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Zinc deficiency impairs ischemia-induced angiogenesis

鶴岡, 琢也 名古屋大学

2022.03.23

概要

【緒言】
末梢動脈疾患(PAD)は進行性のアテローム性動脈硬化症であり、世界中でPADの患者数が増加している。その中でも包括的高度慢性下肢虚血(CLTI)の患者は、時として救命のために四肢の切断を必要とし、QOLの低下だけでなく寿命の低下も引き起こす。PADは、身体活動低下、栄養過剰および低栄養など、生活習慣の問題によって発症するが、近年その中でも、微量元素の影響が注目されている。特に亜鉛は、多くの生理学的機能に関与する重要な必須微量元素であり、亜鉛欠乏は血管系を含む様々な発達に影響を及ぼす。しかし、PADにおける亜鉛欠乏が血管新生に与える影響やメカニズムはいまだ明確ではない。今回、我々はその機序解明のため、1)基礎研究:マウス虚血肢モデルを用いた動物実験によって亜鉛欠乏が血管新生能に与える影響を検討し、2)臨床研究:CLTI患者の血清亜鉛濃度と患肢の微小循環との関係を検討した。

【対象及び方法】
1)基礎研究:野生型マウス(C57/BL6)に亜鉛欠乏食を週令3週より投与し、亜鉛欠乏モデルを作成。亜鉛欠乏(ZD)群と対照(Control)群について、週令10週で左大腿動脈を結紮し、虚血肢を作成。虚血後の血管新生能について、レーザードップラー法(LDBF)によって虚血肢/健肢の血流を比較し、内転筋の筋線維中の毛細血管密度をCD31免疫染色にて定量評価した。また、活性酸素種(ROS)の検出を目的としてジヒドロエチジウム(DHE)染色と血中D-ROM濃度を測定し、血清ニトロチロシンをELISAで定量化した。筋組織中のNADPHoxidase(Nox)のサブユニット(Nox2、p22phox、p47phox、p67phox)および血管内皮増殖因子(VEGF)をRT-PCRで解析した。亜鉛欠乏状態における抗酸化剤投与の影響を検討するため、ZD群へアポシニンを経口投与して、LDBFおよび筋線維中の毛細血管密度を比較した。
2)臨床研究:当院で2012年5月から2016年3月までの間に初回血行再建術目的で入院加療を行った下肢閉塞性動脈硬化症のCLTI患者51人について、後ろ向きに検討した。患肢の微小循環の指標として足部の皮膚還流圧(SPP)を使用し、亜鉛濃度を含む術前の採血データ、内服薬、併存疾患を調査した。

【結果】
ZD群はControl群と比較して、LDBFにて測定した虚血肢/健肢血流比が有意に低下していた。虚血肢の毛細血管密度も、ZD群が有意に低かった。また、ZD群は虚血組織の筋線維におけるDHEの発現は増加し、血中D-ROM濃度、血清ニトロチロシン濃度のいずれも有意に上昇した。虚血肢内転筋のRT-PCRの解析の結果、NoxのサブユニットはいずれもZD群で有意に増加し、VEGFの発現は低下した。ZD群へアポシニンを経口投与することで、LDBF測定における虚血肢血流、及び、毛細血管密度が改善した。
臨床研究において、CLTI患者の血清亜鉛レベルは、患肢のSPPと正の相関を認めた(r=.538、pに相関していることも明らかとなった(p=.001)。

【考察】
今回我々の基礎研究では、野生型マウスにおいて、(1)亜鉛欠乏は虚血肢作成後の下肢血流回復率の低下と関連した、(2)亜鉛欠乏はROSの増加と関連した、(3)Nox阻害剤であるアポシニンの経口摂取によって下肢血流回復率が改善した、という結果が得られた。さらに、臨床研究においてはCLTI患者の亜鉛濃度とSPPの間に正の相関を認めた。それらの結果は、亜鉛が虚血環境下にある筋組織において、血管新生の調節因子として機能していることを示唆している。CLTIなどの虚血性疾患の患者では、側副血管形成や血管新生を促進する治療が重要な意義を持つ。亜鉛補充はそれら虚血性疾患の治療に役立つ可能性がある。
亜鉛は抗酸化酵素の活性化、フリーラジカルの除去に重要な役割を果たすといわれており、亜鉛の予防的投与によって生体内の酸化ストレスを減少させ、グルタチオンやスーパーオキシドディスムターゼ(SOD)の増加を認めたという過去の報告もある。今回の研究では、亜鉛欠乏が虚血筋組織中の血管新生能の低下と関係し、虚血筋組織中および血中のROSを増加させるという結果が得られた。さらにNox阻害剤の経口投与による血流改善効果を認めた。すなわち、亜鉛欠乏下では虚血組織におけるROSが増加し、血管新生を障害する可能性があると考えられた。
また、本研究では、臨床においてCLTI患者の血中亜鉛濃度とSPPの正の相関を認めた。一般的にSPP30mmHg未満の状態では創傷治癒が期待できないとされており、さらに、我々は以前に、CLTI患者において亜鉛欠乏が下肢動脈バイパス術後の救肢率の低下と関連していることを示している。これらのデータは、血中亜鉛レベルがCLTIの重症度を反映している可能性があることを示している。亜鉛欠乏症について報告されている様々なガイドラインでは、血中亜鉛濃度が60μg/dL未満で亜鉛欠乏症と定義され、60-80μg/dLは潜在性亜鉛欠乏症とされている。今回の調査対象となった51人のCLTI患者では、平均亜鉛濃度は62.3±16.9μg/dLと低い傾向を認めた。本研究ではSPPのみが血中亜鉛濃度と相関しており、アルブミンを含めたその他データとの相関は認めなかった。栄養失調は亜鉛欠乏の要因となるものの、我々の結果は、CLTIの病状に関連する様々な要因が栄養状態よりも亜鉛欠乏によって影響を受ける可能性があることを示唆している。CLTI患者にとって、栄養状態改善のために牡蠣や豚レバーなど亜鉛含有量が多い食品を積極的に摂取することが望ましい可能性があり、血中亜鉛濃度が極端に低い場合には、亜鉛製剤による補充療法が有益な可能性がある。
本研究にはいくつかの限界がある。第一に、血中亜鉛濃度を一点でしか測定しておらず、経時的変化を評価していない。第二に、亜鉛補充による効果が検討できておらず、亜鉛補充によって血管新生能が改善するかどうか、またCLTI患者の予後を改善することができるかどうか調べられていない。第三に、CLTI患者の筋組織サンプルを採取していなかったため、ヒトにおける血中亜鉛濃度と血管新生能との直接比較ができなかった。最後に、今回対象としたCLTI患者のサンプルサイズが小さく、手術方法など治療法や予後への影響が十分に検討できなかった。

【結論】
亜鉛欠乏は酸化ストレスを増大させることにより、虚血筋組織における血管新生能を低下させた。亜鉛の摂取を含む栄養学的アプローチは、虚血肢の予防または治療に役立つ可能性がある。亜鉛の予防効果や有用性については、今後の大規模研究でさらに検討していく必要がある。

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Clinical Relevance: This study aimed to investigate the impact of zinc deficiency on

angiogenesis. We found that zinc deficiency impaired the rate of ischemia-induced

revascularization through enhanced oxidative stress rates in animal model. In addition,

serum zinc levels were positively associated with SPP in the CLTI patients. Thus, the

intake of zinc could be useful for the prevention and/or treatment of ischemic limb disease.

Circulating zinc level could be a useful marker for the assessment of atherosclerosisbased vascular disease such as limb ischemia. Possibly, nutritional improvement by zinc

intake could lead to prevention and treatment of ischemic vascular disease.

Before

surgery

Ischemic/Normal LDBF ratio

After

surgery

Day 3

Day 7

Day 14

Control

ZD

0.8

0.6

0.4

0.2

After

surgery

Day 28

Control

ZD

Control

ZD

14

21

28 (Day)

P<.05

100

Capillary density

(per field)

80

60

40

20

Control

P<.05

P<.05

1.2

Relative mRNA levels

(Fold change)

Capillaries/muscle fiber

1.5

0.5

ZD

0.8

0.6

0.4

0.2

Control

ZD

Control

ZD

Figure 1

P<.05

Control

d-ROMs (Carr units)

300

ZD

200

100

Control

ZD

P<.05

Relative mRNA levels

(Fold change)

Nitrotyrosine (nM)

Control

ZD

Control

ZD

Nox2

p22phox

p47phox

p67phox

Figure 2

10

12 (Week)

Hindlimb ischemic surgery

WT mice

Zinc deficient diet

Apocynin or vehicle

(300mg/kg/day)

LDBF analysis

Ischemic/Normal LDBF ratio

ZD+Vehicle

ZD+Apocynin

0.8

0.6

0.4

0.2

After

surgery

Capillary density

(per field)

80

14 (Day)

NS

60

40

20

ZD+Vehicle ZD+Apocynin

Figure 3

mmHg

50

r =.538

P <.01

SPP

40

30

20

10

50

100

150

Serum zinc concentration (mg/dL)

Figure 4

P<.05

Serum zinc level (μg/dL)

150

100

50

Control

ZD

Supplementary Figure 1

Alkaline phosphatase-positive cells

Supplementary Figure 2

Table I Patient characteristics

Characteristic

(n = 51)

Age (years)

71.4 ± 8.1

Male/Female

34/17

Body mass index (kg/m )

21.0 ± 4.4

Serum zinc concentration (µg/dL)

62.3 ± 16.9

Serum copper concentration (µg/dL)

129.3 ± 28.3

Alkaline phosphatase (IU/L)

292.8 ± 97.4

Albumin (g/dL)

3.4 ± 0.6

Hemoglobin (g/dL)

11.0 ± 2.0

C-reactive protein (mg/dL)

2.8 ± 3.5

Hypertension

39

Diabetes mellitus

33

Hemodialysis

19

Dyslipidemia

27

Smoker

40

Coronary artery disease

29

Cerebrovascular disease

10

Ankle Brachial index

0.45 ± 0.30

Skin perfusion pressure

18.7 ± 8.9

Drug

α-blocker

β-blocker

17

Ca-blocker

31

Angiotensin Ⅱ receptor blocker

18

Angiotensin-converting-enzyme inhibitor

Diuretic

Cilostazol

25

Clopidogrel

19

Aspirin

36

Warfarin

Direct oral anticoagulant

Statin

21

Insulin

Prednisolone

Categorical data are expressed as numbers. Continuous data are expressed as the means ± SD

Table II Patient classification and treatments

Characteristic

(n = 51)

Rutherford classification

5(10)

38(74)

8(16)

WIfI clinical stage

2(4)

8(16)

17(33)

24(47)

GLASS stage

2(4)

2(4)

47(92)

Treatments

Bypass surgery

34(67)

Endovascular surgery

2(4)

Bypass & Endovascular surgery

15(29)

Categorical data are expressed as numbers (%).

GLASS = Global Limb Anatomic Staging System

Table III Correlation with skin perfusion pressure

Variable

Univariate

Multivariate

P-value

P-value

Serum zinc level

.538

.000

0.445

.001

Albumin

.302

.031

0.147

.265

Diabetes mellitus

.288

.041

0.240

.058

Hemoglobin

.255

.071

Age

- .195

.171

Body mass index

.194

.173

Antiplatelets

.193

.174

C-reactive protein

- .191

.179

Hemodialysis

.178

.212

Statin

.163

.254

Cerebrovascular disease

.158

.268

Antihypertensives

.147

.302

Hypertension

.082

.568

Female

.061

.671

Smoker

- .047

.743

Alkaline phosphatase

.042

.772

Coronary artery disease

.024

.865

Dyslipidemia

- .017

.904

Serum copper level

.008

.956

Figure Legends

Figure 1. Zinc-deficient mice showing reductions in the rates of perfusion recovery

and capillary vessel formation in ischemic limbs. A. Representative LDBF images in

the ischemic limb of zinc-deficient mice or control WT mice. A low perfusion signal (dark

blue) was observed in the ischemic hindlimb of zinc-deficient mice, whereas a high

perfusion signal (red) was detected in the control WT mice at postoperative days 14, 21,

and 28. B. Quantitative analysis of the ischemic to nonischemic LDBF ratio in the zincdeficient mice or control WT mice before surgery and at different time points after surgery.

Results are presented as the mean ± standard deviation (n=8 in each group). *P< .05 vs

Zinc-deficient mice. C. Fluorescence staining of ischemic tissues with anti-CD31

monoclonal antibody (red) on postoperative day 28. D and E. Quantitative analysis of

capillary density in zinc-deficient mice or the control WT mice on postoperative day 28.

Capillary density was expressed as the number of capillaries per high power field (×400)

(left) and capillaries per muscle fiber (right). F. mRNA levels of VEGF in the ischemic

muscle in the zinc-deficient mice or control WT mice on postoperative day 28. Levels of

mRNA were measured using the real-time polymerase chain reaction method (n=8 in each

group). All results are normalized to GAPDH. *P< .01 vs control. Results are presented

as mean ± standard deviation (n=8 in each group). LDBF, laser Doppler blood flow; WT,

wild type; GAPDH, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase.

Figure 2. Zinc deficiency increases the rate of oxidative damage in ischemic muscles.

A. Production of reactive oxygen species (ROS) was evaluated by immunostaining with

dihydroethidium on postoperative day 28 (×400 each field; red). B and C. Serum levels

of the derivatives of reactive oxygen metabolites (d-ROMs) (B) and nitrotyrosine (C) in

the zinc-deficient mice or the control WT mice after hindlimb surgery (n=8 in each group).

D. mRNA levels of Nox2, p22phox, p47phox and p67phox in the ischemic muscle in the zincdeficient mice or control WT mice on postoperative day 28. Levels of mRNA were

measured using the real-time polymerase chain reaction method (n=8 in each group). All

results are normalized to GAPDH. *P< .01 vs control. WT, wild type; GAPDH,

glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase

Figure 3. NADPH oxidase inhibitor, apocynin, restores ischemia-induced

angiogenesis in zinc-deficient mice. A. Schematic illustration of the experimental

protocol. Zinc-deficient and control mice were treated with both a zinc-deficient diet and

an NADPH oxidase inhibitor, apocynin (300 mg/kg/day), in drinking water from 3 weeks

of age. Then, the mice were subjected to unilateral hindlimb surgery at the age of 10

weeks. B. Quantitative analysis of the ischemic to nonischemic LDBF ratio in the zincdeficient mice treated with apocynin at different time points after surgery. C. the

quantitative analysis of capillary density of the ischemic muscle in the zinc- deficient

mice treated with apocynin at 14 days after surgery. Results are shown as the mean ±

standard deviation (n=8 in each group). *P< .05. NADPH, nicotinamide adenine

dinucleotide phosphate; LDBF, laser Doppler blood flow, NS, nonsignificant.

Figure 4. Association of serum zinc level with skin perfusion pressure (SPP) as an

index of tissue blood perfusion in patients with chronic limb-threatening ischemia

(CLTI). A total of 51 patients with CLTI who referred for de novo revascularization were

enrolled in this study. The results are presented as the mean ± standard error.

Table Legends

Table I The clinical characteristics of the patients are shown. The patients with CLTI

who underwent de novo revascularization were enrolled in this study (N=51).

Table II The classification and treatments of the patients are shown. The patients with

CLTI who underwent de novo revascularization were enrolled in this study (N=51).

Table III Univariate linear regression analysis to examine the relationship between SPP

and the clinical parameters of the patients with CLTI (N=51).

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