神経筋接合部（NMJ）の形態と筋萎縮性側索硬化症（ALS）モデル

最終更新日: 2024年12月04日

著者: Robin Guay-Lord, M.Sc. and Barry J. Bedell, M.D., Ph.D.

このリソースでは、以下の内容について説明しています。

神経筋接合部とは何ですか？

神経筋接合部（NMJ）は、運動ニューロンと骨格筋線維間のコミュニケーションを可能にする特殊なシナプスであり、運動に必要な筋肉の収縮を可能にします。NMJは、主に4つの構成要素から成ります。シナプス前運動ニューロン、シナプス後筋、終末シュワン細胞、および骨細胞（Verma, 2022 ）です。シナプス前構成要素には神経終末が含まれ、運動ニューロンの軸索が分岐し、電気信号に応答して神経伝達物質のアセチルコリン（ACh）を放出します。これらの神経伝達物質は、運動終板とも呼ばれる筋肉膜の接合部ヒダにあるACh受容体（AChR）と結合し、筋肉の収縮を促す活動電位を誘発します。終末シュワン細胞は、シナプス前神経終末を覆い、シナプス間隙に突起を伸ばす非ミエリン形成細胞です。NMJの形成、成熟、維持、再生に不可欠な細胞です（Sanes, 1999 ;Alhindi, 2021 ）。クラン細胞は、シュワン細胞終末部とエンドプレート領域全体を覆う線維芽細胞様細胞であり、シナプスの再生にも寄与しています（Sugiura, 2011 ）。これらのNMJ構成要素の正確な時空間的組織化は、効率的な神経筋伝達に不可欠であり、その乱れは機能障害、脱神経、筋力低下、および/または麻痺につながる可能性があります。

神経筋接合の主要構成要素の概略図。略語：神経筋接合（NMJ）、アセチルコリン（ACh）、アセチルコリン受容体（AChR）。

NMJは、マウス、ラット、ショウジョウバエなど、多種多様な動物モデルで研究できるため、実験的に興味深いシナプスのモデルとなっています。脊髄にある運動ニューロン細胞体とは異なり、NMJは末梢組織にあるため、イメージング、生検、実験操作がより容易です。さらに、多数の一般的に利用可能なツールによりNMJの可視化と定量化が可能であるため、神経変性疾患のメカニズムを研究する上で理想的なシステムとなっています（Murray, 2010 ）。

ALSおよびALSの動物モデルでは、NMJにどのような影響がありますか？

さまざまな研究により、齧歯類のALSモデルでは、臨床症状や運動ニューロン損失が現れる前にNMJの変性が起こることが示されています（Kennel, 1996 ;Frey, 2000 ;Verma, 2022 ）。これらの観察結果から、ALSは「ダイイングバック」と呼ばれる運動神経障害である可能性が高いという説が研究者の間で提唱されています。ダイイングバックでは、運動ニューロン細胞体に影響が及ぶ前に軸索の遠位末端で神経細胞の変性が始まります（Frey, 2000 ）。NMJがALSの早期かつ重要な病理学的部位であることを踏まえると、神経細胞の完全性を維持し、病気の進行を遅らせたり予防したりする可能性のある有望な治療ターゲットとなります。

NMJの形態学的変化は、ALSの動物モデルで一貫して観察されています。軸索の断片化の増加と軸索の神経支配の喪失は、ALSのマウスモデルのNMJで一般的に報告されています（Pigna, 2019 ;Guerra San Juan, 2022 ;Alhindi, 2023 ）。軸索の萌芽と再支配は代償機序としてしばしば起こりますが、これらの反応は通常不完全または一過性です（Schaefer, 2005 ;Carrasco, 2016 ;Martineau, 2018 ）。さらに、シナプス後部終板の縮小やアセチルコリン受容体の配置の乱れなど、終板の形態変化が、ALSの動物モデルで頻繁に観察されています（Sakowski, 2012 ;Picchiarelli, 2019 ;Mejia Maza, 2021 ;Alhindi, 2022 ;Verma, 2022 ）。

ヒトでは、発症前のサンプルを入手することが困難であるため、NMJにおける早期の変化を特定する研究は限られています。この問題により、動物モデルからの知見を検証することが困難になっています。しかし、ヒト組織の死後分析により、ALS患者において著しい脱神経と神経終末の減少が明らかになっています（Tsujihata, 1984 ;Maselli, 1993 ）。さらに最近では、ALS患者の筋電図（EMG）検査結果の異常、断片化したシナプス溝、まばらに分岐した終末軸索の樹状突起、終末シュワン細胞の形態変化が報告されています（Bruneteau, 2015 ）。

NMJの形態学的変化を定量化するのに利用できるツールにはどのようなものがありますか？

多重免疫蛍光（mIF）法は、神経筋接合部の形態を分析する際に、さまざまなNMJの構成要素を高い解像度で特異的に染色できるため、最も適したツールです。組織切片、全体標本、さらには培養細胞など、幅広い実験モデルに対応しています。通常、NMJのシナプス前神経細胞の構造はニューロフィラメントおよびシナプス小胞に対する抗体を用いて標識され、シナプス後部のアセチルコリン受容体はα-bungarotoxinで標識されます。

10ヶ月齢のコントロール（10mCON）、12ヶ月齢のコントロール（12mCON）、および30ヶ月齢（30mCON）のマウス。図とキャプションは、クリエイティブ・コモンズ表示ライセンスに基づき、Ham et al. (Ham, 2020 ) より改変しています。

NMJは、共焦点z-スタック投影法または広視野蛍光顕微鏡法で可視化することができますが、一般的に前者のほうが空間分解能が高いです。NMJは複雑なプラーク状の形状をしているため、解析の際には、真正面から見たNMJのみを分析し、観察角度によって圧縮されたり歪んで見えたりする斜めのNMJは除外する必要があります。そうしないと、NMJの実際のサイズ、形状、構造的完全性を評価するのが難しくなります。

NMJの形態を定量化するための画像処理ツールは、さまざまなものが一般に公開されています。広く使用されているImageJプラグイン「NMJ-morph」は、単純な閾値アルゴリズムを適用して、蛍光チャンネルからシナプス前およびシナプス後成分を分離します。このプラグインは、シナプス前軸索および運動終板について、面積、直径、密集度、断片化など、さまざまな形態学的測定基準を生成します。NMJ-morph は、シャルコー・マリー・トゥース病（Cipriani, 2018 ）、CHCHD10がコードするミトコンドリア筋症（Genin, 2019 ）、筋無力症候群（McMacken, 2019 ）、ALSマウスモデル（Pigna, 2019 ;Alhindi,2023年 、ヴィエイラ・デ・サエ、2024年 ）、がん性悪液質（ボエム、2020年 ）、サルコペニア（ハム、2020年 ）などがあります。さらに最近では、NMJ-morphを開発したグループが、NMJ-morphの比較的低い処理能力と急勾配の学習曲線を改善するために、データ取得を合理化し迅速化する「自動NMJ-morph」（aNMJ-morph）と呼ばれる更新されたアルゴリズムをリリースしました（Minty, 2020 ）。この改良されたアルゴリズムは、YAP1/TAZ-TEADシグナル伝達（Gessler, 2024 ）、ヒト声帯筋（Tracicaru, 2024 ）、腸内細菌叢（Cescon, 2024 ）、末梢神経損傷（Mehrotra, 2024）の研究に適用されています。

NMJ-morphプラットフォームの概要。各NMJの分析手順を示すフローチャート。ワークフローは21の形態学的変数で構成されています。11の「コア変数」は赤色、7つの「派生変数」は青色、3つの「関連神経および筋肉変数」は緑色で示されています。NMJ-morph内の特定の操作はイタリック体で示されています。図とキャプションは、クリエイティブ・コモンズ表示ライセンスに基づき、Jones et al.(Jones, 2016) より転載しています。

NMJ-morphや同様のImageJプラグインは、手動による閾値処理に依存しているため、研究室間や評価者間のばらつきが生じやすいという問題があります。この問題に対処するため、Mejia Maza et al. (Mejia Maza, 2021 )は「NMJ-analyser」を開発しました。これは、バッチ効果を最小限に抑えるための実験全体にわたる正規化手法を導入し、閾値の選択を完全に自動化するものです。NMJ-analyserは、先行するソフトウェアとは異なり、2D最大投影ではなく、3Dスタックされた生画像（z-slice）で動作し、en-faceビューに限定することなく、すべてのNMJの分析を可能にします。また、ランダムフォレスト機械学習アルゴリズムを組み込み、計算した幅広い形態学的特徴に基づいて、NMJの神経支配状態を「完全に支配されている」、「部分的に支配されている」、「支配されていない」に分類します。NMJ-analyserは、NMJ-morphよりも高い感度でNMJの変化を検出することが示されています（Mejia Maza, 2021 ）。

私たちのチームは、神経筋接合部（NMJ）の形態に関するご質問にお答えしたり、治療効果の研究に使用するALSモデルに関する特定の情報を提供したりいたします。

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よくある質問

NMJの形態を研究するために、他にどのような画像診断法が使用できますか？

電子顕微鏡（EM）は、シナプス小胞をシナプス小節内に画像化する際にサブナノメートルの解像度を提供できるため、NMJにおけるシナプス伝達のメカニズムを研究する上で有用なツールです; ）。また、超解像顕微鏡（SRM）は、NMJにおけるアセチルコリン受容体のナノスケールでの組織構造を調べるためにも使用されています;）。

加齢はNMJの構造と機能にどのような影響を与えるのでしょうか？

加齢により、NMJにはいくつかの構造的および機能的変化が起こります。これには、シナプス後部アセチルコリン受容体クラスターの断片化、軸索の脱神経、接合部折目の消失、シナプス前部小胞の数の減少、アセチルコリン受容体クラスターへの結合親和性の低下などが含まれますが、これらに限定されません）。これらの加齢に伴う変化は、ALSの病理とは区別できますが、その進行に影響を及ぼす可能性があります。

NMJを研究する非侵襲的な方法はあるのでしょうか？

NMJを研究するための非侵襲的な方法もありますが、主に形態学的側面よりも機能的側面に焦点を当てています。これらの方法には、筋電図（EMG）、運動単位数推定（MUNE）、複合筋活動電位（CMAP）、体液バイオマーカー分析（血液や脳脊髄液（CSF））、およびアセチルコリン受容体などのNMJの構成要素を標的とする蛍光プローブを用いたなどがあります。非侵襲的な性質を持つこれらの方法は、NMJの機能性を長期間にわたって研究するのに特に適しています。

ALS以外のどのような疾患がNMJの形態に影響を及ぼすのでしょうか？

遺伝性および散発性のいくつかの疾患は、NMJの形態と機能に著しい影響を及ぼす可能性があります。例えば、自己抗体がアセチルコリン受容体の機能を破壊する重症筋無力症および関連疾患では、NMJの機能障害が観察されています;;）。また、NMJの神経支配に影響を及ぼす末梢神経変性を伴うシャルコー・マリー・トゥース病）、運動ニューロンの損失がNMJの脱神経につながる脊髄性筋萎縮症;）、ジストロフィンの欠乏がNMJの構造を不安定化させるデュシェンヌ型筋ジストロフィー（DMD）などがあります。

参考文献

Bruneteau, G., Bauché, S., De Aguilar, J.L.G., Brochier, G., Mandjee, N., Tanguy, M.L., Hussain, G., Behin, A., Khiami, F., Sariali, E., Hell-Remy, C., Salachas, F., Pradat, P.F., Lacomblez, L., Nicole, S., Fontaine, B., Fardeau, M., Loeffler, J.P., Meininger, V., Fournier, E., Koenig, J., Hantaï, D. Endplate denervation correlates with Nogo-A muscle expression in amyotrophic lateral sclerosis patients. , : 362–372, 2015;

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神経筋接合部（NMJ）の形態と筋萎縮性側索硬化症（ALS）モデル

神経筋接合部（NMJ）の洞察、筋萎縮性側索硬化症（ALS）におけるその役割、NMJの形態学的変化の研究に使用されるツールと方法。

神経筋接合部とは何ですか？

ALSおよびALSの動物モデルでは、NMJにどのような影響がありますか？

NMJの形態学的変化を定量化するのに利用できるツールにはどのようなものがありますか？

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