低強度パルス超音波による心臓拡張機能障害の改善-HFpEF の新規治療法の可能性

Low-intensity pulsed ultrasound ameliorates cardiac diastolic dysfunction in mice-A possible novel therapy for HFpEF.

• Yuto Monma
• Tomohiko Shindo
• Kumiko Eguchi
• Ryo Kurosawa
• Yuta Kagaya
• Yosuke Ikumi
• Sadamitsu Ichijo
• Takashi Nakata
• Satoshi Miyata
• Ayana Matsumoto
• Haruka Sato
• Masahito Miura
• Hiroshi Kanai
• Hiroaki Shimokawa

抄録

エーアイエムズ:

LV駆出率を維持した心不全は、有効な治療法がないため、世界的に深刻な問題となっています。我々はこれまでに、低強度パルス超音波（LIPUS）治療が狭心症や認知症に有効で安全であることを実証してきた。本研究では、LIPUS療法がマウスの心臓拡張機能障害を改善するかどうかを検討した。

AIMS: Heart failure with preserved LV ejection fraction (HFpEF) is a serious health problem worldwide, as no effective therapy is yet available. We have previously demonstrated that our low-intensity pulsed ultrasound (LIPUS) therapy is effective and safe for angina and dementia. In this study, we aimed to examine whether the LIPUS therapy also ameliorates cardiac diastolic dysfunction in mice.

方法と結果:

12週齢の肥満糖尿病マウス(db/db)と対照群(db/+)にLIPUS療法(1.875MHz、32サイクル、Ispta(空間ピーク時間平均強度)117-162mW/cm2、0.25W/cm2)またはプラセボを週2回、4週間投与した。20週齢時の経胸腔エコーと侵襲的血行動態解析の結果、プラセボ投与したdb/dbマウスでは、収縮期機能は温存されているものの、e'、E/e'、拡張期末圧-容積関係、Tau、dP/dt minなどの心臓拡張機能パラメータはすべてdb/+マウスと比較して悪化していた。重要なことは、これらの心臓拡張機能パラメータは、LIPUS処理したdb/dbマウスで有意に改善されたことである。また、心室から解剖したトラベキュラーの力（F）と細胞内Ca2+（[Ca2+]i）を測定した。その結果、db/dbマウスでは、電気的に刺激された痙攣収縮時に弛緩時間と[Ca2+]i減衰（Tau）が延長されていたが、LIPUS処理したdb/dbマウスでは、両者とも有意に改善されており、LIPUS療法は組織レベルでの弛緩特性も改善していることが示唆された。機能的には、運動能力もLIPUS処理したdb/dbマウスで改善した。組織学的には、db/dbマウスでは心筋細胞の肥大と心筋間質性線維化が進行していたが、LIPUS投与後のdb/dbマウスではこれらの変化は有意に抑制されていた。また、ウエスタンブロットにより、eNOS-NO-cGMP-PKG経路とCa2+を扱う分子の発現がLIPUS投与群で上昇していることが明らかになった。

METHODS AND RESULTS: Twelve-weeks-old obese diabetic mice (db/db) and their control littermates (db/+) were treated with either the LIPUS therapy (1.875 MHz, 32 cycles, Ispta (spatial peak temporal average intensity) 117-162 mW/cm2, 0.25 W/cm2) or placebo procedure 2 times a week for 4 weeks. At 20-week-old, transthoracic echocardiography and invasive hemodynamic analysis showed that cardiac diastolic function parameters, such as e', E/e', end-diastolic pressure-volume relationship, Tau, and dP/dt min, were all deteriorated in placebo-treated db/db mice compared with db/+ mice, while systolic function was preserved. Importantly, these cardiac diastolic function parameters were significantly ameliorated in the LIPUS-treated db/db mice. We also measured the force (F) and intracellular Ca2+ ([Ca2+]i) in trabeculae dissected from ventricles. We found that relaxation time and [Ca2+]i decay (Tau) were prolonged during electrically stimulated twitch contractions in db/db mice, both of which were significantly ameliorated in the LIPUS-treated db/db mice, indicating that the LIPUS therapy also improves relaxation properties at tissue level. Functionally, exercise capacity was also improved in the LIPUS-treated db/db mice. Histologically, db/db mice displayed progressed cardiomyocyte hypertrophy and myocardial interstitial fibrosis, while those changes were significantly suppressed in the LIPUS-treated db/db mice. Mechanistically, Western blot showed that the eNOS-NO-cGMP-PKG pathway and Ca2+-handling molecules were up-regulated in the LIPUS-treated heart.

結論:

これらの結果は、LIPUS療法がeNOS-NO-cGMP-PKG経路と心筋細胞のCa2+ハンドリング系を改善することで、db/dbマウスの心拡張機能障害を改善することを示しており、HFpEF患者の治療に有用である可能性を示唆している。

CONCLUSIONS: These results indicate that the LIPUS therapy ameliorates cardiac diastolic dysfunction in db/db mice through improvement of eNOS-NO-cGMP-PKG pathway and cardiomyocyte Ca2+-handling system, suggesting its potential usefulness for the treatment of HFpEF patients.

トランスラショナル・パースペクティブ:

HFpEFは世界中で深刻な健康問題となっていますが、有効な治療法はまだありません。我々はこれまでに、狭心症や認知症の動物モデルにおいて、低強度パルス超音波（LIPUS）治療が有効で安全であることを実証してきた。本研究では、LIPUS療法がマウスの心臓拡張機能障害の改善にも有効であるかどうかを検討した。その結果、HFpEFモデルマウスにおいて、LIPUS療法は心筋構造やCa2+を扱うタンパク質を改善し、その結果、心拡張機能や運動耐性が改善されることがわかりました。これらの結果は、LIPUS療法がヒトにおけるHFpEFの治療に有用であることを示唆している。

TRANSLATIONAL PERSPECTIVE: Although HFpEF is a serious health problem worldwide, no effective treatment is yet available. We have previously demonstrated that our low-intensity pulsed ultrasound (LIPUS) therapy is effective and safe in animal models of angina and dementia. In this study, we examined whether our LIPUS therapy is also effective to improve cardiac diastolic dysfunction in mice. We found that the LIPUS therapy ameliorated myocardial structures and Ca2+-handling proteins, resulting in the improvement of cardiac diastolic functions and exercise tolerance in a mouse model of HFpEF. These results suggest that the LIPUS therapy is useful for the treatment of HFpEF in humans.

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