GDF15拮抗作用により重度の心不全を制限し、心臓性悪液質を予防する

心不全（Heart Failure, HF）は複雑な疾患であり、その発症率は年々上昇し、予後も不良です。心臓悪液質（Cardiac Cachexia）は心不全患者に共通する合併症で、体重の著しい減少、筋肉の消耗、栄養不良を特徴とし、その発症は患者の罹患率と死亡率と独立して関連しています。心臓悪液質は心不全患者において一般的に見られますが、その病理メカニズムは未だ不明であり、特に栄養状態の悪化と心機能の悪化との関係については、深い研究が不足しています。

近年、研究者らは、細胞ストレスのマーカーである成長分化因子15（Growth Differentiation Factor 15, GDF15）が心不全患者において著しく上昇していることを発見しました。GDF15は食欲を抑制し、食物摂取を減少させることで、心臓悪液質の発症に重要な役割を果たす可能性があります。しかし、GDF15が心不全において保護的なのか、それとも病態的なのかについては、依然として議論が続いています。

さらに、統合ストレス応答（Integrated Stress Response, ISR）が心不全において果たす役割も注目を集めています。ISRはタンパク質翻訳と転写再プログラミングを調節することで、細胞が様々なストレス刺激に対応するのを助けます。PPP1R15A（GADD34とも呼ばれる）はISR経路の鍵となる分子で、eIF2αの脱リン酸化を通じてISRの活性化を負にフィードバックします。しかし、PPP1R15Aが心臓悪液質において果たす役割は十分に研究されていません。

これらの背景を踏まえ、本研究はPPP1R15Aが心不全および心臓悪液質において果たす役割を探り、GDF15がこの過程でどのようなメカニズムを担っているかを研究することを目的としています。

論文の出典

本研究は、複数の研究機関のチームによって共同で行われ、主な著者にはMinoru Takaoka、John A. Tadross、Ali B. A. K. Al-Hadithiなどが含まれます。研究チームは、ケンブリッジ大学、スペイン国立心血管研究センター（CNIC）、フローニンゲン大学などの著名な機関から構成されています。論文は2024年9月23日に《Cardiovascular Research》誌にオンライン掲載され、DOIは10.1093/cvr/cvae214です。

研究の流れ

1. 動物モデルの構築と実験設計

研究では、PPP1R15A遺伝子欠損マウス（PPP1R15Aδc/δc）と野生型マウス（WT）を使用し、全身照射（11 Gy）と骨髄移植（Bone Marrow Transfer, BMT）によって心不全モデルを構築しました。照射後、マウスの骨髄細胞は野生型骨髄細胞に置き換えられ、PPP1R15Aが非骨髄由来細胞において果たす役割を研究しました。

2. 心機能と体重のモニタリング

超音波心エコー（Echocardiography）を用いて、マウスの左室機能を評価し、左室短縮率（Left Ventricular Fractional Shortening, LVFS%）と左室質量（Left Ventricular Mass, LVM）を測定しました。同時に、マウスの体重変化を記録し、心臓悪液質の重症度を評価しました。

3. GDF15の発現と活性の検出

単分子in situハイブリダイゼーション（Single Molecule In Situ Hybridization, SM-ISH）とリアルタイム定量PCR（RT-qPCR）を用いて、心臓組織中のGDF15の発現レベルを検出しました。さらに、ELISAを用いて血漿中のGDF15濃度を測定し、全身循環中のレベルを評価しました。

4. GDF15拮抗剤実験

GDF15が心臓悪液質において果たす役割を検証するため、研究ではGDF15の活性を阻害する単クローン抗体（Mab2）を使用しました。照射後4週目に、PPP1R15Aδc/δcマウスをランダムに2群に分け、Mab2またはIgG対照抗体を投与し、3日ごとに注射を続け、実験終了まで継続しました。

5. 代謝パラメータの検出

血漿サンプルを用いて、インスリン、グルコース、遊離脂肪酸（Free Fatty Acids, FFA）、コルチコステロン（Corticosterone）レベルを測定し、GDF15拮抗剤が代謝に及ぼす影響を評価しました。

主な結果

1. PPP1R15A欠損マウスは重度の心不全と体重減少を示す

照射後、PPP1R15Aδc/δcマウスでは左室機能が著しく低下し、LVFS%の減少と左室拡張が見られましたが、野生型マウスでは明らかな心機能の悪化は見られませんでした。同時に、PPP1R15Aδc/δcマウスでは照射後に著しい体重減少が見られ、心臓悪液質の発症が示唆されました。

2. PPP1R15A欠損マウスではGDF15が著しく上昇

SM-ISHとRT-qPCRを用いた検出により、PPP1R15Aδc/δcマウスの心臓におけるGDF15の発現が野生型マウスに比べて著しく高いことが明らかになりました。さらに、血漿中のGDF15レベルも著しく上昇しており、GDF15が心臓悪液質において重要な役割を果たしている可能性が示唆されました。

3. GDF15拮抗剤は体重減少と心不全を予防

Mab2を用いてGDF15の活性を阻害した結果、PPP1R15Aδc/δcマウスの体重減少が著しく緩和され、左室機能も改善されました。さらに、心臓線維化と血漿トロポニン（Troponin）レベルも著しく低下し、GDF15拮抗剤が心臓悪液質を予防するだけでなく、心不全の進行を遅らせる効果があることが示されました。

4. GDF15と代謝パラメータの相関

GDF15拮抗剤治療後、マウスのインスリンレベルは著しく上昇し、遊離脂肪酸とトリグリセリドレベルは低下しました。これは、GDF15が代謝経路を調節することで心臓悪液質の進行に影響を与えている可能性を示唆しています。

結論と意義

本研究は初めて、PPP1R15Aが心不全および心臓悪液質において果たす重要な役割を明らかにし、GDF15が心臓悪液質を駆動する重要な分子であることを証明しました。GDF15の活性を阻害することで、研究者らは心不全の進行を遅らせ、心臓悪液質の発症を予防することに成功しました。この発見は、心不全の治療に新たな視点を提供し、GDF15拮抗剤が重度の収縮性心不全の治療法として新たな可能性を秘めていることを示しています。

研究のハイライト

1. PPP1R15Aが心臓悪液質において果たす役割を初めて明らかに：本研究は、PPP1R15A欠損マウスが照射後に重度の心不全と心臓悪液質を発症することを初めて証明し、心臓悪液質の病理メカニズムを理解する新たな視点を提供しました。

2. GDF15が心臓悪液質の鍵となる駆動因子であることを示す：研究では、PPP1R15A欠損マウスにおいてGDF15が著しく上昇し、食欲を抑制し、代謝経路を調節することで心臓悪液質の進行を駆動していることが明らかになりました。

3. GDF15拮抗剤の治療的潜在性：GDF15の活性を阻害することで、研究者らは心不全の進行を遅らせ、心臓悪液質の発症を予防することに成功し、心不全の治療に新たな戦略を提供しました。

その他の価値ある情報

本研究では、GDF15の発現が患者の心不全の重症度と密接に関連していることも発見しました。BIOSTAT-CHFコホートのデータを分析した結果、血漿GDF15レベルは患者の筋肉量とタンパク質摂取量と負の相関があることが明らかになり、GDF15が心臓悪液質において重要な役割を果たしていることをさらに支持しています。

本研究は、GDF15が心不全および心臓悪液質において果たす重要な役割を明らかにしただけでなく、新たな治療法の開発に重要な理論的根拠を提供しました。