ヒト幹細胞培養系に出現する異質細胞の非侵襲的検出法の開発とその出現機構の解明

• Project Area: Singularity biology
• Project/Area Number: 19H05418
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 難波 大輔 東京医科歯科大学, 難治疾患研究所, 准教授 (10380255)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2019: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 表皮幹細胞 / 機械学習 / 表皮角化幹細胞

Outline of Research at the Start

重度熱傷などへの再生医療に用いられている培養ヒト表皮幹細胞は、自己複製を繰り返しながら、幹細胞コロニーを形成する。しかしながら、突如として幹細胞コロニー内に自己複製能を消失した異質な細胞が生まれ、この均一な幹細胞集団内に生まれた一つの異質な細胞＝シンギュラリティ細胞が、幹細胞集団そのものを消失させる。本研究では、ヒト表皮幹細胞コロニーに突如現れる異質細胞を、非侵襲的に細胞運動速度の変化から検出する手法を開発し、異質細胞の出現時の環境を明らかにすることで、異質細胞出現機構を解明し、またヒト表皮幹細胞培養の品質管理法として応用することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

重度熱傷などへの再生医療に用いられている培養ヒト表皮幹細胞は、自己複製を繰り返しながら、幹細胞コロニーを形成する。しかしながら、突如として幹細胞コロニー内に自己複製能を消失した異質な細胞が生まれる。このような異質細胞が出現した幹細胞コロニーでは、連鎖的に他の多くの幹細胞が分裂停止し、分化した分裂停止コロニーへと形質転換する。すなわち、均一な幹細胞集団内に生まれた一つの異質な細胞＝シンギュラリティ細胞が、幹細胞集団そのものを消失させる。この異質細胞の出現は、再生医療の大きなリスクとなっている。異質細胞出現の機構は不明であるが、申請者らの研究から、異質細胞は細胞運動能が低下していることが明らかとなっている（Nanba et al., EMBO Mol. Med. 2013: Nanba et al., J. Cell Biol. 2015など）。

本研究では、深層学習による画像認識と、状態空間モデルによる物体追跡を組み合わせた新しい自動細胞追跡システム (Deep learning-based automated cell tracking: DeepACT)を開発することに成功した。このDeepACTを用いて、ヒト表皮細胞コロニーの個々の細胞の運動解析から、幹細胞コロニーに特徴的な細胞の運動パターンを同定した。さらに、速度の低下した異質細胞を非侵襲的に識別し、分裂停止に至るコロニーを事前に予測することに成功した。以上の成果を応用することで、異質細胞＝シンギュラリティ細胞の出現機構の解明が期待される。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Label-free quality control and identification of human keratinocyte stem cells by deep learning-based automated cell tracking (2021)
  • Author(s): Hirose T, Kotoku J, Toki F, Nishimura EK, Nanba D
  • Journal Title: Stem Cells Volume: in press Issue: 8 Pages: 1091-1100
  • DOI: 10.1002/stem.3371
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stem cell competition orchestrates skin homeostasis and ageing (2019)
  • Author(s): Liu N, Matsumura H, Kato T, Ichinose S, Takada A, Namiki T, Asakawa K, Morinaga H, Mohri Y, De Arcangelis A, Geroges-Labouesse E, Nanba D, Nishimura EK
  • Journal Title: Nature Volume: 568(7752) Issue: 7752 Pages: 344-350
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1085-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] IGF-1R Deficiency in Human Keratinocytes Disrupts Epidermal Homeostasis and Stem Cell Maintenance (2019)
  • Author(s): Muraguchi T, Nanba D, Nishimura EK, Tashiro T.
  • Journal Title: J Dermatol Sci Volume: 94 Issue: 2 Pages: 298-305
  • DOI: 10.1016/j.jdermsci.2019.05.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Noninvasive Measurement of Cell/Colony Motion Using Image Analysis Methods to Evaluate the Proliferative Capacity of Oral Keratinocytes as a Tool for Quality Control in Regenerative Medicine (2019)
  • Author(s): Hoshikawa E, Sato T, Kimori Y, Suzuki A, Haga K, Kato H, Tabeta K,?Nanba D, Izumi K.
  • Journal Title: J Tissue Eng Volume: 10 Pages: 204173141988152-204173141988152
  • DOI: 10.1177/2041731419881528
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Human keratinocyte stem cells: From cell biology to cell therapy. (2019)
  • Author(s): Nanba D.
  • Journal Title: J Dermatol Sci Volume: 96 Issue: 2 Pages: 66-72
  • DOI: 10.1016/j.jdermsci.2019.10.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Valve Interstitial Cell-Specific Cyclooxygenase-1 Associated With Calcification of Aortic Valves. (2019)
  • Author(s): Sakaue T, Hamaguchi M, Aono J, Nakashiro KI, Shikata F, Kawakami N, Oshima Y, Kurata M,?Nanba D, Masumoto J, Yamaguchi O, Higashiyama S, Izutani H.
  • Journal Title: Ann Thorac Surg Volume: S0003-4975 Issue: 1 Pages: 31717-5
  • DOI: 10.1016/j.athoracsur.2019.09.085
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Automated collective motion analysis validates human keratinocyte stem cell cultures. (2019)
  • Author(s): Kinoshita K, Munesue T, Toki F, Isshiki M, Higashiyama S, Barrandon Y, Nishimura EK, Yanagihara Y,?Nanba D.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 9 Issue: 1 Pages: 18725-18725
  • DOI: 10.1038/s41598-019-55279-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evaluation of the proliferative potential of skin keratinocytes and fibroblasts isolated from critical limb ischemia patients. (2019)
  • Author(s): Toki F,?Nanba D, Nishimura EK, Matsuzaki K.
  • Journal Title: Regen Ther Volume: 14 Pages: 222-226
  • DOI: 10.1016/j.reth.2020.03.016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Tracing stem cell motion in human keratinocyte colonies using deep learning-based object tracking (2019)
  • Author(s): Nanba D
  • Organizer: 1st Japan-Singapore International Skin Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Label-free identification of human keratinocyte stem cells by deep learning-based quantitative cell motion analysis. (2019)
  • Author(s): Nanba D, Hirose T, Toki F, Nishimura EK, Kotoku J.
  • Organizer: 49th Annual European Society for Dermatological Research (ESDR) Meeting
  • Int'l Joint Research