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はじめに

　グルタミン酸は哺乳類の中枢神経系において，約 70％の神経細胞が神経伝達物質として利用し，認知，記憶・学習などの脳高次機能に関与している．しかし，細胞外の過剰なグルタミン酸は，興奮毒性という概念で表されるように，神経毒性を持つことが知られている．興奮毒性による神経細胞死は，脳虚血，脳外傷，てんかん，肝性脳症などの急性神経疾患のみならず，アルツハイマー病，筋萎縮性側索硬化症（ALS），ハンチントン病などの慢性神経疾患における細胞死に共通するメカニズムと考えられている（図 1）1）．　興奮毒性による神経細胞死の機序として，グルタミン酸受容体の過剰活性化によるものと，シスチン/グルタミン酸交換輸送体（Xc）の抑制を介するものが知られている（図 2）．グルタミン酸受容体の過剰活性化は，イオンチャネル型グルタミン酸受容体であるNMDA型，AMPA型受容体を介する細胞外からの Ca2＋の流入と，代謝型グルタミン酸受容体から細胞内情報伝達系を介し，IP3産生をもたらすことにより滑面小胞体から Ca2＋を放出させる 2つの経路により細胞内 Ca2＋

濃度を上昇させる（図 2）．細胞内Ca2＋濃度の上昇は様々な分解酵素を活性化し，構造蛋白質，遺伝子，細胞膜が破壊され，細胞死につながると考えられている（図 2）．また，細胞内Ca2＋濃度の上昇は転写因子を活性化して，プロトオンコジーン，アポトー

毒性のメカニ ズムと症 候

グルタミン酸　

田中光一

たなか　こういち　東京医科歯科大学難治疾患研究所教授

生理的濃度のグルタミン酸 過剰なグルタミン酸

神経伝達物質 神経毒

正常な脳高次機能認知記憶・学習社会性など

急性・慢性神経疾患アルツハイマー病脳虚血ハンチントン病など

図 1　主要な興奮性神経伝達物質であるグルタミン酸の二面性

図 2　グルタミン酸の興奮毒性による神経細胞死の機序

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シス関連遺伝子などを誘導し，それらの一部は細胞死を促進することが知られている．Xcを介するグルタミン酸の興奮毒性による神経細胞死の機序は，以下のように考えられている2）．Xcは，シスチンとグルタミン酸のみを輸送基質とし，Na＋非依存性の交換輸送系であり，細胞内のグルタミン酸を放出し代わりに細胞内にシスチンを取り込む．細胞内に取り込まれたシスチンは還元されてシステインとなり，グルタチオン合成に利用される．過剰な細胞外グルタミン酸は，Xcを介する細胞内へのシスチンの取り込みを阻害し，細胞内システインが減少し，グルタチオンの枯渇をもたらす（図 2）．グルタチオンは中枢神経系における主要なラジカルスカベンジャーであり，その枯渇によって細胞内レドックス状態のバランスが崩れ，酸化ストレスにより神経細胞死が生じる（図 2）．　興奮毒性による神経細胞死は，多くの場合，細胞外グルタミン酸濃度の上昇を伴う．細胞外グルタミン酸濃度の上昇の機序として，以下の 3つが考えられている．①　シナプス前終末神経からの過剰なグルタミン酸の放出，②　グルタミン酸輸送体の取り込み能低下，③　グルタミン酸輸送体の逆作動によるアストロサイトからのグルタミン酸の放出．シナプス前終末神経からの過剰なグルタミン酸の放出は，脳虚血，てんかんの重積発作などの時に起こるが，グルタミン酸輸送体の機能が正常ならば，細胞外グルタミン酸濃度が神経毒性を生ずるような高濃度にまで上昇しない．したがって，グルタミン酸輸送体が，グルタミン酸神経毒性の発生機序を考える上で最も重要な機能分子である．現在，脳内には 4 種類のグルタミン酸輸送体（GLAST，GLT1，EAAC1，EAAT4）が存在することが知られている3～5）．GLAST，GLT1は主にアストロサイトに，EAAC1，EAAT4は神経細胞に存在する．この中で，脳における細胞外グルタミン酸濃度の制御にとって重要なものは，アストロサイトに存在するGLASTとGLT1である．以下に，グルタミン酸の興奮毒性が関与する様々な神経疾患について，グルタミン酸輸送体との関連を中心に概説する．

●脳虚血／脳梗塞

　脳虚血/脳梗塞による脳損傷の主要な原因の一つは，一過性の細胞外グルタミン酸濃度の上昇（グルタミン酸サージ）である．グルタミン酸サージの機序としては，ATP枯渇による神経細胞の脱分極によるグルタミン酸放出の増加とグルタミン酸輸送体の機能異常が知られている．グルタミン酸輸送体は，細胞内外のNa＋とK＋のイオン勾配を駆

動力にしてグルタミン酸を細胞内に取り込む．短時間の脳虚血ではATP枯渇によるNa＋/K＋のイオン勾配の消失によるGLT1の取り込み能低下が，長時間の脳虚血ではアストロサイトの脱分極によるGLT1の逆作動がグルタミン酸サージに関与していることが知られている6）．さらに，GLT1の発現量を規定する 1塩基多型と脳梗塞後の障害程度に相関があることが報告されている7）．また，脳出血後の脳損傷を悪化させる大脳皮質拡延性抑制の発生は，GLT1の機能異常により増加する．

●てんかん

　てんかんは，神経細胞の過剰な発射による反復性の発作なので，てんかんによる脳障害にはグルタミン酸の興奮毒性が関与している．脳への大きな障害を伴うてんかん性脳症の患者に，slc1a2（GLT1）の機能障害を伴う点変異が報告されている8）．また，失語症を伴うてんかん患者に，NMDA受容体のサブタイプNR2A，NR2Bの過剰活性化を伴う点変異が報告されている9）．最近筆者らは，大脳皮質特異的GLT1欠損マウスが，生後 12～14日に限局したてんかん発作を起こし，それにより大脳皮質 2/3層および海馬の錐体細胞が選択的に脱落することを見出している（図 3）．2/3層の錐体細胞は，大脳皮質間の連絡を担う神経細胞なので，その障害は脳高次機能に大きな影響を与えると考えられる．

●アルツハイマー病

　アルツハイマー病（AD）の病態にグルタミン酸の興奮毒性が関与することは，中等度および高度ADの症状の進行を抑制する薬としてNMDA受容体の阻害剤であるメマンチンが使われていることからも明らかである．ADの死後脳解析では，グルタミン酸輸送体GLT1の発現減少が報告されている．さらに，アミロイドβによりGLT1の機能が障害されることも報告されている．最近，グルタミン酸の興奮毒性はADの初期病変としても，注目されている．アミロイドβが早期から蓄積しやすい脳部位は健康時から神経活動の高い部位であり，ADの初期段階ではてんかん性脳波が頻繁に観察されることが報告されている．さらに，神経活動の亢進は，アミロイドβの放出，蓄積やタウの放出，リン酸化を促進することが知られており，興奮毒性は変性タンパク質の脳内伝播にも関与する可能性がある10）．また，ADモデルマウスのGLT1の発現量を増減させると，AD様症状が改善・悪化することが報告されている．

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●ハンチントン病

　ハンチントン病において変性する線条体神経細胞は，多くのグルタミン酸作動性神経細胞から入力を受けており，その変性にグルタミン酸興奮毒性が関与している可能性が示唆されている．患者死後脳の解析では，線条体におけるGLT1のmRNAおよびタンパク質の発現減少が報告されている．さらに，ハンチントン病モデルマウスにおいて

もGLT1の発現減少が報告され，GLT1の発現を増加させるセフトリアキソンはモデルマウスの運動障害を改善することが知られている11）．また，原因遺伝子である変異ハンチンチンは，転写因子のGLT1プロモーター領域への結合を阻害し，GLT1の発現を減少させる．

●筋萎縮性側索硬化症（ALS）

　ALSにおける運動ニューロンの変性にグルタミン酸興

CA BGLT1免疫染色

cKO

Ctr

cKO

cKO100

80

60

40

postnatal days

num

ber o

f mic

e sh

owin

g ep

ileps

y（％

）

20

010 11 12 13 14 15 16

Ctr

NeuN

図 3　大脳皮質特異的 GLT1 欠損マウス（cKO）は一過性のてんかん発作を示す，A）GLT1 の免疫染色，B）てんかん発作を起こす cKO マウスの割合， C）NeuN 染色．矢頭：神経細胞の脱落，Ctr：対照マウス．スケールバー：A）2 mm，C）100 μm．

Age（weeks）

Surv

ival

rate（

%）

A100

80

60

40

20

00 20 40 60 80 100

Age（week）5

70

60

50

40

30

20

10

06 7 8 9

Late

ncy

to fa

ll（s）

B

control cKOC

control

50

40

30

20

10

＃of

ChA

T＋ce

lls/s

ectio

n

04

p＝0.002

5cKO

Eflox/flox cKO

D

図 4　脊髄特異的グリア型グルタミン酸輸送体欠損マウス（cKO）は ALS 様症状を示す．A）生存率，B）Hanging wire test での落下するまでの時間， C）cKO マウスは下肢麻痺（矢印）を示す，D）脊髄前角の運動ニューロン，E）cKO マウスでは脊髄前角の運動ニューロン数が減少する．白丸：対照マウス（control），赤丸：脊髄特異的グリア型グルタミン酸輸送体欠損マウス（cKO）．＊＊：p＜0.01．

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奮毒性が関与することは，ALSの治療薬として使われているリルゾールがグルタミン酸放出阻害・グルタミン酸輸送体活性作用を持つことから明らかである．孤発性ALS患者および遺伝性ALSモデル動物では，グルタミン酸取り込み能やGLT1の発現減少が報告されている．さらに，遺伝性ALSモデル動物の運動障害は，GLT1の発現を増加させる薬物により改善する12）．最近筆者らは，脊髄特異的グリア型グルタミン酸輸送体欠損マウスを作製し，そのマウスが運動麻痺・脊髄運動ニューロンの減少を示すことを見つけ，GLT1の機能障害がALSの原因に成り得ることを明らかにした（図4）．さらに，孤発性ALS患者では，グルタミン酸受容体のサブタイプであるAMPA型受容体GluA2の正常な RNA編集が低下し，AMPA型受容体のCa2＋透過性が亢進し，グルタミン酸興奮毒性により運動ニューロンが変性することも報告されている．

●パーキンソン病

　パーキンソン病で変性する黒質ドーパミン神経細胞は，多くのグルタミン酸作動性神経細胞から入力を受けており，さらに，患者血小板におけるグルタミン酸取り込み能が減少していることから，グルタミン酸興奮毒性がパーキンソン病にも関与することが示唆されている．GLT1阻害剤の黒質注入やEAAC1の欠損により，黒質ドーパミン神経細胞の変性と運動異常が観察される．また，パーキンソン病モデル動物の症状は，グルタミン酸受容体（AMPA型受容体，NMDA型受容体）阻害剤やGLT1の活性化薬により改善することが示されている13）．

●脊髄小脳変性症

　脊髄小脳変性症では，主に小脳のプルキンエ細胞が変性する．小脳プルキンエ細胞は脳虚血に最も脆弱な神経細胞として知られ，グルタミン酸興奮毒性に対する感受性が高い．脊髄小脳変性症で，グルタミン酸の興奮毒性が関与する疾患として 1型，5型，7型がある．脊髄小脳変性症 1型および 5型モデルマウスでは EAAT4，GLASTの発現が，脊髄小脳変性症 7型モデルマウスではGLASTの発現が減少し，グルタミン酸の興奮毒性がプルキンエ細胞の変性に関与すると考えられている14）．

●多発性硬化症

　多発性硬化症（MS）患者の血液，脳脊髄液，脳におけるグルタミン酸濃度は上昇している．また，GLT1の発現量を規定する1塩基多型とMSの再発患者の血中グルタミン酸濃度に相関があることが報告されている．さらに，MS患者の脱髄部位ではGLT1とGLASTの発現が減少している．MSモデルマウスの症状は，グルタミン酸受容体（AMPA型受容体，NMDA型受容体）阻害剤やGLT1の活性化薬により改善することが示されている15）．

●エイズ脳症

　エイズ脳症は，HIV‒1（human immunodeficiency virus‒1）の脳への直接感染により引き起こされる認知障害・脳萎縮のことである．死後脳解析から，エイズ脳症の患者では，GLT1の発現が減少することが報告されている．HIV‒1の感染によりアストロサイトで発現が亢進する遺伝子であるAEG‒1（astrocyte elevated gene‒1）は，GLT1の発現を抑制することが報告され，エイズ脳症における神経細胞の変性にグルタミン酸の興奮毒性が関与することが示唆されている16）．

●緑内障

　緑内障は，40歳以上では約5％が潜在的に罹患していると考えられており，日本人の中途失明原因の第 1位である．わが国の緑内障の約70％は正常眼圧緑内障であり，その病態は不明である．緑内障患者ではGLASTが減少していることが報告されている．さらに，高頻度で緑内障を併発するAD患者でもGLASTの減少が報告されており，GLASTの機能異常が緑内障の病態に関与している可能性が高い．グルタミン酸輸送体GLASTおよび EAAC1

図 5　GLAST 欠損マウスは正常眼圧緑内障と似た症状を示す．上の黒矢印：網膜神経節細胞，下の赤矢印：視神経乳頭陥凹の拡大．

C D

野生型 GLAST欠損

野生型

20

15

10

5

0GLAST欠損

眼圧（mmHg）

A BE

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欠損マウスは，眼圧が正常であるにもかかわらず，網膜神経節細胞が加齢に伴い選択的に変性し，視機能の異常，視神経乳頭陥凹の拡大など正常眼圧緑内障に似た症状を示す（図 5）17）．また，GLASTの発現を増加させる arundic acidおよびNMDA型グルタミン酸受容体の阻害剤であるメマンチンは，GLASTへテロマウスの緑内障様症状を改善する18）．

むすび

　以上のように，グルタミン酸の興奮毒性は，様々な神経疾患の病態に関与することが明らかになりつつある．したがって，グルタミン酸興奮毒性の抑制は，これら神経疾患の新規治療法の開発につながる．これまでグルタミン酸興奮毒性に対する神経保護薬の開発は，グルタミン酸受容体阻害剤を中心に行われてきたが，シナプス伝達遮断による副作用の問題があり，臨床で使われている薬剤は，メマンチン（NMDA型グルタミン酸受容体阻害剤）とペランパネル（AMPA型グルタミン酸受容体阻害剤）のみである．筆者らの研究から，グリア型グルタミン酸輸送体を欠損させてもシナプス伝達そのものには大きな影響を与えないことがわかっている19）．したがって，グリア型グルタミン酸輸送体の転写・翻訳や取り込み活性を促進する薬物は，副作用の少ない新しい神経保護薬として有用であると期待される20）．

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