血性脳卒中後のマクロファージにおけるアルギナーゼ-1の有害な影響

学術的背景

虚血性脳卒中（ischemic stroke）は、世界的に見ても長期的な障害の主な原因の一つです。アルギナーゼ-1（arginase-1, Arg1）は一般的に抗炎症反応や組織修復と関連していますが、その脳卒中後の回復における具体的な役割はまだ明らかではありません。Arg1は主にマクロファージにおいて発現し、特に炎症環境下では、L-アルギニン代謝を調節することによって炎症微小環境に影響を与えると考えられています。しかし、Arg1が脳卒中後に果たす機能的影響についてはまだ十分に研究されていません。本研究は、Arg1が脳卒中後の回復にどのように影響するか、特に浸潤マクロファージでの発現が炎症微小環境や機能回復にどのような影響を与えるかを明らかにすることを目的としています。

論文の出典

この研究は、Ajou University School of MedicineのHyung Soon Kim氏、Seung Ah Jee氏らの研究者チームによって行われ、Korea Advanced Institute of Science and TechnologyのWon-Suk Chung氏も参加しました。論文は2025年2月14日に『PNAS』（Proceedings of the National Academy of Sciences）誌に「Detrimental influence of arginase-1 in infiltrating macrophages on poststroke functional recovery and inflammatory milieu」というタイトルで掲載されました。

研究の流れ

1. 光血栓性脳卒中後のArg1の発現

研究者たちはまず、マウスモデルで光血栓性脳卒中（photothrombotic stroke）を誘導し、免疫組織化学的手法を用いてArg1タンパク質の発現を検査しました。その結果、Arg1は脳卒中後3日目に発現が始まり、7日目にピークを迎え、14日目にはほぼ基線レベルに戻ることがわかりました。Arg1は梗塞中心周辺領域のマクロファージで主に発現しており、ミクログリア（microglia）との相互作用が顕著でした。

2. Arg1条件的ノックアウトマウスモデルの構築

Arg1がマクロファージにおいて果たす機能を研究するために、研究者たちはArg1条件的ノックアウト（conditional knockout, CKO）マウスモデルを構築しました。Arg1flox/floxマウスとLysm-Creマウスを交配させることで、Lysm陽性マクロファージ中のArg1遺伝子を削除することに成功しました。実験の結果、Arg1 CKOマウスは対照群よりも脳卒中後の運動機能回復が有意に優れていました。

3. 運動機能回復の評価

研究者たちは、一連の行動テストを通じてArg1 CKOマウスの脳卒中後の運動機能回復状況を評価しました。これには、ペレット取得テスト（pellet retrieval test）、円筒テスト（cylinder test）、および梯子歩行テスト（ladder rung test）が含まれます。その結果、Arg1 CKOマウスは脳卒中後2週間から速い運動機能回復を見せ始め、特に梯子歩行テストではエラー率が大幅に減少しました。

4. 繊維化瘢痕と髄鞘再生への影響

研究者たちはさらに、Arg1 CKOが脳卒中後の繊維化瘢痕形成と髄鞘再生に与える影響を調べました。その結果、Arg1 CKOマウスでは繊維化瘢痕が大幅に減少し、梗塞周辺領域での髄鞘再生が増強されていることがわかりました。これは、Arg1がマクロファージでの発現により、脳卒中後の機能回復に影響を与える可能性があることを示唆しています。

5. ミクログリアによるシナプス貪食の調整

試験管内共培養実験を通じて、研究者たちは、マクロファージにおけるArg1の活性がミクログリアのシナプス貪食（synaptic phagocytosis）能力を調整していることを発見しました。Arg1 CKOはミクログリアによるシナプスの貪食を大幅に減少させ、梗塞周辺領域のシナプス構造を保護しました。

主要な結果

1. Arg1発現の時間依存性：Arg1は脳卒中後7日目にピークを迎え、主に浸潤マクロファージで発現します。
2. Arg1 CKOによる運動機能回復の改善：Arg1 CKOマウスは脳卒中後の運動機能回復が対照群よりも有意に優れていました。
3. 繊維化瘢痕の減少と髄鞘再生の促進：Arg1 CKOマウスでは繊維化瘢痕が大幅に減少し、梗塞周辺領域での髄鞘再生が促進されました。
4. ミクログリアによるシナプス貪食の減少：Arg1 CKOはミクログリアによるシナプスの貪食を大幅に減少させ、シナプス構造を保護しました。

結論

本研究は、Arg1が脳卒中後の回復において有害な役割を果たしていることを明らかにし、特に浸潤マクロファージでの発現が炎症微小環境とミクログリア機能を調整することで機能回復に影響を与えていることを示しました。Arg1 CKOは、繊維化瘢痕形成を減少させ、髄鞘再生を促進することで、脳卒中後の運動機能回復を改善しました。さらに、Arg1はミクログリアのシナプス貪食能力を調整することでシナプス構造の完全性にも影響を与えています。これらの発見は、脳卒中後の治療における新たな潜在的標的を提供し、Arg1を抑制することが効果的な治療戦略である可能性を示しています。

研究のハイライト

1. Arg1の有害な影響：本研究は、従来の抗炎症マーカーとしての認識に挑戦し、Arg1が脳卒中後の回復において有害な役割を果たしていることを初めて明らかにしました。
2. 革新的な実験モデル：Arg1 CKOマウスモデルを構築することで、研究者たちはArg1がマクロファージで果たす機能を正確に研究することができました。
3. 多層的なメカニズム研究：細胞レベルから行動学レベルまで、Arg1が脳卒中後の回復に果たす多重的な役割について包括的に探求しました。

研究の価値

本研究は、脳卒中後の炎症微小環境の複雑なメカニズムを理解するための新しい知見を提供するだけでなく、Arg1を標的とした治療戦略の開発に理論的根拠を提供しました。Arg1の発現を調整することで、脳卒中患者の機能回復を改善し、長期的な障害の発生を減らすことができるかもしれません。