脳虚血と虚血・再灌流障害におけるマイトファジーⅡ

虚血再灌流障害の病態生理学 (図 2)

虚血性脳卒中の臨床分類

脳虚血としても知られる虚血性脳卒中は、すべての脳卒中の重要なタイプです。 この病気は、血栓やプラークが脳の動脈を塞いだり狭めたりすることで発生します。 病理学的状態に応じて、虚血性脳卒中はいくつかのサブタイプに分けることができます: 頭蓋内動脈狭窄、急性動脈閉塞、および慢性動脈閉塞。 頭蓋内動脈狭窄症とは、アテローム硬化性プラークと呼ばれる脂肪沈着物の形成と、血管壁の同時肥厚によって引き起こされる動脈の狭窄を指します。

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中大脳動脈、脳底動脈、頸動脈、および頭蓋内椎骨動脈を含む頭蓋内動脈では、狭窄した血管が血流を著しく減少させ、虚血性イベントを引き起こす可能性があります (Chimowitz et al., 2005; Banerjee and Chimowitz, 2017)。 虚血性脳卒中における頭蓋内アテローム性動脈硬化症の役割に焦点を当てた体系的な分析は、30% を超えるグレードのアテローム性動脈硬化誘発性狭窄が致命的な脳梗塞の原因となり得ることを示しています (Mazighi et al., 2008)。 アテローム硬化性プラークは血栓形成性です。 そのキャップが破裂すると、不安定な血栓が形成され、動脈が狭窄または完全に閉塞する可能性があります。 患部を塞ぐ血栓は、局所的に形成されるか、心臓などの他の場所で発生し、循環系を介して塞栓します。

プラークの破裂と血栓塞栓症は通常、急性動脈閉塞と関連しており、数時間以内に脳卒中の症状が現れます (Malhotra et al., 2017)。 閉塞は、脳が脳血行動態を変化させ、減少した動脈血供給に応じて側副循環を構築することによって血流を補う場合、慢性的 (4 週間以上続く) になることもあります (Sundaram et al., 2017)。 その場合、十分な担保補償があれば、病気は無症候性で良性である可能性があります (Powers et al., 2000)。 側副血行路からの十分な補償がない慢性的な閉塞は、依然として慢性的な脳低灌流を引き起こし、虚血性梗塞につながる可能性があります。 場合によっては、慢性閉塞の患者は長期間 (3 か月以上) にわたって自然に再開通することがあります (Delgado et al., 2015)。

虚血性脳卒中の管理

影響を受けた動脈の血流を回復するための再灌流戦略として、血栓溶解剤と再疎通手順が開発されています。 通常、臨床現場では、これら 3 つのサブタイプの脳卒中に対して異なる治療アプローチが適用されます。 技術的な限界により、動脈の重度の狭窄と急性閉塞を正確に区別することは困難です (Clevert et al., 2006)。 それでも、正しい診断は、最適な治療とより良い予後にとって有益です。 静脈内血栓溶解療法は、AIS 患者に対して承認されている唯一の治療法であり、発症から 3 時間以内に投与できます。 しかし、重度の狭窄および閉塞を有する患者に対する血栓溶解療法単独の臨床転帰は、予想よりも予後が悪く、有効性が低いことが示されています (Mokin et al., 2012)。

血栓の溶解に焦点を当てた臨床試験では、静脈内血栓溶解療法単独では、患者の再開通率がわずか 30 ～ 40% と低いことが示唆されています (Chen et al., 2012)。 内頸動脈閉塞に対する静脈内血栓溶解療法の臨床結果の別の分析では、良好な結果の割合が 25% であることを示唆しています (Mokin et al., 2012)。 したがって、中等度または重度の狭窄を有する患者には、ステント留置術または動脈内膜切除術を含む血管再生治療が推奨されています。 静脈内血栓溶解療法と比較して、血栓除去レシピエントは同側の脳卒中の発生率が大幅に低下し、予後が良好です。 動脈治療は、急性閉塞の患者でもより良い結果をもたらします (Mokin et al., 2012)。 しかし、臨床現場では、完全な ICA 閉塞を治療する際に動脈内膜切除術を選択肢と見なす人は多くありません。この手術は、術後血栓の生成を防ぎ、良好な予後を維持する上で依然として技術的に困難なためです (Kao et al., 2007; Chen et al. ., 2012; Faggioli et al., 2013)。

これまで、慢性閉塞の効果的な治療法の探索が続けられています。 脳卒中のリスクを軽減するために、抗血小板攻撃薬や静脈内組織プラスミノーゲン活性化因子などの治療を患者に施すことができます。 動脈内膜切除術やステント留置術などの外科的アプローチも慢性閉塞の治療に使用できますが、それでもいくつかの欠点が見られます。 急性閉塞の場合と同様に、血栓形成が複雑な症例では動脈内膜切除術が失敗する可能性があり、慢性閉塞の患者では再疎通の成功率は 40% しか達成されません (Thompson et al., 1986; Xu et al., 2018)。 低灌流は、再疎通療法で血流を回復できなかった患者で依然として発生しており、虚血性イベントの再発をもたらすと推定されています (Grubb et al., 1998)。 また、ステント挿入の過程で、ステントが解放されたときに血栓が剥がれ、頭蓋内動脈を塞ぐ可能性があり、したがって術後合併症を引き起こす可能性があります (Xu et al., 2018)。

虚血再灌流障害

再開通療法を受けている患者では、血流の突然の回復が有害な場合があり、いわゆる「再灌流障害」につながることがあります。 I/R損傷とは、以前の虚血組織または無酸素組織への血液供給の突然の復帰によって引き起こされる組織の再酸素化損傷を指します。 虚血期には、標準的な機能要件を下回る血液供給が酸素と栄養素の欠乏を引き起こし、患部に代謝障害 (Irie et al., 2014) と炎症反応 (Jin et al., 2013) を引き起こします。 したがって、血流の回復は、組織機能を維持するための基本的な治療と考えられてきました。 再灌流治療に関する多くの研究と臨床試験により、静脈内血栓溶解剤や機械的血栓切除術などの血管内治療を含む再灌流治療は比較的安全であり、狭い時間枠内で投与された場合、急性虚血性脳卒中 (AIS) 患者の回復に役立つことが示されています。 (Kwiatkowski et al., 1999; Lees et al., 2010; Berkhemer et al., 2014; Jovin et al., 2015)。

ただし、栄養素と酸素の再供給がかなりのROSの生成と蓄積を引き起こし、その間にカルシウム恒常性を変化させ、過剰な酸化ストレスと局所炎症を引き起こす可能性があるため、再灌流は以前に虚血した組織に二次損傷を引き起こす可能性もあります。 このような細胞変化は細胞損傷を引き起こし、元の虚血組織の細胞死経路を活性化する可能性があります。

PI/R 損傷のプロセスとメカニズム (図 2)

過剰な酸化ストレスは I/R 損傷に重要な役割を果たします

酸化ストレスは、フリーラジカルと抗酸化能力のバランスの乱れであり、ROS の産生が抗酸化防御を超えたときに発生することがよくあります。 虚血段階では、酸素と栄養の供給が少なくなり、血流が妨げられると、ミトコンドリアの代謝が好気性から嫌気性に変化し、細胞内の ATP と抗酸化剤の濃度が低下します。 虚血組織への血流のその後の復帰は、ミトコンドリアの好気呼吸の再活性化を引き起こし、ROSの産生を増加させる可能性があります。 抗酸化剤のレベルが低下するため、再灌流期間中に酸化が抗酸化を上回り、酸化ストレスが増加します。

キサンチンオキシダーゼ系、NADPHオキシダーゼ系、一酸化窒素（NO）合成酵素系、ミトコンドリア電子伝達系などの酵素系は、主に酸化ストレスの発生に関与しています。 正常な細胞では、プリン代謝はデアミナーゼとヌクレオチダーゼの関与により ATP をイノシンに変換することから始まり、さらにヒポキサンチンに変換されます。 その後、ヒポキサンチンからキサンチンへ、キサンチンから尿酸への酸化が起こり、この2つの酸化過程でキサンチンデヒドロゲナーゼ（XDH）とキサンチンオキシダーゼ（XOD）が別々に機能します。 XDH は NAD plus を電子受容体として利用して NADH を生成し、虚血状態では O2 を受容体として使用する XOD への移行を誘導できます (Kinuta et al., 1989)。 血流と酸素の回復は、プリン代謝の酸化プロセスを刺激します。 XOD のレベルが事前に促進されるため、再灌流期における尿酸の形成は、反応性の高いスーパーオキシド アニオン (O2-) の生成を伴います。 スーパーオキシドは後に過酸化水素 (H2O2) とヒドロキシルラジカル (OH•) に変化し、酸化ストレスをさらに刺激して損傷を引き起こします。 NADPH オキシダーゼは、ROS の主要な供給源です。 それらは NADPH を NADP plus に酸化し、電子を O2 に渡し、スーパーオキシドまたは H2O2 を生成します。

NADPH オキシダーゼの Nox/Duox ファミリーは、その促進された活性によって I/R 損傷時の ROS 産生に関与することが報告されています (Wang et al., 2006; Simone et al., 2014)。 Nox2 は、脳卒中で発生する I/R 損傷の焦点となっています。 Nox サブユニット欠損マウスおよびアポシニン (Nox2 阻害剤) 前処理を施したマウスでは、梗塞体積が著しく減少し、脳卒中の臨床転帰が改善されました (Chen et al., 2009; Jackman et al., 2009)。 I / R損傷における重要な役割。 NADPH オキシダーゼは、ROS を即座に生成するだけでなく、NO シンターゼ系を刺激することによって ROS 生成も調節しています。 内皮由来の弛緩因子としても知られる NO は、ニューロン NOS (nNOS)、誘導型 NOS (iNOS)、および内皮 NOS (eNOS) の 3 つのソースの一酸化窒素シンターゼ (NOS) によって L-アルギニンから作られます。 NO の役割はさまざまです。通常、NO は抗酸化剤として機能しますが、スーパーオキシドアニオンとの相互作用により、ペルオキシナイトライト (ONOO-) が形成される可能性があります (Marla et al., 1997)。 NADPH オキシダーゼによって作成された ROS は、eNOS 活性を媒介する必須補因子であるテトラヒドロビオプテリン (BH4) を酸化できます。 BH4 酸化は後に eNOS の脱共役を誘導し、その結果、NO 産生が減少し、eNOS からの ONOO- 産生が増加します (Landmesser et al., 2003)。

ミトコンドリアは、酸化ストレスの生成、作用、損傷の主要な部位です。 ROS は ETC から生成できます。 虚血では、細胞ストレスが ETC の酸化的リン酸化タンパク質の翻訳後修飾を誘発し、再酸素化に対する感受性を高めます (Prabu et al., 2006)。 ETC 複合体が破壊されると、ミトコンドリアの膜電位が高くなり、ROS 生成の増加と正に関連する可能性があります (Prabu et al., 2006)。 強化された酸化ストレスは、ミトコンドリアを標的とし、ETC をさらに損傷する可能性があり、その後、より多くの ROS 生成を引き起こします (Indo et al., 2007)。 外因性起源の ROS およびミトコンドリア ROS 生成は、ミトコンドリア DNA 損傷につながる可能性があります (Indo et al., 2007)。 さらに、酸化ストレスが多すぎると、細胞が損傷したり死に至る可能性があります (図 2)。

カルシウム過負荷：虚血再灌流障害におけるもう1つの障害

さまざまな原因によって引き起こされる酸化ストレスに加えて、カルシウム過負荷、および異常に増加した細胞内 Ca2 プラス レベルは、再灌流障害において重要な役割を果たす他の主要な病理学的要因です。 虚血における嫌気性呼吸は、細胞内pHを低下させます。 したがって、Na プラス /H プラス交換体 (NHE) は、pH を維持するために Na プラスの流入を可能にします。 NHE は一般に虚血中は不活化されますが、その活性は再灌流中に増加する可能性があり、大量の Na プラス流入につながります (Allen and Xiao, 2003)。 虚血中の ATP のレベルが低いと、エネルギー依存の Na + ポンプの活性も弱まり、細胞内 Na + のレベルが高くなります。

1987 年の研究では、先行するナトリウムの不均衡が、エネルギー補充 Na プラス負荷モデルを使用したカルシウム過負荷の原因であることが示唆されました (Grinwald and Brosnahan, 1987)。 酸素の回復時に正常な Na プラス バランスに戻らないと、細胞内の Na プラス レベルに敏感な Na プラス /Ca2 プラス交換体 (NCX) の機能が促進され、Ca2 プラスの流入が増加します。 カルシウム過負荷は、小胞体 (ER) またはゴルジ装置を含む内部ソースからの Ca2+ 放出の上昇および Ca2+ 取り込みの制限によっても誘発されます (Chami et al., 2008)。 ミトコンドリアによる Ca2+ の取り込みの促進は、サイトゾルのカルシウム過負荷に続いて起こります (Brookes et al., 2004)。 サイトゾルおよびミトコンドリアのカルシウム過負荷は、ミトコンドリア機能の破壊 (Wang M. et al., 2015)、ROS 産生の促進 (Zhu et al., 2018)、細胞死の誘発 (Boehning et al., 2004; Zhu et al., 2018) (図 2)。

ミトックI / R損傷におけるホンドリア依存性細胞死

酸化ストレスの増加やカルシウム過負荷などの細胞の変化は、ミトコンドリアの関与を​​伴うアポトーシスにつながる可能性があります。 このプロセスは、ミトコンドリア透過性遷移孔 (mPTP) によって制御されるミトコンドリア膜透過性の変化によって開始されます。 mPTP の活性は、ミトコンドリア マトリックスの Ca2+ レベルによって媒介される可能性が高く、サイトゾルのカルシウム過負荷に起因するミトコンドリアのカルシウム過負荷は、mPTP の開始を促進する可能性があります (Qian et al., 1999)。 I / R損傷中のROS産生、特にヒドロキシルラジカルと過酸化水素も、mPTPの開始に不可欠であることがわかっています（Assaly et al。、2012）。 透過処理された膜は、アポトーシス促進性 Bcl-2 ファミリーのメンバーである BAX および BAK の活性化とミトコンドリア膜への挿入を可能にします (Wei et al., 2000; Kirkland et al., 2002)。

これは、シトクロム c を含むミトコンドリアタンパク質をミトコンドリアからサイトゾルに移動させ、続いてシトクロム c と 2 つの補因子、アポトーシス プロテアーゼ活性化因子 1 (APAF-1) およびプロカスパーゼ -9 との相互作用を促進します。アポトソームを形成し、最終的にカスパーゼ-9-カスパーゼ-3シグナル伝達細胞死経路をタンパク質分解イベントと DNA 断片化で活性化します (Broughton et al., 2009)。 この経路は、カスパーゼ依存性アポトーシス経路と呼ばれます。 別の細胞死経路であるカスパーゼ非依存性アポトーシスは、細胞エネルギーが不足すると活性化されます (Daugas et al., 2000)。 ポリ (ADP-リボース) ポリメラーゼ-1 (PARP-1) は、経路の上流に位置する核酵素です (Yu et al., 2002)。

ROS による DNA 損傷は、NAD プラスが使用される PARP-1 の過剰活性化を引き起こし、エネルギー貯蔵を枯渇させる可能性があります。 ゆうら。 (2002) また、PARP-1 の活性化が、ミトコンドリア間膜から核への下流の標的アポトーシス誘導因子 (AIF、ミトコンドリアフラビンタンパク質) の放出につながり、クロマチン凝縮と大規模な DNA 断片化を引き起こす可能性があることも発見しました。 . 研究は、AIF が直接的な DNA 断片化効果を持たないことを示しています (Susin et al., 1999; Wang et al., 2002)。 したがって、このプロセス中に下流のエフェクターが必要になる可能性があります。 研究では、エンドヌクレアーゼ G が AIF と相互作用し、DNA の断片化を引き起こす可能性があることが示唆されています (Wang et al., 2002; Lee et al., 2005) が、それらの相互作用はまだ不明です。 PARP-1- による細胞死は、独自の細胞死経路です。 それは一般にアポトーシスの特徴を示し、古典的なアポトーシスはエネルギー依存性であるため、一部の研究者は壊死性であると考えています (Ha and Snyder, 1999)。

T脳は I/R 損傷を受けやすい

I/R 損傷は、脳、心臓、骨格筋、腎臓など、多くの臓器や組織で発生する可能性があります。 これらの領域では、ROS の産生増加、カルシウム過負荷、炎症、mPTP の開放など、いくつかの共通の特徴が I/R 損傷によって共有されます。 しかし、臓器固有の特性は、さまざまな臓器の I/R 損傷の重症度に影響を与える可能性があります。 脳は、虚血後 20 分以内に不可逆的な損傷が発生し、再灌流療法のために狭い時間枠 (通常 3 ～ 4.5 時間) を与えることができる器官であり、I/R 損傷を非常に受けやすいと考えられています (Ordy et al., 1993)。 .

脳内の ROS は、代謝活性領域としての他の酵素 ROS ソースではなく、主にミトコンドリアから生成されます。 脳は全身の酸素消費量の 20% 以上を占めていますが、他の臓器に比べて抗酸化物質のレベルが比較的低く、酸化ストレスに対して脆弱になっています (Markesbery and Lovell, 2007; Damle et al., 2009; Kalogeris et al. 、2012）。 さらに、脳内に蓄積された不安定な鉄は、H2O2 と反応して反応性の高い •OH を生成する可能性があります。 この反応は、脳内に大量に蓄積された多価不飽和脂肪酸の酸化と過酸化を刺激し、さらに酸化ストレスを引き起こします (Ferretti et al., 2008)。 脳は I/R 損傷を受けやすいため、脳への再灌流損傷を防ぐための標的を見つけることは、脳卒中の治療において重要です。

虚血性脳卒中の治療時間枠の延長: 再開通の遅延

閉塞した血管を可能な限り早期に再開通させることが、AIS 治療の重要な原則として広く受け入れられています。 残念なことに、何年もの間、ほとんどの AIS 患者は、治療域が狭いために効果的な再開通療法を受けることができませんでした。 近年、一連の臨床試験では、再開通の遅延が、症状の発症後 24 時間以上、数日、さらには 1 か月以上までの拡張された治療ウィンドウの間、虚血性脳に依然として利益をもたらす可能性があることが示されています [Kang による総説]ら。 (2020)]。 臨床的には、イメージング技術の進歩により、AIS における脳組織と血管の状態のより良い特性評価が可能になりました。 脳虚血のマーカーは、灌流強調画像/拡散強調画像 (PWI/DWI) の不一致と、磁気共鳴画像 (MRI) での DWI/流体減衰反転回復 (DWI/FLAIR) の不一致によって指示されます。

PWI またはコンピューター断層撮影 (CT) 灌流 (CTP) スキャンによる MRI スキャンでは、さまざまな低灌流レベルが示されます。 これらの開発と血管内インターベンション デバイスの進歩を考慮すると、特定の患者の再疎通時間枠を拡大することが可能です。 無作為研究の増加により、再疎通の遅延が90-日の転帰に有益な効果をもたらすことが実証されています。 血管内機械的血栓摘出術に関する 2 つの高品質無作為対照臨床試験 (DAWN および DEFUSE 3) では、画像ミスマッチに基づいた選択的遅延再開通が、症状発症後 16 ～ 24 時間で実施された場合でも、患者の 90- 日の転帰を改善したことが報告されました。 (Ragoschke-Schumm と Walter、2018 年)。 要約すると、再開通の時点が遅れると I/R 損傷のリスクが高まる可能性がありますが、再開通の遅延は特定のサブタイプの患者にとって依然として有益です。

カンカは、その神経保護特性で知られる植物抽出物であり、その作用機序には、抗酸化作用、抗炎症作用、および抗アポトーシス作用が関与すると考えられています。 Cistanche の神経保護効果に関連するいくつかの関連するテストとアプリケーション ケースがあります。

1. in vitro 研究: in vitro 研究では、カンカ抽出物が酸化ストレスと炎症を軽減することにより、ニューロンをストレスによる損傷から保護することが示されています。

2. 動物研究: 動物研究は、Cistanche が脳虚血、外傷性脳損傷、および神経毒曝露によって引き起こされる神経損傷から保護できることを実証しました。

3. ヒトでの研究: ヒトにおけるシスタンケの神経保護効果に関する臨床的証拠は限られていますが、いくつかの研究では、認知機能を改善し、加齢に伴う記憶力の低下を軽減する可能性があることが示唆されています.

Luoan Shen1†、Qinyi Gan1†、Youcheng Yang1、Cesar Reis2、Zheng Zhang1、Shanshan Xu3、Tongyu Zhang4 *、Chengmei Sun1,3 *

1 Zhejiang University-University of Edinburgh Institute, School of Medicine, Zhejiang University, Haining, China,

2 VA Loma Linda Healthcare System、ロマリンダ大学、ロマリンダ、カリフォルニア州、アメリカ合衆国、

3 Institute for Advanced Study, Shenzhen University, Shenzhen, China, 4 Department of Neurosurgery, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing, China