●心不全診療の最前線!!［ I ］心不全の疫学と病態生理

2．心不全におけるシグナル伝達とカルシウム制御異常
新井昌史＊

心臓の律動的な収縮は，心筋の収縮装置であるサルコメアと細胞質の心筋小胞体（SR）との間でカルシウムが移動することでもたらされる．この機能の障害は，心機能低下の主要な機序になる．これには次の原因が知られている．
1）SERCA2a（心筋小胞体 Ca2+-ATPase）機能の低下：重症心不全では，SERCA2a mRNA 発現，SERCA2a 蛋白量が低下し，SR への Ca2＋汲み上げ能が低下する．そのため，細胞内 Ca2＋濃度が拡張期でも低下せず，拡張不全の原因となる．また，汲み上げられる Ca2＋量の減少は収縮不全をもたらす．治療戦略として，1．心筋にすでに存在する SERCA2 遺伝子の転写活性化，2．外来的な SERCA2 遺伝子の導入などの方策が考えられる．β 遮断薬カルベジロールは，酸化ストレス存在下で SERCA2 遺伝子転写の活性化作用を有する．また，アデノウイルスベクターによる遺伝子導入により，ラット心不全モデルで心機能と生存率の改善が報告されている．
2）Phospholamban のリン酸化の低下：Phospholamban は SERCA2a 蛋白の抑制性機能蛋白で，β 受容体刺激によりその Ser16 がリン酸化されると，SERCA2a 蛋白と解離し Ca2＋汲み上げを亢進させる．心不全では β 受容体の脱感作が起こり，Ser16 のリン酸化が減少する．これにより Ca2＋汲み上げ能は抑制され，心機能が低下する．1．
Ser16 をグルタミン酸に置換し，リン酸化 Ser16 と同じ立体構造をとる変異 Phospholamban を遺伝子導入することや，2．Phospholamban の発現をアンチセンス法やsiRNA 法により，mRNA レベルで分解・抑制することで心機能の改善が得られる．
3）Ryanodine 受容体の制御異常：不全心では，脱リン酸化酵素である PP1 と PP
2A の活性が低下することにより，Ryanodine 受容体の「過リン酸化」が起こる．これにより，制御蛋白である FKBP 12.6 が Ryanodine 受容体から解離し，Ca2＋リークによる細胞内 Ca2＋過負荷を引き起こす．この Ca2＋過負荷は致死的な不整脈の原因となる．メトプロロールなど β 遮断薬は過リン酸化を抑制する作用を有する．
細胞内カルシウムハンドリングの改善は，心不全治療法の新たな機序になる可能性を秘めている．薬剤のみならず遺伝子治療も含め，新たな心不全治療法が登場することを期待したい．

Abnormal calcium handling inducing heart failure and as a therapeutic target for the treatment of heart failure
MASASHI ARAI Second Department of Internal Medicine, Gunma University, School of Medicine
あらい・まさし：群馬大学医学部
第二内科講師．昭和58年新潟大学
医学部卒業．同年群馬大学第二内科．平成元年米国バーモント大学
生理学留学．平成７年群馬大学第二内科助手．平成12年現職．主研
究領域／循環器病学，特に心不全の病態解明と治療．
＊12 第 122 回日本医学会シンポジウム

Key words

興奮収縮連関
心筋小胞体 Ca2+ATPase
Phospholamban
Ryanodine 受容体行われる．Phospholamban はこのポンプの制はじめに御蛋白で，SERCA2a の Ca2＋輸送を抑制して心臓のポンプ機能は，細胞内の Ca2＋濃度をいる．しかし，カテコールアミン刺激で Phos-

周期的にコントロールする蛋白から収縮蛋白

pholamban のリン酸化が起こると，この抑制に，どの程度の量の Ca2＋がどのような速度でがはずれ，SERCA2a の Ca2＋汲み上げ能が著結合・解離できるかによって規定される．こしく亢進する．

2＋

2＋の際に動員される Ca は，主に細胞内の CaCa2＋は細胞膜を経由しても移動する．細胞貯 蔵 庫 で あ る 心 筋 小 胞 体（sarcoplasmic re-

膜上の Ca2＋輸送蛋白では，輸送量の多さの点

ticulum，SR）から放出される Ca2＋である．

で Na＋!
Ca2+ exchanger が最も重要である．

2＋

心筋における Ca 輸送は，図 1 に示す蛋白群によって行われる．心筋細胞膜の脱分極刺激が T 小管に存在する Ca2＋放出チャンネル（Dihydropyridine Receptor）に伝えられるとチャンネルが開口し，細胞質内に少量の Ca2＋1．心不全の原因となる主な Ca2＋輸送蛋
白の変動とこれをもとにした心不全治療戦略が流入する．この Ca2＋は心筋小胞体膜上の図 1 に心不全発症の原因となる Ca2＋輸送

Ryanodine 受容体を刺激し，心筋小胞体から機構の異常を示す（文献 1 から一部改変）．

2＋2+

大 量 の Ca が 細 胞 質 内 に 放 出 さ れ（Ca 2+induced Ca Release），筋収縮が起こる．心筋2＋1）SERCA2a 機能の低下
重症心不全に陥り心臓移植を受けた患者心の弛緩は，細胞質中の Ca が心筋小胞体に汲筋 で，SERCA2a mRNA 発 現 は 低 下 し て い

み上げられることでもたらされる．これは，る2）．mRNA 発現量の低下は，SERCA2a 蛋白2+心筋小胞体 Ca -ATPase（SERCA2a）によってDihydropyridine
Receptor

Ryanodine
Receptor

SERCA2a
Phospholamban

SRCalsequestrin

Na＋/Ca2＋Exchanger

図1

量の低下や SR に汲み上げる Ca2＋量の減少を

Plasma membrane
Ca2＋-ATPase¿. SERCA2a機能の低下
・SERCA2a蛋白の減少
À. PhospholambanによるSERCA2a機能の抑制
・Phospholambanの変動
・β-adrenoceptor/cAMP刺激の減少（Phospholambanのリン酸化低下）
Á. Dihydropyridine Receptor（DHPR）Ryanodine Receptor（RyR)の異常
・RyRの過リン酸化（FKBP12.6の解離）
・RyR蛋白の減少
・DHPR蛋白の減少、ICa, Lの減少
Â. Na/Ca Exchanger（NCX）活性の変動
・NCXの増加・［Na＋］iの変動（Na＋/K＋-ATPase活性の変動）

心筋細胞内 Ca2＋輸送経路と心不全の原因となる主な Ca2＋輸送蛋白の変動（文献
1 から一部改変）
心筋におけるカルシウム輸送蛋白とカルシウムの輸送方向を矢印で示す．!〜"は，このカルシウム輸送蛋白の機能異常が原因で心不全に至る代表的な 4 つの経路を示す．

心不全診療の最前線 13

もたらす．そのため，細胞内 Ca2＋濃度が拡張で生存率が有意に改善した．また，強制的な期でも十分には低下せず，心筋は完全には弛

遺伝子導入に伴い，SERCA2a 遺伝子導入群で緩できず拡張不全を起こすと推測される．まは心不全群よりむしろ心筋内の高エネルギーた，SR 内へ汲み上げられる Ca2＋量の減少は，リン酸の貯蔵型であるホスホクレアチンが増2＋次の収縮期に放出される Ca 量の低下とな加しており，遺伝子導入操作によって心筋へり，収縮力の低下，すなわち収縮不全をもたのエネルギー供給に問題が生じないことが判らすことになる．

明した．

それでは，SERCA2a 蛋白を増加させれば心ところで，SERCA2a mRNA は SERCA2遺伝機能を向上させることができるだろうか？

子から転写されて生成される．心不全におけ

SERCA2a cDNA をアデノウイルスベクター

る SERCA2a mRNA の減少は，心不全に伴うに組み込み，ラット心筋に遺伝子導入したモ細胞機能の破綻によって生ずる不可逆的な減3）デルでの検討が報告されている ．ラット大少だけでなく，この転写制御機構に基づいた動脈に縮搾を加え心不全を誘導したモデルで制御された過程も含まれている4）．そこで，検討すると，SERCA2a 遺伝子導入群では左室この転写機構を活性化させ，不全心筋でも容積・圧曲線が有意に改善し，心機能が正常SERCA2a mRNA 発現量を維持できるように化に向かうだけでなく，1 カ月間の経過観察することができれば，心不全に対する新たなSERCA2遺伝子の転写活性
5＊4SERCA2a mRNA発現量
H2O2 80μM＊p＜0.05 vs Vehicle＃p＜0.05 vs Vehicle inH2O（−）
2groupVehVeh

Carv Carv
110 μM

SERCA2amRNA＊

328S2＊SERCA2a蛋白量

1＃VehVeh

Carv Carv
110H2O2 50μM
Carv Carv
Veh Veh110 μM

0H2O2 50μM
Mean±SD

2H2O（−）

Carvedilol
Vehicle

図21μM

10μM

Veh : Vehicle
Carv : Carvedilol

H2O2 存在・非存在下におけるカルベジロールの SERCA2 遺伝子転写活性・mRNA 発現・蛋白量に及ぼす効果
ラット新生児培養心筋細胞に心不全を誘導する刺激として，酸化ストレスである H2O2を投与した．これにカルベジロールを投与し，SERCA2 遺伝子の転写活性，mRNA 発現量，SERCA2a 蛋白量をそれぞれ計測した．

14 第 122 回日本医学会シンポジウム

SERCA2aPdomain¿
細胞質側−P＋Ca2＋＋P

−Ca2＋
SR内腔側

domainÀ
phospholamban

monomer
機能型（活性型）

Ca2＋SR膜

pentamer
貯蔵型（不活性型）

図3

Phospholamban の SERCA2a 蛋 白 に 対 す る 作 用（Kimura Y, et al. : J Biol
Chem 1997 ; 272 : 15061 より一部改変）
Phospholamban は単量体で SERCA2a 蛋白と結合し，この蛋白の Ca2＋汲み上げ能を抑制している（上段・中央）．β受容体刺激があるとPhospholambanがリン酸化され，SERCA2a蛋白と解離し，SERCA2a に対する抑制効果を解き，SR への Ca2＋汲み上げを亢進させる（上段・左）．また，Phospholamban は 5 量体の形態でも存在しており，これは Phospholamban の貯蔵型，すなわち不活性型であると考えられている．

治療戦略になると考えられる．

酸化ストレスによって減少する SERCA2 遺カルベジロールは，メトプロロールやビソ伝子の転写効率，SERCA2a mRNA 存在量，なプロロールなどとともに心不全患者の生命予

らびに SERCA2a 蛋白量，いずれをも低下か後を改善させることが証明された β 遮断薬

ら守る効果を示した（図 2）．すなわち，カルである．メトプロロールは心不全において，ベジロールは β 遮断薬でありながら同時に低下した β 受容体数を回復させる作用を

SERCA2a に対する保護効果を持ち合わせ，こ持っているが，カルベジロールにそのようなれが心不全に対する治療効果の一端を担って作用はない．
そこでわれわれは，カルベジローいることが判明した．

ルが不全心筋での SERCA2a 蛋白の低下を防2）Phospholamban のリン酸化低下

ぐことによって心保護効果をあらわしている

Phospholamban は，SERCA2a 蛋 白 に よ るのではないか，との仮説を検証した．カルベ

Ca2＋汲み上げ能を抑制している機能性蛋白でジロールは，代表的な心不全誘導刺激であるある（図 3）．β 受容体が刺激されると Phos心不全診療の最前線 15

β-adrenergic
receptor

dihydropyridine
receptor

Ca2＋adenylate
cyclase

Ca2＋Ca2＋ Ca2＋G-protein

FKBP12.6

cAMP

FKBP12.6

PcAMP

PP

P
PP1
ryanodine
receptor

mAKAP

PP1
PKA

PP2a

ryanodine
receptor

mAKAP

PKA

PP2a

SR

SERCA2SR

phospholamban
健常心での交感神経刺激時

不全心筋
チャネル開口確率の増加（拡張期レベルのCa2＋であっても開口する＝Ca2＋ leak）
EC couplingが破綻する
β刺激薬にもはや反応しなくなる
不整脈を誘発しやすくなる

図4

心不全における Ca2＋放出機構の異常

健常心に β 刺激が加わった場合には，Ca2＋チャネルを構成する 4 つのサブユニットのうちの一つの Ryanodine 受容体がリン酸化され，FKBP 12.6 も一つが Ryanodine 受容体と解離する． これにより， 低濃度の細胞内 Ca2＋濃度に対しても Ca2＋チャネルが開口するようになり，収縮力が増強する．しかし，心不全では，図に示すように 3 つの Ryanodine 受容体のリン酸化（過リン酸化）と FKBP 12.6 の解離が起こり，細胞質への Ca2＋過負荷を生ずるようになる．

pholamban の Ser16 はリン酸化され，SERCA

ば，Ca2＋汲み上げ能は活性化されたままにな2a 蛋白と解離し，SERCA2a に対する抑制効るはずである．Ser16 を別のアミノ酸に置換す果を解き，SR への Ca2＋汲み上げを亢進させることによって，Phospholamban の機能にどる．前述のように，心不全では β 受容体の脱のような変化が生ずるかを検討した報告によ

感 作 が 起 こ る．こ の た め，Phospholamban

ると，Ser16 をグルタミン酸（Glu16）に置換す

16の Ser リン酸化の程度が減少する．これにると，Ser16 がリン酸化された Phospholamban

より，SERCA2a の Ca2＋汲み上げ能は抑制さと同じ立体構造をとり，常に SERCA2a に対れたままの状態となり，心機能の低下につなして抑制を解除した状態になる．このようながる．

変異 Phospholamban を導入された心筋症ハ

このような特性を持つ蛋白に対して，心不ムスターでは，SR への Ca2＋取り込みの亢進

全治療のための戦略をどのように採ればよいや心筋収縮特性の改善が観察され，心不全のであろうか？

治療効果が得られる6）．

心不全に伴ってリン酸化のレベルが低下する Ser16 残基を，何らかの方法より簡単な治療戦略としては，抑制性蛋白でリン酸化状態に維持しておくことができれである Phospholamban そのものを心筋から16 第 122 回日本医学会シンポジウム

排除してしまうことが考えられる．Phospholamban に 対 し，siRNA と 呼 ば れ る 二 本 鎖
RNA を細胞に導入すると，mRNA レベルでPhospholamban を分解することができた．

2．まとめと将来への展望
以上のように，心筋細胞内のカルシウムハ

3）Ryanodine 受容体の制御異常ンドリングの解析は，心不全の病態解明だけ

2＋

SR からの Ca 放出機構の異常によっても2＋でなく，心不全に対する治療に新たな視点を心不全の病態が形成される．SR からの Ca与えてくれる．現在，慢性心不全に対しては，放出を担っている Ryanodine 受容体は，4 つレニン・アンジオテンシン・アルドステロンの受容体が一組になって Ca2＋放出チャネル系阻害薬と β 遮断薬が長期予後を改善させを形成している．Ryanodine 受容体には，図る薬剤として確立されている．一方，カルベ

4 に示すようにさまざまな機能制御蛋白が結ジロールの薬理効果の解析結果から，細胞内2＋合し，Ca チャネルの開放特性を調節していカルシウムハンドリングの改善という薬理作る．

用が，β 遮断作用に加え，この薬剤の作用機序

健常心では，β 受容 体 刺 激 に よ っ て PKAになっていると考えられた．すなわち，細胞が活性化され，これがチャネルを構成する

内カルシウムハンドリングの改善は，心不全Ryanodine 受容体 4 分子のうちの一つの受容治療の新たな手段になる可能性を示唆する．

2809

体の Serをリン酸化する．これによりチャ2＋

今後，薬剤のみならず遺伝子治療も含め，心ネルの開口確率が上昇し，Ca 放出量が増加筋細胞内のカルシウムハンドリングを標的とすることで心筋収縮力の増加につながる．しした新たな心不全治療法が登場し，これまでかし，高頻度心室ペーシングによって作製しの治療法に加えて心不全患者の治療に寄与す

た不全心モデルでは，脱リン酸化酵素であるることを期待したい．

PP1 と PP2A の活性が低下することにより，ふだんは一つのみリン酸化される Ryanodine受容体が 3 つ以上リン酸化され，過リン酸化と呼ばれる状態になる8,9）．これにより，代表的な制御蛋白である FKBP 12.6 が，健常時より多く Ryanodine 受容体から解離する．この状態になると Ca2＋チャネルの開口確率が増大し，拡張期でも細胞質内に Ca2＋が漏出するようになり，Ca2＋過負荷を引き起こすようになる．これは，SERCA2a の機能低下によって拡張期に Ca2＋が細胞質に汲み残されるのとは別の Ca2＋過負荷をもたらす機序である．この Ca2＋過負荷は心筋の脱分極を促し，致死的な不整脈の誘発にも関連すると想定されている．重 要 な こ と に，メ ト プ ロ ロ ー ル な ど β遮断薬はこの Ca2＋チャネルの過リン酸化を抑制することができると考えられている8,9）．

〔文献〕
1）Houser SR, Piacentino V 3rd, Weisser J : Abnormalities of calcium cycling in the hypertrophied and failingheart. J Mol Cell Cardiol 2000 ; 32 : 1595.
2）Arai M, Alpert NR, MacLennan DH, et al . : Alterations
in sarcoplasmic reticulum gene expression in humanheart failure. Circ Res 1993 ; 72 : 463.
3）del Monte F, Williams E, Lebeche D, et al . : Improvement in survival and cardiac metabolism after genetransfer of sarcoplasmic reticulum Ca2+ -ATPase in a
rat model of heart failure . Circulation 2001 ; 104 :1424.
4）Arai M, Yoguchi A, Takizawa T, et al . : Mechanism ofdoxorubicin induced inhibition of sarcoplasmic reticulum Ca2+ -ATPase gene transcription. Circ Res 2000 ;86 : 8.
5）Sande JB, Sjaastad I, Hoen IB, et al . : Reduced level ofserine（16）phosphorylated phospholamban in the failing rat myocardium : a major contributor to reduced
SERCA2 activity. Cardiovasc Res 2002 ; 53 : 382.
6）Hoshijima M, Ikeda Y, Iwanaga Y, et al . : Chronic suppression of heart-failure progression by a pseudophos心不全診療の最前線 17phorylated mutant of phospholamban via in vivo cardiac rAAV gene delivery. Nat Med 2002 ; 8 : 864.
7）del Monte F, Harding SE, Dec GW, et al . : Targeting
phospholamban by gene transfer in human heart failure. Circulation 2002 ; 105 : 904.
8）Marx SO, Reiken S, Hisamatsu Y, et al . : PKA phosphorylation dissociates FKBP12.6 from the calcium
release channel（ryanodine receptor）: defective regulation in failing hearts. Cell 2000 ; 101 : 365.
9）Yano M, Ono K, Ohkusa T, et al . : Altered stoichiometry of FKBP12.6 versus ryanodine receptor as a causeof abnormal Ca2+ leak through ryanodine receptor inheart failure. Circulation 2000 ; 102 : 2131.ということは，細胞質内の酸化，ストレスというだけではなくて，もっといろいろなメカニズムがあるわけですね．
そちらに対しても，これからいろいろな治療法の開発が可能だろうということですね．
新井

そのように考えています．

座長

あとで治療も取り上げていますが，やはり遺伝子治療は一体どこまで行けるのか，心不全の患者さんで，カルシウムポンプを導入すればよいではないかということで，動物実験ではよい結果が報告されています
が，まだヒトには応用されていないのでしょ
うか．

質疑

応答

新井

はい．米国でももちろん応用されていません．先ほどお話ししたように，まだ解座長（永井） ありがとうございました．い決しなければいけない問題がたくさんあるとまのお話は，要約すると，心不全のときには思います．先ほどの「入れ過ぎはよくない」とカルシウムを SR（筋小胞体）にくみ上げるポいうこともありますし，心筋の場合には，入っンプが落ちているということ，それからカルた細胞と入らない細胞で function が違ってシウム放出チャンネルからカルシウムの leak

きますと，そこは不整脈の原因になる可能性が起こってしまっているということだったともありますので，uniform に心筋に入れるの思います．最初に先生は，カルベジロールはは非常にむずかしいことですので，そのあた抗酸化作用があって，これがカルシウムポンりの問題も解決しなければいけないというよ

プのくみ上げを改善するというお話でした．

うに思っています．

非常に新しい治療法のあり方をお示しになら座長

心不全の問題は，最終的には心臓移れたと思いますが，他の抗酸化剤でも同様の植ですが，しかし一方では，補助人工心臓効果は期待できるのでしょうか．

LVAS がどんどん導入されています．LVAS

新井たとえば実験的に使われている他の装着の間に遺伝子治療により心筋が回復して抗酸化剤を使いましても，やはり効果はあるくるということも期待されています．そのあと思います．ただ加える刺激によって違ってたりはいかがでしょうか．そういうことは可きまして，過酸化水素の刺激ではよいのです

能になると期待されますか．

が，ノルエピネフリンのようなものを加えた

新井

まさにおっしゃる通りで，長期的なときの刺激の場合には，抗酸化剤ではあまり成績ということは，これだけではなかなかむ効かなくて，やはりカルベジロールのほうがずかしいと思います．ですからやはりおっよく効くというようなところがあります．でしゃる通り，bridging というのは非常に現実

すからカルベジロールには単なる抗酸化作用的な考え方で，そのための一つの手段として，と＋α の作用があるのではないかと考えていCa2+-ATPase の遺伝子治療というのは非常にます．

よいのではないかと私は考えています．

座長

カルシウムポンプの発現量が落ちる

18 第 122 回日本医学会シンポジウム

座長

どうもありがとうございました．