基礎老化研究 48（1）; 15－20, 2024

【総説】

心不全におけるコリン由来代謝物質の意義
吉田陽子 1，2１

順天堂大学大学院医学研究科 先進老化制御学講座
２
順天堂大学大学院医学研究科 循環器内科学要約
これまでの研究で、心不全患者における低体温がその予後と関連していることが報告されているが、その機序については明らかにされていない。今回我々は、心不全時の褐色脂肪機能不全に伴って増加した代謝物質が心臓の代謝リモデリングを惹起し、心不全をさらに増悪させることを見出だした。大動脈縮窄術による心不全モデルマウスでは、熱産生能などの褐色脂肪機能が低下した。心不全モデルにおいて褐色脂肪機能を増強すると心機能が改善し、反対に褐色脂肪機能不全モデルマウスでは圧負荷時の心機能低下や心臓の線維化が悪化した。メ
タボローム解析により、心不全時には Trimethylamine N-oxide（TMAO）が心臓や血液中で増加すること、TMAOの前駆代謝物質であるコリンが不全褐色脂肪において増加することがわかった。さらに詳細な検討により、TMAOが心筋細胞の代謝リモデリング、特にミトコン
ドリア障害を来たすことにより、心不全の病態の進行に寄与していることが示唆された。これらの結果より TMAO が心不全の新たな治療ターゲットとなる可能性が示唆された。

キーワード：褐色脂肪、心不全、代謝産物
１．研究の背景ヒトの心不全患者の血液中で増加し、心不全の重症度分

我が国では 65 歳以上の老年人口が 28% を超え、既に類である NYHA（New York Heart Association）分類超高齢社会に突入している。よく知られているように糖と正の相関をするということが報告されている［2］。コリ尿病や心不全、慢性腎障害や癌などは加齢とともに増加

ンはメチル基を有する４級アンモニウムカチオンで、生する疾患であり、ますます高齢化が進行することが予想

体内においては細胞膜の構造の維持に重要な役割を果たされる我が国においてはこれらの加齢関連疾患の病態解している他、アセチルコリンなどの神経伝達物質の前駆明や新たな治療法の開発が重要となってくる。

体としての役割やメチル基を供給する代謝サイクルに循環器疾患、特に心不全の分野においては、従来高いおいても重要な役割を果たしていることが知られていエビデンスをもって治療に使われてきた薬剤に加えて、る。これらの働きは、内因性代謝経路の中でコリンが新規治療薬やデバイスも含めた治療が行われるようにな様々な形のコリン代謝物に形を変えることでその作用をり、心不全治療は近年、新たな局面を迎えつつある。し発揮するが、外因性の代謝経路としては、食餌由来のかしながら重症心不全の予後は未だに不良であり、心不コリンは腸内細菌によって中間代謝物トリメチルアミ全の発症・進展の機序の解明や新たな治療の開発は現在ン（Trimethylamine, TMA）へ代謝された後、肝臓でなお喫緊の課題である。

TMAO へ変換されると考えられている。TMAO は動ヒトの体内には 6500 種以上もの代謝産物が存在し、脈硬化巣へのコレステロールの蓄積を促進することによ

その変化が心不全の病態と密接な関連があると言われり、TMAO は動脈硬化の病態を進行させると言われて［1］ている 。コリンやその代謝産物であるトリメチルアミいるが［3］、TMAO の心不全の病態における役割や意義

ン N- オキシド（Trimethylamine N-Oxide, TMAO）はは不明のままである。
脂肪組織は白色脂肪と褐色脂肪に大別される。褐色脂

連絡先：吉田〒 113-8421

肪組織（Brown adipose tissue, BAT）はかつては乳幼陽子
東京都文京区本郷 2-1-1

TEL：03-3813-3111

FAX：03-5689-0627

E-mail：yohkoyoshida@juntendo.ac.jp

児と齧歯類にのみ存在する熱産生組織であると考えられていたが、近年、ヒトの成人にも存在し、全身の代謝を制御する活発な代謝臓器であることがわかってきた［4-6］。
食餌誘導性肥満モデルマウスでは褐色脂肪が機能不全に－ 15 －図１

圧負荷時に褐色脂肪の機能不全が生じる陥り、全身のインスリン抵抗性を引き起こすこと［7］、心行うと、熱産生能の回復とともに圧負荷時の心機能低下機能が保たれた心不全（Heart failure with preservedが改善した（図１C）。反対に遺伝的褐色脂肪機能不全

ejection fraction, HFpEF）モデルマウスでは褐色脂肪のマウスである褐色脂肪特異的 Mfn1/Mfn2 ダブルノック機能低下が報告されている［8］。また体温の低い心不全患

アウトマウスでは、圧負荷時の心機能がさらに低下し心［9］者は予後不良であるという報告もあり 、褐色脂肪機能臓の線維化がさらに悪化すると共に、TAC 後の死亡率と心不全の病態には何らかの密接な関連性があることがも増加した（図１D）。同様に、褐色脂肪組織を外科的示唆されるが、その詳細については未解明のままである。に切除（BATectomy）した褐色脂肪機能不全マウスモ

今回我々は、心不全の病態において褐色脂肪が機能不デルにおいても圧負荷時の心機能がさらに悪化した。

全に陥ることでコリン代謝が変容し、その結果、体内で心不全時には種々の経路により慢性的な過剰な交感神増加した TMAO が心筋ミトコンドリアの機能を低下さ経活性化が生じ、これが心機能を悪化させることが知らせることで心機能を負に制御することを明らかにした。

れている［10，11］。我々の TAC モデルマウスにおいても検証したところ、TAC モデルの褐色脂肪組織ではノルエ

２．左室圧負荷時の褐色脂肪機能不全が心機能を悪化さピネフリンレベルが上昇していることがわかった。そこせるで、褐色脂肪組織に投射する交感神経を外科的に除神経

横行大動脈縮索（Transverse Aortic Constriction,したところ、圧負荷時の心機能低下が改善することがわTAC）による左室圧負荷モデルを作製すると、TAC4 週かった。

後には心機能低下とともに、体表温度の低下や急性寒冷これらの結果から、圧負荷時には低酸素ストレスや過刺激試験時の熱産生能の低下が見られた（図１A）。その剰な交感神経の活性化を介して褐色脂肪細胞のアポトー際の褐色脂肪組織は Hypoxic probe を用いた免疫組織シスが生じ、褐色脂肪機能不全が引き起こされること、学的手法による解析により低酸素状態となっており（data

褐色脂肪機能不全が何らかの機序により圧負荷時の心機not shown）、 熱 産 生 に 重 要 な 働 き を す る Uncoupling

能低下を惹起することが示唆された。

protein-1（UCP-1）の発現の低下やアポトーシスの増加が見られたことから（図１B）、左室圧負荷時には心不全に３．圧負荷時に増加する TMAO が心機能低下を引き起こす

起因する全身の循環不全（虚血）に伴う低酸素ストレスに褐色脂肪機能不全が心不全を引き起こす分子メカニ

より褐色脂肪細胞の細胞死（アポトーシス）が増加し、褐ズムを明らかにするため、TAC モデルマウスの様々な色脂肪の機能不全が生じていることが示唆された。
健康なマウスの褐色脂肪組織をレシピエントマウスの腹組織を用いて、網羅的なメタボロミクス解析を行った。

腔内に移植し、褐色脂肪機能を増強したマウスに TAC を

その結果、TAC マウスの褐色脂肪組織ではコリンが増－ 16 －

図２

圧負荷時に増加する TMAO が心機能を低下させる

次に、中間代謝産物 TMA から TMAO への変換を加すること（図２A）、また血漿と心臓においてコリンの代謝産物である TMAO が増加することが明らかに触媒する酵素である Flavin-containing monooxygenase

なった（図２B，C）。さらに BAT を腹腔内に移植した（FMO）の阻害により TMAO の産生を抑制し、心不全モデルにおいては、血中コリンレベルが低下することモデルにおける TMAO の病的意義の検証を行った。哺がわかった。以前に心不全患者の血液中ではコリンや乳類では FMO1～5 の５つのアイソザイムが存在するこTMAO レベルが上昇し、これは心不全の重症度とも相とが知られている。メチマゾールは一般的には抗甲状関することが報告されている［2］。また我々が行った心不腺薬として使用されるが、低用量で FMO1～FMO5 全全患者における調査においても、健康な成人と比較してての酵素活性を抑制する FMO 阻害剤として作用するこ心不全患者では血液中のコリンや TMAO レベルが上昇とが知られている［12-14］。そこで心不全モデルマウスにしており（図２D）、我々の心不全モデルマウスでのメ低用量のメチマゾールを投与したところ、圧負荷時の血タボロミクス解析の結果はヒト心不全患者のデータとも中 TMAO レベルの上昇が抑制されるとともに、心機能一致するものであると考えられた。さらに上述の外科的低下や心臓の線維化が改善した（図２F）。さらに我々に BAT を切除した BATectomy モデルマウスでは圧負はバイオインフォマティクスの手法で FMO2 が雄マウ

荷時に血液中や心臓においてさらに TMAO レベルが上スの TMAO 産生に重要であることを同定し、FMO2昇することがわかった。これらの結果から、圧負荷時にノックアウトマウスにおいても同様に検証を行った。

生じる褐色脂肪機能不全により正常に代謝されなくなっ

CRISPR-Cas9 システムにより作出した全身 FMO2 ノッたコリンが、TMAO へと変換され、血液中や心臓におクアウトマウスにおいて TAC を行うと、圧負荷時の心いて増加していることが示唆された。

臓での TMAO レベルが低下するとともに、心機能の低そ こ で、 圧 負 荷 時 に 増 加 す るTMAOの 病 的 意 義 を下や心臓線維化が改善することがわかった。以上の結果検証するために、TACによる心不全モデルマウスにから、FMO、特に FMO2 が圧負荷時の TMAO 増加にTMAOの持続投与を行った。TACを行った２週後から重要な役割を果たしていることが明らかとなった。

２週間、浸透圧ポンプを用いて TMAOを持続投与した
ところ、圧負荷時の心機能低下や心臓組織の線維化が４．TMAO はミトコンドリア障害を介して心筋代謝リモデリングを引き起こす

TMAO 投与群でさらに悪化することがわかった（図２E）。同様に、食餌によるコリン負荷（高コリン食）を次に我々は詳細な機序を検証するため、TMAO を持TAC モデルに行った際にも、血中や心臓での TMAO続投与したマウスを用いて解析を行った。浸透圧ポンプレベルが上昇すると共に、圧負荷時の心機能低下や心臓を用いて TMAO を２週間持続投与したマウスの心臓を線維化が悪化することがわかった。

用いてメタボロミクス解析を行ったところ、TMAO 投－ 17 －図３TMAO はミトコンドリア障害を介して心筋代謝リモデリングを引き起こす

与により心臓での ATP 産生やリン酸化クレアチンレベ

５．考察

ルが低下していることがわかった。さらに電子顕微鏡に

本研究において我々は、心不全モデルマウスにおいてて詳細な観察を行うと、TMAO を投与したマウスの心褐色脂肪が機能不全に至り、コリン代謝に異常を生じ臓ではミトコンドリアの膨化・腫大やクリステ構造の破ること、その結果、TMAO 産生が増加し褐色脂肪機能壊が見られ、細胞外フラックスアナライザーにより解不全が心不全をさらに悪化させることを明らかにした。

析するとミトコンドリア酸化的リン酸化経路のうちのTMAO 産生酵素である FMO は従来、そのアイソザイ

Complex Ⅳの機能が低下していることが示唆された（図ムの一つである FMO3 がよく研究されてきた。FMO3３A）。以上の結果より TMAO の投与により心筋におはメスでは肝臓において多く発現し、TMAO 産生に重いてミトコンドリア、特に Complex Ⅳの機能が傷害を要であることが知られているが、オスではその発現は低受けていると考えられた。

いことが知られている［15］。我々の検討においてもオス

さらに詳細に解析するため、TMAO 投与マウスのの肝臓では FMO3 の発現は低く、一方でバイオインフォ心臓を用いて RNA-seq による網羅的遺伝子発現解析

マティクスの手法により FMO2 がオスの TMAO 産生および単離ミトコンドリアの網羅的プロテオミクス解に重要であることが示唆された。実際に、FMO2 のノッ析を行った。その結果、RNA-seq 解析では心臓においクアウトマウスを用いた検討により、FMO2 が圧負荷て TMAO 投与により代謝リモデリングが生じている時の TMAO 産生に重要な役割を果たすこと、TMAOことが示唆され、またプロテオミクス解析ではミトコはミトコンドリアの Complex IV の機能抑制を介して心ンドリア Complex IV のコンポーネントである COXⅠ

筋代謝を負に制御することが明らかとなった。コリンは（Cytochrome C oxidaseⅠ）のレベルが低下しているこ

腸内細菌の働きにより中間代謝産物 TMA へ代謝され、とがわかった（図３B）。COXⅠをコードする MT-CO1

肝臓の FMO により TMAO へと変換されると広く受けの発現レベルには変化がなかったことから、TMAO は入れられている［16］。しかしながら、我々の検討において、翻訳後修飾によりタンパクレベルで COX I の発現を制褐色脂肪機能不全がどのように TMAO の増加を制御し御しているものと考えられた。ているか、あるいは心不全がどのように FMO の酵素活

以上の結果から、TMAO が COXⅠの発現抑制を介して心筋のミトコンドリア機能を抑制し、本来、脂肪酸を性に影響を与えているかについては、未だ明らかではな
く、今後の検討が必要である。

主な基質としたミトコンドリア呼吸によって心筋収縮に

これまでの報告により心不全患者では腸内細菌のバラン必要な ATP を大量に産生している心筋細胞において、スの変化（dysbiosis）が生じていることが知られている［17］。

その代謝経路を障害していること、すなわち心筋の代謝

Pasini ら は 心 不 全 時 に は Candida や Campylobacter、リモデリングを生じさせていること、このことにより、Shigella、Salmonella、Yersinia enterocolitica と い っ圧負荷時の心機能をさらに低下させていることが示唆さた病原性を有する種属の腸内細菌が増加することを報れた。

告している［18］。また心不全患者では Faecalibacteriumprausnitzii が減少し Ruminococcus gnavus が増加する－ 18 －こと、これらの変化は TMA 産生酵素であるTMA-lyase

8． Valero-Munoz M, et al. Heart failure with preserved［19］の増加と相関していることが報告されている

ejection fraction induces beiging in adipose tissue.

。HayashiCirc.HeartFail. 9：e002724, 2016.

らはEscherichia/Shigella 属と TMAO レ ベ ル が 正 の 相関を示すことを報告している［20］。これらの知見は心不9． Ahmed A. et al. Decreasing body temperature

全時の腸内細菌の変化（dysbiosis）が TMA-lyase の活

predicts early rehospitalization in congestive heart
failure. J.Card.Fail. 14：489-496, 2008.

性レベルの変化を介して TMAO レベルを制御している可能性を示しており、今後の詳細な検討が期待される。

10．Cohn JN, et al. Plasma norepinephrine as a guide

Tahara らは FDG-PET を用いた検討により心不全患

to prognosis in patients with chronic congestive

者で体温の低下とともに BAT の検出率が低下し、心不heart failure. N.Engl.J.Med. 311：819-823, 1984.

全において BAT による熱産生が低下していることを示

11．Schrier RW, Abraham WT. Hormones and唆する報告をしている［21］。我々の検討においては、心hemodynamics in heart failure. N.Engl.J.Med. 341：

不全マウスの体温の低下や熱産生能の低下が見られた

577–585, 1999.

が、その際の BAT は低酸素状態であるとともにアポ12．Collins HL, et al. L-Carnitine intake and high

トーシスが増加し、さらに BAT 組織中のノルエピネフ

trimethylamine N-oxide plasma levels correlate

リンレベルが増加していた。さらにカテコラミン投与にwith low aortic lesions in ApoE（-/-）transgenic

より心機能が低下するよりも以前から熱産生能が低下しmice expressing CETP. Atherosclerosis 244：
29–37, 2016.ていることが明らかとなったことから、圧負荷時には持続的かつ過剰な交感神経の活性化が褐色脂肪の機能不全

13．Osman AM, Nemnem MM, Abou-Bakr AA, et al.

を誘導し、TMAO の産生増加を介して心機能をさらにEffect of methimazole treatment on doxorubicin-悪化させる悪循環が存在していることが示唆された（図induced cardiotoxicity in mice. Food Chem.

［22］。心不全時には TMAO は血液中でも増加して３C）

Toxicol. 47：2425–2430, 2009.

おり、心臓以外にもミトコンドリアが多く存在する臓器、

14．Li B et al. Flavin-containing monooxygenase, a new

例えば骨格筋などにおいても影響を及している可能性がclue of pathological proteins in the rotenone model

考えられる。心不全時の他臓器における TMAO の役割of parkinsonism. Neurosci. Lett. 566：11-16, 2014.

も検討していくことで、心不全に伴う様々な病態への理

15．Janmohamed A, Hernandez D, Phillips IR, et

解が深まり、より効果的な心不全治療を創出できる可能

al. Cell-, tissue-, sex-and developmental stage-性があると考えられた。

specific expression of mouse flavin-containing
monooxygenases（ Fmos）．Biochem. Pharmacol.

引用文献

68：73–83, 2004.

1． Ikegami R, Shimizu I, Yoshida Y, et al. Metabolomic

16．Cho CE, Caudill MA. Trimethylamine-N-oxide：analysis in heart failure. Circ. J. 82：10-16, 2017.

Friend, foe, or simply caught in the cross-fire?.

2． Troseid M, et al. Microbiota-dependent metabolite

Trends Endocrinol. Metab. 28：121–130, 2017.

trimethylamine-N-oxide is associated with disease

17．Anderson KM, et al. The heart and gut relationship：

severity and survival of patients with chronica systematic review of the evaluation of theheart failure. J. Intern. Med. 277：717-726, 2015.

microbiome and trimethylamine- N-oxide（TMAO）

3． Koeth RA, et al. Intestinal microbiota metabolism

in heart failure. Heart Fail. Rev. 27：2223–2249,of L-carnitine, a nutrient in red meat, promotesatherosclerosis. Nat.Med. 19：576-585, 2013.

2022.
18．Pasini E, et al. Pathogenic gut flora in patients

4． Ikeda K, Maretich P, Kajimura S. The common

with chronic heart failure. JACC Heart Fail. 4：

and distinct features of brown and beige
adipocytes. Trends Endocrinol. Metab. 29：191-

220–227, 2016.
19．Cui X, et al. Metagenomic and metabolomic analyses

200, 2018.

unveil dysbiosis of gut microbiota in chronic heart

5． Sacks H, Symonds ME. Anatomical locations offailure patients. Sci. Rep. 8：635, 2018.

human brown adipose tissue：Functional relevance

20．Hayashi T, et al. Gut microbiome and plasma

and implications in obesity and type 2 diabetes.

microbiome-related metabolites in patients withDiabetes 62：1783-1790, 2013.

decompensated and compensated heart failure.

6． van der Lans AA, et al. Cold acclimation recruits
human brown fat and increases non shivering

Circ. J. 83：182–192, 2018.
21．Tahara A, et al. Brown adipose tissue activation inthermogenesis. J.Clin.Investig. 123：3395-3403,
2013.

severe heart failure. Eur. Heart J. 41：2415, 2020.
22．Yoshida Y, Shimizu I, Minamino T, et al. Brown

7． Shimizu I, et al. Vascular rarefaction mediates

adipose tissue dysfunction promotes heart

whitening of brown fat in obesity. J.Clin.Investig.

failure via a trimethylamine N-oxide-dependent

124：2099-2112, 2014.

mechanism. Sci Rep. 12：14883, 2022.

－ 19 －

Choline-derived metabolite as a novel therapeutic target for heart failure

Yohko Yoshida 1，2
1

Department of Advanced Senotherapeutics, Juntendo University Graduate School of Medicine

2

Department of Cardiovascular Biology and Medicine, Juntendo University Graduate School ofMedicine
AbstractLow body temperature predicts poor clinical outcomes in patients with heart failure,
however, underlying mechanisms and pathological implications are largely unknown.
Brown adipose tissue（BAT）was initially characterized as a heat generating organ, andstudies suggest it has crucial roles for maintaining systemic metabolic health. Here,
we demonstrate that alteration of BAT function contributes to development of heart
failure through disorientation in choline metabolism. Thoracic aortic constriction（TAC）
reduced the thermogenic capacity of BAT in mice, leading to significant reduction of bodytemperature under cold exposure. BAT became hypoxic with TAC, and hypoxic stressinduced apoptosis of brown adipocytes. Cardiac function was impaired in a mouse model ofgenetic BAT dysfunction, in association with a low survival rate after TAC. Metabolomic
analyses showed that BAT dysfunction led to an increase of choline and its downstream
metabolite, trimethylamine N-oxide（TMAO），promoting metabolic dysfunction in thefailing heart. TMAO administration resulted in a significant reduction in phosphocreatineor ATP level in cardiac tissues via suppression of mitochondrial complex IV activity.
Inhibition of TMAO production ameliorated cardiac dysfunction during left ventricularpressure overload. These results suggest that maintenance of BAT homeostasis andreducing TMAO production could be potential next-generation therapies for heart failure.

Keywords：Brown adipose tissue，Heart failure，Metabolites－ 20 －