Investigation of drug transport system at the human blood-brain barrier based on the reconstruction of multimolecular crowding transport system

• Project Area: Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems
• Project/Area Number: 18H04534
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 内田 康雄 東北大学, 薬学研究科, 講師 (70583590)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2018: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 輸送分子夾雑系 / 血液脳関門 / トランスポーター / プロテオミクス / タンパク質絶対発現量 / 再構築

Outline of Annual Research Achievements

P糖タンパク質（P-gp/MDR1/ABCB1）とBCRP/ABCG2は、代表的なトランスポーターの2つである。多くの薬物は、この二つのトランスポーターによって、排出輸送を受ける。そこで、2019年度は、先ず、複数のトランスポーターによって作り出される輸送分子夾雑系を解明する手法の確立のためのモデルとして、この2トランスポーターに焦点を当て、in vivoの輸送分子夾雑系を解明できるかどうかを検証した。P-gpとBCRPについて、高発現させたin vitro細胞株とその親細胞株（発現させていない）を用いて、典型的な基質に対する輸送速度を計測し、高発現株と親細胞株の差からトランスポーターの輸送活性を求めた。液体クロマトグラフィ接続型質量分析装置を用いて、その細胞株における該当トランスポータータンパク質の存在量を定量した。輸送活性を存在量で割ることによって、1 molあたりの輸送活性を解明した。1 molあたりの輸送活性を、マウスの血液脳関門におけるトランスポーターのタンパク質存在量(mol)と統合することによって、in vivo血液脳関門での輸送活性を再構築した。実測値（マウスで計測）と比較した結果、良好にin vivoの血液脳関門の透過速度を再構築できていることが実証された。ヒトへの応用性を検証するため、ヒトに近いカニクイザルで同様の検証を行った結果、良好な結果が得られたため、ヒトの血液脳関門の輸送分子夾雑システムを解明するための方法が確立された。酸化ストレス等の病態時の血液脳関門の分子機構も解明し、トランスポーターの輸送機能を構成する因子を解明できた。独自に開発した網羅的定量プロテオミクス技術によって、正常および中枢疾患時における血液脳関門で発現する輸送担体の種類と量を一挙に把握でき、上述の再構築法と組み合わせることで、ヒト血液脳関門の輸送システムを定量的に理解できるようになった。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学(スイス)
• [Int'l Joint Research] Cochin Institute/パリ第五大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] ヘルシンキ大学/東フィンランド大学(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] スタンフォード大学(米国)
• [Int'l Joint Research] Polish Academy of Sciences(ポーランド)
• [Int'l Joint Research] Cochin Institute/パリ第五大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学(スイス)
• [Journal Article] Distinct Transport Properties of Human Pannexin 1 and Connexin 32 Hemichannels. (2020)
  • Author(s): Tachikawa M, Akaogi R, Taii A, Akanuma SI, Uchida Y, Terasaki T.
  • Journal Title: J Pharm Sci. Volume: 109(3) Issue: 3 Pages: 1395-1402
  • DOI: 10.1016/j.xphs.2019.12.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Abundant Expression of OCT2, MATE1, OAT1, OAT3, PEPT2, BCRP, MDR1, and xCT Transporters in Blood-Arachnoid Barrier of Pig and Polarized Localizations at CSF- and Blood-Facing Plasma Membranes. (2020)
  • Author(s): Uchida Y, Goto R, Takeuchi H, Luczak M, Usui T, Tachikawa M, Terasaki T.
  • Journal Title: Drug Metab Dispos Volume: 48(2) Issue: 2 Pages: 135-145
  • DOI: 10.1124/dmd.119.089516
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Targeted Proteomics-Based Quantitative Protein Atlas of Pannexin and Connexin Subtypes in Mouse and Human Tissues and Cancer Cell Lines. (2020)
  • Author(s): Tachikawa M, Kaneko Y, Ohtsuki S, Uchida Y, Watanabe M, Ohtsuka H, Terasaki T.
  • Journal Title: J Pharm Sci. Volume: 109(2) Issue: 2 Pages: 1161-1168
  • DOI: 10.1016/j.xphs.2019.09.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparison of absolute protein abundances of transporters and receptors among blood-brain barriers at different cerebral regions and blood-spinal cord barrier in human and rat (2020)
  • Author(s): Y Uchida, Y Yagi, M Takao, M Tano, M Umetsu, S Hirano, T Usui, M Tachikawa, and T Terasaki
  • Journal Title: Mol Pharm Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 4つの中枢関門の分子機構の解明に基づくヒトの脳内薬物濃度の予測と中枢疾患の新たな創薬フィールドの開拓 (2020)
  • Author(s): 内田康雄
  • Journal Title: 薬事日報 Volume: 12286
• [Journal Article] Physiological and pharmacological roles of “Blood-Arachnoid Barrier”, a new interface of central nervous system: Importance of quantitative proteomics to open up a new world (2020)
  • Author(s): Y Uchida
  • Journal Title: Proteome Letters Volume: 1
  • NAID: 130007891646
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective Protein Expression Changes of Leukocyte-Migration-Associated Cluster of Differentiation Antigens at the Blood–Brain Barrier in a Lipopolysaccharide-Induced Systemic Inflammation Mouse Model without Alteration of Transporters, Receptors or Tight Junction-Related Protein (2019)
  • Author(s): Sato K, Tachikawa M, Watanabe M, Uchida Y, Terasaki T.
  • Journal Title: Biological and Pharmaceutical Bulletin Volume: 42 Issue: 6 Pages: 944-953
  • DOI: 10.1248/bpb.b18-00939
  • NAID: 130007657682
  • ISSN: 0918-6158, 1347-5215
  • Year and Date: 2019-06-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantitative Protein Expression in the Human Retinal Pigment Epithelium: Comparison Between Apical and Basolateral Plasma Membranes With Emphasis on Transporters. (2019)
  • Author(s): Hellinen L, Sato K, Reinisalo M, Kidron H, Rilla K, Tachikawa M, Uchida Y, Terasaki T, Urtti A.
  • Journal Title: Invest Ophthalmol Vis Sci Volume: 60(15) Issue: 15 Pages: 5022-5034
  • DOI: 10.1167/iovs.19-27328
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantification of ENT1 and ENT2 Proteins at the Placental Barrier and Contribution of These Transporters to Ribavirin Uptake. (2019)
  • Author(s): Nishimura T, Sano Y, Takahashi Y, Noguchi S, Uchida Y, Takagi A, Tanaka T, Katakura S, Nakashima E, Tachikawa M, Maruyama T, Terasaki T, Tomi M.
  • Journal Title: J Pharm Sci. Volume: 108(12) Issue: 12 Pages: 3917-3922
  • DOI: 10.1016/j.xphs.2019.09.005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Distinct roles of ezrin, radixin and moesin in maintaining the plasma membrane localizations and functions of human blood-brain barrier transporters (2019)
  • Author(s): Hoshi Yutaro、Uchida Yasuo、Kuroda Takashi、Tachikawa Masanori、Couraud Pierre-Olivier、Suzuki Takashi、Terasaki Tetsuya
  • Journal Title: Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism Volume: - Issue: 7 Pages: 1533-1545
  • DOI: 10.1177/0271678x19868880
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Toward a Consensus on Applying Quantitative Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry Proteomics in Translational Pharmacology Research: A White Paper. (2019)
  • Author(s): Prasad B, Achour B, Artursson P, Hop CECA, Lai Y, Smith PC, Barber J, Wisniewski JR, Spellman D, Uchida Y, Zientek MA, Unadkat JD, Rostami-Hodjegan A.
  • Journal Title: Clin Pharmacol Ther. Volume: 106(3) Issue: 3 Pages: 525-543
  • DOI: 10.1002/cpt.1537
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Amyloid beta(25-35) impairs docosahexaenoic acid efflux by down-regulating fatty acid transport protein 1 (FATP1/SLC27A1) protein expression in human brain capillary endothelial cells. (2019)
  • Author(s): Ochiai Y, Uchida Y, Tachikawa M, Couraud PO, Terasaki T.
  • Journal Title: J Neurochem. Volume: 150(4) Issue: 4 Pages: 385-401
  • DOI: 10.1111/jnc.14722
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Oxidative stress-induced activation of Abl and Src kinases rapidly induces P-glycoprotein internalization via phosphorylation of caveolin-1 on tyrosine-14, decreasing cortisol efflux at the blood-brain barrier (2019)
  • Author(s): Hoshi Y, Uchida Y, Tachikawa M, Ohtsuki S, Couraud PO, Suzuki T, Terasaki T
  • Journal Title: J Cereb Blood Flow Metab Volume: - Issue: 2 Pages: 420-436
  • DOI: 10.1177/0271678x18822801
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of blood-brain barrier-permeable proteins derived from peripheral organ: In vivo and in vitro evidence of blood-to-brain transport of creatine kinase (2019)
  • Author(s): Sato K, Tachikawa M, Watanabe M, Miyauchi E, Uchida Y, Terasaki T
  • Journal Title: Mol Pharm Volume: - Issue: 1 Pages: 247-257
  • DOI: 10.1021/acs.molpharmaceut.8b00975
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cluster of Differentiation 46 is the Major Receptor in Human Blood-Brain Barrier Endothelial Cells for Uptake of Exosomes Derived from Brain-Metastatic Melanoma Cells (SK-Mel-28) (2019)
  • Author(s): Kuroda H, Tachikawa M, Yagi Y, Umetsu M, Nurdin A, Miyauchi E, Watanabe M, Uchida Y, Terasaki T.
  • Journal Title: Mol. Pharm. Volume: 16 Issue: 1 Pages: 292-304
  • DOI: 10.1021/acs.molpharmaceut.8b00985
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Involvement of Claudin-11 in Disruption of Blood-Brain, -Spinal Cord, and -Arachnoid Barriers in Multiple Sclerosis (2019)
  • Author(s): Uchida Y, Sumiya T, Tachikawa M, Yamakawa T, Murata S, Yagi Y, Sato K, Stephan A, Ito K, Ohtsuki S, Couraud PO, Suzuki T, Terasaki T.
  • Journal Title: Mol. Neurobiol, Volume: 56 Issue: 3 Pages: 2039-2056
  • DOI: 10.1007/s12035-018-1207-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 中枢疾患時の血液脳関門P糖タンパク質の機能変動機構の解明と中枢関門創薬への新展開 (2019)
  • Author(s): 内田康雄、臼井拓也、寺崎哲也
  • Journal Title: 医学のあゆみ Volume: 271(1) Pages: 104-111
• [Journal Article] 次世代型定量プロテオミクスに基づく中枢関門の新規密着結合分子の同定および多発性硬化症の中枢関門破綻への関与 (2019)
  • Author(s): 内田康雄
  • Journal Title: ファルマシア Volume: 55 Pages: 320-324
  • NAID: 130007621940
• [Journal Article] Uniprotデータベース (2019)
  • Author(s): 内田康雄
  • Journal Title: ファルマシア Volume: 55
  • NAID: 130007621935
• [Journal Article] 輸送分子夾雑系の再構築に基づくヒト血液脳関門の薬物輸送システムの解明 (2019)
  • Author(s): 内田康雄
  • Journal Title: CMCB NEWS LETTER Volume: -
• [Journal Article] Selective Protein Expression Changes of Leukocyte-Migration-Associated Cluster of Differentiation Antigens at the Blood-Brain Barrier in a Lipopolysaccharide-Induced Systemic Inflammation Mouse Model without Alteration of Transporters, Receptors or Tight Junction-Related Protein (2019)
  • Author(s): Sato K, Tachikawa M, Watanabe M, Uchida Y, Terasaki T
  • Journal Title: Biol Pharm Bull Volume: -
  • NAID: 130007657682
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] SWATH-MS法って何？優れた定量精度・感度・網羅性を兼ね備えた次世代型定量プロテオミクス (2018)
  • Author(s): 内田康雄
  • Journal Title: 薬剤学 Volume: 78(5) Pages: 228-234
  • NAID: 130007480620
• [Presentation] 定量プロテオミクスに基づく血液脳関門の輸送機能および病態変動機構の解明 (2020)
  • Author(s): 内田康雄（日本薬学会奨励賞受賞講演）
  • Organizer: 日本薬学会 第140年会
  • Invited
• [Presentation] 定量プロテオミクスを用いたヒト脈絡叢における膜タンパク質の網羅的発現解析 (2020)
  • Author(s): 臼井拓也、内田康雄、後藤諒平、三城智人、田野光敏、高尾昌樹、寺崎哲也
  • Organizer: 日本薬学会 第140年会
• [Presentation] SWATH定量プロテオミクスに基づくヒト小児てんかんの焦点部位における血液脳関門と脳実質組織の病態変動機構の網羅的解明 (2020)
  • Author(s): 佐藤理沙、内田康雄、大森広太郎、梅津美奈、Gerald Grant、Brenda Porter、Anthony Bet、立川正憲、臼井拓也、寺崎哲也
  • Organizer: 日本薬学会 第140年会
• [Presentation] 定量プロテオミクスによるヒト血液クモ膜関門における薬物輸送担体及び薬物代謝酵素の発現量解析 (2020)
  • Author(s): 竹内妃奈、内田康雄、後藤諒平、臼井拓也、田野光敏、高尾昌樹、寺崎哲也
  • Organizer: 日本薬学会 第140年会
• [Presentation] Laser Microdissectionを用いたホルマリン固定パラフィン包埋切片の病変部位特異的なプロテオミクス定量系の確立：胆管結紮マウス肝臓のタンパク質発現量変動解析 (2020)
  • Author(s): 半田拓巳、内田康雄、佐々木颯、臼井拓也、寺崎哲也
  • Organizer: 日本薬学会 第140年会
• [Presentation] Key Issues and Our Solutions in Transporter Proteomics (2019)
  • Author(s): Y Uchida
  • Organizer: The Seminar of University of Eastern Finland, School of Pharmacy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Blood-brain barrier P-glycoprotein activation as a new potential therapy of brain infarct (2019)
  • Author(s): Y Uchida
  • Organizer: 34th JSSX annual conference
  • Invited
• [Presentation] Discovery of up- or down-regulated proteins in recurrent glioblastoma by SWATH-MS analysis (2019)
  • Author(s): S Kawarada, Y Uchida, S Tamai, M Nakada, T Terasaki
  • Organizer: 34th JSSX annual conference
  • Invited
• [Presentation] Anti-epileptic drug metabolizing enzymes are upregulated at the blood-brain barrier in pharmacoresistant childhood epilepsy: SWATH-based comprehensive quantitative proteomic study (2019)
  • Author(s): R Sato, Y Uchida, K Omori, M Umetsu, G Grant, B Porter, A Bet, M Tachikawa, T Usui, and T Terasaki
  • Organizer: 34th JSSX annual conference
• [Presentation] OCT2 protein is expressed in CSF side of the porcine blood-arachnoid barrier, while MATE1 is in blood side: Application of qTAP to transporter localization (2019)
  • Author(s): H Takeuchi, Y Uchida, R Goto, M Luczak, T Usui and T Terasaki
  • Organizer: 34th JSSX annual conference
• [Presentation] Next generation quantitative proteomics “SWATH-MS法” (2019)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 東京大学大学院薬学系研究科セミナー
  • Invited
• [Presentation] 網羅的かつ高精度なトランスポーター基質探索に向けたカクテル輸送実験におけるSWATH一斉定量法の評価 (2019)
  • Author(s): 笠森なな、内田康雄、寺崎哲也
  • Organizer: 日本薬剤学会第34年会
• [Presentation] 網羅的定量プロテオミクスSWATH法を用いた神経膠芽腫における初発と再発腫瘍組織のタンパク質発現解析 (2019)
  • Author(s): 川原田翔平、内田康雄、玉井翔、中田光俊、寺崎哲也
  • Organizer: 日本薬剤学会第34年会
• [Presentation] 脈絡叢と脳軟髄膜の標的プロテオミクス解析：ブタ1 頭あたりの脈絡叢と脳軟髄膜におけるトランスポータータンパク質の発現量解析と膜タンパク質の膜局在の網羅的解明 (2019)
  • Author(s): 後藤諒平、内田康雄、竹内妃奈、Magdalena Luczak、臼井拓也、立川正憲、寺崎哲也
  • Organizer: 第41回生体膜と薬物の相互作用シンポジウム
• [Presentation] 薬剤耐性型てんかん患者の血液脳関門で薬物代謝酵素が発現上昇する。 (2019)
  • Author(s): 佐藤理沙、内田康雄、大森広太郎、梅津美奈、Gerald Grant、Brenda Porter、Anthony Bet、立川正憲、臼井拓也、寺崎哲也
  • Organizer: 第58回日本薬学会東北支部大会
• [Presentation] ブタ血液クモ膜関門におけるトランスポーター13分子の局在一斉解明 (2019)
  • Author(s): 竹内妃奈、内田康雄、後藤諒平、Magdalena Luczak、臼井拓也、寺崎哲也
  • Organizer: 第58回日本薬学会東北支部大会
• [Presentation] 輸送分子夾雑系の再構築に基づくヒト血液脳関門の薬物輸送システムの解明 (2019)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 新学術領域研究「分子夾雑の生命化学」平成３１年度 領域会議
• [Presentation] 膜タンパク質に対する網羅的なタンパク質絶対定量法 “QGAP 法 ” の開発：ヒト血液脳関門における網羅的な絶対発現量アトラス (2019)
  • Author(s): 平野誠巳, 内田康雄, 梅津美奈, 後藤諒平, 八木悠太, 立川正憲, 田野光敏, 高尾昌樹, 寺崎哲也
  • Organizer: 日本薬学会第139年会
• [Presentation] 量プロテオミクスによるヒト血液脊髄関門における膜タンパク質の定量的発現プロファイルの解明 (2019)
  • Author(s): 八木悠太, 内田康雄, 梅津美奈, 平野誠巳, 立川正憲, 田野光敏, 高尾昌樹, 寺崎哲也
  • Organizer: 日本薬学会第139年会
• [Presentation] Uchida Y, Membrane Enrichment and Sample Preparation for Targeted Proteomics (2018)
  • Author(s): Uchida Y
  • Organizer: ISSX Workshop on LC-MS proteomics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Next generation quantitative proteomics “SWATH-MS法” (2018)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: Mass Spectrometry and Proteomics 2018 (MSP2018)
  • Invited
• [Presentation] SWATH-MSプロテオミクスによる網羅的かつ高精度なバイオマーカー探索と定量 (2018)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 第45回BMSコンファレンス（BMS2018）
  • Invited
• [Presentation] 次世代型定量プロテオミクスに基づく中枢疾患創薬のための薬物中枢移行性の制御機構の解明と中枢移行性予測 (2018)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 武田薬品工業株式会社湘南研究所セミナー
  • Invited
• [Book] Blood-arachnoid barrier as a dynamic physiological and pharmacological interface between cerebrospinal fluid and blood (2020)
  • Author(s): Y Uchida, R Goto, T Usui, M Tachikawa and T Terasaki
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 研究室ホームページ（内田康雄）
  • URL: http://www.pharm.tohoku.ac.jp/~soutatsu/dds/profile/uchida.htm