Engineering in vitro model of sensory-motor-muscle circuit with functional corticospinal tract for neurodegenerative disease

• Project/Area Number: 20K20178
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大崎 達哉 東京大学, 生産技術研究所, 特任助教 (20809230)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: ALS / マイクロデバイス / オルガノイド / 神経変性疾患 / 運動ニューロン / iPS細胞 / マイクロ流体デバイス / 感覚ニューロン / 筋萎縮性側索硬化症(ALS)

Outline of Research at the Start

筋萎縮性側索硬化症(ALS)に代表される運動ニューロン疾患は、脳・脊椎内の運動神経細胞の変性により全身の筋肉が徐々に萎縮し、死に至る治療困難な疾患であるが、その発症メカニズムはいまだ解明されていない。本研究の目的は、運動に関わる組織、具体的には、運動と感覚神経回路、筋肉組織、シュワン細胞からなる３D脳・脊椎統合運動回路モデルを生体外で作製し、ALS病理のメカニズムの一端を解明することである。最終的に脳オルガノイドと脊椎―骨格筋組織をつなげ、ALS患者由来のiPS細胞から脳オルガノイドを作製することにより、中枢での病理的な役割と機能不全が最終的に筋委縮にどのように影響を与えるのかを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

筋萎縮性側索硬化症(ALS)は、運動神経細胞が細胞死を引き起こすことにより、全身の筋肉が動かなくなる神経変性疾患である。日本では、1974年に難治性疾患の特定疾患に認定され、原因究明に向けて動物実験などの研究が行われてきた。その結果、様々な遺伝子変異と発症の関連性について明らかになりつつあるが、ALSの発症メカニズムは解明されておらず、根本的な治療方法は未だ存在しない。近年、ヒトの体から採取した運動ニューロンや骨格筋細胞をシャーレ上で培養する、2次元in vitro毒性試験法が確立しつつある。この手法は、モデル動物からヒトの単一細胞へと評価対象を移すことで、生命現象をある程度把握することを可能にした。特にiPS細胞から作製されるオルガノイドと呼ばれる三次元の組織体は、その発生学的な家庭を模倣しその構造や機能をよく再現するモデルとして有効である。しかし、生体の構造は複雑で、単一細胞の挙動は本来の生命現象とは大きく異なるという問題がある。特に、運動神経、感覚神経、骨格筋細胞などの様々な細胞が複雑に絡み合う「脳・脊椎運動回路」の実現のためには、従来の2次元の培養系では、正確に生体内の動態を再現することは不可能である。このことが、これまでの創薬を困難なものにしてきた。これは単一のオルガノイドを作製することだけでも再現不可能であり、組織感の相互作用を再現し理解することが必要である。本研究の目的は、運動に関わる組織、具体的には、運動と感覚神経回路、筋肉組織、更にはシュワン細胞からなる「３D脳・脊椎統合運動回路モデル」をオルガノイド技術を応用することによって生体外で作製し、ALS病理のメカニズムの一端を解明することである。

Research Products

• [Journal Article] Mito-FUNCAT-FACS reveals cellular heterogeneity in mitochondrial translation (2022)
  • Author(s): Kimura Yusuke、Saito Hironori、Osaki Tatsuya、Ikegami Yasuhiro、Wakigawa Taisei、Ikeuchi Yoshiho、Iwasaki Shintaro
  • Journal Title: RNA Volume: - Issue: 6 Pages: 122-122
  • DOI: 10.1261/rna.079097.122
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In vitro Modelling of Human Healthy and ALS Proprioceptive Sensory Neurons in the Neuromuscular System (2022)
  • Author(s): Badiola-Mateos Maider、Osaki Tatsuya、Kamm Roger D.、Samitier Josep
  • Journal Title: SSRN Electronic Journal Volume: -
  • DOI: 10.2139/ssrn.4007585
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] eIF2B-capturing viral protein NSs suppresses the integrated stress response (2021)
  • Author(s): Kashiwagi Kazuhiro、Shichino Yuichi、Osaki Tatsuya、Sakamoto Ayako、Nishimoto Madoka、Takahashi Mari、Mito Mari、Weber Friedemann、Ikeuchi Yoshiho、Iwasaki Shintaro、Ito Takuhiro
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 7102-7102
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27337-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Complex Activity and Short-term Memories in Reciprocally Connected Cerebral Organoids (2021)
  • Author(s): Osaki Tatsuya、Ikeuchi Yoshiho
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2021.02.16.431387
  • Open Access
• [Journal Article] On-chip 3D neuromuscular model for drug screening and precision medicine in neuromuscular disease (2020)
  • Author(s): Osaki Tatsuya、Uzel Sebastien G. M.、Kamm Roger D.
  • Journal Title: Nature Protocols Volume: 15 Issue: 2 Pages: 421-449
  • DOI: 10.1038/s41596-019-0248-1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modeling Nanocarrier Transport across a 3D In Vitro Human Blood‐Brain?Barrier Microvasculature (2020)
  • Author(s): Lee Sharon Wei Ling、Campisi Marco、Osaki Tatsuya、Possenti Luca、Mattu Clara、Adriani Giulia、Kamm Roger Dale、Chiono Valeria
  • Journal Title: Advanced Healthcare Materials Volume: 9 Issue: 7 Pages: 1901486-1901486
  • DOI: 10.1002/adhm.201901486
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A widespread family of heat-resistant obscure (Hero) proteins protect against protein instability and aggregation (2020)
  • Author(s): Kotaro Tsuboyama, Tatsuya Osaki, Eriko Matsuura-Suzuki, Hiroko Kozuka-Hata, Yuki Okada, Masaaki Oyama, Yoshiho Ikeuchi, Shintaro Iwasaki, Yukihide Tomari
  • Journal Title: PLoS biology Volume: 18
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tumor-Derived cGAMP Regulates Activation of the Vasculature (2020)
  • Author(s): Campisi Marco, Sundararaman Shriram K.、Shelton Sarah E., Ryohei,Tani Tetsuo、Ivanova Elena, Osaki Tatsuya, Lee Sharon Wei Ling, Thai Tran, Han Saemi、Piel Brandon P., Gilhooley Sean, Paweletz Cloud P.,Chiono Valeria、Kamm Roger D., Kitajima Shunsuke、Barbie David A.
  • Journal Title: Frontiers in Immunology Volume: 11 Pages: 2090-2090
  • DOI: 10.3389/fimmu.2020.02090
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-Dimensional Motor Nerve Organoid Generation (2020)
  • Author(s): Osaki Tatsuya、Chow Siu Yu A.、Nakanishi Yui、Hernandez Joel、Kawada Jiro、Fujii Teruo、Ikeuchi Yoshiho
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 163 Issue: 163
  • DOI: 10.3791/61544
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 相互に接続された脳オルガノイドの複雑な神経活動と光刺激による短期記憶誘導 (2021)
  • Author(s): 大崎達哉、池内与志穂
  • Organizer: 日本神経化学会
• [Presentation] Advanced Complexity and Plasticity of Neural Activity in Reciprocally Connected Human Cerebral Organoids (2021)
  • Author(s): Tatsuya Osaki, Yoshiho Ikeuchi
  • Organizer: ISSCR 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microphysiological 3D neuromuscular model from iPS cell (2021)
  • Author(s): Tatsuya Osaki
  • Organizer: Dutch neuroscience meeting 2021
  • Int'l Joint Research / Invited