生化学 SEIKAGAKU
Journal of Japanese Biochemical Society

外傷性脳損傷（traumatic brain injury：TBI）とは，交通事故や高所からの落下や転倒などにより頭部へ加えられた物理的衝撃によって脳が損傷した状態で，わが国での有病率は10万人あたり400～500人と推定される．TBIは外傷関連死の大きな原因であるが，命を取りとどめた場合にも後遺症として半身不随などの運動機能障害や，記憶・情動など高次脳機能の障害をもたらし，患者のQOL（quality of life）を大きく低下させる．このように，現在，TBI患者の治療方法の開発は大きな社会的要請となっている．TBIの急性期には脳浮腫が生じる．脳浮腫は脳内に水分が過剰に貯留する病態で，これに伴う頭蓋内圧の上昇は脳血流低下や神経細胞の損傷を生じる．この状態は致死的なものであるとともに，存命した患者の予後にも大きな影響をあたえる．現在，脳浮腫の治療には，浸透圧利尿薬の静注や開頭術が行われている．しかし，これらの治療は頭蓋内圧を低下させるための対症的処置であり，脳浮腫の発生自体を抑制する薬物治療は確立していない．我々はTBI時の脳浮腫に対する治療薬開発を目的として，脳浮腫発生に関わるメカニズムの解明を検討してきた．本著では脳浮腫の発生に関わる分子と，それらの発現機構について紹介する．

TBIによる脳浮腫の発生には二つの異なる機構がある^{1, 2）}．一つは細胞傷害性浮腫（cytotoxic edema）で，脳を構成する細胞自体が水分を取り込み，膨化することが特徴である（図1）．もう一つの機構は，脳損傷による血液脳関門（blood-brain barrier：BBB）の破綻が引き起こす血管原生浮腫（vasogenic edema）である．BBBは血液成分の脳内移行を制限する仕組みであり，透過障壁としての機能は脳微小血管を構成する血管内皮細胞間の密着結合（tight junction）で維持される．TBI急性期には密着結合の減少によりBBBの障壁機能が低下し，血中タンパク質が脳組織液へと漏出する．これにより脳組織液の浸透圧が高まると，脳への水分貯留が起きる．これが血管原生浮腫である．そしてこれら細胞傷害性浮腫と血管原性浮腫は互いに関連しあって，脳浮腫が増悪してゆく．

図1 脳浮腫の発生に関与するアストロサイト分子

外傷性脳損傷（TBI）に対し，アストロサイトは，①血管安定化因子であるアンギオポエチン-1（ANG-1）およびソニック・ヘッジホッグ（SHH）の産生を低下させる．その一方で，②マトリックスメタロプロテアーゼ（MMPs）や血管内皮増殖因子（VEGF）などの血管透過性亢進因子の発現を高める．その結果，血管透過性が過剰に高くなりBBBとしての機能が破綻する．破綻したBBBからは血漿成分が脳内に浸潤し，浸透圧増加とともに水が流入する（血管原性浮腫）．また，③脳損傷によるアストロサイトのATPレベルに伴いNa^＋ポンプ活性が低下する．さらにNa^＋/K^＋/Cl⁻共輸送体1（NKCC1）の発現が増加し，アストロサイトの細胞内Na^＋，K^＋およびCl⁻濃度が増加する．この結果，脳組織液からアストロサイト内へと水が移行し，アストロサイトの膨化が生じる（細胞傷害性浮腫）．④アストロサイトに貯留した水は，end-feetに局在するアクアポリン-4（AQP4）を介して脳組織より排出されるが，脳損傷によりAQP4が減少すると，水の排出能が低下し脳浮腫を増悪する．

TBI急性期の浮腫発生で，大きな役割を持つのがグリア細胞の一つ，アストロサイトである．アストロサイトは単に神経細胞間を埋める支持体としての働きだけでなく，神経伝達物質の代謝や脳組織液のイオン濃度の調節により，円滑な神経伝達を維持する役目を担う．一方，脳が損傷されるとアストロサイトは反応性アストロサイト（reactive astrocyte）へと表現型を変換させる．反応性となったアストロサイトは細胞体の肥大と過増殖で特徴づけられるが，この表現型の変換は脳疾患に関わる多くの遺伝子発現の変化をもたらす．そのため脳保護薬の開発において，アストロサイトの遺伝子発現を標的とした創薬戦略の有効性が論じられている．アストロサイトには脳での水動態やBBB透過性を調節する分子が存在し，これらの発現も反応性アストロサイトへの変換により変動する．そこで我々は，“アストロサイトの表現型を制御することで脳浮腫改善を導く”との創薬戦略を考えた．その際に着目したのが血管収縮ペプチドであるエンドセリン（ET）である．ETファミリーのうち成体組織での発現が最も高いET-1は脳内にも存在し，TBI時に産生が高まる．一方，アストロサイトにはET受容体のサブタイプの一つであるET_B受容体が存在し，その発現量は脳損傷により増加する^3）．そこで，TBIによる反応性アストロサイトの発生におけるET_B受容体の関与を流体パーカッション法で作製したTBIモデルラットを用いて検討した．その結果，TBIモデル動物へのET_B拮抗薬BQ788投与は，反応性アストロサイトの発生を抑制することを見いだし，ET_B受容体刺激が反応性への変換を促進することを明らかにした^{3, 4）}．反応性アストロサイトへの変換に関わる細胞内機構として，転写因子Stat3の関与が知られている^5）．我々もET_B受容体刺激が，Stat3のセリンリン酸化を介して反応性アストロサイトを誘導することを示した^6）．これらの結果はET_B受容体が，アストロサイトの機能を薬物で制御するための有効な標的分子であることを示唆している．

これらの実験結果を受け，アストロサイトのET_B受容体の脳浮腫発生への関与をマウスTBIモデルで検討した．TBI後にET_B受容体拮抗薬BQ788を脳室内に投与すると，損傷部位でのBBB破綻および脳浮腫が改善された^3）．さらに，肺動脈性肺高血圧症の治療薬である非選択的ET受容体拮抗薬ボセンタンの投与によっても，BQ788と同様にTBIによる脳浮腫を軽減した^7）．これらの結果は，アストロサイトに発現するET_B受容体がTBI時の脳浮腫発生に関わることを示すものである．次いで，アストロサイトでの脳浮腫関連分子の発現制御におけるET_B受容体の関与を検討した．

1）Na^＋/K^＋/Cl⁻共輸送体1（NKCC1）およびアクアポリン4（AQP4）

NKCC1およびAQP4はアストロサイトに発現し，脳損傷に伴う水動態に関わる分子である．フロセミドやブメタニドなどのループ利尿薬の標的分子でもあるNKCC1は，Na^＋とK^＋を二つのCl⁻とともに細胞内へと運ぶ輸送体で，アストロサイトでは脳損傷時にNKCC1の発現が増加する．NKCC1の発現増加はアストロサイト内のイオンと過剰な水の貯留（膨化）を起こし，これが細胞傷害性浮腫の原因となる（図1）．一方，水チャネルであるAQP4は，アストロサイトが神経血管ユニット（neurovascular unit）の構成細胞として脳微小血管を囲む傍血管足突起（end-feet）に局在し，脳と血管系の間での水輸送を担う．そして，脳損傷部位で観察される膨化したアストロサイトでは，end-feetに局在するAQP4は，血管系への水の排出経路として機能する．そのため脳損傷時にみられるAQP4の発現減少は，脳からの水の排出能を低下させ，脳浮腫を増悪する要因となる．培養アストロサイトでのET-1処置は，細胞膜上にあるNKCC1タンパク質発現を増加させた．TBIモデルマウスでのNKCC1発現増加は，脳浮腫を軽減する用量のBQ788投与により抑制された^8）．また，培養細胞およびラット脳でのET_B受容体の活性化は，アストロサイトでのAQP4発現を減少させた^9）．これらの結果は，ETがアストロサイトでのNKCC1およびAQP4の発現変化を介して，脳内への水分貯留を引き起こすことを示唆する．

2）血管透過性亢進因子

アストロサイトが産生する血管透過性亢進因子には，マトリックスメタロプロテアーゼ-9（matrix metalloproteinase-9：MMP9）および血管内皮増殖因子（vascular endothelial growth factor：VEGF）がある．脳損傷時に生じるBBB破綻を伴う血管原性浮腫は，これらの因子がアストロサイトで過剰に産生されることに起因する．MMP9はコラーゲンやラミニンなどの細胞外マトリックス分子を分解する酵素で，アストロサイトより分泌されると脳微小血管を囲む基底膜を分解し，血管の構造を不安定化させる．一方，VEGFは脳微小血管の血管内皮細胞に働き，BBBの透過障壁としての機能を担う密着結合の構成タンパク質（claudin-5, occludin）の発現を低下させる．このように血液成分に対する障壁としてのBBBの機能が低下し，血管原性浮腫が引き起こされる（図1）．実際，培養アストロサイトにおいてET_B受容体刺激は，MMP9およびVEGF発現を増加させた^{10, 11）}．また，BQ788はTBIモデルマウスでのMMP9およびVEGFの発現増加を抑制した^3）．これらの結果より，ETは血管透過性亢進因子を介して血管原生浮腫を引き起こすことが示唆される．

3）脳血管安定化因子

アストロサイトは血管透過性を亢進させる因子のほかに，アンギオポエチン-1（angiopoietin-1：ANG-1）やソニック・ヘッジホッグ（sonic hedgehog：SHH）など脳血管を安定化する因子も産生する．脳傷害モデルでは外因性のANG-1やSHHの投与が，BBB破綻および脳浮腫を軽減することが報告されている^{12, 13）}．そのため，アストロサイトでのこれら脳血管安定化因子の発現変化は，脳浮腫発生に影響すると考えられている．我々は，TBIモデルマウスを用いて，脳損傷が引き起こすANG-1およびSHH発現低下を，脳損傷後からのBQ877投与により増加できることを明らかにした^{14, 15）}．また，培養アストロサイトのET_B受容体刺激は，ANG-1およびSHH発現を減少させた．

以上の結果は，アストロサイトのET_B受容体の活性化が，多様な脳浮腫関連遺伝子の発現変化を介して，TBI急性期における脳浮腫を発生させることを示すものである（図2）．

図2 ET_B受容体を介した脳浮腫関連分子の発現調節

アストロサイトのET_B受容体の活性化は，脳浮腫の発生・増悪の要因となるNKCC1, MMP9およびVEGFの発現を増加させる．一方，ANG-1, SHHおよびAQP4の発現はET_B受容体刺激により減少する．そのためET_B受容体拮抗薬は，これら脳浮腫に関係する発現変化を同時に抑制することで，より効果的な脳浮腫改善が期待される．

脳損傷急性期に生じる脳浮腫の改善薬について，これまでの研究ではループ利尿薬やVEGF阻害薬などの薬物が検討された．しかしいまだに実用化されたものはない．その一因として，これまでに述べたとおり脳浮腫発生に関わる分子は数多くあり，単一分子の阻害・刺激のみでは十分な効果が発揮できないことがある．それに対してET_B受容体の遮断は，同時に多種の脳浮腫関連分子の活性を調節することが可能である（図2）．これは脳浮腫改善薬としては大きな利点になり，ET_B受容体が新たな作用機序を持つ脳浮腫改善薬の標的分子になりうると考えられる．その社会的要請の大きさにかかわらず，現在，TBI患者に生じる脳浮腫を軽減させる薬物治療は確立されていない．今後，ET_B受容体を標的とする新規脳浮腫改善薬が創製されることに期待したい．