脊髄損傷の多くは交通事故、転落事故、スポーツ外傷などにより、脊柱に強力な外圧が加わり脊髄が傷つくことから発生する。脊髄が損傷を受けると、それより下位の神経が麻痺し、運動・知覚・自律機能が障害される。したがって、損傷部位が高いほど障害が重度になる。現在、日本には約10万人の脊髄損傷患者がおり、毎年5000人にのぼる新たな患者が生じていると言われる。脊髄損傷の悲劇的な点は、若年層の患者が多く、また頚髄損傷による重度の障害者が75%を占めることである。現時点では脊髄損傷に対する効果的な治療法はなく、患者の多くは寝たきりや車椅子の生活を余儀なくされる。したがって、損傷後の中枢神経の再生と機能回復に関する研究を推進することは極めて意義が大きい。

神経栄養因子と再生阻害因子

中枢神経系では損傷後の神経再生がほとんど起こらず、それが脊髄損傷の治療を困難なものにしている。再生が起こらない理由のひとつは中枢神経の再生能の低さであるが、再生能が全くないわけではない。実際にBDNFやNT-3のような神経栄養因子の投与によって神経再生が促進されることが報告されている。またこれまでに中枢神経系には再生を阻害する種々の因子の存在が明らかにされている。白質にはミエリン関連蛋白であるMAGやNogo-Aが、損傷部で増加する阻害因子としては、反応性アストロサイト（グリア瘢痕）や種々のコンドロイチン硫酸プロテオグリカン、さらに損傷部に形成される繊維性瘢痕にはセマフォリン3Aなどが存在する。これまでに脊髄損傷動物を用いてこれらの因子の働きを阻害すると神経再生が起こるという論文が相次いで発表された。中でもコンドロイチナーゼABCという酵素を投与しコンドロイチン硫酸を分解すると、神経再生が起こるという実験は有名である。しかし、当該阻害因子の機能を抑制しても神経再生の効果が小さい場合も多く、これらの因子が本当に再生を阻害しているかについてはいまだに議論が分かれている。

図1左：損傷後の中枢神経系には種々の神経再生阻害因子が存在する。組織脱落により生じた空洞、コラーゲンなどの細胞外マトリックスを含む繊維性瘢痕、コンドロイチン硫酸プロテオグリカンを発現する反応性アストロサイトからなるグリア瘢痕などである。この他、白質にはミエリン由来の阻害因子が存在する。
右：損傷部に神経再細胞を移植すると神経再生が起こることが知られている。とくに嗅球グリア細胞は臨床応用に向けての研究が進められている。

神経系細胞の移植

以上のような阻害因子の抑制実験に比べ、より大きな効果が得られているのが神経組織および神経系細胞の損傷部への移植である。初期の試みでは末梢神経組織や胎仔脊髄組織などが用いられ、その後、末梢グリア細胞であるシュワン細胞や嗅球グリア細胞、さらに神経幹細胞や骨髄間質細胞等の移植により、脊髄損傷動物において顕著な神経再生と機能回復が起こることが報告された。中でも嗅球グリア細胞は患者本人の嗅上皮から採取・培養することにより大量に得られ、倫理的な問題もクリアできることから、日本や欧米で着々と臨床応用への準備が進められている。確かに細胞移植は現時点で脊髄損傷の治療法として最も有望と思われるが、その神経再生促進のメカニズムや前述の再生阻害因子との関係などについては未解明な問題が多い。

研究紹介 ↑

私たちのプロジェクトでは将来脊髄損傷の治療に応用するために、中枢神経の再生に関する研究を行っている。その目的は、神経再生を阻んでいる原因と細胞移植による神経再生のメカニズムの解明である。そのために現在、黒質線条体系のドーパミン神経路に損傷を加えたマウスとラットを用いて神経再生に関する研究を進めている。

これまでの研究成果

これまでの成果としては、

生体マウスの脳に損傷を加えると、切断されたドーパミン線維は再生しない。損傷部周辺には反応性アストロサイトとコンドロイチン硫酸プロテオグリカンが増加し、損傷部にはIV型コラーゲンを含む繊維性瘢痕が形成される。
生後７日までのマウス新生仔の脳では損傷後に神経再生が起こり、その場合は損傷部周辺に反応性アストロサイトとコンドロイチン硫酸プロテオグリカンが増加するが、損傷部に繊維性瘢痕が形成されない（Kawano et al., 2005）。
繊維性瘢痕の主成分であるIV型コラーゲンの重合を阻害する2,2'-dipyridyl (DPY)を損傷部に投与すると、繊維性瘢痕が形成されず、神経再生が起こる（図２）（Kawano et al., 2005）。
さらにコンドロイチナーゼABCを損傷部に投与してコンドロイチン硫酸を分解すると、上述のように神経再生が起こるが、同時に繊維性瘢痕が消失する(Li et al., 2007)。
損傷部に嗅球グリア細胞を移植すると神経再生が促進された。この時グリア瘢痕やコンドロイチン硫酸は損傷のみの場合と同様に増加していたが、繊維性瘢痕は形成されない（Teng et al., 2008）。

以上の結果から、私たちは、これまで主要な阻害因子とされてきたグリア瘢痕やコンドロイチン硫酸ではなく、繊維性瘢痕が神経再生を阻んでいると考えている。コンドロイチン硫酸プロテオグリカンは培養系、あるいは脳の発生過程でもニューロンの軸索伸長を阻害すると言われてきたが、当プロジェクトでは、コンドロイチン硫酸プロテオグリカンが様々な分子と相互作用し、脳の発生に重要な役割を果たすことを明らかにしている（Maeda et al., 2003; Shimazaki et al., 2005; Li et al., 2005b）。

図2IV型コラーゲン（Col IV）の合成を阻害するDPY投与による神経再生。術後20日。
A：無処置では損傷部（星印）にチロシン水酸化酵素（TH）陽性のドーパミン線維が蓄積し、損傷部を越えて再生しない。
B：損傷直後にDPYを投与すると、多数のTH陽性線維が損傷部を越えて再生している。C:無処置では損傷部にCol IV陽性の繊維性瘢痕が形成される（星印）。D:DPY投与では繊維性瘢痕は形成されない。スケールバー、100μm。

今後の展望

以前は不可能と考えられていた中枢神経の再生が、様々な実験条件下で起こりうることが明らかになってきた。「損傷を受けた中枢ニューロンは基本的に再生能を持ち、損傷部の環境を変えることにより神経再生は可能である」という事実は脊髄損傷の治療に大きな期待を抱かせる。しかし、神経再生の研究はいまだ緒に就いたばかりである。下等脊椎動物でおこる神経再生が哺乳類ではなぜ起こらないのか？なぜ神経再生を阻害するコンドロイチン硫酸が損傷後増加するのかと言った、ごく基本的な疑問にさえ答えることが出来ない。最も治療効果が大きいとされる細胞移植にしても、その神経再生促進のメカニズムに関しては未解明の部分が多い。細胞移植による神経再生を臨床的に応用するためには、まず動物モデル（齧歯類及び霊長類）を用いて詳細な実験成果を積み上げ、科学的・論理的根拠に基づいた治療法を確立することが必要であろう

プロジェクトメンバー ↑

川野グループ（発生形態研究部門）

川野仁（リーダー）、黒田純子、滕錫川

前田グループ（分子発生生物学研究部門）

前田信明（副リーダー）、西村一成、三島眞代

三五グループ（発生形態研究部門）

三五一憲、柳澤比呂子、小牟田縁

大迫グループ（基盤技術部門）

大迫俊二、山田隆文

主要業績 ↑

原著論文

Teng X, Nagata I, Li H-P, Kimura-Kuroda J, Sango K, Kawamura K, Raisman G, Kawano H: Regeneration of nigrostriatal dopaminergic axons after transplantation of olfactory ensheathing cells and fibroblasts prevents fibrotic scar formation in the lesion site. J. Neurosci. Res., 2008, in press.
Saitoh Y, Matsui F, Chiba Y, Kawamura N, Keino H, Satoh M, Kumagai N, Ishii S, Yoshikawa K, Shimada A, Maeda N, Oohira A, Hosokawa M: Reduced expression of the MAb6B4-epitopes of chondroitin sulfate proteoglycan aggrecan in perineuronal nets from the cerebral cortices of SAMP10 mice, a model for age-dependent neurodegeneration. J. Neurosci. Res. 86: 1316-1323, 2008.
Sango K, Yanagisawa H, Takaku S: Expression and histochemical localization of ciliary neurotrophic factor in cultured adult rat dorsal root ganglion neurons., Histochem Cell Biol., 128: 35-43, 2007
Ohtaka-Maruyama C, Miwa A, Kawano H, Kasai M, Okado H: Spatial and Temporal Expression of RP58, a Novel Zinc Finger Transcriptional Repressor, in Mouse Brain.　J. Comp. Neurol., 502 : 1098-1108, 2007.
Komuta Y, Hibi M, Arai T, Nakamura S, Kawano H: Defects in reciprocal projections between the thalamus and cerebral cortex in the early development of Fezl-deficient mice. J. Comp. Neurol., 503:454-465, 2007.
Li HP, Homma A, Sango K, Kawamura H, Raisman G, Kawano H: Regeneration of nigrostriatal dopaminergic axons by degradation of chondroitin sulfate is accompanied by elimination of the fibrotic scar and glia limitans in the lesion site. J. Neurosci. Res., 85: 536-547, 2007.
Nagata I, Ono K, Kawana A, Kimura-Kuroda J: Alighned neurite bundles of granule cells regulate orientation of Purkinje cell dendrites by perpendicular contact guidance in two-dimensional and three-dimensional mouse cerebellar cultures., J. Comp. Neurol., 499: 274-289, 2006.
Sango K, Suzuki T, Yanagisawa H, Takaku S, Hirooka M, Tamura M, Watabe K: High glucose-induced activation of the polyol pathway and changes of gene expression profiles in immortalized adult mouse Schwann cells IMS32., J Neurochem, 98: 446-458, 2006.
Maeda N, Fukazawa N, Hata T: The binding of chondroitin sulfate to pleiotrophin/ heparin-binding growth-associated molecule is regulated by chain length and oversulfated structures., J Biol Chem, 281: 4894-4902, 2006.
Kawano M, Kawasaki A, Sakata-Haga H, Fukui Y, Kawano H, Nogami H, Hisano S: Particular subpopulations of midbrain and hypothalamic dopamine neurons express vesicular glutamate transporter 2 in the rat brain. J. Comp. Neurol., 498:581-592, 2006.
Homma A, Li H-P, Hayashi K, Kawano Y, Kawano H: Differential response of arcuate neurons containing proopiomelanocortin and neuropeptide Y to the lesion produced by gold thioglucose administration. J Comp Neurol., 499: 120-131, 2006.
Kawano H, Li HP, Sango K, Kawamura H, and Raisman G: Inhibition of collagen synthesis overrides the age-related failure of regeneration of nigrostriatal dopaminergic axons. J. Neurosci. Res., 80: 191-202, 2005.
Shimazaki Y, Nagata I, Ishii M, Tanaka M, Marunouchi T, Hata T, Maeda N: Developmental change and function of chondroitin sulfate deposited around cerebellar Purkinje cells. J. Neurosci. Res. 82: 172-183, 2005.
Sango K, Takano M, Ajiki K, Tokashiki A, Arai N, Kawano H, Horie H, Yamanaka S: Impaired neurite outgrowth in the retina of a murine model of Sandhoff disease. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci., 46: 3420-3425, 2005.
Li HP, Honma S. Miki T, Takeuchi Y, and Kawano H: Multiple defects in the formation of rat cortical axonal pathways following prenatal X-irradiation. Eur. J. Neurosci., 21: 1847-1858, 2005a.
Li HP, Oohira A, Ogawa M, Kawamura K, and Kawano H: Aberrant trajectory of thalamocortical axons associated with abnormal localization of neurocan immunoreactivity in the cerebral neocortex of reeler mutant mice. Eur. J. Neurosci., 22: 2689-2696, 2005b.
Sango K, Tokashiki A, Horie M, Kawano H, Horie H, and Kadoya T: Synthesis, localization and externalization of galectin-1 in mature dorsal root ganglion neurons and Schwann cells. Eur. J. Neurosci., 19: 55-64, 2004.
Maeda N, He J, Yajima Y, Mikami T, Sugahara K, Yabe T: Heterogeneity of chondroitin sulfate portion of phosphacan/6B4 proteoglycan regulates its binding affinity for pleiotrophin/HB-GAM. J. Biol. Chem., 278: 35805-35811, 2003.
Kimura-Kuroda J, Nagata I, Negishi-Kato M, and Kuroda Y: Thyroid hormone-dependent development of mouse cerebellar Purkinje cells in vitro. Dev. Brain Res., 137: 55-65, 2002.

総説

前田信明、石井万幾　「コンドロイチン硫酸プロテオグリカンによる神経発生の制御」　生体の科学　59:105-110, 2008.
Sango K, Saito H, Takano M, Tokashiki A, Inoue S, Horie H: Cultured adult animal neurons and Schwann cells give us new insights into diabetic neuropathy. Curr. Diabetes Rev., 2:169-183, 2006.

著書

Maeda N, Shimazaki Y, Ishii M: Regulation of neural network formation by chondroitin sulfate proteoglycan, PTPzeta. Glycoscience 2003-2007, p.102-103, 2007.
Maeda N: A chondroitin sulfate proteoglycan, PTPzeta/phosphacan, and neuronal network formation. Neuronal Network Research Horizons, p.181-205, 2007
Maeda N, PTPzeta/phosphacan: Multifunctional receptor-type chondroitin sulfate proteoglycan. Neural Proteoglycans, p.1-9, 2007
Li H-P, Kawano H, Kawamura K: Proteoglycans in the developmental cerebral cortex. Neural Proteoglycans, p.167-181, 2007.
Kawano H, Li H-P, Homma A, Kawamura K: Central nervous system injury and chondroitin sulfate proteoglycans. Neural Proteoglycans, p.215-228, 2007.
Sango K: Chondroitin sulfate proteoglycans in the peripheral nervous system after injury. Neural Proteoglycans, p. 229-238, 2007.

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プロジェクトの背景↑

脊髄損傷について