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SGLT2阻害薬による膵β細胞保護作用の機序の解明

山内, 裕貴 北海道大学

2022.03.24

概要

【背景と目的】
2型糖尿病におけるインスリン分泌低下の本質的な治療には膵β細胞の量と機能を保持することが重要である。われわれはSodium-glucose cotransporter 2（SGLT2）阻害薬の1つであるルセオグリフロジンの投与により糖尿病モデルマウスでみられる高血糖や膵β細胞量・機能の低下が改善されることを明らかにした(Takahashi et al.,2018)。しかしながらその詳細な機序は明らかになっておらず、本研究ではルセオグリフロジンによる膵β細胞保護作用の機序を解明することを目的とした。

【対象と方法】
肥満2型糖尿病モデルマウスであるdb/dbマウス(雄6週齢)を普通食飼育群(control群)と0.01%ルセオグリフロジン含有特別食飼育群(luseo群)に分けた。4週間の飼育後に膵島を単離しDNAマイクロアレイ法およびReal-time PCR法による遺伝子発現の解析を行った。また単離膵島に対しサポニンによる透過処理を行い、高精度レスピロメーター(Oxygraph-2k)により、ミトコンドリアの電子伝達系を構成する各複合体の基質や阻害剤を加えた時の呼吸能を測定した。同時にsuperoxide dismutase(SOD)を加えて生成されるhydrogen peroxide(H2O2)を、Amplex® Ultraredと反応させて蛍光物質とし、蛍光光度計により測定することでミトコンドリアにおける酸化ストレスを評価した。また膵切片の免疫染色と電子顕微鏡による観察によりミトコンドリアの形態学的評価を行った。さらに、単離膵島を用いてメタボローム解析を行い、代謝産物の濃度を評価した。

【結果】
DNAマイクロアレイ法による解析では、control群と比べluseo群において発現が1.5倍以上に上昇している遺伝子が300個、0.67倍未満に低下している遺伝子が634個であった。control群と比べluseo群で発現が上昇している遺伝子の上位に、解糖系や電子伝達系に関する遺伝子が含まれていた。Pathway解析では解糖系やtricarboxylic acid(TCA)サイクルに関連する代謝経路において有意な変化を認めた。Geneontology解析の生物学的プロセスではluseo群で発現が上昇している遺伝子のうち細胞周期や細胞分裂に関連する遺伝子が上位を占めた。Real-time PCR法による解析では、ブドウ糖の細胞内取り込みに関わるsolute carrier family 2 member 2(Slc2a2)やTCAサイクルでの糖代謝に関わるpyruvate carboxylase(Pcx)の遺伝子発現がluseo群で有意に上昇していた。またTCAサイクルの反応に関わる複数の酵素の遺伝子発現がluseo群で有意に上昇していた。ミトコンドリアの電子伝達系の呼吸能測定では、control群と比べluseo群でComplex Ⅱ由来の呼吸能が有意に高かった。またluseo群ではcontrol群に比べ、Complex ⅡおよびComplex Ⅰ+Ⅱ由来のH2O2の産生が有意に抑制されていた。ミトコンドリア外膜のマーカーであるtranslocase of outer mitochondrial membrane 20(Tom20)による免疫染色では、luseo群においてミトコンドリアのネットワークが膵β細胞全体に広がっていたが、control群ではネットワークが障害され断片化していた。luseo群の膵β細胞におけるミトコンドリアの面積はcontrol群より有意に大きかった(41.8±9.0µm2vs.59.3±8.5µm2, p<0.01)。電子顕微鏡による観察ではcontrol群でミトコンドリアの膨化を認めたが、luseo群では膨化が抑制され形態が正常に保持されていた。膵β細胞の成熟や分化に関わるNK6 homeobox 1(Nkx6.1)の免疫染色では、luseo群で膵β細胞におけるNkx6.1陽性細胞の割合が有意に高かった(75.3±3.5%vs.89.8±1.8%, p<0.01)。メタボローム解析では、control群と比べluseo群でTCAサイクルにおける中間代謝産物の濃度が高かった。また両群間でadenosine triphosphate(ATP)の濃度に差は認めなかったが、インスリン分泌に関わるnicotinamide adenine dinucleotide phosphate(NADPH)やグルタミン酸の濃度はluseo群で高かった。さらに酸化ストレスの指標であるoxidized glutathione(GSSG)とreduced glutathione(GSH)の比はluseo群で有意に低かった。

【考察】
慢性的な高血糖は膵β細胞におけるreactive oxygen species(ROS)の産生を増加させ、ミトコンドリアの電子伝達系を障害することでさらにROSの産生を増加させる悪循環を形成する(Giorgi et al., 2018)。Nkx6.1はグルコーストランスポーターや、TCAサイクルでの反応に関わるPcxの発現を調節し糖代謝を改善させるとともに膵β細胞の増殖にも関与しているが（Taylor et al., 2013）、抗酸化酵素の遺伝子導入による酸化ストレスの抑制は、db/dbマウスにおいて低下しているNkx6.1の発現を改善することが報告されている（Guo et al., 2013）。本研究において、SGLT2阻害薬による血糖改善効果はミトコンドリアにおける過剰なROSの産生とそれによる電子伝達系Complex IIの障害という悪循環を是正したと考えられる。過剰な酸化ストレスの抑制はNkx6.1の発現を改善し、TCAサイクルにおける糖代謝を改善したことで、膵β細胞量や機能の保護に寄与したことが示唆された。

【結論】
SGLT2阻害薬による血糖改善効果は、ミトコンドリアにおける過剰な酸化ストレスの抑制と電子伝達系Complex IIの保護を介して、膵β細胞の成熟や分化に関わるNkx6.1の発現を改善し、膵β細胞量や機能を保護した可能性が示唆された。膵β細胞におけるミトコンドリアの電子伝達系Complex IIの保護は、2型糖尿病の新たな治療ターゲットの1つとなるかもしれない。

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参考文献

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