Reconstruction of in vivo function of metal transport system toward elucidation of human metal kinetics

• Project Area: Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
• Project/Area Number: 20H05495
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 内田 康雄 東北大学, 薬学研究科, 講師 (70583590)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 臨床金属動態学 / 定量プロテオミクス / 血液脳関門 / 金属動態メカニズム / 再構築戦略 / ZNT / GPIアンカータンパク質 / SWATH法 / セレノプロテイン / 新貴金属トランスポーター / 亜鉛 / 鉄

Outline of Research at the Start

金属元素の体内動態研究は、主にげっ歯類を用いて行われてきた。しかし、金属元素は疾患と密接に関係しており、その異常が疾患の発症・進行に結び付くことから、ヒトでの研究が必要である。本研究では、ヒトの動態制御組織における金属輸送担体のタンパク質存在量およびそれらのげっ歯類との種差を定量的に解明するとともに、金属動態の分子機構を解明することを目的とする。これによって、ヒトの金属動態に関する新学問領域「臨床金属動態学」の基盤を構築し、「臨床金属動態学」の重要性を世界に発信する。

Outline of Annual Research Achievements

血液脳関門の金属輸送をモデルとして、タンパク質存在量（mole）と単分子輸送活性（/mole）の統合によって、マウスの血液脳関門における金属輸送担体の輸送活性を再構築し、実測値と比較した。単分子あたりの輸送活性は、血液脳関門モデル細胞を用いて計測した。In vivo血液脳関門におけるタンパク質発現量を統合することによって血液脳関門の金属透過速度について再構築した結果は、マウスにおける透過速度の実測値とほぼ一致することが示され、in vivoの金属輸送速度を再構築できることが証明された。
ヒト病態組織への応用として、ホルマリン固定パラフィン包埋（FFPE）組織における金属輸送担体の定量技術を開発した。従来法では、FFPE組織における定量結果は新鮮組織を全く反映しなかったが、技術改良によって新鮮組織における定量結果を良好に反映する網羅的タンパク質定量技術を開発することに成功した。ヒト病態組織における複数種類の金属輸送担体の定量に成功し、in vitro系で計測された単分子輸送活性と統合することによって、ヒトのin vivoの金属輸送担体の輸送活性を再構築できるようになった。
さらに、独自の定量プロテオミクスを用いた複数の領域内共同研究を実施し、成果の一例として、オルガネラの内腔に亜鉛を供給する初期分泌経路のZNT (ZNT5-ZNT6 heterodimer (ZNT5-6) およびZNT7 homodimer (ZNT7))が、細胞表面でのGPIアンカータンパク質の発現に必須であることを発見した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3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] コシャン研究所/パリ第五大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] 東フィンランド大学/ヘルシンキ大学(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] スイス連邦工科大学(スイス)
• [Int'l Joint Research] コシャン研究所/パリ第五大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] 東フィンランド大学/ヘルシンキ大学(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] スタンフォード大学(米国)
• [Journal Article] A Human Blood-Arachnoid Barrier Atlas of Transporters, Receptors, Enzymes, Tight Junction and Marker Proteins: Comparison with Dog and Pig in Absolute Abundance (2022)
  • Author(s): Uchida Y, Takeuchi H, Goto R, Braun C, Fuchs H, Ishiguro N, Takao M, Tano M, Terasaki T
  • Journal Title: J Neurochem Volume: - Issue: 2 Pages: 187-208
  • DOI: 10.1111/jnc.15599
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SWATH-Based Comprehensive Determination of the Localization of Apical and Basolateral Membrane Proteins Using Mouse Liver as a Model Tissue (2022)
  • Author(s): Hirano S, Goto R, Uchida Y
  • Journal Title: Biomedicines Volume: 10(2) Issue: 2 Pages: 383-383
  • DOI: 10.3390/biomedicines10020383
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Activation of Annexin A2 signaling at the blood-brain barrier in a mouse model of multiple sclerosis (2022)
  • Author(s): Tezuka K, Suzuki M, Sato R, Kawarada S, Terasaki T, Uchida Y
  • Journal Title: J Neurochem Volume: 160(6) Issue: 6 Pages: 662-674
  • DOI: 10.1111/jnc.15578
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pharmacoproteomics of Brain Barrier Transporters and Substrate Design for the Brain Targeted Drug Delivery (2022)
  • Author(s): Huttunen KM, Terasaki T, Urtti A, Montaser AB, Uchida Y
  • Journal Title: Pharm Res Volume: - Issue: 7 Pages: 1363-1392
  • DOI: 10.1007/s11095-022-03193-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification and Validation of Combination Plasma Biomarker of Afamin, Fibronectin and Sex Hormone-Binding Globulin to Predict Pre-eclampsia (2021)
  • Author(s): Uchida Y, Higuchi T, Shirota M, Kagami S, Saigusa D, Koshiba S, Yasuda J, Tamiya G, Kuriyama S, Kinoshita K, Yaegashi N, Yamamoto M, Terasaki T, Sugawara J
  • Journal Title: Biological and Pharmaceutical Bulletin Volume: 44 Issue: 6 Pages: 804-815
  • DOI: 10.1248/bpb.b20-01043
  • NAID: 130008046709
  • ISSN: 0918-6158, 1347-5215
  • Year and Date: 2021-06-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Proteomics-Based Blood–Brain Barrier Study (2021)
  • Author(s): Uchida Y.
  • Journal Title: Biological and Pharmaceutical Bulletin Volume: 44 Issue: 4 Pages: 465-473
  • DOI: 10.1248/bpb.b21-00001
  • NAID: 130008014244
  • ISSN: 0918-6158, 1347-5215
  • Year and Date: 2021-04-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An Atlas of the Quantitative Protein Expression of Anti- Epileptic-Drug Transporters, Metabolizing Enzymes and Tight Junctions at the Blood-Brain Barrier in Epileptic Patients (2021)
  • Author(s): Sato R, Ohmori K, Umetsu M, Takao M, Tano M, Grant G, Porter B, Bet A, Terasaki T, Uchida Y
  • Journal Title: Pharmaceutics Volume: 13(12) Issue: 12 Pages: 2122-2122
  • DOI: 10.3390/pharmaceutics13122122
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gelsolin inhibits malignant phenotype of glioblastoma and is regulated by miR-654-5p and miR-450b-5p. (2020)
  • Author(s): Zhang J, Furuta T, Sabit H, Tamai S, Jiapaer S, Dong Y, Kinoshita M, Uchida Y, Ohtsuki S, Terasaki T, Zhao S, Nakada M.
  • Journal Title: Cancer Sci Volume: 111(7) Issue: 7 Pages: 2413-2422
  • DOI: 10.1111/cas.14429
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Establishment and validation of highly accurate formalin-fixed paraffin-embedded quantitative proteomics by heat- compatible pressure cycling technology using phase-transfer surfactant and SWATH-MS. (2020)
  • Author(s): Uchida Y, Sasaki H, Terasaki T.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 10(1) Issue: 1 Pages: 11271-11271
  • DOI: 10.1038/s41598-020-68245-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Multipotential of Leucine-Rich α-2 Glycoprotein 1 as a Clinicopathological Biomarker of Glioblastoma. (2020)
  • Author(s): Furuta T, Sugita Y, Komaki S, Ohshima K, Morioka M, Uchida Y, Tachikawa M, Ohtsuki S, Terasaki T, Nakada M.
  • Journal Title: J Neuropathol Exp Neurol Volume: 79(8) Issue: 8 Pages: 873-879
  • DOI: 10.1093/jnen/nlaa058
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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): Uchida Y, Yagi Y, Takao M, Tano M, Umetsu M, Hirano S, Usui T, Tachikawa M, Terasaki T.
  • Journal Title: Mol Pharm Volume: 17(6) Issue: 6 Pages: 2006-2020
  • DOI: 10.1021/acs.molpharmaceut.0c00178
  • 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: 5(1) Pages: 1-11
  • NAID: 130007891646
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 亜鉛輸送をはじめとする肝臓トランスポーター群のタンパク質絶対発現量と局在の網羅的解明 (2021)
  • Author(s): 内田 康雄, 平野 誠巳, 寺崎 哲也
  • Organizer: 生命金属科学 夏の合宿
• [Presentation] ヒト、ブタ血液クモ膜関門におけるタンパク質発現量解析及び輸送担体細胞膜局在の一斉解明 (2021)
  • Author(s): 竹内妃奈、後藤諒平、Magdalena Luczak、臼井拓也、田野光敏、高尾昌樹、寺崎哲也、内田康雄
  • Organizer: 日本医用マススペクトル学会第46回年会
• [Presentation] quantitative Global Absolute Proteomics （qGAP）法を用いたヒト脳毛細血管内皮細胞株（hCMEC/D3細胞）のヒト血液脳関門モデルとしての特性評価 (2021)
  • Author(s): 平良怜雅、平野誠巳、池田千絵美、田野光敏、高尾昌樹、寺崎哲也、内田康雄
  • Organizer: 日本薬剤学会第36年会
• [Presentation] アルツハイマー病患者の血液脳関門におけるグルコース・アミノ酸トランスポーターのタンパク質発現上昇 (2021)
  • Author(s): 鈴木諒良、田野光敏、高尾昌樹、内田康雄
  • Organizer: 日本薬剤学会第36年会
• [Presentation] 中枢関門における創薬標的を探索するための方法論の構築 (2021)
  • Author(s): 手塚健太、内田康雄
  • Organizer: 日本薬剤学会第36年会
• [Presentation] Central nervous system (CNS) barrier-targeting drug discovery as a new strategy for CNS disorder treatment: An example of multiple sclerosis (2021)
  • Author(s): Kenta Tezuka, Masayoshi Suzuki, Risa Sato, Shohei Kawarada, Tetsuya Terasaki and Yasuo Uchida
  • Organizer: 36th JSSX Annual meeting
  • Invited
• [Presentation] トランスフェリン受容体結合性ペプチドのretro-enantio 体(D-THRre)の血液脳関門透過性の解析 (2021)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 新学術領域「生命金属科学」領域会議 第一回地方巡業
• [Presentation] 網羅的定量プロテオミクスSWATH法を用いた多発性硬化症モデルマウスの血液脳関門におけるタンパク質発現量プロファイルの解明 (2021)
  • Author(s): 手塚健太、内田康雄
  • Organizer: 日本薬学会 第141年会
• [Presentation] quantitative Global Absolute Proteomics (qGAP)法によるヒト脳毛細血管内皮細胞株（hCMEC/D3細胞）のヒト血液脳関門モデルとしての特性評価 (2021)
  • Author(s): 平良怜雅、平野誠巳、池田千絵美、田野光敏、高尾昌樹、寺崎哲也、内田康雄
  • Organizer: 日本薬学会 第141年会
• [Presentation] SWATH法を用いたアルツハイマー病患者の血液脳関門におけるタンパク質発現量変動の解明 (2021)
  • Author(s): 鈴木諒良、田野光敏、高尾昌樹、内田康雄
  • Organizer: 日本薬学会 第141年会
• [Presentation] 神経膠芽腫の初発・再発診断マーカーとしての血漿中LRG1の有用性の検証 (2021)
  • Author(s): 川原田翔平、玉井翔、寺崎哲也、中田光俊、内田康雄
  • Organizer: 日本薬学会 第141年会
• [Presentation] パラフィン切片プロテオタイピングによるアミロイド血管症の脳血管における病態分子機構の解明 (2021)
  • Author(s): 半田拓巳、佐々木颯、田野光敏、高尾昌樹、寺崎哲也、内田康雄
  • Organizer: 日本薬学会 第141年会
• [Presentation] Next generation quantitative proteomics “SWATH-MS法” (2020)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 新学術領域研究「生命金属科学」オンラインセミナー
• [Presentation] (永井財団大学院学生スカラシップ採択）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網羅的発現量解析 (2020)
  • Author(s): 竹内妃奈、臼井拓也、後藤諒平、田野光敏、高尾昌樹、寺崎哲也、内田康雄
  • Organizer: 日本薬剤学会第35年会
• [Presentation] ヒト血液脳脊髄液関門を介した高分子輸送経路の網羅的探索: 脳室への薬物送達における葉酸受容体αの有用性 (2020)
  • Author(s): 臼井拓也、竹内妃奈、平野誠巳、三城智人、後藤諒平、田野光敏、高尾昌樹、寺崎哲也、内田康雄
  • Organizer: 日本薬剤学会第35年会
• [Presentation] Next generation quantitative proteomics opens up the new fields of CNS barrier studies (2020)
  • Author(s): Y Uchida
  • Organizer: Cerebral Vascular Biology Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] Drug Delivery to the Brain - Physiological Concepts, Methodologies and Approaches - The second edition (2022)
  • Author(s): Y Uchida, R Goto, T Usui, M Tachikawa and T Terasaki
  • Total Pages: 812
  • Publisher: Springer
• [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/drug_design/
• [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