メチレンブルー抗老化・アンチエイジング・寿命

メチレンブルーの抗加齢薬としての可能性
The Potentials of Methylene Blue as an Anti-Aging Drug

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www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8699482/

2021 Dec;10(12):3379.

2021年12月1日オンライン公開

概要

メチレンブルー(MB)は、人類初の完全人工医薬品として、幅広い臨床応用がなされている。手術の染色、マラリア、メトヘモグロビン血症などの用途はよく知られているが、最近、MBの抗酸化作用が、この100年来の薬に新たな注目を集めることになった。

ミトコンドリアの機能不全は、脳や皮膚など様々な組織に影響を及ぼす体系的な老化現象で観察されている。このことは、酸化ストレスの増大を招き、加齢に関連した条件下で下流の表現型に帰結する。

MBはミトコンドリアにおける複合体I/IIIの活性をバイパスし、酸化ストレスをある程度減少させることができる。本総説では、神経変性、記憶喪失、皮膚老化、早老症などの加齢関連疾患の治療におけるMBの応用に関する最近の研究を要約している。

キーワード  メチレンブルー、ミトコンドリア、神経衰弱、皮膚老化、早老症

1.はじめに

メチレンブルー(MB)は、1876年に繊維用染料として合成された老舗の薬物である]。MBは分子量が小さいため、組織内に素早く送り込むことができる。MBは還元されてロイコメチレンブルー(ロイコMB)となるため、抗酸化剤として使用することができる(図1A]。MBはFDA認可の医薬品であり、外科染色、マラリア、メトヘモグロビン血症などに広く使用されている。[].

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図1 MBの構造と機能

(A)MBはフェノチアジン誘導体であり、その還元型がleucoMBである。(B)ミトコンドリアの電子輸送鎖(ETC)は、ATPの産生と活性酸素の生成に関連している。MBはミトコンドリア内で触媒的な酸化還元サイクラーとして働き、Complex I/III活性をバイパスすることができる(図はBioRenderによる「Electron Transport Chain」、2021年10月10日、app.biorender.com/biorender-templates/t-5edadc578a691400acf3c4ec-electron-transport-chain から取得したものである


「老化のフリーラジカル理論」によれば、細胞や組織の老化はフリーラジカルの攻撃の結果であるとされている]。ヒトの細胞では、活性酸素種(ROS)は主にミトコンドリアで生成される]。一方、加齢により、ミトコンドリア質量、呼吸能力、呼吸効率の低下が様々な組織で観察された]。ミトコンドリアの機能低下は、ATP産生の低下と活性酸素産生の増加をもたらし]、さらにミトコンドリアを損傷させることになる。この悪循環は、細胞の深刻な損傷につながり、老化プロセスを加速させる。MBの抗酸化作用は主にミトコンドリア機能を改善し、活性酸素-ミトコンドリア損傷サイクルを断ち切るため]、アンチエイジング薬として最適な候補となる。

このレビューでは、MBの構造、生物学的機能、および応用について議論する。

2.構造と機能

ミトコンドリアは真核細胞の主要なエネルギー源であり、ミトコンドリアの電子輸送鎖(ETC)はATPの産生に関連している]。ETCはミトコンドリア内膜に存在する一連の電子輸送体で、NADHとFADH2から酸素分子への電子のシャトルバスを行っている(図1B)。ETCは4つの複合体からなり、複合体I(NADH-ユビキノン酸化還元酵素)と複合体II(コハク酸脱水素酵素)が電子の入り口となり、NADHとFADH2がそれぞれ複合体Iと複合体IIに電子を伝達する]。この電子は、ユビキノン(コエンザイムQ10、CoQ)とチトクロムcの助けを借りて、複合体III(CoQ-チトクロムc還元酵素)およびIV(チトクロムc酸化酵素)によって運ばれ、複合体IIIはチトクロムcに電子を渡し、複合体IVはチトクロムcから電子を最終電子受容体O2へ渡してH2Oを生成する]。この過程で、複合体V(ATP合成酵素)はADPをリン酸化してATPを生成することになる。生理的条件下では約0.4%〜4%の酸素が部分的に還元され、活性酸素が副生成物となる]。ETCにおける活性酸素の生成部位は11カ所あるが、主にComplex Iで生成される]。ミトコンドリアの機能不全は、酸化的な損傷を引き起こし、主に複合体IVだけでなく、複合体Iも障害される]。複合体Iが障害されている間、活性酸素の過剰生成は酸化ストレスの増加をもたらし、その結果、細胞障害を誘発する可能性がある]。

MBはフェノチアジン誘導体であり、還元されるとロイコMBになる(図1A)。酸化された状態のMB溶液は青色であるが、ロイコMBは無色である]。MBは親水性、親油性であるため、生体膜を伝染しやすい性質がある]。また、MBは正電荷を帯びている]。MBの酸化還元電位は11 mVであり、その低い酸化還元電位により、ミトコンドリア内で酸化型と還元型の間を容易に循環することができる]。このような特性により、MBはミトコンドリア内で触媒的な酸化還元サイクラーとして働き、チトクロム酸化酵素の活性とATP産生を促進する(図1)。また、MBはComplex I/IIIの活性を迂回して活性酸素の産生を減少させる]。MBはNADHから複合体Iを介して電子を受け取り、ロイコMBに変換される。ロイコMBは、この電子を直接シトクロムcに渡し、MBに再酸化される。従って、MBは病的な状況下で酸化ストレスから細胞を保護する可能性を持っている。

MBは、外科染色、マラリア、メトヘモグロビン血症などに広く使用されてきた]。さらに、MBは1928年に細菌を光不活性化することが示され]、その直後に強力な抗ウイルス作用が発見された]。MBはまた、非常に高い投与量(ミリモル)でも、抗真菌および抗寄生虫の水槽消毒剤として使用することができる]。MBはまた、肺がん]、乳がん]、前立腺がん]など、異なるタイプのがんの間で光線力学療法に使用されてきた。驚くべきことに、MBと標準的な化学療法で治療した2500人の患者を含むフランスの研究では、COVID-19の感染症例はなかった]。MBの低用量(0.5-4 mg/kg)は生体内試験でミトコンドリア呼吸を刺激する効果があり、動物およびヒトにおいて安全であることを示す研究がある]。このような証拠から、MBは安全な薬物であることが示唆された。

3.アプリケーション

3.1.脳の老化におけるMB

酸化的代謝は、脳の活動にとって重要なエネルギー源である]。脳の老化の過程で、ミトコンドリアの機能不全は、神経細胞の損失と関連している。また、アルツハイマー病(AD)、パーキンソン病(PD)、脳損傷など、多くの脳疾患でも観察されている]。MBは親油性が高く、血液脳関門(BBB)を効果的に通過することができる]。ラットの経口投与または静脈内注射により、血漿中よりも脳内のMB濃度が高くなることが確認されている]。また、ミトコンドリアと強い親和性を持っている]。MitoQやMitoVitEのような他の抗酸化物質とは異なり、MBはフリーラジカルを消去するのではなく、Complex I/IIIの活性をバイパスしてフリーラジカルの産生を減少させることができる]。実際、マウスとラットの両方で、複合体IIIが阻害されたミトコンドリアの膜電位は、MBによって部分的に回復することができる]。電子供与体として作用するMBは、生体内試験で脳内シトクロム酸化酵素の発現と酸素消費量を増加させることもできる]。その上、低用量のMBは、シトクロムcオキシダーゼ活性を阻害する一酸化窒素(NO)を効果的に阻害することが示された]。これらの特性から、MBは脳疾患治療のための有望な薬剤候補であると考えられる。

ADは、認知症の大部分を構成する神経変性疾患である]。アミロイドβ(Aβ)の凝集と神経原線維変化(NFT)は、ADの2つの病理学的特徴である]。加齢はADの最も重要な危険因子の1つである]。ミトコンドリア機能障害は、加齢とADの間のミッシングリンクとなりうる。AD進行の初期段階において、ミトコンドリア由来の酸化ストレスの上昇が報告されている]。また、ADの脳では、サイズが小さくなり、動きが悪くなったミトコンドリアが観察された]。さらに、ミトコンドリア機能障害は、エネルギー代謝の低下、酸化的リン酸化の主要酵素の変化、カルシウムのホメオスタシスの調節障害、ADにおけるmtDNAの散発的変異のレベルの上昇を引き起こす]。MBによる低用量治療は、活性酸素の産生を減少させることができ、これはアルツハイマー病患者にとって有益である可能性がある]。

いくつかの研究は、ミトコンドリア機能障害とAβおよびタウの異常処理との間に関連性があることを示唆している]。アミロイド前駆体タンパク質(APP)は、ミトコンドリア膜に捕捉され、ミトコンドリア機能を損なう可能性がある]。タウの過剰発現は、ATP産生を減少させ、酸化ストレスを増加させることにより、ミトコンドリア機能不全をもたらすこともある]。逆に、ミトコンドリア機能の損傷は、異常なAβ産生を誘発し、タウの異常なリン酸化を促進する可能性がある]。MBは、Aβやタウの凝集を防止したり、オートファジスクリアランスを介して既存の凝集体を溶解し、下流の病的結果を緩和することが報告された]。MBは、アミロイド前駆体タンパク質(APP)のβセクレターゼ切断を直接的または間接的に標的とし、Aβの生成を制御する可能性がある]。Aβおよびタウ凝集のクリアランスにおけるMBの役割は、ADニューロンにおけるミトコンドリア機能を改善し、したがってAD治療に貢献する可能性がある。その上、シトクロム酸化酵素活性はADで低下することが示されている]が、MBはシトクロム酸化酵素の酵素活性を増加させ、その結果、ニューロンの酸化的代謝能力を増加させることができる]。

MBのAD臨床治療における有効性は、現在も検討中である。ADトランスジェニックマウスモデルにおいて、MBはAβ産生を抑制し、認知機能障害を救済することができる]。2008年、ある研究グループは、低用量のMBがアルツハイマー病患者の認知機能障害を予防することを示す予備的データを発表した。MBの商品名であるRemberを軽度から中等度の症状を持つ患者に投与した。その結果、50週間で認知機能低下の割合が81%減少したことが示された]。また、第2相臨床試験において、Remberは軽度から中等度のアルツハイマー病患者において認知機能と脳血流の両方を改善することが示された]。MBの安定変異型であるLMTMは、第3相臨床試験でテストされた]。しかし、その結果は、適切なプラセボ対照群を使用しなかったため、結論に至らなかった最近、別の非ランダム化コホート分析が行われ、軽度AD患者の脳萎縮率が9カ月の治療で減少することが示された]。それでもなお、治療量と適切な対照群を最適化する必要があり、さらに適切な無作為化試験が必要である。

軽度の AD患者(n = 800)を、100 mg 1日2回投与または4 mg 1日2回投与に無作為に割り付けた。

結論: この結果は、LMTMは単剤療法として有効であり、4 mg 1日2回投与は高用量と同様に有効であるという仮説を支持する、これまでの研究と一致するものであった。[R]

PDは、加齢に伴うもう一つの神経変性疾患である。PDは、ドーパミン作動性神経細胞の損傷によって特徴付けられる最も一般的な運動性疾患の一つである]。PDの病理学的特徴は、α-シヌクレイン(α-syn)というタンパク質の細胞内凝集体であるレビー小体およびレビー神経突起である]。α-synはミトコンドリアに移行すると、進行性のミトコンドリア機能障害を引き起こす可能性がある]。ミトコンドリア機能障害は、PDにおける酸化ストレスの誘発を介したドーパミン作動性アポトーシスの主要な原因と考えられている]。ミトコンドリア機能を改善するMBの役割に基づき、MBはPDにおける有望な治療となり得る。ラットロテノンモデルにおいて、黒質ドパミン作動性損失および運動障害の減少における有意な有益な効果が観察されることができる]。MBは、PD 6-OHDAマウスモデルにおいて、ドーパミンニューロンをある程度保存し、運動障害を緩和することができた]。低用量のMB治療は、慢性毒素誘発マウスモデルにおいても有効であるしかしながら、MBがPD治療薬として使用できるかどうかを確認するためには、より多くの証拠がまだ必要である。

MBは、加齢に伴う脳障害における有益な役割に加え、記憶力の向上も期待されている。代謝異常は老齢脳で観察され、ミトコンドリア障害は時間とともに蓄積されるため、ミトコンドリアを改善することで神経細胞が健康を維持し、その機能を向上させることができるかもしれない]。いくつかの初期の研究により、MBがラットやゼブラフィッシュにおいて低用量でシトクロム酸化酵素活性を増加させ、ATP生成を促進することにより、記憶保持を強化できることが示された]。これらの研究の1つは、MB投与後の脳内シトクロム酸化酵素活性が対照群に比べ約70%高く、識別学習時の全体的なニーモニック能力が改善されたことを示した]。これらの効果は、ミトコンドリア呼吸機能の長期的な持続を伴っていた]。別の研究では、MBが慢性的な脳低灌流を受けたラットの記憶障害を予防できることが示された]。ヒトの脳における機能的イメージングにより、MBが課題関連および安静状態の神経ネットワークを調節することが示された]。従って、MBは加速する老化から認知を保護する可能性を持っている。

3.2.皮膚老化におけるMB

身体で最も大きく、最も複雑な器官の1つであり、外部環境に対する主要な防御である皮膚は、重要な健康機能を果たしている]。皮膚には、表皮、真皮、皮下という3つの主要な層がある(図2表皮の最内層は基底細胞層と呼ばれ、ケラチノサイトとメラノサイトが局在している79]。真皮には、コラーゲンやエラスチンなどの細胞外タンパク質を合成する線維芽細胞が存在する79]。皮下は、皮下脂肪の層で断熱効果を発揮し、低皮層とも呼ばれる79]。

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図2 MBのヒト皮膚に対する有益な効果

環境要因、特に紫外線は、皮膚に活性酸素の蓄積を引き起こし、DNA損傷、ETCの障害、コラーゲン合成の減少、コラーゲン分解の増加をもたらす。MBは強力な抗酸化剤として、効果的に活性酸素と戦い、活性酸素によって引き起こされる老化の加速を提示することができる。さらに、MBは線維芽細胞の増殖を促進し、創傷治癒を促進する。さらに、MBは幅広い紫外線化学ブロッカーである(図はmoc.redneRoiB、10 October 2021で作成)。MBは、紫外線の遮断、細胞の酸化ダメージの緩和、皮膚の増殖や創傷治癒の促進など、3つのレベルでヒトの皮膚を保護することができる。

加齢は、皮膚を苦しめる不可避のプロセスである。それは、弾力性の喪失,菲薄化,真皮表皮接合部の平坦化,細胞外マトリックス(ECM)の萎縮,および活性酸素によって特徴付けられる]。皮膚の老化には、内在的なものと外在的なものの2種類がある]。内在的老化は、自然の生理的要因で現れる。基底細胞層の増殖が減少すると、皮膚細胞は老化に達し、コラーゲンの発現がダウンレギュレートされる]。外来性皮膚老化は、環境因子によって老化を促進し、表皮の肥厚、基底細胞の増殖の減少、コラーゲンのダウンレギュレーション、および酸化ストレスの増加を引き起こす]。外因性老化の大部分は、紫外線(UV)により蓄積された光損傷に由来する]。酸化ストレスは、皮膚の内因性および外因性老化の両方に関与している]。特に、皮膚が紫外線のような特定の環境リスク要因にさらされた場合、酸化ダメージの増加は、コラーゲン合成を減少させ、コラーゲン分解を増加させ、老化の加速につながる]。したがって、MBのような抗酸化物質は、皮膚を保護し、老化のプロセスを遅らせることができる(図2)。

以前の研究で、正常な線維芽細胞にMBを投与すると、老化マーカーを減少させながら、寿命と細胞増殖を増加させることができることが示された]。その研究では、MBはシトクロムオキシダーゼを30%増加させ、酸素消費を37-70%促進し、H2O2やカドミウムによる早期老化を逆転させ、MBの保護的役割にはMB/シトクロムcの比率が重要である可能性が示された。興味深いことに、MBを、ビタミンCやレチノール(ビタミンA)など、スキンケアに用いられる一般的な抗酸化物質と比較したところ、MB処理した皮膚細胞は、細胞増殖の促進や老化関連マーカーの低減という点で、両者より有意に優れていた]。皮膚線維芽細胞におけるMB処理は、その強力な抗酸化機能に加えて、エラスチンやコラーゲン2A1のアップレギュレーションを含むECMタンパク質の発現を刺激することができた]。さらに、MB処理は、3D皮膚組織モデルにおいて、皮膚の厚みと水分補給を改善した]。私たちの最近の研究では、MBが紫外線を広範囲に吸収し、ヒトのケラチノサイトにおけるUVB照射によって引き起こされるDNA二本鎖切断を緩和することが示された]。これらの証拠は、MBがヒトの皮膚を保護し、有益であることを裏付けるものであり、日々のスキンケアにMBを取り入れることで、光老化を効果的に遅らせることができることを示唆している。

MBは創傷治癒を促進することができる。加齢に伴い、線維芽細胞の増殖と移動はしばしば減少し、ECMのコラーゲンとエラスチンは分解される]。したがって、皮膚の修復能力は、構造的および機能的な変化により低下する。私たちの研究は、MB治療が創傷治癒過程における線維芽細胞の移動と増殖を促進することを示した]。ラットの皮膚生存熱傷モデルにおいて、MB処理は、一酸化窒素(NO)を遮断することによる酸化ストレスの減少によって媒介されるかもしれない壊死の進行を減少させることができた]。さらに、MBは、抗菌負荷の低減と過度な肉芽形成の減少により、創傷治癒を促進することができる。MBはまた、健康な細胞を傷つけずに乾燥させる効果もある]。全体として、MBは実験室モデルにおいて、ほとんど刺激を与えることなく、組織の生存率を向上させることが示された。

3.3.プロジェリアにおけるMB

MBは、Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome(HGPS)の治療の可能性を示しており、これは、LMNA遺伝子のエクソン11上のCからTへのde novo点突然変異によって引き起こされる遺伝的早老症である]。この突然変異は、ラミンAの代わりにプロジェリンの産生を引き起こし、プロジェリンは、タンパク質の50アミノ酸の欠失をもたらす暗号スプライス部位を保持している]。この欠失により、重要なプロテアーゼ切断部位が失われ、プロジェリンは永久的なファルネシル修飾を受けたプレラミンAの異常な形態となる。そしてプロジェリンは核膜に局在し、核膜に固定されるようになる]。プロジェリンは核骨格を破壊し、核の異常、核膜のブリービング、転写の変化、重度の細胞ストレスを引き起こし、最終的に患者の急速な老化の表現型として現れる]。ミトコンドリア機能障害は、HGPS線維芽細胞と動物モデルの両方で観察され、ミトコンドリア特異的スーパーオキシド(MitoSOX)、ROS、およびミトコンドリア生合成遺伝子PGC-1αの抑制のレベルが上昇する]。

ミトコンドリアの抗酸化物質であり、高浸透性分子であるMBは、HGPSの表現型を救済する能力を実証している]。私たちのグループは、MB処理によってミトコンドリアの欠陥が減少するだけでなく、HGPSの転写の変化も救助されることを見出した。さらに、MBは核膜のプロジェリンを可溶化する能力を示し、HGPS細胞の出血した核を修正し、細胞ストレスを劇的に減少させた。これらの効果がMBの抗酸化作用と関連しているかどうかはまだ不明である。

4.考察

加齢は複数の要因からなる複雑なプロセスである。本総説では、ミトコンドリア機能障害と老化の関係に焦点を当て、MBの抗加齢効果について考察した。脳の老化は謎に包まれており、神経変性疾患が大きな部分を占めている。現在,ADやPDを含むほとんどの神経変性疾患に対して、治療法は十分に開発されていない。いくつかの観察により、ミトコンドリア機能不全が神経変性疾患における重要な発症ステップであることが示唆されている]。

抗酸化作用に加え、MBはBBBを容易に通過するため、治療の有望な候補となる。ADマウスモデルにおいて、低用量のMBは、酸化ストレスを緩和し、認知機能障害を救済する能力を示した]。しかし、第2相および第3相臨床試験での結果は賛否両論である]。これは、マウスモデルのトランスレーショナルな限界に起因している可能性がある。臨床試験のデザインは、さらに最適化される必要がある。さらに、いくつかの研究は、MBがPDマウスモデルの行動障害を緩和することを示唆している]。生理学的な脳の老化があっても、MB投与はシトクロムオキシダーゼ活性を増加させ、酸化ストレスを減少させることにより、記憶を高めることができることを示す研究]がある。しかし、脳の老化におけるMBの臨床応用を検証するためには、より広範な研究が必要である。MBは、皮膚の老化を遅らせる能力も有している。MBは、細胞の寿命を延ばし、UV照射から皮膚を保護し、創傷治癒プロセスを加速し、助けることができる]。さらに、MBの抗菌特性は皮膚に有益である]。さらに、最近の研究では、MB処理によりHGPS皮膚線維芽細胞の表現型(老化病の加速型)が著しく改善されたことが証明された]。

MBはFDAに承認された歴史ある医薬品であるため、MB利用の安全性は十分に評価されている。加齢に関連した症状におけるMBの利用を探ることで、加齢のプロセスを理解することができる。また、MBの効果を高めるために、MBの誘導体を開発することも可能である。

資金調達

この研究は、NIH R01HL126784の支援を受けている。

利益相反

K.Cは、スキンケアと公衆衛生に焦点を当てたバイオテクノロジー企業であるMblue Labsの創設者である。H.X.とA.T.は利益相反のないことを宣言している。

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