脳虚血・再灌流障害とグルタチオンの脳保護効果

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(1)● シンポジウム 1 脳梗塞急性期の診断・病態と治療. 脳虚血・再灌流障害とグルタチオンの脳保護効果矢吹悌，福永浩司＊. 要旨脳梗塞の約 23％が一過性脳虚血発作によって引き起こされる．活性酸素種産生による酸化ストレスの亢進は，脳虚血による神経障害を悪化させる要因の一つである．現在臨床適応されている抗酸化薬はエダラボンのみである．しかしながら，エダラボンは急性腎不全および肝障害などの重篤な副作用や治療可能時間域の短さが問題となっている．故に，一過性脳虚血発作に続く重篤な脳梗塞発症を予防するために新たな治療薬の開発が望まれる．本稿では，生体内で合成される抗酸化物質グルタチオン（GSH）に着目し，脳において GSH 生合成を高める薬物の基礎および臨床研究結果と，われわれの GSH 経口投与による一過性脳虚血に伴う脳機能障害を改善効果について紹介する．（脳循環代謝 26：39∼43，2015）. キーワード : グルタチオン，一過性脳虚血発作，酸化ストレス，神経保護作用. 1．はじめに. 2．GSH について. 脳血管疾患は，日本人の死因の第 4 位に位置し，中. GSH はグルタミン酸，システインおよびグリシンか. でも脳梗塞による死因が非常に高い．脳梗塞は感覚，. ら生合成されるトリペプチドであり，ROS を直接消去. 運動および認知機能障害発症の原因となり，患者の. する内因性の抗酸化物質である（図 1）4）．GSH はグル. QOL を著しく低下させることから，その対策が急務. タチオンペルオキシダーゼにより，酸化型グルタチオ. となっている．脳虚血急性期では，活性酸素種（ROS）. ン（GSSG）に変換される際に ROS を消去する（図. 産生が異常に亢進し，生体内の抗酸化機構が破綻する. 4） 1）．神経系においてグルタミン酸およびグリシンは. ことで酸化ストレス負荷の状態となり，神経障害を悪. 豊富に存在するため，GSH の生合成はシステイン依存. 1）. 化させることが知られている．日本では抗酸化薬の. 的である．さらに，システインは酸化されやすいた. エダラボン（ラジカット）が世界初の脳保護薬として. め，GSH 生合成にはシステインの酸化二量体であるシ. 脳梗塞急性期に用いられている．しかしながら，エ. スチンの取り込みが律速段階になる（図 1）．さらに，. ダラボンは急性腎不全などの重篤な副作用が問題と. 神経細胞はシスチンの取り込み能に乏しいため，近傍. なっている．故に，治療可能時間域が広く，安全な脳. のアストロサイトがシスチントランスポーター（xCT）. 2）. 3）. 保護薬の開発が望まれている．本項では，主要な生体内の抗酸化機構であるグルタチオン（GSH）に着目し，その機能と治療薬の候補について紹介する．. を介し，シスチン取り込み・GSH 生合成を担っている 5）（図 1）．. 中大脳動脈閉塞により脳虚血を誘導させたラット脳内では，GSH 量は低下し，GSSG 量が増加する6）．また，脳虚血に対し神経保護作用を有する多くの化合物. 東北大学大学院薬学研究科薬理学分野＊〒 980-8578 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-3 TEL: 022-795-6836 FAX: 022-795-6835 E-mail: kfukunaga@m.tohoku.ac.jp. が脳内 GSH 量を増加させる6, 7）．以上の報告から， GSH による抗酸化機構が脳虚血において重要な役割を担っていることがわかる．一方，GSH 前駆体である N-アセチル-L-システイン（NAC）および γ-グルタミル ─ 39 ─.

(2) 脳循環代謝第 26 巻第 2 号. A. B. 図 1．GSH 生合成経路と抗酸化反応機構 A：GSH はグルタミン酸，システインおよびグリシンより生合成され，GSSG に変換される際に活性酸素種を消去する．図1 B：神経系において，システインの取り込みが神経細胞における GSH 生合成の律側である．NAC および γGC は GSH 生合成を促進するが，NAC および γGC 自体もフリーラジカルスカベンジャーとして働く． AMPAR，α-アミノ-3-ヒドロキシ-5-メチル-4-イソキサゾールプロピオン酸受容体；CssC，シスチンジスルフィド；Cys，システイン；GCL，γ-グルタミルシステイン合成酵素； Glu，グルタミン酸；Gly，グリシン；GPXs，グルタチオンペルオキシダーゼ；GR，グルタチオンリダクターゼ；NMDAR，N メチル D アスパラギン酸受容体；SOD，スーパーオキシドジスムターゼ. システイン（γGC）は，静脈または腹腔内投与により脳. れている13）．. を含む様々な器官の GSH 濃度を亢進させ，細胞保護. 現在，NAC はパーキンソン病，Tourette 症候群およ. 7, 8）的に働くことが報告されている（図 1B）．. び外傷性脳障害に対する臨床試験を行うために患者を募っている段階である13）．先行臨床試験において，. 3．NAC による脳機能改善効果と作用機序. NAC 単回投与によって健常者とパーキンソン病患者の脳内および血中 GSH 濃度が上昇するという報告が. NAC の血液脳関門通過性については，標識方法や. ある15）．さらに，NAC は投与開始後，ALS 患者の 1. 投与経路および投与量によって異なる結果が報告され. 年内死亡率を 50％低下させるという臨床結果があ. ている．Sunitha らは，14C-NAC を静脈または腹腔内投. る16）．一方，アルツハイマー病および脳梗塞患者に対. 与しても，脳および脊髄には取り込まれないことを報. する有効性については未だ決着がついていない13, 17）．. 告している9）．一方，動脈内または頸静脈投与では，. 今後，さらなる臨床研究が望まれる．. 高い血液脳関門通過性を示す．また，NAC をエステ 10）. 4．γGC による脳機能改善効果と作用機序. ル化した NAC エチルエステルは投与後，劇的に早く脳に移行することが知られている11）．多くの基礎研究結果が，NAC の脳虚血に対する神. 最近，GSH の前駆体で，グルタミン酸とシステイン. 経保護作用を支持している．その機序として，一酸化. から合成される γGC による抗酸化作用が報告され. 窒素合成酵素（NOS）阻害による NO 産生の抑制，脳微. た8）．興味深いことに，前述した NAC は主にアストロ. 小血管血流の改善および脳内 GSH 濃度亢進作用が考. サイトにおいて GSH 生合成を亢進するのに対し，. えられる12, 13）．とくに，脳内 GSH 濃度亢進作用は脳虚. γGC はアストロサイトではなく，神経細胞選択的に. 血モデル動物に対してだけでなく，パーキンソン病お. 8） GSH 濃度を亢進させる（図 1B）．一方，γGC は神経. よびアルツハイマー病などの神経変性疾患モデル動物. 細胞だけでなく，H2O2 処置アストロサイトに対して. に対しても有効である13）．難病指定の筋萎縮性側索硬. も細胞保護的に作用することから γGC 自体のラジカ. 化症（ALS）モデルマウスに対しては，グルタチオンペ. ルスカベンジャー作用が示唆される．また，マウスに. ルオキシダーゼ発現量の増加およびラジカルスカベン. γGC を尾静脈投与すると，90 分後に脳内 GSH 濃度が. ジャー作用を介し，延命効果を示す13, 14）．その他に. 有意に増加し，120 分後にピークに達する8）．γGC に. も，NF-κB 活性および TNF-α 産生抑制効果も報告さ. よる基礎研究はまだほとんど検討されていないため，. ─ 40 ─.

(3) 脳虚血・再灌流障害とグルタチオンの脳保護効果 GSH (100 mg/kg, p.o.) B Cortex * Hippocampus. 3. *. 2. 1. -0.5 0 0. GSH/protein (ng/mg). C. 1 1.5 2 2 2.5 0.5 1 Time course (hr). 3 3. 3.5. L-Cys (40 mg/kg, p.o.) Cortex Hippocampus. 4. D. 3. 2. 1. -0.5 00. 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0. GSH/protein (ng/mg). GSH/protein (ng/mg). 4. 1 1.5 2 2 2.5 0.5 1 Time course (hr). 3 3. 3.5. Cortex Hippocampus. 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0. * *. Control Cortex. GSH/protein (ng/mg). A. 50. 100. * *. 500. GSH (mg/kg p.o.). Hippocampus. Control. 40. 200. L-Cys (mg/kg p.o.). 図 2．GSH および L-システイン経口投与による脳内 GSH 濃度の変化（文献 9 より改変転記） A：GSH（100 mg/kg, p.o.）経口投与後 1 時間後に脳内 GSH 濃度が有意に上昇する． B：GSH 経口投与量依存的に脳内 GSH 濃度が上昇する．図2 C：L-システイン（40 mg/kg, p.o.）経口投与によっても脳内 GSH 濃度に変化はない． D：L-システイン経口投与量を増加しても脳内 GSH 濃度に影響しない．. 19）投与しても脳内 GSH 濃度は変化しなかった（図 2）．. 今後さらなる研究が期待される．. 次に，一過性脳虚血発作モデルマウスにおける脳内. 5．GSH 経口投与による神経保護作用と作用機序. GSH 濃度と GSH 経口投与による効果を検討した．20 分間両総頸動脈閉塞（BCCAO）後の海馬および皮質領域では GSH 濃度が低下し，GSSG 濃度が上昇してい. 現在，GSH 自体は主に注射・点滴剤が臨床の現場で. た．GSH 経口投与は，投与量依存的に BCCAO マウス. 用いられている．米国では，GSH 600 mg/kg の静脈投. にみられる GSH 濃度低下および GSSG 濃度の増加を. 与により，パーキンソン病患者の運動症状を軽減する. 正常化した19）．さらに，BCCAO が誘導する神経細胞. という根拠から，パーキンソン病治療に用いられてい. 死は GSH 投与量依存的に抑制された．また，カルシ. る．日本においては，薬物中毒，妊娠悪阻および慢. ウム/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼ II. 性肝疾患などに適応されているが，脳疾患へのグルタ. （CaMKII）は神経細胞支配的に局在し，記憶・学習獲. チオン療法は一般的ではない．その原因の一つが，注. 得に必須のプロテインキナーゼであるが20），BCCAO. 18）. 射・点滴による治療のため，通院が必要であることが. により低下した海馬 CA1 領域の CaMKII 蛋白質量も. 挙げられる．そこで，われわれは GSH 経口投与によ. GSH 経口投与により改善された．これら神経保護作用. る脳内 GSH 濃度への影響と一過性脳虚血発作に対す. と良く相関し，BCCAO マウス海馬 CA1 領域における. る神経保護作用について検討を行った（図 2）．興味. 酸化ストレスの亢進は GSH 経口投与量依存的に抑制. 深いことに，GSH 経口投与（100 mg/kg, p.o.）1 時間後. された．さらに，BCCAO マウスにみられる記憶障害. にマウス海馬および皮質領域における GSH 濃度が有. は GSH 経口投与により改善した19）．. 19）. 19）意に上昇した（図 2）．また，脳内 GSH 濃度は経口投. 与量依存的に増加した（図 2）．一方，神経細胞における GSH 生合成の律速因子となる L-システインを経口 ─ 41 ─.

(4) 脳循環代謝第 26 巻第 2 号. locatechin-3-gallate by modulation of oxidative stress and. 6．おわりに. neuroinflammation. Evid Based Complement Alternat Med 2012: 163106, 2012 8） Le TM, Jiang H, Cunningham GR, Magarik JA, Barge. 以上のことから，GSH による抗酸化機構は脳梗塞の. WS, Cato MC, Farina M, Rocha JB, Milatovic D, Lee E,. みならず，様々な疾患において重要な役割を果たして. Aschner M, Summar ML: γ-Glutamylcysteine ameliorates. いることがわかる．現在，脳梗塞に対し適応されてい. oxidative injury in neurons and astrocytes in vitro and. る抗酸化薬はエダラボンのみである．われわれは，. increases brain glutathione in vivo. Neurotoxicology 32:. GSH 経口投与が脳内 GSH 濃度を上昇させ，一過性脳. 518–525, 2011. 虚血発作が誘導する酸化ストレスの亢進および神経細. 9） Sunitha K, Hemshekhar M, Thushara RM, Santhosh MS,. 胞死を抑制し，記憶・学習障害を予防できること示し. Yariswamy M, Kemparaju K, Girish KS: N-Acetylcyste-. た．GSH は安全性の高い抗酸化物質であり，今後の臨. ine amide: a derivative to fulfill the promises of N-Acetyl-. 床応用を考慮した上で，脳虚血亜急性期の GSH 経口. cysteine. Free Radic Res 247: 357–367, 2013. 投与により脳虚血性障害が抑制・改善される可能性を. 10） McLellan LI, Lewis AD, Hall DJ, Ansell JD, Wolf CR:. 示した本研究の意義は大きい．一方，神経系の GSH. Uptake and distribution of N-acetylcysteine in mice: tissue-specific effects on glutathione concentrations. Carci-. 生合成律速因子である L-システインを経口投与しても，脳内 GSH 濃度は変化しないことから，GSH 経口投与の有用性が示唆される．今後，臨床研究が進み，. nogenesis 16: 2099–2106, 1995 11） Samuni Y, Goldstein S, Dean OM, Berk M: The chemistry and biological activities of N-acetylcysteine. Biochim Bio-. GSH，NAC および γGC がエダラボン以外の抗酸化薬として適応されることを望む．. phys Acta 1830: 4117–4129, 2013 12） Cuzzocrea S, Mazzon E, Costantino G, Serraino I, Dugo L, Calabrò G, Cucinotta G, De Sarro A, Caputi AP: Beneficial effects of n-acetylcysteine on ischaemic brain injury.. 文献. Br J Pharmacol 130: 1219–1226, 2000. 1） Das RR, Seshadri S, Beiser AS, Kelly-Hayes M, Au R,. 13） Bavarsad Shahripour R, Harrigan MR, Alexandrov AV:. Himali JJ, Kase CS, Benjamin EJ, Polak JF, O’ Donnell. N-acetylcysteine (NAC) in neurological disorders: mecha-. CJ, Yoshita M, D’ Agostino RB, DeCarli C, Wolf PA:. nisms of action and therapeutic opportunities. Brain Behav. Prevalence and correlates of silent cerebral infarcts in the. 4: 108–122, 2014. Framingham offspring study. Stroke 39: 2929–2935, 2008. 14） Rosen DR, Siddique T, Patterson D, Figlewicz DA, Sapp P,. 2） Rothwell PM, Warlow CP: Timing of TIAs preceding. Hentati A, Donaldson D, Goto J, O’ Regan JP, Deng HX:. stroke: time window for prevention is very short. Neurol-. Mutations in Cu/Zn superoxide dismutase gene are associ-. ogy 64: 817–820, 2005. ated with familial amyotrophic lateral sclerosis. Nature 362: 59–62, 1993. 3） Edaravone Acute Infarction Study Group: Effect of a novel free radical scavenger, edaravone (MCI-186), on. 15） Holmay MJ, Terpstra M, Coles LD, Mishra U, Ahlskog M,. acute brain infarction. Randomized, placebo-controlled,. Öz G, Cloyd JC, Tuite PJ: N-Acetylcysteine boosts brain. double-blind study at multicenters. Cerebrovasc Dis 15:. and blood glutathione in Gaucher and Parkinson diseases. Clin Neuropharmacol 36: 103–106, 2013. 222–229, 2003 4） Marí M, Morales A, Colell A, García-Ruiz C, Fernández-. 16） Louwerse ES, Weverling GJ, Bossuyt PM, Meyjes FE, de. Checa JC: Mitochondrial glutathione, a key survival anti-. Jong JM: Randomized, double-blind, controlled trial of. oxidant. Antioxid Redox Signal 11: 2685–2700, 2009. acetylcysteine in amyotrophic lateral sclerosis. Arch Neurol 52: 559–564, 1995. 5） Shih AY, Erb H, Sun X, Toda S, Kalivas PW, Murphy TH: Cystine/glutamate exchange modulates glutathione. 17） Adair JC, Knoefel JE, Morgan N: Controlled trial of. supply for neuroprotection from oxidative stress and cell. N-acetylcysteine for patients with probable Alzheimer’ s. proliferation. J Neurosci 26: 10514–10523, 2006. disease. Neurology 57: 1515–1517, 2001. 6） Jung HW, Mahesh R, Bae HS, Kim YH, Kang JS, Park. 18） Sechi G, Deledda MG, Bua G, Satta WM, Deiana GA, Pes. YK: The antioxidant effects of Joongpoongtang 05 on. GM, Rosati G: Reduced intravenous glutathione in the. brain injury after transient focal cerebral ischemia in rats.. treatment of early Parkinson’ s disease. Prog Neurophy-. J Nat Med 65: 322–329, 2011. schopharmacol Biol Psychiatry 20: 1159–1170, 1996. 7） Wu KJ, Hsieh MT, Wu CR, Wood WG, Chen YF: Green. 19） Yabuki Y, Fukunaga K: Oral administration of glutathione. tea extract ameliorates learning and memory deficits in. improves memory deficits following transient brain isch-. ischemic rats via its active component polyphenol epigal-. emia by reducing brain oxidative stress. Neuroscience. ─ 42 ─.

(5) 脳虚血・再灌流障害とグルタチオンの脳保護効果. 250: 394–407, 2013. In: Handbook of Neurochemistry and Molecular Neurobi-. 20） Fukunaga K, Shioda N, Miyamoto E: The function of CaM kinase II in synaptic plasticity and spine formation.. ology Neural Signaling Mechanisms, ed by Lajtha A., Springer, New York, 2009, pp 163–183. Abstract Neuroprotection with gluthatione in brain ischemia reperfusion injury Yasushi Yabuki and Kohji Fukunaga Department of Pharmacology, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Tohoku University, Miyagi, Japan Up to 23% of strokes are caused by transient ischemic attack (TIA). Oxidative stress aggravates brain injury following cerebral ischemia. The treatment of anti-oxidant, edaravone is now the standard clinical therapy for only the acute phase of TIA, particularly in Japan. However, edaravone has side effects including acute renal failure and its therapeutic time window is narrow. Thus, safe and prolonged anti-oxidative therapy in the sub-acute phase is required to prevent progressive brain damage after TIA. The glutathione (GSH) system plays a pivotal role in combating oxidative stress. Here, we introduce therapeutic candidates, GSH which elucidates an elevation anti-oxidative system in the brain and inhibits the post-ischemia neuronal damages. Key words: glutathione, transient ischemic attack, oxidative stress, neuroprotection. ─ 43 ─.

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