「血液脳関門」の版間の差分

  血液脳関門(Blood-Brain Barrier, BBB)の概念提唱のさきがけとなったのは、1695年にイギリスの生理学者Humphrey Ridleyが、「水銀を血液内に投与すると、神経組織へ移行せずに血管内に留まっている。その原因は脳血管の密着性が、他の血管と大きく異なるからである。」ことを'The Anatomy of the Brain<ref>'''Ridley H.'''<br>The Anatomy of the Brain<br>''London: Sam Smith and Benjamin Walford, Printers to the Royal Society'':1695</ref>'に発表したことである<ref><pubmed> 21349150 </pubmed></ref>。Ridley の発見から190年後の1886年に、細菌学者Paul Ehrlichは、生きている動物の血管内にさまざまな色素を注入し脳組織染色を試みた結果、塩基性色素であるメチレンブルーを注入したときのみ染色に成功した。1913年には、Ehrlichの弟子であったEdwin Goldmanが、酸性色素であるトリパンブルーを血管内に投与した場合には、一部の特殊な部位を除いて脳実質は染色されず、一方で脳室内に投与した場合には脳は染まるが他の末梢臓器は染まらないことを見出した。これらの発見をきっかけに、血液と脳実質の間には関門が存在するとして、BBBの概念が提唱された。当初は、BBBは血液と脳を隔てる単なる物理的障壁と考えられてきた。しかし近年では、分子生物学や、''in vitro''モデル細胞株の樹立など細胞生物的な手法の導入によって、BBBの機能は分子レベルでの解明が飛躍的に進んでいる。現在では、BBBは脳に必要な物質を血液中から選択して脳へ供給し、逆に脳内で産生された不要物質を血中に排出する「動的インターフェース」であるという新たな概念へと塗り替えられている<ref name=ref1><pubmed> 17619998 </pubmed></ref>。このBBBの機能は、薬という異物の脳移行を制限することから、中枢作用薬の開発成功率を大幅に下げる一因と位置づけられている。特に、がん細胞において抗がん剤耐性因子として同定されたP-糖タンパク(P-glycoprotein/ P-gp/ ABCB1/MDR1/mdr1a)<ref><pubmed> 7910522 </pubmed></ref><ref><pubmed> 1357522 </pubmed></ref>やBreast Cancer Resistance Protein (BCRP/ABCG2/MXR/ABCP)<ref><pubmed> 15805252 </pubmed></ref><ref><pubmed> 12438926 </pubmed></ref><ref><pubmed> 15255930 </pubmed></ref><ref><pubmed> 16181433 </pubmed></ref>がBBBにおいて、薬物排出ポンプとして発現機能しているとした1990年-2000年初期の発見は、BBBの物質輸送研究に大きなインパクトを与えた。このほかP-糖タンパクやBCRP以外にも、BBBに発現して物質輸送を担う多様なトランスポーターや受容体の分子レベルでの同定が進み、脳機能を支援・防御する動的インターフェースの一躍を担っていることが明らかにされ<ref name=ref1 />、BBBの受容体を標的とした薬物送達システムの開発も進んだ<ref><pubmed> 22929442 </pubmed></ref>。そして今、寺崎らが2008年に開発した機能性タンパク質の標的絶対定量法(Quantitative Targeted Absolute Proteomics (QTAP)」<ref name=ref2><pubmed> 18219561 </pubmed></ref>によって、BBBに発現するトランスポーターの定量アトラスが、マウス<ref name=ref2 /><ref　name=ref4><pubmed> 22401960 </pubmed></ref>、サル<ref name=ref5><pubmed> 21254069 </pubmed></ref>、ヒト<ref name=ref6><pubmed> 21291474 </pubmed></ref>、で完成し、これらの定量情報を基にBBBのヒトと動物との種差が解明された。さらに、BBBにおけるトランスポーターの発現量と''in vitro''で計測可能な単分子活性を基にしたBBB物質輸送の再構築法<ref name=ref8><pubmed> 21828264 </pubmed></ref>の開発が進んでおり、ヒトBBBにおける薬物を含めた物質輸送の予測系の基盤技術が構築されつつある。  

  PET, SPECTおよびMRIなどのイメージング技術を利用することによって、ヒトのBBBにおける物質の透過速度やトランスポーターの輸送活性が測定され、ヒトと実験動物の間の違いが定量的に解析されている。合成可能なリガンド数が少ないこと、特定のトランスポーターだけに輸送される物質がほとんどないことから、現在、一部の化合物やトランスポーターを対象とした解析に限られている。一方、寺崎らが開発した「機能性分子のタンパク質絶対定量法(Quantitative Targeted Absolute Proteomics (QTAP)」によって、ヒト、サル、マウスのBBBにおける複数のトランスポーターのタンパク質発現量が解明された（図4）<ref name=ref2 /><ref name=ref4 /><ref name=ref5 /><ref name=ref6 />。これら2つの手法によって、ヒト血液脳関門研究およびヒト-動物間の種差研究は、発現の有無、BBBを透過する・しないなどといった定性的解析から、発現量(mol)、透過速度、輸送速度およびその差などに基づく定量的解析へと大きく舵を切りつつある。  

   Syvänenらは、P-gpの基質である[11C]GR205171と[18F]Altanserinの脳への移行性（脳対血漿中薬物濃度比、Kp brain)は、齧歯類と比較してヒトではそれぞれ4.5倍および8.6倍大きいことを報告している<ref><pubmed> 19047468 </pubmed></ref>。従って、ヒトBBBにおけるP-gpの薬物排出機能は齧歯類と比較して小さいことが示唆されている。ヒトの脳毛細血管におけるP-gpのタンパク質発現量はマウスに比べて2.33倍小さいことから(図4)<ref name=ref6 />、ヒトではP-gpの発現量の低下に伴ってP-gpの排出機能が低下していることが示唆される。一方、カニクイザルのP-gpのタンパク質発現量はヒトと有意な差はなかった。  

  これまでのげっ歯類を用いた研究から、BBBの薬物トランスポーターの中で、P-gpが輸送機能及び発現量ともに最大であることが示されてきた。しかし、ヒトの脳毛細血管では、BCRPのタンパク質発現量がP-gpに比べてやや大きいことが示された(図4)<ref name=ref6 />。従って、げっ歯類に比べて、ヒトのBBBでは薬物排出へのBCRPの寄与が大きいことを推察される。  

  MRP4、OAT3、OATP1A2、OATP2B1およびoatp1a4など、脳毛細血管内皮細胞に発現することが報告されている有機アニオントランスポーターについて、輸送活性の種差はまだ明かとなっていないが、タンパク質発現量の種差の程度が解明されている(図4)<ref name=ref6 />。ヒト脳毛細血管におけるMRP4の発現量は、カニクイザルと比べて有意な差はないが、マウスに比べて有意に8.15倍小さい。ヒトのOAT3の発現量は、マウスの5.66倍以下である。さらに、ヒトのOATP1A2およびOATP2B1の発現量は、マウスのoatp1a4の発現量に比べて、それぞれ3.04倍以下および6.26倍以下である。従って、マウスに比べて、ヒトではMRP4、OAT3、OATP1A2およびOATP2B1を介した有機アニオン性物質の輸送は制限されていることが示唆されている。  

  ヒトにおいてBBBを介した脳へのグルコース供給速度の最大値は0.4–2.0 μmol/min/g brainであり、げっ歯類（1.42 μmol/min/g brain）と同程度であることが報告されている<ref><pubmed> 2786885 </pubmed></ref><ref><pubmed> 6361813 </pubmed></ref>。この報告に一致して、脳へのグルコース供給を担うGLUT1のタンパク質発現量に顕著な種差はない(図4))<ref name=ref6 /> BBBにおいて、GLUT1に加えてGLUT3の発現も認められている。タンパク質発現量に顕著な種差があるが、GLUT1に比べて絶対量が極めて小さいため(図4)、その種差はBBBにおけるグルコース供給速度に影響しないと考えられる。  

  ヒト脳毛細血管におけるLAT1および4f2hcのタンパク質発現量はともに、マウスに比べて5倍小さい(図4)。L-[1-11C]leucineとthree-compartment modelを用いたPET解析によって、ヒトの脳内のタンパク質合成速度(0.345-0.614 nmol/min/g)は、げっ歯類(3.38 nmol/min/g)に比べて顕著に小さいことが報告されている<ref name=ref7><pubmed> 833603 </pubmed></ref>。脳内タンパク質合成は、脳内のアミノ酸濃度によって影響され、アミノ酸濃度はBBBを介したアミノ酸供給速度に依存している<ref name=ref7 /> <ref><pubmed> 7929 </pubmed></ref>。従って、ヒトBBBではLAT1および4f2hcの発現量の低下に伴って、アミノ酸供給速度がげっ歯類に比べて小さいことが示唆される。  

  トランスポーターの輸送活性を構成する個々の要素（分子数、1分子あたりの輸送活性）を''in vitro''実験等で解明し、それらのデータを統合することによって''in vivo''のトランスポーターの輸送活性を解析する手法である。イメージング技術と異なり、ヒトにプローブ化合物を投与することなく、ヒトBBBにおけるトランスポーターの輸送活性を解析することが理論的に可能であり、現在、この実現を目指している。理論的に、全てのトランスポーターに適用可能であり、有用な解析手法として期待されている。トランスポーターの輸送活性は、トランスポーター1分子あたりの輸送活性と分子数（タンパク質発現量, mol）の積に分解できる(図5)。従って、トランスポーター1分子あたりの輸送活性を''in vitro''実験によって測定し、ヒト死後脳から単離した脳毛細血管におけるトランスポーターのタンパク質発現量と統合することによって、''in vivo''のヒトBBBにおける輸送活性を再構築できる。この考え方を実証するために、マウスmdr1a発現細胞単層膜で測定したmdr1aの輸送活性をそのmdr1a発現量で除することによってmdr1a 1分子あたりの輸送活性を算出した。これをマウス脳毛細血管におけるmdr1a発現量と統合することによって、BBBのmdr1a輸送活性を再構築した。その結果、異なる輸送活性を示す全11基質について再構築された輸送活性は実測値と良好に一致した(図5)<ref name=ref8 /> 。<br>このように、''in vivo''のBBBにおける輸送活性を再構築できることが実験的に証明されている。この再構築の考え方をヒトに適用し、ヒトのトランスポーターの発現培養細胞における1分子輸送活性およびヒト脳毛細血管における発現量を測定することによって、ヒトBBBにおける種々のトランスポーターの輸送活性を解析できるようになると考えられている。

（執筆者：立川正憲, 内田康雄, 寺崎哲也, 担当編集委員：河西春郎）