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日本生物学的精神医学会誌 35 巻 1 号（2024）/Japanese Journal of Biological Psychiatry Vol.35, No.1, 2024

特集 2

せん妄を科学する

4 ．せん妄のエピジェネティクス仮説に基づいた候補遺伝子探索およびゲノム網羅的アプローチによる研究
篠崎元＊

抄録：本稿では，せん妄の発症メカニズムにおけるエピジェネティクスの役割を解明することをめざしたこれまでの研究を概説する。まず，DNA メチル化とせん妄発症の関連に焦点を当て，Grady
Trauma Project コホートを用い，TNF‑alpha 遺伝子のメチル化が年齢と負の相関を，同時に発現が正の相関をすることを見出した。この傾向は，脳のグリア成分でも保たれていることを確認したが，ニューロンでは失われていることを報告した。さらに，せん妄患者と非せん妄患者の比較から，せん妄群における TNF‑alpha 遺伝子のメチル化低下が示され，せん妄発症におけるこの変化の重要性が示唆された。また，神経栄養因子遺伝子のメチル化パターンの年齢依存的な変化も観察され，これがせん妄リスクの増加に関連している可能性も示された。最後に，せん妄患者と非せん妄患者間の DNA メチル化パターンの違いをゲノム網羅的に分析し，免疫応答や細胞活性化の経路に関連する遺伝子のメチル化変化を特定した。これらの結果は，せん妄の発症メカニズムにおけるエピジェネティックな変化の重要性を強調している。
日本生物学的精神医学会誌 35（1）：40‑45, 2024
Key words：delirium，epigenetics，DNA methylation，neuroinflammation，cytokine，microglia，neurotrophic factor

せん妄は高齢者に頻発する予後不良の疾患であるが，これまでのところ正確な病態理解は進んでおらず，臨床現場で実用に耐えうる精度のバイオマーカーも存在していない。筆者は，せん妄の最大のリしやすく，その体内では全身でも中枢でも炎症が亢進し，ミクログリアが活性化することが紹介されて4）いた 。高齢や手術侵襲はまさしく既知のせん妄のリスクファクターでもあり，ヒトのせん妄の病態をよく反映していると考えられ，せん妄の病態機序として，神経炎症という概念が重要であるということスクファクターである年齢に注目し，加齢による変化がもたらす分子メカニズムに病態の一因があるとであった。神経炎症すなわち，脳内における炎症，ということである。ならば高齢者でせん妄が頻発すの仮説を立て，複数のコホートの患者から得られた血液や脳を含むサンプルを用いて検証を行った。本稿ではこれまでの研究データを，仮説の構築から研究データの蓄積の流れに沿って紹介する。

る，ということは，その炎症が，高齢者では亢進している，ということになる。では，炎症が亢進する，とはどういうことかと考えれば，すなわち，炎症性サイトカインが増加している，ということにほかな

そもそも，せん妄のエピジェネティクス仮説は，8 年ほど前に学会場で基調講演を聞きながら筆者がらない。だとしたら，そうしたサイトカインの増加するメカニズムが高齢者に特有に起こっている，と夢想した中で着想を得たものであるが，以下にその流れを紹介する。その基調講演では，若年マウスと高齢マウスを比較する多くの実験データが示され，高齢マウスでは感染や手術後に認知機能低下を起こいうことになる。サイトカインが増加するということは，サイトカインも遺伝子にコードされるタンパクである以上，遺伝子の発現メカニズムが年齢によって変化することを意味する。そこまで考えた段

序論：せん妄のエピジェネティクス仮説

Epigenetic Hypothesis of Delirium:Candidate gane approach and genome‑wide investigation＊スタンフォード大学医学部精神科（〒 94304 アメリカ合衆国カリフォルニア州 パロアルト ポータードライブ 3165）Gen
Shinozaki：Stanford University School of Medicine Department of Psychiatry and Behavioral Sciences. 3165 Porter Drive, Palo Alto,
CA 94304【篠崎元 E ─ mail：gens@stanford.edu】

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図 1 せん妄のエピジェネティクス仮説の概念図加齢がせん妄発症につながる病態メカニズムのカスケードにおけるエピジェネティクスの役割を想定
3）
し，研究による解明が必要と考えた。（Saito T, et al：J Psychiatr Res, 129：61‑65. 2020 より改変して引用）

階で，では，そうした分子メカニズムは何だろうか，と考えたとき，エピジェネティクス，特に DNA のメチル化がかかわっているのでは，という仮説に辿り着いた。なぜなら，DNA のメチル化は，遺伝子の転写制御に密接にかかわるだけでなく，年齢に応じて変化していく性質が近年頻繁に報告されていた1）からである （図 1）。基調講演を聞きながらここまで考えて仮説に確信をもった筆者は，研究室に戻るとすぐに研究に取り掛かったのだった。
まず，筆者の仮説と同じことが研究されていないか 調 べ る た め，PubMed に て「delirium」 と「epigenetics」を検索すると，ヒット数は 1 であった。
しかもその論文は dementia に関するさまざまなトピックを集めた総説論文で，上記のような病態理解に基づく仮説などは何も含まれていなかった。そこで，実際に仮説を試すためにデータを得ようと考え，最初に行ったのが，研究者仲間のもつコホートで利用可能なメチル化データによる検証であった。上記のように，もしサイトカインが年齢に応じて亢進するのであれば，おそらくメチル化は年齢とともに低下するであろうと思われた（メチル化は特に遺伝子のプロモーター領域にて増加すると，転写を抑制することがよく知られている）。そこで，エモリー大

学の Grady Trauma Project（GTP）という数百人からなるトラウマ研究のコホートをもつ研究者に依頼し，サイトカイン遺伝子のメチル化と年齢の相関の度合いを調べてもらうことにした。遺伝子としては
IL‑1beta，IL6，IL8，それに TNF‑alpha を選択したが，結果は驚くべきことに，TNF‑alpha 遺伝子のみ，遺伝子上にある CpG サイトのすべてで年齢と負の5）相関を示していたのだった （図 2）。実は，この研究グループは PTSD のエピジェネティクス研究コンソーシウムであり，同時に他の 2 つのコホートでも同じ検討をしたのであるが，他の 2 つのコホートでも結果はまったく同じであった。残念ながら他の 2 つのコホートからはデータの出版の許可が得られなかったため GTP コホートだけで論文化することになったのであるが，GTP が最大のコホートであったのは幸いであった。また，GTP は RNA 発現のデータも同時にもっており，TNF‑alpha の発現は，はたして年齢に応じて増加していたのであっ5）た （図 2）。まさに，仮説で考えたように，年齢に応じてサイトカインである TNF‑alpha 遺伝子のメチル化が低下すると同時に，その発現は増加する，
すなわち，高齢者ほど炎症性サイトカインが上昇し，炎症しやすい，という証左が得られたのである。

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図 2 加齢に伴う TNF‑alpha 遺伝子の DNA メチル化の減少と RNA 発現の増加
3）（Saito T, et al：J Psychiatr Res, 129：61‑65. 2020 より改変して引用）

ただ，難点は，このデータは大勢のコホートの血液サンプルからもたらされた，ということであった。
メチル化の年齢による変化が発現にも寄与することを示すことはできたが，では神経炎症は，脳内では，どうであろうか，という問題がある。その疑問に答えるために，
次に筆者らは脳組織での検討を行った。
幸いなことに，当研究室では別の研究の一環として脳組織のメチル化測定を行っていた。脳組織は薬剤抵抗性てんかんの治療として行われる脳切除術から提供され，fluorescence‑activated cell sorting（FACS）によりグリアとニューロンを分けたものを使用した。想像に難くないように，こうしたサンプルはきわめて貴重であり，サンプル数 6 人という限られたデータで検討することになる。しかしながら，今回も TNF‑alpha 遺伝子に注目してメチル化レベルと年齢との相関を調べると，再び驚くべきことに，グリア成分においては同遺伝子上のすべての CpG
サイトにおいて負の相関が維持されていたものの，
5）
ニューロン成分ではその傾向が失われていた 。すなわち，サイトカインを放出するグリア成分におい検討として，筆者らが別途行っていた，せん妄検出のための新規脳波デバイス開発研究でリクルートする患者さんに，エピジェネティクス研究にも参加していただき，血液，唾液，口腔粘膜なども収集する
こ と と し た。 そ の コ ホ ー ト（Epigenetics ofDelirium：EOD コホートとよぶ）のサンプルを解析して TNF‑alpha 遺伝子のメチル化を再度検討したところ，口腔粘膜では違いがみられなかったものの，血液ではせん妄患者群と対称群ではっきりと違いをみることができた。すなわち，せん妄群ではTNF‑alpha 遺伝子のメチル化の年齢に伴う低下が保たれていたが，対照群ではその傾向がなくなるか，あってもきわめて弱くなっていることが示され7）た 。こうしたせん妄，非せん妄群における TNF‑alpha 遺伝子のメチル化の差は，上記てんかん脳外科患者コホート（Neurosurgery：NSG コホートとよ ぶ ） の サ ン プ ル に お け る 術 後 せ ん 妄（post‑operative delirium：POD）で同様に再現された。また，他のサイトカインも含めた術後の DNA メチルて，年齢が進むにつれて TNF‑alpha 遺伝子のメチル化は低下し，発現しやすくなっていると考えられた。これも仮説を支持するデータであった。

化レベルに基づいて作成された「炎症メチル化指数（inflammatory methylation index：IMI）」 が， せ ん
妄を診断するバイオマーカーとしても有用なことも6）示された 。

1．せん妄患者と非せん妄患者の比較

2．神経栄養因子遺伝子の検討

それでも，これらのデータは，せん妄患者からの一方で，サイトカイン，炎症だけがせん妄の原因ものではない，という限界があった。そのため次のとは考えにくい。特に，ベースの認知機能，認知症日本生物学的精神医学会誌 35 巻 1 号（2024）/Japanese Journal of Biological Psychiatry Vol.35, No.1, 202443

図 3 加齢に伴う神経栄養因子遺伝子の DNA メチル化の増加6）（Yamanashi T, et al：Transl Psychiatry, 11：627. 2021 より改変して引用）の既往は，せん妄のもう 1 つの大きなリスクファクターであることが知られている。そのため次に筆者らは，神経栄養因子などの，認知症とかかわる遺伝子のメチル化の状態と年齢との相関を調べることとした。アプローチは同様に，GTP，NSG，およびEOD コホートによる検討である。ただしこの場合，そうした神経栄養因子のメチル化は，年齢とともに増加し，それに伴い発現が抑制されるのでは，という仮説であった。特に brain‑derived neurotrophic factor（BDNF）および glial cell‑line derived neurotrophicfactor（GDNF）遺伝子の DNA メチル化と年齢との関連を分析したところ，結果は仮説通り，GTP においては，高齢化とともに BDNF などの神経栄養因子遺伝子の DNA メチル化レベルが増加すること

レイを用いたゲノム網羅的手法であり，先に述べた
候 補 遺 伝 子 以 外 に も 非 常 に 多 く の メ チ ル 化情報（EPIC アレイは実に約 85 万の CpG サイトを測定する）を利用可能であった。したがって，仮説に縛られない検討方法として，アレイ上のすべての CpGサイトにおけるメチル化情報を検討することとした。
この研究では，先の EOD コホートから年齢と性別をマッチさせたそれぞれ 40 人強のせん妄患者群と非せん妄患者群（合計 80 人強）を抽出し，群間での DNA メチル化の違いを特定し，せん妄の有用なエピジェネティックバイオマーカーを同定することを目的とした。まず，トップヒットを調べると，が示され（図 3），また NSG の脳組織，EOD にお2）けるせん妄群でも同様であった 。これは，高齢に伴い，神経栄養因子の減少が予測され，脳がせん妄に対してより脆弱になることを示唆していると考え

ゲノムワイドでも統計的に有意に近い CpG サイトが見出された。さらに，ゲノムワイドのデータを利用して，トップヒットで見出された CpG サイトがある遺伝子群のエンリッチメント解析を行ったとこ
ろ，統計的に有意なトップヒットとしてさまざまなられるこの研究は，老化が脳の栄養因子状態とせん
妄の感受性にどのように影響するかを理解するうえ

免疫応答や炎症反応，細胞活性化に関連する重要な3）経路が明らかになった 。

での別の病態整理の側面を提示したといえる。
これらの研究結果は，高齢化がサイトカインや神経成長因子の遺伝子のメチル化にどの程度影響を及ぼすか理解されていなかったところから，仮説に基さらにこの結果の妥当性を検証するために，NSG
コホートにおける POD のケースについて同様の検づいて検討したところ，高齢化に関連したエピジェ
ネティック変化，特に DNA のメチル化の変化が，せん妄の病態生理において重要な役割を果たす可能性を示唆したといえる。
ここまでは，病態仮説に基づく候補遺伝子に注目したアプローチであったが，DNA のメチル化測定の手法として用いたのは主にイルミナ社の EPIC ア討を行った。術前と術後での血液サンプルにおけるDNA のメチル化の変化の度合いを，POD を起こした患者群と起こさなかった患者群で比較したエン
リッチメント解析では，驚くべきことに，EOD コ
ホートでの結果とほとんどまったく同じ，免疫応答や細胞活性化の経路が有意なトップヒットとして見8）出された 。つまり，まったく異なる，内科を中心とした入院患者のコホート（EOD コホート）と，脳外科てんかん患者のコホート（NSG コホート）

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図 4 EOD コホートと NSG コホートにおけるエンリッチメント解析
7）（Yamanashi T, et al：Neurobiol Aging, 105：310‑317. 2021 ，Yamanashi T, et al：Psychiatr y Clin8）
Neurosci, 77：48‑55. 2023 より改変して引用）

利益相反
Gen Shinozaki has pending patents as follows：ʻNon‑invasive device for predicting and screening

において，せん妄発症の有無により区分けされた群間のメチル化を比較すると，まったく同じ経路が同定された，ということである。しかもそれらはせん
妄の発症メカニズムにきわめて重要な役割を果たすであろう機能が示されており，メチル化の変化がそうした機能をもたらす遺伝子群に起こることが，せん妄の発症につながる可能性を強く示唆しているといえる。これらの結果は，せん妄の病態生理における，エピジェネティクス，特に DNA のメチル化

delirium,ʼ PCT application no. PCT/US2016/064937
and US provisional patent no. 62/263,325；ʻPredictionof patient outcomes with a novel
electroencephalography device,ʼ US provisional
patent no. 62/829,411. ʻDEVICES, SYSTEMS, AND
METHOD FOR QUANTIFYING NEURO‑の変化が果たす役割をさらに支持する結果といえる。

INFLAMMATION,ʼ United States Patent Application
No. 63/124,524.

まとめ文献1 ）Numata S, Ye T, Hyde TM, et al（2012）DNA meth-

これらの研究データは，せん妄のエピジェネティ

ylation signatures in development and aging of theクスに関する当研究室における研究のさまざまな側面を反映しており，理論的枠組みに基づく仮説と，それを支持する実験的根拠を結び付けていると考えられる。これらのアプローチは，せん妄の複雑なメ

human prefrontal cortex. Am J Hum Genet, 90：260‑272.
2 ）Saito T, Braun PR, Daniel S, et al（2020）The relationship between DNA methylation in neurotrophic

カニズムを解明するだけでなく，臨床現場で有効となるバイオマーカーの確立も可能とし，最終的には，genes and age as evidenced from three independent

特に高齢化社会において今後ますます増加することが確実な，せん妄患者への潜在的な介入法および治療法への道を開くことになると期待している。
本論文に記載した筆者らの研究に関してすべて倫Aging, 94：227‑235.

理的配慮を行っている。

cohorts：differences by delirium status. Neurobiol3 ）Saito T, Toda H, Duncan GN, et al（2020）Epigenetics of neuroinflammation：Immune response,inflammatory response and cholinergic synaptic involvement evidenced by genome‑wide DNA methylation analysis of delirious inpatients. J Psychiatr Res,

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45DNA methylation in the inflammator y genes after

129：61‑65.
4 ）Schreuder L, Eggen BJ, Biber K, et al（2017）Patho-

neurosurgery and diagnostic ability of post‑operativedelirium. Transl Psychiatry, 11：627.

physiological and behavioral effects of systemic inflammation in aged and diseased rodents with rele-7 ）Yamanashi T, Saito T, Yu T, et al（2021）DNA meth-vance to delirium：a systematic review. Brain Behav

ylation in the TNF‑alpha gene decreases along withImmun, 62：362‑381.

aging among delirium inpatients. Neurobiol Aging,5 ）Shinozaki G, Braun PR, Hing BWQ, et al（2018）

105：310‑317.

Epigenetics of delirium and aging：potential role of8 ）Yamanashi T, Crutchley KJ, Wahba NE, et al（2023）

DNA methylation change on cytokine genes in glia

The genome‑wide DNA methylation profiles among

and blood along with aging. Front Aging Neurosci,

neurosurgery patients with and without post‑opera-

10：311.

tive delirium. Psychiatry Clin Neurosci, 77：48‑55.

6 ）Yamanashi T, Nagao T, Wahba NE, et al（2021）■ ABSTRACT
Epigenetic Hypothesis of Delirium:Candidate gane approach and genome‑wide investigation

Gen Shinozaki
Stanford University School of Medicine Department of Psychiatry and Behavioral Sciences
This article aims to outline the hypothetical framework and empirical evidence in the epigenetic investigation of delirium
pathophysiology. Delirium, prevalent in the elderly, remains poorly understood in terms of pathophysiology. Our research
investigates how aging‑related epigenetic changes, particularly in DNA methylation, influence the pathophysiologicalmechanism of delirium.
We initially used blood samples from Grady Trauma Project to examine the correlation between cytokine gene
methylation and age, discovering a negative correlation with the TNF‑alpha gene methylation, together with an increase in
RNA expression with age. Subsequent analysis of brain tissue obtained from resected brain tissue through the treatment ofmedication refractory epilepsy patients revealed this trend in glial components, not neurons, indicating an age‑related
decrease in TNF‑alpha gene methylation in glia, facilitating increased inflammation in older brain.
Further, comparisons between delirious and non‑delirious patients showed maintained methylation decline in thedelirious group, indicating a potential role in delirium onset. Additionally, we found increased DNA methylation ofneurotrophic factor genes such as BDNF in the elderly, implying a vulnerability to delirium due to reduced neurotrophic
support.
Finally, a genome‑wide approach identified differences in DNA methylation between delirious and non‑delirious groups,
with significant pathways related to immune response and cell activation. These findings suggest a crucial role for
epigenetic changes, especially in DNA methylation, in the pathophysiology of delirium.
（Japanese Journal of Biological Psychiatry 35（1）：40 ─ 45, 2024）