Establishment of imaging technique for spatiotemporal dynamics of hematopoietic stem cells in bone marrow

• Project/Area Number: 21H02957
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 54010:Hematology and medical oncology-related
• Research Institution: National Center for Global Health and Medicine
• Principal Investigator: 田久保 圭誉 国立研究開発法人国立国際医療研究センター, 研究所, 生体恒常性プロジェクト長 (50502788)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 造血幹細胞 / 幹細胞ニッチ / 骨髄 / in vivoイメージング / 細胞動態

Outline of Research at the Start

骨髄では造血幹細胞や前駆細胞がニッチ細胞に由来する種々のシグナルを受容して、必要に応じた細胞が供給される。骨髄内で造血幹細胞の運命決定が「いつ・どこで・どのように」なされるかの実際には不明な点が多い。本研究では技術基盤を整えつつ骨髄のin vivoイメージングを実施してこの命題に取り組み、ニッチ因子が造血幹細胞動態に及ぼす効果も明らかにしながら造血幹細胞の運命決定の実態を時空間的に解き明かす。

Outline of Annual Research Achievements

骨髄では造血幹細胞や前駆細胞が各種のニッチ細胞に由来する様々なシグナルを受容して、下流の多彩なシグナルを活性化し、増殖・分化プログラムが起動されることによって、体内の造血需要に応じて必要な細胞種が必要な数だけ供給される。これまで、ニッチ細胞の除去モデルや、ニッチ因子・受容体ノックアウトマウスの解析などから骨髄の造血幹細胞ニッチは概念的には存在が示唆されている。しかし、実際にニッチが骨髄内でどのように形成・分布しているかという命題は残されており、造血幹細胞と他の細胞の相互作用、運命決定の時空間的制御機構の実態、そしてこれらが状況に応じてどう変化して病態に寄与するかの情報が欠けていた。本研究では技術基盤を整えつつ骨髄のin vivoイメージングを実施してこの命題に取り組み、ニッチ因子が造血幹細胞動態に及ぼす効果も明らかにしながら造血幹細胞の運命決定の実態を時空間的に解き明かすことを企図した計画を実施している。第二年度は、骨髄における造血幹細胞とニッチの同時イメージング技術基盤を利活用することで、定常時の造血幹細胞の時空間動態の解析を実施した。多光子レーザー顕微鏡による生体骨髄の観察技術を用いて骨髄内各種のランドマークの可視化を実施し、さらには同時に造血幹細胞の時空間局在との同時可視化も行った。次いでこうした状況下における造血幹細胞の時空間動態を記録し、特徴や経時的変化の解析・同定を進めた。また、経頭蓋薬物送達法を併用することで、造血幹細胞の局在・動態に対するニッチ因子や関連分子の作用の検証を継続した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ほぼ計画通りの実験検討を実施することができている。

Strategy for Future Research Activity

今後もいくつかの技術的な困難が想定される計画内容があるが、トラブルシューティングを行い多面的に課題解決を図りながら計画を推進する。

Research Products

• [Journal Article] Potential Involvement of Oxidative Stress in Ligamentum Flavum Hypertrophy (2023)
  • Author(s): Ito K, Kise H, Suzuki S, Nagai S, Hachiya K, Takeda H, Kawabata S, Ikeda D, Takubo K, Kaneko S, Fujita N.
  • Journal Title: J Clin Med Volume: 12 Issue: 3 Pages: 808-808
  • DOI: 10.3390/jcm12030808
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Analysis of Sympathetic and Nociceptive Innervation Across Bone Marrow Regions in Mice (2022)
  • Author(s): Fujita Shinya、Morikawa Takayuki、Tamaki Shinpei、Sezaki Maiko、Takizawa Hitoshi、Okamoto Shinichiro、Kataoka Keisuke、Takubo Keiyo
  • Journal Title: Experimental Hematology Volume: 112-113 Pages: 44-59
  • DOI: 10.1016/j.exphem.2022.07.297
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Approaches towards Elucidating the Metabolic Program of Hematopoietic Stem/Progenitor Cells (2022)
  • Author(s): Kobayashi Hiroshi、Watanuki Shintaro、Takubo Keiyo
  • Journal Title: Cells Volume: 11 Issue: 20 Pages: 3189-3189
  • DOI: 10.3390/cells11203189
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RNaseH2A downregulation drives inflammatory gene expression via genomic DNA fragmentation in senescent and cancer cells (2022)
  • Author(s): Sugawara S, Okada R, Loo TM, Tanaka H, Miyata K, Chiba M, Kawasaki H, Katoh K, Kaji S, Maezawa Y, Yokote K, Nakayama M, Oshima M, Nagao K, Obuse C, Nagayama S, Takubo K, Nakanishi A, Kanemaki MT, Hara E, Takahashi A.
  • Journal Title: Commun Biol Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1420-1420
  • DOI: 10.1038/s42003-022-04369-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A culture platform to study quiescent hematopoietic stem cells following genome editing (2022)
  • Author(s): Shiroshita Kohei、Kobayashi Hiroshi、Watanuki Shintaro、Karigane Daiki、Sorimachi Yuriko、Fujita Shinya、Tamaki Shinpei、Haraguchi Miho、Itokawa Naoki、Aoyama Kazumasa、Koide Shuhei、Masamoto Yosuke、Kobayashi Kenta、Nakamura-Ishizu Ayako、Kurokawa Mineo、Iwama Atsushi、Okamoto Shinichiro、Kataoka Keisuke、Takubo Keiyo
  • Journal Title: Cell Reports Methods Volume: 2 Issue: 12 Pages: 100354-100354
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2022.100354
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mitf is required for T cell maturation by regulating dendritic cell homing to the thymus (2022)
  • Author(s): Karigane D, Haraguchi M, Toyama-Sorimachi N, Nishimura EK,?Takubo K.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun Volume: 5966 Pages: 29035-29035
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.01.091
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of genetically modified mice for phosphoglycerate mutase, a vitally-essential enzyme in glycolysis (2021)
  • Author(s): Mikawa T, Shibata E, Shimada M, Ito K, Ito T, Kanda H, Takubo K, Shimada A, Lleonart ME, Inagaki N, Yokode M, Kondoh H
  • Journal Title: PLoS One Volume: 16 Issue: 4 Pages: e0250856-e0250856
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0250856
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Culture Method to Maintain Quiescent Human Hematopoietic Stem Cells (2021)
  • Author(s): Kobayashi H,?Takubo K.
  • Journal Title: J Vis Exp Volume: 17 Issue: 171 Pages: 171-171
  • DOI: 10.3791/61938
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Obesity accelerates hair thinning by stem cell-centric converging mechanisms (2021)
  • Author(s): Morinaga H, Mohri Y, Grachtchouk M, Asakawa K, Matsumura H, Oshima M, Takayama N, Kato T, Nishimori Y, Sorimachi Y,?Takubo K, Suganami T, Iwama A, Iwakura Y, Dlugosz AA, Nishimura EK.
  • Journal Title: Nature Volume: 595 Issue: 7866 Pages: 266-271
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03624-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SLC15A4 mediates M1-prone metabolic shifts in macrophages and guards immune cells from metabolic stress (2021)
  • Author(s): Kobayashi T, Nguyen-Tien D, Sorimachi Y, Sugiura Y, Suzuki T, Karyu H, Shimabukuro-Demoto S, Uemura T, Okamura T, Taguchi T, Ueki K, Kato N, Goda N, Dohmae N,?Takubo K, Suematsu M, Toyama-Sorimachi N.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A Volume: 118 Issue: 33 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1073/pnas.2100295118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経シグナルによる造血幹・前駆細胞のホーミング制御 (2023)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: 第22回日本再生医療学会総会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞の代謝プログラムを明らかにする試み (2022)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: iSeminar
  • Invited
• [Presentation] Hematopoietic stem cells acquire robust mitochondrial metabolic plasticity by increasing Sdhaf1 protein levels during aging (2022)
  • Author(s): Shintaro Watanuki, Hiroshi Kobayashi, Keiyo Takubo
  • Organizer: Hemato-Retreat2022
• [Presentation] Mesenchymal loss of p53 alters stem cell capacity and models human fibrosarcoma (2022)
  • Author(s): Yuriko Sorimachi, Hiroshi Kobayashi, Nobuhito Goda, Keiyo Takubo
  • Organizer: Hemato-Retreat2022
• [Presentation] 造血幹細胞の遺伝子編集前培養はRNPの核内輸送を増強する (2022)
  • Author(s): 城下 郊平、小林 央、田久保 圭誉
  • Organizer: 第7回ゲノム編集学会
• [Presentation] Hematopoietic stem cells acquire robust mitochondrial metabolic plasticity by increasing Sdhaf1 protein levels during aging (2022)
  • Author(s): Shintaro Watanuki, Hiroshi Kobayashi, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第19回幹細胞シンポジウム
• [Presentation] Mesenchymal loss of p53 alters stem cell capacity and models human fibrosarcoma (2022)
  • Author(s): Yuriko Sorimachi, Hiroshi Kobayashi, Nobuhito Goda, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第19回幹細胞シンポジウム
• [Presentation] 造血幹細胞のATP濃度制御とエイジング (2022)
  • Author(s): 田久保 圭誉
  • Organizer: 第8回がんと代謝研究会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞のPFKFB3依存的解糖系流量調節 (2022)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、田久保圭誉
  • Organizer: 第8回がんと代謝研究会
• [Presentation] PFKFB3はストレス毎に異なる修飾を介して造血幹細胞機能を維持する (2022)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、田久保圭誉
  • Organizer: 低酸素研究会2022
• [Presentation] Real-time ATP analysis reveals stress-dependent Pfkfb3 modification and its effect on hematopoiesis (2022)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、杉浦悠毅、山本正道、城下郊平、反町優理子、小出周平、大島基彦、西山晃、村上紘一、原口美帆、玉置新平、山本雄広、岡本真一郎、田村智彦、末松誠、岩間厚志、田久保圭誉
  • Organizer: 第84回日本血液学会学術集会
• [Presentation] Nociceptive nerves facilitate hematopoietic cell homing to bone marrow by tuning microcirculation (2022)
  • Author(s): Shinya Fujita, Takayuki Morikawa, Keisuke Kataoka, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第84回日本血液学会学術集会
• [Presentation] Optimized culture condition that improves post-editing function of hematopoietic stem cells (2022)
  • Author(s): Kohei Shiroshita, Hiroshi Kobayashi, Keisuke Kataoka, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第84回日本血液学会学術集会
• [Presentation] An optimized culture condition for hematopoietic stem cells that improves the gene editing efficiency and post-editing function (2022)
  • Author(s): Kohei Shiroshita, Hiroshi Kobayashi, Daiki Karigane, Keiyo Takubo
  • Organizer: ISEH2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 骨髄内環境を再現した造血幹細胞培養とその応用 (2022)
  • Author(s): 小林央、田久保圭誉
  • Organizer: 第21回日本再生医療学会総会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞に最適化した遺伝子編集法の確立とそれに基づく代謝特性解析 (2021)
  • Author(s): 城下 郊平、小林 央、田久保 圭誉
  • Organizer: 第6回ゲノム編集学会
• [Presentation] Environmental optimization to maintain the function of hematopoietic stem cells after genome editing (2021)
  • Author(s): Kohei Shiroshita, Hiroshi Kobayashi, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第18回幹細胞シンポジウム
• [Presentation] Non-neuronal acetylcholine in the bone marrow regulates B cell differentiation (2021)
  • Author(s): Shinya Fujita, Takayuki Morikawa, Yuki Sugiura, Hishiki Takako, Maiko Sezaki, Hitoshi Takizawa, Keisuke Kataoka, Makoto Suematsu, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第18回幹細胞シンポジウム
• [Presentation] Nitric oxide-dependent vasodilation maintains physiological hypoxia and local crawling of hematopoietic stem cell in bone marrow (2021)
  • Author(s): Takayuki Morikawa, Shinya Fujita, Toshitada Yoshihara, Seiji Tobita, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第18回幹細胞シンポジウム
• [Presentation] Nitric oxide-dependent vasodilation maintains the physiological oxygen levels in bone marrow and allows local crawling of hematopoietic stem cells (2021)
  • Author(s): Takayuki Morikawa, Keiyo Takubo
  • Organizer: ISEH2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 培養環境の最適化による造血幹細胞の体外での静止期維持 (2021)
  • Author(s): 小林央、森川隆之、沖長あゆみ、浜野文三江、橋立智美、綿貫慎太郎、菱川大介、進藤英雄、新井文用、加部泰明、末松誠、清水孝雄、田久保圭誉
  • Organizer: 第16回麒麟塾
• [Presentation] 加齢造血変化をもたらす造血幹細胞の代謝リプログラミング (2021)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: 第63回日本老年医学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Non-neuronal acetylcholine in bone marrow derives from hematopoietic cells and regulates B cell dynamics (2021)
  • Author(s): Shinya Fujita, Takayuki Morikawa, Yuki Sugiura, Hishiki Takako, Maiko Sezaki, Hitoshi Takizawa, Keisuke Kataoka, Makoto Suematsu, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第83回日本血液学会学術集会
• [Presentation] 造血幹細胞機能と特性維持に最適化した新規遺伝子編集法 (2021)
  • Author(s): Kohei Shiroshita, Hiroshi Kobayashi, Keisuke Kataoka, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第83回日本血液学会学術集会
• [Presentation] Real-Time ATP Analysis Reveals Thymidine Requirement of Quiescent Hematopoietic Stem Cells (2021)
  • Author(s): Shintaro Watanuki, Hiroshi Kobayashi, Masamichi Yamamoto, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第83回日本血液学会学術集会
• [Presentation] Single-cell, real-time analysis of hematopoietic stem cell metabolism during aging (2021)
  • Author(s): Keiyo Takubo
  • Organizer: 第83回日本血液学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞の解糖系代謝可塑性と造血制御 (2021)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、田久保圭誉
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 骨髄の生理的低酸素環境の形成機構と造血幹細胞制御 (2021)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: 第94回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 単一細胞リアルタイム代謝解析に基づく加齢造血幹細胞の代謝変化の解析 (2021)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: CCVAA2021
  • Invited
• [Remarks] 国立国際医療研究センター研究所生体恒常性プロジェクト公式ウェブサイト
  • URL: https://takubolab.com/