Development of organelle metabolome measurement technology

• Project/Area Number: 22K18924
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 和泉 自泰 九州大学, 生体防御医学研究所, 准教授 (70622166)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: オルガネラメタボロミクス / メタボローム解析 / 細胞内小器官 / ノンターゲットメタボロミクス / 代謝物局在 / プロテオーム解析

Outline of Research at the Start

真核細胞における細胞内シグナル伝達は，タンパク質や代謝物などの様々な分子が細胞内の細胞小器官 (オルガネラ) 間を移動しながら複雑かつ精巧に相互作用されることにより制御されている．そのため，細胞機能を真に理解するためには，シグナル分子の同定およびそれらの分子群の時期特異的な局在場所を明らかにすることが重要である．本研究では，これまで独自に開発してきた 「1細胞ピッキング技術」，および 「メタボローム (代謝物総体) 解析法」 を発展させ，細胞内の代謝物局在情報を時期特異的に取得可能な 「オルガネラメタボローム計測技術」 の開発に挑戦する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、細胞内の代謝物局在情報を時期特異的に取得可能な「オルガネラメタボローム計測技術」を開発する。本年度は、「I. オルガネラメタボローム計測技術の開発」を中心に行った。「① 1細胞ピッキング技術の開発」では、制御ソフトウェアおよびアクチュエータ (5軸) の高性能化に取り組むことで100個の細胞を連続的に回収できる装置の改変に成功した。「② 細胞小器官の単離・精製技術の開発」では、核とミトコンドリアを迅速に単離・濃縮可能なマイクロ流路チップの作製に取り組んだ。流路のデザイン（流路幅、長さなど）を変更したマイクロ流路チップを2度試作することで、顕微鏡下で核およびミトコンドリアがある程度の精度で単離できていることを確認した。現在、取得した核およびミトコンドリア画分のプロテオーム解析を行い、マーカータンパク質を指標に単離・精製の精度を確認しているところである。「③ 新規の高感度・超網羅的メタボロ―ム測定技術の開発」では、世界最高の親水性代謝物の網羅性を有するメタボローム分析法「親水性相互作用/陰イオン交換クロマトグラフィータンデム質量分析法 (uified-HILIC/AEX/MS)」（今年度論文受理）の潜在特性を拡張し、親水性から疎水性の超網羅的な代謝物分析系へと発展できるかについて検討した。包括的脂質分析を達成するために、脂質の部分的な極性構造を利用し、従来のunified-HILIC/AEXの初期移動相の有機溶媒比率を高めることで，分析前半のHILICモードにおける分離・溶出が可能となった。これにより、unified-HILIC/AEX/MSは、ワンショットで低極性から高極性までの幅広い脂質・代謝物の分析を達成した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究課題①「1細胞ピッキング技術の開発」においては、従来の我々の1細胞ピッキング技術の高性能化（速度および精度）を達成することで、顕微鏡下で注目すべき細胞種を迅速に回収できる装置へと発展させた。課題②「細胞小器官の単離・精製技術の開発」においては、2回のマイクロ流路チップの試作を行うことで、核およびミトコンドリアがマイクロチップ流路内である程度分離・単離されている様子を顕微鏡下で確認した。課題③の「新規の高感度・超網羅的メタボロ―ム測定技術の開発」では、我々が開発した親水性代謝物の網羅的分析法である unified-HILIC/AEX/MSを発展させ、脂質から親水性代謝物，すなわち真の意味でのメタボロームを1度で計測できる画期的な高感度分離・分析法の提案に成功した。現在、包括的な脂質・極性代謝物分析に資する試料調製法についても検討を開始しており、「オルガネラメタボローム計測技術」の基盤技術が整いつつある。
以上の結果から、現時点では、「おおむね順調に進展している」といえる。

Strategy for Future Research Activity

研究課題②「細胞小器官の単離・精製技術の開発」においては、細胞の破砕方法を詳細に検討する。具体的には、電気的・化学的・物理的な手法をいくつか検討し、細胞内のATP濃度を指標に迅速かつインタクトなオルガネラの単離・精製法を確立する。次に、現時点で作製したマイクロ流路チップ（プロトタイプ）を用いて、回収した核・ミトコンドリア画分からのプロテオーム解析およびメタボローム解析を実施するとともに、従来の細胞小器官の膜の強度（界面活性剤の強度）と細胞小器官の大きさ（密度）の差を利用した遠心分離法と比較することで、両技術の性能と優位性を多角的に検証する。
課題③の「新規の高感度・超網羅的メタボロ―ム測定技術の開発」では、今年度開発に成功した迅速かつ超網羅的なメタボローム計測を可能にするunified-HILIC/AEX/MS（ver. 2）の高感度化を検証する。具体的には、カラム内径のダウンサイジング、つまり、当該充填剤を内径100μmのフューズドシリカキャピラリーに充填したnano-LCカラムを自作し、従来の内径2.1 mmのセミミクロカラムシステムと比べて10倍の感度向上を目指す。また、包括的な脂質・極性代謝物分析に資する試料調製法についても最適化を行う。

Research Products

• [Journal Article] Mycobacterial mycolic acids trigger inhibitory receptor Clec12A to suppress host immune responses. (2023)
  • Author(s): Nishimura N#, Tomiyasu N#, Torigoe S, Mizuno S, Fukano H, Ishikawa E, Katano H, Hoshino Y, Matsuo K, Takahashi M, Izumi Y*, Bamba T, Akashi K, Yamasaki S*.
  • Journal Title: Tuberculosis Volume: 138 Pages: 102294-102294
  • DOI: 10.1016/j.tube.2022.102294
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] First proof-of-concept of UC/HILIC for extending the versatility of the current art of supercritical fluid separation. (2023)
  • Author(s): Si-Hung L, Izumi Y, Bamba T*.
  • Journal Title: Analytica Chimica Acta Volume: 1240 Pages: 340741-340741
  • DOI: 10.1016/j.aca.2022.340741
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct activation of microglia by β-glucosylceramide causes phagoptosis of neurons that exacerbates Gaucher disease. (2023)
  • Author(s): Shimizu T, Schutt C R, Izumi Y, Tomiyasu N, Omahdi Z, Kano K, Takamatsu H, Aoki J, Bamba T, Kumanogoh A, Takao M, Yamasaki S*.
  • Journal Title: Immunity Volume: 56 Issue: 2 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1016/j.immuni.2023.01.008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TFEB-mediated lysosomal exocytosis alleviates high fat diet?induced lipotoxicity in the kidney. (2023)
  • Author(s): Nakmura J, Yamamoto T*, Takabatake Y, Namba-Hamano T, Minami S, Takahashi A, Matsuda J, Sakai S, Yonishi H, Maeda S, Matsui S, Matsui I, Hamano T, Takahashi M, Goto M, Izumi Y, Bamba T, Sasai M, Yamamoto M, Matsusaka T, Niimura F, Yanagita M, Nakamura S, Yoshimori T, Ballabio A, Isaka Y.
  • Journal Title: JCI Insight Volume: 8(4) Issue: 4
  • DOI: 10.1172/jci.insight.162498
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Understanding the mechanism of CO2-assisted electrospray ionization for parameter optimization in supercritical fluid chromatography mass spectrometry. (2023)
  • Author(s): Fujitoa Y, Izumi Y, Nakatani K, Takahashi M, Hayakawa Y, Takayama M, Bamba T*.
  • Journal Title: Analytica Chimica Acta Volume: 1246 Pages: 340863-340863
  • DOI: 10.1016/j.aca.2023.340863
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural analysis of intracellular lipid radicals by LC/MS/MS using a BODIPY-based profluorescent nitroxide probe. (2023)
  • Author(s): Udo T, Matsuoka Y, Takahashi M, Izumi Y, Saito K, Tazoe K, Tanaka M, Naka H, Bamba T, Yamada KI*.
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 95(10) Issue: 10 Pages: 4585-4591
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.2c04950
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cholesterol sulfate limits neutrophil recruitment and gut inflammation during mucosal injury. (2023)
  • Author(s): Morino K#, Kunimura K#*, Sugiura Y, Izumi Y, Matsubara K, Akiyoshi S, Maeda R, Hirotani K, Sakata D, Mizuno S, Takahashi S, Bamba T, Uruno T, Fukui Y*.
  • Journal Title: Frontiers in Immunology Volume: 14 Pages: 1131146-1131146
  • DOI: 10.3389/fimmu.2023.1131146
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pharmacological intervention of cholesterol sulfate-mediated T cell exclusion promotes antitumor immunity. (2022)
  • Author(s): Tatsuguchi T#, Uruno T#*, Sugiura Y, Oisaki K, Takaya D, Sakata D, Izumi Y, Togo T, Hattori Y, Kunimura K, Sakurai T, Honma T, Bamba T, Nakamura M, Kanai M, Suematsu M, Fukui Y*.
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 609 Pages: 183-188
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.04.035
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Remote solid cancers rewire hepatic nitrogen metabolism via host nicotinamide-N-methyltransferase (2022)
  • Author(s): Mizuno Rin、Hojo Hiroaki、Takahashi Masatomo、Kashio Soshiro、Enya Sora、Nakao Motonao、Konishi Riyo、Yoda Mayuko、Harata Ayano、Hamanishi Junzo、Kawamoto Hiroshi、Mandai Masaki、Suzuki Yutaka、Miura Masayuki、Bamba Takeshi、Izumi Yoshihiro、Kawaoka Shinpei
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 3346-3346
  • DOI: 10.1038/s41467-022-30926-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultrafast simultaneous chiral analysis of native amino acid enantiomers using supercritical fluid chromatography/tandem mass spectrometry. (2022)
  • Author(s): Konya Y, Izumi Y, Hamase K, Bamba T*.
  • Journal Title: Journal of Chromatography A Volume: 1677 Pages: 463305-463305
  • DOI: 10.1016/j.chroma.2022.463305
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Delivery of ceramide phosphoethanolamine lipids to the cleavage furrow through the endocytic pathway is essential for male meiotic cytokinesis. (2022)
  • Author(s): Kunduri G*, Si-Hung L, Valentina B, Vijaykrishna N, Harned A, Nagashima K, Blankenberg D, Izumi Y, Narayan K, Bamba T, Acharya U*, Acharya J K*.
  • Journal Title: PLOS Biology Volume: 20(9) Issue: 9 Pages: e3001599-e3001599
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3001599
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In-needle pre-column derivatization for amino acid quantification (iPDAQ) using HPLC. (2022)
  • Author(s): Soma Y#, Izumi Y#, Shimohira T, Takahashi M, Imado Y, Tominaga S, Tokito K, Hata K, Shinadama S, Oshiro M, Hayakawa Y, Bamba T*.
  • Journal Title: Metabolites Volume: 12(9) Issue: 9 Pages: 807-807
  • DOI: 10.3390/metabo12090807
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Symbiotic bacteria-dependent expansion of MR1-reactive T cells causes autoimmunity in the absence of Bcl11b (2022)
  • Author(s): Shibata Kensuke、Motozono Chihiro、Nagae Masamichi、Shimizu Takashi、Ishikawa Eri、Motooka Daisuke、Okuzaki Daisuke、Izumi Yoshihiro、Takahashi Masatomo、Fujimori Nao、Wing James B.、Hayano Takahide、Asai Yoshiyuki、Bamba Takeshi、Ogawa Yoshihiro、Furutani-Seiki Makoto、Shirai Mutsunori、Yamasaki Sho
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 6948-6948
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34802-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] PDZD8-deficient mice accumulate cholesteryl esters in the brain as a result of impaired lipophagy. (2022)
  • Author(s): Morita K#, Wada M#, Nakatani K, Matsumoto Y, Hayashi N, Yamahata I, Mitsunari K, Mukae N, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T, Shirane M*.
  • Journal Title: iScience Volume: 25(12) Issue: 12 Pages: 105612-105612
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.105612
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Unified-hydrophilic-interaction/anion-exchange liquid chromatography mass spectrometry (unified-HILIC/AEX/MS): A single-run method for comprehensive and simultaneous analysis of polar metabolome. (2022)
  • Author(s): Nakatani K, Izumi Y*, Takahashi M, Bamba T*.
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 94(48) Issue: 48 Pages: 16877-16866
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.2c03986
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Change in fatty acid composition of plasma triglyceride caused by a 2 week comprehensive risk management for diabetes: A prospective observational study of type 2 diabetes patients with supercritical fluid chromatography/mass spectrometry‐based semi‐target lipidomic analysis (2022)
  • Author(s): Taya Naohiro、Katakami Naoto、Omori Kazuo、Hosoe Shigero、Watanabe Hirotaka、Takahara Mitsuyoshi、Miyashita Kazuyuki、Nishizawa Hitoshi、Konya Yutaka、Obara Sachiko、Hidaka Ayako、Nakao Motonao、Takahashi Masatomo、Izumi Yoshihiro、Shimomura Iichiro、Bamba Takeshi
  • Journal Title: Journal of Diabetes Investigation Volume: 14 Issue: 1 Pages: 102-110
  • DOI: 10.1111/jdi.13924
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] LC/MS/MSによる生理活性脂質の一斉定量分析法の開発 (2022)
  • Author(s): 〇中谷 航太，和泉 自泰，馬越 洋宜，日高 彩子，緒方大聖，小川佳宏，馬場健史
  • Organizer: 第70回 質量分析総合討論会
• [Presentation] ヒト初代肝細胞のマルチオミクス解析を基盤とした薬物誘発性肝障害評価法の開発 (2022)
  • Author(s): 〇池田 和輝，高橋 政友，秦 康祐，中谷 航太，油屋 駿介，富安 範行，相馬 悠希，馬場 健史，和泉 自泰
  • Organizer: 第70回 質量分析総合討論会
• [Presentation] 血液メタボロミクスデータ統合に向けたLC/MS分析法の定量性評価 (2022)
  • Author(s): 〇今戸 優理，高橋 政友，相馬 悠希，油屋 駿介，中谷 航太，和泉 自泰，馬場 健史
  • Organizer: 第70回 質量分析総合討論会
• [Presentation] Nano-LC/MS/MSを基盤とした1細胞解析システムの開発 (2022)
  • Author(s): 〇和泉 自泰，秦 康祐，中谷 航太，山村 昌平，松本 雅記，馬場 健史
  • Organizer: 第70回 質量分析総合討論会
• [Presentation] 次世代サプレッサーを搭載したイオンクロマトグラフィー高分解能タンデム質量分析 (IC/HRMS/MS) による超網羅的な親水性メタボローム分析法の開発 (2022)
  • Author(s): 〇高橋 政友，鈴木 隆弘，高原 健太郎，馬場 健史，和泉 自泰
  • Organizer: 第70回 質量分析総合討論会
• [Presentation] LC/HRMS/MSとin silico エピメタボライトデータベース (IEMDB) に基づく未知の親水性代謝物の包括的構造推定 (2022)
  • Author(s): 〇鳥越 大平，髙橋 政友，中尾 素直，相馬 悠希，池田 和輝，中谷 航太，馬場 健史，和泉 自泰
  • Organizer: 第70回 質量分析総合討論会
• [Presentation] 構造多様性の解析と個々の定量化を目指したマルチリピドーム計測技術の開発 (2022)
  • Author(s): 〇竹田 浩章，高橋 政友，和泉 自泰，馬場 健史，津川 裕司
  • Organizer: 第16回 メタボロームシンポジウム
• [Presentation] 免疫受容体の脂質リガンド探索プラットフォームの開発 (2022)
  • Author(s): 〇富安 範行，和泉 自泰，高橋 政友，西村 直矢，豊永 憲司，相馬 悠希，山崎 晶，馬場 健史
  • Organizer: 第16回 メタボロームシンポジウム
• [Presentation] 安定同位体標識内部標準群 (SILIS) を用いたヒト血漿定量メタボロミクス (2022)
  • Author(s): 〇相馬 悠希，高橋 政友，今戸 優理，松田 貴意，池田 明夏里，田邉 芽衣，寺内 勉，花井 泰三，和泉 自泰，馬場 健史
  • Organizer: 第16回 メタボロームシンポジウム
• [Presentation] LC/HRMS/MSとin silicoエピメタボライトデータベースによる未知の親水性代謝物の包括的構造推定法の開発 (2022)
  • Author(s): 〇鳥越 大平，髙橋 政友，中尾 素直，相馬 悠希，池田 和輝，中谷 航太，馬場 健史，和泉 自泰
  • Organizer: 第16回 メタボロームシンポジウム
• [Presentation] 超網羅的な親水性メタボローム分析に資するイオンクロマトグラフィー高分解能タンデム質量分析法 (IC/HRMS/MS) の開発 (2022)
  • Author(s): 〇高橋 政友，鈴木 隆弘，高原 健太郎，馬場 健史，和泉 自泰
  • Organizer: 第16回 メタボロームシンポジウム
• [Presentation] 血液メタボロミクスデータ統合に資するLC/MS分析法の定量性評価 (2022)
  • Author(s): 〇今戸 優理，高橋 政友，相馬 悠希，油屋 駿介，中谷 航太，和泉 自泰，馬場 健史
  • Organizer: 第16回 メタボロームシンポジウム
• [Presentation] ヒト初代肝細胞を用いたマルチオミクス解析によるin vitro肝毒性評価法の開発 (2022)
  • Author(s): 〇池田 和輝，高橋 政友，秦 康祐，中谷 航太，油屋 駿介，富安 範行，相馬 悠希，松本 雅記，馬場 健史，和泉 自泰
  • Organizer: 第16回 メタボロームシンポジウム
• [Presentation] ワイドターゲットLC/MS/MSによる生理活性脂質の一斉定量分析法 (2022)
  • Author(s): 〇中谷 航太，和泉 自泰，馬越 洋宜，緒方 大聖，日高 彩子，小川 佳宏，馬場 健史
  • Organizer: 第16回 メタボロームシンポジウム
• [Presentation] UC/HILIC, a novel strategy to improve the metabolomics coverage of current unified chromatography (2022)
  • Author(s): Le Si-Hung, Yoshihiro Izumi, 〇Takeshi Bamba
  • Organizer: 33rd International Symposium on Chromatography
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 質量分析を基盤としたヒト初代肝細胞の薬物誘発性肝障害評価法の開発 (2022)
  • Author(s): 〇高橋 政友，池田 和輝，秦 康祐，中谷 航太，油屋 駿介，富安 範行，相馬 悠希，馬場 健史，和泉 自泰
  • Organizer: 第74回 日本生物工学会大会
• [Presentation] 未知の親水性代謝物の包括的構造推定に向けたin silico エピメタボライトデータベース (IEMDB) の開発 (2022)
  • Author(s): 〇和泉 自泰，鳥越 大平，中尾 素直，相馬 悠希，池田 和輝，中谷 航太，髙橋 政友，馬場 健史
  • Organizer: 第74回 日本生物工学会大会
• [Presentation] ヒト定量メタボロミクスに資する安定同位体標識内部標準群 (SILIS) のバイオプロダクション (2022)
  • Author(s): 〇相馬 悠希，高橋 政友，今戸 優理，松田 貴意，池田 明夏里，田邉 芽衣，寺内 勉，花井 泰三，和泉 自泰， 馬場 健史
  • Organizer: 第74回 日本生物工学会大会
• [Presentation] Nano-LC/MS による 1 細胞メタボロミクス・プロテオミクスの開発 (2022)
  • Author(s): 〇和泉 自泰
  • Organizer: 第42回 キャピラリー電気泳動シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Comprehensive exploration of metabolite ligands recognized by immune sensors based on next-generation metabolomics technology (2022)
  • Author(s): 〇Yoshihiro Izumi
  • Organizer: 第95回 日本生化学大会
  • Invited
• [Presentation] Development of integrated analysis technology for single cell mass spectrometry and imaging (2022)
  • Author(s): 〇Yoshihiro Izumi, Kosuke Hata, Kohta Nakatani, Masatomo Takahashi, Mamoru Hirafuji, Shohei Yamamura, Masaki Matsumoto, Takeshi Bamba
  • Organizer: 第45回 日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Unified-HILIC/AEX/MSによる脂質と極性代謝物の包括的一斉分析法の開発 (2022)
  • Author(s): 〇池田 和輝，中谷 航太，高橋 政友，馬場 健史，和泉 自泰
  • Organizer: 第4回 脂質駆動学術産業創生研究部会講演会
• [Presentation] 次世代質量分析オミクス解析技術の開発と医学応用 (2022)
  • Author(s): 〇和泉 自泰
  • Organizer: Seminer in Translational Rheumatology and Immunology
  • Invited
• [Book] Determination method of acrylamide in beverages and foods by supercritical fluid chromatography/tandem mass spectrometry. Edited by Koolen, H., Mass Spectrometry for Food Analysis. Methods and Protocols in Food Science (2022)
  • Author(s): Yoshioka T, Izumi Y, Bamba T*.
  • Total Pages: 12
  • Publisher: Humana
  • ISBN: 9781071621066
• [Patent(Industrial Property Rights)] 分析容器、前処理方法、代謝物解析方法、タンパク質解析方法、及び質量分析方法 (2022)
  • Inventor(s): 秦康祐、和泉自泰、松本雅記、平藤衛ら
  • Industrial Property Rights Holder: 秦康祐、和泉自泰、松本雅記、平藤衛ら
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-141782
  • Filing Date: 2022