IGF-1（インシュリン様成長因子-1）による若返り

Systemic signals regulate ageing and rejuvenation of blood stem cell niches

Shane R. Mayack

, Jennifer L. Shadrach

, Francis S. Kim

& Amy J. Wagers

多細胞生物の老化は、通常、細胞の置換および修復プロセスの進行性の低下を伴い、非効率的な筋肉修復、骨量の減少、および血液形成の調節不全（造血）を含むいくつかの生理学的欠陥をもたらします。組織に存在する幹細胞の欠陥は明らかにこれらの表現型に寄与していますが、幹細胞の固有の変化または幹細胞を支える微小環境、またはニッチにおける加齢に伴う変化をどの程度反映しているかは不明です。ここでは、補完的なinvivoおよびinvitroを使用します異時性モデルでは、幹細胞を支持するニッチ細胞の加齢に伴う変化が、造血幹細胞の機能不全を引き起こすことにより、正常な造血を規制緩和することを示しています。さらに、ニッチ細胞の年齢依存性の欠陥は全身的に調節されており、若い循環への曝露によって、または骨髄微小環境における保存された寿命調節因子であるインスリン様成長因子-1の中和によって逆転できることがわかります。一緒に、これらの結果は、加齢に伴う造血低下のシグナル伝達における局所的および全身的要因の新しい重要な役割を示し、老化した動物の血液由来因子が局所的なニッチ細胞を介して作用し、年齢依存性の幹細胞破壊を誘発する新しいモデルを強調しています細胞機能。

特に人口動態の傾向により、今後20年間で65歳以上の個人の数が倍増すると予測されているため、加齢に伴う病状は、重大かつ増大する世界的なヘルスケアの懸念を表しています1。造血系では、加齢は免疫機能の欠如と、特に骨髄性サブタイプ2の悪性腫瘍の発生率の増加に関連しています。加齢に伴う血液疾患は、老化した骨髄におけるHSPCのかなりの拡大を含む、老化した造血幹細胞と前駆細胞（HSPC）の個別の変化に一部起因すると考えられており、逆説的に、血液再構成能力の低下と移植後の分化能の偏りが組み合わされています2。 5.5。以前の研究は、細胞固有の変化（たとえば、DNA損傷、酸化ストレス、老化に関連するタンパク質の誘導）が、おそらく関連していることを明確に示しています。 HSPCの老化に寄与する2,3,6–8;ただし、他の研究でも、このプロセスにおける非自律信号の役割が示されています。特に、HSPC機能を調節する骨髄内の解剖学的に定義された間質要素または「ニッチ」の能力9–11は、外因性入力の変化も年齢依存性の造血機能障害に著しく寄与する可能性があることを示唆しています。さらに、の同時効果を考えるといくつかの臓器系で老化すると、全身組織調節因子の全体的な変化が老化した動物のHSPC機能をさらに調節し、おそらく組織全体の老化を調整する可能性があります12,13。ここでは、造血幹細胞（HSC）調節ニッチ細胞の直接分離とin vivoパラバイオティックマウスシステムを使用して、HSPCの老化における局所的な微小環境および全身因子の役割の可能性を調査し、加齢に伴うHSPC表現型を評価します。外因的に。これらの研究は、HSPC調節ニッチ細胞が加齢に伴う変化を受けることを明確に示しています HSPC機能をサポートする能力、およびニッチ活動におけるこれらの加齢に伴う変化は、全身的要因によって逆転する可能性があること。したがって、幹細胞とニッチ細胞の相互作用の全身調節は、老化した組織機能を回復するための有望な新しい手段を提供する可能性があります。

Conclusions

ここで報告された研究は、組織特異的幹細胞の加齢に伴う機能障害の開始および加齢に依存した幹細胞の欠陥の若返りにおける幹細胞ニッチの新しい役割を示しています。老化した骨芽細胞ニッチ細胞の変化が老化の表現型をHSPCに中継し、ニッチ細胞に対する老化の影響が血液由来の因子によって調節される可能性があることを発見しました。したがって、私たちは若々しい下にいる間骨芽細胞ニッチ細胞が恒常性幹細胞の維持を促進する条件では、これらのニッチ細胞は老化によって変化し、代わりに（機能不全の）HSCの蓄積を促進します（補足図8）。他の環境入力なしで、老化した骨芽細胞ニッチ細胞だけで、インビトロでHSC蓄積を誘導するのに十分であるため、我々は、これらのニッチ細胞は、老齢マウスに見られるHSCの頻度、数、機能の変化に直接寄与しています。骨芽細胞ニッチ細胞におけるこれらの年齢特異的変化は、ニッチ細胞自体におけるIGF-1シグナル伝達を変化させることによって部分的に作用するまだ特徴付けられていない循環因子によってシグナル伝達されるようです。全身的に調節されるWntシグナル伝達を伴う皮膚、骨、骨格筋および造血系の関連する病態29,30は、これらの経路の直接的な相互作用または共調節が、いくつかの老化した幹細胞集団の全身調節に関係している可能性があります31。ここに見られるように、老化した骨芽細胞ニッチ細胞に若々しい機能を回復させるIGF-1中和の特定の効果は、ニッチによる幹細胞の調節を制御するこのよく研究された成長因子の新しい重要な活動を浮き彫りにします。骨芽細胞ニッチ細胞におけるIGF-1のこの役割は、線虫や他のモデル生物での研究と一致しており、IGF-1シグナル伝達の加齢促進効果を強調しています32が、骨格筋での報告とは対照的です。 IGF-1の発現は、老齢動物の再生能力を維持します24。したがって、IGF-1は、老化組織機能複合体および組織特異的方法を調節しているようであり、調節成長ホルモンの生理学的活性における文脈的シグナル伝達の重要性を示しています。治療的に考えると、幹細胞ニッチに対する局所的なIGF-1媒介効果によって造血活性を可逆的に調節する加齢調節循環因子の能力（補足図8）は、循環環境を標的にして維持する新しい戦略を開発するための推進力を提供します老化した血液系の若々しい機能を拡張するためのニッチ細胞と幹細胞の適切な機能。

METHODS SUMMARY

マウス、抗体、フローサイトメトリーおよび骨髄分離。老化した（18〜22か月齢）C57Bl / 6マウスは、米国国立老化研究所（NIA）、JAX、またはTaconicから入手しました。若い（2ヶ月齢）C57Bl / 6（CD45.12 CD45.21）マウスとコンジェニックB6.SJL（CD45.11 CD45.22）マウスは、JAXまたはTaconicからのものでした。分析前に、マウスを4〜5週間パラバイオシスに参加させました。細胞単離およびフローサイトメトリーの詳細は、関連する参考文献とともに、メソッドに記載されています。骨芽細胞の単離、短期培養、細胞移植およびIGF-1中和。骨芽細胞は、酵素消化とFACS9によってパラバイオティックマウスの骨から分離されました。骨芽細胞ニッチ細胞の選別された集団は、FACSで分離されたHSPCとのinvitro共培養によってHSC調節活性についてテストされました。等時性または異時性パラビオントから単離された骨芽細胞ニッチ細胞への曝露後のHSC頻度および数をフローサイトメトリーによって評価した（詳細は本文および方法を参照）。 HSC機能は、致死的に照射された（950 rad）コンジェニックマウスへの移植後の長期造血再構成によって測定されました。示されている場合、HSPCを添加する前に、若いニッチ細胞または老化したニッチ細胞をIGF-1に対する中和抗体またはアイソタイプコントロール抗体とプレインキュベートしました。ＩＧＦ－１機能はまた、若いまたは老齢のマウスへの抗ＩＧＦ－１の腹腔内または脛骨内注射によってインビボで試験された。

IGF-1とは？

東京大学形成外科　吉村浩太郎

IGF-1とは(IGF-1: insulin-like growth factor-1; インシュリン様成長因子-1）
インシュリンに非常に似た構造を持つ増殖因子で、成長ホルモンにより肝臓や他の組織（骨格筋など）で産生されます。成長ホルモン（GH）の作用の多くはIGF-1を介したものです。ただ、脂肪を積極的に代謝する作用や、抗インシュリン作用による耐糖能低下などは、成長ホルモンによる直接の作用であり、IGF-1にはありません。一方、IGF-1はインシュリンと類似した作用を持っています。インシュリンは細胞膜にあるインシュリン受容体に結合し、IGF-1は１型IGF受容体に結合して、細胞内にシグナルを伝達します。糖尿病の患者ではこの２種類の受容体がhybridを形成して、インシュリン抵抗性の一つの原因になりますが、IGF-１はこのhybrid受容体とも強く結合し、その作用を発揮できる優れた点を持っています。
以前はIGF-1とinsulinの比較をした文献が多く見られ、それらを蛋白代謝、糖運搬、グリコーゲンやトリグリセリド合成などの面から比較検討していましたが、近年では、IGF-1の持つ筋合成、筋分化、加齢、筋損傷、筋疾患に対する作用に注目した文献も増えてきました。

骨格筋ではIGF-1には2つのシグナル伝達系があります。
1） PI3K（phosphatidylinositol 3-kinase）cascade
⇒筋芽細胞、筋衛星細胞の増殖
2） MAPK (mitogen-activated protein kinase) cascade
⇒筋環細胞の融合、蛋白合成、糖取り込み、肥大、apoptosis回避
IGF-1には 6種類の結合蛋白が見つかっており、血清中ではIGFBP-3が95%のIGF-1と結合しています。IGFBP-3の発現はGHによって制御されています。

IGF-1の受容体としてはIGF-IR(typeI IGF receptor)が知られており、IGF-1またはIGF-2と結合（insulinの500倍）します。その受容体はα2β2サブユニットからなり、αは細胞外ドメイン、βは膜貫通ドメインです。IGF-2は別の2種の受容体にも結合し、他の役割を果たします。

加齢に対するIGF-1投与
加齢により30歳からGHもIGF-1も落ちていきます。加齢によりIGF-IRの発現は新生児期より若青年までに80%減少し、加齢とともにさらに減少していきます。さらに、蛋白同化機能も落ちていきます。ｍRNAは落ちませんのでターンオーバーの増加とも考えられています。
高齢者では血清IGF-1は最大筋仕事量と相関があり、運動療法で多少IGFの回復がみられる報告があります。
IGF-1が臨床投与された報告では
1) GH欠乏患者：除脂肪体重、筋力、筋蛋白合成の増加あり。
2) 若運動家：GHの増加効果無し。IGF-IRの減少のため?
3) 高齢者：①１８人抵抗運動とともに；効果なし。
　　　②GHRHを１１人に６週間、運動なし；IGF-1上昇、筋力も上昇。
などの報告があります。

筋萎縮状態へのIGF-1投与
以下のような報告があります。
1) 絶食患者：筋異化をもたらす。IGF-1を蛋白、mRNAで減らす。低栄養が長く続くとIGF-1は下がる（ラット、ヒト）。
2) 敗血症患者：TNFα上昇が筋異化をもたらし、IGF-1を下げる（TNFα投与vitroでIGF-1による筋同化を妨げる）。LPS(lipopolysaccharide)endotxinやIL-1も血清IGF-1を下げる(ラット)。
3) 筋廃用性萎縮患者：筋apoptosisをもたらす。IGF-1投与や運動はこれを防ぐ。IGF-1過剰発現マウスでも無重力萎縮は見られた（受容体下流への影響?）。

IGF-1による結果的な筋重量増加が見られた臨床例
1) 熱傷患者(1998)　GHとともに投与。
2) 慢性閉塞性肺疾患(1992)
3) 癌性悪疫質(1992)
4) 重症骨粗しょう症(1999)
5) 腎障害(1999)
などの報告があり、HIVによる体重減少には効果はありませんでした(1996)。

DM（糖尿病）に対するIGF-1投与
DMでは骨格筋でinsulinやIGF-1に抵抗性を出し、老化を早める傾向あります(ラット；ヒトでも少し)。
2つの糖運搬物質があります。GLUT1(膜)とGLUT4(細胞内)です。糖尿病の多くではGLUT1の発現の減少が見られます。さらにTNFαの影響があり、DMの筋ではｍRNA4倍に上昇しています。受容体hybrid：insulinRとIGF-IRのhybridが肥満、DMで増加　insulin抵抗性につながるが、IGF-1はhydridとほぼ同じように結合でき機能します。すなわち、DMの筋wastingにIGF-1は有用性を保つことになります。
IGFはinsulin抵抗性DMに効く；GHを抑えるなどの作用がみられます。

筋疾患に対するIGF-1投与
glucocorticoidやHMGCoA(3-hydroxy-3-methylglutanyl coenzyme A)reductase inhibitorによるものは、IGF-1シグナル(PI3K)を障害している(機序は両者で異なる)。Glucocorticoidは上流でもIGF-1、IGF-2を減少させる(ラット)とともに、肝細胞でIGFBP-1発現を増やし筋への効果を減らします。IGF-1の筋apoptosis抑制効果も抑えます。
1) マウス筋萎縮性疾患では明らかな効果あり。
2) マウス　ステロイドによる筋萎縮に大きな効果。局注でも大きな肥大効果。
3) ヒトの報告はない。
などの報告があります。

副作用
浮腫、関節痛、顎関節痛、頭痛（25-60%）；ベル麻痺、視神経鞘浮腫(4%)
などが見られます。
IGF-1とIGFBP-3の複合投与で副作用軽減した報告があり（DM患者；2000年）、この併用治療は効果も大きいとの報告もあります(絶食マウス)。

局所投与方法（過剰発現）
1) アデノウィルス：高齢ラット、27%筋力増加、筋重量は不変。（1998）
2) リポゾーム：熱傷ラット、速い上皮化、体重増、筋蛋白量増加。(1999)
3) プラスミド：筋特異的プロモーターを使って、、
などの報告があります。