質量顕微鏡による分子情報イメージング

• Project/Area Number: 23K18197
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 48:Biomedical structure and function and related fields
• Research Institution: Hamamatsu University School of Medicine
• Principal Investigator: 瀬藤 光利 浜松医科大学, 国際マスイメージングセンター, センター長 (20302664)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2025: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 質量顕微鏡 / 分子情報イメージング / エントロピー / パープレキシティ

Outline of Research at the Start

本研究では、質量顕微鏡データから網羅的な生体分子の情報エントロピーを算出してイメージングする手法である“分子情報イメージング”を確立することを目的とする。情報エントロピー（Shannon entropy）とは、事象の不確かさの程度を表すもので、イメージングの文脈では、情報エントロピーの値が大きい領域ほど多様な生体分子が存在していると解釈できる。しかし、この情報エントロピーに着目したイメージング研究はこれまでに前例がない。従来の手法では認識が難しい老化のような生命現象のメカニズム解明や、疾患や老化の新たな指標構築に向けて本研究成果を展開し、学術体系の変革を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、質量顕微鏡（IMS）データから算出される情報エントロピー（Shannon entropy）とパーシステントホモロジー（PH）を用いて、目視により得られる形態情報とは異なる空間領域の特徴を捉える“分子情報イメージング”技術を確立することを目指している。令和5年度は、マウス腎組織切片のIMS計測を行い、切片上の異なる複数箇所(xi, yi){i = 1, 2, 3,…}について１辺ε個のピクセルからなる領域（ビンサイズ＝ε）を設定し、情報エントロピー = H(xi,yi)の変換値であるパープレキシー（perplexity）=PP(xi, yi)= 2^H(xi,yi)値を算出した。その結果、logεとPP(xi, yi)値との間の傾き=kiについて、箇所iによる違いがε>5で顕著に現れることを見出した。生体組織における特徴のある領域をPHを用いてイメージングする新しい手法として、論文に報告した(Xu L. et al. Phys Rev E, 2024)。位相幾何学（トポロジー）的な手法であるPHについては、まずはシンプルなモデルとして培養細胞の蛍光画像を用いて検証した。「特定の強度値を持つピクセルを境界とする穴（低強度値領域）」について、強度値の閾値を変化させた時の穴の生成（birth）と消滅（death）をプロットしたPH図を作成した。その結果、細胞間コミュニケーションに関係するUBL3を発現させた細胞とそうでない細胞との間で、神経変性疾患関連タンパク質であるα-シヌクレインに関するPH図に違いがあることを見出した。その生物学的意義については考証中であるが、UBL3がα-シヌクレインの細胞内分布に対してトポロジカルな作用を及ぼすことが明らかになった。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

現在までに、本研究課題に必要とされる生体試料のIMS計測ならびにデータ解析環境の構築は終えている。令和5年度の時点で、情報エントロピーを用いた分子情報メージング技術の実用例として、動物組織切片のIMSデータからビンサイズとパープレキシー値との間の傾きを特徴量として抽出することにすでに成功したことは、本研究課題の目的である「従前の組織染色像やマススペクトルピークをイメージングしただけの画像からでは認識できない構造階層を捉える」ための基盤技術確立に十分に寄与するもので、論文報告に至ったことから当初の計画以上に進展していると言える。また、PHについても、蛍光シグナルを捉えた培養細胞のイメージングデータを用いたモデル系を用いて解析手法を確立し、さらに生体分子機能を評価するに至っている。この成果について関連する学会（分子生物学会）で報告しており、当初の計画以上であった。

Strategy for Future Research Activity

令和6年度では、IMSデータを用いたPH解析技術を確立する。培養細胞を用いた蛍光イメージングでタータと比較して情報量が格段に多いIMSデータのPH解析を推進するために、情報エントロピーを活用する。即ち、特定のm/zピーク強度値に着目するのではなく、ピクセルごとのマススペクトルデータ（多数のm/zピーク強度値）を情報エントロピーで次元削減（情報集約）し、その情報エントロピーの閾値θを変動させることで穴のbirth[θ]とdeath[θ]を計測し、PH図を作成する。対象とする試料には、生後1ヶ月齢から３４ヶ月齢のマウス脳組織を用いる。PH解析の評価をし易くするために、月齢に応じて３グループに分け、月齢に応じたbirth[θ]とdeath[θ]の値およびPH図を比較する。全領域のみならず大脳皮質のような特定の脳領域に限定したPH解析についても行い、脳領域と加齢の関係について検証する。これらの研究について成果報告ならびに研究推進のための情報収集を関連する学会（国際生物物理学会）で行う。

Research Products

• [Journal Article] Coarse-graining of perplexity for the spatial distribution of molecules. (2024)
  • Author(s): Xu L, Zhang C, Oyama S, Machida M, Kahyo T, Setou M.
  • Journal Title: Phys Rev E. Volume: 109 Issue: 1 Pages: 014402-014402
  • DOI: 10.1103/physreve.109.014402
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detection of highly abundant small molecules in the stratum corneum of healthy young women using desorption electrospray ionization-mass spectrometry imaging (2023)
  • Author(s): Waliullah ASM, Sakamoto T, Uchiyama T , Itai E , Naru E, Inomata K, Mamun MA, Hasan MM, Fukui R, Sato T, Takahashi Y , Honda T, Kahyo T, Setou M.
  • Journal Title: Medical Mass Spectrometry Volume: 7 Issue: 1 Pages: 26-34
  • DOI: 10.24508/mms.2023.06.001
  • ISSN: 2432-7441, 2432-745X
  • Year and Date: 2023-06-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] UBL3 Interaction with α-Synuclein Is Downregulated by Silencing MGST3. (2023)
  • Author(s): .Yan J, Zhang H, Tomochika Y, Chen B, Ping Y, Islam MS, Aramaki S, Sato T, Nagashima Y, Nakamura T, Kahyo T, Kaneda D, Ogawa K, Yoshida M, Setou M.
  • Journal Title: Biomedicines Volume: 11 Issue: 9 Pages: 2491-2491
  • DOI: 10.3390/biomedicines11092491
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lipid Polyunsaturated Fatty Acid Chains in Mouse Kidneys Were Increased within 5 min of a Single High Dose Whole Body Irradiation. (2023)
  • Author(s): Li W, Zhang C, Aramaki S, Xu L, Tsuge S, Sakamoto T, Mamun MA, Islam A, Hayakawa T, Takanashi Y, Dubail M, Konishi K, Sato T, Kahyo T, Fouillade C, Nakamura K, Setou M.
  • Journal Title: Int J Mol Sci. Volume: 24 Issue: 15 Pages: 12439-12439
  • DOI: 10.3390/ijms241512439
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lipid-correlated alterations in the transcriptome are enriched in several specific pathways in the postmortem prefrontal cortex of Japanese patients with schizophrenia. (2023)
  • Author(s): Arihisa W, Kondo T, Yamaguchi K, Matsumoto J, Nakanishi H, Kunii Y, Akatsu H, Hino M, Hashizume Y, Sato S, Sato S, Niwa SI, Yabe H, Sasaki T, Shigenobu S, Setou M.
  • Journal Title: Neuropsychopharmacol Rep. Volume: 43 Issue: 3 Pages: 403-413
  • DOI: 10.1002/npr2.12368
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lung adenocarcinoma and squamous cell carcinoma difficult for immunohistochemical diagnosis can be distinguished by lipid profile. (2023)
  • Author(s): Yamashita T, Takanashi Y, Uebayashi A, Oka M, Mizuno K, Kawase A, Oyama S, Kitamoto T, Kondo M, Omori S, Tao H, Takahashi Y, Sakamoto T, Kahyo T, Sugimura H, Setou M, Shiiya N, Funai K.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 13 Issue: 1 Pages: 12092-12092
  • DOI: 10.1038/s41598-023-37848-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of lipid synthesis in myelin modulates neural activity and is required for motor learning (2023)
  • Author(s): Kato D, Aoyama Y, Nishida K, Takahashi Y, Sakamoto T, Takeda I, Tatematsu T, Go S, Saito Y, Kunishima S, Cheng J, Hou L, Tachibana Y, Sugio S, Kondo R, Eto F, Sato S, Moorhouse AJ, Yao I, Kadomatsu K, Setou M, and Wake H.
  • Journal Title: Glia Volume: 71 Issue: 11 Pages: 2591-2608
  • DOI: 10.1002/glia.24441
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The royal food of termites shows king and queen specificity. (2023)
  • Author(s): Tasaki E, Mitaka Y, Takahashi Y, Waliullah ASM, Tamannaa Z, Sakamoto T, Islam A, Kamiya M, Sato T, Aramaki S, Kikushima K, Horikawa M, Nakamura K, Kahyo T, Takata M, Setou M, Matsuura K.
  • Journal Title: PNAS Nexus Volume: 2 Issue: 7 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad222
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] UBL3 Interacts with Alpha-Synuclein in Cells and the Interaction Is Downregulated by the EGFR Pathway Inhibitor Osimertinib. (2023)
  • Author(s): Chen B, Hasan MM, Zhang H, Zhai Q, Waliullah ASM, Ping Y, Zhang C, Oyama S, Mimi MA, Tomochika Y, Nagashima Y, Nakamura T, Kahyo T, Ogawa K, Kaneda D, Yoshida M, Setou M.
  • Journal Title: Biomedicines Volume: 11 Issue: 6 Pages: 1685-1685
  • DOI: 10.3390/biomedicines11061685
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Plastic brain structure changes associated with the division of labor and aging in termites. (2023)
  • Author(s): Ishibashi T, Waliullah A.S.M. , Aramaki S, Kamiya M, Kahyo T, Nakamura K, Tasaki E, Takata M, Setou M, Matsuura K.
  • Journal Title: Dev Growth Differ Volume: 65 Issue: 7 Pages: 374-383
  • DOI: 10.1111/dgd.12873
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detection of Distinct Distributions of Acetaminophen and Acetaminophen-Cysteine in Kidneys up to 10 μm Resolution and Identification of a Novel Acetaminophen Metabolite Using an AP-MALDI Imaging Mass Microscope. (2023)
  • Author(s): Mamun MA, Rahman MM, Sakamoto T, Islam A, Oyama S, Nabi MM, Sato T, Kahyo T, Takahashi Y, Setou M.
  • Journal Title: J Am Soc Mass Spectrom Volume: 34 Issue: 7 Pages: 1491-1500
  • DOI: 10.1021/jasms.3c00149
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tubulin Polyglutamylation by TTLL1 and TTLL7 Regulate Glutamate Concentration in the Mice Brain (2023)
  • Author(s): Ping Yashuang、Ohata Kenji、Kikushima Kenji、Sakamoto Takumi、Islam Ariful、Xu Lili、Zhang Hengsen、Chen Bin、Yan Jing、Eto Fumihiro、Nakane Chiho、Takao Keizo、Miyakawa Tsuyoshi、Kabashima Katsuya、Watanabe Miho、Kahyo Tomoaki、Yao Ikuko、Fukuda Atsuo、Ikegami Koji、Konishi Yoshiyuki、Setou Mitsutoshi
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 13 Issue: 5 Pages: 784-784
  • DOI: 10.3390/biom13050784
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lipidomics-based tissue heterogeneity in specimens of luminal breast cancer revealed by clustering analysis of mass spectrometry imaging: A preliminary study. (2023)
  • Author(s): Aramaki S, Tsuge S, Islam A, Eto F, Sakamoto T, Oyama S, Li W, Zhang C, Yamaguchi S, Takatsuka D, Hosokawa Y, Waliullah ASM, Takahashi Y, Kikushima K, Sato T, Koizumi K, Ogura H, Kahyo T, Baba S, Shiiya N, Sugimura H, Nakamura K, Setou M.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 18 Issue: 5 Pages: e0283155-e0283155
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0283155
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Associations between prefrontal PI (16:0/20:4) lipid, TNC mRNA, and APOA1 protein in schizophrenia: A trans-omics analysis in post-mortem brain. (2023)
  • Author(s): Sano F, Kikushima K, Benner S, Xu L, Kahyo T, Yamasue H, Setou M.
  • Journal Title: Front Psychiatry Volume: 14 Pages: 1145437-1145437
  • DOI: 10.3389/fpsyt.2023.1145437
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphatidylcholine in bile-derived small extracellular vesicles as a novel biomarker of cholangiocarcinoma. (2023)
  • Author(s): .Muraki R, Morita Y, Ida S, Kitajima R, Furuhashi S, Takeda M, Kikuchi H, Hiramatsu Y, Takanashi Y, Hamaya Y, Sugimoto K, Ito J, Kawata K, Kawasaki H, Sato T, Kahyo T, Setou M, Takeuchi H.
  • Journal Title: Cancer Med Volume: 12 Issue: 12 Pages: 13007-13018
  • DOI: 10.1002/cam4.5973
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spatial distribution of the Shannon entropy for mass spectrometry imaging. (2023)
  • Author(s): Xu L, Kikushima K, Sato S, Islam A, Sato T, Aramaki S, Zhang C, Sakamoto T, Eto F, Takahashi Y, Yao I, Machida M, Kahyo T,Setou M.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 18 Issue: 4 Pages: e0283966-e0283966
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0283966
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 質量分析イメージングを用いた空間オミクスよる神経科学研究 (2023)
  • Author(s): 瀬藤光利
  • Organizer: FUJITAブレインサイエンスセミナー
  • Invited
• [Presentation] 質量顕微鏡法の最先端の技術と応用方法について (2023)
  • Author(s): 瀬藤光利
  • Organizer: 第17回骨免疫ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] マスイメージングによる薬物動態可視化 (2023)
  • Author(s): 瀬藤光利
  • Organizer: 日本薬物動態学会第38回年会、第23回シトクロムP450国際会議国際合同大会
  • Invited
• [Presentation] イメージング質量分析による創薬支援 (2023)
  • Author(s): 瀬藤光利
  • Organizer: 第 33 回 新薬創製談話会
  • Invited
• [Presentation] 脂質の分布を（光で）操作してみる (2023)
  • Author(s): 瀬藤光利
  • Organizer: 第65回日本脂質生化学会