神経変性疾患の治療標的としてのNRF2
NRF2 as a Therapeutic Target in Neurodegenerative Diseases

強調オフ

認知症 治療標的

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オンラインで公開2020年1月21日

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6977098/

要旨

活性酸素種の増加と酸化ストレスは、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病、フリードリッヒ失調症、多発性硬化症、脳卒中など、多くの神経変性疾患の発症に関与している。

内因性抗酸化反応経路は、細胞保護酵素の発現を増加させることで酸化ストレスから細胞を保護し、転写因子である核内因子エリスロイド2関連因子2(NRF2)によって制御されている。抗酸化遺伝子の発現を制御することに加えて、NRF2は抗炎症作用を発揮し、ミトコンドリア機能と生合成の両方を調節することも示されている。これは、ミトコンドリア機能障害や神経炎症が多くの神経変性疾患の特徴であることから、NRF2が有望な治療標的として浮上してきたためである。

本研究では、神経変性疾患におけるNRF2の有益な役割についてのエビデンスと、特定のNRF2活性化剤の治療薬としての可能性について検討した。

キーワード:認知症・神経疾患、神経変性疾患、生体エネルギー

序論

活性酸素種(ROS)は、細胞内シグナル伝達分子として重要な役割を果たすが、過剰になると酸化ストレスを引き起こし、小器官や高分子を損傷し、最終的には細胞死に至る(Zuo er al)。 増加した活性酸素産生および酸化ストレスは、とりわけ、アルツハイマー病(アルツハイマー病; Behl, 2005)パーキンソン病(PD; Trist er al 2019)ハンチントン病(HD;BrowneおよびBeal 2006)フリードリヒ失調症(Lupoli et al 2018)多発性硬化症(MS;Di Filippo et al 2010)および脳卒中(Rodrigo et al 2013)。加齢は、ほとんどの神経変性疾患の主要な危険因子であり、酸化ストレスは加齢とともに増加することが知られている。酸化ストレスの増加は、組織の抗酸化状態の変化、ミトコンドリア機能不全の増加、および金属恒常性の変化を含む多くの因子の累積的な結果であるが、過剰な活性酸素の大部分はミトコンドリアによって産生される(Buendia et al 2016)。内因性抗酸化応答経路は、フリーラジカルをスカベンジし、活性酸素による細胞損傷のリスクを低減することができる細胞保護酵素の発現を増加させることにより、酸化ストレスから細胞を保護する(伊藤 et al 1997;本橋および山本 2004;Buendia et al 2016)。転写因子核内因子赤血球2関連因子2(NRF2,NFE2L2とも呼ばれる)は、抗酸化遺伝子のプロモーター中の抗酸化応答エレメント(ARE)に結合することにより、この経路を調節する(Itoh et al 1997;本橋および山本 2004)。これらのAREはシス作用型エンハンサー配列である。過去の研究では、RTGACnnnGCの必要なAREコア配列が同定されたが、この配列だけでは誘導を媒介するには不十分であり、異なるARE間で変化し得る追加のフランキングヌクレオチドを必要とする(Wasserman and Fahl, 1997)。

NRF2は、塩基性ロイシンジッパータンパク質のcap-n-collarファミリーのメンバーである。NRF2は、通常、細胞質では、プロテアソームによる分解のためにそれを標的とするKelch-Like ECH-Associated Protein 1 (KEAP1)に結合している。しかし、求電子剤の存在下または酸化ストレスの存在下では、KEAP1上の求核性システイン・スルフヒドリル基が修飾され、結果として、KEAP依存性のNRF2の分解を減少させ、転写因子が核内に蓄積することを可能にするアロステリックな構造変化をもたらす(Kobayashi et al 2006)。これはNRF2活性化の古典的なモードであるが、リン酸化を含む他のメカニズムもまた、KEAP1からの解離および核内局在の増加をもたらし得る(Huang et al 2002; Chen et al 2019; Xiao et al 2019)。核内では、NRF2は、小筋骨格Mafタンパク質とヘテロ二量体を形成し、標的遺伝子のプロモーター内のAREコンセンサス配列に結合する(Esteras et al 2016)。

NRF2は、ユビキタスに発現しており(Moi et al 1994)脳内では、グリア細胞だけでなくニューロンの両方において、有毒な障害に対する重要な防御である(Lee et al 2003;Jakel et al 2007;Chen et al 2009;VargasおよびJohnson et al 2009)。多数の抗酸化酵素のアップレギュレーションに加えて、NRF2はまた、抗炎症メディエーター第I相および第II相薬物代謝酵素、ならびにミトコンドリア経路の発現を増加させることができる(Nguyen et al 2009; Sandberg et al 2014; Dinkova-KostovaおよびAbramov, 2015; Buendia et al 2016; Hayashi et al 2017; Sivandzade et al 2019)。

NRF2の抗酸化的役割

中枢神経系内では、ヘムオキシゲナーゼ-1(HMOX1)グルタチオンSトランスフェラーゼ(GST)スーパーオキシドジスムターゼ(SOD)カタラーゼ(CAT)NAD(P)Hデヒドロゲナーゼ(キノン)1(NQO1)などのNRF2標的遺伝子のアップレギュレーションは、ニューロンを酸化的障害に対する耐性を高めることができる(Chen et al 2000;Satoh et al 2006;Giordano et al 2007;Tanito et al 2007;Lim et al 2008)。2000; Satoh et al 2006; Giordano et al 2007; Tanito et al 2007; Lim et al 2008)。)

NRF2の抗炎症作用

抗酸化経路と抗炎症経路の間に存在するクロストークのため、NRF2の抗炎症作用およびミトコンドリア作用の多くは、その抗酸化作用の二次的なものと考えられてきた。例えば、古典的なプロ炎症性転写因子NF-κBは、抗酸化標的遺伝子のNRF2依存的な誘導によってブロックされ得る酸化ストレスによって活性化され、従って、プロ炎症性サイトカインの転写は減少する(Lee et al 2009a; Bellezza et al 2012)。しかしながら、NRF2は、インターロイキン(IL)-17D、CD36,コラーゲン構造を有するマクロファージ受容体、およびGタンパク質共役型受容体キナーゼなどの抗炎症性メディエーターの発現を直接調節することが示されている(Thimmulappa et al 2002;Sisii et al 2004;Saddawi-Koneffka et al 2016)。さらに、NRF2は、最近、ミクログリア、マクロファージ、単球、およびアストロサイトにおける腫瘍壊死因子(TNF)-α、IL-6,IL-8,およびIL-1βなどの前炎症性サイトカインの発現を減少させることに関与している(Kobayashi et al 2016; Quinti et al 2017)。

NRF2のミトコンドリア的役割

ミトコンドリアの機能と抗酸化応答の間には、複雑な相互作用も存在する。フリーラジカル消去酵素を誘導することで、NRF2はミトコンドリアを酸化的ダメージから保護する。また、NRF2はミトコンドリアの生合成と機能を直接調節することができ、ミトコンドリアの機能を改善することで、細胞内の活性酸素の過剰生産を減少させる。NRF2の活性化は、リンゴ酸酵素1,イソクエン酸脱水素酵素1,グルコース-6-リン酸脱水素酵素、および6-ホスホグルコン酸脱水素酵素を含む、適切な生体エネルギー機能に重要な多くのミトコンドリア酵素の発現に影響を与える(Morgan et al 2013; Ku and Park 2017)。また、NRF2は、ミトコンドリアの完全性を維持し、ミトコンドリアの生合成を調節する役割も記述されている。NRF2活性化は、ミトコンドリア透過性遷移孔を開くことによってミトコンドリアを保護することが報告されており(Lee er al 2000; Greco and Fiskum, 2010; Greco er al 2011)NRF2シグナル伝達の低下は、ミトコンドリアDNA(mtDNA; Li er al 2018)への損傷の増加と関連している。さらに、NRF2活性化は、電子輸送鎖の2つの構成要素であるATP合成酵素サブユニットαおよびNDUFA4の発現を調節し(Abdullah et al 2012; Agyeman et al 2012)NRF2が欠失したマウスは、野生型(WT)マウスよりも全体的に低いmtDNAを有する(Zhang et al 2013)。さらに、NRF2の活性化は、生合成のマスターレギュレーターであると考えられているSirt1(サーチュイン1)PPARγ(ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体γ)およびPgc1α(PPARγ coactivator 1α)を含むミトコンドリア生合成のいくつかのレギュレーターの発現に影響を与える(Cho et al 2010; Bellezza et al 2012; Lai et al 2014; Ping et al 2015; Huang et al 2017a; Song et al 2018)。

老化におけるNRF2の役割

NRF2の発現および活性は、加齢マウスおよびヒトの両方で低下している(Suh et al 2004; Collins et al 2009; Duan et al 2009; Demirovic and Rattan, 2011; Cheng et al 2012; Rahman et al 2013)。酸化ストレス、炎症、ミトコンドリア機能不全はすべて加齢脳の特徴であり、加齢はほとんどの神経変性疾患の主要な危険因子であるため、NRF2は臨床介入のための魅力的なターゲットとして浮上している。実際、NRF2を活性化する化合物であるフマル酸ジメチル(DMF)は、MSでの使用のための既存のFDA承認治療法である。本レビューでは、主に他の神経変性疾患におけるNRF2活性化の治療可能性に焦点を当てる。

NRF2とMS

MSは慢性炎症性神経変性疾患であり、現在、世界中で230万人以上の人が罹患している(Browne et al 2014)。脱髄、アストロサイトーシス、軸索変性、および硬化性プラークは、この疾患で起こる自己免疫応答のすべての特徴である(Compston and Coles, 2008)。プロ炎症性サイトカインのレベルの上昇は、B細胞の遊走に関与するケモカインのレベルの増加と同様に、多発性硬化症患者の脳脊髄液(脳脊髄液)に見られる(Khaibullin et al 2017)。多発性硬化症患者の末梢血単球または脳組織のいずれかを用いた大規模な遺伝子発現研究もまた、T細胞およびB細胞の活性化に関与するいくつかの遺伝子の発現の変化を発見している(Ramanathan et al 2001)。

酸化ストレスとミトコンドリア機能不全もまた、この病気の顕著な特徴である。ミクログリアとマクロファージの活性化は、MSで見られる活性酸素の増加の主な原因となっている(Genestra, 2007)。これらの活性酸素レベルの上昇は、炎症反応の亢進とともに、ミトコンドリア機能に悪影響を与える。ミトコンドリアの損傷、酸化ストレス、および代謝の変化は、白質および灰白質病変の両方でプラークの形成とその後の神経変性に関連していると考えられている(Fischer er al)。

MSのいくつかのマウスモデルは、炎症反応、ミトコンドリア機能不全、および病気で見られる酸化ストレスを効果的に再現している。実験的自己免疫性脳脊髄炎(EAE)モデルでは、ミトコンドリアの機能障害は病気の進行の初期に現れ、ミトコンドリアへの損傷は病気の炎症過程が進行する前から明らかになっている(Qi er al)。 EAEマウスはまた、酸化ストレス誘発酵素のレベルの上昇(Wang et al 2017a)およびTH1,TH17およびB細胞MHCII発現の頻度の減少(Schulze-Topphoff et al 2016)とともに、脊髄において高レベルの酸化的損傷を示す。同様の観察が、リポ多糖類(LPS)誘発モデルのMSにおいて行われている。TNF-α、IL-6,およびIL-10の上昇は、酸化ストレスのマーカーの増加と同様に、LPS処理した動物の血液中に見られる(Yang et al 2018)。広範囲にわたるミトコンドリア機能不全もまた、LPS処理動物の脳全体で観察される(Noh et al 2014)。

複数の報告は、MSの病因におけるNRF2の役割を示唆している。NRF2の喪失は、グリアの活性化の増加、脊髄損傷および軸索変性の悪化、ならびに炎症性サイトカインのレベルの増加を伴うEAE治療後のより急速な発症およびより重篤な臨床経過をもたらすことが示されている(Johnson et al 2010; Larabee et al 2016; 表1)。逆に、多くのNRF2活性化化合物は、MSモデル系において有益な効果を示している。レスベラトロール、リコピン、ケルセチン、およびフェルラ酸によるNRF2活性化は、LPS誘発性神経毒性を減少させ、シナプスおよびミトコンドリア機能を改善し、炎症性マーカーだけでなくグリア症を減少させることが示されている(Chen et al 2017;Khan et al 2018;Rehman et al 2019;Wang et al 2019)。EAEモデルにおいて、フマル酸ジメチル処置は、ニューロンおよびグリア細胞におけるNRF2活性化を増加させ、疾患スコア評価を改善したが、この効果は、NRF2欠失により失われた(Linker et al 2011)。

臨床標的としてのNRF2活性化は、MSにおいても十分に確立されている。フマル酸ジメチルは、TecfideraまたはBG-12としても知られており 2013年に再発性寛解型MSの経口治療薬として認可された。フマル酸ジメチル治療は、第I相および第II相試験で評価されており、拡張障害状態尺度では差は認められなかったものの、再発率を低下させ、病変の数や進行を減少させることが示されている(Kappos et al 2008;Fox et al 2012;Gold et al 2012;表2)。フマル酸ジメチルは、他のいくつかのMS治療法と同等またはそれ以上であることも示されている。フマル酸ジメチルを投与された患者は、酢酸グラチラマーを投与された患者と比較して、年率換算の再発率および12週間の障害進行率が低かった(Chan et al 2017)。第一世代のプラットフォーム疾患修飾療法からフマル酸ジメチルに切り替えた患者にも年率再発率および病変の減少が認められ、フマル酸ジメチル治療への切り替えはフィンゴリモドと同等であり、テリフルノミドよりも優れていることが判明した(Fernandez et al 2017;Prosperini et al 2018;Ontaneda et al 2019;表2)。

表2 NRF2活性化化合物を用いた臨床介入の概要

疾患 介入 結果
MS フマル酸ジメチル -再発率の低下と病変の数と進行の減少( ;  ; )-病状の証拠が増加しなかった( ; 
オメガ3脂肪酸 -炎症マーカーの減少と抗酸化能の増加(
ビタミンD -ビタミンD欠乏症患者の認知機能の改善(
ビタミンD +オメガ3脂肪酸 -炎症マーカーの減少、抗酸化能力の増加、および拡張された障害状態スケールの改善(
リポ酸 -炎症マーカーの減少、および拡張された障害状態スケールでの抗酸化能力の改善の増加(
AD ビタミンE -認知機能と日常生活動作の改善( ; 
オメガ3脂肪酸+アルファリポ酸 -ミニメンタルステート検査と日常生活動作の低下が遅い(
PD N-アセチルシステイン -統一パーキンソン病評価尺度の抗酸化活性の増加とスコアの改善(
ビタミンD +オメガ3脂肪酸 -総抗酸化能の増加と統一パーキンソン病評価尺度のスコアの改善(
フリードライヒ運動失調症 オマベロキソロン -修正された運動失調症評価尺度のスコアの改善(
脳卒中 ビタミンE -マシュースケールとバーセル指数の改善、および血漿脂質過酸化の減少(
大豆イソフラボン -上腕血流を介した拡張の増加、抗酸化マーカーの強化、循環炎症性サイトカインの減少、および酸化的損傷のマーカー(

注)。フマル酸ジメチル=フマル酸ジメチル;MS=多発性硬化症;アルツハイマー病=アルツハイマー病;PD=パーキンソン病


フマル酸ジメチル治療は、多発性硬化症患者の血液中のNRF2標的遺伝子NQO1の発現を増加させることが示されており(Gopal et al 2017;Hammer et al 2018年)4〜6週間の治療後にNQO1発現の有意な増加を示した患者は、1年後に疾患活動状態の証拠なしを達成する可能性が高くなっている(Hammer et al 2018;表2)。

フマル酸ジメチルがその有益な効果を発揮する正確なメカニズムは完全には記述されていないが、抗炎症性免疫バランスへの移行、T細胞活性化の阻害、B細胞およびT細胞アポトーシスの誘導、プロ炎症性サイトカインの阻害、および記憶T細胞の減少を含む複数のメカニズムが、すべて寄与因子として示唆されている(Treumer et al 2003; Longbrake et al 2018; 表2)。2003; Longbrake et al 2016; Schulze-Topphoff et al 2016; Smith et al 2017; Montes Diaz et al 2018a)。) MSにおけるフマル酸ジメチルの臨床および基礎科学的研究は数多く行われてきた。MS治療としてのフマル酸ジメチルの歴史およびメカニズムの優れた徹底したレビューは、(Montes Diaz et al 2018b)によって最近発表された。

他のNRF2活性化化合物による治療も同様に、多発性硬化症患者において有益な結果を示している。ビタミンD、オメガ3脂肪酸、およびリポ酸はすべて、炎症性マーカーの減少、抗酸化能力の増加、および拡張障害状態尺度の改善をもたらすことが報告されている(Gallai et al 1995; Khalili et al 2014; Kouchaki et al 2018; 表2)が、これらの研究のいずれにおいても、NRF2活性化はメカニズムとして調査されなかったが、その結果が報告されている。また、ビタミンDの補給は、多発性硬化症患者、特にビタミンDが欠乏していた患者の認知機能の改善と関連している(Darwish et al 2017;表2)。

NRF2とアルツハイマー病

アルツハイマー病は認知症の中で最も一般的な形態である。現在、推定570万人が罹患しており、その数は2050年には1400万人に達すると予測されている(Alzheimer’s Association, 2017)。アルツハイマー病の病理学的特徴は、タウという蛋白質からなる細胞内神経原線維性のもつれと、細胞外βアミロイド(アミロイドβ)プラークの2つである。これらの特徴と、アルツハイマー病で起こる炎症、酸化ストレス、ミトコンドリア機能障害との関係は複雑である。アミロイドβプラークは近くのミクログリアを活性化させ、その結果、炎症性サイトカインや活性酸素の放出が増加し、ミトコンドリア機能障害を引き起こす可能性がある(Galasko and Montine, 2010)。しかし、酸化ストレスと神経炎症はまた、アルツハイマー病で見られる病理学的なタンパク質の凝集を促進すると考えられている(Di Bona et al 2010)。

酸化ストレスの増加は、アルツハイマー病脳における初期のイベントであると考えられており(Lovell and Markesbery, 2007)酸化ストレスのマーカーの増加とともに抗酸化能力の低下は、アルツハイマー病患者の血液および脳の両方で明らかである(Gubandru et al 2013; Schrag et al 2013; Zabel et al 2018)。神経細胞のミトコンドリア機能と数の減少もアルツハイマー病患者で報告されており(平井 et al 2001年)脳内のミトコンドリア生体エネルギーの変化がアルツハイマー病の認知機能低下に先行し、さらにはそれを誘発する可能性があることを示唆する研究が行われている(Yao et al 2009)。

NRF2の核内発現がアルツハイマー病で低下することが報告されており、マイクロアレイデータセットの最近のメタ分析では、アルツハイマー病患者における31のダウンレギュレーションされたARE遺伝子が同定された(Ramsey et al 2007; Kanninen et al 2008; Wang et al 2017b)。同様に、アルツハイマー病のトランスジェニックマウスモデルにおいて、NRF2の損失は、アミロイドβおよびリン酸化タウのレベルを増加させることが示されている(Branca et al 2017;Rojo et al 2017);グリア活性化、酸化ストレスのマーカー、および神経変性を増加させる;および認知機能低下を悪化させることが示されている(Rojo et al 2017;Rojo et al 2018;表1)。

表1 神経変性疾患モデルにおけるNRF2KOを用いた研究のまとめ

疾患 NRF2の喪失の結果
MS -より重度の臨床経過、グリア活性化の増加と脊髄損傷の悪化、炎症性サイトカインの増加、EAEに応答した軸索変性( ; 
AD -トランスジェニックマウスモデルにおけるAβおよびタウの病理の増強、グリア活性化の増加、酸化ストレスおよび神経変性のマーカー、および認知機能低下の悪化( ; 
PD -強化されたドーパミン作動性細胞喪失およびミクログリア活性化によるMPTPに対する感受性の増加( ; )-6-OHドーパミン誘発性細胞喪失に対する脆弱性の増加()-増加αSyn蓄積のトランスジェニックモデルにおける炎症、タンパク質の誤った折り畳み、および神経細胞死(
HD -線条体の3-NPおよびマロン酸誘発病変に対する脆弱性の増加(Shih et al。、2005)
脳卒中 -梗塞サイズの増加、炎症反応の増強、および神経行動障害(Shih et al。、2005; 

注)。NRF2=核内因子エリスロイド2関連因子2;MS=多発性硬化症;EAE=実験的自己免疫性脳脊髄炎;アルツハイマー病=アルツハイマー病;PD=パーキンソン病;MPTP=1-メチル-4-フェニル-1,2,3,6-テトラヒドロピリジン;HD=ハンチントン病;3-NP=3-ニトロプロピオン酸


逆に、NRF2の活性化は、アルツハイマー病のモデルにおいて有益であることが示されている。最近の研究では、スルフォラファンによるNRF2の活性化が、ヒト誘導多能性幹細胞由来のアルツハイマー病アストロサイトにおいてアミロイド分泌を減少させ、サイトカインを正常化することが明らかになった(Oksanen et al 2019)。生体内試験研究において、NRF2活性化化合物tert-ブチルヒドロキノン(tBHQ)は、アミロイドβに曝露された単離ニューロンの細胞死に対して保護することが見出され(Kanninen et al 2008)別のNRF2活性化剤である経口クルクミンは、アミロイドβ蓄積の5x家族性ADマウスモデルにおいて、シナプス分解を防止し、空間学習を改善することが示されている(Zheng et al 2017)。フマル酸ジメチルは、同様に、試験管内試験でアミロイドβ誘導細胞死から保護することが示されており(Campolo et al 2018)また、アルツハイマー病のラットモデルで空間記憶を改善することも示されている(Majkutewicz et al 2016)。

NRF2を特異的に標的とする治療法はまだ臨床的に調査されていないが、抗酸化化合物による治療が有益である可能性があるという証拠がいくつかある。ビタミンEを用いた試験では、高用量で認知機能および日常生活活動のわずかな改善が示されており(Sano et al 1997;Dysken et al 2014) オメガ3脂肪酸とαリポ酸の組み合わせによる治療では、ミニ精神状態試験および日常生活活動の低下が鈍化した(Shinto et al 2014;表2)。これらの化合物はNRF2を活性化することが知られているが、これらの研究ではそのことを具体的に調査したものはなかった。

パーキンソン病におけるNRF2

パーキンソン病は、進行性の不治の運動障害であり、様々な程度の認知機能障害および認知症を伴い、神経変性疾患の中で2番目に多い疾患である(Goris et al 2007;Tufekci et al 2011)。パーキンソン病は、黒質のドーパミン作動性ニューロンの喪失と、α-シヌクレイン(αSyn;Bhat er al)。 酸化ストレス、ミトコンドリア機能不全、および神経炎症はすべて、疾患の発症および進行に関与している(NavarroおよびBoveris 2009;Di Filippo et al 2010)。

イメージング研究では、パーキンソン病の進行の初期に黒質のドーパミンニューロンにおけるミトコンドリア機能不全が観察されており(Hattingen et al 2009年)パーキンソン病患者の脳では、疾患の経過を通して、電子輸送鎖の酵素の発現および活性の低下が観察されている(Schapira et al 1989年、1990;Trimmer et al 2000)。後期のパーキンソン病患者では、複合体Iの機能不全と酸化ストレスの増加をもたらすmtDNAの変異の増加が見られる(Schapira, 2008; Moon and Paek, 2015)。抗酸化酵素活性の低下とともに酸化損傷のマーカーの増加もまた、パーキンソン病患者の血液中で観察されている(Wei et al 2018)。炎症もまた、パーキンソン病患者では一般的である。TNF-αおよびIL-6などの炎症性サイトカインは、パーキンソン病患者の脳および脳脊髄液の両方で上昇することが知られている(Dzamko et al 2015;Hirsch et al 2012)。実際、パーキンソン病の病因は腸管の炎症性感染に起因している可能性があり、炎症はその後全身に広がるという仮説さえ立てられている(Weller et al 2005)。

NRF2がパーキンソン病の治療標的として有効であることを示唆する複数の証拠がある。NRF2の発現および活性は、パーキンソン病患者のニグラル・ドーパミン作動性ニューロンにおいて変化することが示されており(Schipper et al 1998;Ramsey et al 2007)ヒトNRF2プロモーターにおける機能的ハプロタイプは、遺伝子の転写活性を増加させ、パーキンソン病のリスクの低下および発症の遅延と関連している(von Otter et al 2010)。NRF2発現レベルの薬理学的改変は、マウスにおいてこの保護的ハプロタイプをフェノコピーし得る(Huang et al 2017b; Meng et al 2017)。

さらに、パーキンソン病の1-メチル-4-フェニル-1,2,3,6-テトラヒドロピリジン(MPTP)モデルにおいて、NRF2活性の低下が報告されており、NRF2の損失が表現型を悪化させることが観察された(Chen et al 2009; 表1)。NRF2を欠失させたマウスでは、ドーパミン作動性ニューロンの喪失とミクログリアの活性化の両方がより重症化した(Rojo et al 2010; 表1)。これらのマウスは、6-OHドーパミンに対する脆弱性の同様の増加を示し、この損傷は、NRF2を過剰発現するアストロサイトを移植することによって防ぐことができる(Jakel et al 2007; 表1)。同様に、αSyn蓄積モデルにおいて、NRF2の損失は、炎症、タンパク質のミスフォールディング、および神経細胞死を悪化させた(Lastres-Becker et al 2016;表1)。

NRF2の活性化は、様々なPDモデル系において神経保護と関連している。MPTP処理マウスにおいて、KEAP1のノックダウンを媒介するsiRNAによるNRF2活性化は、酸化ストレスおよび神経炎症の減少と関連していた(Williamson et al 2012)。スルフォラファンによる NRF2 活性化は、抗酸化酵素の発現を誘導し、MPTP 処理マウスのドーパミン作動性神経細胞喪失から保護した (Jazwa et al 2011)。さらに、神経芽腫過剰発現αSynにおいて、tBHQによる処理は、ROSレベルを減少させ、ミトコンドリア呼吸率を改善した(Fu et al 2018)。

NRF2はパーキンソン病における臨床介入の対象にはなっていないが、疫学的証拠は、NRF2を活性化するビタミンEおよびCの高レベルの摂取がパーキンソン病のリスク低下と関連していることを示唆している(Zhang et al 2002;SeidlおよびPotashkin 2011)。さらに、同じくNRF2を活性化するN-アセチルシステインを4週間投与すると、統一パーキンソン病評価尺度のスコアが改善され、抗酸化活性の末梢マーカーが増加した(Coles et al 2018)のと同様に、オメガ3脂肪酸とビタミンEを12週間介入した(Taghizadeh et al 2017;表2)。しかし、これらの研究のいずれにおいても、NRF2活性化は作用機序として特に示唆されなかった。

NRF2とHD

HDは、ハンチンチンタンパク質のポリグルタミンの膨張によって引き起こされる常染色体優性の神経変性疾患である(Jimenez-Sanchez et al 2017)。主な症状は運動障害、認知機能の低下、精神障害であり、病状の進行とともに悪化する。新皮質と大脳皮質の両方の変性が、認知障害や運動症状に寄与していると考えられている(Vonsattel et al 1985;Halliday et al 1998)。ハンチンチンタンパク質が凝集すると、神経細胞に毒性を持ち、活性酸素の発生を促進する(Goswami et al 2006)。酸化ストレスは、HD脳の新皮質で特に顕著であり(Sorolla et al 2008年)変性の重要な推進因子であると考えられている。酸化ストレスの増加のマーカーは、末梢でも明らかである。HD患者では血漿脂質過酸化が増加し、グルタチオンレベルが低下している。このアンバランスは症状の発現前に観察され、進行するにつれて疾患の重症度に比例して継続する(Chen et al 2007; Klepac et al 2007)。タンパク質やmtDNAに対する酸化的損傷の増加もHD患者の脳で観察されている(Chen et al 2007; Duran et al 2010; Johri and Beal, 2012)。また、死後分析の結果、HD患者の脳、特に大脳基底核では酸化的リン酸化に関与するミトコンドリア酵素のレベルも低下していることが明らかになっている(Chen et al 2007; Duran et al 2010)。酸化ストレスの増加(Browne et al 1997;Browne and Beal 2006;del Hoyo et al 2006;Chen et al 2007;Klepac et al 2007;Chang et al 2012)とミトコンドリアの減少が報告されていることに加えて、ミトコンドリアの酸化的なリン酸化が抑制されていることも報告されている。2012)およびミトコンドリア機能不全(Browne, 2008; Damiano et al 2010; Kim et al 2010)慢性炎症もHDでは明らかである(Pavese et al 2006; Tai et al 2007; Bjorkqvist et al 2008; Politis et al 2011)。炎症はHDの発症の初期段階にあると考えられており、PETイメージングではミクログリアの活性化が増加していることが明らかになっており、HDキャリアの線条体と大脳皮質ではすでに明らかになっている(Tai et al 2007; Politis et al 2011)。炎症性サイトカインの血漿中濃度も同様に疾患症状の発症前に上昇し、HD患者の脳脊髄液では免疫活動の亢進が持続する(Bjorkqvist et al 2008)。

同じようなミトコンドリア機能障害、酸化ストレス、神経炎症はHDの動物モデルの脳にも見られ、これらのモデルを用いた研究ではNRF2が重要な役割を果たすことが示されている。3-ニトロプロピオン酸(3-NP)誘発モデルでは、NRF2の活性化が低下し、NRF2をノックアウトしたマウスは、3-NPとマロン酸誘発性線条体病変の両方に対して有意に脆弱であることが報告されている(Shih et al 2005a; 表1)。逆に、NRF2を過剰発現したアストロサイトの胃内注射は、3-NPおよびマロン酸誘発性障害に対して保護的であることが判明している(Calkins et al 2005)。

NRF2の薬理学的活性化は、HDのマウスモデルにおいても同様に有益な結果を示している。フマル酸ジメチル治療は、NRF2を欠失したWTマウスではなく、NRF2を欠失したマウスにおいて、皮質および線条体ニューロンを保護し、体重減少を遅らせ、運動機能の維持を助け、寿命を延ばす(Ellrichmann et al 2011; Jin et al 2013)。NRF2を活性化する合成トリテルペノイドの経口投与は、トランスジェニックHDマウスモデルにおいて、同様に運動障害を減衰させ、寿命を延ばし、酸化ストレスを減少させた(Stack et al 2010)植物Panax ginseng Meyerから単離されたNRF2活性化化合物は、線条体における活性酸素を減少させ、抗酸化酵素レベルを回復させ、3-NPマウスモデルにおいて行動障害を改善した(Gao et al 2015)。さらに、スルフォラファンは、トランスジェニックモデルと3-NP誘発HDモデルの両方において有益な効果を有する。スルフォラファンは、トランスジェニック動物の中枢組織および末梢組織の両方において、ハンチンタンパク質の分解を促進し、細胞毒性を低下させ(Liu et al 2014)また、線条体における3-NP誘発性の炎症性サイトカイン産生を抑制し、行動障害を改善することができた(Jang and Cho 2016)。

ヒトでは、NRF2シグナル伝達の乱れも観察されている。NRF2の標的抗酸化酵素であるグルタチオンペルオキシダーゼとSOD1は、HD患者の白血球において対照群と比較して減少している(Chen et al 2007)。また、線条体ニューロンでは、ハンチンチンタンパク質の異常がNRF2シグナル伝達を阻害し、ミトコンドリア機能障害や酸化ストレスの増加を促進することが報告されている(Kim er al)。 NRF2活性化化合物は、HD患者からの一次単球での臨床試験では試験されていないが、KEAP1修飾小分子C151によるNRF2誘導は、IL-1,IL-6,IL-8,およびTNF-α産生を抑制した(Quinti et al 2017)。

NRF2とフリードリヒ失調症

フリードリヒ失調症は、承認された治療法がない遺伝性の変性神経筋疾患である(Aranca et al 2016)。フリードリヒ失調症は、世界で約5万人に1人が罹患する最も一般的な遺伝性の失調症である(Polek et al 2013; Vankan, 2013)。本疾患は、主に後根神経節、小脳歯状核、および心臓に影響を及ぼす常染色体劣性疾患である。本疾患は、フラタキシン遺伝子のGAAリピート拡大変異によって引き起こされる。これは、フラタキシンタンパク質の発現の漸進的な減少をもたらす転写サイレンシングにつながる。フラタキシンは、適切なミトコンドリア機能に必要な硫黄鉄クラスターの組み立てを助ける(Li et al 2008)。フリードリヒ失調症患者では、フラタキシン発現の減少は、ミトコンドリアの鉄過負荷、ATP産生の障害、および酸化ストレスの増加を引き起こす(Li et al 2008; Santos et al 2010; Aranca et al 2016)。ATP産生の低下は、この疾患の患者に見られる進行性の筋力低下、疲労、および協調性の低下を説明すると考えられている。酸化ストレスの増加はまた、抗酸化物質の慢性的な枯渇をもたらし、神経変性を引き起こす病因であると考えられている(Nickel et al 2014)。小脳顆粒ニューロンは、グルタチオンの減少とともに、活性酸素と脂質過酸化の著しい増加を示し、これらの変化に特に敏感である。これらの小脳顆粒ニューロンを用いた研究では、フラタキシン産生の減少がミトコンドリア障害を誘導する活性酸素の増加をもたらすことが示されている(Abeti et al 2015, 2016)。

NRF2シグナル伝達機能障害は、フリードリヒ失調症の動物モデルにおいて広く報告されている。条件付きフラタキシンノックアウトマウス系統は、NRF2発現の減少およびKEAP1発現の増加を示し(Anzovino et al 2017)マウス運動ニューロン細胞株NSC-34において、フラタキシンshRNAは、同様にNRF2発現および活性を減少させた(Paupe et al 2009)。対照的に、フリードリヒ失調マウスモデルから単離した神経幹細胞において、スルフォラファンまたはNRF2活性化化合物EPI-7443を用いてNRF2を誘導すると、それらの細胞において以前に障害された適切な分化を再確立することが示された(La Rosa et al 2019)。培養された運動ニューロンにおいて、スルフォラファンはまた、ニューロンの数および伸展と同様にフラタキシンレベルを増加させた(Petrillo et al 2017)。NRF2発現の同様の減少は、患者から単離された線維芽細胞において見られており(Paupe et al 2009; Petrillo et al 2017)、スルフォラファン処理は、同様に、これらの細胞においてフラタキシンレベルを増加させ、ニューライトの伸長を増強した(Petrillo et al 2017)。

NRF2活性化化合物オマベロキソロンは、フリードリヒ失調症のKIKOおよびYG8Rマウスモデル、ならびにヒト患者から分離された線維芽細胞において有益であることが示されている。これらのモデルにおいて、オマベロキソロンは、コンプレックスI活性を回復し、グルタチオンレベルを増加させ、活性酸素を減少させ、細胞死を防ぐミトコンドリア膜電位を回復させた(Abeti et al 2018)。これらの有望な前臨床試験に基づき、オマベロキソロンは現在、臨床試験が行われている。最近のプレスリリースでは、本化合物を用いた48週間の治療は一般的に忍容性が高く、修正フリードリヒ失調症評価尺度でのスコアの有意な改善をもたらしたという第II相試験の結果が発表された(Reata Pharmaceuticals, 2019; 表2)。

NRF2と脳卒中

脳卒中は、世界の死亡原因の第2位であり、後天的な成人障害の原因の第1位である(Lozano et al 2012;Murray et al 2012)。虚血性脳卒中は、脳組織の損傷および神経学的機能の障害をもたらす脳の一部への血流低下によって特徴づけられる(Jauch et al 2013;Ding et al 2017)。虚血性脳卒中の後には、炎症性活性化およびミトコンドリア機能不全を含む組織損傷を促進する生化学的イベントのカスケードが発生し、活性酸素の過剰産生につながる。最終的に血流が回復すると(再灌流)炎症反応と活性酸素の生成が悪化し、血管壁タンパク質の分解や血液脳関門(BBB)の完全性の低下などの酸化ストレスによるさらなる損傷を引き起こす(Stephenson et al 2000;Kunz et al 2008;Harari and Liao 2010;Pradeep et al 2012)。

動物研究では、NRF2を欠失させたマウスは、NRF2発現マウスと比較して、梗塞の大きさ、炎症反応、および神経行動障害が増強されることが示されている(Shih et al 2005b; Li et al 2013; 表1)。逆に、NRF2活性化は、傷害から脳を保護する上で有益であることが示されている。tBHQ処置は、ラットの新生児低酸素虚血性脳損傷を減衰させ(Zhang et al 2018)NRF2活性化化合物メトホルミンは、同様に梗塞容積を減少させ、一過性中大脳動脈閉塞のマウスモデルにおいて認知障害を減衰させることができた(Kaisar et al 2017)。トリコスタチンAによるNRF2活性化(KEAP1発現の低下に起因する)は、同様に神経細胞の生存率を増加させ、脳卒中後の梗塞容積を減少させた(Wang et al 2012)。

多くの植物由来のNRF2活性化化合物もまた、脳卒中の齧歯類モデルにおいて有益な効果を示すことが示されている。物由来のフラバノール(-)-エピカテキンは脳梗塞の前に投与すると、梗塞の大きさとその後の認知障害を減少させることができたが、この効果はNRF2を発現しないマウスでは失われた。治療後にも同様の結果が得られたが、時間的な制約があった(Shah et al 2010)。スルフォラファンによるNRF2の活性化は、脳組織における細胞保護遺伝子の発現を増加させ、BBBの完全性を保存した(Zhao et al 2007)一方、ギンコライドおよびビロバリドは、NRF2を活性化し、中大脳動脈閉塞ラットにおける脳活性酸素レベルおよび梗塞容積比の両方を減少させることが示されている(Liu et al 2019b)。また、イソケルセチンによるNRF2の活性化は、NF-κB活性化を阻害することで、マウスの虚血/再灌流傷害後の酸化ストレスおよび神経細胞損失を減衰させた(Dai et al 2018)。

脳卒中治療としてのNRF2活性化に関する臨床研究は限られているが、NRF2を活性化することができる化合物を用いたいくつかの食事介入は、潜在的な利益を示唆している。虚血性脳卒中の後、ビタミンEの6週間の補充は、プラセボよりもマシュースケールとバーテル指数の両方でより大きな改善を引き出すことが示された。ビタミンEはNRF2を活性化することができるが、ビタミンE自体もフリーラジカル消去作用を有するため、NRF2の活性化がこの効果にどのように寄与しているかは不明である(Daga et al 1997;表2)。しかし、虚血性脳卒中患者に大豆イソフラボンを24週間投与したところ、NRF2の活性化が観察された改善に関与していた。大豆イソフラボンの投与により、上腕流を介した拡張、NRF2およびSODの発現が増加するとともに、C-反応性タンパク質、8-イソプロスタイン、マロンジアルデダイ、IL-6,およびTNF-αの循環レベルが低下した。循環酸化ストレスマーカーに対する効果は、NRF2をサイレンシングすると失われた(Li and Zhang, 2017; 表2)。

脳卒中予防の手段としてのNRF2活性化の潜在的利益は、やや明確ではない。ビタミンを用いたサプリメントを調査した大規模なプロスペクティブ研究が数多く実施されており、相反する結果が得られている。心血管疾患の既往歴のある8,171人の女性医療従事者を対象としたある研究では、ビタミンC、ビタミンE、またはβカロチンを平均9年間追跡調査したところ、ビタミンCまたはビタミンEを摂取した人は脳卒中の発症が少なかったことが明らかになった(Cook et al 2007)。逆に、冠動脈疾患、閉塞性動脈疾患、糖尿病を持つ20,000人以上の成人を対象に、ビタミンE、ビタミンC、βカロチンを組み合わせたサプリメントを5年間摂取させた別の研究では、脳卒中の発生率に差は見られなかった(Heart Protection Study Collaborative Group, 2002)。NRF2を直接標的とすることが虚血性脳卒中の予防薬として有益かどうかを判断するためには、さらなる研究が必要であることは明らかである。

NRF活性化化合物

NRF2活性化は、増加した酸化ストレスに応答して内因性に起こるが、外因性の薬剤によっても誘導され得る。前述のように、多くの植物由来および合成化合物がNRF2経路を強力に活性化することが示されている。

植物由来のNRF2活性化剤

スルフォラファン

スルフォラファンは、ブロッコリー、芽キャベツ、カリフラワーなどのアブラナ科植物に含まれる有機イソチオシアネートである。スルフォラファンは、KEAP1上のシステインを直接求電子的に修飾することでNRF2を活性化し、NRF2の解離と核内転座を可能にする(Takaya et al 2012)。この活性化は、治療した動物の海馬における抗酸化酵素の発現を増加させることが報告されている(Wang et al 2014)。スルフォラファンはまた、NRF2依存性および-非依存性の両方のメカニズムを介してミトコンドリアのダイナミクスを調節することができる(O’Mealey et al 2017; de Oliveira et al 2018)。また、スルフォラファンは、NF-κBとそのコンセンサス配列との相互作用を直接遮断すること、およびIkB-αのリン酸化および分解を阻害することの両方を通じて、TNF-α誘導NF-κB活性化を阻害することも実証されている(Moon et al 2009; Checker et al 2015)。スルフォラファンのこれらの効果は、脳卒中、外傷性脳損傷(外傷性脳損傷)アルツハイマー病、PD、HD、およびMSのモデルにおいて、試験管内試験および生体内試験の両方で神経保護をもたらした(Zhao er al 2005,2006;Han et al 2007;Kwak et al 2007;Zhao et al 2007;Jazwa et al 2011;Kim et al 2013;Srivastava et al 2013;Liu et al 2014;Jangら、Cho et al 2016;Yoo et al 2019)。)

リコピン

リコピンは、トマト、パパイヤ、スイカなどの植物に含まれる脂肪族炭化水素カロテノイドである。リコピンは、アルツハイマー病のd-ガラクトースモデルおよびトランスジェニックモデルの両方において、抗酸化酵素活性を増加させ、炎症反応を減少させることが示されている(Yu et al 2017; Zhao et al 2017a)。また、単離された皮質ニューロンにおけるアミロイドβ誘発性ミトコンドリア損傷を減衰させ(Qu et al 2011; Qu et al 2016)アミロイドβ暴露動物の脳におけるプロ炎症性サイトカインを減少させた(Liu et al 2018)。酸化的およびミトコンドリア損傷に対するリコピンの同様の効果は、ペンチレンテトラゾール誘発性発作モデルにおいて実証されており、リコピンは痙攣活動も減少させた(Bhardwaj and Kumar, 2016; Kumar et al 2016)。リコピンはまた、PDおよび脳卒中のモデルにおいて酸化ストレスのマーカーを減少させ、神経細胞の損失を減少させ(Prema et al 2015; Lei et al 2016)くも膜下出血のモデルにおいてBBBの破壊および神経学的欠損を減衰させることができた(Wu et al 2015)。

クルクミン

クルクミンは、Curcuma longa根茎由来のポリフェノールであり、強力な抗酸化性および抗炎症性を有する(Agarwal et al 2011;KakkarおよびKaur 2011;Dong et al 2018)。クルクミンは、KEAP1の求電子的修飾によってだけでなく、KEAP1発現の抑制によってもNRF2を活性化する(Ren et al 2019; Robledinos-Anton et al 2019)。クルクミン処理は、ミクログリア細胞におけるNF-κB活性化の防止を介して、プロ炎症性遺伝子発現を抑制することが示されている(Cui et al 2010;Zhang et al 2010)。脳虚血および再灌流のモデルにおいて、NF-κBのこのダウンレギュレーションは、クルクミンによるNRF2の活性化をもたらし、脳浮腫全体および神経学的機能障害を減少させた(Li et al 2016)。クルクミンは、脳内出血および外傷性脳損傷のモデルにおいても同様に有益であり、ここでもその神経保護効果はNRF2活性化に関連していた(Wang et al 2015; Kobayashi et al 2016; de Alcantara et al 2017; He et al 2019)。

EGCG

エピガロカテキンガレート(EGCG)は、緑茶に見られる最も豊富なカテキンである。それは、p38MAPKおよびERk1/2シグナル伝達経路の下流でのリン酸化を介してNRF2活性をアップレギュレートすることが示された(Yang et al 2015)が、それはまた、KEAP1との関連の求電子的な破壊を介してNRF2を活性化することができる(Mori et al 2010)。マウスにおいて、EGCGは、NRF2依存的な方法で虚血再灌流傷害に対して保護することが示されており(Han et al 2014)また、アミロイドβ曝露動物においてNF-κB活性を阻害し、アミロイドβ線維化を減少させ、記憶力を改善することも示されている(Lee et al 2009b)。EGCGの神経保護効果はまた、PD、MS、および外傷性脳損傷のモデルにおいて、NRF2活性の増加および強化された抗酸化活性を伴い、炎症反応の減少を伴う試験管内試験および生体内試験で実証されている(Ma et al 2010; Itoh et al 2013; Wu, 2016; Semnani et al 2017; Xu et al 2018)。

レスベラトロール

レスベラトロールは、ブドウやベリーなどの果実に含まれる生理活性ポリフェノールである。レスベラトロールは、p38MAPKを介したリン酸化によりNRF2を活性化する(Shi et al 2018)。レスベラトロール処理は、強力な抗酸化作用および抗炎症作用を有し、ミトコンドリア生合成を調節することが示されている(Chiang et al 2018; Chuang et al 2019)。レスベラトロールのNRF2活性化作用およびミトコンドリア効果は、パーキンソン病のロテノンモデルにおける保護効果の根底にあると考えられている(Gaballah et al 2016; Peng et al 2016)。レスベラトロールによるNRF2の活性化はまた、げっ歯類において虚血性傷害に対する予防および虚血性傷害によって誘導される酸化ストレスの緩和の両方をもたらすことが示されている(Narayanan et al 2015; Gao et al 2018)。さらに、レスベラトロール治療はまた、NRF2活性化を介してマウスの外傷性脳損傷誘発性認知障害を減衰させることができ(Shi et al 2018)同じ経路をアップレギュレートすることにより、スピノ小脳失調症のショウジョウバエモデルにおける細胞およびミトコンドリア損傷を改善することができる(Wu et al 2018)。

αリポ酸

アルファリポ酸は、神経保護効果を有する別の天然に存在するNRF2活性化化合物である。ほうれん草、ブロッコリー、ニンジン、ビーツなど多くの植物に低量で含まれているが、栄養補助食品として摂取されることが多くなっている。アルファリポ酸がNRF2を活性化する正確なメカニズムは現在知られていないが、化合物はKEAP1上にリポイル-システイン混合ジスルフィドを形成することができ、これは、新しく合成されたNRF2がそのシャペロンに結合することを妨げるであろうが(Dinkova-Kostova et al 2002; Kobayashi et al 2006)。しかしながら、αリポ酸はまた、活性化の代替機序を表す可能性のあるNRF2を活性化することができるキナーゼの1つであるプロテインキナーゼCを活性化することも示されている(Sen et al 1999)。アルファリポ酸によるNRF2の活性化は、外傷性脳損傷後の細胞損失を抑制することが示されている(Xia et al 2019)だけでなく、梗塞容積、酸化的損傷、および浮腫を減少させ、脳卒中後の神経学的回復を促進することが示されている(Lv et al 2017)。パーキンソン病のモデルにおいて、αリポ酸は、活性酸素を減少させ、ミトコンドリアの生合成をアップレギュレートし、ATP含量を回復させ、ドーパミン作動性ニューロンを保存することが示されている(Zaitone et al 2012; Zhao et al 2017b)が、これらの効果にNRF2の活性化が必要かどうかは調査されていない。アルファリポ酸はまた、MSのマウスモデルにおいて、炎症を強力に減少させる(Morini et al 2004; Chaudhary et al 2015)が、まだ、再び、これらの研究では、これがNRF2活性化に関連しているかどうかは調査されていない。

ツボクサ

薬用植物センテラ・アシアティカ(L)アーバンもまた、多くのNRF2活性化化合物を含んでいる。この植物は、NRF2を活性化することが示されているが、強力な求電子性特性を持たない4つのトリテルペン化合物、アシアシ酸、マデカシド、アシアシチオシド、およびマデカシド(MS)を高レベルで含有する(Yang et al 2016; Jiang et al 2017; Fan et al 2018; Liu et al 2019c; Meng et al 2019)。センテラ・アジアティカはまた、我々および他の研究室が同様にNRF2を活性化することができることを示した多くのカフェオレフィン酸を含む(Boettler et al 2011; Gray et al 2014; Liang et al 2019)。我々の研究室は、センテラ・アジアティカの水抽出物が、神経芽腫細胞および単離された一次ニューロン、ならびに処置された動物の脳において、NRF2を活性化することができることを実証し、この活性化は、老化およびアルツハイマー病のマウスモデルにおいて、改善されたミトコンドリア機能、強化されたシナプス密度、および改善された認知機能を伴うことを示した(Gray et al 2015; Gray et al 2017a, 2017b; Gray et al 2018a, 2018b)。他のグループも同様に、化学的に誘導された神経毒性、脳卒中、発作、PD、およびHDの齧歯類モデルにおいて、植物の抗酸化作用、抗炎症作用、および認知機能強化作用を示している(Gupta et al 2003; FloraおよびGupta 2007; ShinomolおよびMuralidhara 2008a 2008b; HaleagraharaおよびPonnusamy 2010; PrakashおよびKumar 2013; Tabassum et al 2013; Doknark et al 2014)。私たちの研究室では、正常な老化と病理学的老化の両方におけるセンテラ・アジアティカの有益な効果のためのNRF2活性化の必要性を明らかにするための研究が進行中である。最近の研究では、センテラ・アジアティカ(CAW)の水抽出物の認知的効果は、少なくとも健康な老化においては、NRF2の活性化が必要であることが示されている。オブジェクトの場所の記憶タスクは、空間記憶のテストであり、同一のオブジェクトを使用してマウスは、そのうちの1つは、それが訓練中にあった場所(図1(a))とは異なる場所にテスト中に移動される。マウスが訓練した場所を覚えていれば、新しい場所にある物体と一緒にいる時間が長くなるはずである。NRF2KOマウスはWT動物と比較して認知障害を示し、長期CAW処理は18ヶ月齢のWTマウスの物体位置記憶テストの性能を改善したが、年齢をマッチさせたNRF2ノックアウトマウスには効果がなかった(図1(b))。

図1 物体位置記憶

CAW処理(2g/L、13ヶ月間)は、18ヶ月齢のWTマウスのパフォーマンスを改善したが、NRF2KOマウスのパフォーマンスは改善しなかった。NRF2KOマウスもまた、年齢をマッチさせたWTマウスと比較して障害を受けていた

WT = 野生型;NRF2KO = 核内因子エリスロイド2関連因子2ノックアウト。


NRF2/ARE経路の合成活性化剤

フマル酸ジメチル

フマル酸ジメチルは、フマル酸とメタノールの縮合により形成されるエノエートエステルである。現在、再発MSの治療薬としてTecfidera®の名称でFDAに承認されている疾患修飾薬である(Deeks, 2016)。フマル酸ジメチルはチオール反応性求電剤であるため、主にKEAP1上のシステイン修飾を介してNRF2を活性化すると考えられている(Saidu et al 2019)が、好中球におけるPI3KおよびERK1/2経路を介してNRF2のリン酸化に影響を与えることも示されている(Muller et al 2016)。おそらく、そのよく知られた抗炎症作用および抗酸化作用のためか、フマル酸ジメチルはまた、多くの異なる神経変性状態において神経保護作用を有することが示されている。それはまた、脳卒中のマウスモデルにおいて、虚血後の海馬損傷を予防し、浮腫体積を減少させ、BBBの完全性を保護することも示されている(Kunze et al 2015; Yao et al 2016; Liu et al 2019a)だけでなく、アルツハイマー病およびくも膜下出血のモデルにおいて認知機能を改善することも示されている(Liu et al 2015; Majkutewicz et al 2016; Majkutewicz et al 2018)。さらに、以前に述べたように、フマル酸ジメチルは、αSynおよびアミロイドβの両方の毒性から保護し、そしてタウの過リン酸化を減少させることができる(Lastres-Becker et al 2016;Campolo et al 2018;BahnおよびJoo 2019)。

tBHQ(tert-ブチルヒドロキノン)

tBHQは、食品保存料として一般的に使用されるNRF2のもう一つの既知の活性化剤である。tBHQは酸化ストレスを減少させ、NT2N神経細胞における神経毒性やアミロイドβ形成を抑制し(Eftekharzadeh et al 2010年)ラットにおけるアミロイドβ誘導細胞死を抑制した(Nouhi et al 2011)。また、マウスの脳内出血後の二次傷害を減少させ、外傷性脳損傷後の機能回復を改善し、脳内出血後の神経傷害を減衰させることも示されている(Sukumari-Ramesh and Alleyne, 2016; Chandran er al)。

メトホルミン

メトホルミンは高処方の抗高血糖薬であり、II型糖尿病の治療薬としてよく使用されている。しかしながら、メトホルミンはまた、NRF2を活性化することができ、これは、おそらく、その後NRF2をリン酸化するAMPKの誘導を介して(Ashabi et al 2015;Joo et al 2016)多くの神経変性モデル系において神経保護であることが示されている。メトホルミンは、酸化ストレス誘発性BBB損傷から保護し、これはNRF2活性化を介してであると決定された(Prasad et al 2017)。メトホルミンはまた、ミトコンドリア機能および生体形成に対する効果でよく知られており(Vial et al 2019)虚血性脳卒中、アルツハイマー病、PD、およびMSのげっ歯類モデルにおいて抗酸化作用および抗炎症作用が文書化されている(Ashabi et al 2015; Katila et al 2017; Ou et al 2018; Mudgal et al 2019)。

三環式化合物アセチレン三環式ビス(シアノエノン)

三環式化合物アセチレン三環式ビス(シアノエノン)(TBE-31)は、2つの求電子性マイケルアクセプターを含むため、最も強力なNRF2誘導剤の1つであると考えられている(Dinkova-Kostova et al 2010)。TBE-31は、癌モデル系において調査され、その抗癌活性に寄与すると考えられる強い抗酸化作用および抗炎症作用を有することが明らかにされている(Onyango et al 2014; Knatko et al 2015; Chan et al 2016)。また、フリードリヒ失調症の脂質過酸化を減少させ、ミトコンドリアのアンバランスを改善することも示されている(Abeti et al 2015)。

結論

NRF2が神経疾患の治療ターゲットになり得ることがますます明らかになってきている。NRF2の活性化は、ミトコンドリア機能障害、酸化ストレス、神経炎症などの神経変性疾患に関与する多くのプロセスを減衰させる(図2)。NRF2を活性化する化合物は、すでにFDAからMSでの使用が承認されており、フリードリヒ失調症での臨床試験が進行中であるが、文献によると、このような活性化剤は他の多くの神経変性疾患においても有効である可能性が示唆されている。

図2 NRF2活性化の神経保護効果の概要

 

NRF2=核内因子赤血球2関連因子2,ROS=活性酸素種、ARE=抗酸化応答要素


矛盾する利害関係の宣言

著者は、この論文の研究、執筆、および/または出版に関して、潜在的な利益相反の可能性はないと宣言した。

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