トランスフォーミング成長因子（TGF-β1）とその受容体の不足が、高齢化でのアルツハイマー病危険因子を説明する

Ineffective levels of transforming growth factors and their receptor account for old age being a risk factor for Alzheimer’s disease

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6926356/

オンラインで2019年12月9日公開

Jeffrey Fessel∗（ジェフリー・フェッセル)

 

要旨

アルツハイマー病（AD）の発症率と活性型TGF-β1の存在は、9歳代半ば以降、同程度の増加を示す。高齢がADの主要な危険因子である理由として、脳内のTGFR2受容体の数が年齢とともに減少し、その結果、TGF-β1および2のレベルが高齢者ですでに上昇しているにもかかわらず、向神経性効果が低下しているという仮説が提案された。別の可能性のある理由も検討されたが、それらの理由が若年者にも影響する可能性があるか、あるいは臨床試験で検証できないという理由で却下された。提案された仮説は、リチウム、メマンチン、そしてグラチラマーまたはベンラファキシンの3つの薬剤を併用することにより、aMCI患者の脳内TGF-β1および2のレベルを上げた後、ADへの進行を評価することで検証できるかもしれない。

1. はじめに

アルツハイマー病（AD）は、加齢に伴って発症することが特徴の一つであるが、その説明は不十分である。これを正しく説明することはヒューリスティックな価値がある。多くの有害事象が徐々に蓄積されるという理由だけで、年齢は必要な因子であるとされてきたが [1]、この議論は失敗している。なぜなら、多くの人が、他の人よりもはるかに若い年齢で、必要と思われるすべての事象にさらされ、若年層と超高齢層の間でAD発症の連続体が形成されるはずだが、観察によれば、家族性ADを除いて、このようなことは起こらないからである。したがって、自然発生的なADがなぜ70歳以降に多く発生するのかを説明する試みは価値があるかもしれない。

1.1. 50歳未満ではめったに見られない他の疾患から得られた手掛かり

ADほど高齢との関係が強い疾患は他にほとんどない。そのうちの2つが側頭（巨細胞）動脈炎と前立腺癌である。側頭動脈炎は、50歳から60歳の間に発症することはほとんどなく、70歳以降に発症することがほとんどである。Brackら[2]は、この疾患の患者から採取した側頭動脈をヒト化マウスに移植すると、TGF-βのmRNAが大量に産生され、その側頭動脈の壁にある細胞がTGF-β1を産生することを示した[3]。前立腺癌に関しては、SteinerとBarackが、前立腺癌細胞株を移植した動物にTGF-βを過剰に発現させた細胞を注入したところ、対照動物に比べて腫瘍が50%大きくなり、肺転移が52%増加したことが確認されている[4]。 dos Reisら[5]は、グリソンスコア7以上の前立腺癌患者のTGF-βの発現量が、グリソンスコア7未満の患者に比べて有意（P < 0.002）に高かったことを示している。

1.2. 以上の報告から、アルツハイマー病の高齢化にTGF-βが関係している可能性が注目されている

神経系ではTGF-β1とTGF-β2の両方が神経、ミクログリア、アストロサイトに作用し、これら全てがADの病因に関与している[6]。失明していない人では、TGF-β2のレベルは年齢が上がるにつれて100歳以上になるまで上昇するが、ADでもTGF-βのレベルは年齢が上がるにつれて上昇する。しかし、この点において、健常者とアルツハイマー病患者との間の重要な違いは、ADの脳ではTGF-βの受容体、すなわちTGFR2が通常よりも約50%低下しており、高レベルのTGF-βがもたらす下流の向神経性効果が最小限に抑えられていることである。したがって、TβR2レベルが低いことによるボトルネック効果を克服するためには、ADで観察されるレベルよりもさらに高いレベルが必要となる。以上のデータは、脳内TGFR2のレベルが低いことに加えて、TGF-β1とTGF-β2のレベルが十分に高くないことが、ADと年齢の間に強い相関関係があることを説明する仮説を示唆している。この仮説は、TGF-βを増加させる薬剤が存在するという点で、発見的価値がある。以下は、上記の記述を裏付ける詳細な証拠である。

1.3. TGFβ-1とTGFβ-2のレベルは、約85歳までは安定しており、その後100歳以上になると増加する。同様に、アルツハイマー病の年間発症率が急激に上昇するのも86歳からである。

Youngら[7]は、22歳と58歳の間でTGF-βレベルに差がないとし、Petersonら[8]は、29.9歳と79歳の健康な人のTGF-βレベルが同じであるとしている。健康な日本人では、40歳から79歳までの間にTGF-βレベルがわずかに低下するか[9]、17歳から70歳までの間に変化がないかのいずれかである[10]。しかし、それ以降の年齢では、Forseyら[11]が報告したデータによると、TGF-β1の血漿レベルは、86歳で32-59歳に比べて突然2.2倍に跳ね上がり、さらに高年齢になっても上昇し続け、90-94歳では86歳に比べて31%も高くなってた。同様に、Carrieriら[12]は、20～60歳の人のTGF-βレベルと73人の百寿者のレベルを比較した。男性の百寿者のTGF-βレベルは60%、女性の百寿者は27%と、若い男性や女性に比べて高かった。つまり、障害のない人では、約86歳でTGF-βのレベルが急激に上昇するが、これは、ADの年間発症率が急激に上昇するのとほぼ同じ年齢である。Hebertら[13]は、最初はADに罹患していなかった65歳以上の1601人を対象に、将来のADの年間発症率を推定した。その結果、85歳以上の発症率は、65～69歳に比べて14倍高く、80～84歳に比べて2.6倍高かった。Gaoら[14]の他のデータによると、全原因の認知症の発生率は上昇し続けており、95歳以上では85-94歳に比べて37.5%も増加している。変曲点は、人生の90年代半ばにある。

1.4. TGF-β1とTGF-β2は向神経性作用がある

TGF-β1とTGF-β2は、ALK5とTGR2からなる受容体複合体と相互作用する。TGR2に結合するとTGR2がリン酸化され、核に移行して遺伝子発現を制御するシグナル伝達物質であるSmadsが活性化される。脳においてTGF-β1とTGF-β2は、向神経性、神経保護、シナプス伝達、神経可塑性を引き起こすことが報告されている。Caraciら[15]は、外因性TGF-β1の投与により、初期段階のLTPが後期段階のLTPに変換されること、内因性TGF-β1のブロックにより、LTPと物体認識記憶が障害され、外因性TGF-β1の投与により回復すること、TGF-β1の効果の一つとして、脳機能にいくつかの有益な効果を持つpCREBの発現増加と相関していることを明らかにした[6]。Kandasamyら[16]は、TGF-β1が幹細胞の静止を促進するものの、神経細胞の生存も促進することを示した。Wachsら[17]は、成体ラット脳室下帯由来の神経幹細胞および前駆細胞を研究した。TGF-β1はそれらの細胞の成長を顕著に阻害したが、TGF-β2はそうではなかった。細胞周期解析の結果、TGF-β1は、G2/M期およびS期からG0/1期への移行を誘導した。しかし、TGF-β1は、ネスチン、TGF-R2,GFAPなどの分化マーカーの発現には影響を与えなかった。最後に、最近の研究では、TGF-β1の血中濃度が低下すると、毒素誘発性脱髄の再髄鞘化が阻害され、外因性のTGF-β1を投与すると再髄鞘化が促進されること、多発性硬化症の動物モデルでは、TGF-β1が神経機能を回復させることが示された[18]。これに関連して、Tarkowskiら[19]は、追跡調査でADに移行したMCI患者は、移行しなかったMCI患者に比べて、TGF-βが30%低いこと、また、ADに移行しなかったMCI患者のTGF-βレベルは、コントロールとほぼ同等（わずか6.2%低い）であることを明らかにした。このように、TGF-β1とTGF-β2の全体的な効果は向神経性学的なものである。Smadsの重要な作用は、マイクロRNAの形成を制御する遺伝子の転写に影響を与えることであり、後述するように、TGFR2を介して、局所レベルのTGF-βが向神経性を支えるのに十分かどうかを決定する。脳におけるTGF-βの複雑な作用機序の詳細については、参考文献[15,[20],[21],[22]を参照されたい。]

1.5. アルツハイマー病の脳では、神経細胞が失われているにもかかわらず、TGF-β1とTGF-β2が逆説的に増加している

アルツハイマー病患者のTGF-βの血中濃度は様々であるが[[23], [24], [25]]、脳内濃度をより正確に反映する脳脊髄液では、5つの報告すべてにおいてTGF-β1が1.1倍から最大6倍まで増加していた[[19,23], [26], [27], [28]]。しかし、Buckwalterら[29]は、マウスの脳でTGF-β1を慢性的に過剰生産すると、神経新生が大幅に減少することを明らかにした。TGF-β1は向神経性作用があるにもかかわらず、高濃度になるとニューロン新生を阻害するという、このパラドックスに対処する必要がある。

1.6. パラドックスの説明。アルツハイマー病の脳では、SmadsとTGFR2の両方のレベルが低下しており、それぞれが高レベルのTGF-β1とTGF-β2による下流の向神経性学的利益を最小化する役割を果たしている。

von Bernhardiら[30]は、その総説の中で、ADの海馬ではSmad3シグナルが損なわれているが、活性化されたSmad2が増加していること、リン酸化されたSmad2/3が核に移動せずに神経細胞の細胞質に留まっていることを指摘している。Tesseurら[31]は、平均年齢80.5歳のアルツハイマー病患者17人と、平均年齢79.0歳の対照者8人の前頭前野を調べた。対照群と比較して、ADの脳におけるTGFR2のレベルは50%低下し、MMSEスコアが0～25のアルツハイマー病患者ではTGFR2のレベルが有意に低下していた。また、Tesseurらは、ADのマウスモデルにおいて、神経細胞のTGF-βシグナルを低下させると、加齢に伴う神経変性が起こり、Aβの蓄積や樹状突起の消失が促進されることを明らかにした。

1.7. TGF-β1,TGF-β2,アストロサイト、ミクログリア、そして加齢

アストロサイトは，TGF-β1とTGF-β2の両方を産生する．Dhandapaniら[32]は，TGF-β1とTGF-β2の両方がアストロサイトから放出され，TGF-β1とTGF-β2の両方がc-Junser-63のリン酸化と活性化を介して神経保護作用を示すことを明らかにした。アストロサイトとミクログリアはともに、TGF-βシグナルに依存する独自のシグネチャーを持ち[33]、TGF-β1によってその抗炎症活性が抑制される[34]。さらに、海馬では、Smad3経路を介したミクログリアのTGF-β1によるシグナル伝達が加齢により損なわれている[35]。MosherとWyss-Corayは、加齢とADの影響の共通点を指摘し、「ミクログリアは、追加の刺激によって過剰反応し、神経変性やADにつながるようなプライミングを受けているのではないか」と示唆している[36]。

1.8. マイクロRNAとアルツハイマー型認知症

TGF-βが加齢とともに非認知症の人でもADでも増加するのはなぜであろうか？マイクロRNA（miRNA）がその説明になるかもしれない。miRNAは、わずか22塩基からなるノンコーディングRNAで、遺伝子の転写後の発現にプラスまたはマイナスの影響を与えることができ、脳内で広く発現しているため、複数の脳機能に影響を与える。佐藤氏は、アルツハイマー病患者222人の脳内のさまざまなmiRNAに関する14件の研究をまとめ、miRNAのダウンレギュレーションがアップレギュレーションの1.4倍であることを明らかにした[37]。Swarbrickら[38]は、文献のシステマティックレビューにおいて、アルツハイマー病患者の血液中で250種類のmiRNAが高齢の対照群と比較して脱調節されていることを示す27の論文を発見し、Braakステージが上がるにつれて脱調節が増加していた。このことは、Brettら[39]が、miRNA 106b-25クラスターが神経幹細胞（NSCs）の増殖を促進し、miR-25をノックダウンするとNSCs/前駆細胞の増殖が低下することを示したことからも、その重要性が強調されている。

1.9. これらの結果から、アルツハイマー病と高齢との関連の一つの理由は、おそらく制御されていないmiRNAによって決定されるTGFR2の減少により、TGFの向神経性作用の効果が低下するからではないかという仮説が導き出された。

ここで提案されている仮説は、アルツハイマー病の基礎とその加齢依存性は、106bのようなmRNAの影響により、脳内のTGFR2受容体の数が加齢とともに徐々に減少することにあるというものである。その結果、TGF-β1とTGF-β2の向神経性効果が損なわれ、ADでは血漿や脳脊髄液中のTGF-β2のレベルが十分に上昇しないということになる。この仮説は、MCI患者においてTGF-β1とTGF-β2の濃度を適切なレベルまで、例えば既存の2倍まで上昇させ、その上昇がMCIからADへの進行を妨げることを示すことで裏付けられるかもしれない。

1.10. 提案されたメカニズムへの反論

このセクションでは、年齢とADに関する競合する仮説とその反論を紹介する。病因的な影響があることは間違いないが、年齢と相関する因子はほとんどない。加齢因子を説明するための注目すべき提案としては、酸化ストレスやフリーラジカルストレス、ミトコンドリア機能障害、インスリン抵抗性、ミクログリアやアストロサイトが関与する炎症、テロメア短縮やその他の遺伝的異常、環境からの影響などがある。これらの提案の多くには対抗策がある。

酸化ストレスに対しては、健康な百寿者は70～99歳の被験者に比べて酸化ストレスが低いことが、マロンジアルデヒドのレベルが低く、GSHのレベルが高いことで示されている[40]。他の研究者は、ADにおける加齢の役割を説明するものとして、ミトコンドリア機能障害とインスリン抵抗性を検討しているが、実際にはこれらはTGF-β1の関与を示している。なぜなら、Bohmら[41]は、TGF-β1がインスリン抵抗性を誘導すると同時に、ミトコンドリア遺伝子をダウンレギュレートすることを示したからである。彼らは、培養中のヒト骨格筋細胞の代謝パラメータに対するTGF-β1の影響を調べ、PPARGC1A、PRKAA2,ミトコンドリア転写因子TFAM、および酸化の主要な制御因子であるHADHAとCPT1BのmRNAの量が有意に減少していることを示した。これらの減少は、TGF-β1受容体1のアンタゴニストであるSB431542を併用することで阻止された。Hoffmannら[42]は、TGF-β1が筋管における複合体1Vの存在量を減少させることを示し、ミトコンドリアへの影響を裏付けるデータを提供した。

次に、脳における炎症の役割は、加齢やADに関連してかなり広範囲に検討されている。Blaskoら[26]は、自然免疫系の老化がグリア細胞の炎症促進状態と関連している可能性を示した。MosherとWyss-Corayは、健康的に加齢した脳とADの脳の両方において、ミクログリア機能の変化が大きな役割を果たしていることを支持するデータを提供しており、この重なりが年齢とADの関連を説明する可能性がある[36]。この指摘に対する反論として、Hoozemansら[43]は、対照群とAD群の両方の脳で、加齢に伴って炎症が衰えていることを確認した。彼らは、CD68とHLA-DP/DQ/DRに対する抗体を用いてミクログリアを識別し、GFAPに対する抗体を用いてアストロサイトを識別し、脳の多くの領域におけるミクログリアとアストロサイトの存在を調べた。さらに、TGF-β1がミクログリアの形成と機能に果たす役割は、Butovskyらの広範な研究によって確立された[33]。

ADの病因に対する環境の影響はよく知られており、アフリカに住むアフリカ人のADの有病率がアフリカ系アメリカ人に比べて有意に低いことからも裏付けられる[44]。すでに述べたように、上記の要因のほとんどは、高齢者だけでなく、どの年齢でも当てはまる可能性がある。

遺伝的入力の役割について、Pedersen ら[45]は、有病率調査と罹患率調査では、遺伝率の推定値が異なる可能性があると説明している。これは、有病率調査と比較して罹患率調査では生存バイアスの可能性が低いのに対し、罹患率調査では生涯にわたる暴露の影響ではなく、新たな症例に関連する暴露のみが対象となるためである。65歳以上の双子ペアを対象とした有病率調査において、Gatzら[46]は65組の双子ペアを同定し、一卵性ペアのADに対する一致率は67%であったが、二卵性ペアの一致率は22%であった。彼らは、ADに対する責任についての遺伝率を0.74と推定し、残りの変動は環境の影響によるものとした。Pedersenら[45]は、発症率に関する研究として、ベースライン時に認知症の症状がなく、平均5年間の追跡調査を受けた52～98歳の双子662組のコホートを同定し、その間に5.8%が平均83.9歳でADと診断された。一卵性双生児26名のうち、少なくとも1名がADを発症し、そのうち5名（19.2%）が一致していた。また、二卵性双生児44名のうち、少なくとも1名がADを発症し、そのうち2名（4.5%）が一致していた。この結果は、これまでの有病者を対象とした双生児研究で報告されているよりも遺伝率が低く、環境の影響が大きいことを示唆しており、80歳以上の高齢者では若年層に比べて遺伝率が低いという証拠は得られないであった。入院患者の遺伝率の推定値は、有病者のそれよりもはるかに低いが、ADへの罹患に対する遺伝的要因の重要性は、人生の後半になってもかなり高い。遺伝的影響の計算が発症率と有病率のどちらに基づいているかにかかわらず、その重要性は議論の余地がない。ここで提案された仮説は、mRNAの転写におけるSmadsの役割や、遺伝子発現に対するmiRNAの影響を介して、遺伝的影響を組み込んだものであることが重要である。最後に、Foreroら[47]が、860人のアルツハイマー病患者と2022人の対照者を含む13の研究のメタ分析で示した、ADにおけるテロメア短縮の問題である。しかし、テロメア短縮が、老化プロセスの生物学的指標、すなわち、サロゲート以上のものであるかどうかは不明である。

このセクションで述べた要因を合わせると、複雑なシステムを形成していると考えることができ、別の場所で説明したように[6]、すべての要因が相互依存的に作用している。複雑性理論に基づいて、年齢が関係する理由は、一定の年数が経過すると、1つまたは複数の相互作用がより強くなり、臨界閾値を超えて、平衡が部分的に崩壊し、MCIになるからだと言えるかもしれない。その後、追加の要因または既存の要因がより強くなることで、システムが完全に崩壊し、認知症になる。しかし、このシナリオでは、MCIであれADであれ、認知機能の変化を引き起こす期間が、観察されている年齢よりもはるかに若い、例えば30～40歳の人には当てはまらない理由を正確に説明できないため、不十分である。Gattaら[48]は、生後3カ月のADモデルマウスと生後12カ月の野生型マウスの変化が重なっていることから、ADでは老化関連遺伝子の発現が早期に起こる可能性を示唆しているが、これは確かにもっともなことで、miRNAに依存している可能性がある。これを裏付けるように、Podtelezhnikovら[49]は、非認知症対照者、ハンチントン病患者、アルツハイマー病患者の600以上の脳の3つの異なる領域を調べ、31,000以上のユニークな遺伝子を解析した。彼らの分析によると、遺伝子の同じ発現と、それによって開始される主要な生物学的プロセスは、正常な脳のPFCで始まり、ADの脳でも継続することが示された。主成分分析では、正常な加齢との有意な相関関係が示されたが（ρ=0.58)ADの脳ではその相関関係は存在しなかった（ρ=0.10）。Podtelezhnikov氏らは、構成遺伝子の異なる年齢での平均発現量に基づいて、「BioAgeスコア」と呼んでいるものを算出した。その結果、最も進行したAD脳のBioAgeは、非健常者の場合、140歳に相当することがわかった。

要するに、遺伝子研究の集合体は、年齢がADの主要な危険因子である理由として、遺伝子の発現が考えられることを強く示唆している。しかし、これに対する現実的な問題は2つある。第一に、アルバート・アインシュタインの「すべてのものは可能な限り単純にすべきだが、それ以上に単純にしてはならない」という言葉が思い出される。第二に、たとえ単純化できなくても、遺伝子発現の多さが説明の有効性を妨げている。

しかし、アインシュタインの言葉を借りれば、今回提案した仮説のように、TGF-β1が他の多くの因子を制御しているために、結果を決定する唯一の要素であると考えることができる。2つの観察結果を合わせると、ADにつながる認知機能の低下と、支配的な危険因子である老齢の両方を説明することができる。第一に、TGF-β1は正常な加齢、特にヒトでは86歳以降に劇的に増加すること[11]、そしてラットでも増加すること[50]。第二に、脳の老化が進むとTGF-β受容体の数が減少し、TGF-βのレベルが上昇しているにもかかわらず、効果的な向神経性作用が減少することである。

1.11. 仮説の検証

仮説は、TGF-βのレベルを上昇させ、それがaMCIからADへの進行を防ぐことを実証することで検証することができる。TGF-βレベルを上昇させる薬剤はいくつかあり、末梢血だけでなく脳内でも作用することが知られているものには、グラチラマー、リチウム、メマンチン、ベンラファキシンなどがある。リチウムとメマンチンは、aMCIからADへの進行を減少させるのに有用である可能性が別の場所で示唆されている薬剤の中に含まれているので、興味深いである（Fessel J. TRCI 2019, In Press）。

002リチウムは、大脳皮質アストロサイトによるTGF-β1の産生を約2倍にした[15]。Leeら[51]は、結果的に変化したサイトカインレベルが有益であるかどうかを判断するために、メタドン維持プログラムを受けている患者のグループに1日5mgのみの用量でメマンチンを投与したところ、12週間後にはTGF-β1のレベルが有意に上昇したとのことである。グラチラマーは、Aharoniら[52]によって、脳内のTH2リンパ球によって産生されるTGF-βの量を約2倍にすることが示された。最後に、Zepedaら[53]は、ベンラファキシンが、脳梗塞の半影でTGF-βの産生を約5倍に増加させ、影響を受けていない半球では3倍以上に増加させることを明らかにした。

この仮説を検証するために使用できる臨床試験の概要は別の場所で提供された（Fessel J. TRCI 2019 In Press）。TGF-βの産生をどの程度まで高める必要があるのかを知る根拠がないため、臨床試験では、リチウムとメマンチン、それにグラチラマーかベンラファキシンの3つの薬剤を組み合わせて使用するべきである。この3剤併用療法をaMCI患者に投与し、ADへの進行に対する効果を評価するのである。

2. 結論

高齢者とADとの関連の理由は、TGF-βの受容体であるTGFR2の脳内レベルが低下しているために、TGF-βのレベルが不十分になっているという仮説を支持する証拠がある。検証は、リチウムとメマンチン、グラチラマーまたはベンラファキシンを併用して、aMCI患者のTGF-βの脳内レベルを上げることが、ADへの進行を抑制するかどうかを評価する臨床試験によって得られるだろう。

研究の背景

1. システマティックレビュー TGF-βには向神経性作用があり、健常者では85歳までは安定した値を示し、その後100歳以上になると増加することが明らかになっている。TGF-βは85-100歳以上の健常者でも増加しているが、アルツハイマー病患者の脳ではTGF-β受容体2（TGFβR2）は正常値の50%程度であること、アルツハイマー病患者のマイクロRNAは高齢者と比較して発現が抑制されており、Braak stageの上昇に伴って発現が増加すること。
2. 解釈する。前述のデータは、ADが高齢と関連する理由の一つとして、TGFβR2の減少が、おそらくマイクロRNAの脱調整によって決定され、TGF-βの向神経性作用の効果を低下させるという仮説を示唆している。
3. 今後の方向性 この仮説は、TGF-βの量を増やして、TGFβR2の減少によるボトルネックを克服し、 amnestic mild cognitive impairmentからADへの進行を防ぐことを実証することで検証できるかもしれない。TGF-βを増加させる薬剤としては、グラチラマー、リチウム、メマンチン、ベンラファキシムがあり、リチウムとメマンチンにグラチラマーまたはベンラファキシムを加えた3剤併用療法が、軽度認知障害からADへの進行を抑制するかどうかを評価するための臨床試験に用いられるかもしれない。