新生児心尖切除術は左心室全体の心筋細胞の増殖能を維持する

2025-06-24 Tue
一、学術的背景：再生医療における心臓の謎心血管疾患、特に心筋梗塞（Myocardial Infarction, MI）による心臓損傷は、世界的に主要な死因および障害原因の一つです。しかし、成体哺乳類の心臓は長らく内在的な再生能力をほぼ喪失したと考えられており、大部分の成熟した心筋細胞（Cardiomyocytes）は永久的に細胞周期の停止に入り、一度損傷を受けると不可逆的に瘢痕組織へと変化し、心不全や死亡につながります。これに対し、魚類やイモリなどの下等脊椎動物は極めて高い心筋再生能力を持ち、哺乳類では新生児（出生後数日以内）の個体でのみ一時的な心筋再生ウィンドウが報告されています。この制約は心臓再生医療の進歩を大きく妨げており、心不全などの疾患の根本治療も困難な状況です。
哺乳類の早期心臓再生能力について、これまでの研究で新生マウスやブタなど大型哺乳類は出生後1日（P1, Postnatal day 1）での損傷によって一部心筋細胞の再生反応が誘導されることが証明されていますが、その能力は数日以内に急速に喪失します。また、臨床および実験研究の多くは、損傷部位およびその近傍「境界帯（Border Zone, BZ）」心筋細胞の増殖応答に注目しています。しかし、損傷部から離れた「遠隔部（Remote Zone, RZ）」の心筋細胞が活性化可能なのか、増殖能を有するのか、損傷誘導再生のメカニズムが心室全体に波及するのかについては、体系的・定量的なデータはほとんどありません。さらに、心筋細胞増殖を調節する分子、特にヒートショックプロテイン（Heat Shock Protein，HSP）が損傷誘導再生でどのような役割を担うかは、ほとんど研究されていません。このような背景から、大型哺乳類新生心筋再生のメカニズムを総合的に明らかにし、外科的および分子的に再生を促進する新しい介入点を探ることは、心臓再生・トランスレーショナル医療の重要な科学的課題です。
二、論文の出典と研究チームの紹介本論文「newborn apical resection preserves the proliferative capacity of cardiomyocytes located throughout the left ventricle」は、権威ある学術誌Stem Cellsの2025年43巻5号（advance access publication 2025年4月17日）に掲載されたオリジナル研究論文です。主な著者はKaili Hao、Thanh Nguyen、Yuji Nakada、Gregory Walcott、Yuhua Wei、Yalin Wu、Daniel J Garry、Peng YaoおよびJianyi Zhangらで、主にアラバマ大学バーミングハム校（University of Alabama at Birmingham）、ミネソタ大学（University of Minnesota）、ロチェスター大学（University of Rochester）等に所属しています。Peng YaoとJianyi Zhangが共同責任著者です。このチームは大型哺乳類心臓再生のメカニズム解析、単細胞・単核トランスクリプトームシーケンス、AIによるデータマイニングなどの分野に長年注力し、心臓再生とトランスレーショナル医療で高い実績を有しています。
三、研究のプロセスと革新的手法1. 研究全体のデザインと動物モデル本研究では新生ブタ（piglet）をモデルに、以下2つの比較実験を行いました：
新生1日目（P1）に心尖切除術（Apical Resection, AR、略称ARP1）を行い、28日目（P28）に左前下行枝冠動脈を結紮して心筋梗塞（MI）を誘発し、P56で治癒状態を観察。
対照群はP28でのみMIを誘発し、早期切除は行いません。
これまでの報告では、MI単独群の心臓は重度の瘢痕化を示し、ARP1処理後に再度損傷を与えた群ではほぼ瘢痕形成は見られず、主に心筋細胞自体の増殖が再生を担うことが示唆されてきました。本論文ではさらに、ARP1が切除近傍のみならず左心室の各領域全体の心筋細胞増殖潜在能を維持できるかどうかという仮説を提示しています。
2. サンプリングと免疫蛍光解析異なる時間点（P2、P4、P8、P15、P28）の新生ブタ心臓で、心尖切除術（約5mm上の心尖）、MI術（心尖から2cm付近）の各区域から、切除区近くの境界帯（BZ）、遠隔部（RZ）、健常対照群の標本を採取。各群はそれぞれ3頭のブタを含みます。主な評価指標は：
心筋細胞周期活性マーカーとしてのリン酸化ヒストンH3（phosphorylated histone 3, PH3）と対称型Aurora Bキナーゼ（Symmetric Aurora B, SAUB）の発現。
免疫蛍光染色によるCTnT（cardiac troponin T）、a-Actin（α-アクチン）など心筋細胞マーカーによる同定。
各群n≥20にて多点組織切片画像を撮影し、陽性細胞割合を定量。
3. 単核RNAシーケンスとAI解析10X Genomicsの単核RNAシーケンス（snRNA-seq）技術で、心臓各区域・時期の心筋細胞核トランスクリプトームデータを取得。高次元データから独自に開発した「細胞周期特異的オートエンコーダー」（Cell-cycle-specific Autoencoder）で10次元に次元削減及びクラスタリング解析を実施し、UMAP（Uniform Manifold Approximation and Projection）を応用してクラスタを可視化。さらにDBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）アルゴリズムにより自動的に細胞サブグループを認識しました。
解析対象は胚期、健常対照の各時点（P1、P2、P28）、ARP1処理群の各区域など複数。これまでの論文でも発表された独自最適化AI解析ツールを用いています。
4. 分子経路・メカニズムの探索Ingenuity Pathway Analysisを用いて、活性化細胞サブグループで富化した遺伝子を経路解析。ヒートショックプロテインファミリー（HSPA5、HSP90B1、HSP90AB1）およびその下流の低酸素誘導因子HIF1（Hypoxia-inducible factor 1）シグナル経路に注目し、人由来AC16心筋細胞株で、レンチウイルスによりこれらヒートショックプロテインの過剰発現/ノックダウンを実施。Western BlotでPH3、PRX-V（抗酸化因子peroxiredoxin V）、P53およびそのリン酸化状態など下流分子を検出し、制御メカニズムを解明しました。
5. 組織・分子レベルでの二重検証従来の免疫組織化学がサンプリングバイアスを起こしやすいことから、本研究では画像取得段階で

- 小領域高シグナル部位のターゲット撮像と

- 無作為盲法によって3mm以上横断、組織の10%以上をカバーする大面積サンプリング
を組み合わせてPH3、HSPA5、HSP90B1等の指標についてZ-stack多層スキャンとマトリックス分割定量化を実施。独自MATLABプログラムで画像処理・ヒートマップやviolin plotsとして可視化し、定量解析の信頼性を確保しました。
また、一部指標はqRT-PCRで組織レベルの分子検証を行い、マルチレベルでのデータ相互検証を重視した設計としています。
四、主な研究成果の詳細1. 左心室全体で心筋細胞周期活性および増殖マーカーが明確に上昇ARP1モデル群では、PH3およびSAUB発現が、切除区境界（BZ）・遠隔部（RZ）ともにP2～P8の間持続的に上昇し、P14・P28でも対照群より有意に高い値を示しました。その差は統計的に非常に有意でした。BZとRZ間でPH3/SAUB陽性細胞率の有意差はどの時点でも認められず、再生反応が局所だけでなく全体に波及することを示しました。NKX2-5など心筋細胞核マーカーによる再検証も同様の結果となりました。心筋細胞の面積・密度解析でも両区域で大きな違いはありませんでした。
2. 単核RNAシーケンスは全心室で普遍的な高増殖細胞サブグループを示すsnRNA-seqのAI解析では明確な4つの心筋細胞サブグループが特定されました：
CM1：主に胚期およびARP1モデルP8・P15段階で著しく富化し、BZとRZの間に差がありません。このサブグループはAurora B、MKI67、INCENP、CDCA8、BIRC5など細胞周期・分裂の主要分子を高発現しており、活発な増殖型心筋細胞と分類できます。
CM2：胚期や初期に多く、主として細胞間結合やECM（細胞外マトリクス）成分、構造リモデリングやシグナル伝達関連遺伝子群を発現。
CM3：ARP1モデルP8で富化、中心体やクロマチン制御分子が多く、細胞周期スタート関連群。
CM4：ほとんどが活動停止型・終末分化心筋細胞。
時間的変化・占有率推移を見ると、ARP1群において遠近両区域でCM1・CM3増殖サブグループが同時に増加し、切除術の効果が局所を超え左心室全体の再生力を喚起することが示唆されました。
3. ヒートショックプロテインとHIF1α経路が主要な分子調整軸となる経路富化や免疫組織化学定量で、HSPA5、HSP90B1、HSP90AB1等のヒートショックプロテインがARP1モデルのP2～P8期にBZでもRZでも強く発現上昇し、BZ/RZ間に有意差はありませんでした。AI解析によれば、HIF1シグナルやHSPA5を高発現する細胞比率はARP1 P4で頂点に達し、下流の細胞増殖・抗酸化遺伝子群の活性化を帯同していました。
4. 分子機構検証：HSPA5/HSP90B1はヒト心筋細胞増殖を促進ヒトAC16心筋細胞株のin vitro実験にて以下を確認：
HSPA5過剰発現でPH3（細胞周期）やPRX-V（抗酸化）の発現が大きく上昇し、P53とそのリン酸化が低下（増殖促進）；
HSPA5ノックダウンではその逆でPH3・PRX-V減少、P53上昇；
HSP90B1もHSPA5上昇と心筋細胞増殖、P53経路抑制を誘導。
ヒートショックプロテイン群が心筋細胞の細胞周期活性・抗酸化状態を高効率で維持し再生を進め、がん細胞で知られる（p53抑制等）分子機構にも類似していることが明らかとなりました。
五、研究結論とその価値1. 主な結論新生ブタ心尖切除術（ARP1）は、左心室どの区域でも心筋細胞の再生能力を明確かつ長期間、保護でき、その結果心筋細胞の周期活動が全体で活性化されることを実証しました。この機序にはHSPA5/HSP90系ヒートショックプロテインの上昇—HIF1シグナルの活性化—P53の抑制—抗酸化能の上昇が密接に関与している可能性が高いです。
2. 科学的・応用的な価値本研究は大型哺乳類において初めて：（1）外科的介入（心尖切除）が新生心筋細胞の全腔室的な再生力を極めて長期的に「再プログラミング」できること、（2）HSPA5などヒートショックプロテインおよびHIF1シグナルが心臓再生調整の要であること、（3）外科＋分子のシステム介入で哺乳類心臓の広範な再生を目指す新規治療戦略を提案した点で、心不全再生医療や分子薬剤開発の理論・実用化に向けた可能性を示しました。
3. 研究のハイライトと革新点全腔室的再生の証拠：心尖切除術が左心室の全領域で心筋細胞の増殖能を長期的に保持できることを初めて実証；
AI駆動のビッグデータ解析：細胞周期特異的オートエンコーダー＋UMAP/DBSCANのバイアスないクラスタリングで、より精緻な細胞系列・機能サブグループを発見；
分子メカニズムの多層検証：動物組織—細胞—分子メカニズム実験を組み合わせ、HSPA5/HSP90B1多軸による心筋再生促進作用を包括的に解明；
革新的サンプリングと定量解析：大面積盲法サンプリングと小領域ターゲットイメージング、多モーダルMATLABアルゴリズムの定量化による結論の信頼性向上。
4. その他の貴重な情報本論文ではまた、ヒートショックプロテインHSPA5が非古典的RNA結合タンパク質として多種細胞（心筋細胞含む）でmRNA制御機能を持つ可能性についても議論されています。これはHSPA5がタンパク質シャペロンとしてだけでなく、RNAを介して翻訳やタンパク質折り畳みにも影響しうることを示し、今後の基礎的メカニズム研究の方向性を提示しています。
六、まとめと展望本研究は外科手技・免疫分子・単細胞オミクス・人工知能・分子機能検証という5つの視点から、大型哺乳類新生期の心尖切除術が左心室全体の心筋細胞に広く再生能を誘導し、その中心にヒートショックプロテインを据えた調節ネットワークが存在することを初めて総合的に明らかにしました。この成果は、心臓再生医療分野における「全腔室・多標的・システム的促進」の新パラダイムの具体例を示し、今後の新規再生介入治療戦略の開発に強固な理論的裏付けを提供するものです。今後はヒートショックプロテインのRNA結合活性や組織特異的ターゲティング、外科＋分子介入の臨床応用への展開が、心臓再生領域の重要なトピックとなるでしょう。