メラトニン 治療効果と神経保護
MELATONIN Therapeutic Value and Neuroprotection

MELATONIN Therapeutic Value and Neuroprotection

• 目次
• 序文
• 謝辞
• 編集者
• 貢献者
• 第1章 メラトニンの生成とバイオアベイラビリティ
• 第2章 加齢と疾患におけるメラトニンレベルとシグナリングの逸脱。　治療の選択肢と限界
• 第3章 松果体の体積とメラトニン
• 第4章 メタボリックシンドロームにおけるメラトニンの有効性　治療への応用
• 第5章 小児科領域におけるメラトニンの治療的応用
• 第6章 周産期の低酸素症-虚血に対するメラトニンの神経保護効果
• 第7章 敗血症の治療薬としてのメラトニン
• 第8章 メラトニンの心筋保護作用
• 第9章 メラトニン：脳卒中における治療的価値と神経保護
• 第10章 神経変性疾患におけるメラトニンの抗アポトーシス活性
• 第11章 MT2メラトニン受容体。睡眠と精神神経系疾患における役割
• 第12章 メラトニン：その肝保護作用とメラトニン受容体の役割
• 第13章 メラトニンシグナルによる原虫の発生と複製の制御と複製の制御におけるメラトニンシグナル
• 第14章 メラトニン：成体海馬の神経発生の調節因子
• 第15章 黒質と中脳辺縁系ドーパミン神経におけるメラトニンの神経保護効果の比較
• 第16章 パーキンソン病におけるメラトニンの神経保護的役割
• 第17章 緑内障におけるメラトニンの神経保護的役割
• 第18章 発癌におけるメラトニン受容体とその予防的役割
• 第19章 メラトニンによるウルソール酸の抗腫瘍活性の増強　大腸癌細胞におけるメラトニンによるウルソール酸の抗腫瘍活性の増強
• 第20章 合成メラトニンレセプターリガンド
• 第21章 合成メラトニンアナログ抗酸化化合物の評価
• 第22章 緑内障におけるメラトニン類縁体
• 第23章 不眠症およびうつ病の治療薬としてのメラトニン作動性薬剤　鬱病の治療薬としてのメラトニン製剤
• 第24章 Agomelatine: うつ病と不安症を超える臨床的有用性を持つ神経保護剤　うつ病や不安症を超えた臨床的有用性を持つ神経保護剤
• 第25章 メラトニン作動性抗うつ薬Agomelatineの抑うつおよび不安障害における効果
• 第26章 アルツハイマー病モデルマウスにおけるメラトニンおよびメラトニン作動薬の効果
• 第27章 アルツハイマー病マウスにおけるメラトニンのミトコンドリア保護作用の メラトニン受容体の役割　メラトニン受容体の役割
• 第28章 発育中の脳と網膜の損傷におけるメラトニンとその治療的意義
• 第28章 発育中の脳と網膜の損傷におけるメラトニンとその治療的意義
• 第29章 メラトニンによるヒトプリオン介在性神経毒性の防御
• 第30章 メタンフェタミンの毒性に対するメラトニンの保護作用　神経芽細胞腫細胞におけるメラトニンの保護
• 第31章 メラトニンのドーパミン神経細胞への有益な効果　パーキンソン病モデルラットにおけるメラトニンの効果
• 第32章 メラトニンの抗てんかん作用
• 第33章 メラトニンの鎮痛効果
• 第34章 神経細胞の増殖および分化に及ぼすメラトニンの影響　メラトニンが神経幹細胞の増殖性と分化能に及ぼす影響
• 第35章 コラーゲン合成におけるメラトニンの役割
• 第36章 末梢神経損傷におけるメラトニンの使用
• 第37章 メラトニンとそのアゴニストの神経保護的役割 メラトニンの神経保護的役割　デキサメタゾン誘発性神経毒性に対するメラトニンの神経保護作用
• 第38章 メラトニンは非ステロイド系抗炎症薬の副作用に対して保護的な役割を果たすか？　非ステロイド系抗炎症薬の副作用に対するメラトニンの保護作用は？ 第39章 メラトニン：薬理学的側面と臨床的動向
• 第40章 放射線誘発性腎毒性におけるメラトニンの保護効果
• 第41章 メラトニンと家族性地中海熱
• 第42章 骨組織の骨芽細胞と破骨細胞の活動に対するメラトニンの効果　骨組織の骨芽細胞と破骨細胞の活動に対するメラトニンの影響
• 第43章 フィト・メラトニン：自然の中でのメラトニンの新しい治療法の側面

はじめに

メラトニンは，1958年に皮膚科医のAaron B. Lernerによってウシの松果体から初めて単離された。それ以来、メラトニンの機能に関する論文は何千も発表されているが、その作用はいまだに解明されていない。しかし、メラトニンの性質や、睡眠の開始から気分や行動の制御に至るまでの多様な生理作用については、この20年間で大きく進展した。その主な理由は、メラトニン受容体の同定とクローニングに拍車がかかり、アルツハイマー病やパーキンソン病などの神経変性疾患やがんに見られる受容体の機能変化に関する研究が行われたからである。さらに、メラトニンそのものよりも優れた薬物動態プロファイルを示す、いくつかの選択的および非選択的なメラトニン作動薬の発見により、メラトニンの機能についての知識を深めることができた。

これらのメラトニン作動薬を神経疾患や精神疾患に使用した数多くの臨床試験では、脳疾患の治療にこれらのメラトニン作動薬が効果的に使用されていることが証明されている。これらの前臨床および臨床研究は，メラトニンの性質，受容体結合機能，および治療の可能性に関連して，メラトニン研究に新たな展望を開いている。

本書の目的は、メラトニンとその受容体の健康における機能的重要性、およびメラトニンとそのアゴニストががん、アルツハイマー病、パーキンソン病、てんかん、脳卒中、心血管障害などの疾患において治療効果を発揮するメカニズムについて、包括的な概要を示すことである。これらのテーマに焦点を当てた各章は、特定のメラトニン分野の専門家や、メラトニンやメラトニン誘導体（催眠薬のラメルテオンや抗うつ薬のアゴメラチンなど）を治療に使用している臨床研究者によって執筆されている。

本書は、メラトニンに関する研究を行っている大学院生や研究者だけでなく、この分野に関心のある臨床研究者、神経科医、精神科医、医師にも役立つだろう。さらに重要なことは、本書が研究者や臨床医にメラトニンの治療の可能性をさらに調査する動機となることである。

8 メラトニンの心臓保護の役割

8.1 はじめに

概日生体リズムの臨床的重要性は、心筋梗塞、複雑な不整脈、心臓突然死などの心血管イベントの概日分布を示す多くの研究によって強化されてきた(Dominguez-Rodriguez et al., 2009a)。急性冠動脈閉塞症は、西欧諸国における罹患率および死亡率の主要な原因であり、世界保健機関によれば、2020年までに世界の主要な死因になるとされている（Lopez and Murray, 1998）。

冠動脈の血栓性閉塞は、時間依存的に心内膜下から心上膜下まで伸びる不可逆的な心筋細胞傷害のウェーブフロントを引き起こすという認識から、急性心筋梗塞に対する再灌流療法が導入された（Reimerら、1997年）。再灌流療法には、血栓溶解療法や経皮的冠動脈形成術などがある。虚血／再灌流障害は、これらの状況のいずれにおいても観察されている(Moens et al., 2005)。

メラトニンは多様な機能レパートリーを持ち、心臓やその他の循環器系を含む基本的にすべての器官に作用する（Dominguez-Rodriguez et al.） メラトニンは、ラジカル酸素種（ROS）およびラジカル窒素種（RNS）に対して、直接的なフリーラジカル消去作用および間接的な抗酸化作用を介して心臓保護特性を有する。メラトニンは、様々な活性酸素種や活性窒素種と効率的に相互作用し、また、抗酸化酵素をアップレギュレートし、プロオキシダント酵素をダウンレギュレートする。さらに、メラトニンは血圧降下作用、脂質プロファイルの正常化、抗炎症作用を示した。メラトニン濃度の不足によるこれらの心臓保護作用の欠如は、虚血性心疾患を含むいくつかの心血管病態と関連している可能性がある（Tengattiniら、2008年、Dominguez-Rodriguez. 2009b、Reiterら、2010a）。

メラトニンは、受容体を介したメカニズムと受容体に依存しないメカニズムの両方で心血管の病態生理に影響を与えると考えられている(Dubocovich and Markowska, 2005; Tengattini et al., 2008)。古典的なメラトニン膜受容体（MT1およびMT2）は、心臓および血管系全体に存在している。さらに、メラトニンの核結合部位も存在する。受容体に依存しないメラトニンの作用は、メラトニンおよびその代謝物の抗酸化物質としての機能に関連している(Tan et al., 2007; Peyrot and Ducrocq, 2008)。

8.2 動物実験におけるメラトニンと心臓虚血／再灌流

低酸素/再酸素状態の心臓の生理機能および形態に対するメラトニンの有益な効果を確認した研究が発表されている（Tengattini et al.、2008年）。Kanekoら（2000）は、30分間の虚血および30分間の再灌流を行ったラットの単離心臓において、メラトニン（100μM）を注入すると、心室頻拍および心室細動の持続時間が有意に短縮され、心室機能が回復することを示した。同時に、Lagneuxら（2000）は、メラトニンのフリーラジカル消去活性が、虚血・再灌流後の異常な心臓生理と梗塞体積の両方を減少させ、心機能を回復させることを確認した。また、Kacmazら（2005）は、メラトニンが虚血・再灌流による酸化的心臓損傷に対して保護効果を持つことを確認している。

Sahnaら（2002、2003）は、内因性の生理学的濃度のメラトニンがこのような研究の結果を変えるかどうかを初めて検討した。この実験では、ラットに外科的に松果体を切除して内因性のメラトニン濃度を低下させ、2ヵ月後に松果体を切除していない対照群とともに心臓の虚血／再灌流障害の研究に用いた。左冠動脈を7分間閉塞し、その後7分間の再灌流を行ったところ、松果体摘出ラットは対照ラットに比べて心筋梗塞の程度が有意に大きかった。さらに重要なことは、松果体を欠損したラットの虚血／再灌流誘導後の死亡率が63％であったのに対し、松果体を欠損していないラットでは25％にとどまったことである（Shanaら、2002、2003）。これらの知見は、内因性メラトニンレベルが、低酸素および再酸素化のエピソードの間、心臓を保護することを示唆している。さらに、Shanaら（2005）は、メラトニンの抗酸化作用の一部は、スーパーオキシドディスムターゼ、グルタチオンペルオキシダーゼ、グルタチオンレダクターゼ、グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼに対する刺激作用と、誘導性一酸化窒素合成酵素に対する阻害作用に由来するのではないかと考えている。

Grossiniら（2011）は、ブタにメラトニンを投与すると、MT1/MT2受容体とβアドレナリンを介した一酸化窒素の放出により、主に冠動脈血流と心機能が増加することを報告している。これらの知見は、メラトニンが心血管機能を生理的に調節し、心筋保護作用を発揮するメカニズムについての新たな情報を提供するものである。

8.3 ヒトを対象とした研究におけるメラトニンと冠状動脈疾患

いくつかの研究によると、心血管疾患のあるヒトは、心血管の著しい悪化がない年齢をマッチさせた被験者に比べて、循環しているメラトニンレベルが明らかに低いことが示されている（Dominguez-Rodriguez et al.2012b）。

メラトニンと冠動脈疾患との関係を示したヒトでの最初の臨床研究は、Bruggerら（1995年）によって発表された。Bruggerらは、冠動脈疾患患者の02:00に測定した血漿メラトニンレベルの低下を報告した。さらに、他の研究者が冠動脈疾患患者の主要なメラトニン代謝物である6-スルファトキシメラトニンの夜間尿中排泄を調査し、メラトニン産生率が低いことを示した（Sakotnikら、1999年、Girottiら、2000年、Vijayasarathyら、2010年）。さらに、Yaprakら（2003年）は、血管造影で冠動脈疾患が確認された患者において、夜間のメラトニン合成および放出の低下を実証した。同様に、心臓症候群Xの患者では、血清メラトニンレベルの夜間の上昇が、年齢をマッチさせた心臓病のない人と比較して減衰している（Altunら、2002年）。同様に、Dominguez-Rodriguezら（2002年）は、急性心筋梗塞の患者と、冠動脈疾患が認められない被験者を対照として、メラトニンの血清レベルと酸化ストレスのパラメータを分析した。その結果、急性心筋梗塞は、夜間の血清メラトニン濃度の低下と酸化ストレスの増加を伴うことが明らかになった。

特に興味深いのは、冠動脈疾患の患者におけるメラトニンの予後を左右する役割が明らかになってきたことだ。この点について、Dominguez-Rodriguezら（2006年）は、急性心筋梗塞の患者において、夜間のメラトニン濃度が低いと、6ヵ月間の追跡調査で心臓の有害事象が予測されることを示した。Zaslavskayaら（2004年）は、心筋梗塞後の心不全患者（New York Heart AssociationでステージII～IIIと評価）を対象に、心筋収縮機能に対するメラトニンの効果を研究した。その結果、メラトニンには抗狭心症および抗虚血作用があり、収縮機能の改善が認められた。さらに、内因性メラトニンは、心筋梗塞後の慢性期における左心室リモデリングの予測に重要な役割を果たすことが示されている（Dominguez-Rodriguez et al.、2012c）。

重要なのは、一次経皮的冠動脈インターベンションを受けた急性心筋梗塞患者では、血小板内メラトニンと梗塞の原因となった冠動脈の血管損傷との間に関係があることがわかったことである（Dominguez-Rodriguez et al.） 興味深いことに、Samimi-Fardら（2011年）が行った最近の症例対照研究では、MT1の一塩基多型（rs28383653）と冠動脈疾患との間に有意な関連性があることが示された。

最近の研究では、一次経皮的冠動脈形成術を受けた急性心筋梗塞患者において、メラトニン濃度と心筋虚血のバイオマーカーである虚血修飾アルブミンとの関係が確認されている。これらのデータは、メラトニンが強力な抗酸化剤として作用し、虚血／再灌流によって引き起こされる心筋障害を軽減することを示唆している（Dominguez-Rodriguez et al.、2008年）。Dominguez-Rodriguez氏とその共同研究者は、これらの科学的証拠をもとに、第2相臨床試験を開始した（ClinicalTrials.gov番号：NCT00640094）。Dominguez-Rodriguez氏らは、急性心筋梗塞患者において、一次経皮的冠動脈インターベンションの直前にメラトニンを静脈内投与することで、虚血・再灌流障害が抑制されることを実証しようとしている（Dominguez-Rodriguez氏ら、2007年）。さらに、他の著者らは、メラトニンの冠動脈内注入が虚血・再灌流に関連した心筋障害を抑制できるかどうかを検証している（ClinicalTrials.gov番号NCT01172171）。

これらの研究の重要性は、メラトニンが外因性投与（経口、静脈内、皮下）によって速やかに生体内に分布するという事実によって強調される。メラトニンは親油性の分子であり、生理的な膜を通過して心筋細胞に容易に入り込むことができる。メラトニンの細胞内濃度が最も高いのは、ミトコンドリアレベルである。ミトコンドリアは、フリーラジカルの発生や酸化ストレスの主要な部位であるため、このことは特に重要である（Tengattiniら、2008年、Dominguez-Rodriguezら、2010a）。

8.4 メラトニンと高血圧性心筋症

高血圧性心疾患とは、高血圧以外の原因がなく、病的な左心室肥大が認められる疾患である。高血圧性心疾患は、心筋細胞の成長促進や非心筋細胞の変化など、心筋構造の複雑な変化を特徴とし、心筋のリモデリングを誘発し、最終的には左心室機能を悪化させ、心不全の発生を促進する。現在では、動脈性高血圧症の心筋リモデリングには、心筋細胞と非心筋細胞に作用する機械的経路、神経ホルモン経路、サイトカイン経路を介した多くの病理学的プロセスが関与していることが認められている（Gonzalezら、2012年）。

メラトニンが血圧の調節に少なくとも部分的に関与していることは、説得力のある証拠である（Paulis and Simko, 2007; Simko and Pechanova, 2009a,b）。特に、血清内因性メラトニンレベルの夜間の上昇は、夜間の血圧低下に関連しているか、あるいはその原因となっている可能性がある（Enjuanes-Grau et al.） メラトニンを介して夜間の収縮期血圧および拡張期血圧が低下する人を「ディッパー」と呼び、夜間に昼間の血圧レベルを維持する人を「ノンドッパー」と呼ぶ（O’Brienら、1988年、Scheerら、2004年）。

自然発症した高血圧ラットの夜間の血清にはメラトニンの濃度が低下しており、メラトニンを投与すると血圧が正常範囲に低下することがわかっている（Kawashimaら、1984年、Kawashimaら、1987年）。自然発症した高血圧ラットでは
92 Melatonin: Therapeutic Value and NeuroProtection 6週間のメラトニン投与（10 mg/kg）により血圧が低下し、これは間質性腎組織の炎症の減少、酸化ストレスの減少、および腎臓における炎症性転写因子の減衰と関連していた（Navaら、2003年）。

メラトニンレベルの低下は、ノンディッパーの過緊張に苦しむ被験者にも見られる（Jonasら、2003年）。高血圧患者に3mgのメラトニンを就寝1時間前に投与すると、血圧の昼夜リズムに改善が見られ、特に女性では夜間の低下が鈍化した（Cagnacci et al.、2005年）。同様に、メラトニン2.5mgを夜間に1日1回摂取すると、本態性高血圧の男性被験者の血圧が正常範囲に低下した（Scheerら、2004年）。

メラトニンは左心室肥大の発生を防ぐことはできなかったが、このインドールアミンは左心室のヒドロキシプロリンの含有量と濃度を減少させた。このメラトニンの抗線維化作用は、酸化的負荷の減少と関連していた。したがって、メラトニンはその抗酸化作用により、肥大した左心室の線維化を抑制することができ、これは機能的にも望ましいと考えられる（Reiterら、2010b）。

8.5 メラトニンと心血管アテローム性動脈硬化症

動脈硬化は慢性的な血管疾患であり、炎症と酸化ストレスが主な原因因子として考えられている。プラーク形成の初期段階では、炎症性サイトカイン、酸化した低密度リポタンパク質、および／または内皮シアストレスの変化によって引き起こされる内皮の活性化が関与している（Dominguez-Rodriguezら、2009c）。

いくつかの研究では、低密度リポタンパク質の酸化に対するメラトニンの抗酸化作用が調べられている。また、メラトニンは、高コレステロール血症ラットにおいて、血漿中の総コレステロール、超低比重リポタンパク質コレステロール、および低比重リポタンパク質コレステロールサブフラクションを低下させることが示されている（Tengattiniら、2008年）。メラトニンは、内因性コレステロールのクリアランスを増加させることで、これらの効果を発揮すると考えられる。メラトニンは親油性であるため、低密度リポタンパク質粒子の脂質相に容易に入り込み、脂質の過酸化を防ぐ。Dominguez-Rodriguezら（2005年）は、急性心筋梗塞の患者において、酸化した低密度リポタンパク質の夜間の血清レベル上昇と、循環しているメラトニンレベルの低下との間に関連性があることを示した。これらの知見は、メラトニンが総コレステロールを低下させ、高密度リポタンパク質を活性化させる一方で、低密度リポタンパク質の酸化を抑制するという考え方を裏付けるものであり、一般的には心血管疾患の予防につながると考えられている（Tengattini et al.）

8.6 結論

メラトニンは、いくつかの器官、特に松果体で産生されるインドールであり、心臓の病態生理に影響を与える様々な作用を持っている。心臓レベルでのメラトニンの保護作用には、受容体を介さない抗酸化物質としてのメラトニンの機能に加えて、おそらく心筋細胞に存在する膜メラトニン受容体が関与していると考えられる。

メラトニンは、高血圧、虚血／再灌流障害、心肥大など、心血管の病態生理に関して様々な有益な作用を有することは明らかである（図8.1）。動物実験とヒト実験の両方から得られた実験データは、メラトニンがいくつかの心血管疾患の治療に有用であることを示唆している。

メラトニンはヒト（Seabraら、2000年）および動物に生理学的および薬理学的な量で投与されており、非毒性の分子であることは広く認められている。これらの症状の深刻さとメラトニンの尋常ならざる低毒性を考えると、このインドールを用いた臨床試験は非常に正当なものである。動物実験で得られた知見が全くの誤解でない限り、メラトニンはヒトの心臓レベルでも同様の保護作用を持つと思われる。

14 メラトニン成体海馬の神経形成の調節因子

14.1 はじめに

海馬のニューロン新生は、成人の脳の歯状回で新しいニューロンが生成されることで成り立っている（Kempermann et al.2004a）。海馬の神経発生プロセスに関する最初の報告は、1960年代のJoseph Altmanの研究に由来する（Altman and Das, 1966）。その後の研究では、成人期の海馬に新しいニューロンが存在することが支持された（Cameron and McKay, 1999; Gage et al., 1998; Gould et al., 1997; Gould and Tanapat, 1999; Horner et al., 2000; Kempermann et al., 1997; Kuhn et al., 1996; van Praag et al., 1999）。成体の海馬の神経発生は、放射状グリア細胞（NS-RGC）の特徴を持つ神経幹細胞（NSCs）に由来する（Kempermann et al.） NS-RGCは非対称性の分裂を経て、急速増幅細胞と神経芽細胞の亜集団を生み出し、これらの細胞は未熟な神経細胞を形成し、最新の段階では新しい神経細胞を形成して既存の脳回路に組み込まれる(Ge et al., 2006, 2007; Kempermann et al., 2004a,b; Nollet et al., 2012; Zhao et al., 2006b, 2008)。このプロセスが海馬で起こるのは、未熟な細胞と成熟した細胞のいくつかの集団が共存する許容的な微小環境が存在するためであり、神経発生を促進する（Palmer et al.） このように、新しいニューロンの生成は高度に制御されたプロセスであり、メラトニンなどのホルモンの関与が報告されている(Ramirez-Rodriguez et al., 2009)。

14.2 成人のニューロン新生

成人の神経形成は、成人期に中枢神経系（CNS）の2つの標準的な領域、嗅球（OB）と海馬で行われる。新しい神経細胞は、側脳室の脳室下帯(SVZ)や海馬の歯状回の顆粒下帯(SGZ)に存在する神経幹細胞から発生する(Alvarez-Buylla and Garcia-Verdugo, 2002; Kempermann et al., 2004a)。

SVZ-OBシステムでは、NS-赤血球が増殖し、急速に増幅する前駆細胞や神経芽細胞集団を生成し、これらが移動して神経細胞に分化し、最終的にOBの神経細胞ネットワークに統合される可能性がある（Alvarez-Buylla and Garcia-Verdugo, 2002）。

海馬においても同様に、NS-RGCはSGZに存在し、そこで分裂して急速に増幅する前駆細胞と神経芽細胞を生み出す。これらの細胞は顆粒細胞層（GCL）に移動して完全に分化し、ニューロン回路に統合される（Gageら、1998年、Geら、2007年、Kempermannら、2004a）。

14.3 海馬の神経細胞の発達

海馬では、SGZに存在するNSCsのゆっくりとした分裂から成人の神経発生が始まる（Kempermann et al.） NS-RGCは放射状のグリア性の特徴を持ち、細胞骨格を構成する中間フィラメントのファミリーに属するグリア線維酸性タンパク質（GFAP）や未分化細胞マーカーのネスチンなどのマーカーを発現する（Kempermann et al.） タイプ1細胞として知られるNS-RGCは、非対称な分裂を経て、神経前駆細胞（NPC）に相当する急速に増幅する集団を生み出す（Kempermann et al.）

神経性海馬の発生に関与する各細胞集団の特異的なマーカーとして使用されるタンパク質の一時的な発現を考慮すると、神経発生のさまざまなイベントを研究することが可能である（Kempermann et al.、2004a）。このように、表現型の分析により、タンパク質発現マーカーに応じて細胞を3つのタイプに分類することができた。タイプ2a、2b、3である。タイプ2aとタイプ2bの細胞は、GCLに平行な短い神経突起を示すが、タイプ2aの細胞はネスチンを発現しGFAPを発現しないのに対し、タイプ2bの細胞はネスチンを発現し、ダブルコルチン（DCX）を発現し始めるのが特徴である。興味深いことに、移動におけるDCXの役割を考慮すると、タイプ3の細胞はDCXを発現しているがネスチンは発現しておらず、GCLに統合された垂直樹状突起を示している。このプロセスの次の段階である海馬では、未熟な神経細胞がGCLを横切る長い樹状突起を示す。未熟な神経細胞がポストミトーシス状態になると、DCXはカルシウム結合タンパク質であるカルレチニン（CR）と共発現し、続いてカルビンディンと核タンパク質（NeuN）も共発現する（Brandtら、2003年、Kempermannら、2004a、Plumpeら、2006年、Rao and Shetty. 2004年）。この最終段階では、細胞は完全に分化しており、その電気生理学的特性は古いニューロンと同様である（Zhao et al.

14.4 成熟した海馬のニューロン新生の制御

海馬のニューロン新生は広く制御されているプロセスである（Kempermannら、2004a; Zhaoら、2008）。このプロセスの主な制御は生存段階で行われ、残りは細胞増殖レベルで行われる(Kempermann et al., 2006)。海馬の神経発生の制御は様々な要因に依存しており、その中でもニッチまたは微小環境が重要な役割を果たしている(Palmer et al., 2000)。海馬のニッチは、NS-RGC、アストロサイト、ミクログリア、神経細胞、内皮細胞、およびこれらすべての細胞から分泌される可溶性因子によって構成されている（Palmer et al.、2000）。非常にダイナミックな形で、これらの細胞はすべて、神経新生を促進するだけでなく、自らの細胞集団を維持するためにも相乗的に働いている（Palmer et al.、2000）。

また、海馬の神経形成過程を促進する因子として、神経伝達物質（GABA、グルタミン酸、セロトニンなど）が挙げられる（Bolteus and Bordey, 2004; Ge et al, 2010年、Petrusら、2009年、Platelら、2007年）；成長因子（すなわち、線維芽細胞成長因子、FGF、上皮成長因子、EGF、血管内皮成長因子、VEGF）（Bick-Sanderら。2006；Fabelら、2003；Kuhnら、1997）；ニューロトロフィン（すなわち、脳由来神経栄養因子、BDNF；ニューロトロフィン-3、NT-3）（Babuら、2009；Barnabe-Heider and Miller. 2003；Taliazら。また、ホルモン（プロラクチン、成長ホルモン、メラトニンなど）も含まれる（Bridges and Grattan, 2003; Crupi et al.） これらの要因に加えて、身体活動と豊かな環境への曝露は、成長因子とニューロトロフィンのレベルを増加させることにより、神経化学的変化に伴って神経新生を促進する（Bick-Sanderら、2006年、Brownら、2003年、Fabelら、2009年、Kempermannら、2010年、Nithianantharajah and Hannan. 2006年、van Praagら、1999年）、図14.2。

先に述べた調節因子の重要性は広く報告されているが、海馬での新しいニューロンの生成に影響を与える負の調節因子も存在する。負の要因としては、ストレス（Bessa et al., 2009; Gould and Tanapat, 1999; Mirescu and Gould, 2006; Mirescu et al., 2004; Schoenfeld and Gould, 2012）、トルエンやコカインなどの乱用薬物（Bowman and Kuhn, 1996; Paez-Martinez et al, 2013年）、あるいは加齢に伴い（Couillard-Despresら、2009年、Fabel and Kempermann. 2008年、Hattiangady and Shetty. 2008年、Heineら、2004年、Klempin and Kempermann. 2007年、Kuhnら、1996年、Ramirez-Rodriguezら、2012年）。

成体の海馬の神経形成との関連では、保存された内因性物質であるメラトニンが、いくつかの細胞プロセスを調節する役割を果たすことで注目されている（AlAhmed and Herbert, 2010; Bellon et al, 2007; Benitez-King, 2000, 2006; Caballero et al.）

14.5 メラトニン（MELATONIN)

松果体の主要産物であるメラトニンは、概日周期の暗期に同期して周期的に合成される（Reiter, 1991）。メラトニンは、細胞膜の受容体（Dubocovich, 1991, 1995）や細胞内シグナルカスケードの活性化を介して、多面的な神経生物学的役割を果たしている（Bellon et al, 2007; Benitez-King, 2000; Ortiz-Lopez et al.） さらに、メラトニンはフリーオキシドラジカルを除去し、神経保護剤として作用し（Reiter, 1998a）、微小管、マイクロフィラメント、中間フィラメントなどの細胞骨格成分の再編成を調節することもできる（Bellon et al.） 興味深いことに、メラトニンレベルは、加齢やいくつかの神経精神疾患において著しく低下し、睡眠パターンに影響を与える概日リズムの乱れを示す（Brusco et al.2000）。また、前臨床研究では、メラトニンの抗うつ剤様作用が示唆されている（Crupi et al.）

先に述べたいくつかの側面が海馬の神経細胞の発達に影響を与えていることを考えると、メラトニンは海馬における成人の神経形成との関連で興味深い分子であることがわかる。

14.6 メラトニンとニューロン新生

14.6.1 初期の研究成果

成体の海馬の神経発生、特に細胞増殖におけるインドールの役割に関する最初の証拠は、出生後のラットから得られた（Kimら、2004年）。さらにin vitroで行われた研究では、メラトニンが胚性神経幹細胞やラット中脳由来の細胞の細胞増殖および分化を促進することが明らかになった（Kongら、2008年、Moriyaら、2007年）。しかし、大人になってからの海馬の神経形成におけるメラトニンの役割は、環境的な合図によって異なるように調節されている可能性がある（Romer et al.）

14.6.2 生理的条件

神経細胞の発達におけるメラトニンの特異的な役割を指摘した研究がいくつかある。C57Bl6マウスにメラトニンを投与すると、細胞の増殖に影響を与えることなく、生まれたばかりの細胞の生存率を高めることができる。さらに、メラトニンは、海馬の歯状回でDCXの発現およびDCX/CRの共発現によって同定されたイマチュア・ニューロンを正に制御する。同様に、メラトニンは、部分的にホルモンの膜受容体が関与するメカニズムで、in vitroで成体海馬由来の前駆細胞の分化を促進する（Ramirez-Rodriguez et al.、2009）（図14.3および14.4）。興味深いことに、メラトニンとランニングの組み合わせは、そのプロネージョン効果が広く実証されているパラダイムであり、C3H/HeNマウスの海馬のニューロン新生を促進する(Liu et al., 2013)。C57Bl6マウスとは逆に、メラトニン単独では、C3H/HeNマウスの神経新生を変化させることはできなかった（Liu et al.、2013）。しかし、メラトニンを補給したBalbCマウスでは、細胞の増殖と生存にホルモンのポジティブな効果が見られる(Ramirez-Rodriguez et al., 2012)。

また、メラトニンは、げっ歯類の海馬におけるDCX細胞の人口を増加させる（Ramirez-Rodriguez et al.、2011）。この効果は、新しい未熟なニューロンの樹状突起の複雑さの増加を伴う（Ramirez-Rodriguez et al.） この効果は、メラトニンが微小管の再配列を調節することからも興味深い。DCXは微小管結合タンパク質であり、神経芽細胞での発現に加えて、未熟な神経細胞でも発現している。） したがって、メラトニンは、細胞骨格成分の調節を通じて、海馬の新しいニューロンの樹状突起の複雑さを調節する可能性がある。

14.6.3 非生理的条件

14.6.3.1 ストレス

海馬のニューロン新生は、うつ病の主要な促進因子であるストレスの影響を受ける(Bessa et al., 2009; Caspi et al., 2003; Tanti et al., 2013)。海馬の神経形成過程に関与する細胞集団はグルココルチコイド受容体を発現しており（Garcia et al.、2004）、神経形成がストレスの影響を受けやすくなっている（Bessa et al.、2009；Gould and Tanapat、1999；Schoenfeld and Gould. 2012）。また、神経精神疾患ではメラトニンレベルが低下する。前臨床研究では、いくつかの行動テストでテストされたホルモンの抗うつ剤のような作用が示されている（Bruscoら、2000年、Crupiら、2010年、Ramirez-Rodriguezら、2009年）。このように、メラトニンによる神経新生の増加と抑うつ行動の減少の相関関係は、ホルモンを前処理したげっ歯類や、さらにメラトニンを投与したストレスマウスで示されている。興味深いことに、メラトニンと他の薬剤（うつ病の治療薬であるブスピロンなど）を併用することでも、神経新生が促進され、げっ歯類やヒトでの行動が改善される（Favaら、2012年）。

14.6.3.2 虚血

海馬のニューロン新生は虚血の影響を受けるが、メラトニンを投与すると、マウスではメラトニンの投与を1日遅らせるだけで、成熟したニューロンの生存率が向上し、ニューロン新生が増加することが示されている（Kilic et al.） この細胞の変化は、運動行動の改善と並行して起こった（Kilicら、2008年）。しかし、全体的な虚血にさらされたスナネズミの脳では、メラトニンがイマチュアDCXニューロンに与える主な効果は、海馬の領域であるCornus Amonios 1（CA1）で観察されるが、歯状回には変化をもたらさない（Rennieら、2008年）。

14.6.3.3 照射

メラトニンが放射線の悪影響を軽減するだけでなく、その代謝物であるN(1)-アセチル-N(2)-ホルミル-5-メトキシキルナミン(AFMK)が、げっ歯類において放射線の悪影響を改善する能力があることを裏付ける証拠がいくつかある(Manda et al., 2008)。興味深いことに、メラトニンは放射線照射による海馬の神経新生の阻害を軽減する。具体的には、メラトニンを前処理することで、DCXの発現で識別される未熟な神経細胞およびKi67増殖性細胞に対する放射線照射の悪影響を有意に減少させる（Manda and Reiter, 2010; Manda et al.） 同様に、メラトニンの代謝物であるAFMKは、放射線照射による神経発生への影響を改善する（Manda et al.、2008）。メラトニンの有益な効果は、認知機能の改善も伴う（図14.4）。

14.6.3.4 加齢

加齢に伴い、海馬の神経新生とメラトニン濃度は低下する（Bruscoら、2000；Kuhnら、1996）。したがって、加齢に伴う海馬の神経形成の低下は、脳内環境の変化に関連している可能性がある（Villeda et al.、2011）。メラトニンの投与は、海馬のニューロン新生にポジティブな影響を与える（Ramirez-Rodriguezら、2012年、Rennieら、2009年）。ラットでは、メラトニンを補給することで神経発生が促進され、特にDCX細胞の数が維持された（Rennie et al.） さらに、ノルマル・エイジング期にメラトニンを補給すると、細胞の増殖と生存、およびBalbCマウスの歯状回にある未熟なDCXニューロンに対するポジティブな制御が行われる（Ramirez-Rodriguez et al.） 実際、少なくともBalbCマウスでは、メラトニンは、DCXの発現で決まる海馬の神経新生を維持または遅延させるタイムウィンドウ効果を示していた。このことは、メラトニンに加えて、神経新生プロセスに対する他のポジティブな因子も加齢に伴って低下することから興味深い（Bruscoら、2000年、Villedaら、2011年）、図14.4を参照されたい。

14.7結論

成人の海馬の神経形成は、広く制御されたプロセスであり、その制御因子の一つであるメラトニンの役割が重要視されている。この点に関して、本章で検討した証拠は、生理学的および非生理学的条件下で、細胞増殖、生存、新しいニューロンの成熟に作用することによって、メラトニンが海馬の神経細胞の発達に関与していることを裏付けている。これらの事象は、個人の遺伝的な差異により、メラトニンによって異なる制御を受けている（Kempermann et al.）

メラトニンによる細胞レベルでの制御に加えて、メラトニンが認知機能を向上させたり、抑うつ行動を減少させたりすることは、神経精神疾患の治療にメラトニンをアジュバントとして使用することを支持するために、さらなる調査が必要な興味深い分野である。

また、メラトニンが海馬の神経発生を調節するメカニズムについても、さらなる研究が必要である。特に、メラトニンが、海馬の新しい神経細胞の機能に重要な役割を果たす、海馬の神経細胞の発生中に起こる形態的変化を促す細胞骨格のさまざまな構成要素の再編成を含むいくつかのメカニズムを通じて作用することを考えると、そのメカニズムの解明が必要である。

27 メラトニンのミトコンドリア保護作用

アルツハイマー型認知症マウスにおける

メラトニン受容体の役割

27.1 アルツハイマー型認知症

認知症の患者数は世界で3,500万人、20-30年には6,000万人以上、2050年には1億人以上になると予測されている。このような認知症患者の急増や医療費の高騰を受けて、認知症を予防したり、発症を遅らせたりする治療法が求められている。この点において、メラトニンは、ある種の認知症の発症を遅らせる可能性のある化合物として同定されている。本章では、認知症の中でも最も多く見られるアルツハイマー病（AD）の治療薬としてのメラトニンの可能性と、メラトニンとその細胞内受容体が果たす役割について述べる。

アルツハイマー病は、臨床的には記憶障害と機能障害を特徴とし、最終的には認知機能の低下が進行する。アルツハイマー型認知症の患者の多くは65歳以上である。アルツハイマー型認知症の発症率は、65歳以降、約5年ごとに倍増する。85歳を過ぎると、そのリスクは50%近くに達する。また、アルツハイマー病の発症には、遺伝的要因と環境的要因の両方が関与しているため、家族歴も大きなリスク要因となる。

ADは、主に海馬と大脳皮質の領域で発症し、細胞外のアミロイドβ（Aβ）プラークや細胞内の可溶性Aβ、微小管関連タウタンパク質のリン酸化による細胞内の神経原線維変化（NFT）の存在が特徴的である。家族性または早期発症型のADは、AD全体の約5%を占め、一般的には、14番染色体に存在するプレセニリン-1（PS1)プレセニリン-2（PS2）遺伝子、または21番染色体に存在するアミロイド前駆体タンパク質（APP）遺伝子の変異が原因とされる。これらの家族性疾患のうち、最も多く（～85%）を占めるのがPS1の変異によるものである。ADの約95%は散発性であり、年齢が最大の危険因子である。遅発性アルツハイマー病（LOAD）に関連する最大の遺伝的要因は、アポリポタンパクE（APOE）遺伝子のε4対立遺伝子である（Corder et al 1993年、Strittmatter et al 1993）。LOADの20〜25%はこの遺伝子が関与していると考えられる。APOE遺伝子は、ヒト脳内の主要なコレステロール結合タンパク質であるアポリポタンパク質Eをコードしており、3つの多型対立遺伝子（ε2,ε3,ε4）が存在し、その結果、6つの異なる遺伝子型（ε2/ε2,ε2/ε3,ε2/ε4,ε3/ε3,ε3/ε4,ε4/ε4）が生じる（Bu 2009; Mahley 1988）。ε4対立遺伝子が1つでも存在すると、ADを発症する可能性が3～4倍に増加する（Bertram and Tanzi 2008; Corder et al 1993）。ADの進行に影響を及ぼす先行因子としては、心血管疾患、喫煙、高血圧、II型糖尿病、肥満、外傷性脳損傷（TBI）などが挙げられる（Mayeux and Stern 2012）。

27.2 ADの一因としてのミトコンドリア機能障害

広告の要因としてのミトコンドリア機能障害

ミトコンドリア機能障害は、加齢に伴って発生し(Chomyn and Attardi 2003; Harman 1972; Kujoth er al 2005; Wallace and Fan 2009)、また、加齢に伴って発生する多くの疾患の病態生理にも寄与している。ミトコンドリア機能障害とADの関連性はよく知られている（Parker 1991; Perry er al)。 1980; Sorbi er al)。） ミトコンドリア機能障害の結果として頻繁に発症する酸化還元バランスの崩れや酸化ストレスは、老化やADなどの神経変性疾患で観察されている。この酸化ストレスは、ミトコンドリアDNA、電子伝達系(ETC)などのミトコンドリアタンパク質、ミトコンドリアリン脂質、特に不飽和脂肪酸を多く含むカルジオリピンなど、ミトコンドリアの重要な構成要素の損傷につながる可能性がある。ETC複合体の機能に必要なETCタンパク質やカルジオリピンが損傷すると、ETCの酸素消費量、ATP産生量、ミトコンドリア膜電位が低下し、さらに活性酸素産生量が増加する可能性がある。また、このようなミトコンドリアの損傷は、ミトコンドリアのダイナミクス（分裂、融合、輸送、ミトコンドリア生合成、マイトファジーなど）の調節不全をもたらし、深刻な場合には、ミトコンドリアを介するアポトーシスを引き起こすことが示されている。ミトコンドリアの損傷は、アミロイド斑に隣接した部分で最も深刻であることが示されている（Xie er al 2013a）。

ミトコンドリア機能障害は、その程度に応じてさまざまな影響を及す。少量のミトコンドリア機能障害は、典型的にはわずかにROS産生を増加させたり、ATPレベルを低下させたりするが、逆行性シグナルを活性化させ、ミトコンドリア生合成の増加によって補うことができる。ミトコンドリア機能不全の結果として起こるミトコンドリア生合成の2つのシグナルには、ROS産生の増加とAMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）の活性化がある。この2つのシグナルは、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体γ共役因子1α（PGC-1α）の活性化につながる。このPGC-1αは、核内呼吸因子-1および2,エストロゲン関連受容体-αなどの転写因子と結合し、ミトコンドリアを標的とするタンパク質の発現を増加させる。ミトコンドリアへのダメージが大きくなり、ミトコンドリアの生合成の増加やマイトファジーによるダメージを受けたミトコンドリアの分解では補えなくなると、ミトコンドリアの機能障害が生じ、細胞死に至る。

アミロイド斑は、ADの2つの主要な表現型マーカーの1つであることから、アミロイド斑の形成を薬理学的に減少させたり、いったん形成されたアミロイド斑を分解して脳内のアミロイド斑成分を除去したりするための多くの戦略が採用されてきた。残念ながら、抗アミロイド薬は、AD治療においてほとんど成功を収めていない（Herrmann er al)。） そのため、ADの他の表現型を攻撃するような、新しい多面的な研究戦略を採用する必要がある。しかし、ADのミトコンドリア機能障害を標的とした治療法は、まだヒトの患者を対象とした方法論的な検証が行われていない。いくつかの研究グループは、死後のアルツハイマー病患者の脳（Bubber et al 2005）および家族性ADのトランスジェニックマウスモデル（Hauptmann et al 2008）において、ミトコンドリアのクエン酸サイクル酵素およびETC複合体（主に複合体IV）の活性が変化していることを発見した。また、ミトコンドリアのATP合成酵素のレベルも、ADの脳では低いことがわかっている（Schagger and Ohm 1995）。具体的には、ミトコンドリア機能障害は、ロンドンとスウェーデンのAPP二重変異株トランスジェニックマウスの最も初期の症状の一つである（Hauptmann er al 2008）。ミトコンドリア機能障害は、これらのマウスでは、Aβペプチドが細胞外に沈着する前の年齢である生後3か月で発症し、記憶障害よりもはるかに早い時期に発症している。したがって、ミトコンドリア機能障害は、ADのイニシエーションイベントである可能性がある。この考えは、ADのミトコンドリアカスケード仮説として正式に提唱されている(Swerdlow er al 2013; Swerdlow and Khan 2004)。

Aβの二量体と思われるオリゴマーは、ミトコンドリアETCのシトクロムcオキシダーゼを阻害することが報告されている（Crouch er al 2005）。この相互作用や複合体Iとの相互作用（Munguia er al 2006）により、AβはETCからの活性酸素種の産生を増加させ、最終的にはミトコンドリア内膜の伝染性遷移孔が開くことで細胞死に至ると考えられる。この現象により、ミトコンドリアの酸化的リン酸化が解除され、シトクロムcやアポトーシス誘導因子（AIF）などのミトコンドリア因子が細胞質に放出され、カスパーゼがアポトーシスプログラムを実行する。ミトコンドリアマトリックスのペプチジルプロリルシス-トランス異性化酵素であり、ミトコンドリアの伝染性遷移孔の開口を促進するAβ結合タンパク質であるシクロフィリンDをノックアウトすると、ADモデルマウスの学習・記憶およびシナプス機能が向上する（Du er al)。 これに関連して、APPsweの過剰発現は、ミトコンドリアのシクロフィリンDをアップレギュレートし（Manczak er al 2010)ミトコンドリアの伝染性遷移孔の開口部を促進し、細胞死を引き起こす。高濃度のAβは、ミトコンドリアETCを阻害するだけでなく、TCAサイクルの酵素活性を低下させ（Bubber et al 2005年)ミトコンドリアの分裂と融合の速度を変化させ（Manchak et al 2011年)マイトファジーの速度を低下させ（Santos et al 2010年)ミトコンドリアの軸索輸送を減少させることが示されている（Calkins et al 2011）。

しかし、ミトコンドリアの機能障害が、ヒトのADの病因、特にADの後期発症型に関連するシナプスや神経細胞の損失において、開始的な役割を果たしているかどうかは議論の余地がある。ミトコンドリア機能障害が他のAD病態の結果であることはまだ証明されていないかもしれない。この点については、ADモデルにおいてミトコンドリア機能が正常であるという報告がいくつかなされている。例えば、ADモデルマウスのシナプス前神経終末では、ミトコンドリア機能はほぼ正常に見えた（Choi er al 2012）。しかし、ADのプラークの共通成分であるAβ（Pereira et al 1998年)NFTの成分であるリン酸化タウ（David et al 2005年)晩発性ADの主要な危険因子であるアポリポタンパク質E4（Chang et al 2005）が、それぞれミトコンドリア機能障害を引き起こすことは、ADのミトコンドリア病因を強く支持するものである。

27.3 メラトニンは様々な方法でADマウスのミトコンドリア、細胞、脳の機能を保護する

メラトニンは古くから時差ぼけの解消や概日リズムの修正に用いられてきた。しかし、より良好な薬物動態プロファイルを持つ放出制御型製剤が開発されてからは、病気の治療における抗酸化剤としての使用の可能性が高まっている（Lemoine and Zisapel 2012）。メラトニンは、総睡眠時間とレム睡眠時間を増加させるために使用することができる（Dijk and Cajochen 1997）。Aβやその他の代謝老廃物は、睡眠中の脳から覚醒時よりも速やかに除去されるため、睡眠自体がADを予防することができる（Xie er al 2013b）。このことから、概日リズムの乱れは、ADの結果ではなく、原因の一部ではないかと指摘する人もいる（Bedrosian and Nelson 2012）。メラトニンは、ビタミンEのような他の多くの抗酸化物質に比べて、脳に自由に浸透するという利点がある（Lahiri er al)。） メラトニンは、APPトランスジェニックマウスの寿命を延ばし(Matsubara er al 2003)、APP/PS1マウスの認知機能障害を予防することが報告されている(Olcese er al 2009)が、認知機能障害が始まった後にメラトニンの投与を開始した場合、認知機能障害を回復させることはできなかった(G. Arendash, unpublished data)。また、マウスADモデルにおいて、メラトニンの投与を人生の後半に開始した場合、酸化ストレスやアミロイド負荷に対するメラトニンのプラス効果はほとんどないとした研究者もいる（Quinn et al 2005）。メラトニンはまた、ADモデルマウスの脳において、免疫反応性のAβレベル（Olcese et al 2009）およびタンパク質のニトロ化（Matsubara et al 2003）を減少させることが示された。メラトニンは、Aβオリゴマー化の防止（Olcese er al 2009; Pappolla er al)。 1998)活性酸素種による損傷の防止（Ionov er al 2011)アルツハイマー病のアミロイド（Dragicevic er al 2011）やリン酸化タウ（Peng er al 2013）が増加した状態でのミトコンドリア機能の安定化によって、マウスのADを遅延させるという仮説が立てられている。ある研究では、Tg2576変異アミロイド前駆体タンパク質を発現したADマウスに、生後4～8ヶ月間メラトニンを投与しても効果がないことから、生後8～12ヶ月間メラトニンを補給することが重要であるとしている（Peng er al 2013）。

27.4 メラトニン受容体

細胞膜には、メラトニンの2つの受容体、MT1とMT2が確認されている。これらのメラトニン受容体は、7つのパスを持つGタンパク質共役型受容体（GPCR）であり、ホモまたはヘットに二量化することができ、異なるGタンパク質αサブユニットのアイソフォームを用いて、異なる細胞内で複数のシグナル伝達経路を介してシグナルを伝達することができる。メラトニンはこれらの受容体に対してサブナノモルの親和性を持ち（Dubocovich and Markowska 2005)夜間に松果体からの分泌物が増加してメラトニンレベルが上昇すると、受容体が活性化されることになる。MT1とMT2の遺伝子は、それぞれクロモソーム4qと11qに位置し、55%の同一性を持ち、350と365のアミノ酸長を持つタンパク質をコードしている。受容体の細胞内部分には、カゼインキナーゼ1および2,プロテインキナーゼA、プロテインキナーゼCのリン酸化部位が存在する。MT1とMT2は、特に脳の視交叉上核に高密度に存在し(Liu er al)。 1997)、メラトニンと結合して日周リズムに影響を与える。メラトニン受容体のシグナル伝達の典型的な作用は、ヘテロ三量体Gタンパク質を解離させることであり、GαサブユニットとGβγサブユニットが様々なシグナル伝達経路と相互作用する。メラトニン結合後の視交叉上核では、Gαi2およびGαi3アイソフォームがアデニル酸シクラーゼ活性を阻害することが報告されている（Brydon et al 1999）。この事象はcAMPレベルを低下させ、下垂体アデニル酸シクラーゼ活性化タンパク質（PACAP）を介したCREBの活性化を低下させ、概日時計に影響を与える（Travnickova-Bendova er al 2002）。

cAMPを介したシグナル伝達の阻害に加えて、メラトニン受容体はGqカップリングを介してホスホリパーゼCシグナルを活性化することができる(Chan er al 2002)。これにより、Ca2+を介したプロテインキナーゼC（PKC）のリン酸化カスケードが活性化される。これらのシグナルは、カルモジュリンキナーゼや、p38,JNK、ERKなどのマイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）シグナル伝達キナーゼを活性化する。また、メラトニン受容体の活性化によって、PI3キナーゼ/Akt経路が刺激されたり、電位依存性カルシウムチャネルや大コンダクタンスカルシウム活性化カリウムチャネルなどのさまざまなイオンチャネルが開かれたりする可能性があるという証拠もある（Hardeland 2009b）。メラトニンは、GPCRを介したこれらの作用に加えて、キノン還元酵素2,レチノイドZ受容体（RZR）やレチノイド酸受容体関連オーファン受容体（ROR）などのオーファン核受容体、カルモジュリン、カルレティキュリンなどのタンパク質とも直接相互作用することができる（Reiter er al 2010）。メラトニン受容体関連タンパク質GPR50は、メラトニン受容体と45%同一のオーファンGPCRであり、MT1に結合してアンタゴニストとして機能することができる（Levoye er al)。） これらのデータから、メラトニンとメラトニン受容体は、多くの異なる複雑なシグナル伝達機構を介して作用し、細胞の生理機能に影響を与えていることが明らかになった。

メラトニンのMT1受容体とMT2受容体は、細胞機能において補完的な役割を果たしている。MT1受容体は、同じではないが似たような場所に存在する。MT1は、視交叉上核、小脳、海馬、黒質、その他多くの組織に存在するが、MT2受容体の発現は、視交叉上核を含む脳にほとんど限定されているが、他のいくつかの組織でも発現が認められるが、MT1ほどではない（Dubocovich and Markowska 2005）。視交叉上核では、MT1受容体とMT2受容体は異なる役割を果たしているようである。MT1受容体の活性化はニューロン活動の急性抑制につながり、MT2の活性化は概日リズムの位相シフトにつながる（Hunt er al 2001; Liu er al)。 1997）。脳切片を用いたこれらの研究のいくつかは、MT1受容体を特異的にノックアウトしたマウスや、MT2の特異的阻害剤である4P-PDOTを投与したマウスでも確認されている（Dubocovich er al 2005）。MT1およびMT2受容体ノックアウトマウスのフェノタイプは微妙であり(Jin er al 2003)、MT1受容体ノックアウトマウスではメラトニンの位相シフト効果がないこと、MT2受容体ノックアウトマウスでは学習・記憶の障害があることを除いて、表現型は主に分子レベルで見出されている(Dubocovich er al 2005, Larson er al 2006)。

27.5 メラトニン受容体と海馬

海馬は記憶に重要な役割を果たしており、ADの機能障害の主な部位である。MT1とMT2の両方の受容体が海馬、特にCA1とCA3領域、小胞体、歯状回に発現している（Musshoff et al 2002）。海馬スライスにメラトニンを投与すると、神経細胞の発火率が上昇し、MT1よりもMT2にわずかに選択性を示すルジンドールでブロックされることが示された。また、メラトニンは海馬スライスにおいて長期増強を阻害することが示されたが、これはルジンドールと、MT2により特異的な阻害剤である4P-PDOTの両方で阻害された（Wang er al 2005）。これらの観察結果を確認するために、MT1およびMT2のノックアウトマウスが用いられた（Dubocovich et al 2005,Larson et al 2006）。MT2が学習と記憶に関与していることを確認するために、MT2ノックアウトマウスを高架式プラス迷路パラダイムで試験した（Larson er al 2006）。その結果、学習が著しく阻害されたことから、長期的なシナプスの可塑性が損なわれていることがわかった。

ヒトの研究では、メラトニンを投与する時間帯によって、学習行動に対するメラトニンの効果が劇的に変化することが示された（Gorfine and Zisapel 2007）。これらの研究により、メラトニンと概日時計が、ヒトの記憶の処理と統合に関与していることが明らかになった。さらに神経画像研究では、メラトニンの投与は、2時間の昼寝と同様に、言語連想テストの成績を向上させる効果があることが示された（Gorfine er al 2007）。今後の研究では、学習行動に対するメラトニンの効果に関するこれらの初期のヒト研究を確認し、メラトニンの投与が有効な他のパラダイムを決定することが必要である。

27.6 マウスにおけるメラトニンMT1受容体のミトコンドリア局在化

メラトニンMT1受容体はマウスの脳ミトコンドリアに局在しているが、MT2受容体はこの細胞内局在には微量しか見られない（Wang er al)。） 興味深いことに、ハンチントン病のR6/2マウスモデルでは、MT1受容体レベルが低下し、ミトコンドリアレベルの低下を含むこの低下は、メラトニンの投与によって遅延し、これらのマウスでは疾患の病理も遅延した。したがって、変異型ハンチンチンタンパク質によって誘発されるMT1受容体の減少が、疾患の一因となっている可能性がある。現在のところ、ミトコンドリアのMT1受容体が脳の生理機能にどのような役割を果たしているのか、また、ADなどの他の神経変性疾患でMT1受容体の減少が起こるのかどうかは不明であるが、MT1受容体のミトコンドリアでの役割を明らかにすることは、神経変性疾患に対するメラトニン治療の保護効果を理解する上で役立つと考えられる。

アルツハイマー病患者の27.7人はメラトニン濃度が低下している

アルツハイマー病患者では、血中および脳脊髄液（CSF）中のメラトニン濃度が低下しているという研究結果から、ADの発症にメラトニンが関与していることが示唆されている（Maurizi 1997）。アルツハイマー病患者では、APOE4ホモ接合体のメラトニンレベルが最も低いことから、ApoE4対立遺伝子の状態もメラトニンレベルの決定に一役買っている（Liu er al)。） 意外なことに、C6グリオーマ細胞では、AD発症に最も関連する対立遺伝子であるAPOE4を発現させると、APOE3やAPOE2を発現させた場合に比べて、メラトニンレベルが上昇した（Liu et al 2012b）。おそらく、神経細胞や初代の非形質転換細胞では、異なる結果が得られるだろう。さらに、髄液中のメラトニン濃度の低下は、ADの神経病理の進行と強く相関しており、前臨床のアルツハイマー病患者はすでに髄液中のメラトニン濃度が低下している。メラトニンレベルの低下がAD発症の初期イベントであることを示唆するこれらの知見に加えて、疫学的研究では、メラトニン治療がアルツハイマー病患者だけでなく軽度認知障害（MCI）患者にも認知機能の改善をもたらすことが報告されている。ADの脳内でメラトニンレベルが低下すると、酸素や窒素のフリーラジカルが敏感な神経細胞を傷つける可能性がある(Srinivasan er al 2010)。

27.8 加齢、パーキンソン病、およびADにおけるメラトニン受容体レベルの変化

MT1およびMT2受容体レベルは、ラット（Sanchez-Hidalgo er al 2009）およびマウスの多くの組織（胸腺を除く）において、加齢とともに減少することが示されている。また、マウスの脾臓では、MT1受容体が加齢とともに増加するという報告もあった（Bondy er al 2010）。MT2受容体のレベルは、マウス(von Gall and Weaver 2008)とヒト(Wu er al 2007)の加齢した視交叉上核で低下した。しかし興味深いことに、スナネズミの海馬ではMT2受容体が加齢とともに増加していた（Lee er al)。） したがって、メラトニン受容体レベルの調節は種特異的であると考えられる。

アルツハイマー病患者の海馬CA-1-4ではMT1受容体レベルが増加することが示されているが（Savaskan et al 2002年)アルツハイマー病患者の海馬や網膜などの他の部位ではMT2受容体レベルが低下している（Savaskan et al 2005,2007）。MT1受容体の発現増加は、メラトニンレベルの低下に対する代償メカニズムであり、MT2受容体レベルの低下やメラトニンレベルの低下は、ADの発症に寄与している可能性がある。加齢に伴うメラトニン受容体レベルの低下に加えて、MT1受容体とMT2受容体の両方が、パーキンソン病（PD）患者の黒質と扁桃体で減少していることが示されている（Adi er al 2010）。メラトニンは、げっ歯類モデルにおいて、PDに伴う運動障害を遅延させることが示されている（Mayo et al 2005）。しかし、この保護にMT1受容体とMT2受容体が果たす役割はまだ不明である。

27.9 メラトニン治療はアルツハイマー病患者に有益な効果を示す

ヒトのアルツハイマー病患者を対象とした予備的なデータによると、メラトニンを補給すると「日暮れ」が減少し、睡眠が改善され、病気の進行が遅くなることが示された（Maurizi 2001）。また、メラトニンをアルツハイマー病患者に投与すると、認知機能のわずかな改善が認められた(Asayama er al 2003; Brusco er al)。 1998, 2000)。さらに、あるレトロスペクティブ・スタディでは、メラトニン治療によってMCI患者の認知機能と睡眠の質が改善されたことが示されている（Furio er al 2007）。

また、いくつかの研究では、メラトニンがアルツハイマー病患者の睡眠時間および睡眠の質を向上させることが示されている（Cardinali et al 2011,Mahlberg et al 2004,Mishima et al 2000）。これらのデータは、メラトニンがADの治療において有益なアドオン薬となる可能性を示唆している。しかし、メラトニンがアルツハイマー病患者の睡眠や焦燥感に影響を及ぼさないことを示した大規模臨床研究もある（Gehrman et al 2009）。したがって、これらの結果を明らかにするためには、より大規模な多施設共同二重盲検プラセボ対照試験が必要である。

27.10 ADの細胞およびマウスモデルにおけるメラトニンの有益な効果

ADモデル細胞を用いた細胞培養研究でも、メラトニン投与により良好な結果が得られている。ほとんどの研究は、家族性ADのモデルである変異APPの過剰発現を用いて行われている。これらの研究の欠点は、これらの細胞がLOアルツハイマー病患者の病理の原動力に対応していない可能性があることである。ApoE4対立遺伝子は、LOADの最も強力な要因であると考えられる。ApoE4は、Aβと結合すると、濃度に応じて毒性のあるフィブリル形成を促進または抑制することができる（Naiki et al 1997）。細胞培養の研究では、メラトニンがApoEに結合して、メラトニンが単独でフィブリル形成を阻害するよりもはるかに高い程度で毒性のあるAβフィブリル形成を阻害することが示されている（Poeggeler et al 2001）。また、メラトニンは、Aβによって引き起こされるミトコンドリアのDNA損傷およびアポトーシスを抑制することが示されている（Pappolla et al 1997,1999）。これらの研究の多くは、メラトニンの有益な作用を、直接的な抗酸化作用（Ionov et al 2011）と、メラトニンが毒性のあるAβ線維の形成を防ぐ能力（Olcese et al 2009）の組み合わせによるものとしている。しかし、いずれの説明も、メラトニンがAβを介したミトコンドリア機能障害を、継代数の少ない若い股関節海馬ニューロンでのみ防止でき、継代数の多い海馬ニューロンでは防止できない理由を十分に説明していない（Dong et al 2010）。この結果は、老化した神経細胞ではメラトニン受容体の発現が低下し、保護効果の一部がメラトニン受容体のシグナル伝達にも影響されていることが考えられる。

メラトニンは、アミロイドβ毒性の多くのげっ歯類研究において、認知機能とプラーク形成に有益な効果を示している（Pandi-Perumal er al)。） 本章で説明するには数が多すぎますので、メラトニンがミトコンドリア機能にポジティブな影響を与える能力に関して、最も関連性の高いものをいくつか挙げておくる。このテーマのより詳細な検討は、以下のレビューに掲載されている（Cardinali et al 2013,Cheng et al 2006,Lin et al 2013,Pandi-Perumal et al 2013,Rosales-Corral et al 2012b）。まず、ある研究では、運動またはメラトニン治療のいずれも、3x-Tg ADマウスの表現型の多くを遅らせることが示された。しかし、メラトニンと運動を併用した場合のみ、ミトコンドリアETC複合体プロテインレベルの低下を完全に防ぎ、ETC電子伝達物質CoQ10の前駆体であるコエンザイムQ9レベルを増加させることができた（Garcia-Mesa er al 2012）。別の研究では、マウスに線維状のAβを海馬に注入すると、細胞およびミトコンドリアへの取り込みにより活性酸素の産生が増加し、呼吸制御比が低下することが示されたが、これは飲用水にメラトニンが含まれているとわずかに増加した。しかし、Aβを介したミトコンドリアF0F1-ATP合成酵素の阻害は、メラトニン投与では改善されなかった(Rosales-Corral er al 2012a)。最後に、我々は、1カ月間のメラトニン投与の能力が、ADマウスのAβを媒介としたミトコンドリア機能障害を大きく回復させ、この回復効果はメラトニンとカフェインを投与したマウスでは鈍化することを示した(Dragicevic er al 2012)。カフェインがメラトニンの効果を部分的に阻害するメカニズムは不明だが、メラトニン受容体のシグナル伝達を阻害することによるものと考えられる。

27.10.1 メラトニンに代わる神経変性疾患治療薬としてのインドール-3-プロピオンアミド

インドール-3-プロピオン酸（IPA）（OXIGON™）は、ほとんどすべての生物に見られる天然代謝物で、メラトニンの近縁種のインドールであり、メラトニンよりも優れた抗酸化物質であり、メラトニンと同様に360 Melatonin: Therapeutic Value and NeuroProtection（メラトニン：治療効果と神経保護）で、酸化促進作用を示さないと報告された（Chyan er al)。 しかし、酸であるために親水性であり、神経変性疾患の治療のために血液脳関門を伝染するのに時間がかかる。それにもかかわらず、IPAを用いたフリードライヒ失調症の第2相臨床試験が2012年に開始された(Gomes and Santos 2013)。IPAの強力な抗酸化作用を発見した同じ研究者グループは、続いて、インドール-3-プロピオンアミド（IPAM）がメラトニンよりも抗酸化作用が強いが、メラトニンの疎水性の性質を保持していることを発表した（Poeggeler er al)。） さらに、ラットに0.5mg/kgをi.p.で投与すると、8時間以上にわたって脳内で高いIPAM濃度が測定できたが、メラトニンやIPAは1時間後には測定すらできなかった。また、IPAMはメラトニンやIPAと同様にチオフラビンTアッセイでAβ凝集を抑制した。このように、IPAMは神経変性疾患の治療において、既知のインドール系抗酸化物質の中で最も高い可能性を示していると考えられる。また、IPAMはワムシの寿命を300%延ばすことも明らかになった（Poeggeler er al 2010）。一方、IPAはワムシの寿命に影響を与えなかった（Snell er al 2012）。我々は、IPAによるN2a-APPswe細胞のミトコンドリア機能の回復が、ルジンドールによって部分的に阻害されることを発表した（Dragicevic er al 2011）。従って、IPAやIPAMのようなメラトニン関連インドールは、メラトニン受容体を利用して、Aβによって引き起こされる損傷から細胞を保護している可能性がある。しかし、これらの観察結果は、動物モデルで検証する必要がある。これらの結果は、メラトニンの放出制御に加えてIPAMが、ADなどの神経変性疾患の臨床試験において有益な効果を示す可能性を示唆している。また、メラトニンの分解産物であるAFMKなどのメラトニン関連化合物も、Aβによる酸化ストレスから細胞を保護する強力な抗酸化剤として期待されている（Poeggeler et al 2001）。

27.10.2 メラトニンおよびIPAMのミトコンドリア機能に対する直接効果

メラトニンは、直接的および間接的なメカニズムでミトコンドリアの機能を高める。メラトニンの結合部位はミトコンドリアの膜上に見出されている（Poon and Pang 1992; Yuan and Pang 1991）。このことは、メラトニンMT1受容体が最近ミトコンドリアに局在化したことで部分的に説明できるかもしれない（Wang er al 2011）。しかし、メラトニンはミトコンドリアの複合体Iにも150pMの親和性で結合する（Hardeland 2009a）。脳内のミトコンドリアETC複合体IおよびIVの活性は、メラトニンによって刺激される（Martin er al 2000）。メラトニンはまた、老化したマウスの脳でも（Carretero er al 2009)ルテニウムレッドを投与されたマウスでも（Martin er al 2000)ETC複合体IV阻害剤のシアン化物を投与されたマウスでも（Yamamoto and Mohanan 2002)ミトコンドリア呼吸を維持する。IPAMは、メラトニンと同様に、より強力に複合体IおよびIV活性を刺激し、FCCP、ドキソルビシン、アンチマイシンAなどのミトコンドリア毒素の存在下でミトコンドリア機能を安定化させる（Poeggeler er al)。）

27.11 メラトニン受容体を介した抗酸化物質のシグナル伝達

メラトニンを投与すると、ラット脳内のMn-SOD (SOD2)、Cu/Zn-SOD (SOD1)、カタラーゼなど多くの抗酸化物質のmRNAレベルが上昇することが示されている(Garcia er al 2010; Gunasingh er al 2008; Kotler er al)。 1998)。また、グルタチオンペルオキシダーゼおよびグルタチオンリダクターゼも、特定の組織においてメラトニンによってアップレギュレートされることが示されている（Carretero er al 2009; Limon-Pacheco and Gonsebatt 2010; Pandi-Perumal er al 2013）。メラトニン受容体の阻害剤であるルジンドールは、さまざまな組織や細胞株において、これらの抗酸化遺伝子の発現上昇を部分的または完全に阻止することが示されていることから、この抗酸化遺伝子発現の上昇は、主にメラトニン受容体シグナルを介して起こるという仮説が立てられている（Adamczyk-Sowa et al 2013,Choi et al 2011,Rezzani et al 2006）。

スーパーオキシドディスムターゼは、スーパーオキシドを過酸化水素に変換した後、ペルオキシソームのカタラーゼまたはミトコンドリアや細胞質のグルタチオンペルオキシダーゼが過酸化水素を水に変換する。ラットにメラトニンを投与すると、老齢ラット脳のミトコンドリアのスーパーオキシドディスムターゼ活性が増加することが示されている（Ozturk er al 2012）。また、加齢によりミトコンドリアのグルタチオンペルオキシダーゼ活性が上昇し、メラトニンがこの反応を阻止することも示された。最後に、加齢に伴うスーパーオキシドディスムターゼとグルタチオンペルオキシダーゼの比率の低下が見られたが、メラトニン処理によって阻止された。したがって、メラトニン処理によって、これらの酵素の正しい若さの比率が維持され、細胞内のスーパーオキシドの増加と酸化的損傷を防ぐことができる。

メラトニンの細胞や組織に対する抗酸化作用には、必ずしもメラトニン受容体が必要ではない。ルジンドールがメラトニンの保護作用を阻害しなかった例がいくつかあり、メラトニンの抗酸化作用は受容体に依存しないことが多いことが示されている（Behan et al 1999年、Lahiri et al 2009,Song et al 2012）。しかし、神経細胞に対するメラトニンの効果については、メラトニンがMT2依存性のメカニズムで神経虚血性脳卒中傷害を予防することが示されている。これは、ルジンドールと、より選択的なMT2アンタゴニストである4P-PDOT（4-phenyl-2-pro-pionamidotetralin）の両方がメラトニンの保護効果を部分的に阻害したためである（Chern er al)。） 同様に、ルジンドールは、マウスの初代アストログリア細胞におけるパルミチン酸誘導による活性酸素レベルの上昇と細胞死に対するメラトニンの保護効果をブロックした（Wang er al 2012a）。したがって、加齢やADにおけるミトコンドリア機能障害に対するメラトニンの保護作用がMT1受容体とMT2受容体のどちらに依存するかを明らかにすることは重要であると考えられる。

27.12 メラトニン受容体アゴニストのAD治療への応用

メラトニン受容体シグナルがAβによるミトコンドリア機能障害を部分的に保護することを示唆する試験管内試験のデータがある一方で（Dragicevic er al 2011)メラトニン受容体アゴニストであるラメルテオンをADモデルマウスに投与したところ、ADの病態がほとんど、あるいは全く保護されなかったという2つの研究結果がある。最初のラメルテオン投与試験では、ADモデルマウスであるB6C3-Tg(APPswe,PSEN1dE9)85Dbo/Jトランスジェニックマウス系統（APP/PS1マウス）を用いた。このマウスに～3mg/kg/dayのラメルテオンを投与したところ、3カ月後には水迷路でのパフォーマンスで判断した認知行動に変化は見られなかった（McKenna er al)。） ラメルテオンを6カ月間投与しても、アミロイドプラークの減少は見られなかった。同じくAPP/PS1マウスを用いた2つ目の研究では、空間記憶能力に対するラメルテオンの効果は認められなかったが、APP/PS1マウスにおいてラメルテオンが海馬のタンパク質酸化をわずかに減少させたことがわかった（Bano Otalora er al)。） しかし、メラトニン受容体アゴニストであるNeu-P11（ピロメラチン）を用いた研究では、Aβを海馬内に注射したラットに50mg/kgのNeu-P11をi.p.投与したところ、新規物体認識やY字迷路の課題の成績が向上し、CA1海馬細胞の減少も少なくなった。Neu-P11を注射したグループは、メラトニンを注射したグループよりも成績が良かった(He er al 2013)。認知機能障害に対するメラトニン受容体作動薬の臨床的使用を支持するさらなるデータとして、ラメルテオンがわずか1日の治療で5人の患者のせん妄を改善したことが示されている（Furuya er al 2012）。

27.13 広告に関連したミトコンドリア機能障害の保護におけるメラトニン受容体の役割

我々は、アルツハイマー病のアミロイドに対するメラトニンの完全なミトコンドリア保護効果には、MT2と思われるメラトニン受容体が必須であることを確認した（Dragicevic er al)。） また、低濃度のカフェイン、cAMP依存性またはcGMP依存性のホスホジエステラーゼ阻害剤は、メラトニンがアミロイドを介したミトコンドリア機能不全を完全に保護するのをブロックすることも確認した。したがって、メラトニン受容体シグナルはアデニル酸シクラーゼ活性を低下させてcAMPレベルを低下させ、ADの海馬のミトコンドリア機能を保護する可能性があり、cAMP依存性ホスホジエステラーゼを阻害することでcAMPレベルを回復させてこの反応を拮抗させる可能性がある。メカニズムはまだ完全には解明されていないが、ADにおけるメラトニンを介した保護作用のメカニズムは、直接的な酸化剤の消去やアミロイド線維形成の直接的な阻害だけではないと考えられる。したがって、メラトニン受容体のシグナル伝達が、メラトニンによるADマウスの認知機能障害の予防に寄与していると考えられる。メラトニン受容体とミトコンドリアの間のシグナル伝達経路を解明することは、メラトニン、メラトニン関連インドール、メラトニン受容体アゴニストが臨床試験に適しているかどうかを判断する上で、次のステップとして不可欠である。

最も端的な仮説は、ADモデルマウスや細胞において、MT2受容体のシグナル伝達の結果、抗酸化防御タンパク質の発現が増加し、ミトコンドリアを酸化的損傷から保護しているというものである。

27.14 メラトニン受容体が老化によるサイクロームc酸化酵素活性の低下を防ぐ役割を果たしているマウス

老化に伴う脳内シトクロムcオキシダーゼ（COX）活性の低下を防ぐ上でのメラトニン受容体の役割を明らかにする実験を行った。実験では、メラトニン受容体MT1とMT2の両方を欠損させたノックアウトマウスの線条体組織を用いた。その結果、MT1とMT2の両方のメラトニン受容体を欠損したマウスでは、16カ月齢の時点でCOX活性が若いマウスに比べて33%も低下していることがわかった（MT1/MT2ノックアウトマウスでは67%の低下、WT対照では50%の低下）。さらに、メラトニンを投与すると、WTマウスではCOX活性の低下が完全に抑制されたが、メラトニンを投与したMT1/MT2受容体ノックアウトマウスでは、16カ月齢までにCOX活性が33%低下した。これらのデータは、加齢に伴うCOX活性の低下を防ぐメラトニンの効果の約半分はMT1またはMT2受容体に依存し、残りの半分は受容体に依存しないことを示している。今後の研究では、加齢に伴うCOX活性の低下を防ぐために、メラトニンのどの受容体が必要なのかを明らかにする予定である。

27.15 メラトニン受容体がマウスのCOX活性の広告誘発性変化から保護する役割

印刷時には未発表のさらなるデータで、メラトニン受容体がAPPswe/sweからの保護に果たす役割を明らかにした。

マウスの線条体におけるAPPswe/PS1によるCOX活性の変化からの保護にメラトニン受容体が果たす役割を明らかにした。期待していたのとは対照的に、我々や他の研究者が異なる遺伝的背景を持つマウスを用いて観察したような、APPsweの発現によるCOX活性の低下は見られなかった（Dragicevic et al 2010; Manczak et al 2006）。実際、我々は、生後13カ月から16カ月の間にCOX活性が顕著に増加することを見出した。また、C57B/6バックグラウンドに部分的に戻し交配したAPP23マウスの腹側線条体のように、APP発現マウスでシトクロムcオキシダーゼ活性の増加を見つけた人もいる（Strazielle er al 2003）。この報告では、COX活性は増加したが、脳の特定の領域でのみであった。また、Tg2576マウスでは生後5カ月でCOX活性が上昇することが示され（Poirier et al 2011年)別の報告では生後7カ月でこれらのマウスでCOX活性が上昇することが示されている（Cuadrado-Tejedor et al 2013）。これらのデータと一致して、Tg2576マウスではミトコンドリア電子輸送遺伝子がアップレギュレートされている（Reddy er al 2004）。しかし、他の多くの研究者は、Tg2576マウスのさまざまな脳領域でCOX活性の低下を示している（Manczak et al 2006,Valla et al 2007,Varghese et al 2011,Zhang et al 2010）。COX活性の低下は、変異型APPの過剰発現とプレセニリン-1および/またはタウの過剰発現を組み合わせたADの二重および三重トランスジェニックマウスモデルでも示されている（Rhein er al 2009; Wolf er al 2012）。

我々は、APPswe/PS1トランスジェニックマウスと交配したMT1/MT2ノックアウトマウスを用いて、メラトニンを投与したマウスまたはメラトニンを投与しなかったマウスの線条体抽出液のCOX活性への影響を調べた。その結果

メラトニンの投与は、MT1およびMT2の発現が正常な条件下では、APPswe/PS1を介したCOX活性の上昇を完全に抑制し、さらにはCOX活性のわずかな低下をもたらした。しかし、MT1/MT2ノックアウトマウスでは、メラトニンを投与しても、APPswe/PS1を介したCOX活性の上昇が統計学的に有意ではないわずかな減少にとどまった（p = 0.3）。したがって、メラトニン受容体は、メラトニンがADに関連したCOX活性の変化を防止する能力に重要な役割を果たしている。APPsweの発現によりCOX活性が低下する条件下で、これらの傾向が維持されるかどうかを判断するためには、臀部-海馬組織や大脳皮質組織、あるいは異なる遺伝子背景のマウスを用いて、これらの実験を繰り返すことが重要である。

27.16 加齢と疾患におけるメラトニン受容体のシグナル伝達によるミトコンドリア機能保護の分子機構

メラトニン受容体シグナルが抗酸化遺伝子の発現を誘導し、ミトコンドリア機能を保護するシグナル伝達経路は、中枢神経系ではまだ明確になっていない。しかし、以下に述べる経路のいずれかを介してシグナルを発していると考えられる。メラトニンがNrf2経路を刺激して、神経系の酸化的損傷を防いだ例が少なくとも4つある。メラトニンは、Nrf2シグナル経路のアップレギュレーションと、神経炎症につながるNF-κBの活性化の防止を通じて、ラットのオカダイン酸誘発記憶機能障害を減少させることが示された（Mendes er al 2013）。Nrf2は通常、Keap1によって細胞質に隔離されている。虚血性脳損傷のような酸化ストレスやニトロソストレスがかかると、Keap1のチロシン473がニトロソ化され、Nrf2が核に放出されず、転写が誘導されなくなる（Tao er al 2013）。メラトニンを投与すると、Keap1の損傷を事前に防ぎ、Keap1がNrf2を放出し、Nrf2が核に移行してDNAの抗酸化応答要素（ARE）と結合し、ストレスへの応答として保護遺伝子を転写することができる。メラトニンがNrf2を活性化することで、ラットのくも膜下出血モデルにおける初期の脳損傷からの保護（Wang er al 2012b)マウスの脳における高線形エネルギー移動（LET）炭素イオン放射線からの保護（Liu er al 2012a)ラットのストレプトゾトシン誘発糖尿病性神経障害における炎症性サイトカインの増加と細胞死から坐骨神経を保護することも示された（Negi er al 2011）。

また、メラトニンは、PGC-1α、FoxO1,NF-κB、p53などの多くの基質タンパク質を脱アセチル化して活性化するニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD）依存性タンパク質脱アセチル化酵素であるSIRT1の発現を調節することができる。これまでに、メラトニンががん細胞株においてSIRT1の発現を低下させた例がいくつかある一方（Cheng er al 2013)メラトニンがストレスに反応して脳内のSIRT1の発現を上昇させたり、低下を防いだりした例が少なくとも3つ報告されている（Hardeland 2013）。例えば、メラトニンは、老化促進モデル SAMP8 マウスでは 10 ヵ月齢での脳内 SIRT1 レベルの低下を防ぎ (Gutierrez-Cuesta er al 2008)、睡眠不足のラット海馬では (Chang er al 2009)、ラットから分離した老化した神経細胞では (Tajes er al 2009)、メラトニンは 10 ヵ月齢での脳内 SIRT1 レベルの低下を防ぎました。

このメラトニンによるSIRT1の活性化と一致するように、メラトニン投与により、白色脂肪細胞のマスターミトコンドリア転写コアクチベーターαの発現が増加し、その一部が褐色脂肪細胞に変化することが示されている（Jimenez-Aranda er al 2013）。PGC-1αは、脳内でSOD2やグルタチオンペルオキシダーゼ-1（GPx1）などの抗酸化遺伝子の遺伝子発現を誘導することが知られている（St-Pierre er al 2006）。しかし、PGC-1αのプロモーターには、転写活性化のためのCREB結合部位が存在している（Ashabi er al)。） そのため、メラトニンがアデニル酸シクラーゼを阻害してcAMPレベルを低下させる能力が、PGC-1αの転写を低下させる可能性があると考えられる。しかし、心筋細胞をカテコラミンで処理すると、アデニル酸シクラーゼ活性が高まってcAMPレベルが上昇し、PGC-1α活性が低下する（Arany er al)。） また、高血圧自然発症ラットの心臓では、CREBの活性化とPGC-1αの活性化に逆相関が見られた。このように、CREBとPGC-1αの活性には必ずしも直接的な相関関係があるわけではない。

SIRT1とPGC-1αの発現には、松果体でのメラトニン合成の周期的変動と同様に、日内変動が見られる組織もある（Asher and Schibler 2011）。肝臓や骨格筋では、このPGC-1αの日中の発現パターンが、オーファン核内受容体であるRORファミリーの共活性化を介して時計遺伝子の発現を刺激することが明らかになっている。Bmal1遺伝子とRev-erb-α遺伝子の発現が顕著に誘導された。PGC-1αの日中の発現は、NAD依存性のSIRT1脱アセチル化酵素の同様の周期的な発現パターン (Asher er al 2008; Nakahata er al 2008) と、ニコチンアミドホスホリボシルトランスフェラーゼ (NAMPT) の日中の発現によって生じるNADレベルとNAD/NADH比の日中の変動 (Nakahata er al 2009; Ramsey er al 2009) の影響を受けていると考えられる。SIRT1は、CLOCK-BMAL1に結合する
3

SIRT1はCLOCK-BMAL1 3ヘテロ二量体に結合し、BMAL1とPER2を脱アセチル化し、PER2を不安定にしてその分解を促す。PGC-1αのリズミカルな発現パターンは、視交叉上核（O’Neill et al 2008）や末梢組織（Wang and Zhou 2010）で見られるCREB活性化の概日リズムにも影響を受けていると考えられる。これらのメタボリックな調節因子の振動とメラトニンの作用、そしてADとの関係については、まだあまり明らかにされていない。

松果体でトリプトファンからメラトニンを産生する酵素は概日時計によって制御されており、また、メラトニン受容体は視床下部の視交叉上核に存在することから、メラトニンがこれらの受容体に結合すると概日時計機構に影響を与えるのではないかと考えられてきた。しかし、意外にも、メラトニンやメラトニン受容体が概日時計遺伝子に及ぼす影響を調べた研究は限られている（Jung-Hynes er al)。） ある研究では、C57BLのメラトニン欠損マウス系統では、C3Hのメラトニン欠損マウス系統に比べて副腎皮質で時計遺伝子の発現が低下していることがわかった（Torres-Farfan er al 2006）。また、別の研究では、メラトニンがMT1受容体に結合することで、マウスの初代線条体培養液中のPER1とCLOCKの発現を低下させることができたが、BMAL1のレベルには影響を及ぼさなかった(Imbesi er al 2009)。また、高血圧ラットの心臓では、メラトニンをリズミカルに投与することで、位相依存的に概日時計遺伝子の発現（Per2およびBmal1）に影響を与えることがわかったが（Zeman er al 2009)視交叉上核では影響が見られなかった（Poirel er al 2003）。具体的には、24時間周期の暗期にメラトニンを投与した場合のみ、心臓における概日時計の発現を強く同期させることができるとしている。このようなメラトニンの効果に、PGC-1α、SIRT1,CREBの発現変化や活性化が関与しているかどうかを調べることは興味深いことである。

AMPキナーゼ（AMPK）は、神経保護経路においてSIRT1の上流および並行して働く。この2つの経路が交差することで、PGC-1αの活性が高まり、ミトコンドリアの生合成が増加する。AMPKはPGC-1αをスレオニン-177とセリン-538で直接リン酸化し、PGC-1αによるPGC-1αプロモーターの活性化を増加させる（Jager er al 2007）。AMPKがリン酸化されると、AMPKのキナーゼ活性が刺激される。メラトニンは、異なるがん細胞株において、AMPKに異なる効果を与えることが示されている（Hardeland 2013）。HT22不死化海馬細胞では、Aβ処理によりAMPKのphosphorylationが上昇したが、メラトニンはこの活性化を阻止した。このAMPKの活性化は酸化ストレスによるものと解釈され、メラトニンは酸化ダメージの発生を防ぎ、AMPKの活性化を阻止したと考えられる。ステアトーシスを起こしている肝臓（Zaouali et al 2013）や、特に運動をしたときの高齢ラットの筋肉や肝臓（Mendes et al 2013）などの一次組織では、メラトニン処理によってAMPKが活性化された。メラトニン投与により、高齢ラットの運動による生理的効果が高まったのである。メラトニン投与がAMPKの活性化につながるかどうか、メラトニン受容体が役割を果たすかどうかを明らかにするために、高齢者やADの脳を対象とした研究も行う必要がある。

加齢や老化関連疾患においては、炎症の増加とミトコンドリア機能の低下に強い相関関係がある。この2つの要因は、老化現象に最も中心的に関係していると思われる。この2つの現象は非常に複雑に関連しているため、一方が他方を誘発していると考えられる。メラトニン投与は、iNOSとシクロオキシゲナーゼ-2の転写活性化を抑制することにより、慢性および急性の炎症を減少させることができる（Costantino et al 1998年、Cuzzocrea et al 1997年、Deng et al 2006）。また、メラトニンは免疫細胞に直接作用して、IL-6,IL-8,TNF-α、接着分子の産生を減少させることが示されている(Esposito and Cuzzocrea 2010)。ADでは、アストロサイトが炎症性サイトカインによって活性化され、iNOSをアップレギュレートして過剰な一酸化窒素を産生する。この一酸化窒素は、神経細胞とグリアの両方でETCのシトクロムc酸化酵素に結合して阻害され、エネルギー低下と組織機能障害を引き起こす。メラトニンは、サイトカインの結合によって活性化されるp38 MAPKシグナル経路を阻害することで、iNOSのアップレギュレーションを防ぐ（Vilar er al 2014）。メラトニンを200ppmで8週間食餌に含めると、老化したマウスの脳で上昇していた多くの炎症性遺伝子の発現が正常化した(Sharman er al 2004)。

メラトニンは、組織の種類や疾患の治療法に応じて、オートファジーを阻害または促進することが示されている（Coto-Montes er al 2012）。多くの病態では、オートファジーの誘導に必要と思われる活性酸素種が増加している。このような状況下では、メラトニンの投与により活性酸素種のレベルを低下させ、オートファジーのフラックスを減少させることが考えられる。

例えば、ロテノン誘発パーキンソン病モデルではオートファジーが増加し、メラトニン投与によりオートファジーマーカーとオートファジー細胞死が減少した（Zhou er al 2012）。メタンフェタミンによるオートファジー細胞死でも同様の観察結果が得られている(Nopparat er al 2010)。しかし、特定の条件下では、メラトニン投与によってオートファジーが亢進することも示されている。メラトニン受容体シグナルがADを防御するメカニズムの一つは、オートファジーの速度を調節することであると考えられる。これに関連して、AD脳ではリソソームの酸性化が阻害されるためにオートファジーが障害され、特定のAD神経細胞でオートファゴソームの蓄積が生じている（Wolfe er al)。） この現象は、プレセニリン-1（PS1）のノックアウトマウスや変異マウスの神経細胞でも観察され、v-ATPaseサブユニットの成熟とリソソームへの振り分けにWT PS1が必要であることが原因であると同定された。さらに、別のグループは、アンフォールドタンパク質反応がADの神経細胞のオートファジーを促進することを示した（Scheper er al 2011）。オートファジーの誘導は、多くの細胞種でAMPKの活性化に依存しており（Meijer and Codogno 2007)メラトニンは前述のように特定の条件下でAMPKを活性化する可能性がある。メラトニンによるオートファジーは、くも膜下出血後の初期の脳損傷において、神経細胞死を防ぐことが示されている（Chen er al)。） また、メラトニンによるオートファジーは、プリオンタンパク質からの神経保護効果をもたらし（Jeong er al 2012)虚血再灌流による細胞死からN2a細胞を保護することが示されている（Guo er al 2010）。さらに、メラトニンは、SAMP8老化促進マウスモデルの脳におけるオートファ-ゴソーム-リソソーム系の老化関連異常を予防した（Garcia er al)。） 残念ながら、メラトニンがADの脳やADモデルシステムのオートファジーに及ぼす影響については、まだほとんど知られていない（Coto-Montes er al 2012）。

27.17結論

メラトニンの毒性は他の潜在的なAD治療薬に比べて非常に低いため、認知機能障害を遅らせる効果が説得力を持って証明されれば、メラトニンはヒトのAD治療薬として明白な選択肢となる。メラトニンは、活性酸素種だけでなくペルオキシナイトライトも消去できるため、ビタミンCやビタミンEなどの他の抗酸化物質よりも汎用性が高い（Korkmaz er al)。） また、メラトニンは、他の多くの神経変性疾患や老化関連疾患の治療薬の候補でもある。メラトニン受容体のシグナル伝達を介したミトコンドリア保護の分子メカニズムに関する新たな研究は、ADの疾患進行を妨げるためにメラトニンをどのように利用できるかについての理解を深めることにつながるだろう。

43 植物性メラトニン

自然に近い形でのメラトニンの新しい治療法

Chandana Haldar, Somenath Ghosh, Amaresh Kumar Singh

43.1 導入

19世紀頃、植物がメラトニン(Mel; Kolár et al., 1995)を持っている可能性を示す予備的な研究がいくつかあったが、植物がMelを持っているという明確な証拠は、1995年に科学者によって支持された(Dubbels et al., 1995)。しかし、植物性メラトニンの存在は、ミクロおよびマクロ藻類（Balzerら、1998年）、特に紅藻類（Rhodophyta, Lorenz and Lüning, 1998年）、後生動物（Hardeland, 1999年）、および他の光独立栄養微生物（Hardeland and Poeggeler, 2003年）で科学者によって報告された。他の植物グループの中では、Melの存在はまだ議論の余地があり、さらなる証明が必要である。現在、植物性メラトニンは、いくつかの薬用ハーブを含め、果実、種子などの異なる部分を持つ被子植物にのみ存在すると認められている（Reiter et al.） この事実の背景には、被子植物以外の植物で同じものを検出するための特定の分子的および生物化学的アプローチがないことがある。

しかし、近年、植物からMelを抽出するための新しい方法論が開発され(Mercolini et al., 2008)、また、植物中のMelの存在を検出するために科学者によって設計された効果的なプロトコルも開発された(Cao et al., 2006)。放射性同位元素トレーサーを用いた研究では、セロトニンやインドール-3酢酸（IAA、Murchら、2000年）の合成分子であるトリプトファン前駆体を用いて、植物体内でMelが生成されるという手がかりが得られている。しかし、植物は土壌からもMelを吸収できるという報告もある（Tan et al.、2007）。植物性メラトニンに関する最初の推測は1997年に報告され(Murch et al., 1997)、放射性同位元素トレーサー法を用いて、植物性メラトニンの合成に関する証拠も報告された(Tan et al., 2007)。この研究では、放射性同位元素で標識されたトリプトファンがセロトニンに取り込まれ、さらにMelに変換されることが示唆された。放射性同位元素で標識されたセロトニンの植物体内での回復濃度は、低光量条件下ではMelよりも高かった。しかし、高光量下ではその濃度比は逆転し、高等植物がMelを合成していることを強く示唆している。菌類やバクテリアなどの微生物の多くもMelを含んでいる(Hardeland and Poeggeler, 2003)。これらの微生物が分解されると、Melが直接土壌に到達し、ディアノフラゲラート（Mueller and Hardeland, 1999）から、フィトメラトニンが根に直接吸収され、果実に直接輸送される被子植物まで、多くの植物に直接吸収される可能性がある（Manchester et al.） 注目すべき結論は、植物はまだ解明されていない生化学的メカニズムによってメラメラを合成するか、あるいは異なる供給源からメラメラを調達することができるということであろう。このように、動物と同様、植物においてもメルは多くの生理機能を調節するのに十分な能力を持っている。

43.2 植物におけるフィトメラトニンの分布と量

Melは、経済的に重要であったり、人間や他の草食動物が直接食べることができる様々な植物で研究されてきた(Reiter et al., 2007)。Melは様々な顕花植物の葉、根、果実、種子に遍在していることが報告されている。バナナに含まれるMelは、GC-MSでは0.655 ng/gの濃度であるが(Badria, 2002)、HPLC-MSでは1 ng/gと非常に高い濃度である(Dubbels et al., 1995)。一方，ほとんどの著者は，ラジオイムノアッセイ（RIA）をあらゆる生体分子の検出に最適な技術とみなしており，現在ではほとんどの植物組織に存在するMelの量がこの技術によって検出されている。RIAは、種子のような植物の乾燥部分に含まれる微量のMelを検出するのに十分な感度を有している（Manchester et al.、2000）。したがって、この技術を用いて、ホワイトマスタードの種子（植物組織の189ng/g）とブラックマスタードの種子（植物組織の123ng/g）で最も高い値が測定された。もう一つの経済的に重要な食用植物組織であるトウモロコシ（Zea mays）にはMelが含まれている（～1.878 ng/g of plant tissue; Badria, 2002）。このように、トウモロコシが植物性メラトニンを有していることは明らかである。しかし、植物中のMelの量が生息地やニッチに依存するという報告はない。

43.3 植物におけるメラトニンの役割

43.3.1 サーカディアンタイムの管理

植物におけるメラトニンの合成量は、明暗サイクルのスコトフェイズの長さに依存していることから、動物と同様に植物においてもメラトニンが概日時間の供給に重要な役割を果たしていると考えられている（Kolár and Machácková, 2001）。

43.3.2 フリーラジカル消去能

紫外線照射直後に植物の様々な部位で植物性メラトニン濃度が上昇することから(Tettamanti et al., 2000)、植物性メラトニンは動物と同様に抗酸化物質として植物のフリーラジカル対策に役立つと考えられる(Tan et al., 2007)。このように、植物、特に乾燥種子のようにフリーラジカルを酵素的に解毒する能力が十分でない組織では、メルはフリーラジカルのスカベンジャーとして、また天然の抗酸化剤として積極的に作用していることが示唆される(Hardeland et al., 2007)。

43.3.3 その他の機能

植物では、過酷な環境からの保護(Posmyk et al., 2008)、植物の成長促進(Hernández-Ruiz et al., 2004)、アポトーシスの抑制(Lei et al., 2004)などの機能がある。ほとんどの場合、植物性メラトニンは、主流の分子メカニズムを調節することによって、あるいは他の多くの植物ホルモンや因子によって調節される細胞内メカニズムの一部となることによって、これらの生理的機能を果たすことができる（Tan et al.、2007年）。

43.4 動物におけるメラトニンの役割

メラトニンは昼夜サイクルの暗期に分泌されるため(Claustrat et al., 2005)、暗期の化学的表現と考えられている(Reiter, 1991)。メラトニンは、一年の異なる時期に分泌されるその量と期間に応じて、時計やカレンダーとみなされる(Reiter, 1993)。動物におけるMelの役割を描いた文献は数えるほどしかない。さらに、多くの著者が、概日リズムの調節（Cajochenら、2003年）、免疫調節（Carrillo-Vicoら、2013年）、生殖（Haldarら、2013年）など、動物の様々な生理機能の調節におけるメルの役割について報告している。トカゲ(Haldar and Thapliyal, 1977a)、繁殖(Haldar and Thapliyal, 1977a)、季節性(Wehr, 1997)、ストレス管理(Gupta and Haldar, 2013)、アポトーシス(Sainz et al., 2003)など、トカゲ(Haldar and Thapliyal, 1977b)から反芻動物(Kaushalendra and Haldar, 2012)まで、さまざまな動物モデルにおいて、メルはさまざまな生理機能を調節する。アルツハイマー症候群のような様々な神経疾患や関連する臨床症状を対象としたヒト試験でも、メルは同じように介入し、いくつかの有益な結果をもたらすことが報告されている(Cardinali et al., 2010)。最も重要なことは、日単位での概日リズムの調節（Dubocovich, 2007）と年単位での季節性の調節（Butlerら, 2010）が、メルの多因子機能の中でも特に重要でユニークな側面となっていることである。

43.5 メラトニンと季節性

43.5.1 生殖における季節性

生殖の季節性は、ライフサイクルのさまざまな段階で自然の課題にさらされている野生動物や半野生動物でのみ観察することができる。動物は環境の手がかりを利用して、最もエネルギー効率の良い方法で種の繁殖や存続に適した時期を決定します(Nelson and Demas, 1997)。メラトニンは様々な性腺ステロイドの機能を調整し、動物がいつ繁殖するか、いつ身体の防御機構を向上させるかを十分に知らせてくれる(Nelson and Drazen, 2000)。このように、繁殖の時期に応じて、季節繁殖動物は長日繁殖動物と短日繁殖動物に区別される（Hansen, 1985）。Melの分泌期間(カレンダー)を見ると、長日飼育動物では、年に一度のMelのピークが生殖腺の活動を逆転させることから、抗性腺刺激ホルモンとみなされる(ゴールデンハムスターの場合、Reiter et al., 2009)。しかし、短日飼育者の場合、Melの年間ピークは生殖腺ホルモンと生殖活動に一致し、前駆性ホルモンとされる（例：ヒツジとヤギ）。

43.5.2 免疫機能の季節性

一般的に免疫とは、病原体の侵入によって引き起こされる生体の恒常性維持機構の対抗策と定義されている。現在では、免疫系は開放回路として受け入れられており、さまざまな細胞（T細胞やB細胞など）、サイトカイン、ケモカイン、リンパカインによって制御されている。
518 Melatonin: Therapeutic Value and NeuroProtection 抗体、そしてそれにもかかわらず、多くのホルモンや因子によって制御されている。免疫機能の季節性は家畜化の影響を受けず、家畜や半家畜では、ヒトでも（Nelson and Demas, 1996）いまだに多く見られる（Martin et al.） そのため、メルによる免疫機能の調節は重要な研究対象となっており、亜哺乳類の免疫調節におけるメルの機能の違いを強調した文献がいくつかある(Yadav and Haldar, 2013)が、ほとんどの場合、メルは免疫を強化する神経ホルモンであることが証明されている(Gupta and Haldar, 2013)。

43.6 動物における植物性メラトニンの効果

動物における植物性メラトニンの役割については、あまりよく知られていない。動物の健康管理におけるフィトメラトニンの役割については、わずかな文献しかない。日本で行われたヒトの女性を対象とした試験研究では、植物性メラトニンを多く含む6種類の野菜を摂取すると、尿中の6-スルファトキシメラトニンが増加することが報告されている（Oba et al. この研究では、心血管疾患やがん疾患の予防における植物性メラトニンが豊富な野菜の役割について推測したに過ぎない。

43.7 ヤギ、植物性メラトニン、そしてその先へ

ヤギは、獣医学研究のための新たなモデルであり、反芻動物の短日育種家であることを除けば、美味しい肉、栄養価の高いミルク、そして肉とミルクから作られる様々な副産物のために、今日の世界的なシナリオにおいて経済的に重要な役割を果たしている。しかし、インドのような熱帯・亜熱帯の国々ではヤギの死亡率が高いため、ヤギの健康管理が最も問題となっている（Abubakar et al.）

世界のほとんどの地域では、ヤギの乳質を向上させるためにトウモロコシ（Zea mays）を与えている。トウモロコシはヤギにとって自然に手に入る栄養価の高い食物であり、植物性メラトニンが豊富に含まれている。しかし、植物性エストロゲンとは異なり、動物のさまざまな生理機能の調節における植物性メラトニンの役割については、まったくわかっていない。したがって、ヤギの健康管理における植物性メラトニンの役割を探るためには、実践的な研究と実施が必要である。

我々はこの欠落を認識し、生理的およびエネルギー的側面から見たヤギの免疫および一般的な健康の調節における植物性メラトニンの役割について実験を行った。この章の後の部分では、冬期のヤギの一般的な健康管理と免疫調整における植物性メラトニン治療の効果（男女ともに寒冷ストレス、特に雌にとっては妊娠ストレスという点で最も困難な季節であるため）についてのみ議論し、植物性メラトニン（食餌性補助食品として）がヤギの健康管理におけるメルの新たな治療的側面としてどのようにハーブ的に使用できるかについてのアイデアを提供しようと思う。

43.8 ヤギの健康管理における植物性メラトニン

一般的な健康状態は、免疫学的、ホルモン学的、および代謝学的パラメータの顕著な変化によって示される。これらは、身体のホメオスタシスを適切かつ体系的に維持するのに役立つ。今回は予備実験の一環として、結果のみをご紹介する（未発表データ）。

43.8.1 栄養補助食品としての植物性メラトニンの身体の恒常性に対する効果

インドではトウモロコシはヤギの自然食ではないので、通常のヤギの食餌にトウモロコシを加えて食餌補助食品として使用した。したがって、トウモロコシとその代謝物がヤギの消化器系と排泄系に何らかの副作用があるかどうかを確認する必要があったが、これら2つの系は体のホメオスタシスを維持する主要な系である。その結果、実験群において、肝機能検査のASTとALT、腎機能検査の尿素、BUN、クレアチニン値には有意な変動がなかったことが示唆された。さらに、性差による変動も見られなかったことから、植物性メラトニンの供給源であるトウモロコシやその代謝物は、身体のホメオスタシスに有害な影響を与えておらず、ヤギの健康にも悪影響を及ぼしていないと考えられる。

43.8.2 体積への影響

フィトメラトニンを投与した群では、性別に依存した有意な体重増加が認められた。これは、フィトメラトニンが体の基礎代謝（同化）を促し、その結果として体重が増加したためである。このことを確認するために、循環器系の代謝パラメータをさらに調査した。

43.8.3 代謝パラメータへの影響

Phyto-Melatonin補充群での体重の増加は、処理によって動物の代謝が高くなっている可能性を示唆している。グルコース（既製のエネルギー源）の循環レベルを調べたところ、投与群では特に雌で有意に高かった。持続的なエネルギー源であるコレステロールは、補充群の雌が雄よりも有意に高いことがわかった。しかし、タンパク質の循環レベルは、補充群では雌が雄よりも高いだけであった。したがって、治療により身体の代謝プロセスが増加し、そのためにはより多くのエネルギーが必要であると結論づけることができる。バランスをとるために、同じようにグルコースの循環レベルを上げた。しかし、深刻な病的状態や飢餓状態でのみエネルギー源として使用されるタンパク質には、影響がないことがわかった。同時に、最も興味深いことに、植物性メラトニン投与群ではコレステロール値も高くなり、この高濃度のコレステロールが体内に蓄積されて体重が増加する可能性があるという。

循環中のコレステロール値が高いことは、ヤギにとって生理的に有益であることがわかった。グルコースの循環レベルが高いことは、体の代謝が高いことを示唆している。末梢コレステロールの増加は、近い将来または遠い将来にエネルギー源として利用される可能性を示唆している。グルコースの循環レベルが高いことは、体の代謝が高いことを示唆しているが、末梢コレステロールの増加は、これが近い将来または遠い将来にエネルギー源として使用される可能性を示唆している。次の課題は、このエネルギーを利用して、ヤギのどのエネルギー要求プロセスを調整するかを明らかにすることである。この問題を調べるために、血液学的、免疫学的、ホルモン学的パラメータを調査した。

43.8.4 血液学的パラメータへの影響

総赤血球数と%Hb含量を含む血液学的パラメータは、フィトメラトニンを補給した群で有意に高く、女性で高いことがわかった。このように、代謝パラメータのレベルが高いことは、冬のストレスの多い時期に、雄よりも雌の方が高いフィットネスレベルを提供している可能性がある。

43.8.5 免疫パラメータへの影響

細胞介在性免疫パラメータでは、末梢血単核細胞の総白血球数、%リンパ球数、%刺激比が、補給群で有意に高いことがわかった。これらの結果は、植物性メラトニンを摂取することで、末梢のメラニン濃度が上昇し、そのメラニン濃度の上昇が末梢の細胞介在性免疫パラメータを増加させたと考えられ、他の報告と一致している（Carrillo-Vico et al.、2013）。

43.8.6 ホルモン系パラメータへの影響

フィトメラトニンを補給した群では、男女ともに循環系のMelレベルが有意に上昇し、女性の方が高いことがわかった。また、テストステロン値には影響がなかったが、エストロゲン値は女性の方が有意に高かったである。このことから、男性の場合は、Melの濃度が高いことで免疫パラメータが上昇し、このエネルギー需要の増加に対応するために代謝パラメータも上昇したと考えられる。このことは、エストロゲンが炎症性サイトカインをアップレギュレートするという他の動物での報告と一致している（Calippe et al.） このように、両方のホルモンの影響下で、雌の高い免疫状態は維持され、代謝および血液学的なパラメータも雄より高いレベルを示した。男性の場合、テストステロンは免疫抑制剤であるため、免疫機能をうまく管理するにはメルだけで十分であった。

43.8.7 フリーラジカルパラメータへの影響

フリーラジカルは、その消去酵素の活性を見積もることができる。システム内の主なフリーラジカル消去酵素は、スーパーオキシドディスムターゼ(SOD)、カタラーゼ(CAT)、グルタチオンペルオキシダーゼ(GPx)である。脂質過酸化の指標としては、マロナルドアルデヒド（MDA）の測定が有効である。MDAレベルは、フィトメラトニンを摂取した男女ともに低く、女性では有意に低かった。フィトメラトニン補給時のヤギの血液中のSOD、CAT、GPxに注目したところ、対照群よりもフィトメラトニン投与群の方がSOD、CAT、GPx活性が有意に上昇していたが、性差による変動は統計的に有意ではなかった。このように、男女ともにフィトメラトニン投与群では、代謝活動の活発化に伴い、Melレベルの上昇とフリーラジカル消去酵素レベルの上昇が平行して維持されている。しかし、一般的に細胞崩壊のレベルを示す脂質過酸化（MDAレベルは、細胞膜の破壊によって引き起こされる脂質過酸化の普遍的なマーカーであるため；Wong-ekkabut et al.2007）は低いことが判明したため、フリーラジカルの発生は代謝増加の因果関係に過ぎないと推測される。

43.9 結論

インドヤギCapra hircusの健康と免疫に改善効果のある保護分子としての植物性メラトニンの役割が、最も有益な形で初めて提案されている。植物性メラトニンを補給することで、その効果を正常に戻すことができ、この栄養補助食品は市販のメルと同様の経路を利用しているかもしれない。植物性メラトニンの供給源には、安価で入手しやすいものが非常に多くあり、近い将来、あるいは遠い将来に、動物や人間に大きな利益をもたらすために、これらの供給源を利用するための適切な知識が必要である。

43.10 将来の展望

我々の予備的な研究によれば、植物性メラトニンは、動物においてもアポトーシスの制御、概日リズム、季節性、およびストレス管理において同じ機能を果たす可能性を十分に持っていると提案することができる。しかし、動物におけるこの植物性化合物の正確な作用機序を解明するには、より詳細な分子的アプローチが必要である。