YAKUGAKU ZASSHI 134(6) (2014) 2014 The Pharmaceutical Society of Japan 707 選択的 Sigma-1 受容体アゴニスト SA4503 の心筋保護作用 平野光河, 田頭秀章, 福永浩司 Symposium Revi

The authors declare no con‰ict of interest. 東北大学大学院薬学研究科薬理学分野（〒9808578 仙 台市青葉区荒巻字青葉 63） e-mail: kfukunaga＠m.tohoku.ac.jp 本総説は，日本薬学会第 133 年会シンポジウム GS1 で発表した内容を中心に記述したものである． ―Symposium Review―

選択的 Sigma-1 受容体アゴニスト SA4503 の心筋保護作用

Cardioprotective EŠect of the Selective Sigma-1 Receptor Agonist, SA4503

Department of Pharmacology, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Tohoku University; 63 Aramaki-aza-Aoba, Aoba-ku, Sendai 9808578, Japan.

(Received December 1, 2013)

We previously reported that the sigma-1 receptor is down-regulated in cardiomyocytes following heart failure in transverse aortic constriction(TAC) mice. In this review, we summarized the anti-hypertrophic action of selective sig-ma-1 receptor agonist, SA4503 in the hypertrophied cultured cardiomyocytes and discussed its possible mechanism of cardioprotection. Treatment with SA4503 (0.11mM) dose-dependently inhibited hypertrophy in cultured cardiomyo-cytes induced by angiotensin II(Ang II). We also found thata1receptor stimulation by phenylephrine(PE) promotes

ATP production through IP3receptor-mediated Ca2＋mobilization into mitochondria in cultured cardiomyocytes.

In-terestingly, the PE-induced ATP production was impaired after Ang II-induced hypertrophy and SA4503 treatment lar-gely restored PE-induced ATP production. The impaired PE-induced ATP production was associated with reduced mitochondrial size. The SA4503 treatment completely restored mitochondrial size concomitant with restored ATP production. These eŠects were blocked by sigma-1 receptor antagonist, NE-100 and sigma-1 receptor siRNA. We also conˆrmed that chronic SA4503 administration also signiˆcantly attenuates myocardial hypertrophy and restores ATP production in transverse aortic constriction mice. Taken together, sigma-1 receptor stimulation with selective agonist SA4503 ameliorates cardiac hypertrophy and dysfunction by restoring both mitochondrial Ca2＋_{mobilization and ATP}

productionvia sigma-1 receptor stimulation. Sigma-1 receptor stimulation represents a new therapeutic strategy to res-cue heart from hypertrophic dysfunction in heart failure.

Key words―sigma-1 receptor; cardiac hypertrophy; mitochondria; ATP production

1. はじめに 心不全とは心臓のポンプ機能が低下するために全 身に十分な血液が送れない病態であり，うっ血や呼 吸困難，虚弱などの臨床症状を呈する．かつては治 療薬として強心配糖体のジギタリスなどが用いられ たが，大規模臨床試験では強心薬の長期投与はむし ろ生命予後を悪くすることが知られている．さら に，神経・体液性因子が心筋に障害的に作用するこ とが明らかとなり，現在では心筋の保護や負荷軽減 を目的として ACE 阻害薬や b 遮断薬，利尿薬など が主に用いられている．しかし，これらも心不全の 進行を抑えることはできず，副作用も問題となって いる．そのうえ，重症心不全患者に対しては心臓移 植しか有効な治療法はなく，従来の作用機序とは異 なる新規の心不全治療薬が求められている． 心臓に通常よりも強い負荷がかかった際に，その 負荷を軽減するための代償反応として心肥大という 現象が起きる．心肥大は生理的心肥大と病的心肥大 の 2 つに分類され，前者は成長や運動などの負荷に より，後者は心臓弁膜症や高血圧などの負荷により 生じる．本来，心臓の肥大は外的変化に適応するた めの機構であるが，負荷の長期化により代償機構が 破綻することで心機能障害を生じ，最終的には心不 全へと進行する．心肥大から心不全へと移行する詳 細なメカニズムは不明な点が多いが，心臓のエネル ギー需要と供給のバランスが崩れることで引き起こ されると言われている．1,2) 心臓は絶えず収縮と拡張を繰り返しており，あら ゆる臓器の中でも特に多くのエネルギーを必要とす

平野光河 2012年 4 月東北大学薬学部創薬科学科 卒業．2014 年 3 月東北大学大学院薬学 研究科修士課程修了．岩手県出身．専 門は心疾患や中枢神経疾患モデル動物 を用いた薬効評価．修士論文題目：心 不全モデルマウスのうつ様行動におけ るシグマ1 受容体の関与．

Fig. 1. Structure of SA4503

る．エネルギー産生を担うオルガネラであるミトコ ンドリアは心臓の重量の 23 割を占めており，3)_酸 化的リン酸化によって産生される ATP は拍動に必 須のエネルギー源である．1,2)_{ミトコンドリアで産生} された ATP の 67 割は収縮のために使用され，残 りは筋小胞体 Ca2＋_{ATPase（SERCA）を始めとす} る種々のイオンポンプで消費される．46)_一方，心 臓におけるミトコンドリアの機能低下及びそれに伴 う ATP 産生の低下がヒト心不全患者や心不全モデ ル動物で観察されており，ミトコンドリア機能障害 と心機能障害との関連が示唆されている．7,8) 新規の心不全治療薬の開発が求められているなか で ， 私 達 は ， selective serotonin reuptake inhibitor （SSRI）系抗うつ薬適応によってうつ病患者におけ

る心疾患合併リスクが減少するという臨床報告，9)

また，SSRI 系抗うつ薬の ‰uvoxamine が sigma-1

受容体に高い親和性を持つ点に注目した．10)_実際に， sigma-1 受容体が心臓に高発現すること，さらに， sigma-1受容体に高い親和性を持つ化合物が心筋保 護作用を示すことを明らかとした．1114)_{本稿では，} 圧負荷に伴う心不全モデル動物とアンギオテンシン II（Ang II）により心筋肥大を起こした培養心筋細 胞 に 対 す る ， 選 択 的 sigma-1 受 容 体 ア ゴ ニ ス ト SA4503（Fig. 1）の心筋保護作用とミトコンドリア 機能改善作用のメカニズムについて考察する． 2. Sigma-1 受容体の機能 Sigma-1受容体は，哺乳類のいずれのタンパク質 とも相同性を持たない小胞体膜上の 2 回膜貫通型受 容体である．その機能については不明であったが， 近年，sigma-1 受容体が非筋細胞において mitochon-dria-associated ER membrane（MAM）に局在し， その一部は inositol 1,4,5-triphosphate（IP3）受容体 と会合し，IP3受容体の機能を調節する分子シャペ ロンとして働くことが示された．15)_{しかしながら，} その生理機能と病態での役割については不明である． Sigma-1 受容体は，アルツハイマー病16,17)_や筋萎 縮性側索硬化症（ALS)，18,19)_{統合失調症}20,21)_などの 多くの中枢神経疾患で発現量の低下や遺伝子変異が 報告されている．アルツハイマー病治療薬のアリセ プト22)_{や SSRI 系抗うつ薬，}23)_{三環系抗うつ薬}24)_が sigma-1 受容体に親和性を持つことから，様々な中 枢神経疾患の治療標的として期待されている．25,26) なかでも高親和性で選択的アゴニストである SA4503 は抗うつ薬，脳梗塞治療薬，ALS 治療薬として臨 床試験が行われている． 一方，末梢臓器において私達は心臓，1214)_腎臓，27) 血管28,29)_{で sigma-1 受容体が発現することを確認し} た．培養心筋細胞においては，sigma-1 受容体のリ ガンドである（＋)-3PPP，（＋)-pentazocine が心 筋細胞への Ca2＋_{流入，心筋収縮，脈拍を増強する} ことが報告されている．3032)_{また，sigma-1 受容体} が細胞膜上のイオンチャネルと結合することや， sigma-1受容体のリガンドが様々なイオンチャネル の働きを調節することも示されている．3336) 私達は，病的心肥大モデルである transverse aor-tic constriction（TAC）処置マウスや閉経後心疾患 モデルである卵巣摘出腹部大動脈狭窄（OVX-PO） ラット37)_{において左心室の sigma-1 受容体発現量が} 激減することを見い出した．1214)_{TAC モデルは，} 動脈硬化好発部位として知られる横行大動脈を狭窄 して心臓に圧負荷をかけるモデルであり，処置後 2 週間から代償機構として心肥大が，4 週間から心機 能障害がみられる．左心室における sigma-1 受容体 の発現量は心機能障害が生じる TAC 処置 4 週間後 から低下することを示しており，sigma-1 受容体と 心機能との関連が示唆された．12)_{私達は，sigma-1} 受容体に高い親和性を持つ，SSRI の ‰uvoxamine や副腎皮質ホルモンの dehydroepiandrosterone が TAC モデルや OVX-PO モデルにおいて心筋保護作 用を示すことを明らかにした．1214) 3. SA4503による心筋保護作用

まず，in vivo における SA4503 の効果を検討す るため，病的心肥大モデルである TAC 処置マウス

Fig. 2. Intracellular Localization of Sigma-1 Receptor fol-lowing Treatment with Ang II and SA4503

Cultured cardiomyocytes were stained with antibody against sigma-1 (s1) receptor (green) and visualized mitochondria by MitoTracker Red CMXRos (red). Scale bar＝8mm. (modiˆed from Ref. 11).

を用いた．10 週齢の雄性 ICR マウスに TAC 処置 を施し，sigma-1 受容体アゴニストの SA4503（0.1, 0.3, 1.0 mg/kg,p.o.）及び sigma-1 受容体アンタゴ ニストの NE100（1.0 mg/kg, p.o.）を 4 週間投与 した．TAC 処置 4 週間後における心肥大・心機能 障害は SA4503 投与により濃度依存的に改善した． ラット新生児培養心筋細胞においても，Ang II 72 時間処置により引き起こされる細胞の肥大と sig-ma-1受容体発現量の低下は SA4503（1.0 mM）の 24 時間処置により抑制された．一方，SA4503 によ る心肥大・心機能障害改善作用及び心筋細胞肥大の 抑制作用は NE100 の同時処置によりすべて消失し た．以上のことから，SA4503 は sigma-1 受容体刺 激を介して心筋保護作用を発揮することが示され た．11) 4. SA4503 によるミトコンドリア機能の改善 Sigma-1受容体は IP3受容体の機能を調節するこ とが非筋細胞で報告されているため，15)_{SA4503 に} よる心筋保護作用は IP3受容体を介していると仮説 を立て検討を行った．培養心筋細胞において IP3受 容体阻害剤の xestospongin C の処置は SA4503 に よる肥大抑制作用を阻害した．次に，IP3受容体の 機能を評価するために，フェニレフリン刺激時の細 胞質及びミトコンドリア内 Ca2＋_{濃度を測定した．} Ang II 72時間処置により，細胞質及びミトコンド リ ア へ の Ca2＋ _{流 入 は と も に 著 し く 低 下 し た ．} SA4503処置はミトコンドリアへの Ca2＋_流入を有 意に改善したが，一方，細胞質への Ca2＋_流入に対 しての改善効果は部分的であった．つまり，SA4503 は IP3受容体を介したミトコンドリアへの Ca2＋流 入を促進し，心筋保護作用を示すと考えられる．11) 免疫染色により，培養心筋細胞において sigma-1 受容体は膜電位依存性のミトコンドリアマーカーで ある MitoTracker Red CMXRos と共局在しており，

sigma-1受容体がミトコンドリアの近傍に局在して いることが確認できた．Ang II に長時間暴露する と，sigma-1 受容体の発現は低下し，同時にミトコ ンド リア の サイ ズ及 び 膜電 位は 著 しく 低下 し た （Fig. 2）．ミトコンドリアは細胞内のエネルギー環 境に応じて分裂と融合を繰り返して形態を変化させ る動的なオルガネラであるため，持続的な Ang II 処理により分解若しくは分裂が進行したと考えられ る．38)_{興味深いことに，SA4503 処置は sigma-1 受} 容体の発現とミトコンドリアの形態及び膜電位すべ てに対して改善効果を示した． 私達は neuro2a 細胞において，sigma-1 受容体過 剰発現によって IP3受容体を介した ATP 産生が増 加することを報告している．39)_{DT40 細胞において} も，IP3受容体によるミトコンドリアへの Ca2＋流 入は細胞内のエネルギー維持に必須であることが示 されている．40)_{そこで，sigma-1 受容体刺激が心筋} 細胞での ATP 産生にどのような影響を及ぼすか検 討した．細胞内 ATP 量をルシフェラーゼ法により 測定すると，Ang II 処置により半分ほどに低下し た細胞内 ATP 量は SA4503 処置によって完全に回 復した［Fig. 3(A）］．SA4503

による効果は，siR-NAによる sigma-1 受容体のノックダウン，また， IP3受容体阻害剤の xestospongin C の処置によって 抑制された．次に，より直接的にミトコンドリアの ATP 産生能を評価するため，フェニレフリン刺激 直後の ATP 量の変化を評価した．無処置の細胞で はフェニレフリン刺激により ATP 量は 1.8 倍に上 昇したが，Ang II 処置を行った細胞ではフェニレ フ リ ン 刺 激 の 前 後 で ATP 量 は 変 化 し な か っ た ［Fig. 3(B）］．興味深いことに，SA4503 処置により

Fig. 3. ATP Production following Treatment with Ang II and SA4503

A, Measurement of cellular ATP content 72 h after treatment with 100 nMAng II with or without SA4503 treatment for the last 24 h. Each group

consists of 4 samples. B, Measurement of cellular ATP content with or without 10mMPE stimulation. Each group consists of 4 samples. Data are

expressed as percentages of the control cell value (mean±S.E.M.). p＜0.05 and p＜0.01 versus control cells;##_{p＜0.01 versus Ang II-treated cells;}†_p＜

0.05 and††_{p＜0.01 versus Ang II plus 1 mMSA4503-treated cells;}¶¶_p＜0.01

versus the non-stimulated cells. NE: NE-100 (10mM for 24 h). Xest:

Xestospongin C (1 mMfor 24 h). (modiˆed from Ref. 11).

Fig. 4. Schematic Representation of Working Hypothesis of SA4503-induced Cardioprotection

The sigma-1 receptor stimulation with SA4503 promotes mitochondrial Ca2＋_{in‰ux and mitochondrial Ca}2＋_{-dependent ATP production. The}

in-creased ATP production promotes sarco/endoplasmic reticulum Ca2＋

-AT-Pase (SERCA2a) activity. The increased SERCA2a activity elevates Ca2＋_in

sarcoplasmic reticulum (SR) to strengthen constriction and prevent Ca2＋

leak to inhibit cardiac hypertrophy. Thus sigma-1 receptor stimulation by SA4503 elicits cardioprotection in heart failure.

フェニレフリン刺激誘導性の ATP 産生は改善し た．これは SA4503 処置によりミトコンドリア内の

Ca2＋_{濃度が増加することで，tricarboxylic（TCA）}

回路の Ca2＋ _{濃度依存的な脱水素酵素（pyruvate}

dehydrogenase,41) _{isocitrate dehydrogenase,}42)

oxo-glutate dehydrogenase43)_{）が活性化し，酸化的リン} 酸化が亢進したためと考えられる．4446) 以上より，私達は培養心筋細胞において sigma-1 受容体アゴニストの SA4503 がミトコンドリア機能 を高めることを証明した．さらに in vivo において も，TAC 処置で低下した sigma-1 受容体発現量と 組織中 ATP 量は SA4503 投与により完全に回復し た．11)_{これらの結果をまとめると，SA4503 投与は} sigma-1 受容体刺激を介して IP3受容体によるミト コンドリアへの Ca2＋_{流入を促進し，ATP 産生を} 高める．ATP 増加によって，エネルギー需要と供 給の平衡が保たれ，また，Ca2＋_{ホメオスタシスが} 正常化することで心機能障害が改善したと考えられ る（Fig. 4）． 5. ミトコンドリア機能と心不全 代償的心肥大から心不全への移行は，エネルギー 需要と供給の平衡が崩れることで引き起こされる． そのため，ミトコンドリアの機能低下が心機能に対 して大きな影響を及ぼすと考えられる．2,47)_心不全 患者や動物モデルでの検討から，心肥大時にはミト コンドリアの機能や生合成は亢進しており，心不全 時にはミトコンドリア機能が低下することが示され ている．4850)_Daiら51)_{は，Ang II 慢性投与によって} 心筋細胞のミトコンドリア障害が増加すること，さ らに，ミトコンドリア DNA 量が低下することを報 告した．また，ミトコンドリア DNA に障害を起こ すことで心機能障害が誘導されることを示した．51) MAMに局在する mitofusin 1/2 の欠損は，ミトコ ンドリアの断片化や機能障害，そして重度の心筋障 害を引き起こす．52)_{Mitofusin 2欠損マウスにおい} ては，ミトコンドリアの Ca2＋_{取り込みが低下する} ことや，ノルエピネフリン刺激時の TCA 回路の酵 素活性が低下することが報告された．53) 一方，ミトコンドリアタンパク質を調節すること により心機能障害が改善されることが報告されてい る．51,54,55)_{例えば，ミトコンドリア内膜での ATP}

輸送を担う adenine nucleotide translocase を過剰発 現することで，レニン過剰発現マウスにおけるミト コンドリア障害が抑制され，心肥大・心機能障害が

改善する．54)_Schulzら55)_{は，ミトコンドリアマトリ}

トコンドリアのエネルギー代謝が高まり，Akt シグ ナルの活性化を介して心機能障害が抑制されること を報告した．ミトコンドリアは活性酸素種の主要な 産生源であるが，ミトコンドリア内にカタラーゼを 過剰発現することで Ang II 慢性投与によるミトコ ンドリア障害と心機能障害が改善することが示され ている．51) これらの報告は，心機能維持におけるミトコンド リアの重要性を示し，同時にミトコンドリアの機能 亢進が心不全の新たな治療戦略となり得ることを示 唆している．これまで sigma-1 受容体機能について は中枢での報告が多く，心臓での役割は不明であっ た．私達の研究により，sigma-1 受容体の心臓機能 における役割と SA4503 を始めとした sigma-1 受容 体リガンドの心筋保護作用が初めて明らかになった． 6. おわりに 本研究は，SA4503 の心筋保護作用とそのメカニ ズムについての最初の報告であり，特に sigma-1 受 容体作動薬が心筋細胞のミトコンドリア機能亢進を 介して心臓を保護するという重要な発見である．実 際に，SA4503 は脳梗塞に伴う機能障害の治療薬及 び抗うつ薬として臨床試験の第Ⅱ相試験が行われて おり，ヒトに対しての有効性が調べられている．中 枢における抗うつ作用にもミトコンドリア機能の改 善作用が関与している可能性が高い．ミトコンドリ ア機能を改善する sigma-1 受容体作動薬は，G タン パク質共役型受容体やイオンポンプを標的とした既 存の心臓保護薬とは作用機序が大きく異なるため， 心不全の新規治療薬としても期待される．本研究が 心血管イベントから心不全への進展を予防する選択 的 sigma-1 受容体作動薬の開発につながれば有益で ある． REFERENCES

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53) Chen Y., Csord áas G., Jowdy C., Schneider T. G., Csord áas N., Wang W., Liu Y., Kohlhaas M., Meiser M., Bergem S., Nerbonne J. M., Dorn G. W. 2nd, Maack C., Circ. Res., 111, 863875 (2012).

54) Walther T., Tsch äope C., Sterner-Kock A., Westermann D., Heringer-Walther S., Riad A., Nikolic A., Wang Y., Ebermann L., Siems W. E., Bader M., Shakibaei M., Schultheiss H. P., D äorner A., Circulation, 115, 333344 (2007).

55) Schulz T. J., Westermann D., Isken F., Voigt A., Laube B., Thierbach R., Kuhlow D., Zarse K., Schomburg L., PfeiŠer A. F.,

Tsch äope C., Ristow M., Aging, 2, 843853 (2010).