本プロトコルは、α−シヌクレイン凝集体の鼻腔内投与の方法を記載している。この手法は、パーキンソン病における嗅粘膜から嗅球へのα-シヌクレインの伝播に関する知見を提供します。
本プロトコルは、α−シヌクレイン凝集体の鼻腔内投与の方法を記載している。この手法は、パーキンソン病における嗅粘膜から嗅球へのα-シヌクレインの伝播に関する知見を提供します。
パーキンソン病(PD)は、α-シヌクレイン(α-Syn)の凝集体であるレビー小体の存在を特徴とする神経変性疾患です。最近、この疾患は、迷走神経の嗅球(OB)または背側核からのα-Syn凝集体のプリオン様伝播を通じて発症および進行することが提案されました。OBにおけるα-Syn凝集体の起源は不明ですが、近年、嗅粘膜からの伝播が示唆されています。私たちは以前、マウスモデルでα-Syn凝集体を鼻腔内に投与すると、マウスのOBにα-Synの病理が誘発されることを示しました。本研究では、マウスのOBにα-Synの病理を誘発したα-Syn凝集体の鼻腔内投与の方法を提示する。α-Syn凝集体の鼻腔内投与は非常に簡便で分かりやすい方法であり、産婦人科におけるα-Synの病理の起源や嗅覚系を通じたα-Synの伝播経路を解明する研究に役立つツールになると考えています。
パーキンソン病(PD)は、運動緩慢、安静時振戦、筋肉のこわばりなどの運動症状を呈し、神経変性疾患の中で2番目に多い疾患です1。PDは、嗅覚機能障害、認知障害、うつ病、幻覚、便秘、起立性低血圧などの非運動症状も示します。その病理学的特徴は、黒質におけるドーパミン作動性細胞死と、レビー小体2と呼ばれるα-シヌクレイン(α-Syn)凝集体の存在です。
注目すべきは、α-Synは、通常の条件下で可溶性モノマー(または四量体)の形で存在する140アミノ酸のタンパク質です。しかし、異常な条件下では、可溶性モノマーはオリゴマーやフィブリルなどの不溶性の高分子量凝集体に変換されます。α-Synのオリゴマーおよびフィブリルへの移行は、細胞毒性に関与していると報告されています3。
最近の研究では、ニューロン間でのα-Syn凝集体のプリオン様伝播が示唆されています。数多くの死後検査に基づいて、Braakらは2003年に、レビー小体の病理がやや常同的な方法で脳内で徐々に広がるという仮説(Braakの仮説)を提唱しました4,5。2008年、胎児中脳移植を受けたパーキンソン病患者の死後検査により、胎児組織に由来するドーパミン作動性ニューロンにレビー小体が明らかになった6,7。これらの研究は、α-Syn凝集体が罹患した脳から移植片に広がる可能性があることを示唆しており、Braakの仮説を裏付けています。
これらの観察結果に続いて、初代ニューロン培養とマウスでのα-Syn凝集体の脳内注射を含む実験により、レビー小体様凝集体の広がりが再現され、プリオン様の方法でα-Synが伝播するさらなる証拠が得られました8,9。
Braakらは、PDのレビー小体病理が嗅球(OB)および/または迷走神経の背側核(dmX)で開始されることを示しました4。Braakの仮説に基づき、いくつかの研究で、PD脳からのα-Syn凝集体またはレビー小体抽出物を実験動物のOBおよび消化管に投与したことが報告されている10,11,12。2018年に行われた研究では、野生型マウスのOBにα-Syn凝集体を投与すると、嗅覚経路に沿ってα-Synの病理が伝播し、嗅覚機能障害が生じることが実証されました13。我々は以前に、α-Syn凝集体をα-SynトランスジェニックマウスのOBに接種し、これが海馬の萎縮と記憶障害につながることを見出した14。
2022年には、ヒト以外の小型霊長類であるマーモセットのOBにα-Syn凝集体を接種しました。その結果、嗅覚経路に沿ったα-Syn病理の伝播、OBの萎縮、および広範な脳グルコース代謝低下がもたらされました10。
しかし、α-Syn凝集体の伝播がOBから発生する場合、α-Syn凝集体が最初に現れるのはどのメカニズムによるのかという重大な疑問が生じます。Saitoらは以前に、鼻粘膜にレビー小体が存在することを報告した15。α-Syn凝集体の存在は、リアルタイム震え誘発変換(RT-QUIC)分析16を使用して、PDおよび多系統萎縮症(MSA)患者の鼻粘膜で検出されました。特に、PDの前駆期と考えられている急速眼球運動睡眠行動障害(RBD)患者の鼻粘膜サンプルを分析したところ、α-Synレベルの増加が明らかになりました17。この研究は、α-Synの病理がPDの前駆期からでも鼻粘膜に存在する可能性があることを示唆しました。
これらの知見は、鼻粘膜から産婦人科への経路の可能性を示唆しているが、このシナリオを裏付ける実験的証拠は限られている。このギャップを埋めるために、マウスの鼻腔内にα-Syn凝集体を投与し、鼻粘膜から産婦人科へのα-Syn病理の伝播を調査しました。私たちの実験的アプローチは、野生型マウスのα-Syn凝集体の単回鼻腔内投与がOBにα-Synの病状を誘発することを示し、鼻粘膜からOBへの伝播経路の実験的証拠を提供しました。
この研究では、生後2か月のC57BL/6J雄マウスを使用しました。すべての実験手順は、国のガイドラインに従って実施されました。京都大学動物実験委員会より、本研究について倫理的な承認と許可が下りました(MedKyo 23,544名〉。
1. α-Synプリフォームドブリルの鼻腔内投与
2. サンプル調製
3. OBの免疫組織化学的染色
図 3 に、OB の α-Syn アグリゲートの例をいくつか示します。本研究では、α-Syn凝集体を片側性鼻孔に投与しました。2つの鼻腔は鼻中隔によって分離されており、各OBは嗅覚ニューロンを各鼻腔に別々に投影します。そのため、対側のOBをコントロールとして使用することができます。
P-α-Synの病理は、1ヵ月後および3ヵ月後に治療を受けた側の産婦人科では観察されなかった(図3A、B)。レビー神経突起様p-α-Syn凝集体は、6か月後および12か月後に治療側の糸球体で観察されました。(図 3C、D、F、G)。これらの凝集体は、コントロール側のOBでは観察されませんでした(図3E)。
ImageJ(Table of Materials)を用いて、α-Syn凝集体の計数やサイズ等の検討により、α-Synの病態を推定することができます。たとえば、このモデルでは、以前に α-Syn アグリゲートの数をカウントして報告しました20。治療側のOBでは、OBのレビー神経突起様凝集体が12か月にわたって有意に増加しました(一元配置ANOVA、続いてダネット検定、p < 0.01; 図3H)。コントロール側のOBでは、α-Synのアグリゲートはほとんどありません。
以前の研究では、マウスの脳に注入されたPFFは1週間以内に分解され、内因性のマウスα-Synはα-Syn凝集体に変換されたことが示されました19。本研究では、α-Synの病理の経時的な増加は、PFFの単回鼻腔内投与により、内因性マウスα-Synがα-Syn凝集体に変換されたことを示しています。これらの結果から、α-Synの病理が嗅覚粘膜から産婦人科に広がる可能性が示されました。

図1:マウス鼻腔投与方法(A)マウスを仰臥位に置き、頭部をわずかに下に傾けた状態。(B)マウスの鼻孔は黄色の矢印で示されています。(C、D)α-Synフィブリル溶液をマウスの鼻孔に滴下し(C、赤矢印)、素早く吸入する(D、赤矢印)。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:無傷の嗅球を得るための手順の概要。 (A)はさみを使用して、頭蓋骨を矢状および横方向に切開します(黄色の破線)。(B)嗅球(OB)の頭蓋骨を完全に取り除きます。(C)頭をひっくり返し、脳を慎重に取り出します。脳の神経を切断します。(D)脳骨に付着している嗅神経を切断します。(E) 無傷のOBを持つ全脳 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

図3:嗅球の糸球体におけるP-α-Syn凝集体 (A-G)(A-D)治療側1、3、6、および12か月後(それぞれ1m、3m、6m、および12m)のOBのP-α-Syn(EP1536Y)免疫組織化学、および(E)鼻腔内投与の12か月後の対照側。(C、D)レビー神経突起のような糸状のα-Syn凝集体が糸球体の周囲に現れます。(F、G)拡大画像は、鼻腔内投与6ヶ月後および12ヶ月後のレビー神経突起様p-α-Synの高倍率画像です。(H)治療側および対照側のOBにおけるレビー神経突起様p-α-Syn沈着量(n = 4-5)。グラフは平均±SEMを示しています。 一元配置ANOVAの後にダネットの検定が続きます。**0<01.この数値は、前回のレポート20から修正されたものである。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
以前の研究では、マカクザルの鼻腔へのα-Syn凝集体の投与は、ドーパミン作動性細胞の死と黒質への鉄沈着を誘発したが、α-Syn凝集体は観察されなかった21。プリオンプロモーター α-Synトランスジェニックマウス(M83マウス)の鼻腔内にA53Tヒトα-Syn凝集体を毎日28日間投与すると、脳にα-Synの病理が誘発され、マウスの運動症状が誘発されることが報告された19,22。本研究では、野生型マウスの鼻腔内へのα-Syn凝集体の単回投与が、産婦人科におけるα-Synの病理を誘発することを示しました。この簡単な方法は、鼻粘膜からOBへのα-Synの伝播を調査するために価値があると考えられます。
この方法でのα-Synフィブリルの十分な超音波処理は、以前の報告が断片化されたα-Syn凝集体の小さなサイズがα-Syn病理23,24を誘発するために最も効率的であることを示していたため、非常に重要です。α-Synフィブリルの超音波処理が不十分な場合、OBへの伝播がほとんどありません。異なるソニケーターは異なるソニケーションパワーを持っているので、このプロセスの最適化が必要です。α-Syn溶液をマウスの鼻孔に投与したときのマウスの仰臥位も重要です。マウスの頭が隆起すると、α-Syn溶液が肺と食道に流れ込みます。不適切な姿勢は、予期せぬ死やα-Synの伝播不足を引き起こす可能性があります。
本研究では、i.p.は麻酔にMMB併用麻酔薬を使用しました。MMB 併用麻酔は、良好な鎮静と鎮痛を提供することが報告されており、その効果はアチパメゾール23 によって急速に逆転する可能性があります。吸入麻酔は、麻酔を維持するために鼻孔をマスクで覆う必要があるため、α-Syn溶液を鼻腔内投与することはより困難です。さらに、ロテノンモデルは広く研究されており、非常に有用なモデル25です。ただし、これは薬物誘発モデルであり、特発性パーキンソン病(iPD)とは異なる病態メカニズムを持っている可能性があります25。このモデルはα-Synの伝搬を誘導したため、iPDにより近いと考えています。
私たちの研究はまた、外因性のα-Syn凝集体が鼻粘膜を介して感染する可能性があることを示唆しました。そのため、研究者がα-Syn凝集体を用いて実験を行う際には、α-Syn凝集体の吸入を避けるための注意が必要です。例えば、α-Synエアロゾルは、超音波処理ステップ中に生成される可能性がある。密閉型ソニケーターまたは安全キャビネット内でのソニケーションの使用をお勧めします。さらに、マウスはくしゃみをすることがあり、α-Synエアロゾルを生成する可能性があります。このリスクを軽減するには、すべての操作を安全キャビネット内で実行する必要があります。また、研究者は、α-Synへの曝露を防ぐために、使い捨て手袋、マスク、安全ゴーグルなどの個人用保護具を使用する必要があります。すべての手順の後、表面がα-Synで汚染されている場合、研究者はベンチを市販の洗剤で拭く必要があります。以前の報告では、市販の洗剤とSDSの両方が汚染された表面から凝集体を剥離させたことが示されています26,27。
この研究では、パラフィン切片の小さな構造が凍結切片よりもパラフィン切片の方が保存しやすいため、産婦人科のα-Syn病理を評価するためにパラフィン切片を使用しました。この研究では、α-Synの病理がOBで誘発されたことが示されました。しかし、観察されたα-Synの病理は軽度で限定的であり、主に糸球体内のレビー神経突起として知られる糸状の凝集体によって表されていました。
なお、本研究では、実験マウスにおける明らかな行動変化は観察されなかった。この方法によって誘発されるα-Synの病状は、行動表現型の変化を誘発するには不十分である可能性があります。重篤な病状や行動の変化につながる特定の状態を解明するには、さらなる調査が必要です。将来的には、鼻粘膜から産婦人科への増殖をより効率的に行う方法を確立することができれば、この簡単な方法は、手術技術なしでα-Synの増殖を評価する別の方法を提供します。
また、対照として、治療したマウスでは対側のOBを使用しました。ただし、前嗅核または梨状皮質から反対側のOBへの逆行性伝播は、長期的な追跡調査で発生する可能性があります。その場合、未処理のマウスを対照として用いた。
この簡単な方法は、鼻粘膜からOBへのα-Synの伝播に関する貴重な洞察を提供しますが、PDの根底にあるメカニズムを包括的に理解するには、さらなる研究が必要です。
著者には、開示すべき利益相反はありません。
すべての実験は氷川理恵氏によってサポートされました。事務処理をしてくださった松澤泰子さんに感謝いたします。本研究は、日本学術振興会科研費(M.S., No.JP19K23779、JP20K16493、およびJP20H00663)。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| オールインワン蛍光顕微鏡 BZ-X710 | キーエンス | N/A | オールインワン顕微鏡 |
| アンピシリン ナトリウム塩 | ナカライ テスク | 02739-32 | |
| バイオラプターII | ソニックバイオ | BR2006A | ウォーターバス型ソニケーター。 |
| 酒石酸ブトルファノール | 明治製菓 | WAK-52850 | |
| セルロースチューブ | ミスミ | UC20-32-100 | |
| ディープウェルマキシマイザー | タイテック | MBR-022UP | シェーカー |
| ダイナコンピュティセルズ ジップ BL21(DE3) | 株式会社バイオダイナミクス研究所 | DS255 | コンピテントセル |
| Entellan | Sigma-Aldrich | 107961 | 顕微鏡用迅速封入剤 |
| Graefe Extra Fine Forceps Curved Serrated | FST | 11152-10 | 鉗子 |
| 硬化細ハサミ | FST | 14090-09 | さみ |
| ヒストファイン シンプルステイン マウス MAX-PO (R) | ニチレイバイオサイエンス | 414341 | ユニバーサル免疫ペルオキシダーゼポリマー 抗ウサギ |
| ImageJ ver 1.52p | NA | NA | |
| https://imagej.net/ innova4200 | ニューブランズウィック科学 | 9105085 | インキュベーター シェーカー |
| イソプロピル-&β;-D-チオガラクトピラノシド | ナカライ テスク | 19742-94 | |
| LB ブロス、レノックス | ナカライ テスク | 20066-24 | |
| ライカ EG 1150 H | ライカ | 14 0388 86 108 | モジュラー組織包埋センター |
| ライカ TP 1020 | ライカ | 14 0422 85108 | 自動ティッシュ プロセッサ |
| メデトミジン | 富士フイルム | 135-17473 | |
| マイクロム HM325 ロータリーミクロトーム | サーモサイエンティフィック | 902100 | |
| ミダゾラム | 丸石製薬 | 4987-211-76210-0 | |
| 新ヘマトキシリン G型 | 武藤 | 65-9197-38 | ヘマトキシリン溶液 |
| 静脈用普通翼針 D型 25G | テルモ | NN2332R | 25G 針 |
| Optima TLXの超遠心分離機 | のベックマンのクーラー8043-30-1197 | の超遠心分離機 | |
| P10ピペット | ギルソン | FA10002P | |
| パラフィン | Leica | ||
| パラホルムアルデヒド | Nacalaiのtesque | 30525-89-4 | |
| オキシダーゼの汚れDABのキット | Nacalaiのtesque | 25985-50 | |
| Pirece BCAの蛋白質の試金のキット | Thermo Scientific | 23225 | BCA assay |
| pRK172 | Addgene | #134504 | プラスミド |
| Q-セファロース Fast Flow. | cytiva | 17051001 | イオン交換樹脂 |