動物実験モデルによる嚥下基礎研究の現状と展望
杉 山 庸一郎
Recent Progress in Basic Research Concerning the Mechanisms Involved in
Swallowing Using an Animal Model
Yoichiro Sugiyama
Basic research involved in swallowing is critical not only for understanding the basic mechanisms underlying swallowing but also for making clinical advances in swallowing assessments and treatments in light of the aging of society. Animal models should be used to investigate the neuronal mechanisms underlying the generation of swallowing to help clarify the pathophysiological basis of dysphagia, particularly in the pharyngeal stage of swallowing. These neuronal networks are predominantly controlled by the swallowing central pattern genera-tor (Sw-CPG) within the medulla by which the stereotyped and replicable movement of pharyngeal swallowing is generated. Previous studies have investigated brainstem mechanisms that control pharyngeal swallowing in various kinds of animals and experimental settings. In addition, an experimental model with an arterial per-fused brainstem preparation has recently been preferred for analyzing the neuronal characteristics of swallow-ing interneurons as well as behavioral dynamics durswallow-ing swallowswallow-ing. Further experiments are warranted to clarify the processing of neuronal signals within the Sw-CPG to facilitate the development of novel treatments for dysphagia.
Keywords：swallowing central pattern generator, basic research of swallowing, animal model, perfused brain-stem preparation は じ め に 超高齢化社会に直面している現在，急増する嚥下障害に 対する早急な対応が望まれている．また同時に耳鼻咽喉 科・頭頸部外科領域においては頭頸部癌を中心とする悪性 腫瘍に対して様々な新しい治療が導入され，治療成績の向 上が期待されている反面，治療後の嚥下機能低下が問題と なっている．このような様々な問題に対応するために， 我々耳鼻咽喉科医の嚥下障害に対する役割はますます重要 になってきている．臨床における嚥下障害の診断・治療は もとより，その理論的基盤となる嚥下基礎研究は嚥下診療 にとって必須であり，研究および臨床との相互の結びつき が非常に重要である． 嚥下基礎研究は古くから動物実験モデルを用いて行われ てきた．嚥下は口腔・咽頭・喉頭・頸部さらには下気道を 含む多くの関連筋群のダイナミックな運動による非常に精 密な運動である1, 2）．特に咽頭期嚥下は 0.5 秒にも満たな い短時間の間に多くの嚥下関連筋が正確に決まったパター ンで活動する運動であり，非常に再現性の高い運動といわ れる3）．この運動は延髄に存在する嚥下セントラルパター ンジェネレーター（CPG）によって制御されている1, 2, 4）． 延髄の左右に広がる嚥下CPGは左右の嚥下関連筋の同期 性，対称性も正確に制御する5, 6）． 従って咽頭期嚥下が障害されると，重度の嚥下障害をき たすことが多い7）．臨床的には咽頭期嚥下障害に対して， 食形態調整や代償姿勢を含む代償的アプローチやアイス マッサージなどの感覚刺激，頭部挙上訓練のような筋力ト レーニングなど様々な治療が行われているが，臨床的にエ ビデンスを伴った治療法は少ないのが現状である．ヒトで の咽頭期嚥下障害に対する大規模臨床試験が必要なのは言 うまでもないが，それぞれの治療に対する理論的な裏付け はその妥当性や正当性を示すために非常に重要である．こ の点で嚥下基礎研究は大きく貢献すると思われ，我々耳鼻 咽喉科医が中心となって行うべき研究テーマと考えている． 本稿は第 32 回日本喉頭科学会のシンポジウムにて講演 （嚥下における動物実験の重要性とその特殊性）した内容を 中心に，嚥下基礎研究の現状と今後の展開について述べる． 嚥 下 C P G 咽頭期嚥下は嚥下CPGにより制御されている．この嚥 下CPGは主に延髄に存在していると考えられている1, 2, 4）． 延髄より吻側の脳幹を除去しても上喉頭神経刺激により嚥 下が誘発されることからも基本的な咽頭期嚥下運動パター ンは延髄内で生成されていることを示している8）．この基 京都府立医科大学耳鼻咽喉科・頭頸部外科教室
本的なパターンを生成するための嚥下CPGのネットワー クは嚥下関連ニューロンで形成されている2）．これまでの
多くの基礎研究から嚥下関連ニューロンは主に延髄孤束核 （NTS）を中心とした領域（dorsal swallowing group, DSG），
疑核近傍の網様体を中心とした領域（ventral swallowing group, VSG）に多く存在することが分かっている1）．孤束 核およびその周囲の網様体に存在するニューロンは咽頭喉 頭からの感覚入力を最初に受ける領域でもあり，嚥下惹起 に関与すると考えられる．一方DSG, VSGには嚥下のパ ターン生成に強く関与するニューロンが存在している （interneuron）．これらのニューロンの多くは喉頭感覚か らの情報が伝達されることが知られている9）．そのうち DSGのニューロンは嚥下パターン生成に特に重要とされ， VSGニューロンは嚥下出力に重要な役割を担っているとさ れる1）．一方，喉頭感覚入力を受けない安静呼吸時にほと んど活動しないニューロンも存在し，嚥下の基本的なパ ターン形成に重要との見解もある10, 11）．しかしながら，嚥 下CPGのネットワーク構造の多くは未だに不明な部分も 多く，今後の研究が待たれる． 咽頭喉頭感覚は内臓求心性入力として舌咽神経や上喉頭 神経などを介して延髄の孤束核へ伝達される12）．DSGに 入力された情報がある一定の閾値に達すると嚥下が惹起さ れるのであるが，高位中枢からの修飾も嚥下惹起に関与す る13, 14）．一方，喉頭感覚からの求心性入力の一部は大脳 皮質の一次感覚野に伝達されることが報告されている15）． 嚥下CPGで形成された運動パターンは最終的に疑核や 舌下神経核など運動核に存在する運動ニューロンによって 出力される．運動ニューロンからのシグナルは内臓遠心性 出力として咽頭収縮筋や内喉頭筋などの嚥下関連筋を駆動 する16〜19）．これらの筋は鰓性筋であり，安静呼吸時は呼 吸CPGからの制御を受けている20, 21）． 一方では嚥下CPGには様々な脳内関連領域が存在し， それらが嚥下CPGと連絡し，円滑な嚥下運動を実現して いる．特に呼吸と嚥下は密接に関連しており1, 22〜25），そ の関係が何らかの影響で変化すると誤嚥のリスク因子とな る可能性が示唆されている26）．呼吸CPGは延髄から橋に かけて広く分布しており，吸息呼息のリズムを調整してい る22, 27, 28）．さらに肺の伸展受容器からの情報により呼吸リ ズムが調節されている29）．呼吸CPGネットワークの複雑 な制御機構は割愛するが，この神経ネットワークが嚥下と 呼吸の協調に重要な役割を担っている30）． 従って，嚥下基礎研究においては嚥下CPGへ入力され る感覚情報，嚥下CPG内での情報処理，運動ニューロン， 神経筋活動含む嚥下出力に加え，呼吸CPGを含むその他 の関連領域との関係を検討することが重要である．そし て，これらのテーマに対応するためにはin vivoの動物実 験が最も適している． 動物実験モデル In vivoでの嚥下基礎研究において，従来から様々な動 物実験モデルが利用されてきた．2000 年初頭頃まではネ コやヒツジなどの動物がよく用いられており，麻酔下ある いは覚醒動物による経口注水あるいは自発嚥下による嚥下 関連筋活動解析2, 5, 31, 32），非動化動物による上喉頭神経電 気刺激を用いたfictive swallowing時の神経活動記録や嚥 下関連ニューロン活動記録などが行われてきた33〜38）．こ れらの研究により現在も知られているDSG-VSGモデルが 提唱された． 一方では動物愛護の観点から，小動物への実験動物種の 移行，使用動物の数の減少が強く要請され，実験環境も変 化を求められるようになった．従来行われてきた除脳非動 化動物を用いた研究は嚥下CPG機能解析には重要である が，小動物における嚥下CPGニューロン解析は心拍動等 の理由で難渋することもあり，近年灌流動物を用いた実験 系が注目されるようになってきた28, 39）． 従来の除脳非動化動物における実験は動静脈へのカテー テル挿入および人工呼吸器により循環，呼吸を精密に制御 された状態で除脳非動化を行う．その上で，嚥下関連神経 活動記録によりfictive swallowingを同定し，同時に嚥下関 連ニューロン活動の解析を行う．一方灌流モデルでは血液 を一定濃度の酸素，二酸化炭素で飽和した人工脳脊髄液に 置き換え，心臓，肺の動きを取り除いたモデルであり28, 40）， 非常に安定したニューロン活動記録が小動物でも行うこと が可能となる10, 11）． 一方で小動物でも覚醒状態で嚥下運動を観察することも 可能である41）．これらのモデルの中から適切な実験系を 構築し，嚥下メカニズム解析だけでなく嚥下障害治療へ応 用することが今後は特に重要視される． 喉頭求心性入力と嚥下惹起および嚥下運動出力 咽頭期嚥下障害の要因としては，嚥下CPGへの入力経 路および嚥下CPG内への求心性入力の障害による嚥下惹 起障害，嚥下パターンを形成するinterneuron障害による 嚥下パターンおよび出力障害，運動ニューロンや神経，筋 障 害 に よ る 嚥 下 出 力 障 害 に 分 類 さ れ る． 嚥 下CPG interneuronについてはその神経回路やニューロンの膜特 性などまだまだ不明な点が多く，嚥下パターン障害に対し て嚥下CPG内へ直接干渉し，治療する方法は現時点では 提唱できない．嚥下惹起障害および出力障害に関連する嚥 下CPGの機能についてはこれまで我々のグループでも報 告している． 嚥下惹起性は前述のようにNTSおよびその周囲の網様 体に存在するsensory-relay neuronおよび一部のinterneuron に伝達される内臓求心性入力情報による．従ってその入力 情報の時間的空間的刺激強度により嚥下惹起性は変化す る．灌流モデル動物による上喉頭神経電気刺激強度変調時
の嚥下頻度および呼吸への影響をみてみると，刺激強度を 増加したほうが単位時間あたりの嚥下回数が増加し，呼吸 が抑制されていることが分かる（図 1）．これは神経の直接 的な電気刺激による嚥下惹起性への影響だが，臨床では上 喉頭神経への直接的な電気刺激は困難なので，その代替手 段が望まれる．その手法の一つとして近年用いられている のは干渉波電気刺激による経皮的頸部刺激である．臨床的 に効果が示されているが，基礎研究でもその刺激メカニズ ムおよび嚥下惹起促通効果が示された42）．経皮的電気刺 激であっても，刺激強度を相対的に増加させることで末梢 からの求心性入力を増加させることができれば嚥下惹起性 の改善につながることが示唆される． また，灌流モデルを用いることで，灌流液内への薬剤投 与による嚥下CPGへの影響を直接的に観察することが可 能となっている．様々な薬剤が提唱されているが，今後嚥 下改善薬の開発につながるものと考えている．ただし，薬 剤の灌流液投与の問題点は脳内移行と血中濃度との差，脳 内の薬剤分布などの薬理的な側面だけでなく，嚥下生成過 程のどこに効果があるのかを検証することである．嚥下惹 起性や運動出力を検証しても嚥下自体に何らかの効果があ ることはわかるが作用機序が解明できない．脳幹への薬剤 微少注入や嚥下interneuron活動の変化など嚥下CPGへの 関与を検討することが求められる． 嚥下運動出力低下については筋出力向上を目指した治療 が広く行われているが，嚥下CPG制御の観点から出力制 御について考えたい．臨床的に食形態による嚥下運動調節 について嚥下運動解析や嚥下圧測定などで検証されてい る43〜45）．これは嚥下時の内臓求心性入力によるフィード バックが要因と考えられている．しかし，一方では咽頭期 嚥下関連筋の筋出力は概ね一定に保たれているとの報告も 図 1 喉頭感覚刺激と嚥下惹起性 呼吸，嚥下時の迷走神経，舌下神経，横隔神経活動．上喉頭神経電気刺激により嚥下 （●）が誘発される．刺激強度を増加させても，刺激頻度を増加させても嚥下の頻度は 増加し，呼吸も抑制される傾向にある． 図 2 喉頭感覚刺激と嚥下出力変調 呼吸，嚥下時の迷走神経，舌下神経，横隔神経活動．上喉頭神経電気刺激により嚥下 （●）が誘発される．上喉頭神経刺激を嚥下誘発のみに使用する（左）場合と，嚥下中 に電気刺激を持続的に行った場合（右）の神経活動を示す．嚥下時舌下神経活動が上 喉頭神経刺激強度増強により増加することが分かる．
ある3）．そのため，食形態や咽頭喉頭の変形や移動などに よる物理的な圧変化が要因ではないかとも考えられる．そ の詳細について検討するため，嚥下時に動きがなく，食塊 の 移 動 が な い， 純 粋 な 運 動 出 力 を 観 察 で き るfictive swallowing時の嚥下関連神経出力を測定し，求心性入力の 強度は上喉頭神経電気刺激で模倣したモデルで求心性入力 による嚥下出力変調について解析した10）．同時に嚥下 CPG interneuron 活動の変化を解析することで嚥下パター ン生成への影響についても検討した．その結果，喉頭感覚 刺激による入力情報に依存して嚥下CPG interneuron 活動 の変化が一部のニューロンでみられ，舌下神経活動出力は 変調することが確認された（図 2）．ただし，最も大切なこ とは嚥下誘発のみ刺激を行い，嚥下中ほとんど喉頭求心性 入力がない状態での嚥下であってもその出力パターンは十 分に保たれていることである．あくまで基本嚥下パターン 出力は食塊移動および気道防御には必要十分であり，その 上で喉頭感覚入力による修飾が嚥下CPGに加わり，嚥下 出力が変調することを理解する必要がある． まとめと今後の展望 嚥下基礎研究の役割と動物実験モデル，それらを用いた 嚥下CPG機能を解析対象とした研究を紹介した． 耳鼻咽喉科医として臨床上の様々な疑問を解決するため の，あるいは新規治療開発のための一つの基盤として嚥下 基礎研究の重要性をあらためて提唱したい．今後，嚥下診 療の新たな歩みの理論的基盤として継続した嚥下基礎研究 が望まれる． 本論文に関連し，開示すべき利益相反は無い． 参 考 文 献
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