人工的酸素付加によるアミロイド動態制御機構の解明

• Project/Area Number: 23K21357
• Project/Area Number (Other): 21H02622 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 47030:Pharmaceutical hygiene and biochemistry-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 堀 由起子 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (80610683)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 脳神経疾患 / 神経科学

Outline of Research at the Start

タンパク質がアミロイドを形成し細胞内外に蓄積することが、様々な神経変性疾患共通の発症原因であるため、その治療戦略としてアミロイド形成抑制および除去が重要である。我々はこれまで独自に、光を用いてアミロイドを酸素修飾する光酸素化触媒を開発し、「酸素化によるアミロイドの凝集抑制と除去」という基本コンセプトを確立した。しかしその背景にある作用分子メカニズムは不明であるため、酸素化による「アミロイドの分子的変容の理解」と「その変容に対する生体側の応答」という２つの観点から分子メカニズムに迫り、画期的な新規神経変性疾患治療法としての本酸素化法のproof of conceptを示すことを目的に研究を行う。

Outline of Annual Research Achievements

アルツハイマー病（AD）の特徴的な病理学的所見は、それぞれAβとタウから構成される2種類のアミロイド蓄積である。これらのアミロイドの形成と蓄積がAD発症の原因であると考えられていることから、Aβおよびタウの凝集抑制あるいはそのクリアランス促進がADの根本的治療に繋がると考えられている。そこでAD治療を目指して、これまでにアミロイドに対して光酸素化触媒と光刺激による人工的な酸素原子付加を検討してきたところ、酸素化AβはAβ凝集阻害能をもち、脳内においてはクリアランスされやすい可能性を見出した。本研究ではその可能性のさらなる検証とメカニズムを明らかにすることを目的としている。
昨年度までに、酸素化によってタウのクリアランスが亢進することを明らかにした。またそれを検証可能な培養細胞モデルの構築にも成功した。そこで本年度はこの培養細胞モデルを用いて、クリアランス効果と触媒濃度および光照射量の関係を検討した。その結果、クリアランス効果は触媒濃度依存性および光照射量依存性があることを見出し、約50%のクリアランス効果を発揮するために必要な触媒量・光照射量を算出することができた。このことからクリアランス亢進効果は酸素化率に依存する可能性が強く示唆され、今後、効果的な酸素化率の算出を含めさらに検討を行いたい。
さらに、タウ酸素化のために開発された触媒の汎用性を検討した。本触媒はアミロイドに共通する構造であるクロスβシート構造を認識して機能する。そこで、同じようにアミロイドを形成するAβやα-シヌクレインにも着目し、その酸素化を検証した。その結果、当該触媒は酸素化効率に若干差はあるものの、Aβやα-シヌクレインも酸素化可能であることが明らかになった。このことは、本触媒が様々なアミロイド疾患に対して適用できる可能性を示唆している。今後、その効果についても検証していきたい。

Current Status of Research Progress

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

Reason

酸素化によるクリアランス亢進効果を検証可能な培養細胞モデルを構築することができたことで、その詳細な検討が可能になった。本モデルを用いて、触媒濃度依存性および光照射量依存性を明らかにできたことは、その効果発揮には酸素化率が重要であることを強く示唆するものであり有用な所見となった。今後、実用化に向けての研究も加速できると考えられ、順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

本年度の研究結果から効果的な触媒濃度や光照射量が見出されたことから、この条件下での酸素化率の評価を進めると共に、生体内においてこの条件を達成するための方法論も検討していきたい。具体的には触媒脳移行性を上げるためのDDSの構築や、脳内に光を届けるためのデバイスの開発などである。また、酸素化に対する触媒の汎用性が示されたことから、その効果についても検討していきたい。
さらに、酸素化効果発揮のためのメカニズム解明も引き続き行っていく。酸素化によって脳内でどの細胞がどのように応答しているかという生体内応答を網羅的に明らかにするために、scRNAseq解析も行いたい。

Research Products

• [Journal Article] Attenuation of α-synuclein aggregation by catalytic photo-oxygenation (2023)
  • Author(s): Iwai Atsushi、Nakamura Reito、Tomizawa Ikumi、Mitsunuma Harunobu、Hori Yukiko、Tomita Taisuke、Sohma Youhei、Kanai Motomu
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 59 Issue: 38 Pages: 5745-5748
  • DOI: 10.1039/d3cc00665d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Assays for Catalytic Photo-Oxygenation of Alzheimer Disease-Related Tau Proteins (2023)
  • Author(s): Umeda Hiroki、Sawazaki Taka、Furuta Masahiro、Suzuki Takanobu、Kawashima Shigehiro A.、Mitsunuma Harunobu、Hori Yukiko、Tomita Taisuke、Sohma Youhei、Kanai Motomu
  • Journal Title: ACS Chemical Neuroscience Volume: 14 Issue: 15 Pages: 2710-2716
  • DOI: 10.1021/acschemneuro.3c00264
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rose Bengal Promoted Catalytic Amyloid-β Oxygenation by Sonoactivation (2023)
  • Author(s): Sohma Youhei、Hori Yukiko、Tomita Taisuke、Kanai Motomu、Atsumi Wataru、Kawabata Keiichi、Yamane Mina、Oi Miku、Mitsunuma Harunobu
  • Journal Title: Synlett Volume: 35 Issue: 08 Pages: 920-924
  • DOI: 10.1055/a-2182-7614
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photo‐oxygenation of histidine residue inhibits α‐synuclein aggregation (2023)
  • Author(s): Nakamura Reito、Tomizawa Ikumi、Iwai Atsushi、Ikeda Tetsuo、Hirayama Kota、Chiu Yung Wen、Suzuki Takanobu、Tarutani Airi、Mano Tatsuo、Iwata Atsushi、Toda Tatsushi、Sohma Youhei、Kanai Motomu、Hori Yukiko、Tomita Taisuke
  • Journal Title: The FASEB Journal Volume: 37 Issue: 12
  • DOI: 10.1096/fj.202301533r
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photo-Oxygenation as a New Therapeutic Strategy for Neurodegenerative Proteinopathies by Enhancing the Clearance of Amyloid Proteins (2022)
  • Author(s): Tomizawa Ikumi、Nakagawa Hanako、Sohma Youhei、Kanai Motomu、Hori Yukiko、Tomita Taisuke
  • Journal Title: Frontiers in Aging Neuroscience Volume: 14
  • DOI: 10.3389/fnagi.2022.945017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Promotion in the Clearance of Aggregated Aβ In Vivo Using Amyloid Selective Photo-Oxygenation Technology (2022)
  • Author(s): Hori Yukiko、Sohma Youhei、Kanai Motomu、Tomita Taisuke
  • Journal Title: Neuroscience Insights Volume: 17 Pages: 0000-0000
  • DOI: 10.1177/26331055221126179
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photo-Oxygenation: An Innovative New Therapeutic Approach Against Amyloidoses (2021)
  • Author(s): Ikeda Tetsuo、Hori Yukiko、Sohma Youhei、Kanai Motomu、Tomita Taisuke
  • Journal Title: Adv Exp Med Biol Volume: 1 Pages: 415-422
  • DOI: 10.1007/978-3-030-78787-5_52
  • ISBN: 9783030787868, 9783030787875
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GPR120 signaling controls amyloid-β degrading activity of matrix metalloproteinases (2021)
  • Author(s): Kazunori Kikuchi, Takuya Tatebe, Yuki Sudo, Miyabishara Yokoyama, Kiwami Kidana, Yung Wen Chiu, Sho Takatori, Makoto Arita, Yukiko Hori, Taisuke Tomita
  • Journal Title: Journal of Neuroscience Volume: 41(28) Issue: 28 Pages: 6173-6185
  • DOI: 10.1523/jneurosci.2595-20.2021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] AAアミロイドーシス治療を目指した光酸素化法の検証 (2023)
  • Author(s): 浅井秀一朗、渡邊謙一、相馬洋平、金井求、堀由起子、富田泰輔
  • Organizer: 第10回日本アミロイドーシス学会
• [Presentation] 細胞内凝集タウに対する光酸素化の薬効の評価 (2023)
  • Author(s): 栗山摩衣、鈴木崇允、澤崎鷹、相馬洋平、金井求、堀由起子、富田泰輔
  • Organizer: 第42回日本認知症学会
• [Presentation] 光酸素化触媒による凝集タウ除去機構の解析 (2023)
  • Author(s): 中川葉奈子、鈴木崇允、澤崎鷹、原範和、宮下哲典、池内健、相馬洋平、金井求、堀由起子、富田泰輔
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 細胞内凝集タウに対する光酸素化の薬効評価 (2023)
  • Author(s): 栗山摩衣、鈴木崇允、澤崎鷹、相馬洋平、金井求、堀由起子、富田泰輔
  • Organizer: 第46回神経組織培養研究会
• [Presentation] 酸素化Aβ分解プロテアーゼの性状解析 (2022)
  • Author(s): 池田哲生、堀由起子、相馬洋平、金井求、富田泰輔
  • Organizer: 2022年度日本生化学会関東支部例会
• [Presentation] Photooxygenation as a new therapeutic strategy against Alzheimer's disease (2022)
  • Author(s): Yukiko Hori
  • Organizer: Neuro2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] in vivo光酸素化によるタウ蓄積病理への影響の解析 (2022)
  • Author(s): 鈴木崇允、堀由起子、相馬洋平、金井求、富田泰輔
  • Organizer: タウ研究会2022
• [Presentation] Establishment of non-invasive Aβ photooxygenation using a novel photocatalyst (2022)
  • Author(s): Yukiko Hori, Nozomu Nagashima, Youhei Sohma, Motomu Kanai, Taisuke Tomita
  • Organizer: society for neuroscience 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非侵襲的光酸素化による脳内タウアミロイドの除去 (2022)
  • Author(s): 堀由起子、鈴木崇允、澤崎鷹、樋口真人、相馬洋平、金井求、富田泰輔
  • Organizer: 第41回日本認知症学会
• [Presentation] 酸素化Aβ分解プロテアーゼの性状解析 (2022)
  • Author(s): 池田哲生、堀由起子、相馬洋平、金井求、富田泰輔
  • Organizer: 第41回日本認知症学会
• [Presentation] シヌクレイノパチー治療を目指したα-シヌクレインに対する光酸素化 (2022)
  • Author(s): 中村麗人、堀由起子、富澤郁美、池田哲生、平山皓太、岩井篤志、相馬洋平、金井求、富田泰輔
  • Organizer: 第41回日本認知症学会
• [Presentation] 光酸素化触媒を用いた新規アルツハイマー病治療戦略の開発 (2022)
  • Author(s): 堀由起子
  • Organizer: バイオソフトマターメディカル研究会
  • Invited
• [Presentation] Development of photooxygenation technology towards therapeutic strategy against Alzheimer disease (2022)
  • Author(s): Yukiko Hori
  • Organizer: The 95th Annual Meeting of the Japanese Pharmacological Society
  • Invited
• [Presentation] 光酸素化反応によるミクログリアを介したアミロイド除去 (2021)
  • Author(s): 堀由起子
  • Organizer: 第40回日本認知症学会
  • Invited
• [Presentation] Photo-oxygenation inhibits tau aggregation via loss of seeding activity (2021)
  • Author(s): Takanobu Suzuki, Yukiko Hori, Taka Sawazaki, Yu Nemoto, Youhei Sohma, Motomu Kanai, Taisuke Tomita
  • Organizer: VIB conference: New Horizons in Alzheimer's Disease (Hybrid edition)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アルツハイマー病遺伝学的リスク因子BIN1がタウ蓄積病理および伝播に及ぼす影響の解析 (2021)
  • Author(s): 根本 侑、鴇巣 正樹、堀 由起子、富田 泰輔
  • Organizer: 第40回日本認知症学会
• [Remarks] 東京大学薬学系研究科 機能病態学教室 ホームページ
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~neuropsc/tomita/