オプトジェネティクスと工学技術の融合による視覚野刺激型視覚再建デバイスの開発

• Project/Area Number: 22H00579
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 富田 浩史 岩手大学, 理工学部, 教授 (40302088)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 徹 東北大学, 医工学研究科, 教授 (40417382) ; 菅野 江里子 岩手大学, 理工学部, 准教授 (70375210) ; 田端 希多子 岩手大学, 理工学部, 特任准教授 (80714576)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,990,000 (Direct Cost: ¥32,300,000、Indirect Cost: ¥9,690,000); Fiscal Year 2024: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2023: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2022: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
• Keywords: オプトジェネティクス / 網膜色素変性症 / 視覚野 / 人工視覚 / 遺伝子治療 / 光遺伝学 / 網膜

Outline of Research at the Start

失明者の視覚を再建する手法として、機器によって光受容を代用する人工網膜、遺伝子導入によって網膜の神経細胞に光受容能を付与する遺伝子治療やiPS細胞から光受容能を持つ視細胞を作り出し移植する細胞治療が研究されている。しかしながら、これらの視覚再建法は、いずれも網膜の光受容細胞である視細胞が変性し失明に至った場合の治療技術であり、緑内障のような眼から脳への情報伝達を担う神経節細胞が障害される失明に対しては適応外である。本研究では、遺伝子導入により脳視覚野に光感受性を付与し、視覚野を直接映像で刺激する、オプトジェネティクス技術と工学技術を融合した、視覚野刺激型の視覚再建技術を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

我々が開発したComV1遺伝子は、室内光にも応答可能な高感度型であるばかりでなく、反応速度にも優れることから、網膜への遺伝子導入によって高度な視覚を再建できると思われる。現在、網膜への遺伝子導入による視覚再生法は安全性試験を進める段階にあり、安全性が確認されれば治験へと進めることができる。しかしながら、網膜への遺伝治療では標的細胞である神経節細胞が残存していることが重要で、神経節細胞が障害される緑内障などによる失明原因に対して利用できない。そこで、本研究では、視覚野に直接遺伝子導入を行い、視覚野で光を感じることができるかを検証している。昨年度までの研究で、視覚野への効率的な遺伝子導入法（平面的に導入）を開発し、ComV1遺伝子を視覚野に導入することで、シャトルアボイダンスを用いた行動学的評価において、光反応性が回復することが実証された。しかしながら、視細胞の変性により失明に至った動物であっても、日内変動をつかさどる光受容タンパク質のメラノプシンが神経節細胞に存在するため、この働きによって補完された可能性も考えらえる。そこで、本年度は、視覚野の神経活動を可視化することを試みた。正常な視覚を有するラットを用い、神経活動が誘起されると血流が増加することを指標としたIntrisic optical signal imaging(IOS)を実施した。正常ラットの眼前のディスプレイを12分割し、各領域に縞模様を投影し視覚野の活動を記録した。その結果、投影場所に依存した視覚野の部位特異的変化が観察され、未標識で視覚野の活動を記録することに成功した。日内変動を司るメラノプシン陽性神経節細胞は上丘に投射していることから、IOSイメージング法を用いることにより遺伝子導入された視覚野の神経細胞の光に対する応答を記録することができると考えられる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

視覚野に直接、高感度型チャネルロドプシンを導入することにより、光反応性を回復させることに成功した。また、視覚野の活動を直接モニタリングするために、IOSイメージング法を取り入れ、正常な視覚を持つラットで安定的に視覚野の活動を記録することが可能となった。

Strategy for Future Research Activity

視覚野への遺伝子導入で視覚野の神経細胞が直接光に応答することをIOSイメージングにより実証し、より詳細な視機能を評価するために、視覚野に映像を提示するための有機ELディスプレイの開発を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Role of calpain-5 in cerebral ischemia and reperfusion injury (2024)
  • Author(s): Chukai Yusaku、Ito Ginga、Miki Yasuo、Wakabayashi Koichi、Itoh Ken、Sugano Eriko、Tomita Hiroshi、Fukuda Tomokazu、Ozaki Taku
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects Volume: 1868 Issue: 1 Pages: 130506-130506
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2023.130506
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Establishment of immortalized Egyptian Rousettus bat cell lines (2024)
  • Author(s): Bai Lanlan、Tani Tetsuya、Kobayashi Takeshi、Nouda Ryotaro、Kanai Yuta、Sano Yusuke、Takami Kazutoshi、Tomita Hiroshi、Sugano Eriko、Ozaki Taku、Kiyono Tohru、Fukuda Tomokazu
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: - Issue: 4 Pages: 598-612
  • DOI: 10.1002/2211-5463.13781
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characterization of Common Minke Whale (<i>Balaenoptera Acutorostrata</i>) Cell Lines Immortalized with the Expression of Cell Cycle Regulators (2023)
  • Author(s): Sekine Aya、Yasunaga Genta、Kumamoto Soichiro、Fujibayashi So、Munirah Izzah、Bai Lanlan、Tani Tetsuya、Sugano Eriko、Tomita Hiroshi、Ozaki Taku、Kiyono Tohru、Inoue‐Murayama Miho、Fukuda Tomokazu
  • Journal Title: Advanced Biology Volume: 8 Issue: 3 Pages: 00-00
  • DOI: 10.1002/adbi.202300227
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evaluation of Local Retinal Function in Light-Damaged Rats Using Multifocal Electroretinograms and Multifocal Visual Evoked Potentials (2023)
  • Author(s): Takita Yuya、Sugano Eriko、Kitabayashi Kazuya、Tabata Kitako、Saito Akito、Yokoyama Takanori、Onoguchi Reina、Fukuda Tomokazu、Ozaki Taku、Bai Lanlan、Tomita Hiroshi
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 24 Issue: 22 Pages: 16433-16433
  • DOI: 10.3390/ijms242216433
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Properties of a Single Amino Acid Residue in the Third Transmembrane Domain Determine the Kinetics of Ambient Light-Sensitive Channelrhodopsin (2023)
  • Author(s): Hatakeyama Akito、Sugano Eriko、Sayama Tatsuki、Watanabe Yoshito、Suzuki Tomoya、Tabata Kitako、Endo Yuka、Sakajiri Tetsuya、Fukuda Tomokazu、Ozaki Taku、Tomita Hiroshi
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 24 Issue: 5 Pages: 5054-5054
  • DOI: 10.3390/ijms24055054
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comprehensive transcriptome data to identify downstream genes of testosterone signalling in dermal papilla cells. (2022)
  • Author(s): Matsusaka H, Wu T, Furuya K, Yamada-Kato T, Bai L, Tomita H, Sugano E, Ozaki T, Kiyono T, Okunishi I, Fukuda T.
  • Journal Title: Sci Data. Volume: 9(1) Issue: 1 Pages: 731-731
  • DOI: 10.1038/s41597-022-01846-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SIG-1451, a Novel, Non-Steroidal Anti-Inflammatory Compound, Attenuates Light-Induced Photoreceptor Degeneration by Affecting the Inflammatory Process (2022)
  • Author(s): Kikuchi Yuki、Sugano Eriko、Yuki Shiori、Tabata Kitako、Endo Yuka、Takita Yuya、Onoguchi Reina、Ozaki Taku、Fukuda Tomokazu、Takai Yoshihiro、Kurose Takahiro、Tanaka Koichi、Honma Yoichi、Perez Eduardo、Stock Maxwell、Fernandez Jose R.、Tamura Masanori、Voronkov Michael、Stock Jeffry B.、Tomita Hiroshi
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 23 Issue: 15 Pages: 8802-8802
  • DOI: 10.3390/ijms23158802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lentiviral expression of calpain-1 C2-like domain peptide prevents glutamate-induced cell death in mouse hippocampal neuronal HT22 cells (2022)
  • Author(s): Oikawa Takenori、Fukuda Tomokazu、Yamashita Tetsuro、Tomita Hiroshi、Ozaki Taku
  • Journal Title: In Vitro Cellular & Developmental Biology - Animal Volume: 58 Issue: 4 Pages: 289-294
  • DOI: 10.1007/s11626-022-00683-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transcriptome analysis to identify the downstream genes of androgen receptor in dermal papilla cells. (2021)
  • Author(s): Furuya K, Fujibayashi S, Wu T, Takahashi K, Takase S, Orimoto A, Sugano E, Tomita H, Kashiwagi S, Kiyono T, Ishii T, Fukuda T.
  • Journal Title: BMC Genom Data. Volume: 23(1) Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1186/s12863-021-01018-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規アニオンチャネルロドプシンによる視細胞変性保護および視機能の評価 (2023)
  • Author(s): 髙橋 紗良 , 菅野 江里子, 田端 希多子, 木村 悠, 佐山 達紀, 小野口 怜奈, 佐藤 美穂, 冨田 浩史
  • Organizer: 日本光医学・光生物学会
• [Presentation] 内因性光信号を用いた視覚再建ラットの視覚野イメージング (2023)
  • Author(s): 丸岡 史侑, 菅野 江里子, 田端 希多子, 外川 龍之介, 片山 統裕, 冨田 浩史
  • Organizer: 日本光医学・光生物学会
• [Presentation] 「光を使った眼科・皮膚科領域における診断・治療の最先端」 オプトジェネティクス技術を用いた網膜変性保護と視覚再生技術 (2023)
  • Author(s): 冨田浩史、菅野江里子
  • Organizer: 日本光医学・光生物学会
  • Invited
• [Presentation] ヒツジ筋肉由来線維芽細胞の無限分裂および生物学的特徴の解明 (2023)
  • Author(s): 福田智一、菊地乃愛、松坂ひまり、白蘭蘭、佐野宏明、永塚貴弘、仲川清隆、菅野江里子、尾﨑拓、冨田浩史、清野透
  • Organizer: 日本畜産学会
• [Presentation] 多局所網膜電図及び他局所□誘発電位を用いた光障害モデルラットの評価 (2023)
  • Author(s): 滝田祐也、菅野江里子、北林和也、斎藤瑛斗、横山貴記、小野口伶奈、田端希多子、佐藤美穂、冨田浩史
  • Organizer: 日本眼薬理学会
• [Presentation] 分子動力学シュミレーションに基づくアミノ酸間相互作用解析と高機能チャネルロドプシンの開発 (2023)
  • Author(s): 横山貴記、菅野江里子、佐山達紀、畠山暁斗、斎藤瑛斗、田端希多子、坂尻徹也、冨田浩史
  • Organizer: 日本眼薬理学会
• [Presentation] オプトジェネティクス遺伝子の開発と網膜疾患への応用 (2023)
  • Author(s): 菅野江里子、畠山暁斗、田端希多子、佐山達樹、小野口玲奈、遠藤由佳、木村悠、冨田浩史
  • Organizer: 第43回レーザー学会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Excessive synaptic turnover and inter-synapse interactions are modified by oxytocin in the dorsomedial prefrontal cortex in an autism model marmoset (2023)
  • Author(s): Jun Noguchi1, Satoshi Watanabe, Risa Isoda, Keiko Nakagaki, Kazuhisa Sakai, Eriko Sugano, Hiroshi Tomita, Akiya Watakabe, Tetsuo Yamamori, Hiroaki Mizukami, Noritaka Ichinohe
  • Organizer: 第12回日本マーモセット研究会大会
• [Presentation] シンポジウム1「オプトジェネティクス遺伝子を利用した視覚再建のための遺伝子治療」 (2022)
  • Author(s): 冨田浩史
  • Organizer: 第28回日本遺伝子細胞治療学会
  • Invited
• [Presentation] シンポジウム1 視覚再生/オプトジェネティクスと創薬「オプトジェネティクスを用いた新たな網膜機能の付与」 (2022)
  • Author(s): 菅野江里子, 畠山暁斗，田端希多子, 佐山達紀，小野口玲奈, 遠藤 由佳, 木村悠, 冨田浩史
  • Organizer: 第42回日本眼薬理学会
  • Invited
• [Presentation] オプトジェネティクス技術を利用した網膜再生と保護 (2022)
  • Author(s): 冨田浩史、菅野江里子
  • Organizer: レドックスR&D戦略委員会夏のシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Immortalized Sheep muscle derived cells with the expression of CDK4, cyclin D1, and telomerase reverse transcriptase (2022)
  • Author(s): Noe Kikuchi, Lanlan Bai, Hiroaki Sano, Takahiro Eitsuka, Kiyotaka Nakagawa, Hitoshi Tomita, Eriko Sugano, Tohru Kiyono, Tomokazu Fukuda
  • Organizer: 第130回日本畜産学会総会
• [Presentation] 硝子体内投与で用いるAAV基材の検討 (2022)
  • Author(s): 小野口玲奈、菅野江里子、佐渡愛、新林史悠、田端希多子、冨田浩史
  • Organizer: 第42回日本眼薬理学会
• [Presentation] アニオンチャネルロドプシンを用いた視細胞保護の可能性 (2022)
  • Author(s): 木村悠、菅野江里子、岩間優記、田端希多子、冨田浩史
  • Organizer: 第42回日本眼薬理学会
• [Presentation] ダイレクトリプログラミング法による網膜muller細胞から視細胞への分化誘導条件の検討 (2022)
  • Author(s): 遠藤由佳、菅野江里子、福田智一、世古裕子、田端希多子、冨田浩史
  • Organizer: 第42回日本眼薬理学会
• [Presentation] アカカンガルー由来の無限分裂細胞の作製の試み (2022)
  • Author(s): 佐々木優実, 西浦颯, 永塚貴弘, Tao Wu, 仲川清隆, 白蘭蘭, 菅野江里子, 冨田浩史, 清野透, 落合謙爾, 福田智一
  • Organizer: 第28回日本野生動物医学会
• [Remarks] 岩手大学 視覚神経科学研究室
  • URL: http://web.cc.iwate-u.ac.jp/~htomita/vis-neurosci/
• [Remarks] 岩手大学 教員一覧
  • URL: https://www.se.iwate-u.ac.jp/teacher/tomita-hiroshi/
• [Remarks] 視覚神経科学研究室
  • URL: http://web.cc.iwate-u.ac.jp/~htomita/vis-neurosci/
• [Remarks] New Vision
  • URL: https://www.newvision-prj.com/