人間の心臓は一度損傷を受けると永久に傷跡が残りますが、ある魚類や両生類は心臓の傷跡を取り除き、再生することができます。この能力の仕組みを解明することができれば、人間の心臓病治療に新たな道が開けるかもしれません...！
ユタ大学の生物学者らが行った新たな研究では、ゼブラフィッシュ（Danio rerio）とミナミメダカ（Oryzias latipes）の2種の魚を比較し、心臓の再生能力の違いを調査しました。この研究は、心臓の傷を修復するための免疫応答が鍵である可能性を示しています。
2つの魚の物語
この研究を主導したのは、ユタ大学のジェイミー・ガニョン博士（Jamie Gagnon, PhD）です。彼のチームは、心臓の再生能力における主な違いを明らかにするために、形態が似ている2種類の魚を比較しました。
「心臓の形態が似ている2種類の魚を比較することで、主な違いを見つけるチャンスが増えると考えました」と、ガニョン研究室のポスドク研究員であり、この新しい研究の主著者であるクレイトン・ケアリー氏は述べています。
研究の発見
ガニョンのチームは、この謎を完全には解明できなかったものの、ゼブラフィッシュの心臓再生に関与する分子および細胞のメカニズムに新たな光を当てました。
「これら2つの心臓が見た目は非常に似ているが、実際には非常に異なることがわかりました」とガニョン博士は述べています。
ゼブラフィッシュとミナミメダカは、数百万年前に共通の祖先から分岐した条鰭綱の魚類です。両者ともに全長約1.5インチで淡水に生息し、2つの心室を持つ心臓を持っています。メダカは日本に自生し、ゼブラフィッシュはガンジス川流域に自生しています。
研究によれば、再生能力を持たない魚の存在は、負傷に対する反応の違いを対比し、再生能力を持つ種に特有の細胞の特徴を特定する機会を提供します。ガニョン博士は、心臓の再生はすべての条鰭綱に共通する祖先の特徴であると考えています。
進化的背景
この能力を失った進化の道筋を理解することで、哺乳類が成人後に再生能力を持たない理由についての洞察が得られるかもしれません。
ゼブラフィッシュはその独特な横縞模様から、アメリカでペットとして長い間人気があります。1970年代には、胚発生の研究モデルとして生物学者に受け入れられました。
ゼブラフィッシュは、実験室で大量に繁殖させることができ、研究が容易であり、非常に頑健であるため、科学者に好まれています。
冷却ショックによる心臓損傷
ガニョン研究室では、心臓発作を模倣するために、冷凍プローブという装置を用いて魚の心臓を損傷させました。研究チームは、一定の時間後に心臓を取り出し、2つの種がどのように異なる反応を示すかを調査しました。
ケアリー氏は、銅線の一片から冷凍プローブを作り、液体窒素でマイナス170度に冷却しました。研究チームは、魚の腹に小さな切り込みを入れて心臓を露出させ、心臓の端に23秒間プローブを当てました。
95%のケースで魚は手術に耐えましたが、長くは生きませんでした。3日後または14日後に心臓を取り出し、単一細胞の溶液に溶かしてRNAシーケンシングを行い、負傷に対する魚の反応を示すマーカーを探しました。
「ゼブラフィッシュにはウイルス感染時に見られるような免疫応答、インターフェロン応答が見られます」とケアリー氏は述べています。「この応答はメダカでは全く見られません。」
ゼブラフィッシュの心臓再生のメカニズム
研究では、免疫細胞の動員と行動、心膜細胞と内皮細胞のシグナル伝達、心臓の構造と構成の変化の違いが記録されました。例えば、ミナミメダカにはゼブラフィッシュに存在する特定の種類の筋細胞が欠けています。
「おそらく、すべての動物の祖先は負傷後に心臓を再生する能力を持っていたのでしょう」とガニョン博士は述べています。「なぜその素晴らしい特徴を失ったのか理解したいですね。」
研究は、ゼブラフィッシュの再生能力がその免疫システムに関係していることを示唆していますが、正確なメカニズムを理解するにはさらに研究が必要です。例えば、シマスズメダイでは、ミナミメダカよりもはるかに多くのマクロファージが負傷部位に移動しました。
ミナミメダカとは異なり、ゼブラフィッシュは一時的な傷跡を形成し、それが硬直化することはありません。
「その傷跡をどうするかが重要です」とガニョン博士は述べています。「インターフェロン応答がこれらの特殊なマクロファージ細胞を傷跡部位に呼び込み、新しい血管の成長を促進すると考えています。」
時間が経つにつれて、新しい筋肉が損傷した心臓組織を置き換え、心臓が回復します。
「動物が組織を再生する方法、その特徴が私たちや他の動物で失われた理由を学ぶことで、私たちの限界を理解し、それを克服するための戦略を考える手助けになるでしょう」とガニョン博士は述べています。「私たちの希望は、非常に詳細に研究できる動物でこの知識ベースを構築し、その知識を使って哺乳類でより焦点を絞った実験を行い、そしていつか人間の患者にも応用することです。」
このオープンアクセスの論文「Distinct Features of the Regenerating Heart Uncovered Through Comparative Single-Cell Profiling（比較単一細胞プロファイリングを通じて明らかにされた再生心臓の特徴）」は、2024年4月のBiology Open誌に掲載されており、米国国立衛生研究所の資金提供を受けています。ガニョン研究室のメンバーであるヘイリー・ホリンズ氏とアレクシス・シュミッド氏も共著者として名を連ねています。
この研究は、ゼブラフィッシュとミナミメダカという2つの魚を比較し、心臓の再生能力の違いを調査したものです。研究の結果、ゼブラフィッシュの再生能力は免疫システムに関連していることが示唆されました。特に、ウイルス感染時に見られるインターフェロン応答が重要である可能性があることがわかりました。これにより、将来的に人間の心臓病治療に新たな可能性が開けるかもしれません。
