Novel strategy to treat intractable CNS disorders, utilizing the properties of BBB-composing cells

• Project/Area Number: 20H00529
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 52:General internal medicine and related fields
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 神田 隆 山口大学, 大学院医学系研究科, 教授(特命) (40204797)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹下 幸男 山口大学, 医学部, 教授(連携講座) (70749829) ; 清水 文崇 山口大学, 大学院医学系研究科, 准教授 (90535254)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥44,590,000 (Direct Cost: ¥34,300,000、Indirect Cost: ¥10,290,000); Fiscal Year 2024: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2023: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2022: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2021: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2020: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
• Keywords: 血液脳関門 / 血管内皮細胞 / アストロサイト / ペリサイト / 自己抗体

Outline of Research at the Start

難治性中枢神経疾患の新規治療法開発の実現には血液脳関門という大きな障壁がある。本研究は、研究代表者の所属する教室で樹立した３種類のヒト血液脳関門由来不死化細胞株と、同細胞を用いて作成した相互細胞接着型ヒト血液脳関門in vitroモデルを用いて、2つの戦略のもとに難治性中枢神経疾患治療法の確立を試みようというものである。

Outline of Annual Research Achievements

相互細胞接着型ヒト血液脳関門三次元モデルを用い、血管内皮細胞バリアーを通過して血液脳関門構成アストロサイト、ペリサイトに作用して有用物質を放出させる低分子化合物のスクリーニングを初年度から継続して施行した。この結果、2種類の低分子・脂溶性物質（EP4アゴニスト、S1P5アゴニスト）を三次元モデルの血管内皮細胞側に作用させることで、この相互細胞接着型ヒト血液脳関門三次元モデルのアストロサイトから神経栄養因子BDNFが放出されることが明らかになった。この結果は国際雑誌に掲載された（Fujisawa M et al. J Neuroimmunol 2022)。血液脳関門の向こう側（脳側）に存在する細胞を血管側から操作し、有用な物質を脳内に放出させるという全く新しい発想の仕事の第一歩が結実した。一方、当初予想していた血液脳関門構成ペリサイトからのBDNF放出に関しては、有意な上昇を惹起する物質は同定できなかった。スクリーニングに用いた低分子化合物の範囲内では、ペリサイトよりアストロサイトがより強力な神経栄養因子産生細胞であることが示された。しかし、ペリサイトはBBB構成細胞として極めて強い生物学的活性を有する存在であり、ペリサイトに対するアストロサイトの優越性に関しては、検索対象となる低分子化合物の増加や測定する神経栄養因子の複数化などを通じて、さらなる検討が必要であるという次年度以降の課題が残された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

血液脳関門を直接的に破壊して中枢神経に対する有用物質を脳内移行させるのではなく、血管内に注入した血液脳関門を自由に透過できる低分子物質を用いて脳内環境を変化させようという斬新な発想に基づく研究である。先行研究が存在しないので当初は手探りでの研究開始であったが、具体的な低分子化合物2種類（EP4アゴニスト、S1P5アゴニスト）が同定でき、英文一流紙（Fujisawa M et al. J Neuroimmunol 2022)に掲載できたという点ではおおむね順調に進展していると評価してよいものと思われる。COVID-19蔓延の影響で海外学会での発表の機会がこの2年間無く、本研究に関する欧米の研究者との意見交換が十分に行えなかったのが残念であるが、上記論文に関係した研究活動が注目されて、国内の複数の製薬企業との共同研究計画が進行中であり、スクリーニングの対象となる物質のさらなる拡大が期待できる。

Strategy for Future Research Activity

以下の4つの実験を推進し、血液脳関門を操作しうる低分子・脂溶性物質を複数ピックアップして今後のin vivo実験、更には医薬品としての実用化を目指す。
１．血液脳関門モデル内アストロサイト、ペリサイトからのBDNF放出を指標とした、EP4アゴニスト、S1P5アゴニスト以外のさらなる低分子・脂溶性物質のスクリーニングを行う。協力製薬企業が複数増加したので、対象となるライブラリーの増加が見込まれる。
２．すでに同定したEP4アゴニスト、S1P5アゴニストによるアストロサイトからのBDNF放出に関して、至適血中濃度の検証を行って、以降計画するin vivo実験の基盤を確立する。
３．EP4アゴニスト、S1P5アゴニストを用いて、BDNF以外の神経栄養因子（GDNF、bFGF、CNTFなど）のアストロサイト、ペリサイトからの放出をスクリーニングする。
４．低分子・脂溶性バリアー脆弱化候補物質のスクリーニングを進める。得られた候補物質に関して、相互細胞接着型ヒト血液脳関門三次元モデルでの再現性を確認する実験と並行して、濃度による効果の変化とバリアー脆弱化効果の持続時間を明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Exploring lipophilic compounds that induce BDNF secretion in astrocytes beyond the BBB using a new multi-cultured human in vitro BBB model. (2022)
  • Author(s): Miwako Fujisawa, Yukio Takeshita, Susumu Fujikawa, Kinya Matsuo, Masashi Okamoto, Masaya Tamada, Fumitaka Shimizu, Yasuteru Sano, Michiaki Koga, Takashi Kanda.
  • Journal Title: J Neuroimmunol Volume: 362 Pages: 577783-577783
  • DOI: 10.1016/j.jneuroim.2021.577783
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] HLA genotype-clinical phenotype correlations in multiple sclerosis and neuromyelitis optica spectrum disorders based on Japan MS/NMOSD Biobank data (2021)
  • Author(s): Watanabe M. Nakamura Y. Sato S. Niino M. Fukaura H. Tanaka M. Ochi H. et al
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 607-607
  • DOI: 10.1038/s41598-020-79833-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Protective effect of the sphingosine-1 phosphate receptor agonist siponimod on disrupted blood brain barrier function. (2021)
  • Author(s): Spampinato SF, Merlo S, Sano Y, Kanda T, Sortino MA.
  • Journal Title: Biochem Pharmacol. Volume: 186 Pages: 114465-114465
  • DOI: 10.1016/j.bcp.2021.114465
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New BBB Model Reveals That IL-6 Blockade Suppressed the BBB Disorder, Preventing Onset of NMOSD. (2021)
  • Author(s): Takeshita Y, Fujikawa S, Serizawa K, Fujisawa M, Matsuo K, Nemoto J, Shimizu F, Sano Y, Tomizawa-Shinohara H, Miyake S, Ransohoff RM, Kanda T.
  • Journal Title: Neurol Neuroimmunol Neuroinflamm Volume: 8 Issue: 6
  • DOI: 10.1212/nxi.0000000000001076
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Glial cell line-derived neurotrophic factor and basic fibroblast growth factor derived from skeletal muscle pericytes increase the barrier function of endothelial cells in the endomysium. (2021)
  • Author(s): Eri Ishiguchi, Yasuteru Sano, Toshihiko Maeda, Fumitaka Shimizu, Miwako Fujisawa, Masaya Honda, Yukio Takeshita, Michiaki Koga, Takashi Kanda.
  • Journal Title: Clin Exp Neuroimmunol Volume: 12 Issue: 4 Pages: 258-267
  • DOI: 10.1111/cen3.12674
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Triple Culture Cell System Modeling the Human Blood-Brain Barrier. (2021)
  • Author(s): Eleonora Rizzi, Clemence Deligne, Lucie Dehouck, Roberta Bilardo, Yasutero Sano, Fumitaka Shimizu, Takashi Kanda, Marina Resmini, Fabien Gosselet, Marie-Pierre Dehouck, Caroline Mysiorek.
  • Journal Title: J Vis Exp Volume: 177 Issue: 177 Pages: 30-30
  • DOI: 10.3791/63134
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Advancing human induced pluripotent stem cell‐derived blood‐brain barrier models for studying immune cell interactions (2020)
  • Author(s): Nishihara Hideaki、Gastfriend Benjamin D.、Soldati Sasha、Perriot Sylvain、Mathias Amandine、Sano Yasuteru、Shimizu Fumitaka、Gosselet Fabien、Kanda Takashi、Palecek Sean P.、Du Pasquier Renaud、Shusta Eric V.、Engelhardt Britta
  • Journal Title: The FASEB Journal Volume: 34 Issue: 12 Pages: 16693-16715
  • DOI: 10.1096/fj.202001507rr
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Blood-brain barrier-breakdown in anti-myelin oligodendrocyte glycoprotein antibody associated disorders (2021)
  • Author(s): Shimizu F, Ogawa R, Takahashi T, Takeshita Y, Misu T, Sano Y, Maeda T, Nakashima I, Fujihara K, Kanda T
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] ギラン・バレー症候群での血液神経関門破綻メカニズムの解析 (2021)
  • Author(s): 清水文崇，古賀道明，佐藤亮太，竹下幸男，佐野泰照，松影 顕，藤井菜月美，前田敏彦，神田 隆
  • Organizer: 第32回日本末梢神経学会学術集会
• [Presentation] New in vitro and in ex-vivo triple co-culture BBB models and in vivo EAE model revealed that NMO-IgG increased the intracerebral transferability of NMO-IgG and satralizumab and that IL-6 blockade suppressed the NMO-IgG-induced leukocyte transmigration and barrier dysfunction, leading to prevention of onset of NMOSD. (2021)
  • Author(s): Takeshita Y, Fujikawa S, Serizawa K, Fujisawa M, Matsuo K, Nemoto J, Shimizu F, Sano Y, Tomizawa-Shinohara H, Miyake S, Ransohoff RM, Kanda T
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 視神経脊髄炎でのIL-6を介した血液脳関門破綻の病態機序と「BBBを治療する」というIL-6受容体阻害薬の新たな作用機序 (2021)
  • Author(s): 竹下幸男, 藤川 晋, 芹澤賢一，藤澤美和子,西原秀明,松尾欣哉, 清水文崇, 古賀道明,Richard Ransohoff , 神田 隆
  • Organizer: 第33回日本神経免疫学会学術集会
• [Presentation] 多発性硬化症でのCD20抗体によるB細胞療法における血液脳関門を中心とした新しい病態機序 (2021)
  • Author(s): 竹下幸男,藤澤 美和子,松尾欣哉,福迫陽人, 藤川 晋, 玉田雅也, 岡本雅史, 西原秀明, 清水文崇, 古賀道明, 神田 隆
  • Organizer: 第33回日本神経免疫学会総会
• [Presentation] ヒトin vitro BBBモデルを用いたアストロサイトからのBDNF分泌を促進させる脂質化合物の同定 (2021)
  • Author(s): 藤澤美和子, 竹下幸男, 藤川 晋, 松尾欣哉, 清水文崇, 古賀道明, 神田 隆
  • Organizer: 第33回日本神経免疫学会学術集会
• [Presentation] Intracerebral transferability of satralizumab in neuromyelitis optica using a new multi-cultured in vitro BBB model (2021)
  • Author(s): Matsuo K, Takeshita Y, Fujikawa S, Fujisawa M, Serizawa K, Shimizu F, Sano Y, Koga M, Kanda T.
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術集会
• [Presentation] Blood-brain barrier-activation in myelin oligodendrocyte glycoprotein antibody associated disorders (2020)
  • Author(s): Shimizu F, Ogawa R, Takahashi T, Takeshita Y, Misu T, Sano Y, Maeda T, Nakashima I, Fujihara K, Kanda T
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] Exploring lipophilic compounds which induce BDNF secretion from astrocytes beyond the BBB (2020)
  • Author(s): Takeshita Y, Fujikawa S, Okino T, Fujisawa M, Shimizu F, Maeda T, Sano Y, Koga M, Kanda T
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Presentation] Effects of sera in NMO and MOG on IgG translocation to central nervous system (2020)
  • Author(s): Fujisawa M, Takeshita Y, Fujikawa S, Shimizu F, Maeda T, Sano Y, Koga M, Kanda T
  • Organizer: 第61回日本神経学会学術大会
• [Book] 医学生・研修医のための脳神経内科第4版 (2021)
  • Author(s): 神田 隆
  • Total Pages: 680
  • Publisher: 中外医学社