24 ―― 亜鉛栄養治療

5巻1号

2014

Usefulness of perioperative nutritional therapy in liver transplantation

25

研究Toshimi Kaido, Shinji Uemoto
Division of Hepato-Biliary-Pancreatic and Transplant Surgery, Department of Surgery, Graduate
School of Medicine, Kyoto University, Kyoto, Japan
Change and innovation are essentials for advances in every field. We have developed many
innovations in the field of liver transplantation. In this presentation, especially, we would like tointroduce evidenced-based perioperative nutritional therapy in liver transplantation（LT）.
Protein-energy malnutrition, which is common in patients with end-stage liver disease requiring LT,
is closely associated with posttransplant risk of morbidity and mortality. Especially, infectious
complications including sepsis often occur after LT and are the most frequent causes of in-hospital
death despite recent advances in perioperative management. We reported that pretransplant
nutritional status and supplementation with branched-chain amino acids（BCAA）-enriched nutrient
mixture have potent impacts on the incidence of postoperative sepsis. Preoperative serum zinc level
was markedly low, which showed negative correlation with ammonia level and positive correlation
with prealbumin level. Moreover, early enteral nutrition with the new immuno-modulating dietenriched with whey-hydrolyzed peptide was useful to prevent posttransplant bacteremia. Most
recently, we reported that sarcopenia was closely involved with post-transplant mortality in patients
undergoing living donor LT and perioperative nutritional therapy significantly improved overall
survival in patients with sarcopenia.
Based on these findings, we have developed a tailor-made perioperative nutritional therapy as follows.
1）Evaluation of nutritional status using body composition analyzer upon admission2）Preoperative administration of zinc and BCAA-enriched nutrient mixture as late evening snack3）Administration of probiotics and prebiotics（synbiotics）to modulate gut immunity and to prevent
bacterial translocation
4）Perioperative rehabilitation aiming for postoperative early recovery5）Preoperative oral rehydration therapy until 2 hours before anesthesia
6）Early enteral nutrition using a new immuno-modulating formula enriched with whey-hydrolyzed
peptide神経疾患と亜鉛武蔵野大学薬学部生命分析化学研究室１） 鈴鹿医療科学大学薬学部 2）

要

1）

定金豊

2）

水野大

1）

約

亜鉛は，脳内，特に海馬や大脳皮質中に高濃度で含まれており，その一部はシナプス小胞内に局在している．このシナプス内亜鉛は，神経細胞興奮時に興奮性神経伝達物質であるグルタミン酸と共に放出され，神経情報の modulator として記憶・学習に重要な役割を果たすと考えられている．一方で近年，亜鉛ホメオスタシスの異常が，アルツハイマー病，脳血管性認知症，
プリオン病等の神経疾患の発症に重要な役割を果たすことが報告されている．亜鉛は，アルツ
ハイマー病においては，発症の要因となるβアミロイド蛋白の多量体化を促進し，アミロイド
前駆体蛋白の ferroxidase 活性を抑制することによって発症を促進することが示唆される．
一方で，亜鉛はβアミロイド蛋白による神経毒性に対して保護的に働くことも示唆されている．また，亜鉛はグルタミン酸受容体に作用してその興奮性を抑制する一方で，脳虚血時に過剰に放出された場合には神経細胞死を引き起こし，脳血管性認知症の原因となると考えられている．従って，亜鉛は脳内において，ある場合には神経疾患の発症を促進し，ある場合には抑制するという両面の複雑な作用を果たしていると考えられる．ここでは，このような神経疾患の発症における亜鉛の役割について筆者等の研究を基に概説すると共に，神経疾患の予防・治療薬候補としてのカルノシンの可能性について述べる．
KEY WORDS カ
 ルシウムホメオスターシス，アルツハイマー病，β- アミロイド蛋白，虚血，
血管性認知症

受容体や GABA 受容体に結合して興奮性を制御

1．はじめにKey words：liver transplantation, sarcopenia, perioperative nutritional therapy, whey peptide, zinc

川原正博

し，神経情報の modulator として働くことによっ必須金属である亜鉛（Zn）は人体内に約 2g 含て，シナプス可塑性の発現および記憶形成に働いまれており，脳内，特に海馬，大脳皮質などにている可能性が考えられる 2）．従って，Zn の成長

100ppm 近い高濃度で含まれている．脳内の Zn

期における欠乏は，神経機能の発達異常や記憶学の多くは酵素や機能タンパク質と結合した状態で習の異常を引き起こす 3）．成熟ラットにおいても様々な役割を果たしているが，約 10%は free のLTP（Long term potentiation）を抑制し，記憶イオンとしてグルタミン酸作動性神経のシナプス

学習の異常を引き起こすことや 4），シナプス小胞

小胞内に含まれており，神経細胞の興奮時にグルへの Zn 取り込みを担っているトランスポーター

1）

タミン酸とともに放出される ．Fe など多くの必（ZnT-3）を knock out したマウスでは空間記憶に

須金属は，ほとんど free イオンの状態では存在し異常が生じることも報告されている 5）．

ないことを考えると，Zn は奇妙な金属である．

しかしながら一方で，Zn ホメオスタシスの異シナプスから放出された Zn は，シナプス間隙周常（過剰及び欠乏）が様々な神経疾患の発症に関辺の神経細胞に拡散し，NMDA 型グルタミン酸

与しているという報告が近年増加してきている．

26 ―― 亜鉛栄養治療

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2014

27

ここでは，老年性認知症（アルツハイマー病，脳る 6）．AβP は，38 〜 43 アミノ酸残基からなるペAPP は毒性が高い遊離の Fe2+ を Fe3+ に変換してれるが，ラット，マウスなどのげっ歯類ではほと血管性認知症），プリオン病との関わりについて，

プ チド で あ り， 前 駆 体 タン パ ク 質 で あ る APP

transferrin などに受け渡すことによって，酸化ス

んど観察されない．図 1 に示すように，霊長類の筆者らの研究を含めて概説したい．

（amyloid precursor protein）から，βセクレターゼ

トレスを軽減し神経細胞を保護する役割を担ってAßP とげっ歯類の AßP では 3 つのアミノ酸残基（BACE1；ß-site APP cleaving enzyme1）によっいるのではないかと考えられる．また，この活性（Arg5，Tyr10，His13）のみが異なっており，これて N 末部分が切り出され，続いてγセクレターゼ

は Zn によって抑制されることから，Zn が APP

ら 3 つのアミノ酸がいずれも金属結合能を持つこによって細胞膜内に存在する C 末部分の切断が起による酸化ストレス制御に影響することも明らかとを考えると，金属が AßP の蓄積に重要な役割

こり，脳内に分泌される（図 1）
．

となった．

を果たしていることが考えられる．

2. 亜鉛とアルツハイマー病
日 本 は 現 在，65 歳 以 上 の 高 齢 者 が 総 人 口 の25％を占める超高齢社会に突入している．その結果として老年性認知症患者数は 2012 年においてAPP の mRNA には，鉄 貯 蔵タンパク質 である

分泌された AßP は，通常は，ネプリライシン

さらに，Zn は AßP による神経細胞死 pathway

すでに 460 万人を越えており，予備群を含めると

ferritin 同様に，IRE（iron responsive element）がやインスリン分解酵素（IDE）などのタンパク質にも影響する．AßP を神経細胞に投与すると，800 万人以上と推計されている．老年性認知症は，含まれている 7）．従って，Fe 欠乏状態では RNA 結合分解酵素（両者ともに金属結合能を持つメタロプ

過酸化，小胞体ストレス昂進など様々な有害な変アルツハイマー病（AD；Alzheimer’s Disease），脳タンパク質である IRP（iron responsive protein）がロテアーゼである）によって分解され排泄される化 を 起 こ す こ と が 報 告 さ れ て い る が， 何 が血管性認知症（VD；vascular type of dementia），

IRE に結合することによって ferritin や APP の発が，何らかの原因によって長年月に渡って蓄積しprimary な現象なのかは未だに議論がある．この

レビー小体型認知症（DLB；dementia with Lewy

現を抑制し，過剰の Fe が存在すると IRP は分解

た AßP がシナプスの異常，神経細胞死を引き起点に関して Arispe らは，AßP が膜上で多量体か

bodies）などに大別される．老年性認知症の中で最され IRE から外れることによってこれらのタンパ

こし，AD の発症に重要な役割を果たすと考えららなるチャネル（pore）構造を形成し，このアミロも多い割合を占める AD は，老人斑および神経原

ク質の発現が促進されることになる．APP の生れている．AßP が培養神経細胞等に対して毒性

イド・チャネルを介した細胞内 Ca ホメオスタシス

線維変化というタンパク質の異常蓄積，シナプス理的役割については不明の点が多いが，Zn 結合を示すことが 1991 年に報告され，さらに AßP はの異常を引き起こすことを見いだしている 17,18）．

の異常，神経細胞の脱落を病理的特徴とする．

ドメインおよび Cu 結合ドメインを持つことが報αヘリックスあるいはランダムコイル構造をとる

いったん細胞内 Ca ホメ濃度が上昇したならば，単量体（monomer）の場合には神経毒性は低いが，フリーラジカルの生成やタウのリン酸化など様々

AD の発症原因としては，老人斑の主要構成成分

8）

告されている ．また，最近 Duce らは APP がであるβアミロイドタンパク（AβP）の蓄積に

ferritin や銅結合タンパク質である ceruloplasmin

自己重合してβシート構造を持つ多量体

な pathway の活性化を引き起こし，神経細胞死

よる神経細胞死が発症に大きな役割を果たすとい同様に，Fe2+ を Fe3+ に変換する ferroxidase 活性（oligomer）となることによって毒性が増強されを生じることが考えられる．このような pore 形

うアミロイド・カスケード仮説が有力視されていを持っていることを報告している 9）．すなわち，るという興味深い性質を持つことが明らかになっ成による細胞死メカニズムは，補体などの生体防10）．AßP が若年時でも脳内に分泌されている御機構や毒素（ブドウ球菌α毒素，ハチ毒メリチ

ことを考えると，AßP の多量体化およびコンフォ

ン，カエル皮膚毒など）でも知られており，いわメーション変化に影響する因子が AD の発症に重ば AßP は脳内で‘防御メカニズム’‘毒’としてた

要な役割を果たすと考えられる．これまでに，抗働いているのかもしれない．実際に，AßP が抗ライ病薬である rifampicin，香辛料の curcumin

菌活性を持つことも報告されている 19）．

などが抑制因子として報告されている．一方，

パッチクランプ法を用いて AßP によって形成

37℃での incubation，過酸化，ラセミ化などが多されたチャネルの性質を調べた結果，我々は細胞量体化を促進することが報告されているが，この膜上でもアミロイド・チャネルが形成されるが，ようなコンフォメーション変化に影響する因子とZn に よ っ て 抑 制 さ れ，Zn キ レ ー タ ー で あ る

して重要なのがアルミニウム（Al），Zn，銅（Cu）

o -phenanthroline によって回復することを見いだをはじめとする微量金属である．我々は，SDS-

した 20）．AßP によって形成されたチャネルは 5 〜

PAGE や HPLC を用いて Al が AßP の多量体化

8 量体からなる pore 状構造であり，His 残基がチャ．また，

ネル内側に露出しているためと考えられる．また，Bush らは Zn や Cu が AßP の多量体化を促進す

我々は AßP が細胞内 Ca2+ 流入を引き起こすことることを報告している 13,14）．AßP は，3 個の Hisも明らかにしており 21），Zn が AßP による細胞内残基，1 個の Tyr 残基，1 個の Arg 残基を持ち，Ca 流入を阻害することも報告されている 22）．従っ

これらが金属と結合すると考えられており，老人て，神経活動依存的に放出される Zn は，アミロ

斑に Al, Cu, Zn, Fe などの金属が沈着しているこ

イド・チャネルの活動を抑制することによってを顕著に促進することを見出している

図１

APP の発現と AßP の分泌における金属の関与

11,12）

15,16）．また，ヒトやサルなど

AßP による神経細胞死に対して保護的に働くこの霊長類では老化に伴って老人斑の蓄積が観察さとが考えられ，Arispe らはこの結果を基に，アミとも報告されている

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29

ニットが脱落し，Ca 透過性が高まることによっ

Zn による神経細胞死メカニズムを研究する上でて 生 じ た 細 胞 内 Ca ホ メ オ ス タ シ ス の 異 常 がの良い tool となり得る．薬理学的実験の結果から，caspase 活性化，calpain 活性化などのアポトーシ

Zn による GT1-7 細胞の神経細胞死には，神経伝ス経路の引き金を引くことが原因であると考えら

達物質（グルタミン酸，GABA）のアンタゴニス

れている 26）．正常時には，シナプス間隙に放出さトやアゴニスト，Na+ チャネルブロッカー（テトれる Zn は NMDA 型グルタミン酸受容体に作用

ロドトキシン）は影響しないことが明らかとなっして，その興奮を抑制する．ところが，虚血時にた．しかしながら，ピルビン酸，クエン酸，他のおいては神経細胞が異常興奮した際に，グルタミ，Ca2 ＋チャネルブ
金属イオン（Al3+，Gd3+，Ca2+）ン酸と共に過剰な Zn が放出される．実際にどのロッカー（nimodipine）等が阻害することが明ら程度の濃度の Zn がシナプス間隙に放出されるかか に な り， こ れ ら の 物 質 が ど の よ う な 細 胞 死については実験動物の年齢や種類，刺激の強さな

pathway に関わっているかについて，薬理実験，

27,28）．

遺伝子発現，Ca イメージング等の方法を用いてしかしながら，シナプス間隙の小ささ（20nm ×

検討した．Ca イメージングの結果，Zn は投与数240nm）とシナプス密度を考えると，シナプス間

分後に細胞内 Ca2+ 濃度の上昇を引き起こす事が29）．

明らかになり，Al は Zn による細胞内 Ca 濃度上

従って，シナプス間隙において Zn 濃度が 50μM

昇を抑制することから 36），Ca ホメオスタシス異上昇したとしても，脳全体では Zn 濃度が約 0.5μM

常が Zn 神経細胞死 pathway において重要な役割という微少量しか上昇しないことになる（実際，を果たしていることが判明した．また，Zn がミ

脳梗塞モデル動物において microdialysis 法によトコンドリアにおけるエネルギー産生系を抑制しり 30ppb（約 460nM）の Zn 濃度が報告されていATP 産生を阻害することによって細胞死を引きどで大きく異なり未だに確定してはいない

隙は脳内細胞外空間の約 1%程度と推定される

る図２

AßP の神経毒性における金属の関与

30））．また，Vogt らは電気刺激後 10 〜 100μM

起こし，ピルビン酸が Zn による NAD+ 現象を阻31）

害することによって神経細胞死を防ぐことも明ら程度の Zn が放出されることを報告している．

Ca 通過型 AMPA/K 型グルタミン酸受容体を介かになった 35,37）．

して Zn が細胞内に侵入し 32），虚血後アポトーシ

さらに，筆者等は，神経細胞を Zn から保護す

33）

る物質が VD の予防・治療薬となり得るのではな

ロイド・チャネルを阻害することによってその毒て多量体化した AßP は毒性を示さないことなどスを起こしている海馬神経細胞内に蓄積すること

性を抑制する His アナログを開発している 23）．

を報告している 25）．従って，Zn と AD の関係，や，Zn 自体がアポトーシスを引き起こし，グルいかと考えてスクリーニング系を開発し，様々な

このような結果を考え合わせると，図 2 に示す

特に AßP の多量体化が本当に発症に繋がるかど

タミン酸による神経細胞死を促進すること，膜非魚介類抽出液等の活性探索を行った結果，カルノ

ように Zn は AD の発症において，ある場合にはうかに関しては今後更に検討する必要がある．

透過型の Zn キレーターである CaEDTA によっシン（ß-alanyl histidine）およびヒスチジンが活て脳梗塞後の神経細胞死が抑制されること発症を促進し，ある場合には発症を抑制するという両 面 の 作 用を 持 つことが 考 えられ る．Zn が
AßP の多量体化を促進することによって AD 発症

3.

亜鉛と脳血管性認知症

34）

な性を持つことを見い出した 38,39）．さらに，Zn 神経

どから，Zn が VD の発症に大きく関与すること

細胞死過程における遺伝子発現変動を解析した結が考えられ，Zn による神経細胞死を抑制するこ果，GADD34 などの小胞体ストレス関連遺伝子とによって VD を予防できる可能性がある．

の発現が増加しており，カルノシンやヒスチジンの 引き金 を引くのではないかという考えから，

脳血管性認知症（VD）は老年性認知症全体のclioquinol（ キ ノ ホ ル ム ） あ る い は そ の 誘 導 体

約 3 分の 1 を占め，脳梗塞発作などで脳が虚血状

筆者等は，GT1-7 細胞（不死化視床下部神経細は亜鉛トランスポーターやメタロチオネイン等の24）．

態に陥り，酸素や栄養分が欠乏したことによって胞）が Zn に対する感受性が高く，他の細胞系と発現には影響しないが，小胞体ストレス関連遺伝

しかしながら，AßP の分子種を詳細に解析した生じる神経細胞死が原因とされ，脳梗塞発作後 3

比較して低濃度で顕著なアポトーシス様の神経細子の発現を抑制することも見い出している 40）．こ

結果，すべての多量体が毒性を持つわけでは無い

年以内に約 3 分の 1 の患者が発症すると報告され胞死を引き起こすことを偶然見いだし，この in

れらの結果を基に，脳血管性認知症と Zn 神経細ことも明らかになってきている．最近，Sharmaている．脳虚血後の神経細胞死においては，神経vitro 培養神経細胞系を用いて Zn による神経細胞

胞死について図 3 にまとめる．

PBT2 を用いた AD の臨床治験が行われている

35,36）．GT1-7 細胞はらは dimer 〜 trimmer からなる水溶性オリゴマー

細胞の異常興奮は持続した結果，興奮性神経伝達死メカニズムを研究してきた（soluble oligomer）は毒性を持つが，fibril 状の高物質であるグルタミン酸が過剰に放出され，標的

マウス視床下部神経細胞から得られた細胞株であ

分子量多量体は毒性を持たないことや，Cu によっ

神経細胞の興奮と細胞内 Ca 流入を引き起こし一り，神経細胞としての性質を保持している一方で，て多量体化した AßP は毒性を持つが Zn によっ方で AMPA/K 型グルタミン酸受容体のサブユ

グルタミン酸によっては細胞死を生じないため，

4.

プリオン病と亜鉛

プリオン病は，ヒトではクロイツフェルト・ヤ

30 ―― 亜鉛栄養治療

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2014

31

図４

プリオン蛋白の金属結合部位

PrP は 6 個の Cu 結合部位を持ち，Zn，Ni，Mn なども同様に結合する

図３

Zn による神経細胞死と脳血管性認知症

コブ病（CJD），クールー病，牛では牛海綿状脳る こ と を 見 い 出 し て お り 43），PrPC は，Cu をして働き Fe の細胞内輸送に関与することも報告

endocytosis することや，Cu 依存的に NMDA 型

している 48）.

グルタミン酸受容体の興奮性を制御すること，

PrPSc の神経毒性モデルとして，PrP の断片ペプ

SOD 様の抗酸化活性を持つことなどが報告され，チドである PrP106-126 がよく用いられている 49）．

PrPC が脳内における Cu ホメオスタシスを維持す

PrP106-126 はβシート構造を取りやすく，神経細るために働いていると考えられている 44）．また，胞死を引き起こし，Zn，Cu 等の金属結合能を持つ．

CJD 患者では膜内 Cu 含量が低下し Mn が増加し

我々は PrP106-126 が AβP 同様に培養神経細胞のていることや，Mn 結合した PrP は土壌中でも安Ca 流入を引き起こすことを見い出しており 21），

定に存在し，感染性が増大することなどから，Cu

PrPSC による神経毒性メカニズムにも Ca ホメオ

ホメオスタシス異常の結果生じる Mn の異常と発スタシス異常が関与しているのではないかと考え症との関連も注目されてきているは一次構造，修飾などの化学的性質にはまったく
Sc

C

45）

．

ている．また，Cu および Zn が，PrP106-126 のβZn は体内で Cu に比して高濃度で存在すること

シート構造形成を抑制することによって海馬初代を考えると，Zn が PrPC による Cu の制御に影響

培養神経細胞に対する毒性を軽減することも見い症（いわゆる狂牛病）（BSE），
羊ではスクレイピー差異が無く，異常型 PrP では正常型 PrP に比している可能性が考えられる．最近，PrP の遺出しており 50），Zn はプリオン病の発症においてなどとして知られている伝染性の神経疾患であべてβシート含量が増加している点が唯一異なっ

伝子と亜鉛トランスポーター（Zrt-, Irt-like（ZIP）

も複雑に関与していることが考えられる．

CCる．プリオン病では神経細胞の変性・脱落が観察ている．正常型 PrP の機能が喪失する（loss ofzinc transporter）の遺伝子の間に進化的な相同され，その発症にはプリオンタンパク質（PrP）

function），あるいは異常型 PrPSc が神経毒性を発性が見られるという興味深い結果が報告されていのコンフォメーション変化が大きく影響すると考現する（gain of toxic function），いずれかの経路

る 46）．ZIP は SLC39a ファミリーに属して現在 14

えられている 41）．PrP は分子量 30-35kD（253 ア

によって神経細胞死を引き起こすと考えられてい種類報告されており，主に細胞外あるいは細胞内脳内に含まれている多量の Zn は，記憶・学習

ミノ酸残基）の GPI アンカー型膜糖タンパク質でる．

小器官から Zn を細胞質に輸送する働きを持つ．

などの脳の機能に必須である一方で，これまで述C

5. 終わりにあり，脳内に多量に発現しているがその役割につ

図 4 に示すように，PrP には N 末近傍に octa-

PrP は後シナプスに局在しており，ZIP5 と共存

べてきたように神経疾患の発症をある場合には促いては未だに不明の点が多い．経口摂取などによrepeat ドメイン（-PHGGGWGQ-）が存在しており，していることことも報告されており，PrPC がシ

進し，ある場合には抑制するという複雑な作用をり脳内に侵入してきた異常型プリオンタンパク質

1 分子あたり octa-repeat ドメインに 4 原子，それナプス部位における Zn 濃度のセンサーとして働持っている．このような両面性を考えると，脳内以外の His 残基に 2 原子の Cu を結合し，これら

いて，Ca- AMPA/K 型グルタミン酸受容体 と共の Zn はいわばローマ神話におけるヤヌス神（両42）

同して Zn の細胞内取り込みを制御しているので面神）のような役割を持っており，Zn ホメオス

Sc

（PrP ）が脳内に存在している正常型プリオンタC

ンパク質（PrP ）を異常型に変化させ，その結果は Zn，Mn，Ni などの金属も同様に結合する．

47）

神経細胞死を起こすことが発症につながると考え

Brown ら は，1997 年 に PrP knock-out マ ウ ス ではないかと考えられている．一方，Singh らはタシスが崩れた場合に神経疾患が発症するのではられている．しかしながら，PrPC と PrPSc の間には脳内 Cu 含量や Cu 結合酵素活性が低下していPrPC が Fe3+ を Fe2+ に変換する ferrireductase とないかと考えられる 51）．脳内に多量の Zn がフリー

32 ―― 亜鉛栄養治療

5巻1号

2014

33

◆文

献 ― ――――――――

１）Frederickson CJ, et al：Importance of zinc11）Kawahara M, et al：Aluminum promotes

in the central nervous system. the zinc-

the aggregation of Alzheimer's amyroid

containing neuron. J Nutr 130：1471S. 2000

ß-protein in vitro. Biochem Biophys Res

２）Ueno S, et al：Mossy fiber Zn

2+spillovermodulates heterosynaptic N-methyl-D-12）Kawahara M, et al：Effects of aluminum on

aspartate receptor activity in hippocampal

the neurotoxicity of primary cultured neurons

CA3 circuits. The Journal of Cell Biology

and on the aggregation of ß-amyloid protein.

158：215. 2000

Brain Res Bull 55：211. 2001

３）Takeda A, et al：Synaptic Zn(2+)13） B u s h A I , e t a l ： R a p i d i n d u c t i o n o fhomeostasis and its significance. Metallomics

Alzheimer Aß amyloid formation by zinc.

5：417. 2013

Science 265：1464. 1994

４）Sandstead HH：Subclinical zinc deficiency

14）Atwood CS, et al：Dramatic aggregation of

impairs human brain function. J Trace Elem

Alzheimer Aß by Cu(II) is induced by

Med Biol. 26：70. 2002

conditions representing physiological acidosis.

５）Sindreu C, et al：Zinc transporter ZnT-3
図５

カルノシンの構造と作用

Commun 198：531. 1994

J Biol Chem 273：12817. 1998

regulates presynaptic Erk1/2 signaling and15）Miller LM, et al：Synchrotron-based

hippocampus-dependent memory. Proc Natlinfrared and X-ray imaging shows focalized

Acad Sci U S A. 108：3366. 2011

accumulation of Cu and Zn co-localized withに近い形で存在していることを考えると，生命が物質の入り口であることを考えると，カルノシン

６）Wirths O, et al：A modified beta-amyloid

神経細胞の Zn に対する脆弱性を放置したまま進が内在性の神経保護物質（neuroprotector）としhypothesis, intraneuronal accumulation of the化してきたのはいかにも奇妙なことである．実際，てゲートキーパー的な役割を果たしているのでは

beta-amyloid peptide--the first step of a fatal

Zn を細胞外に排出するトランスポーターである

ないだろうか．カルノシンは我々の in vitro 実験

cascade. J Neurochem 91：513. 2004

beta-amyloid deposits in Alzheimer's disease. J
Struct Biol 155：30. 2006
16） Y u m o t o S , e t a l ： D e m o n s t r a t i o n o f
aluminum in amyloid fibers in the cores of

ZnT-1 がシナプス後部に局在していることも報告のみならず，虚血モデル動物においても虚血後の７）Rogers JT, et al：Iron and the translation ofsenile plaques in the brains of patients with

されている 52）．また PrP もシナプス間隙におけ

神経細胞死を抑制することが報告されている 55）．

the amyloid precursor protein (APP) and

Alzheimer's disease. J Inorg Biochem 103：

る Zn のコントロールを行っている可能性が考えまた，AD モデルマウスにおける AßP の蓄積おferritin mRNAs, riboregulation against neural1579. 2009

56）

やカルノシ

られる．さらに，神経細胞はグリア細胞に取り囲

よび認知機能低下を抑制したことまれており，Zn 結合能を持つメタロチオネイン 3ンの補充療法が高齢者の認知機能改善に有効で
57）

oxidative damage in Alzheimer's disease.
Biochem Soc Trans 36：1282. 200817）Arispe N, et al：Alzheimer disease amyloid
ß-protein forms calcium channels in bilayerやカルノシンがグリア細胞にて合成され分泌されあったことも報告されている．そこで，我々は

８）Spoerri L, et al：The amyloid precursor

membranes, Blockade by tromethamine andることを考えると 53），このような Zn ホメオスタ

カルノシンが創薬シーズとして有用なのではない

protein copper binding domain histidine

aluminum. Proc Natl Acad Sci USA 90：567.

シスを維持する機構の異常が神経疾患の発症に関かと考え，脳血管性認知症の予防・治療薬として

residues 149 and 151 mediate APP stability

1993

与する可能性が考えられる．その意味で，我々はの 特 許 を 取 得 し て い る（ 特 許 第 5382633 号，

and metabolism. J Biol Chem 287：26840. 201218） Arispe N, et al：Zn 2+ interaction with

カルノシンに注目している．カルノシンは哺乳類，

2013）
．

９）Duce JA, et al：Iron-export ferroxidase

Alzheimer amyloid beta protein calcium

魚類，鳥類等の筋肉内に多量に存在する水溶性ジ

神経系における Zn をはじめとする微量金属のactivity of ß-amyloid precursor protein ischannels. Proc Natl Acad Sci USA 93：1710.

ペプチドであり，脳内では主に嗅球神経細胞内に役割についてはまだまだ不明の点が多い．今後，

inhibited by zinc in Alzheimer's disease Cell

1996

存在している．カルノシンの生体内役割について

微量金属と神経疾患の発症に関して，金属−金属

142：857. 2010

は未だに不明の点が多いが，抗酸化活性，抗糖化

間相互作用，タンパク質−金属間相互作用などの10）Kawahara M：Role of calcium dyshomeostasisof amyloid peptides. Mol Pharm 9：708. 2011

活性，抗クロスリンク作用，抗疲労効果，睡眠促観点から更に研究を進めていきたいと考えてい

via amyloid channels in the pathogenesis of20）Kawahara M, et al：Alzheimer's disease

進作用，鎮痛作用などを持つことが報告されている．

Alzheimer’s disease. Current Pharmaceuticalamyloid ß-protein forms Zn2+-sensitive, cation-

Design 16：2779. 2010selective channels across excised membrane

54）る（図 5） ．嗅球が外界からの情報のみならず

19）Kagan BL, et al：Antimicrobial properties

34 ―― 亜鉛栄養治療

5巻1号

2014

35

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synapses. Neuron 26：187. 2000

protein. Proc Natl Acad Sci USA 98：8531.
200152）Sindreu C, et al：Zinc transporter-1
concentrates at the postsynaptic density of43）Brown DR, et al：The cellular prion protein

hippocampal synapses. Mol Brain 7：7. 2014

human islet amylin and prion protein fragment32）Weiss JH, et al：Zn(2+). a novel ionicbinds copper in vivo. Nature 390：684. 1997

53）Sogawa CA, et al：Localization, regulation,

evoke intracellular free-calcium elevations by

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44）Brown DR：Brain proteins that mind

and function of metallothionein-III/growth

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Trends Pharmacol Sci 21：395. 2000

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Dalton Trans 21：4069. 2009

Okayama 55：1. 2001

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14077. 200033）Koh JY, et al：The role of zinc in selective
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22）Rhee S, et al：Amyloid beta protein-(1-42)
forms calcium-permeable, Zn 2+ -sensitive
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23）Arispe N, et al：Polyhistidine peptide
inhibitor of the Aß calcium channel potently

ischemia. Science 272：1013. 199645）Brown DR：Prions and manganese, A
maddening beast. Metallomics：3229. 201154）川原正博：亜鉛と認知症，脳の中のヤヌス．
ファルマシア 48：216. 201234）Calderone A, et al：Late calcium EDTA

46）Schmitt-Ulms G, et al：Evolutionary descent55）Zhang X, et al：Carnosine pretreatment

rescues hippocampal CA1 neurons from globalof prion genes from the ZIP family of metal

protects against hypoxia-ischemia brainischemia-induced death. J Neurosci 24：9903.

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damage in the neonatal rat model. Eur J

200447）Watt NT, et al：Neuronal zinc regulation

Pharmacol 667：202. 2011

blocks the Aß-induced calcium response in35）Kawahara M, et al：Pyruvate blocks zinc-cells. Theoretical modeling suggests a

induced neurotoxicity in immortalized48）Singh A, et al：Prion protein regulates ironsupplementation of carnosine on mitochondrial

cooperative binding process. Biochemistry

hypothalamic neurons. Cellular and Moleculartransport by functioning as a ferrireductase. J

dysfunction, amyloid pathology, and cognitive

49：7847. 2010

Neurobiology 22：87. 2002

Alzheimers Dis 35：541. 2013

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the pathogenesis of vascular-type dementia.

phase II analyses. J Alzheimers Dis 20：509.

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carnosine, J Clin Toxicol：S3. 20122+

on37）Cai AL, et al：Zinc neurotoxicity is

the Aβ42 peptide aggregation and cellulardependent on intracellular NAD levels and the

toxicity. Metallomics 5：1529. 2013

sirtuin pathway. The European Journal of25）Sharma AK：The effect of Cu

and Zn2+26）Choi DW：Cellular defences destroyed.
Nature 433：696. 2005

Neuroscience 24：2169. 2006
38）Kawahara M, et al：Protective substances27）Frederickson CJ, et al：Cytoarchitectonic

against zinc-induced neuronal death after

distribution of zinc in the hippocampus of man

ischemia. carnosine a target for drug ofand the rat. Brain Research 27：335. 1983

vascular type of dementia, Recent Patents on28）Frederickson CJ：Synaptic release of zinc49）Bonetto V, et al：Synthetic miniprion
PrP106. J Biol Chem 277：31327. 2002

56） C o r o n a C , e t a l ： E f f e c t s o f d i e t a r ye17971. 201157）Szcześniak D I, et al：Anserine and50）Kawahara M, et al：Zinc, copper, andcarnosine supplementation in the elderly,carnosine attenuate neurotoxicity of prion

Effects on cognitive functioning and physicalfragment PrP106-126, Metallomics 3：726.

capacity. Arch Gerontol Geriatr. 2pii：S0167.

2011

2014

51）Kawahara M, et al：Disruption of zinc
homeostasis and the pathogenesis of senile
dementia. Metallomics 6：209. 2013

CNS Drug Discovery 2：145. 2007

from brain slices. factors governing release,39） K a w a h a r a M , e t a l ： D - h i s t i d i n e a n dimaging, and accurate calculation of

L-histidine attenuate zinc-induced neuronalconcentration. Journal of Neuroscience

death in GT1-7 cells. Metallomics 5：453. 2013

Methods 154：19. 2006

and the prion protein. Prion 7：203. 201340 ） M i z u n o D , a n d K a w a h a r a M ： T h e◆川原正博略歴

29）Kay AR：Imaging synaptic zinc, promises

molecular mechanism of zinc neurotoxicity

1985年

東京大学薬学部卒

and perils. Trends in Neurosciences 29：200.

and the pathogenesis of vascular type

1990年

同大学大学院博士課程修了

2006

dementia. Intern J Mol Sci 14：22067. 2013東京都医学研究機構
1990〜2003年 （財）

2+30）Kitamura Yet, al：Release of vesicular Zn

in a rat transient middle cerebral artery
occlusion model. Brain Research Bulletin 69：
622. 200641）Prusiner SB：Prion diseases and the BSE
crisis. Science 278：245. 199742）Jackson GS, et al：Location and propertiesof metal-binding sites on the human prion

1995年

薬学博士

東京都神経科学総合研究所

National Institute of Health客員研究員

2003～2012年 九州保健福祉大学

薬学部

2010～2012年 九州保健福祉大学

薬学科長

2012年

研究員

武蔵野大学

分析学講座教授
薬学部長

薬学部生命分析化学研究室教授

現在に至る

36 ―― 亜鉛栄養治療

5巻1号

2014

37

Role of zinc in the pathogenesis of neurodegenerative diseases

研究

Masahiro Kawahara1）, Yutaka Sadakane2）, Dai Mizuno1）
Department of Bio-Analytical Chemistry,

Faculty of Pharmacy, Musashino University, Tokyo 202-

海馬における亜鉛シグナリング

8585, Japan.1）
Faculty of Pharmaceutical Sciences, Suzuka University of Medical Science, Mie 513-8670, Japan2）
静岡県立大学薬学部統合生理学分野◆ Abstract ――――――――

要

Zinc
（Zn）
is an essential trace elements that isa contributor to Alzheimer’s disease in theabundantly present in the brain. Although Zn

oligomerization, and as a protector in theplays crucial roles in learning and memory,

neurotoxicity of Alzheimer’s β-amyloid protein.

numerous studies have indicated that the

Furthermore, Zn plays a central role indisruption of Zn homeostasis, namely bothischemia-induced neuronal death and thedepletion and excess Zn, cause severe damage

pathogenesis of vascular dementia. Involvements

to neurons and linked with variousof Ca2+ dyshomeostasis and endoplasmic reticulum

neurodegenerative diseases including（ER）stress in the mechanism of Zn-induced

Alzheimer’s disease and vascular dementia.

neurotoxicity are suggested. We also discuss theHere, we review the current understanding

possible role of carnosine（β-alanyl histidine）, a

about the role of Zn in the pathogenesis of these

dipeptide that is present in the brain, as anneurodegenerative diseases. Based on our

protective substance for neuronal injury.

findings and other numerous studies, Zn acts as

Key words：calcium homeostasis, Alzheimer’s disease, β-amyloid protein, ischemia, vascular dementia

武田厚司

約

亜鉛は脳機能に不可欠であり，グルタミン酸作動性神経終末から放出され，細胞外に加えて細胞内でシグナルファクターとして働く．海馬における Zn2+ シグナルはシナプス神経伝達をダイナミックに調節し，記憶の細胞レベルでのメカニズムと考えられている長期増強や認知活動に関与する．一方で，視床下部ー下垂体ー副腎皮質系の活性化に伴いグルココルチコイド分泌は増加し，グルタミン酸放出を促進し，認知活動に関与する．したがって，グルココルチコ
イド分泌はグルタミン酸作動性神経終末からの亜鉛放出を促進する．ストレスにより認知活動は障害されるが，この障害に過剰なグルココルチコイド分泌を介した細胞内 Zn2+ シグナル過多が関与する．海馬シナプス Zn2+ シグナリングは認知活動と密接に関係する．
KEY WORDS

亜鉛シグナル，海馬，認知，グルココルチコイド，グルタミン酸

1. はじめに

2. 亜鉛の脳内移行 1)

亜鉛は神経細胞のシナプス小胞内に存在し，神亜鉛は消化管（主に小腸上部）から吸収され，経活動に伴いシナプス間隙に放出され，ダイナ

血液を介して脳に移行する．脳内亜鉛濃度は出生ミックに脳機能を調節する（図 1）．シナプス小胞後発育に伴い上昇する．亜鉛は血液脳脊髄液関門に亜鉛を高濃度に含む神経はグルタミン酸作動性や血液脳関門が形成された後にも脳内に移行す神経のサブタイプであり，亜鉛作動性神経とも呼る．しかし，亜鉛の脳内移行は厳密に制御されてばれている．大脳皮質では多数の皮質領域を結ぶ

おり，若齢から高齢期にかけて健常人の脳内亜鉛

ネットワークが思考や記憶などの高次機能を営

濃度はほぼ一定である（ラット海馬では約 300 μM）．

む．その内側面にある海馬は記憶と関係し，スト脳内に移行した亜鉛の生物学的半減期（ラット脳

レス応答に重要な役割を担う．亜鉛作動性神経はでは 16 〜 42 日）は比較的長いが，脳機能を維持

大脳皮質，海馬に豊富に存在し，認知活動や精神するために亜鉛の脳内移行は不可欠である．脳内活動に重要な役割を担うと考えられるが，その役では，亜鉛濃度は海馬で高く，亜鉛作動性シナプ

割は十分には明らかにされていない．

スが密に存在することと関係すると考えられる．

高齢化，高度情報化社会のなかで脳の健康に対する関心が高まるなか，本稿では，亜鉛作動性神経機能に関する最近の知見を紹介し，海馬における Zn2+ シグナリングと認知活動との関係について概説する．

3. 亜鉛摂取不足と脳機能障害 2-5)
マウスやラットに亜鉛欠乏食を与えると速やかに血漿亜鉛濃度が低下し，食欲が減退する．その結果，血漿グルココルチコイド濃度が上昇する．