藤田医科大学の宮川剛教授、萩原英雄講師を中心とし、茨城大学農学部の豊田淳教授ら世界7カ国の105の研究室、合計131名の研究者が参加した研究グループが、知的障害、自閉症、統合失調症、双極性障害、うつ病、アルツハイマー病などの精神?神経疾患モデルを含む、実に109種類にも及ぶモデル動物を対象に大規模な脳の代謝解析を実施しました。本研究では、脳のpHおよび乳酸量が多くの疾患モデル動物で共通して変化することが確認され、これらの変化は特に認知機能障害と関連が深いことが示されました。この発見によって、異なる疾患における認知機能障害に対する共通の脳内メカニズムの理解を深めることが期待されます。
　この研究成果は、2024年3月26日GMT8時（日本時間3月26日17時）に英国の生命科学?生物医科学分野の学術雑誌「eLife」のオンライン版で公開されました。
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背景

　脳活動のエネルギー源として主にグルコースが利用されます。これまでの研究から、統合失調症や双極性障害などの精神?神経疾患の患者では、グルコースの分解によりエネルギーを産生する過程（代謝）に異常があることが示唆されています。これらの疾患では、グルコースが代謝されてできる酸性の代謝物である乳酸が増加し、それに伴い脳のpHが低下すると考えられています。しかし、これらの脳内の変化についてはいくつかの論争があります。すなわち、これらの変化は、疾患そのものに由来する病態に関連した現象なのか、あるいは、疾患そのものからではなく、抗精神病薬の服用など二次的な要因（混交要因）から生じた見かけ上の現象なのか、という議論です。ヒト死後脳標本を用いた研究においては、このような要因を避けることは非常に困難です。しかし、モデル動物を活用すれば、混交要因となり得る各種要因を厳密に制御した状態で検証することができるため、混交要因に関わる論争を理解するための適切な代替手段であると私たちは考えました。

　私たちは以前、統合失調症/発達障害、双極性障害、自閉症のマウスモデル5種類に共通して、脳のpHが低下し乳酸濃度が増加していることを見出し、これらの変化は疾患の病態に関連した現象であると提唱しました。しかし、その他の精神?神経疾患の動物モデルにおける脳のpHと乳酸についての研究はまだ限定的であり、このような脳内の変化が一般性のある現象なのかは不明でした。さらに、脳のpHおよび乳酸量の変化がどのような行動異常と関連しているのかも明確ではありませんでした。

研究手法?研究成果

　精神?神経疾患モデル動物は世界中に多種多様なものが存在します。私たちは、世界7カ国?計131名の研究者が参画する共同研究により、遺伝子改変やストレス負荷などを施した109種類の動物モデル、合計2,294匹のマウス、ラット、ヒヨコの全脳サンプルを収集し、pHおよび乳酸量を測定しました。この包括的な解析により、統合失調症/発達障害や双極性障害、自閉症のモデルに加えて、うつ病、てんかん、アルツハイマー病のモデルなど、多様な疾患モデル動物において、脳のpH?乳酸量の変化が共通の特徴であることを明らかにしました。

◆主な結果

1. 疾患間で共通する現象：109種類のモデル動物の約30%で脳のpHおよび乳酸量に有意な変化が見られました（図1）。これらの大部分では、pHが低下し乳酸量が増加していました。これは多くの疾患動物モデルで共通して脳のエネルギー代謝の異常が生じていることを示唆しています。
2. 原因は環境にも：健常な動物に心理的ストレスを与えたうつ病モデル（マウスとヒヨコ）や、うつ病の併発リスクが高い糖尿病や腸炎を誘発したモデルマウスでも脳のpH低下?乳酸量増加が見られました。これは、様々な後天的な環境要因が原因となる可能性を示しています（図2）。
3. 統合失調症/発達障害への示唆：以前に私たちが解析した以外の統合失調症/発達障害のモデルマウスでも脳のpH低下と乳酸量増加が確認されました。
4. 認知機能との関連：109種類のモデル動物うち、最初にデータを取得した65種類を探索群とし、乳酸データと行動試験データを統合した解析を行いました。これにより、脳の乳酸量変化が行動レベルでの機能発揮に関連していることが示唆されました（図3）。特に作業記憶の低下が乳酸量の増加と関連していることが明らかになりました（図4）。
5. 再現性確認で強固な証拠：残りの44種類のモデル動物を確認群とした独立した研究で、脳の乳酸量増加と作業記憶の低下との関連を再確認しました。
6. 自閉症の複雑性：自閉症モデルマウスにおいては、pH低下と乳酸量の増加を示すモデルと、それとは逆のpH増加?乳酸量低下を示すモデルが複数見つかりました（図1）。これは、個人によって症状が大きく異なる自閉症における患者サブグループ（個人差）に対応している可能性が考えられます。

◆結果の意義
　この研究は、精神?神経疾患の動物モデルにおける脳のpHおよび乳酸量を包括的に評価した初の大規模研究です。得られた知見は、認知機能障害を伴う様々な疾患に共通する脳内の特性を理解する新たな手がかりとなる可能性を持ち、既存の疾患分類の枠組みを超える影響をもたらすかもしれません。

今後の展開

　本研究の成果は、神経科学や精神医学の分野における新たな研究方針や精神?神経疾患の治療戦略の開発に貢献することが期待されます。様々なモデル動物は、疾患の特定の症状や特定の患者サブグループに対応する可能性があります。各モデル動物の脳のpHおよび乳酸量の変化に焦点を当て、それが生じる脳領域を特定し、その変化の詳細なメカニズムを解明することで、対応する症状や状態における脳病態の理解が深まることが期待されます。また、乳酸およびpHの実体である水素イオン（H⁺）は、様々なタンパク質に結合してその構造や活性を調節するなどの機能を持っていますが、疾患におけるpHや乳酸量の変化が病態や症状に対して与える影響が良いのか悪いのかはまだ明らかではありません。これらの変化の機能的な意味を解明することで、将来、脳の代謝変化という生物学的特徴に基づく新たな治療法の開発が進むことが期待されます。

※本プレスリリースの内容はモデル動物を用いた基礎研究での研究成果についてであり、これがすぐに臨床応用できるわけではありません。また、脳のpHや乳酸量を上げる、あるいは下げるような方法で疾患が改善するということを証明しているわけではありません。

図１脳のph?乳酸の異常は多くの神経精神疾患モデル動物に共通する

国際共同研究コンソーシアムの研究として、109種類のモデル動物の脳のpHと乳酸を測定した。このうち29 種類が有意なpH の低下、乳酸量の増加をそれぞれ示し、このうち27 種類がpH 低下と乳酸量増加を同時に示した。また、8種類が有意なpHの増加、6種類が乳酸量の低下を示し、このうち4種類がpH 増加と乳酸量低下を同時に示した。（ヒートマップ）pH と乳酸量に基づいたクラスター解析の図。赤色が、当該モデル動物において対象群と比べて増加、緑色が低下を示す。有意な変化（アスタリスクが付与）を示すモデル動物の多くは、「pH低い/乳酸高い」グループに見られる。■でラベルした主な自閉症の遺伝子改変モデルマウスは、「pHやや高い/乳酸やや低い」グループにも複数見られ、自閉症の複雑な症候性（程度の差、個人差）を反映している可能性がある。

図２環境要因で変化する脳のph?乳酸

ストレス誘導性のうつ病モデル（マウス?ヒヨコ、糖尿病や腸炎モデルマウスで脳のpH低下?乳酸量増加が見られた。健常な動物でも、さまざまな環境要因が原因で後天的に脳のpH?乳酸量は変化する。

図3. 脳の乳酸量の変化は行動レベルでの機能的意義を持つ（探索群での解析）

行動レベルでの機能にフォーカスし、行動パターンが脳内乳酸量を予測できるか、という解析を行った。各種の行動指標が脳内乳酸量と何かしらの関連があれば予測でき、全く関係なければ予測できないであろうと考えられる。（左）この予測解析にはleave-one-out cross-validation 法という学習モデルを使用した。（右）予測値は実測値とかなり類似した値を示し、行動パターンから脳内乳酸量が精度良く予測できた。つまり、脳の乳酸量の変化は行動レベルで機能的な意義を有することが考えられた。

図4. 脳の乳酸増加と作業記憶の低下（探索群での解析）

図3 に示す予測解析での学習モデルの詳細な解析の結果、各種の行動指標の中から、作業記憶の指標（迷路テスト課題での正答率）が選択的に脳の乳酸量変化と関連していることがわかった。グラフは、乳酸の実測値と迷路テスト課題の正答率についての相関を示す。乳酸が増加しているモデル動物ほど、正答率が低い、つまり作業記憶が悪いという関係性が明らかとなった。

論文情報

• タイトル：Large-scale animal model study uncovers altered brain pH and lactate levels as a transdiagnostic endophenotype of neuropsychiatric disorders involving cognitive impairment
• 雑誌名（巻号）：eLife (12:RP89376)
• 著者名：Hideo Hagihara, Hirotaka Shoji, Satoko Hattori, Giovanni Sala, Yoshihiro Takamiya, Mika Tanaka, Masafumi Ihara, Mihiro Shibutani, Izuho Hatada, Kei Hori, Mikio Hoshino, Akito Nakao, Yasuo Mori, Shigeo Okabe, Masayuki Matsushita, Anja Urbach, Yuta Katayama, Akinobu Matsumoto, Keiichi I. Nakayama, Shota Katori, Takuya Sato, Takuji Iwasato, Haruko Nakamura, Yoshio Goshima, Matthieu Raveau, Tetsuya Tatsukawa, Kazuhiro Yamakawa, Noriko Takahashi, Haruo Kasai, Johji Inazawa, Ikuo Nobuhisa, Tetsushi Kagawa, Tetsuya Taga, Mohamed Darwish, Hirofumi Nishizono, Keizo Takao, Kiran Sapkota, Kazutoshi Nakazawa, Tsuyoshi Takagi, Haruki Fujisawa, Yoshihisa Sugimura, Kyosuke Yamanishi, Lakshmi Rajagopal, Nanette Deneen Hannah, Herbert Y. Meltzer, Tohru Yamamoto, Shuji Wakatsuki, Toshiyuki Araki, Katsuhiko Tabuchi, Tadahiro Numakawa, Hiroshi Kunugi, Freesia L. Huang, Atsuko Hayata-Takano, Hitoshi Hashimoto, Kota Tamada, Toru Takumi, Takaoki Kasahara, Tadafumi Kato, Isabella A. Graef, Gerald R. Crabtree, Nozomi Asaoka, Hikari Hatakama, Shuji Kaneko, Takao Kohno, Mitsuharu Hattori, Yoshio Hoshiba, Ryuhei Miyake, Kisho Obi-Nagata, Akiko Hayashi-Takagi, Léa J. Becker, Ipek Yalcin, Yoko Hagino, Hiroko Kotajima-Murakami, Yuki Moriya, Kazutaka Ikeda, Hyopil Kim, Bong-Kiun Kaang, Hikari Otabi, Yuta Yoshida, Atsushi Toyoda, Noboru H. Komiyama, Seth G. N. Grant, Michiru Ida-Eto, Masaaki Narita, Ken-ichi Matsumoto, Emiko Okuda-Ashitaka, Iori Ohmori, Tadayuki Shimada, Kanato Yamagata, Hiroshi Ageta, Kunihiro Tsuchida, Kaoru Inokuchi, Takayuki Sassa, Akio Kihara, Motoaki Fukasawa, Nobuteru Usuda, Tayo Katano, Teruyuki Tanaka, Yoshihiro Yoshihara, Michihiro Igarashi, Takashi Hayashi, Kaori Ishikawa, Satoshi Yamamoto, Naoya Nishimura, Kazuto Nakada, Shinji Hirotsune, Kiyoshi Egawa, Kazuma Higashisaka, Yasuo Tsutsumi, Shoko Nishihara, Noriyuki Sugo, Takeshi Yagi, Naoto Ueno, Tomomi Yamamoto, Yoshihiro Kubo, Rie Ohashi, Nobuyuki Shiina, Kimiko Shimizu, Sayaka Higo-Yamamoto, Katsutaka Oishi, Hisashi Mori, Tamio Furuse, Masaru Tamura, Hisashi Shirakawa, Daiki X. Sato, Yukiko U. Inoue, Takayoshi Inoue, Yuriko Komine, Tetsuo Yamamori, Kenji Sakimura, Tsuyoshi Miyakawa
• DOI番号：https://doi.org/10.7554/eLife.89376.3