Int. J. Morphol.,27(3):891-898, 2009.
冠動脈の起源と発達
冠動脈の起源と発達 Geraldo de Oliveira Silva-Junior; Sandro Wilson da Silva Miranda & Carlos Alberto Mandarim-de-Lacerda
リオデジャネイロ州立大学生物学研究所生物医学センター形態計測・心臓血管形態学研究室（ブラジル）
Laboratory of Morphometry and Cardiovascular Morphology, Biomedical Centre, Institute of Biology, State University of Rio de Janeiro, Brazil.
要旨：冠血管の形成は心臓の発達における基本的な出来事であり、血管新生と血管新生を含む一連の注意深く制御された時間的事象が関与している。 本総説では，これまでに得られた冠動脈の形成に関する知見と，この過程に関与するいくつかの分子機構に焦点を当てる。 冠動脈の発生を理解することは、心臓の先天性欠損を修正するために必要な介入だけでなく、成人の心血管系疾患に対する介入にも重要である。 生育の結果としての冠動脈の発達に関する洞察は、肉眼解剖学で説明されるいくつかの先天性冠動脈の変異や異常の理解を変えた。
KEY WORDS: 冠動脈；発生学；心臓；血管新生；血管新生。
要旨：冠動脈の血管形成は、心臓の発達における基本的な事象であり、血管新生と血管新生を含む、慎重に制御された一連の時間的事象を含んでいる。 本レヴューでは、冠動脈の形成とこのプロセスに関与するいくつかの分子的メカニズムに関する知見に焦点を当てる。 冠動脈の発生を理解することは、成人の心血管疾患に関連した介入や、先天性心疾患の矯正に重要である。 冠動脈の発生は生長によるものであるという考え方は、肉眼解剖学で説明される冠動脈のいくつかの変異や先天性異常の理解を変えたのである。
KEYWORDS: 冠動脈; 発生学; 心臓; 血管新生; 血管新生。
INTRODUCTION 冠状動脈血管系の発生は、発生生物学における興味深いモデルであり、臨床現場にも大きな示唆を与えている。 冠動脈の血管形成は、血管新生に続く形態であるが、この系では他の血管の形成では観察されないいくつかのユニークな発生過程が用いられている（Wada et al.、2003）。 冠動脈開口部の同定にばらつきがある段階の胚では、ヒトでもラットでも、左右の冠動脈の近位心外膜セグメントは、通常すでに同定されている。 一方、近位の冠動脈がない場合には、冠動脈オリフィスは決して見られない。 研究したすべての段階（ヒトの場合は 10 mm の頭頂部から、ラットの場合は 11 mm の頭頂部から）で、心臓の心外膜に血管構造が確認されました。 したがって、近位冠動脈の発生に関する理論は、これらのデータまたは既知の冠動脈の先天性異常の可能性を説明するには不十分である (Bogers et al., 1988)。 それにもかかわらず、最も初期の胚の段階では、冠状動脈循環は存在せず、心管の内腔を流れる血液が心内膜と心筋に栄養を与える役割を担っている。 後ソーム期の初め（ヒトでは3週目）には、発達中の心臓の壁の厚みが増すにつれて、心筋の心外膜表面の上に専用の血管系が形成され始めるが（バーナンキ&ヴェルキー、2002）、まだ大動脈とは繋がっていない。
胚冠動脈の生理的発達に関しては、2つのモデルがある。 ある著者は冠動脈は内皮性大動脈洞が隣接する組織に向かって走る出芽または成長として発達すると述べた（冠動脈発達のアウトグロウズ解釈）（Dbalyら、1968；Rychter & Ostádal、1971；Virágh & Challice、1981）。 しかし、冠静脈と冠動脈はそれぞれ全身静脈洞と大動脈からの出芽によって形成されるという長年の仮説が20年前に主張された（Bogers et al.、1989）。 Bogersらは、冠動脈のオリフィスが出現する前に、大動脈洞の壁に主要な冠動脈が確認できることを示し、動脈路の外延ではなく、生長であることを示唆した。 左右の冠動脈の根は、血管周囲の環状構造からのストランドが左右のバルサルバ大動脈洞で大動脈を貫通したときに形成される（安藤ら、2004）。
このように、血流のない血管新生期の終わりには、冠動脈系の一般的なパターンが決まっているが、大動脈に接続した後は、大血管と毛細血管系の著しいリモデリングが行われることになる。 冠動脈系の一般的な循環系への接合は、複雑で研究されていない発生過程であり、この動きが化学的な事象によって指示されているのか、単に「最小の抵抗の道」を示しているのかは、今のところ不明である（Wada et al.)。
冠状動脈は大動脈弁膜の中心に位置するため、大動脈に正確に接続することを実感できるのは魅力的である。 しかし、異常が発生した場合、それは必ず円周方向であり、縦方向ではないことに注意することは興味深い。 このプロセスの細胞および分子制御を解明することは、冠動脈形成の理解に不可欠である（Wada et al.） そこで、このショートレビューの目的は、冠動脈の複雑な形成過程に新しい洞察を与えている最新の研究を検討することである。
冠動脈の発生。 冠動脈の形成には、血管新生、血管新生、動脈新生、リモデリングを含む一連の注意深く制御された時間的事象が関わっている（Tomanek, 2005）。 冠状動脈循環の必要性は、心室のコンパクトな部分が厚くなり、心室内腔からの酸素の拡散距離が長くなったときに、胚で初めて発生する。 この心筋の成長は、心外膜の前駆細胞の分化と移動を規定する事象の引き金となる（Tomanek & Zheng, 2002）。 血管新生は血管のde novo生成と説明されているが、血管新生は既存の血管から毛細血管、静脈および動脈が生成されることと考えることができる。 このプロセスは、拍動が始まった後、血管新生細胞タイプが心臓の表面に送り込まれることから始まる（Munoz-Chapuliら、2002年）。
既存の器官への細胞集団の送達には、ダイナミックな細胞イベントと、送達の正確なタイミングと細胞の動きの協調が必要である。 さらに、コミットメントと分化は、適切な血管形成と器官発生に不可欠である。 血管平滑筋細胞および外膜線維芽細胞の間葉系前駆体は、心外膜中皮の上皮-間葉系変換に由来している。 冠動脈内皮の前駆細胞も心外膜由来細胞（EPDC）である。初期のEPDCは、最近発見された、血管内皮増殖因子（VEGF）や血小板由来増殖因子（PDGF）-βへの曝露によって内皮や平滑筋に分化できる二元的血管前駆細胞が示すのと同様の能力を有することが判明するかもしれない。 最も初期のEPDCが心筋から分泌されたVEGFに反応して内皮細胞に分化し、PDGF-βシグナルを介して新生毛細血管に採用された後続のEPDCが、周皮細胞や平滑筋細胞に分化すると考えられる (Munoz-Chapuli et al., 2002)。 一方、実験的手法により、前心膜での起源から、最終的に成熟した心臓に存在する動脈、静脈、毛細血管のネットワークに至るまで、冠状動脈の発達が示された（Dong et al.、2008）。冠状動脈の前駆細胞の起源に関する古い考え方は、心筋や心内膜にある他の細胞型と同様に、心臓中胚葉から派生したと考えられている（Patten、1949； Haan、1965）。
内皮細胞は血管（毛細血管）を形成し、融合して枝分かれしながら成長する。 毛細血管叢は冠状動脈洞に接触し、融合して静脈の接続部を形成する。 その後、静脈系は平滑筋を獲得する(van den Hoff et al., 2001; Bernanke & Velkey)。 多くの種で指摘されているように、毛細血管の出現に続いて、冠状動脈循環の動脈成分が出現する前に、静脈系が発達する (Licata, 1954; Hirakow, 1983; Hutchins et al., 1988)。 動脈系は、血管チャネルを形成した内皮細胞の周囲に平滑筋細胞が分化することにより発達する（Hood & Rosenquist, 1992; Mikawa & Fischman, 1992）。 主冠状動脈は、大動脈を貫通する小さな内皮チャンネルの合体によって形成される（Bogersら、1989；Waldoら、1990）。 胚の過負荷心臓では、血管の成長は心筋の成長に比例するが、圧力過負荷が持続すると、冠動脈の発達は失敗するか著しく制限される。このことは、この時期の血管成長は、少なくとも部分的には、心筋の成長速度と大きさによって制御されていることを示唆している (Tomanek et al., 1999)。
図1. 血管を形成する血管新生と血管新生。 (A）血管新生：最初は出芽（1）または内皮細胞の伸長（2）が続き、既存の内皮細胞の増殖（3）とリモデリング（4）による小血管の伸長と分岐の形成で起こり、（B）血管新生：既存の血管（1、2）からの毛細血管の伸長で、血管（毛細管）形成後、これらの未分化血管が融合して連続した血管構造を作る（3、4）。
図2. C57BL/6マウス胚の体節後期の大動脈弁および上行大動脈の縦断組織切片をヘマトキシリン・エオジンで染色した顕微鏡写真。 (A) ステージ16の胚 — Carnegie Institute of Washingtonシステム (O’Rahilly, 1972)に基づくステージング、流出路と大動脈弁のセクション、心膜下層にはすでに明らかな毛細血管は見られない (scale bar = 100µm). (B) 19期の胚、心外膜下の毛細血管が大動脈球の周囲に観察される（矢印）（スケールバー = 75µm）。 (C) 23期の胚、流出路と大動脈球を通る断面では、心外膜下の冠動脈（矢印、血球を含む血管）と大動脈洞（バルサルバ、アスタリスク）が冠動脈口（開矢印、v＝半月弁）を通してつながっていることがわかる（スケールバー＝75µm）。
冠動脈の形成。 冠動脈は長い間、大動脈起始部の単なる外形と考えられていた（Dbalyら; Rychter & Ostádal; Virágh & Challice）。 1989年、Bogersらは、冠動脈の主要な動脈が、冠動脈口が出現する前に大動脈壁に確認できることを示し、これらの血管がoutgrowthではなくingrowthであることを示唆した (Bogers et al., 1989)。 このパターンの決定的な証拠は、ニワトリとウズラのキメラ (Poelmann et al., 1993) と、連続的に切り出したニワトリ (Waldo et al., 1990) とラット (Tomanek et al., 1996) の心臓で得られたものである。 2本の主要な冠動脈の根は、血管管の周縁リングからのストランドが左右の尖端で大動脈を貫通することによって形成される（Ando et al.）
最初は冠動脈の近位端が大動脈の近位に向かって移動する。 前進する冠動脈の先端は大動脈の中膜を貫通し、内皮を突き破り、内腔と連通するようにしなければならない。 主に、いくつかの冠状動脈が左右の大動脈洞に接近するが、これらの動脈のうち1本だけが各洞にしっかりと接触し、左右の冠状動脈となる。 接近した心外膜血管の間膜は大血管の間膜と噛み合う（Vrancken Peetersら、1997；Velkey & Bernanke、2001）。 連結冠状動脈が大動脈の内皮に近づくと、これらの血管の側面と大動脈への付着部に沿って、アポトーシス細胞が見られる（Velkey & Bernanke）。
ヒトの冠動脈の形成は、他の哺乳類や鳥類で観察されるのと同様のパターンをとっている。 表Iは、異なる種の段階的胚における冠動脈の時系列的な発達を比較したものである。 大動脈の基部にある管状ネットワークによる大動脈の貫通は、通常、2本の主要な冠動脈のみが形成されるように、正確に調整されています。 しかし、冠動脈の形成は空間的にだけでなく、時間的にも制御されており、ヒトでもラットでも左冠動脈が右冠動脈よりも先に形成される（Hirakow; Bogers et al.）
冠動脈が3つの大動脈洞のうちの2つの洞に閉じ込められている理由は、まだ不明である。 ヒト胚の5.0〜17.5mm（カーネギー期13〜19）の連続切片の顕微鏡検査で、心臓壁の最も初期の血管が15期の心尖部付近で心膜下に発達していることが確認された。 このネットワークは心臓の中心方向に広がり、17期になってようやく大動脈内腔と連絡する冠動脈の茎を確認することができた。 この順序から、左右の後洞の内部に冠状動脈口が閉じ込められているのは、おそらく、これらの洞が、遠心方向に成長する血管叢にとって最もアクセスしやすい接触点であるためと考えられる（Turner & Navaratnam, 1996）。
冠動脈の発生近位部は、18期から21期の間に内径が4倍になるなど、大規模なリモデリングを受ける（Ratajska & Fiejka,1999)。 さらに、ニワトリの冠動脈形成は、心筋細胞がプルキンエ線維に分化するための構造的枠組み、すなわち導管を提供することを示唆する実験的証拠もある (Harris et al., 2002)
冠動脈の形成に「生着」説を補強するいくつかのメカニズムが考えられている。 主冠動脈茎の確立における神経堤細胞の役割が指摘された（Waldo et al; Hood & Rosenquist）と同様に心外膜の転写因子、例えばFog-2（Tevosianら、2000）およびEts-1およびEts-2（Lie-Venemaら、2003）である。 大動脈起始部の毛細血管叢の貫通と冠動脈の形成にVEGFファミリーのメンバーが必要であることも認められている（Tomanekら、2006年）。 ニワトリの片側神経堤切除では、対側の冠動脈主幹は1本だけで、それが分岐して右と左の冠動脈が形成された。 第二冠動脈の異所性起源は、神経堤切除を行ったすべての胚で見出された。 ニワトリでは、神経堤細胞は冠動脈の基部の中膜を破壊し（Waldoら、1994）、冠動脈の成立以前に存在する副交感神経節と神経に寄与していることが分かっている（Tomanek）。
この成長因子ファミリーが冠動脈のオスティアと動脈形成の重要なシグナル伝達機構を提供するという仮説は、大動脈基部の心外膜および心膜下細胞におけるVEGFの高い発現と冠動脈基部におけるVEGF-R2および-R3転写物の高い密度という観察に基づいていた。 VEGFファミリーは大動脈の内皮細胞侵入による主冠動脈の形成に必要であり、VEGF-Trapはこのイベントを防ぐからである（Tomanekら、2002；Tomanekら、2006）＜2674＞＜8891＞＜5785＞＜2674＞＜8891＞ Fig. 冠動脈のオスチャ形成におけるアポトーシス。 (A) 30期のニワトリ胚における冠動脈周囲と発達中の弁の横断面–Hamburger and Hamilton (1992)に基づく段階分け。 大動脈（Ao）と肺動脈（PA）の周囲に周皮毛細血管叢（PCP）が観察される。（B）PCPからのブラインドエンド血管（B-eV）が大動脈組織を貫き、PCPの増殖血管に付随してアポトーシス細胞（Apo）が認められる。 (C）貫通した血管が大動脈内皮に到達すると、大動脈内皮とB-eVの界面がアポトーシスにより開口部に変化し、接続部ができる；（D）大動脈（Ao）接続後、貫通血管の一部が選択されて（機構不明）、確定近位冠動脈（CA）へと発達していく。
冠動脈の形態形成における成長因子の役割。 この重要なイベントの指定に関わるメカニズムはまだ不明である。 ウズラに見られる形態学的な手がかりのひとつは、冠動脈が発生する部位に受容体である VEGF 受容体 2 (R2) と VEGF 受容体 3 (R3) の転写物が高密度に存在することである。 これは心外膜と心外膜下の細胞が VEGF に対してより強く染色される領域です (Tomanek et al., 2002)。 このように、VEGFとその受容体は冠動脈の茎の形成に重要である（Munoz-Chapuli et al）。
冠動脈の発生過程におけるアポトーシス。 近位冠動脈の形成過程では、外周輪からの内皮線維は向かい合った洞を貫通した後融合し、一方、非冠動脈洞を貫通した線維は消失する。 その後、冠動脈の中膜が大動脈の中膜と近位冠動脈を明確に区別する（Ando et al.） アポトーシスと冠動脈の生着との関係は、VelkeyとBernankeによって初めて報告された（Velkey & Bernanke）。 これらの著者らは、冠動脈の発生時に作用する特定の調節機構を明確に示していない。 アポトーシス細胞の特徴づけや、大動脈および冠動脈の血管組織の実験的操作が行われていないため、冠動脈の発生に関わる複雑な事象について分子的な説明を行うことは困難である。 この結果は、アポトーシスが近位冠動脈とその開口部の形成に関与していることを確認したに過ぎない。 したがって、これらの知見は将来の研究の道を生み出し、アポトーシスの制御に関わる因子を将来の冠動脈形成のモデルに含めるべきことを示唆している（Bernanke & Velkey）。
冠動脈の発生におけるアポトーシスの過程は、教義的に3段階に分けることができる：a）侵入、大動脈の血管侵入の過程で、周皮毛細血管叢からの盲腸血管が大動脈の組織に侵入する。 アポトーシス細胞は、大動脈内皮内には見られず、外周毛細血管叢の増殖血管に関連して見られる。b) 接続、侵入した血管が大動脈内皮に接触すると、大動脈内皮と血管の盲端の界面はアポトーシスにより特許開口部に変質される。 c) リモデリング、大動脈に接続した後、侵入した血管の一部は、まだ知られていないメカニズムによって選択され、決定的な近位冠動脈に発展する。 これらの血管は血管平滑筋の被膜を獲得し始め、直径が増大する。 冠動脈開口部とその周囲の大動脈組織は冠動脈の拡張に対応しなければならないが、このリモデリングの過程でアポトーシスが重要な役割を果たしていると推定されている（Velkey & Bernanke, 2001; Rothenberg et al, 2002）。
最後に一言。 生着による冠動脈の発達という洞察は，これまで肉眼解剖学で説明されてきたいくつかの先天性冠動脈の変異や異常に対する理解を変えた。 大動脈洞以外の冠動脈の起源、例えば肺幹や肺動脈（Castorina et al., 2008; Farouk et al., 2009）、あるいは上行大動脈から冠動脈開口部が極めて高い位置にある（Piegger et al., 2001）は、冠動脈の起源に関するイングロース理論によりうまく説明されるようになった。 冠動脈の主枝に心筋橋が存在し、その頻度が高いこと（Mandarim-de-Lacerdaら、1987；Belov Iu & Bogopol’skaia, 2004）もingrowth説の観点からすると理解しやすいと考えられる。
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に対応する。
カルロス・アルベルト・マンダリム・デ・ラセルダ教授
Laboratório de Morfometria e Morfologia Cardiovascular,
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＜8891＞受信したもの。 24-04-2009
受理：22-06-2009 。