急性心筋梗塞1 は心筋への血液供給の一部が著しく減少または停止することで発症します。 急性心筋梗塞は、心筋への血液供給が著しく低下または停止することで発症し、生存者は慢性心不全（CHF）を発症するリスクが高く、予後が不良となる。 CHFは、心機能障害によって始まり、交感神経副腎系やレニン-アンジオテンシン-アルドステロン系などの代償機構が活性化される臨床症候群である。 CHFの初期に代償機構が活性化することで、心臓はポンプ機能の低下を補うことができるらしい。 しかし、過剰な活性化の持続は、心機能に悪影響を及ぼす。 このような過剰な活性化は、逆に一旦心機能を悪化させると、その代償機構をさらに活性化させ、さらに心機能を悪化させることになる。 このような正のフィードバック機構により、心臓は代償性心リモデリングに陥り、末期には不全に至る。 したがって、不適応過程はCHFの病態生理の鍵である。

不適応過程では、心臓の自律神経系2,3も重要な役割を担っている。 Autonomic Tone and Reflexes After Myocardial Infarction study (ATRAMI)4 および Cardiac Insufficiency BIsoprolol Study II (CIBIS II)5 から得られた臨床的証拠から、心臓迷走神経活動の低下と心拍数の増加がCHFの高い死亡率を予測することが示されています。 これらの知見に基づき、迷走神経活動の増強が心臓のリモデリングと死亡を防ぐかどうかを明らかにすることは論理的なことです。 急性虚血時の生命を脅かす不整脈の発生に関して、迷走神経刺激の効果は、犬で心室細動を防ぐことが報告されています6。迷走神経刺激の抗狭心症効果は、冠動脈疾患患者でも示されています7。 そこで本研究では、ラットを用いて迷走神経刺激が大規模心筋梗塞後の心臓リモデリングおよびCHFの長期予後に及ぼす影響を検討した。

Methods

Experimental Heart Failure

動物の飼育と使用は日本生理学会指導方針に厳密に従った。 8週齢の雄性Sprague-Dawleyラット（SLC、日本、浜松）に冠動脈結紮により左室心筋梗塞を誘発した。 心筋梗塞を起こした動物の死亡率は、最初の24時間以内に≈60%であった。 1週間後、心エコー（SSA-380A、東芝）により梗塞サイズを確認した。8 左心室壁の梗塞面積が5770>40%のラットを本研究に登録した。 偽手術ラットでは，冠動脈の閉塞を避けるために緩く縫合した． 迷走神経刺激

自由に動くラットの迷走神経を刺激し、血圧や心拍数をモニターするために、コンピュータで制御する遠隔システムを開発した(図1)。 コンピュータは植え込み型無線制御パルス発生器（ISE1010C、ユニメック）に指令を出して迷走神経を刺激し、植え込み型送信機（TA11PA-C40、データサイエンス・インターナショナル）を通じて血圧と心拍数を感知する。 心筋梗塞後7日目に小型パルスジェネレータと送信機を腹部皮下に植え込んだ。 電気刺激用の一対のテフロンコートステンレスワイヤーを頸部の右迷走神経に巻き付け、血圧記録用のテフロンチューブを腹部大動脈に設置した。

実験プロトコル

心筋梗塞後14日目に、生存者は偽刺激と活性刺激で治療する群に無作為に分けられた。 積極的治療群では、20Hzで0.2ms持続の長方形の電気パルスを1分おきに10秒間、迷走神経を6週間にわたって刺激した。 パルスの電流は、心拍数が1分間に20〜30回低下するように、ラットごとに調整した。 その結果、0.1〜0.13 mAの範囲となった。 平均血圧と心拍数は6週間にわたり1分ごとに記録した。 予備的検討では、この強度の迷走神経刺激を慢性的に与えても摂食行動に変化はなく、血漿エピネフリン濃度の上昇など疼痛反応の徴候も誘発されないことを確認した。

血行動態およびリモデリング研究

迷走神経刺激が心臓リモデリングに及ぼす影響を評価するため、6週間の刺激期間終了時に、偽手術ラットおよび偽刺激ラット、未治療CHFラット、治療CHFラットの血行動態と心臓重量を測定した。 麻酔は、手術中は1.2％のハロタン、データ記録中は0.6％のハロタンを使用して維持した。 左心室圧および動脈圧は，2Fカテーテル先端マイクロマノメーター（SPC-320，Millar Instruments）を用いて測定した． 圧力信号は1 kHzのレートで5分間デジタル化した． 血行動態測定後、心臓を摘出し、その後の梗塞サイズを決定した。

予後と神経ホルモン研究

予後に対する6週間の迷走神経刺激の効果を調べるために、治療したCHFラットと治療していないCHFラットで20週間の生存率を観察した。 植え込み型パルスジェネレーターの電池寿命の関係で治療期間は6週間に限定した。 各ケージは毎日、死亡したラットがいないかどうか点検された。 観察期間終了後、神経ホルモン測定のための採血を行った。 生存しているラットはガラス瓶に入れられ、そこで1.2%のハロタンと酸素を含む空気の混合物を5～10分間吸入した。 侵襲的な操作による神経体液状態の変化を避けるため、麻酔導入直後、血行動態を測定せずに経胸腔的アプローチで左心室腔から3mLの血液サンプルを迅速に採取した。 採血後、心臓を摘出し、その後の梗塞サイズを決定した。

血漿中のノルエピネフリン濃度は電気化学検出器付き高速液体クロマトグラフィーにより測定した。 脳性ナトリウム利尿ペプチドの血漿濃度はラジオイムノアッセイで測定した。

梗塞サイズの決定

以前に記載したように、9右心室と心室間隔を含む左心室を解剖、分離、加重した。 心臓は10%緩衝ホルマリンで固定した。 左心室を心尖から基部まで4枚の横切りにした。 厚さ4μmの切片を切り出し，Masson trichrome法で染色した． 組織画像はフレームグラバーでデジタル化し、解析した。 梗塞サイズは4枚のスライスから、梗塞領域の心内膜長の合計を心内膜周長の合計で割って算出した。

統計解析

血行動態とリモデリング研究のデータについて、3群間の差をScheffé多重比較検定付きのANOVAによって検定した。 各群における治療前と治療中の心拍数の差は、反復測定による1元配置のANOVAで調べ、その後ポストホックのDunnett検定で調べた。

神経ホルモンのデータは、2群間の差をMann-Whitney U検定で調べた。 生存データはKaplan-Meier曲線で示した。140日生存率に対する治療の効果は、フィッシャー正確検定で分析した。 差は、P<0.05の値で有意とみなされた。

結果

血行動態およびリモデリング研究

CHFラット（未処置、n＝13；処置、n＝11）は処置前に偽操作ラット（n＝9）より高い心拍数を有していたが、迷走神経刺激によってCHFラットの心拍数を著しく減速させた（図2）。 未治療CHFラットと治療CHFラットの心拍数の差は、治療終了時には≈40拍/分(P<0.05)に達していた。 CHFラットは血圧が有意に低かったが、迷走神経刺激は6週間の治療期間中、血圧に影響を与えなかった（表）。

sham手術したラットと比較した場合． 未処置のCHFラットは低血圧（図3a）、左室拡張末期圧（LVEDP）が高く（図3b）、左室圧の最大dp/dt（LV+dp/dtmax）が低下（図3c）、心臓重量が増加していた（図3d）。 一方、迷走神経刺激を行ったCHFラットは、未治療のCHFラットと比較して、LVEDPが有意に低く（17.1±5.9 vs 23.5±4.2 mm Hg、P<0.05）、LV+dp/dtmaxが高く（4152±237 vs 2987±192 mm Hg/s、P<0.05 ）なっていました。 CHF治療ラットにおけるポンプ機能の改善は，正規化二心室重量の有意な減少（2.75±0.25 vs 3.14±0.22 g/kg，P<0.01）を伴っていた． 治療したCHFラットと未治療のCHFラットの間で梗塞サイズに有意差はなかった（53±7％対53±6％）。

Prognosis and Neurohormone Study

予後研究には大型心筋梗塞後のCHFラット60匹が登録されたが、治療群に割り当てられた30匹中8匹は6週間迷走神経刺激を行った際に電極の断線により成績から除外された。 迷走神経刺激はCHFラットの死亡率を著しく抑制し（図4）、治療群22匹のうち死亡はわずか3匹であったのに対し、未治療群30匹のうち死亡は15匹（14%対50%、P=0.008）であった。 迷走神経刺激療法は死亡の相対リスク比を73％減少させた。

図5に示すように、処置したCHFラットにおける生存率の改善は、正規化した二心室重量の著しい減少（2.63±0.38 対 3.17±0.42 g/kg、P<0.01）と共にあった。 未処置のCHFラットと比較すると，処置したCHFラットは血漿ノルエピネフリン（426±102対1182±260 pg/mL，P<0.01）および脳ナトリウム利尿ペプチド（251±31対363±82 pg/mL，P<0.01）のレベルが低値であった． CHF治療ラットと未治療ラットの梗塞サイズに有意差はなかった（54±8％対53±7％）。

考察

CHF患者の予後は、現在βアドレナリン受容体遮断薬10，11、アンジオテンシン変換酵素阻害薬12、アンジオテンシン受容体遮断薬13、アルドステロン拮抗薬14および植込み型除細動器15による種々の治療アプローチが利用できるが依然として不良である． 95＞＜9518＞今回の結果は、迷走神経刺激がポンプ不全の進行や心臓リモデリングを抑制し、CHFラットの長期生存率を顕著に改善することを示している。 本研究の主目的は、迷走神経長期刺激が大規模心筋梗塞後のCHFラットの生存率を改善するという作業仮説の検証であり、そのメカニズムを明らかにすることではなかった。 迷走神経刺激は、シナプス前ノルエピネフリン放出の抑制効果やG-protein相互作用によるアドレナリンシグナル伝達カスケードの抑制効果により、死に至る悪循環を効果的に断ち切ることができると考えられる16。 ヒトおよび他のいくつかの種の心臓では、ムスカリン受容体は主にM2-サブタイプであり、百日咳毒素感受性のGIタンパク質と結合してアデニルシクラーゼを阻害している。 心房では、ムスカリン性M2受容体の刺激により、直接的に負の強心作用と強直作用がもたらされる。 一方、心室では、β-アドレナリン受容体アゴニストによって基礎的なcAMPレベルが上昇したときにのみ、負の強心作用が達成される。 これらのメカニズムはaccentuated antagonismとして知られている。

また、迷走神経刺激は心拍数を遅くすることによって心室効率を改善すると仮定されている。17 Burkhoffら18は、心室効率、すなわち心室酸素消費量に対する心室ストロークワークの比は、生理条件では最大となるように調整されており、不全心臓の効率は正常心臓よりも心拍数の変化に敏感であることを明らかにした。 迷走神経刺激による心筋梗塞後の頻脈予防は、不全心の効率を最適化し、その結果、心臓をリモデリングから保護すると考えられる。

どうやら、迷走神経遠心性刺激はCHFの心室に対してβアドレナリン遮断薬のように作用すると考えられているようである。 しかし、ラットではβ遮断療法はむしろ心筋梗塞後の心臓リモデリングや血行動態に有益な効果を及ぼさなかった（総説はGaballa and Goldman19を参照）。 Litwinら20は、プロプラノロールの慢性投与が心筋梗塞後のCHFを持つラットの心臓リモデリングを改善せず、ポンプ機能を悪化させることを示した。 Weiら21はまた、メトプロロールがCHFラットの心室リモデリングを悪化させることを示した。 したがって、交感神経作用に対する拮抗作用に加えて、迷走神経刺激による独自の作用がCHFラットの良好な転帰をもたらすために重要であると思われる。 迷走神経刺激による冠動脈内皮からの一酸化窒素放出促進作用は、心筋の生存状態の改善を通じて、リモデリング防止作用も期待できる22

迷走神経遠心性の電気刺激による心臓への影響に加えて、遠心性の刺激は心肺反射を引き起こし、心血管系の調節に関わるいくつかの視床下部核の神経活性を調節することから、迷走神経遠心性作用7,23も考慮されています。 図 5c に示すように、迷走神経刺激は血漿ノルエピネフリン濃度を低下させた。 24,25

Guarini らによる最近の研究26 では、遠心性迷走神経線維刺激がニコチン受容体を介して肝臓の核因子-κB の活性化を鈍らせ、急性出血性ショック時の肝生成と腫瘍壊死因子-αの血漿レベルを低下させることが示されています。 これらの因子は心リモデリングやCHFの予後不良にも関与していることが報告されている27。したがって、迷走神経刺激の肝性作用は心リモデリングを防ぎ、CHFの生存率を高めると考えられる。

心筋梗塞後6週間の短期迷走神経刺激で長期心リモデリングを防ぎ（図5a）長期生存率を高めることも指摘されている。

Pfefferら28による先駆的な研究では、心筋梗塞後のCHFラットにカプトプリルを用いた長期療法の効果を検討した。 この研究では迷走神経刺激と同様に、左冠動脈結紮後14日目からカプトプリルの経口投与が開始された。 Pfefferらは1年生存率を観察し、大きな梗塞を有するCHFラットの無処置と処置の生存期間中央値はそれぞれ146日と181日であることを見いだした。 したがって、彼らの研究における大梗塞未治療CHFラットの生存曲線は、我々の未治療CHFラットの結果と極めて類似していた。 一方、カプトプリルの生存率に対する効果は、迷走神経刺激によるものとは大きく異なるようであった。 カプトプリルを投与した大梗塞CHFラットの約40％が140日目に死亡したが、迷走神経刺激により死亡率は<20％に減少した。 したがって、迷走神経刺激療法は大きな心筋梗塞後の重症CHFに対して有望であると考えられる。

Limitations

CHFラットの心機能、リモデリング、生存に対して迷走神経刺激の有益性が本研究で示された。 しかし、その安全性や副作用は依然として不明である。 また、適切な治療プロトコールも未確定であり、検討する必要がある。 本研究で示された治療戦略を確立するためには、CHFモデル動物を用いた迷走神経刺激の大規模かつ長期的な臨床試験が必要である。 また、本研究で用いた治療法は、迷走神経遠心性・求心性メカニズムによる自律神経緊張の操作によって、CHFの良好な予後をもたらすことが示された。 したがって、我々は、自律神経緊張を最適化するための神経インターフェースアプローチをCHFの治療に提案する。 この神経インターフェース戦略30を、完全埋め込み型の小型システムを用いて実現する技術は、容易に入手可能である31,32。

脚注