Establishment of human airway organoid by understanding airway development in single-cell resolution
| Project/Area Number |
20H03693
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 53030:Respiratory medicine-related
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
森本 充 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (70544344)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
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| Keywords | 気管 / 発生 / オルガノイド / １細胞転写解析 / 呼吸器 / 幹細胞 / シングルセル解析 / １細胞解析 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究はマウス胚の気道細胞の１細胞転写解析により、上皮４細胞種、間充織２細胞種の分化プロセスを完全マッピングすることで、気道発生原理を分子レベルで理解する。その知識を利用したヒトiPS/ES細胞からのヒト気道の再構成によるヒト気道発生機構の解明、最終的に上皮－間充織相互作用を検証できるヒト気道オルガノイドの開発を試みる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度から継続して行ってきた、発生期に気管上皮の前駆細胞から全４種類の上皮細胞種が出現するまでの転写ネットワークの変遷の詳細な解析と、特に組織幹細胞である基底細胞の分化プロセスについて結果を取りまとめた。加えて、関連分子のノックアウトもしくはノックインマウスを使った気道上皮の損傷再生実験から、発生期に幹細胞の分化を決定づけるTGFbシグナルとId遺伝子の関係性が、成体の損傷再生時に再度活性化していることを明らかにし、発生と再生で保存された共通の原理を提唱するに至った(Kiyokawa et al., Dev. Cell 2021)。
同時に進めていた気管間充織組織の時系列scRNA-seq解析から、気管間充織組織の前駆細胞から気管平滑筋細胞、気管軟骨細胞、気管間充織細胞が分化するプロセスを解析した。解析結果から、興味深いことに、３種類の細胞の起源となる共通の幹細胞の存在を示唆する結果が得られた。前駆細胞からそれぞれの細胞分化に関わりそうな細胞間シグナルをリストアップした。マウス胚E12.5の気管組織を取り出してex vivo培養とシグナルのアゴニスト、アンタゴニストを加えることで、それらの分子の各細胞分化への機能的な関わりを解析した。
加えて、ヒトiPS細胞から気道上皮細胞の分化誘導実験を行ったが、分化誘導効率が思うように上がらなかった。そこで、以前に技術開発に成功しているヒトES 細胞に切り替えて、原条→前腸を誘導し、呼吸器もしくは食道の分化誘導を行った。誘導したES細胞由来の上皮と間充織の３次元培養を行い、胎児性の気管および食道オルガノイドの作出に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究は順調に進んでいる。しかし、資材不足により一部のオルガノイド培養ができない期間があったため、中断を余儀なくされた実験もある。
発生中の気管上皮細胞の解析では順調に実験と解析を終えて、論文を投稿し、採択に至っている。同時に進めていた間充織組織のシングルセル解析も順調に進み、一通りの解析を終え、現在はEx vivo培養を使った実験により、分化制御分子候補の機能的な検証を進めている。ヒトiPS細胞からの分化誘導実験では、呼吸器系譜の分化誘導効率がなかなか上がらなかったため、以前に確立したヒトES細胞からの分化誘導に立ち返り、前腸組織の分化誘導を行った。幸い、効率的な分化誘導に成功し、前腸オルガノイドから気管および食道オルガノイドの誘導に成功している。しかしながら、３次元培養に必要な細胞外基質であるマトリゲルの輸入が遅延しているため、実験の頻度か下がっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
気管間充織細胞の解析では、ex vivo培養実験を続けるとともに、有力な制御因子についてノックアウトマウスを作成し、個体レベルでの証明を行う。また、マウスES細胞からの分化誘導系を使って、軟骨および平滑筋細胞の分化と凝集に与える影響を検証する。
ヒトES細胞からの分化誘導系では、誘導した気管および食道オルガノイドの成熟化を促すことに挑戦する。十分に条件検討ができたら、再度、最終的な目標であるヒトiPS細胞からの気管オルガノイドの開発に向けて、上皮細胞と間充織細胞の融合培養に挑戦する。
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Report
(2 results)
Research Products
(21 results)
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[Journal Article] Single cell transcriptomics identifies a signaling network coordinating endoderm and mesoderm diversification during foregut organogenesis.2020
Author(s)
Han L, Chaturvedi P, Kishimoto K, Koike H, Nasr T, Iwasawa K, Giesbrecht K, Witcher PC, Eicher A, Haines L, Lee Y, Shannon JM, Morimoto M, Wells JM, Takebe T, Zorn AM.
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Journal Title
Nature communications
Volume: 11(1)
Issue: 1
Pages: 4158-4158
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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