| Project/Area Number |
22H04973
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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Broad Section E
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| Research Institution | Institute of Science Tokyo |
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Principal Investigator |
沖野 晃俊 東京科学大学, 総合研究院, 准教授 (60262276)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
青井 貴之 神戸大学, 医学研究科, 教授 (00546997)
平田 岳史 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10251612)
松本 義久 東京科学大学, 総合研究院, 教授 (20302672)
島田 幹男 東京科学大学, 総合研究院, 助教 (20548557)
梅村 知也 東京薬科大学, 生命科学部, 教授 (10312901)
青木 元秀 東京薬科大学, 生命科学部, 助教 (30418917)
高松 利寛 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (10734949)
八井田 朱音 東京科学大学, 総合研究院, 特任助教 (50978608)
柳川 由紀 千葉大学, 大学院園芸学研究院, 特任研究員 (90432591)
壷井 基裕 関西学院大学, 生命環境学部, 教授 (60411774)
成川 知弘 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 総括研究主幹 (10265473)
千葉 光一 関西学院大学, 生命環境学部, 教授 (20281066)
岩井 貴弘 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 研究員 (90756694)
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| Project Period (FY) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥196,560,000 (Direct Cost: ¥151,200,000、Indirect Cost: ¥45,360,000)
Fiscal Year 2025: ¥22,750,000 (Direct Cost: ¥17,500,000、Indirect Cost: ¥5,250,000)
Fiscal Year 2024: ¥28,080,000 (Direct Cost: ¥21,600,000、Indirect Cost: ¥6,480,000)
Fiscal Year 2023: ¥48,490,000 (Direct Cost: ¥37,300,000、Indirect Cost: ¥11,190,000)
Fiscal Year 2022: ¥75,010,000 (Direct Cost: ¥57,700,000、Indirect Cost: ¥17,310,000)
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| Keywords | 単一細胞分析 / 大気圧プラズマ / 質量分析 / 発光分析 / メタロミクス / 一細胞分析 / プラズマ分光分析 / 元素分析 / サイトメトリー |
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| Outline of Research at the Start |
近年，単一細胞中のタンパク質やDNAなどの高分子の高感度分析技術は格段に進歩しているが，無機元素分析については未だ適切な分析装置が存在しないため，ほとんど研究が進んでいない。そこで本研究では，微小な液滴中に一つの細胞を封入して射出して高温プラズマ中に導入するなどの手法を用いて，特定の一つの細胞内の多量元素から1アトグラム以下の微量元素までを発光分光分析および質量分析を同時に適用して分析する，メタルサイトメーターを開発する。そして，単一細胞中の複数元素濃度分布情報等の測定を実現し，単一細胞のメタロミクス研究を開始してこれを牽引する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
高感度かつ高速な分析を実現するためにハロゲンヒーターを用いた赤外線ドロプレット脱溶媒装置を開発した。開発した脱溶媒装置では，赤外線をドロプレットの加熱方法として採用した。ドロプレット試料の輸送管には赤外線透過率が90%以上と高い石英ガラス管を用いた。加熱効率を向上させるために赤外線をドロプレットの飛行経路である石英ガラス管の中心軸上に集光した。キャリアガスの流量を増やすことで脱溶媒効果が向上することを明らかにした。
昨年度に開発した脱溶媒装置をセルソーターに接続し，脱溶媒の実験を行った。セルソーターによってドロプレットの飛行軌道を変えて選別する実験を行い，プログラムを変更する事で，目的細胞を含むドロプレットには電荷を与えず，つまり軌道を曲げずに飛行されることとした。
細胞の飛来に合わせてパルス的にプラズマを高出力化するための前実験として，石英管に銅電極を配置したプラズマジェットを作成し，印加する電圧を変調してプラズマを生成した。そして，生成したプラズマの発光強度を測定し，励起温度を求めた。励起温度は放電電圧に追従して上昇した。このことから，細胞の飛来に合わせて高出力化することで，イオン化が促進され，分析感度は向上すると考えられる。
単一細胞での細胞内微量元素分析が可能であることを実証し，その生物学的意義を探るため，多能性幹細胞からT細胞に至る種々の分化段階の細胞を得る分化誘導系を確立した。メタロミクスへの展開を念頭にプレリミナリーな実験として，この分化系のある段階で培地に亜鉛を添加したところ，興味深いことにT細胞受容体の発現がより高い亜集団が出現した。また，これまでに我々が樹立した複数の大腸がん患者由来オルガノイドについて，次世代シーケンサーによるドライバー変異の同定および遺伝子発現プロファイリングと，標準治療薬である代謝拮抗薬およびプラチナ製剤への感受性を明らかにした。
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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
初想定していたMatthauch-Herzog型質量分析装置が販売終了で入手できなかったため，飛行時間型質量分析装置が販売終了で入手できなかったため，飛行時間型質量分析装置を購入した。この選定に時間を要し，さらに装置がスイスから海上輸送されてきたため，質量分析装置の立ち上げには半年程度の遅れが生じた。しかし，同一の装置を研究分担者である平田岳史が保有していたため，装置の高感度化やレーザーアブレーションとの組み合わせた研究は，本研究で購入する装置の到着前から先行して実施できたため，サンプリングコーンの形状を変えることで分析感度が3倍以上向上する事を明らかにするなど，想定以上の研究成果を得ることができている。
iPS細胞などの研究は順調に進んでいる。これまでに，単一細胞での細胞内微量元素分析が可能であることを実証し，その生物学的意義を探るため，多能性幹細胞からT細胞に至る種々の分化段階の細胞を得る分化誘導系を確立している。また，複数の大腸癌患者由来オルガノイドについて，次世代シーケンサーによるドライバー変異の同定および遺伝子発現プロファイリングと，既存の標準治療薬である代謝拮抗薬およびプラチナ製剤への感受性を明らかにしている。また，ヒトiPS細胞と神経幹・前駆細胞への誘導系を分化による細胞応答変化のモデル実験系として確立しり，これまでDNA修復活性が高いとされてきたiPS細胞より分化後の神経幹・前駆細胞の方がDNA損傷部位への修復因子の集積が早いこと，DNA修復の速度が早いことなどを明らかにできている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに，細胞を含んだドロプレットを電界で選定して脱溶媒装置に導入する部分まで完成している。今後は，これをICP-TOFMSと接続して，細胞中の微量元素の分析を実施する。さらに，セルソーターを細胞の選定だけでなくプラズマへの細胞導入数の制御にも使用する事で，従来のドロプレットネブライザよりも高精度でかつ実用的な装置を構成する。得られた信号は，これまでに開発したICP-TOFMS用の信号処理プログラムNP Shooterを使用し，過渡的な信号から元素組成・同位体組成情報を引き出して，高速な単一細胞分析を実現する。
一つの細胞は二回測定できないため，多量元素から極微量元素までを一度に全て測定する必要がある。高濃度元素は細胞のプラズマへの導入直後にマルチチャンネル分光器で多元素の発光分光分析を行い，注目する元素についてはシングルチャンネル分光器で時間分解分光測定を行う。そして，飛行時間型質量分析装置に導入して質量分析を行う。
今後は，ヒトiPS細胞からT細胞を分化誘導後，T細胞サブセットの分類に用いられるマーカー分子を認識する抗体を磁気ビーズ(酸化鉄が主成分)で標識する。その磁気抗体で細胞を処理し，磁気抗体由来の既知濃度の鉄に対する細胞由来の内在性微量元素の分析を行う。
これまでの研究によって，複数の大腸がん患者由来オルガノイドについて，次世代シーケンサーによるドライバー変異の同定および遺伝子発現プロファイリングと，既存の標準治療薬である代謝拮抗薬およびプラチナ製剤への感受性を明らかにできている。今後は，これらの試料を用いて，単一細胞メタロミクス解析を行う。がん幹細胞マーカー分子に対する磁気抗体を利用してがん非幹細胞や正常細胞との比較を行い，がん幹細胞に特異的な微量元素を同定し，がん幹細胞標的治療薬の創出をめざす。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment Comments (Rating)
A-: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress in research has been made on the whole though a part of it has been delayed.
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