Predictive modeling of bacteria variation using in vitro reconstructions of the human gut ecosystem

• Project/Area Number: 23K17415
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 49:Pathology, infection/immunology, and related fields
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 佐々木 伸雄 群馬大学, 生体調節研究所, 教授 (30777769)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2026: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2025: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2024: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: オルガノイド / 腸内細菌 / 共培養システム / 数理モデル

Outline of Research at the Start

本課題では，腸管内のエコシステムを模倣したin vitro培養系を開発し，腸内細菌叢の遷移を定量的に測定することで，その変化を予測する数理モデルを構築します．この新規の腸内エコシステムin vitro評価系を利用しながら，理論と実証の双方向による検証を行うことで，腸内環境の乱れに起因する疾患の発症原理の理解を目指します．

Outline of Annual Research Achievements

本課題研究は，嫌気性細菌コミュニティが存在する腸管環境をin vitroで再現し，宿主-微生物間，または最近同士の相互作用（変動）を予測する数理モデルを構築することである．そのために，３つの独立した課題を設定し，互いに相補しながら効率的に進めている．
1. 新規オルガノイド培養系の開発：当研究室は2021年に立ち上がった新設研究室であり，これまでマウス腸管オルガノイドのみ培養を行ってきた．本課題採択を機に，ヒト腸管オルガノイドの樹立を試みた．所属大学附属病院の協力の下，ヒト検体を用いた臨床研究の申請を行い，無事本課題推進の承認を得ることができた．実際に，大腸癌患者の手術検体の非癌部（正常上皮組織）を入手し，ヒト大腸オルガノイドの樹立を試みた．オルガノイド培地の適正化を図ることで，当研究室においても安定したオルガノイドを培養することができた．また，オルガノイドと腸内細菌を共培養するデバイス開発については順調にすすんでおり，PCによるスピード制御が可能なモーターを搭載した灌流装置を完成させることができた．また，腸内細菌と一緒に培養するオルガノイド培養器については，様々な培地容量が入る容器を作成し，適切なサイズの検証を行った．
2. 数理モデルの構築：本課題では腸内環境を再現し，微生物同士の相互作用変化を予測することを目指す．そのため複数細菌の時系列変動を定量的に解析する必要がある．当該年度は，使用する微生物群のそれぞれを特異的に認識するプライマー配列を決定した．実際に，qPCR法を用いて各微生物の変化を定量的に解析することに成功した．
3. 疾患生物学との融合：本課題については当該年度は研究予定がないため，本課題に関する進捗報告はない．

Current Status of Research Progress

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

Reason

当該年度に設定した各課題のマイルストーンの全ては達成できた．懸念事項であったヒト検体の入手については共同研究（慶應大学）先から分与して頂けただけではなく，新規に群馬大学附属病院が協力してくれることになったため，我々の研究室でも無事ヒトオルガノイド培養を開始できた．また，前職で開発したヒト大腸オルガノイドと嫌気性腸内細菌の共培養システムが本学においても再現でき，安定的に嫌気性細菌とヒト代腸上皮細胞を同時に培養することができた．そのため灌流オルガノイド培養装置の開発も順調に進めることができたので，本課題の進捗状況は，概ね順調に進展していると判断した．

Strategy for Future Research Activity

１．新規オルガノイド培養系の開発：灌流装置のついた新規オルガノイド培養装置のプロトタイプを完成させたいので，今後は灌流させる培地の流速の適正化を図る．また，オルガノイド培地は大変高価（約1,000円/mL) であることから，最小容量の培養容器の作成を試みる．また実際に，嫌気性腸内細菌とオルガノイドの共培養に挑戦し，最低でも3日間の共培養を可能にする条件を見出す．
２．数理モデルの構築：課題１で作成したオルガノイド共培養装置で，複数の腸内細菌を同時に投入し，それぞれの細菌の時間的変化を追跡する．そのために，まずはオルガノイドがない条件（通常の液体培地のみ）で最適な腸内細菌の組み合わせを見出す．
３．疾患生物学との融合：共同研究者の群馬大学附属病院チームと連携して，消化管疾患患者（大腸癌，または潰瘍性大腸炎）から検体を入手し，疾患上皮由来オルガノイドの樹立とその表現型の解析を行う．

Research Products

• [Journal Article] DNA damage‐induced cellular senescence is regulated by 53BP1 accumulation in the nuclear foci and phase separation (2023)
  • Author(s): Oda Tsukasa、Gotoh Nanami、Kasamatsu Tetsuhiro、Handa Hiroshi、Saitoh Takayuki、Sasaki Nobuo
  • Journal Title: Cell Proliferation Volume: Cell Peolif. 2023 Issue: 6
  • DOI: 10.1111/cpr.13398
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] D-amino Acids Ameliorate Experimental Colitis and Cholangitis by Inhibiting Growth of Proteobacteria: Potential Therapeutic Role in Inflammatory Bowel Disease (2023)
  • Author(s): Umeda Satoko、 Sujino Tomohisa、、、Shiomi Daisuke、Ashida Hiroshi、Kanai Takanori
  • Journal Title: Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology Volume: 16 Issue: 6 Pages: 1011-1031
  • DOI: 10.1016/j.jcmgh.2023.08.002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] オルガノイド技術が切り拓く腸内細菌・栄養学 (2023)
  • Author(s): 佐々木 伸雄
  • Organizer: 第77回日本栄養・食糧学会大会（招待講演）
  • Invited
• [Presentation] ヒト回腸由来オルガノイドを利用した胆汁酸トランスポーターASBT発現解析 (2023)
  • Author(s): 柳澤宏太, 宮内栄治, 齋藤貴之, 高島優季, 小林彰子, 佐々木伸雄
  • Organizer: 第9回生体調節研究所内分泌代謝シンポジウム
• [Presentation] ヒト回腸由来オルガノイドを利用した胆汁酸トランスポーターASBT発現解析 (2023)
  • Author(s): 柳澤宏太, 宮内栄治, 齋藤貴之, 高島優季, 小林彰子, 佐々木伸雄
  • Organizer: 0回北関東医学会総会
• [Presentation] オルガノイドを用いた腸内細菌研究のホントのところ (2023)
  • Author(s): 佐々木 伸雄，内山 皓太，清水 俊輔，柳澤 宏太，宣 旭，宮内 栄治
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ムチン動態に関与する機能性微生物の探索 (2023)
  • Author(s): 内山 皓太, 清水 俊輔，宮内 栄治, 佐々木 伸雄
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 大腸上皮幹細胞ニッチであるDCS細胞の細胞系譜解析 (2023)
  • Author(s): 青柳瑠南, 小田司, 宮内栄治, 相賀裕美子, 齋藤貴之, 佐々木伸雄
  • Organizer: 第70回北関東医学会総会
• [Presentation] 大腸上皮幹細胞ニッチであるDCS細胞の細胞系譜解析 (2023)
  • Author(s): 青柳瑠南, 小田司, 宮内栄治, 相賀裕美子, 齋藤貴之, 佐々木伸雄
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 母体炎症が仔の1型糖尿病病態に与える影響 (2023)
  • Author(s): 宮内栄治, 中西裕美子, 髙木若菜, 川住雅美, 大野博司, 佐々木伸雄
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Book] 腸内代謝物質を介した免疫系の修飾 (2023)
  • Author(s): 宮内 栄治，佐々木 伸雄
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 日本生化学会