要 旨
クモ膜下出血（subarachnoid hemorrhage; SAH）を発症すると，生命の危険に陥るだけではなく，重篤な後遺症 を残すこともある．予後改善のために SAH 後亜急性期に生じる脳血管攣縮が以前より研究され，様々な治療 が試みられてきたが，形態的に攣縮が軽減しても予後改善が得られないことがわかってきた．近年 SAH 後 72 時間以内に生じる脳圧上昇を主体とした早期脳損傷（early brain injury; EBI）という概念が，新たな予後規定因 子として注目されている．今後 SAH 後 EBI の病態が解明され，それを軽減し得る治療薬が臨床で使用される ようになれば，SAH 患者の予後改善に貢献するであろう．以前より我々は SAH 後 EBI の治療において，実験 的に様々なアプローチを行ってきた．本稿では SAH 後 EBI について，トランスレーショナルリサーチを目的 とした基礎実験の手法を中心に概略的に紹介する．
（脳循環代謝 25：123∼128，2014）
キーワード : クモ膜下出血，早期脳損傷，脳浮腫，動物モデル
1．はじめに
クモ膜下出血（subarachnoid hemorrhage; SAH）は未だ 生命予後，機能予後の悪い疾病である．SAH の全経過 での死亡率は 50％を超え，発症後病院到着までにその うちの 12.4％，第 2 病日までに 60％が死亡するとの報 告もある1~3）．生命的な危機を脱しても，その後の機能 的回復は芳しくなく，SAH 生存者の半数程度に認知機 能障害や運動機能障害が残存するといわれている4, 5）． これら死亡率や機能障害を軽減するために，長年 SAH 後亜急性期に生じる脳血管攣縮の管理に治療の重きが 置かれてきたが，形態的に攣縮を軽減するだけでは SAHの予後改善には不十分であることが示唆されるよ うになった6）． SAH 患者の予後を規定するその他の因子として，脳 血管攣縮前期（発症後 72 時間以内）の SAH 後の脳圧上 昇に起因する脳浮腫や細胞障害性変化等を主な病態と した「SAH 後早期脳損傷（early brain injury; EBI）」とい う概念が近年注目され，基礎研究分野で病態解明，治 療の検討が行われている7）．臨床の場で SAH 後 EBI を 軽減させる治療薬はなく，その病態解明が治療薬に結 びつけば，SAH 患者の予後改善に有益であると思われ る．今回我々は，本稿において SAH 後 EBI の病態， 実験的評価法や治療の可能性について紹介する．
2．EBI の病態
SAH 後 EBI は，基礎研究の分野で病態解明が行わ れつつある（図 1）．SAH の主原因である脳動脈瘤の破 裂が生じると，閉鎖された空間である頭蓋内クモ膜下 腔に動脈性の出血が充満するとともに，瞬時に頭蓋内 圧が上昇する．また脳脊髄液の循環障害や視床下部障 害による脳血管拡張等による相加的な頭蓋内圧上昇も 起こる8）．この急激な脳圧亢進は脳灌流圧と脳血流量 を低下させ全脳虚血の状態を惹起し，アポトーシスや 炎症，酸化ストレス，皮質拡延性抑制等に関連する 様々な細胞内シグナルを活性化させる7, 9~11）．またクモクモ膜下出血における早期脳損傷の役割
∼新しい治療ターゲット∼
長谷川 雄
1，鈴木 秀謙
2，植川 顕
1，河野 隆幸
3，倉津 純一
3，光山 勝慶
1 1熊本大学大学院生命科学研究部生体機能薬理学分野 2三重大学医学部脳神経外科 3熊本大学医学部脳神経外科 〒 860-8556 熊本県熊本市中央区本荘 1 丁目 1-1 TEL: 096-373-5082 FAX: 096-373-5082 E-mail: [email protected]膜下腔に充満した血塊やヘモグロビンの代謝産物から も細胞障害性変化が誘導され，最終的に神経細胞死や 内皮細胞死が生じる．同時に微小循環障害や血圧上昇 による血液脳関門（blood-brain barrier; BBB）の破綻も生 じ，これらが最終的に脳浮腫を生じさせる．実験的 SAHモデルにおいて，頭蓋内圧が 90 mmHg より上昇 すると，24 時間後の死亡率が 100％であるのに対し， 90 mmHg以下であれば 64％は生存したとの報告があ り12），この頭蓋内圧上昇が生命予後や機能予後を決定 するのに重要である一方，頭蓋内圧が動脈圧近くまで 上昇した症例では，治療介入で生命予後を改善させる のは困難だと考えられる． 興味深いことに，脳血管攣縮と EBI は共通の病態が 介在しているため，脳圧上昇による細胞障害性変化が 継続し，脳血管攣縮発生に寄与している可能性が指摘 されるほか，EBI における脳浮腫を軽減させることに より，慢性期の認知機能低下も抑制できるという報告 もある13, 14）．したがって EBI が SAH の全経過の合併 症や予後を決定しているかもしれない．
3．動物モデル
SAH の動物モデルとして知られているのは，大槽や 視交叉前槽に血液を注入する injection モデル，そして 中 大 脳 動 脈 閉 塞 モ デ ル を 応 用 し た endovascular perforation（EP）モデルである．EP モデルでは，外頸動 脈から挿入したナイロン糸またはタングステンワイ ヤーを内頸動脈遠位側まで誘導し，内頸動脈先端部を 血管内より穿刺することで，クモ膜下腔への動脈性出 血を誘発し頭蓋内圧を上昇せしめる（図 2A）．上述の 図 1．クモ膜下出血後早期脳損傷の病態BBB, blood-brain barrier; CBF, cerebral blood flow; CPP, cerebral perfusion pressure; EBI, early brain injury; ICP, intracranial pressure; SAH, subarachnoid hemorrhage.
図 2．クモ膜下出血後早期脳損傷におけ
る偽手術群（sham; n=7）と SAH 群（n=7）と の比較
A：ラットクモ膜下出血の代表的な写 真．B：神経所見．C：脳水分含量
ごとく，頭蓋内圧が過上昇した場合は死亡するが，そ れが回避されても種々の細胞障害性変化が惹起され脳 浮腫に至る．EP モデルでは実臨床に近い死亡率や急 性期の代謝性反応が認められ，一般的に頭蓋内圧がそ れほど上昇しない injection モデルに比べ，EBI の病態 を再現できると考えられている15）．さらに実臨床に近 い脳血管攣縮モデルとして研究に利用されることもあ る16）．しかし，EP モデルの欠点は，SAH 量をコント ロールできないため，SAH による脳損傷が一定しない ことである．そのため，SAH 量をコントロールでき， ある程度の死亡率が認められる視交叉前槽注入モデル を選択する施設もある17）．一方で，少量の SAH でも 脳血管攣縮が生じるため，死亡率が 0％に近い脳槽へ の injection モデルは脳血管攣縮の研究に主として用い られる15, 17）．
4．神経学的評価
脳卒中の実験において，薬物等の脳保護効果を検討 する場合，神経所見の評価は必須である．麻痺の出現 が明らかな他の脳卒中モデルとは違って，SAH による 症状は巣症状よりも意識障害が主であるため，動物モ デルではわかりにくいことがある．そのため様々な評 価法を用いて，SAH モデルの神経所見が計測されてい る18）．通常他の脳卒中モデルでも使用している，感覚 運動障害や平衡運動障害を評価する 18-point composite test（Garcia 法），beam balance test を意識障害に即した 計測法に修正し用いている場合が多い．ただし動物モ デルや種，術者の手技により SAH による脳損傷の程 度には幅があり，同じ測定法で計測しても，必ずしも 一定した所見が出るとは限らない．我々は 18-point composite testと beam balance test を合算した点数で神 経所見を計測しているが10, 19, 20），その方法を用いる と，偽手術群と比べ SAH 群では 24 時間後の神経所見 が有意に悪化しているのが分かる（図 2B）． なお実臨床では SAH 後の認知機能低下，抑うつ症 状，運動機能障害が問題となるため，長期記憶（水迷 路試験や受動回避学習試験），作業記憶（Y または T 迷 路試験），抑うつ（テールサスペンション試験や強制水 泳試験），行動試験（ロタロッド）等を SAH 後慢性期に 評価するのも有用である14）．5．SAH 重症度
Injection モデルと違い，EP モデルでは SAH 量がコ ントロールできないため，同様の手術手技を行っても 脳損傷の程度や死亡率は一定しない．実臨床で経験す
るように，SAH が軽度であれば EBI はほとんど生じ ていないのと同じで，実験的 SAH でも出血量が少な ければ神経所見は正常で脳浮腫も有意に増悪しない． そのため SAH grading scale21）に従って解剖の際に SAH 量で群分けし，軽症例を除外して研究を進めることが 多い．しかし，ヒトの SAH では搬入時の画像にて SAH量が評価できるのに対し，実験動物での SAH 量 は，解剖時に脳を摘出した際にしかそれを確認できな いため，治療薬を検討する場合，SAH 量に対するその 薬の交絡因子を考慮に入れる必要がある．さらには選 択基準に入った動物を endpoint で設定した除外基準で 除外することは，一般的にバイアスがかかった研究と みなされるため，上記を考慮した SAH 重症度判定法 の発展や除外基準の検討が必要と思われる．
6．脳浮腫
EBI の急性期予後を決定する主病態は脳浮腫であ り，実験的 SAH の予後を検討する際は，上記の神経 学的評価に加え，脳浮腫の程度を計測する必要があ る．脳浮腫は細胞障害性浮腫と血管原性浮腫とに分類 され，通常細胞障害性浮腫は神経細胞やグリア細胞な どの持続する細胞内水分含量を表すが，血管原性浮腫 は BBB の破綻に伴って高分子のタンパクが血管外に 漏出することで形成される．厳密にその両者を分けて 評価することは困難であるが，SAH の実験において， 一般的に簡便な脳浮腫の評価法として脳水分含量の計 測が広く行われている．偽手術群と比較し SAH 後 24 時間の脳水分含量は，マウス，ラットとも安定して 0.5∼2％程度の上昇が認められる（図 2C）10, 19, 22, 23）． BBBの 破 綻 の 程 度 を 知 る 際 に は Evans blue extravasation（EB）を計測することが多く，これは血管 原性浮腫の指標としても用いることができる．偽手術 群と比し SAH 後 EB は数倍の上昇を認める20, 22, 24）． 脳卒中の薬物治療効果を検討する際は 2 用量，2 時 点での予後評価が好ましい．中大脳動脈閉塞モデルで は急性期の梗塞巣と慢性期の脳萎縮の程度を評価する こともあるが，EBI を検討する場合，上記脳水分含量 や EB を SAH を作成してから 1 日後と 3 日後などの 急性期に測定するのが一般的である19, 23）．7．治 療
図 1 に示すような EBI の病態を鑑み，脳圧上昇後の 様々な反応を保護的に修飾する目的で，EBI を軽減す るための治療が実験的に試みられている．脳血管攣縮 期では主に動脈の収縮軽減が治療のターゲットになるが，EBI の治療を考慮する場合には，神経細胞やグリ ア細胞，また BBB を構成している血管内皮細胞，基 底膜，タイト結合などいわゆる neurovascular unit が治 療のターゲットになる． SAH 後認知機能低下や運動機能低下を軽減するため に，神経細胞を保護することは非常に重要である．動 物モデルにおいて，頭蓋内圧上昇に伴う全脳虚血やそ の他の反応により，大脳皮質，線条体，海馬の神経細 胞にアポトーシスが起こると考えられている9, 19, 25）． また，ヒトの病理脳組織標本で SAH 後の神経細胞に アポトーシスが生じることも確認されているため26）， アポトーシスは EBI においても重要な病態であると思 われる．実際抗アポトーシス作用をもつ薬剤を SAH 後急性期に投与することで，脳浮腫や神経所見の悪化 が軽減される10, 19, 27）． アポトーシス以外にも，SAH によって誘導される炎 症性サイトカインや酸化ストレスが，mitogen-activated protein kinase （MAPK）の リ ン 酸 化 を 介 し matrix metalloproteinase-9（MMP-9）を活性化することにより， 基底膜やタイト結合の構成蛋白を分解することで， BBBの破綻や脳浮腫が増悪する．そのため，抗炎症作 用や抗酸化ストレス作用を持つ治療を行い，SAH 後の 脳浮腫が軽減したとの報告も多く存在する20, 22, 23, 28, 29）．
8．おわりに
脳卒中の薬物治療において therapeutic time window がしばしば問題となるように，SAH においても発症後 少しでも早く治療薬を投与することが好ましい．しか し，現在 SAH と診断された後，臨床的に超急性期に 使用できる脳保護を目的とした治療薬はない．画像に て SAH が確定してから再破裂予防の動脈瘤手術まで の待機中に EBI を軽減できる薬物が使用できれば， SAH患者に恩恵があることは間違いない．SAH 後 EBIの研究が広まり，様々な治療が動物実験で検討さ れるようになり30），さらに研究が進み臨床にも応用さ れることで，SAH 患者の予後が少しでも改善すること を期待したい． 文 献
1） van Gijn J, Rinkel GJ: Subarachnoid haemorrhage: diag-nosis, causes and management. Brain 124: 249–278, 2001 2） Broderick JP, Brott TG, Duldner JE, Tomsick T, Leach A:
Initial and recurrent bleeding are the major causes of death following subarachnoid hemorrhage. Stroke 25: 1342– 1347, 1994
3） Huang J, van Gelder JM: The probability of sudden death
from rupture of intracranial aneurysms: a meta-analysis. Neurosurgery 51: 1101–1105; discussion 1105–1107, 2002
4） Wong GK, Wong R, Mok VC, Fan DS, Leung G, Wong A, Chan AS, Zhu CX, Poon WS: Clinical study on cognitive dysfunction after spontaneous subarachnoid haemorrhage: patient profiles and relationship to cholinergic dysfunction. Acta Neurochir (Wien) 151: 1601–1607, 2009
5） Rinkel GJ, Algra A: Long-term outcomes of patients with aneurysmal subarachnoid haemorrhage. Lancet Neurol 10: 349–356, 2011
6） Macdonald RL, Higashida RT, Keller E, Mayer SA, Molyneux A, Raabe A, Vajkoczy P, Wanke I, Bach D, Frey A, Marr A, Roux S, Kassell N: Clazosentan, an endo-thelin receptor antagonist, in patients with aneurysmal subarachnoid haemorrhage undergoing surgical clipping: a randomised, double-blind, placebo-controlled phase 3 trial (CONSCIOUS-2). Lancet Neurol 10: 618–625, 2011 7） Cahill J, Zhang JH: Subarachnoid hemorrhage: is it time
for a new direction? Stroke 40: S86–87, 2009
8） Hayashi M, Marukawa S, Fujii H, Kitano T, Kobayashi H, Yamamoto S: Intracranial hypertension in patients with ruptured intracranial aneurysm. J Neurosurg 46: 584–590, 1977
9） Hasegawa Y, Suzuki H, Sozen T, Altay O, Zhang JH: Apoptotic mechanisms for neuronal cells in early brain injury after subarachnoid hemorrhage. Acta Neurochir Suppl 110(Pt 1): 43–48, 2011
10） Uekawa K, Hasegawa Y, Ma M, Nakagawa T, Katayama T, Sueta D, Toyama K, Kataoka K, Koibuchi N, Kawano T, Kuratsu JI, Kim-Mitsuyama S: Rosuvastatin ameliorates early brain injury after subarachnoid hemorrhage via sup-pression of superoxide formation and nuclear factor-kappa B activation in rats. J Stroke Cerebrovasc Dis pii: S1052-3057(13)00508-9, 2014
11） Koide M, Sukhotinsky I, Ayata C, Wellman GC: Sub-arachnoid hemorrhage, spreading depolarizations and impaired neurovascular coupling. Stroke Res Treat 819340, 2013
12） Bederson JB, Levy AL, Ding WH, Kahn R, DiPerna CA, Jenkins AL, Vallabhajosyula P: Acute vasoconstriction after subarachnoid hemorrhage. Neurosurgery 42: 352– 360; discussion 360–362, 1998
13） Caner B, Hou J, Altay O, Fuj M, Zhang JH: Transition of research focus from vasospasm to early brain injury after subarachnoid hemorrhage. J Neurochem 123 Suppl 2: 12–21, 2012
14） Sherchan P, Lekic T, Suzuki H, Hasegawa Y, Rolland W, Duris K, Zhan Y, Tang J, Zhang JH: Minocycline improves functional outcomes, memory deficits, and histo-pathology after endovascular perforation-induced
sub-arachnoid hemorrhage in rats. J Neurotrauma 28: 2503– 2512, 2011
15） Lee JY, Sagher O, Keep R, Hua Y, Xi G: Comparison of experimental rat models of early brain injury after sub-arachnoid hemorrhage. Neurosurgery 65: 331–343; discus-sion 343, 2009
16） Suzuki H, Hasegawa Y, Chen W, Kanamaru K, Zhang JH: Recombinant osteopontin in cerebral vasospasm after sub-arachnoid hemorrhage. Ann Neurol 68: 650–660, 2010 17） Prunell GF, Mathiesen T, Diemer NH, Svendgaard NA:
Experimental subarachnoid hemorrhage: subarachnoid blood volume, mortality rate, neuronal death, cerebral blood flow, and perfusion pressure in three different rat models. Neurosurgery 52: 165–175; discussion 175–176, 2003
18） Jeon H, Ai J, Sabri M, Tariq A, Shang X, Chen G, Macdonald RL: Neurological and neurobehavioral assess-ment of experiassess-mental subarachnoid hemorrhage. BMC Neurosci 10: 103, 2009
19） Hasegawa Y, Suzuki H, Altay O, Zhang JH: Preservation of tropomyosin-related kinase B (TrkB) signaling by sodium orthovanadate attenuates early brain injury after subarachnoid hemorrhage in rats. Stroke 42: 477–483, 2011
20） Hasegawa Y, Suzuki H, Altay O, Chen H, Zhang JH: Treatment with sodium orthovanadate reduces blood-brain barrier disruption via phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome 10 (PTEN) phosphorylation in experimental subarachnoid hemorrhage. J Neurosci Res 90: 691–697, 2012
21） Sugawara T, Ayer R, Jadhav V, Zhang JH: A new grading system evaluating bleeding scale in filament perforation subarachnoid hemorrhage rat model. J Neurosci Methods 167: 327–334, 2008
22） Sozen T, Tsuchiyama R, Hasegawa Y, Suzuki H, Jadhav V, Nishizawa S, Zhang JH: Role of interleukin-1beta in early
brain injury after subarachnoid hemorrhage in mice. Stroke 40: 2519–2525, 2009
23） Suzuki H, Ayer R, Sugawara T, Chen W, Sozen T, Hasegawa Y, Kanamaru K, Zhang JH: Protective effects of recombinant osteopontin on early brain injury after sub-arachnoid hemorrhage in rats. Crit Care Med 38: 612–618, 2010
24） Suzuki H, Hasegawa Y, Kanamaru K, Zhang JH: Mecha-nisms of osteopontin-induced stabilization of blood-brain barrier disruption after subarachnoid hemorrhage in rats. Stroke 41: 1783–1790, 2010
25） Endo H, Nito C, Kamada H, Yu F, Chan PH: Akt/GSK-3beta survival signaling is involved in acute brain injury after subarachnoid hemorrhage in rats. Stroke 37: 2140– 2146, 2006
26） Nau R, Haase S, Bunkowski S, Brück W: Neuronal apop-tosis in the dentate gyrus in humans with subarachnoid hemorrhage and cerebral hypoxia. Brain Pathol 12: 329– 336, 2002
27） Altay O, Hasegawa Y, Sherchan P, Suzuki H, Khatibi NH, Tang J, Zhang JH: Isoflurane delays the development of early brain injury after subarachnoid hemorrhage through sphingosine-related pathway activation in mice. Crit Care Med 40: 1908–1913, 2012
28） Ayer RE, Sugawara T, Chen W, Tong W, Zhang JH: Mel-atonin decreases mortality following severe subarachnoid hemorrhage. J Pineal Res 44: 197–204, 2008
29） Zhan Y, Chen C, Suzuki H, Hu Q, Zhi X, Zhang JH: Hydrogen gas ameliorates oxidative stress in early brain injury after subarachnoid hemorrhage in rats. Crit Care Med 40: 1291–1296, 2012
30） Fujii M, Yan J, Rolland WB, Soejima Y, Caner B, Zhang JH: Early brain injury, an evolving frontier in sub-arachnoid hemorrhage research. Transl Stroke Res 4: 432– 446, 2013
Abstract
The role of early brain injury in subarachnoid hemorrhage
Yu Hasegawa
1, Hidenori Suzuki
2, Ken Uekawa
1, Takayuki Kawano
3,
Jun-ichi Kuratsu
3, and Shokei Kim-Mitsuyama
11
Department of Pharmacology and Molecular Therapeutics, Kumamoto University Graduate School of
Medical Sciences, Kumamoto, Japan
2
