新規素材とマイクロ加工技術で再現する脳微小空間を用いたニューロン遊走機構の解析

• Project/Area Number: 18KK0212
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 46:Neuroscience and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 見学 美根子 京都大学, 高等研究院, 教授 (10303801)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宇都 甲一郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 独立研究者 (30597034) ; 中澤 直高 京都大学, 高等研究院, 特定助教 (90800780)
• Project Period (FY): 2018-10-09 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2021: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2020: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2019: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2018: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: メカノバイオロジー / マイクロファブリケーション / ニューロン移動 / 神経発生 / 細胞骨格 / ライブイメージング

Outline of Annual Research Achievements

国際共同研究ではマイクロリソグラフィー技術を用いて作成した通路状のマイクロスペーサー基板および市販の多孔性フィルター膜を用いて、顆粒細胞が神経組織間隙を隘路遊走する運動制御機構を解析した。薬理実験と分子操作実験で、隘路侵入により細胞膜張力が上昇し、機械刺激感受性チャネルPiezo1が活性化すること、Piezo1によるカルシウム流入によりPKC-Ezrin経路が活性化してミオシンが後方細胞膜に集積することが、ニューロンを後方から押す力を生じることを証明した。
また、生後発達期の小脳容積・表面積の急激な拡大に伴い、周辺組織から受けるずり応力がニューロン遊走の方向性決定に影響する可能性をin vitro実験で検証するため、異方性伸長を実現するスマートポリマーの開発を進めた。昨年度までにメタロプロテアーゼ分解性ペプチドを架橋点に有するポリエチレングリコール(PEG)ハイドロゲルを作製し、メタロプロテアーゼの添加により10%程度の伸長を誘起可能であることを明らかとしている。今年度は生後発達期の小脳容積・表面積拡大をより忠実に再現することを目的とし、PEGハイドロゲルの構造最適化による分解速度と伸長度の制御に取り組んだ。PEGの分岐構造や分子量、ペプチド架橋剤の設計および最適化により、広範な時間域(数時間～一週間)における分解制御かつ最大100%伸長を達成可能なハイドロゲル基材を得ることができた。また初期弾性率一定でありながら、異なる分解速度を示すハイドロゲル基材の作製にも成功し、弾性率と分解速度を独立して制御可能であることを明らかとした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

マイクロ加工技術を用いた国際共同研究では、コロナ禍で往来は殆ど出来なかったが、ニューロンの新しい遊走機構の分子基盤を明らかにし、分野に大きな革新をもたらす発見があった。現在論文発表の準備を行なっている。異方性伸長を実現するスマートポリマーの開発は、生体時間に匹敵する遅緩な等方性伸長を示す基材はできつつあり、異方性伸長を示す基材の開発に着手している。

Strategy for Future Research Activity

組織伸長のずり応力が軸索伸長に与える影響は、生体適合性の等方性伸長基材が完成し次第細胞実験を行う。並行して基質の地形が軸索伸長に与える影響をパターン化基質を用いて解析しており、軸索伸長に基質の物性が与える影響を多角的に解析した結果を論文化する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National University of Singapore(シンガポール)
• [Int'l Joint Research] National University of Singapore(シンガポール)
• [Int'l Joint Research] National University of Singapore(シンガポール)
• [Int'l Joint Research] National University of Singapore(シンガポール)
• [Journal Article] Modeling intestinal stem cell function with organoids (2021)
  • Author(s): Toshio Takahashi, Kazuo Fujishima, and Mineko Kengaku
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Pages: 10912-10912
  • DOI: 10.3390/ijms222010912
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ABCA13 dysfunction associated with psychiatric disorders causes impaired cholesterol trafficking (2021)
  • Author(s): Nakato Mitsuhiro、Shiranaga Naoko、Tomioka Maiko、Watanabe Hitomi、Kurisu Junko、Kengaku Mineko、Komura Naoko、Ando Hiromune、Kimura Yasuhisa、Kioka Noriyuki、Ueda Kazumitsu
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 296 Pages: 100166-100166
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.015997
  • NAID: 120007177776
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] βIII spectrin controls the planarity of Purkinje cell dendrites by modulating perpendicular axon-dendrite interactions (2020)
  • Author(s): Fujishima Kazuto、Kurisu Junko、Yamada Midori、Kengaku Mineko
  • Journal Title: Development Volume: 147
  • DOI: 10.1242/dev.194530
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanical regulation of nuclear translocation in migratory neurons (2020)
  • Author(s): N. Nakazawa and M. Kengaku
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 8 Pages: 150-150
  • DOI: 10.3389/fcell.2020.00150
  • NAID: 120006813309
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Cytoskeletal forces driving neuronal migration in 3D brain tissues. (2022)
  • Author(s): Mineko Kengaku
  • Organizer: International Symposium on Development and Plasticity of Neural Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 幹細胞機能に関わる動的力学特性を制御可能なハイドロゲルの設計 (2022)
  • Author(s): 谷本梨帆、荏原充宏、宇都甲一郎
  • Organizer: 第21回日本再生医療学会総会
• [Presentation] Multiple engines driving nuclear migration in neurons during brain development. (2021)
  • Author(s): Mineko Kengaku
  • Organizer: RIMS Workshop Mathematical Mechanobiology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ライブイメージングで解くニューロン遊走における核輸送の制御機構 (2021)
  • Author(s): 見学美根子
  • Organizer: 第64回日本神経化学会大会
  • Invited
• [Presentation] Mechanical stress by extracellular confinement triggers a mode transition of neuronal migration. (2021)
  • Author(s): Naotaka Nakazawa, Gianluca Grenci and Mineko Kengaku
  • Organizer: Materials, Mimics, and Microfluidics: Engineering Tools for Mechanobiology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nesprin-2 mediates bidirectional nuclear transport through a co-dependent interplay between dynein and kinesin-1 in migrating cerebellar granule neurons. (2021)
  • Author(s): Chuying Zhou, You Kure Wu, Takahiro Fujiwara, Mineko Kengaku
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] Oscillation of AMPK activity regulates mitochondrial fission and dendritic development in hippocampal neurons. (2021)
  • Author(s): 初田茜、藤島和人、栗栖純子、大野伸彦、見学美根子
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会
• [Presentation] 幹細胞機能操作のための酵素分解性ハイドロゲルの設計 (2021)
  • Author(s): 谷本梨帆、荏原充宏、宇都甲一郎
  • Organizer: 第16回ナノ・バイオメディカル学会大会
• [Presentation] Design of enzymatically degradable hydrogels for unraveling the dynamic mechanical response of human mesenchymal stem cells (2021)
  • Author(s): Riho Tanimoto, Mitsuhiro Ebara, Koichiro Uto
  • Organizer: 第31回日本MRS年次大会
• [Presentation] ヒト間葉系幹細胞の力学応答解明に向けた酵素分解性ハイドロゲルの設計 (2021)
  • Author(s): 谷本梨帆、荏原充宏、宇都甲一郎
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] Design of enzymatically degradable hydrogels for maneuvering the human mesenchymal stem cells behavior (2021)
  • Author(s): Riho Tanimoto, Mitsuhiro Ebara, Koichiro Uto
  • Organizer: MANA International Symposium 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neuronal migration in 3D brain tissue. (2020)
  • Author(s): 見学美根子
  • Organizer: 第14回ニッチ脳神経脈管カンファレンス
  • Invited
• [Presentation] Mechanical stress by extracellular confinement trigger a mode transition of neuronal migration. (2020)
  • Author(s): Naotaka Nakazawa, Gianluca Grenci, Mineko Kengaku
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Beta IIIスペクトリンのプルキンエ細胞-平行線維間の直交回路形成における役割. (2020)
  • Author(s): 藤島和人、見学美根子
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] The dynamic interplay between microtubule-based motors and nuclear movement in migrating cerebellar granule cells. (2020)
  • Author(s): Chuying Zhou, You Kure Wu, Mineko Kengaku
  • Organizer: 第43回日本神経科学大会
• [Presentation] Cytoskeletal regulation of Purkinje cell dendritic arbor morphology. プルキンエ細胞樹状突起形態形成の細胞骨格制御メカニズム (2020)
  • Author(s): Kazuto Fujishima, Mineko Kengaku
  • Organizer: 第53回日本発生生物年会
• [Presentation] Mechanical stress by extracellular confinement trigger a mode transition of neuronal migration. (2019)
  • Author(s): Naotaka Nakazawa, Gianluca Grenci, Mineko Kengaku
  • Organizer: 第42回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Nuclear Migration in 3D Brain Tissue Driven by Cytoskeletal Forces. (2019)
  • Author(s): You Kure Wu, Chuying Zhou, Hiroki Umeshima, Naotaka Nakazawa and Mineko Kengaku
  • Organizer: 20th LSACJ2019-International Conference on Interdisciplinary Life Sciences
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 微小間隙を遊走するニューロンのメカノレスポンス (2019)
  • Author(s): 中澤直高
  • Organizer: メカノバイオロジー研究を学ぶ 2019
  • Invited
• [Presentation] Cytoskeletal forces driving nuclear migration in developing neurons. (2019)
  • Author(s): Mineko Kengaku, You Kure Wu, Naotaka Nakazawa, Gianluca Grenci
  • Organizer: The 10th IBRO World Congress of Neuroscience
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cell-extrinsic control of dendritic tree patterns of the cerebellar Purkinje cell. (2019)
  • Author(s): Kazuto Fujishima, Kelly Kawabata-Galbraith and Mineko Kengaku
  • Organizer: Current Trends and Future Directions of Synapse-Circuit Plasticity Research
  • Invited
• [Presentation] Mechano-responses to the extracellular environment in migratory neurons. (2019)
  • Author(s): 中澤直高、Gianluca Grenci、見学美根子
  • Organizer: 日本メカノバイオロジー研究会2019
  • Invited
• [Presentation] 発生中のニューロン核移動を制御する細胞骨格モーターの力発生機構. Mechanisms of force generation by cytoskeletal motors during nuclear migration of developing neurons. (2019)
  • Author(s): 見学美根子
  • Organizer: 第52回日本発生生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Cytoskeletal control of neuronal migration in the developing brain. (2019)
  • Author(s): Mineko Kengaku
  • Organizer: The SPIRITS International Symposium-2019 Regulation of cell fate and disease treatment
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechano-responses to the extracellular environment in migratory neurons. (2019)
  • Author(s): Naotaka Nakazawa
  • Organizer: 3rd International Symposium on Nanoarchitectonics for Mechanobiology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-resolution Imaging of Neuronal Migration in the Developing Brain. (2018)
  • Author(s): Mineko Kengaku
  • Organizer: Kyoto University-UCLA/25th iCeMS International Symposium “Harnessing Physical Forces for Medical Application: Convergence of Physics, Nanomaterials, Cell Biology and Cancer Research”
  • Int'l Joint Research / Invited