78（36）―― 亜鉛栄養治療

総 説

9巻2号

2019

ミクログリアの活性化と脳内亜鉛
高知大学医学部薬理学講座

要79（37）

東 洋一郎 清水孝洋 清水翔吾 齊藤源顕約

脳内亜鉛（Zn2+）は生体において重要な微量元素である．哺乳類の脳内 Zn2+ の一部は海馬のグルタミン酸神経細胞のシナプス小胞内に貯蔵され学習記憶など重要な中枢神経貴機能に関与している．その一方で，脳虚血・再灌流直後には大量の貯蔵 Zn2+ が細胞外へ放出され神経細胞死に大きく関与していると報告されている．ミクログリアは中枢神経系における免疫担当細胞であり，生理的な脳内では自身の細長い突起を介して周囲の環境を監視している．しかし，パーキンソン病やアルツハイマー病などの中枢神経疾患では慢性的なミクログリアの活性化が惹起され神経細胞死に関与していることが示されている．最近，脳虚血・再灌流モデル動物を

図１

脳内 Zn2+ によるミクログリアの形態変化と亜鉛シグナル用いた検討から，活性化ミクログリアには神経傷害性に機能する M1 型と神経保護性の M2 型の 2 つの異なる極性が存在することが明らかになり，M1 型極性誘導の促進とそれに伴う炎症応答の増大化が脳疾患の重篤化に関与していると指摘されている．本稿では，ミクログリアの活性化機構ならびに M1 型極性誘導の促進機序に対する脳内 Zn2+ の役割について概説する．
KEY WORDS

ミクログリア，脳虚血・再灌流，ペリジニンかにした海洋微細藻由来化合物であるペリジニンされることを観察しており 2），これらの知見からのミクログリアに対する効果を紹介する．

脳虚血・再灌流直後に大量放出される Zn2+ はミクログリアの活性化に大きく関与していると考え

１．脳虚血・再灌流後のミクログリアの活性化と脳内 Zn2+
はじめに脳損傷によって惹起される活性化型ミクログリている．
脳内亜鉛（Zn2+）の一部は海馬のグルタミン酸アの表現型は段階的に誘導される．その反応は活られる（図１）．

２．脳虚血・再灌流後のミクログリ
アの活性化と亜鉛シグナル

ミクログリアは，中枢神経系において自然免疫神経細胞内に貯蔵されており，神経活動に伴って性化刺激によって様々であるが，静止型ミクロググルタミン酸や 7- ケトコレステロールなど内応答を担う重要な細胞として知られている．生理一定量の貯蔵 Zn2+ が細胞外へ放出される．このリアの特徴である細長い突起の退縮ならびにア在性ミクログリア活性化関連因子は数多く同定さ的な脳内において，このようなミクログリアは細ような生理的な脳環境における脳内 Zn2+ は学習メーバ様の形態への変化は普遍的かつ迅速な活性れている．これら関連因子が誘導する細胞内シグ1）

長い突起を伸ばした静止型の状態で脳全体に分布記憶などの脳機能に重要な役割を担っている．し化型ミクログリアの表現型である ．筆者らは静ナル伝達経路に関しては不明な部分が多く残されしており，突起をダイナミックに変化させながらかし，てんかん発作や脳虚血・再灌流直後の海馬止型のマウス初代培養ミクログリアに ZnCl2 を暴ているが，転写因子である nuclear factor-kappa

2+

周囲の環境を監視し，中枢神経系機能の維持に関では大量の貯蔵 Zn が細胞外に放出され，その露することで形態変化が惹起されることを見出B（NF-κB）の重要性が認識されており，さらに与している．一方，脳虚血・再灌流など病的な脳後の神経細胞死に大きく関与していることが多くし，さらにマウスの海馬への ZnCl2 投与も同様にNF-κB が作用するためにはコアクチベーターで内において静止型ミクログリアは突起を退縮させの研究から明らかになっている．しかし，ミクロミクログリアの形態変化が惹起されることを明らある poly（ADP-ribose）polymerase（PARP）-1 の2+アメーバ様の形態へと変化し，ミクログリアの活グリアの活性化に対する脳内 Zn の役割に関しか に し て い る． ま た， 亜 鉛 キ レ ー ト 薬 で あ る活性化が必要であることも知られている．ZnCl2性化が誘導される．活性化型ミクログリアは神経ては十分に理解されていない．

CaEDTA を脳虚血・再灌流直後のマウス脳室内刺激によってミクログリアでは形態変化と共に2+保護的に機能する半面，過剰な活性化は脳疾患の本稿では，脳内 Zn が関与するミクログリアへ投与したところ，再灌流後の海馬で観察される

NF-κB の 活 性 化 が 観 察 さ れ，NF-κB ま た は発症や病態の重篤化に関与していることが知られの活性化制御機構に着目しながら，筆者らが明らアメーバ様の活性化型ミクログリアの著増が阻止

PARP-1 の阻害剤、ならびに PARP-1 欠損マウス

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201981（39）由来ミクログリアでは ZnCl2 刺激による形態変化

活性酸素レベルの増加をはじめ PARP-1 の活性化が抑制される．つまり，ZnCl2 刺激によるミクロならびにアメーバ様の形態変化がヘミチャネル阻グリアの形態変化は NF-κB と PARP-1 の活性化害薬ならびに P2X7 受容体選択的拮抗薬によってが重要であることを示している．

阻 害 さ れ る こ と も 観 察 し て い る． す な わ ち，以前より，ミクログリアは感染やその他の刺激

ZnCl2 によるミクログリアの形態変化は，ミクロに対して NADPH oxidase を介して活性酸素を産グリアによる①細胞外 Zn2+ の取り込み，②ヘミ生し自然免疫応答に関与していることがよく知らチャネルを介した ATP 放出，③オートクラインれている．一方，最近の研究により産生された活的／パラクライン的な P2X7 受容体の活性化，④性酸素はミクログリアの活性化を促進させること

NADPH oxidase の活性化を介した細胞内活性酸も明らかになってきた 3），4）．NADPH oxidase が素レベルの増加，⑤ PARP-1 ならびに NF-κB の関与するミクログリアの活性化メカニズムの詳細活性化が関与している“亜鉛シグナル”によっては不明であるが，酸化ストレスによって PARP-1惹起されることが示唆される（図１）8）．の活性化が惹起されることは様々な細胞種の研究から示されている 5），6）．ZnCl2 刺激後のミクログリアにおいても細胞内活性酸素レベルが増加し，さらに NADPH oxidase 阻害剤が ZnCl2 刺激によ３．活性化ミクログリアの極性誘導と脳内 Zn2+

る 細 胞 内 活 性 酸 素 レ ベ ル の 増 加 だ け で な く，

最近，活性化ミクログリアは炎症性サイトカイ

PARP-1 の活性化と形態変化も抑制することが観ンを産生し神経傷害性に機能する M1 型と神経栄察されている．興味深いことに，PARP-1 阻害剤養因子などを産生し神経保護性に機能する M2 型

は ZnCl2 による細胞内活性酸素レベルの増加にはの異なる２つの極性が存在することが明らかに効果を示さなかった．これらの知見は，NADPHなってきた．また，脳虚血・再灌流モデル動物をoxidase の活性化が PARP-1 の上流で ZnCl2 刺激用いた検討より，再灌流後の脳内では M1 型ミク

図２

脳内 Zn2+ による M1 型極性誘導の増大化とペニシリンの効果止した．以上の知見をまとめると，脳虚血・再灌2+ナルを介したミクログリアのプライミングが増大によるミクログリアの形態変化に関していることログリアが著増することが報告され，M1 型極性流によって過剰に放出される Zn は亜鉛シグナ化の引き金であると考えている．すなわち，亜鉛を示唆している．

誘導の促進とそれに伴う炎症応答の増大化が認知ルを介してミクログリアをプライミングし，ミクシグナルは脳虚血・再灌流後の M1 型極性誘導の症など脳虚血・再灌流後の病態や脳機能障害に大ログリアの M1 型極性誘導ならびに炎症反応を増増大化を抑制するための重要な予防ならびに治療きく関与していると考えられている 9）．

悪化することで認知機能障害の発症に関与してい標的となりうる可能性がある．

最近，アデノシン三リン酸（ATP）がミクログリアやアストロサイトなどグリア細胞から放出され，グリア伝達物質としてグリア細胞の機能制御

筆者らは，予め ZnCl2 刺激した初代培養ミクロに重要な役割を担っていることが明らかになって

グ リ ア に lipopolysaccharide を 暴 露 す る こ と できた．具体的には，アルツハイマー病の原因物質

M1 型へ極性誘導したところ，lipopolysaccharideとして考えられているアミロイドβによるミクロで誘導される炎症性サイトカイン産生が増大するグリアの活性化誘導が挙げられる．アミロイドβことを見出し，さらにこの増大化にミクログリアると考えられる（図２） ．

海洋微細藻由来のペリジニンは，遅延型過敏症
モデルマウスにおける好酸球の遊走能と耳介腫脹

４．脳卒中後認知症の予防標的としての亜鉛シグナルを抑制するなど末梢の免疫系への作用が報告されているが 11），中枢神経系の免疫担当細胞であるミクログリアへの作用は明らかになっていない．

刺激を受けたミクログリアは ATP 放出とオートの Zn 取り込み，2X7 受容体の活性化，細胞内健常脳においてミクログリアの M1 型／ M2 型

そこで筆者らのグループは Zn2+ 刺激による M1クライン的ならびにパラクライン的な P2X7 受容活性酸素レベルの増加が関与していることを解明

極性誘導はそのバランスが厳密に制御され，脳内型ミクログリアの炎症性サイトカイン産生の増大体への結合が引き起こされ，これによって炎症性している．つまり，ミクログリアは ZnCl2 刺激にに侵入した異物や傷害細胞の排除ならびに脳修復化に対するペリジニンの効果を検討したところ，サイトカイン産生が惹起されることが報告されてよって惹起される亜鉛シグナルを介してプライミに大きく関与している．しかし，脳卒中やアルツ

ペリジニンは Zn2+ に対するキレート作用を有しいる 7）．これに対して筆者らは，ZnCl2 刺激されングされ，その後の M1 型極性誘導によって誘導

ハイマー病などの脳疾患ではそのバランスが崩れないが Zn2+ 暴露後の細胞内活性酸素レベルの増たミクログリアからも ATP が放出されることをされる炎症性サイトカイン産生が増大化されるとていることが報告されている．特に上述したよう加を抑止し，M1 型ミクログリアの炎症性サイト見出し，この放出はミクログリアの Zn 取り込推測できる．また，マウス脳室内への CaEDTAに，虚血・再灌流後脳における M1 型極性誘導のカイン産生の増大化を阻止することを見出した．

みによって惹起され，ヘミチャネルを介して放出投与は脳虚血・再灌流後の海馬で惹起されるミク増大化を介した炎症応答の増悪化が病態の重篤化

さらに予めペリジニンを脳室内前投与したマウスされることを明らかにしている．また，これらのログリアの M1 型極性誘導と炎症性サイトカインに関与していると考えられており，筆者らは脳虚は脳虚血・再灌流後の海馬における M1 型ミクロ知見に加えて ZnCl2 によるミクログリアの細胞内遺伝子の発現増加を抑制し，認知機能の低下を阻

血・再灌流直後の大量放出 Zn2+ による亜鉛シググリアの極性誘導ならびに炎症性サイトカイン産2+2+10）

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201983（41）

生の増大化が抑制され記憶障害も阻止されることいる．しかし，その活性化は十分に解明されておが観察された．つまり，ペリジニンは脳虚血・再らず，そのためミクログリアを標的とした治療薬

灌流後の M1 型極性誘導の促進と炎症応答の増大または予防薬の開発に至っていない．本稿で紹介

化を介した認知障害を阻止し，その作用機序はしたように筆者らは，脳虚血・再灌流後の認知障

Zn2+ に対するキレート作用ではなく，亜鉛シグ害の機序に海馬神経細胞からの大量放出 Zn2+ にナルの少なくとも細胞内活性酸素レベルの増加よよる亜鉛シグナルを介した M1 型ミクログリアの２）Kauppinen MT, Higashi Y, Suh SW et al：Zinc

り上流の過程を抑制し，ミクログリアのプライミ極性誘導の促進と炎症応答の増悪化が関与するこtriggers microglial activation. J Neurosci 28：5827-

ングを阻止することで作用を示すと考えられるとを見出し，さらに海洋微細藻由来化合物である

12）（図２） ．

ペリジニンの脳室内前投与が亜鉛シグナルを抑制し認知障害を阻止することを明らかにしている．

おわりに

◆文

献 ― ――――――――

１）Giulian D, Li J, Bartel S, Broker J et al：Cellof microglia by amyloid {beta} requires P2X7

surface morphology identifies microglia as a

receptor expression. J Immunol：4378-4385, 2009

distinct class of mononuclear phagocyte. J Neurosci８）Higashi Y, Segawa S, Matsuo T et al：Microglial

15：7712-7726, 19955835, 2008

９）Hu X, Li P, Guo Y et al：Microglia/macrophage３）Min KJ, Pyo HK, Yang MS et al：Gangliosides

polarization dynamics reveal novel mechanism ofactivate microglia via protein kinase C andinjury expansion after focal cerebral ischemia.

NADPH oxidase. Glia 48：197-206, 2004

Stroke 43：3063-3070, 201210）Higashi Y, Aratake T, Shimizu S et al：Influence

再発ごとに認知症などの後遺症が重篤化する．こproliferation is regulated by hydrogen peroxideof extracellular zinc on M1 microglial activation.

歩により死亡率は減少している反面，患者数は依して再発後の認知症の発症及び重篤化を阻止する然と多く，治療後も認知症など深刻な後遺症が長ことを目的とした予防薬シーズになる可能性が考期にわたって持続することが少なくない．最近のえられる．投与経路や治療可能時間域などの今後脳卒中研究から脳卒中後の病態ならびに後遺症のの詳細な検討が期待される．

重篤化に活性化ミクログリアの関与が指摘されてfrom NADPH oxidase. J Immunol 176：1046-1052,
2006◆東 洋一郎略歴
鳥取大学大学院医学研究科生命科学専攻修士課程修了
岡山大学大学院医学研究科生理学系専攻博士課程修了
徳島大学分子酵素学研究センター・機関研究員
米国カリフォルニア州立大学
サンフランシスコ校神経内科学部門・研究員
京都薬科大学衛生化学分野・研究員
熊本大学薬学部先端 DDS 学分野・特任助教
高知大学医学部脳神経外科講座・助教
高知大学医学部薬理学講座・助教（学内講師）

Sci Rep 7：43778, 201811）Onodera K, Konishi Y, Taguchi T et al：５）Kauppinen TM, Chan WY, Suh SW et al：DirectPeridinin from the marine symbiotic dinoflagellate,phosphorylation and regulation of poly(ADP-ribose)

Symbiodinium sp., regulates eosinophilia in mice.

polymerase-1 by extracellular signal-regulated
kinases 1/2. Proc Natl Acad Sci U S A 103：71367141, 2006

Mar Drugs 12：1773-1787, 201412）Ueba Y, Aratake T, Onodera KI, Higashi Y etal：Attenuation of zinc-enhanced inflammatory M1６）Schreiber V, Dantzer F, Ame JC et al：

phenotype of microglia by peridinin protects

Poly(ADP-ribose)：novel functions for an oldagainst short-term spatial-memory impairment

molecule. Nat Rev Mol Cell Biol 7：517-528, 2006

following cerebral ischemia in mice.

７）Sanz JM, Chiozzi P, Ferrari D et al：Activation2007 年2008 年2009 年2015 年

1933-1945, 2011４）Mander PK, Jekabsone A, Brown GC：Microgliaの点を考慮すると，ペリジニンは脳卒中患者に対2005 年

release and the activation of microglia. Glia 59：

脳卒中患者は脳虚血発作を繰り返す傾向が強く，脳卒中は主要な死亡要因である．昨今の医療進1999 年
2003 年

zinc uptake via zinc transporters induces ATP

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2019

Activation of microglia and brain zinc
Youichirou Higashi, Takahiro Shimizu, Shogo Shimizu, Motoaki Saito
Department of Pharmacology, Kochi Medical School, Kochi University

Zinc (Zn2+) is one of the most essential trace elements in the body. In mammalian brain, Zn2+ issequestered into synaptic vesicles of hippocampal glutamatergic neurons, which plays an importantrole in the brain functions including learning and memory. On the other hand, in response to brainischemia and reperfusion, the stored Zn2+ is massively released into extracellular space, resulting inneuronal cell death. Microglia, the major cellular component of the innate immune system of thecentral nervous system, are continuously surveying their local microenvironment by extending/withdrawing ramifications under normal physiological conditions. However, under neuropathologicalconditions such as Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease, chronic activation of microglia has
been shown to be involved in neuronal cell death. Recent study using an animal model of brainischemia and reperfusion revealed that activated microglia can exhibit either the detrimental M1
phenotype or the protective M2 phenotype, and that the M1 microglial population was found togradually grow in a time-dependent manner following brain ischemia and reperfusion, suggesting that
the M1 phenotype of microglia can be involved in exacerbating the residual consequences of brainischemia. This article discusses the role of brain Zn2+ in regulation of microglial activation in thehippocampus following brain ischemia and reperfusion.

Keyword：microglia, brain ischemia and reperfusion, peridinin

Address for correspondence	Department of Pharmacology, Kochi Medical School, Kochi University, Kohasu, Okoh-cho,Nankoku 783-8505, Japan.
E-mail addresshigasi@kochi-u.ac.jp