尿路結石の組成・構造の高分解イメージング： 結石成長を加速する結晶相転移現象解明

• Project/Area Number: 23K23239
• Project/Area Number (Other): 22H01971 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30010:Crystal engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 丸山 美帆子 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (20623903)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高野 和文 京都府立大学, 生命環境科学研究科, 教授 (40346185) ; 中嶋 誠 大阪大学, レーザー科学研究所, 准教授 (40361662) ; 吉川 洋史 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (50551173) ; 岡田 淳志 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(医学), 准教授 (70444966)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2024: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2023: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2022: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: バイオミネラリゼーション / 結晶成長 / 結晶多形 / 相転移 / 尿路結石

Outline of Research at the Start

本研究では結石そのものの詳細分析と患者の尿環境の関連付けに重点を置く。結石分析には物質の凝集・固化の過程をたどる隕石研究の手法を導入し、 結石内部の結晶相、結晶組織、タンパク質の分布状況を可視化する(in vivo情報)。 研究代表者が着眼する結石内の結晶相転移が結石成長および 固化を加速させるという仮説に基づき、高分解光学的手法を用いて結晶相転移のリアルタイム観察(in vitro実験)を実施する。in vitro実験 の主要パラメータは結石観察により決定したものを用いる。

Outline of Annual Research Achievements

尿路結石の巨大化および固化を加速するキラー反応が、シュウ酸カルシウム（CaOx）の準安定相（シュウ酸カルシウム二水和物：COD）から安定相（シュウ酸カルシウム一水和物：COM）への相転移であるという仮説を証明することを目的としている。
2022年度から2023年度にかけて、人由来の尿路結石を用いた相転移実験を実施した。本実験はリアルタイムでの表面観察（In-situ）ではなく、尿を模擬した溶液にCODを主成分とする結石を浸漬し、１週間ごとに溶液から取り出して結石の内部をマイクロCTで観察するという実験（Ex-situ）であった。その結果、COD結晶が経時と共にCOMのモザイク状構造に変化する様子を世界で初めて観察することに成功した。さらに、COM結晶とCOD結晶どちらも含んでいるCaOx結石を、結石手術で用いられる体外衝撃波結石破砕装置で破砕し、固さの評価を行ったところ、COMの層状構造とCOMのモザイク構造が固くて割れにくいことを示すことができた。この２つの結果より、相転移が結石を固くするという仮説は実証できた。
また、この相転移速度を制御している“候補タンパク質”を見出すために引き続き結石内部のタンパク質局在状態の可視化を進めた。その結果、COMの結晶成長を加速すると報告されているリゾチームは、結晶の内部に取り込まれていないことが分かった。また、相転移でできたモザイクCOMの周辺にはカルグラニュリンAが濃集しているという状況も見えてきた。
候補タンパク質がCOD結晶の相転移速度に及ぼす影響を評価するために、CODの大型結晶育成を試みた。安定相(COM)、準安定相 (COD)共に従来報告よりも大型（百マイクロメートル角程度）の結晶は得られるようになったが、表面観察に適した数百マイクロメートル角の結晶を得るには至っておらず、次年度の課題となる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

人尿路結石サンプルの分析およびこれを用いたEx-situ相転移実験などは順調に進んだが、本研究で実施する「水溶液中におけるシュウ酸カルシウム（CaOx）結晶の相転移のリアルタイム観察系」を構築するための顕微鏡および微分干渉ユニットの選定と購入が難航した。その理由として、水溶液中で反射率が低い結晶の表面を見ようとした時、収差を補正仕切れずに微分干渉の効果が低くなってしまったことがある。そのため、改めて顕微鏡の選定を行い、2023年度に顕微鏡本体の購入が完了した。この理由から装置の改造等が遅れている。
また、CaOx相転移実験を実施するための大型結晶育成を試みたが、CaOx結晶は安定相(COM)、準安定相 (COD)共に表面観察に適した数百マイクロメートル角の結晶を得るには至っていない。結晶大型化にこだわり続けると研究が止まると判断し、代替案として人由来の尿路結石から比較的大きなCOD単結晶を得て、この結晶表面のin-situ観察を試みた。その結果、同じ結石から得られた複数のCOD単結晶間で、結晶の溶解の様子が大きく異なることが分かってきた。これは、生体内で作られたCOD結晶が、その成長環境に応じて多用な特徴を有することを示しており、極めて重要な知見である。一方で、候補タンパク質がCOD結晶の相転移に及ぼす効果を評価する場合、やはり無機合成したCOD単結晶の方が結果のばらつきが小さく、解釈もしやすいと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、
（1）環境を制御しやすい無機合成COD結晶を用いた相転移in-situ観察
（2）人体内での反応に近づけた人尿路結石由来COD結晶を用いた相転移in-situ観察
をそれぞれに進めることで、相転移現象の理解を深めていく。最終年度になるため、これまでに見出された相転移速度に影響を及ぼすと考えられる“候補タンパク質”の効果も評価していく。現時点での候補タンパク質は、リゾチーム、カルグラニュリンAである。また、人体内には存在していないが、COD結晶表面によく吸着するタンパク質として、大豆トリプシンインヒビター（STI）も見出している。これらのタンパク質が相転移速度に及ぼす影響を評価し、それぞれのタンパク質の特徴（分子量、等電点、カルシウムイオン結合サイトの数など）と合わせて整理する。また、（1）を実現するために、引き続き合成CODの大型化も継続する。数百マイクロメートル角の単結晶が得られれば、結晶表面の分子ステップとタンパク質の相互作用をより詳細に観察できることが期待できる。相転移の時空間制御に関しては、昨年度までにモデル物質のグリシン結晶にフェムト秒レーザーを照射することで相転移制御に成功しているため、これをCOD結晶に適用する。

Research Products

• [Journal Article] Spatiotemporal Control of Polymorphic Phase Transition of Glycine Crystals by Three-Dimensional Femtosecond Laser Ablation Processing (2024)
  • Author(s): Hozumi Takahashi,Yudai Yoshimura,Ryota Murai,Ryuzo Kawamura,Mihoko Maruyama,Masahi Yoshimura,Yusuke Mori, Hiroshi Y. Yoshikawa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 15 Issue: 1 Pages: 180-186
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02769
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Production of Single Crystalline Seeds of Organic Nonlinear Optical Materials via Laser Ablation (2023)
  • Author(s): Takahashi Hozumi、Shiraiwa Megumi、Mag-usara Valynn Katrine、Dai Ruochen、Agulto Verdad C.、Kato Kosaku、Nakajima Makoto、Yamaji Mayu、Nakabayashi Seiichiro、Maruyama Mihoko、Mori Yusuke、Yoshimura Masashi、Yoshikawa Hiroshi Y.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 127 Issue: 28 Pages: 14005-14012
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c03189
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] MP05-07 VALIDATING THE THEORY OF PHASE TRANSITION FROM CALCIUM OXALATE DIHYDRATE TO MONOHYDRATE IN THE STONE FORMATION (2023)
  • Author(s): Maruyama Mihoko、Michibata Uta、Tanaka Yutaro、Yoshikawa Hiroshi、Takano Kazufumi、Tajiri Rie、Taguchi Kazumi、Hamamoto Shuzo、Okada Atsushi、Yasui Takahiro、Usami Shigeyoshi、Imanishi Masayuki、Yoshimura Masashi、Mori Yusuke
  • Journal Title: Journal of Urology Volume: 209 Issue: Supplement 4
  • DOI: 10.1097/ju.0000000000003216.07
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evidence for Solution-Mediated Phase Transitions in Kidney Stones: Phase Transition Exacerbates Kidney Stone Disease (2023)
  • Author(s): Maruyama Mihoko、Tanaka Yutaro、Momma Koichi、Furukawa Yoshihiro、Yoshikawa Hiroshi Y.、Tajiri Rie、Nakamura Masanori、Taguchi Kazumi、Hamamoto Shuzo、Ando Ryosuke、Tsukamoto Katsuo、Takano Kazufumi、Imanishi Masayuki、Usami Shigeyoshi、Kohri Kenjiro、Okada Atsushi、Yasui Takahiro、Yoshimura Masashi、Mori Yusuke
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: 23 Issue: 6 Pages: 4285-4293
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.3c00108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative analysis of calcium oxalate monohydrate and dihydrate for elucidating the formation mechanism of calcium oxalate kidney stones. (2023)
  • Author(s): Maruyama M, Sawada KP, Tanaka Y, Okada A, Momma K, Nakamura M, Mori R, Furukawa Y, Sugiura Y, Tajiri R, Taguchi K, Hamamoto S, Ando R, Tsukamoto K, Takano K, Imanishi M, Yoshimura M, Yasui T, Mori Y.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 18 Issue: 3 Pages: 0282743-0282743
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0282743
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Solution-mediated phase transition of pharmaceutical compounds: Case studies of acetaminophen and aspirin (2023)
  • Author(s): Maruyama Mihoko、Yoshikawa Hiroshi Y.、Takano Kazufumi、Yoshimura Masashi、Mori Yusuke
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 602 Pages: 126990-126990
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2022.126990
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of pulse duration on laser-induced crystallization of urea from 300 to 1200 fs: impact of cavitation bubbles on crystal nucleation (2022)
  • Author(s): Tsuri Yuka、Maruyama Mihoko、Tsukamoto Katsuo、Adachi Hiroaki、Takano Kazufumi、Usami Shigeyoshi、Imanishi Masayuki、Yoshimura Masashi、Yoshikawa Hiroshi Y.、Mori Yusuke
  • Journal Title: Applied Physics A Volume: 128 Issue: 9 Pages: 803-803
  • DOI: 10.1007/s00339-022-05909-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metastable Crystallization by Drop Impact (2022)
  • Author(s): Nishigaki Akari、Maruyama Mihoko、Tanaka Shun-ichi、Yoshikawa Hiroshi Y.、Imanishi Masayuki、Yoshimura Masashi、Mori Yusuke、Takano Kazufumi
  • Journal Title: Crystals Volume: 12 Issue: 8 Pages: 1104-1104
  • DOI: 10.3390/cryst12081104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 尿路結石の内部構造からみたESWL破砕様式の違い (2022)
  • Author(s): 道端 詩, 丸山 美帆子, 杉浦 悠紀, 濱本 周造, 田尻 理恵, 大橋 一也, 河合 辰哉, 岡田 朋記, 吉村 侑大, 吉川 洋史, 高野 和文, 岡田 淳志, 吉村 政志, 安井 孝周, 森 勇介
  • Journal Title: 日本尿路結石症学会誌 Volume: 21 Pages: 100-101
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 光で創る結晶、光で読み解く結晶 (2023)
  • Author(s): 丸山美帆子, 吉川洋史, 田中勇太朗, 吉村政志, 高野和文, 森勇介
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
• [Presentation] フラーレン結晶の成長速度・形状にレーザー照射が与える影響の評価 (2023)
  • Author(s): 伏本航, 高橋秀実, 丸山美帆子, 鈴木凌,橘勝, 吉川洋史
  • Organizer: 第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）
• [Presentation] ヒト尿路結石を用いたシュウ酸カルシウム二水和物の結晶表面における溶解の観察 (2023)
  • Author(s): 道端詩, 丸山美帆子, 田中勇太朗, 吉村政志, 西村良浩, 植村真結, 塚本勝男, 田尻理恵, 吉川洋史, 高野和文, 岡田淳志, 郡健二郎, 安井孝周, 宇佐美茂佳, 今西正幸, 森勇介
  • Organizer: 第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）
• [Presentation] リン酸カルシウム結石形成プロセス解明に向けた結晶相転移の動的観察 (2023)
  • Author(s): 高橋広登, 田中勇太朗, 吉川洋史, 吉村政志, 高野和文, 宇佐美茂佳, 今西正幸, 森勇介, 丸山美帆子
  • Organizer: 第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）
• [Presentation] シュウ酸カルシウム結晶成長におけるタンパク質構造状態の影響 (2023)
  • Author(s): 吉村日奈, 丸山美帆子, 田中勇太朗, 平田あずみ, 田中俊一, 吉川洋史, 吉村政志, 森勇介, 高野和文
  • Organizer: 第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）
• [Presentation] 蛍光イメージング法で見る成長/溶解するカルシウム系化合物近傍のイオン濃度分布変化 (2023)
  • Author(s): 川野潤, 松本信二, 長谷川晋一, 三木康誠, 杉浦悠紀, 丸山美帆子, 豊福高志, 永井隆哉
  • Organizer: 第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）
• [Presentation] 尿路結石の多重イメージング解析による結晶成長におけるタンパク質の機能解明 (2023)
  • Author(s): 田中勇太郎, 丸山美帆子, 岡田淳志, 古川善博, 門馬網一, 杉浦悠紀, 田尻理恵, 田中俊一, 高野和文, 塚本勝男, 吉村政志, 郡健二郎, 安井孝周, 森勇介, METEOR Projec
  • Organizer: 第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）
• [Presentation] Observation of phase transition of calcium oxalate in a human kidney stone for elucidation of the stone formation mechanism (2023)
  • Author(s): Uta Michibata, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Yutaro Tanaka, Koichi Momma, Rie Tajiri, Hiroshi Yoshikawa, Kazufumi Takano, Atsushi Okada, Takahiro Yasui, Kenjiro Kohri, Shigeyoshi Usami, Masashi Imanishi, Yusuke Mori
  • Organizer: nternational Conferrence on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamic observation of polymorphic phase transition of calcium oxalate crystals; A novel system to elucidate the process and kinetics of urinary stones formation (2023)
  • Author(s): Mihoko Maruyama, Shota Kusumi, Uta Michibata, Yutaro Tanaka, Koichi Momma, Yoshihiro Furukawa, Rie Tajiri, Katsuo Tsukamoto, Hiroshi Y. Yoshikawa, Kazufumi Takano, Kenjiro Kohri, Atsushi Okada, Takahiro Yasui, Shigeyoshi Usami, MayukiImanishi, Masashi Yoshimura, Yusuke Mori
  • Organizer: International Conferrence on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE20)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Growth Promotion of Targeted Crystal Faces of Organics Compounds and Proteins by Nano-Processing via Laser Ablation (2023)
  • Author(s): Hiroshi Y. Yoshikwa, Yuka Tsuri, Hozumi Takahashi, Megumi Shiraiwa, Yusuke Takaoka, Satomi Ebihara, Katsuo Tsukamoto, Takashi Onuma, Ryutaro Shimada, Tomohiko Tateshima, Kazufumi Takano, Hiroaki Adachi, Masashi Yoshimura, Yoichiroh Hosokawa, Seiichiro Nakabayashi, Mihoko Maruyama, Yusuke Mori
  • Organizer: International Conferrence on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Laser-Induced Crystallization Process of an Anthracene Observed by High-Speed Shadowgraphy (2023)
  • Author(s): Yuka Tsuri, Mihoko Maruyama, Katsuo Tsukamoto, Takashi Onuma, Ryutaro Shimada, Tomohiko Tateshima, Kazufumi Takano, Hiroaki Adachi, Masashi Yoshimura, Yoichiroh Hosokawa, Hiroshi Y. Yoshikawa, Yusuke Mori
  • Organizer: International Conferrence on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE20)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spatiotemporal Control of Ice Crystallization in Supercooled Water by Focused Irradiation with Laser Pulses (2023)
  • Author(s): Hozumi Takahashi, Tatsuya Kono, Kosuke Sawada, Satoru Kumano, Yuka Tsuri, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Daisuke Takahashi, Yukio Kawamura, Matsuo Uemura, Seiichiro Nakabayashi, Yusuke Mori, Yoichiroh Hosokawa, Hiroshi Y. Yoshikawa
  • Organizer: International Conferrence on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Validating the theory of phase transition from calcium oxalate dihydrate to monohydrate in the stone formation: the first artificial in vivo experiment (2023)
  • Author(s): Mihoko Maruyama, Uta Michibata, Yutaro Tanaka, Hiroshi Yoshikawa, Kazufumi Takano, Rie Tajiri, Kazumi Taguchi, Shuzo Hamamoto, Atsushi Okada, Takahiro Yasui, Shigeyoshi Usami, Masayuki Imanishi, Masashi Yoshimura, Yusuke Mori
  • Organizer: The 2023 AUA Annual Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elucidating the in vivo effects of calcium-binding proteins on crystal growth using a novel multifaceted structure analysis of human kidney stones (2023)
  • Author(s): Yutaro Tanaka, Atsushi Okada, Mihoko Maruyama, Yoshihiro Furukawa, Rie Tajiri, Shunichi Tanaka, Koichi Momma, Teruaki Sugino, Kazumi Taguchi, Shuzo Hamamoto, Yusuke Mori, Kenjiro Kohri, Takahiro Yasui
  • Organizer: The 110th Annual Meeting of the Japanese Urological Association
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-Speed Visualization of Concentration Field Associated with Laser-Induced Crystallization Process of an Anthracene (2022)
  • Author(s): Mihoko Maruyama, Yuka Tsuri, Hiroshi Y. Yoshikawa, Katsuo Tsukamoto, Takashi Onuma, Ryutaro Shimada, Tomohiko Tateshima, Kazufumi Takano, Hiroaki Adachi, Shigeyoshi Usami, Masayuki Imanishi, Masashi Yoshimura, Yusuke Mori
  • Organizer: 16th International Conference on Laser Ablation (COLA2021/2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 「第1回ダイバーシティ＆インクルージョン賞 女性研究者研究業績賞 受賞記念講演」有機結晶およびバイオミネラルの結晶成長機構の解明と結晶成長制御技術の開発 (2022)
  • Author(s): 丸山美帆子
  • Organizer: 第70回応用物理学会 春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 尿路結石の内部構造からみた ESWL破砕様式の違い (2022)
  • Author(s): 道端詩, 丸山美帆子, 杉浦悠紀, 濵本周造, 田尻理恵, 大橋一也, 河合辰哉, 岡田朋記, 吉村侑大, 吉川洋史, 高野和文, 岡田淳志, 吉村政志, 安井孝周, 森勇介, METEOR Projec
  • Organizer: 日本尿路結石症学会第32回学術集会
• [Presentation] 機械学習を用いた経皮的腎砕石術の再手術の必要性予測 (2022)
  • Author(s): 佐々木 勇和, Sahil Dwivedi, 丸山 美帆子, 安藤 亮介, 田口 和己, 濵本 周造, 吉村 政志, 安井 孝周, 森 勇介
  • Organizer: 日本尿路結石症学会第32回学術集会
• [Presentation] AIを用いた経皮的経尿道的同時砕石術後 に再発リスクの高い結石成分の同定 (2022)
  • Author(s): 丸山美帆子 , Sahil Dwived, 佐々木勇和，安藤亮介, 田口和己, 濵本周造, 高野和文，吉川洋史，吉村政志, 安井孝周, 森勇介， METEOR Project
  • Organizer: 日本尿路結石症学会第32回学術集会
• [Presentation] 尿路結石;形成機構の解明に向けた シュウ酸カルシウム結石における結晶相転移観察 (2022)
  • Author(s): 道端詩, 丸山美帆子, 吉村政志, 田中勇太朗, 田尻理恵, 吉川洋史, 高野和文, 岡田淳志, 安井孝周, 宇佐美茂佳, 今西正幸, 森勇介
  • Organizer: 第51回結晶成長国内会議
• [Remarks] Summer night festival - 人の尿路結石に見られる奇跡の美しさ -
  • URL: https://www.healthcare.nikon.com/ja/ss/joicoaward/award/award19/
• [Remarks] 地球・半導体・尿路結石……。 あらゆる領域の難問を、「結晶化」で解き明かす。
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/story/2023/OURG-02-03