査読論文：代謝活性化剤の併用はアルツハイマー病患者の認知機能を改善する：無作為二重盲検プラセボ対照第II相試験

考察

その結果、CMAの84日間の経口投与は、ADAS-Cogスコアに基づくアルツハイマー病患者の認知機能にかなりの効果があることが示唆された。ADAS-Cogスコアが高い患者の認知機能はCMA群で改善したが、プラセボ群では有意差はなかった。また、重度および軽度の患者においても有益な効果が認められた。AD患者の認知機能は、84日後にCMA群で29%改善したのに対し、プラセボ群では14%しか改善せず、他のAD臨床試験でみられるプラセボ効果と一致していた[50,65,66]。認知機能の改善は、プラセボ群では皮質の厚さに差はなかったが体積の有意な減少がみられたのに対し、CMA群では皮質の厚さの肯定的な変化と海馬亜野の体積の維持によって支持された。重症AD患者には、緩和的支援を除いて現在の治療法がないため、重症ADに有益な効果がある可能性があるというわれわれの発見は特に価値がある。臨床的重症度とは別に、さまざまな臨床変数が治療効果に関連していることが観察された。例えば、ALTが低く、代謝負荷（すなわち、HbA1cとインスリンレベルの上昇）が高い患者やCBC値が低下している患者は、CMA治療によく反応した。

CMAの経口投与の効果は、マルチオミクス分析プラットフォームを用いた患者の血漿中のタンパク質と代謝物の包括的分析によって立証された。この臨床結果は、ミトコンドリア機能障害の明らかな証拠を示した600人以上のアルツハイマー病患者のゲノムスケールの代謝モデリングと一致していた[40]。また、CMAを経口投与した動物でADに関連する組織学的パラメータの改善を示した動物モデルの結果とも一致している[67]。したがって、本研究は、AD患者の代謝性変化を改善するのに役立つ可能性のある有望な治療法を示唆している。

AD発症における海馬と前頭頭頂部の変性の役割を考慮すると、代謝刺激後に海馬亜野の体積と皮質の厚さが改善するという我々の神経画像観察は驚くべきことではなかった。ここでは、CMA群では海馬体積と前頭葉および頭頂葉皮質の厚さが有意に改善したのに対し、プラセボ群ではプラスの効果は観察されなかった。この結果は、ADの主要な認知脳領域におけるCMA群の治療効果を示唆するものであった。

健康な被験者を対象とした数多くの研究から、代謝と認知的な脳ネットワーク構成が強く関連していることが示唆されている[68,69]。このことは、脳にとって最も代謝負荷の高い高次認知タスクに特に当てはまり、「燃え尽き」によって、脳は神経細胞の代謝機能障害によって特徴づけられる神経変性や加齢に関連した変化を起こしやすくなる[70]。代謝補因子は、3段階の戦略によってミトコンドリア代謝を改善する：(1)L-カルニチンはミトコンドリア膜を通過する脂肪酸の輸送を促進し、(2)NAD+前駆体であるニコチンアミドリボシドはミトコンドリアにおける脂肪酸のβ酸化を促進し、(3)セリンやNACを含むGSH前駆体は、ミトコンドリアにおける脂肪酸のβ酸化の増加によって生じるフリーラジカルを介した酸化ストレスから肝臓を保護するために必要なGSHを形成する。したがって、CMAの認知促進効果に関する我々の結果は、認知ネットワークの代謝負荷と、そのような代謝介入に対する反応性に関連している可能性がある。

ADの病態においてミトコンドリアの著しい機能障害が起こっていることを示すデータが増えている[71]。我々の以前の研究では、CMA投与がミトコンドリアにおける脂肪酸酸化を効果的に促進し、de novo GSH合成によって酸化ストレスを緩和することを報告した[34–39]。しかし、これらの有益な効果がどのように構造的異常と認知的異常の両方に寄与しているかは不明であり、さらなる評価が必要である。現在の文献に基づけば、NAD+レベルを高めることは、認知機能の低下に関与する脳のエネルギー代謝と酸化ストレスの回復に役立つ可能性がある。動物モデルを用いた研究では、NRやNMNなどのNAD+前駆体が神経炎症を正常化し、学習や運動機能を改善し、マイトファジーを誘導し、神経学的損傷から保護することが示されている[72–77]。これと並行して、高齢動物の酸化還元ホメオスタシスを維持することで、NMDA受容体の活性化を維持できる可能性があり、認知機能の低下を防ぐことが示されている[78]。最近の研究では、アストロサイトの解糖がシナプスのNMDA受容体を介して認知機能を制御していることが報告され、AD患者に対する利用しやすい治療法としてL-セリンの経口投与が示唆された。同様に、NAC療法はPD動物モデルの海馬においてNMDA受容体の活性化を回復し、酸化傷害を軽減することが示されている[80]。CMA投与による酸化ストレスの除去は、AD関連病態に伴う脳機能低下に対する合理的な生物学的説明を示唆しているが、さらなる機序の研究が必要である。

本研究のプロテオーム解析により、ADの病態形成に重要な役割を果たすいくつかの重要なタンパク質のレベルが著しく変化していることが明らかになった。例えば、MertK[81,82]、EGFR[83,84]、オンコスタチン[85–89]、PAD4[90,91]、LTGF[92–96]、および神経炎症、アミロイド産生、アポトーシスの強力な誘導因子として知られるTPO[97]のレベルが有意に低下していた。対照的に、Klotho[98,99]やST3Gal1[100]のような神経保護作用や認知促進作用を持つタンパク質は、CMA投与後に増加した。さらに興味深いことに、分析したタンパク質のほとんどは、最近のヒトAD研究[92-96,101– 107]でも有意に変化していることが示された。KlothoBレベルもCMA処理後に有意に変化しており、補因子および向神経性因子としての神経保護的役割と一致していた。最近の研究では、KlothoBは脳の一部の領域に発現し、学習と記憶に関与するF2F1を通じて、間接的にグルコースとエネルギー代謝を調節することが示されている[106]。さらに、γ-アミノ酪酸（GABA）シグナルは、軽度認知障害（MCI）の進行におけるジヒドロキシ酪酸の増加の有害な影響を媒介する上で重要な役割を果たすことも示されている[108]。興味深いことに、メタボローム解析の結果、治療後にジヒドロキシ酪酸レベルが低下することがわかった。DHBAの代謝的生成に関与する正確な経路はまだ明らかではないが、ジヒドロキシ酪酸レベルは、クレブスサイクルの機能低下による二次的な細胞ストレスの増加に対する代償反応であり、ADにおける代替エネルギー産生経路を作り出しているのではないかという仮説が立てられている[108]。これは、CMAのエネルギー調節効果を示す間接的な証拠である。この研究では 2000を超える脳と400近くの脳脊髄液サンプルを定量的プロテオミクスで評価し、ADにおける全体的な認知機能および病理学的変化と強い相関を示す最も影響を受ける6つの代謝経路の1つとしてミトコンドリア代謝を同定した[109]。したがって、ミトコンドリアの生体エネルギー機構と神経炎症過程に関連するタンパク質が有意に改善されたことは、CMA治療後の認知スコアの上昇と海馬体積の維持と関連していることが観察された。

メタボロミクスのデータは、CMA治療によって期待される生物学的結果と一致していた。血漿中ニコチンアミドおよび関連代謝物のレベルが上昇したことから、NRがミトコンドリアの脂肪酸酸化に十分な基質を提供していることが示唆された。細胞内代謝産物としての役割に加えて、NAD+はDNA修復タンパク質ポリ（ADPリボース）ポリメラーゼ1（PARP1）の必須補因子として機能する[110]。PARP1の過剰活性化とNAD+の減少は、すでにアルツハイマー病患者の脳で確認されている[111,112]。血漿中のセリンレベルも上昇しており、CMA治療がADに伴うセリン欠乏を改善することを示唆している。例えば、最近の研究では、グルコース代謝低下によるアデノシン三リン酸（ATP）減少作用が、経口セリン補給によって回復することが示され、ADに対する即効性のある治療法として経口セリンを使用できる可能性が示唆された[79]。正確な作用機序はシステインにも当てはまる。GSH前駆体として、システインは抗酸化剤および抗炎症剤として作用し、ミトコンドリアのホメオスタシスと、学習と記憶に関与するグルタミン酸などの主要な神経伝達物質系を維持する[113,114]。したがって、NACはADの治療薬として試験され、代替薬としての可能性が示されている[115]。さらに重要なことは、血漿中のカルニチン濃度が有意に上昇したことからわかるように、脂肪酸酸化とカルニチン代謝が有意に促進されたことである。これらの所見は、AD患者では重度のミトコンドリア機能障害と関連して、重度のカルニチン代謝障害が頻繁に起こることを示す最近のヒトのデータとよく一致している[116,117]。Cristofanoらは、正常な状態からADに移行する個体において、カルニチンの血清濃度が漸減することを示し、カルニチンの血清濃度が低下するとADになりやすいことを示唆した[118]。この仮説を裏付けるように、ヒトの臨床研究では、MCIおよびADにおけるカルニチンの認知促進効果が実証されている[119–121]。

さらに、キヌレネート、キヌレニン、トリプトファンベタインを含むトリプトファン代謝物のレベルは、CMA投与後に有意に減少した。これらの代謝物レベルの増加は、高い酸化負荷による神経変性の重症度上昇や臨床的認知障害、神経原線維変化（NFT）の形成と関連している[122,123]。例えば、最近のデータでは、β-アミロイド1-42とトリプトファン・キヌレニン経路の酵素活性化との間に相乗的な関係があることが示され、その結果、酸化ストレスが増大し、これがNFTの形成や老人斑の発生に関連している可能性がある[124]。また、最近の研究で、トリプトファン-2,3-ジオキシゲナーゼがアルツハイマー病患者の脳で高発現し、死後脳の海馬でキノリン酸、NFT、アミロイド沈着と共局在していることが明らかになった[125]。

また、NAA、サルコシン、メチオニン、システイン、S-アデノシルメチオニンが有意に増加し、認知機能に重要な役割を果たすヒスチジン、トリプトファンキノレート、尿素サイクルの代謝物が減少していることが観察された。例えば、NAAの増加は、特にグルコース代謝がダウンレギュレーションされている場合、神経変性過程における細胞間代謝産物輸送のための追加エネルギー源となる可能性がある[52]。同様に、酸化的損傷とグルコース代謝障害が重要な役割を果たす疾患である統合失調症患者において以前に示されたように、サルコシンレベルの増加は認知機能を高める可能性がある[126]。さらに、ヒスチジン代謝の低下や、ホモシステインやS-アデノシルホモシステインなどの他の低下マーカーは、適切に制御されると認知機能の老化を遅らせることが示されている[127]。例えば、血漿中のホモシステイン濃度の増加はADの危険因子として知られているが、低ロイシン・低アルギニン食は認知機能に有益な効果をもたらす[128]。

興味深いことに、CMAは尿酸および関連代謝物のレベルを急速に低下させた。尿酸は、直接またはNLRP3インフラムソームを活性化することによって炎症を刺激する[129]。尿酸の減少が認知障害の退縮にどの程度寄与しているかは不明であるが、その効果は代謝恒常性の改善と関連している可能性がある。例えば、最近の臨床研究では、AD患者において尿素代謝が増加していることが示されている[130]。したがって、タウリンおよび尿素代謝産物レベルの低下は、認知症リスクの低下と関連している[131]。

現在までに、ADにおける代謝産物や代謝経路のグローバルな変化を明らかにした研究はいくつかある[25,132,133]。その中で、脂質代謝の変化もADの病態生理に重要な役割を果たしていることを強調している研究もある[134]。脂質代謝に関しては、AD患者においていくつかの化合物のレベルに有意な差が観察されている。AD患者の脂質を調べた横断的研究[135,136] では、いくつかの傾向が異なっていたにもかかわらず、スフィンゴ脂質、スフィンゴミエリン[137,138]、アシルカルニチン[139] およびホスファチジルコリン[140-142]の血漿中濃度は、AD患者では、疾患の前臨床段階においてさえ、統計的に低い濃度を示した[27]。さらに、AD患者を対象とした研究では、さまざまな脂質代謝産物、タウやアミロイドの病態、脳の萎縮、認知機能の低下との間に有意な相関が観察された[27]。前頭皮質の代謝物に関する剖検研究では、グリセロリン脂質代謝の障害が、ADで変化する6つの中枢代謝経路に関与していることが示された[143]。手短に言えば、スフィンゴミエリン、カルニチン、カルニチン関連副生成物など、AD患者で減少することが以前に報告されていた脂質代謝物のレベルが、CMA治療後に有意に増加することが観察された。

コレステロール代謝物およびジカルボン酸（DCAs）に関するADの臨床データは不十分であったが、CMA投与後にこれらの代謝物レベルが有意に低下することが観察された[144]。本研究で減少が認められたプレグネノロンの代謝産物であるプレグナンジオールおよびβ-またはω酸化の最終産物であるDCAのレベルは、AD患者の尿中で低下することが以前に報告されていた[145,146]。胆汁酸の神経毒性的役割とDCAの酸化特性を考慮すると、本研究で胆汁酸代謝産物およびDCA生成物のレベルが低下したことは驚くべきことではない。同様に、アロプレグナノロンもGABAシグナルを介して認知機能に有害な影響を及ぼすことがすでに報告されている[147]。また、MCIやADでは胆汁酸レベルの上昇が報告されている。対照的に、胆汁酸は前臨床期においてシステイン異化経路を強く阻害し、遊離システインプールの枯渇とGSH濃度の低下をもたらす[148]。

この研究には限界がある。研究の限界の1つは、患者をADAS-Cogスコアの低い群と高い群に分類した後のサンプルサイズが小さかったことである。したがって、脳の機能的および構造的変化に対するCMAの効果を明らかにするためには、よりサンプル数の多い臨床試験が必要である。さらに、今後の研究では、CMA投与後のミトコンドリア機能とβアミロイド1-42、総タウ、リン酸化タウ濃度の変化を分析すべきである。この研究のもう一つの限界は、ApoEの遺伝子型判定が行われなかったことである。このような評価はアルツハイマー病患者のリスク変異の検出に有益であろう。