Characterization of blood-brain barrier (BBB), blood-arachnoid barrier (BAB), and blood-cerebrospinal fluid barrier (BCSFB) in human brain biometal dynamics

• Project Area: Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
• Project/Area Number: 22H04798
• 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: Hiroshima University (2023); Tohoku University (2022)
• Principal Investigator: 内田 康雄 広島大学, 医系科学研究科(薬), 教授 (70583590)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 血液クモ膜関門 / 血液脳脊髄液関門 / 血液脳関門 / SWATH / qGAP

Outline of Research at the Start

脳の金属動態といえば「血液脳関門」という認識が一般的であるが、これに加えて、脳の表面に存在するクモ膜上皮細胞（血液クモ膜関門）と脳室に存在する脈絡叢上皮細胞（血液脳脊髄液関門）が存在する。本研究では「脳表面、中心部と中間部の金属濃度は、それぞれ血液クモ膜関門、血液脳脊髄液関門と血液脳関門の金属輸送担体によって制御されている」という仮説を証明し、脳内金属濃度の変動に寄与する輸送分子機構を解明することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

膜タンパク質など、可溶化やトリプシン消化が難しいタンパク質についても、過小評価なく存在量を定量するため、前処理の段階で、大気圧の約3000倍の高圧と常圧を繰り返すバロサイクラーシステムを導入し、さらに、95度の高温下および強力な可溶化剤を併用することによって、ほぼロスなく、あらゆるタンパク質を定量できる実験系を確立した。複数の動物種について（植物、微生物、虫なども可能）、全2万タンパク質のうち、約10000種類のタンパク質の存在量を一斉定量できるようになった。ヒトの脳組織における血液脳関門・血液クモ膜関門・血液脳脊髄液関門における金属輸送体を独自構築した定量プロテオミクス手法を用いて解析した。血液脳関門では、FPN1，TfR1がFe輸送体として最も高発現していた。亜鉛輸送体として、ZNT1，ZIP10，ZIP8の高発現を同定した。血液脳関門と同様に、脊髄における関門として機能している血液脊髄関門においても、同様の金属輸送体の高発現が示された。血液脳脊髄液関門では、銅輸送体であるATP7A、ATP7B、CTR1，Hephの高発現が示された。血液クモ膜関門では、DcytB、DMT1，Cacna1cおよびZIP14の高発現が示され、Fe輸送が充実していることが示唆された。これまでの報告に基づくと、銅イオンは、脳室周辺組織に過剰に蓄積していることから、上述した銅イオン輸送体の局在と発現がこれに寄与していると考えらえる。Feは、脳表面に高濃度に存在するだけでなく、脳全体に存在する。脳表面は、血液クモ膜関門に存在する上記のFe輸送体の寄与が考えられ、脳全体としては血液脳関門のFPN1・TfR1の恒常的なFe供給の関与が示唆される。これまで、ヒトの脳内における金属動態の制御メカニズムは手付かずであったが、ヒト臨床脳組織検体を用いた高深度定量プロテオミクス解析によって、脳内の金属分布を初めて説明できる分子機構を解明できた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5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] スタンフォード大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ベーリンガーインゲルハイム(ドイツ)
• [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/アルトワ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] 東フィンランド大学(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] ベーリンガーインゲルハイム(ドイツ)
• [Journal Article] SWATH-MS法を利用した金属輸送体の機能解析 (2024)
  • Author(s): 赤井美月、川見昌史、内田康雄
  • Journal Title: 生体の科学 Volume: 75(2) Pages: 116-121
• [Journal Article] 血液クモ膜関門：血液脳関門とは異なる輸送分子機構をもつ新たな中枢関門 (2024)
  • Author(s): 前田祐希、川見昌史、内田康雄
  • Journal Title: 膜 Volume: 49(2) Pages: 99-106
• [Journal Article] 次世代型定量プロテオミクスによる中枢関門トランスポーター研究 (2023)
  • Author(s): 内田康雄
  • Journal Title: 薬剤学 Volume: 83(2) Pages: 72-77
• [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] 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] Regional Differences in the Absolute Abundance of Transporters, Receptors and Tight Junction Molecules at the Blood-Arachnoid Barrier and Blood-Spinal Cord Barrier among Cervical, Thoracic and Lumbar Spines in Dogs (2022)
  • Author(s): Takeuchi H, Suzuki M, Goto R, Tezuka K, Fuchs H, Ishiguro N, Terasaki T, Braun C, Uchida Y
  • Journal Title: Pharm Res Volume: 39(7) Issue: 7 Pages: 1393-1413
  • DOI: 10.1007/s11095-022-03275-1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Zinc transport via ZNT5-6 and ZNT7 is critical for cell surface glycosylphosphatidylinositol-anchored protein expression (2022)
  • Author(s): Wagatsuma Takumi、Shimotsuma Keiko、Sogo Akiko、Sato Risa、Kubo Naoya、Ueda Sachiko、Uchida Yasuo、Kinoshita Masato、Kambe Taiho
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 298 Issue: 6 Pages: 102011-102011
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Upregulation of ribosome complexes at the blood-brain barrier in Alzheimer's disease patients (2022)
  • Author(s): Suzuki M, Tezuka K, Handa T, Sato R, Takeuchi H, Takao M, Tano M, Uchida Y
  • Journal Title: J Cereb Blood Flow Metab Volume: 42(11) Issue: 11 Pages: 2134-2150
  • DOI: 10.1177/0271678x221111602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proteomics-based investigation of cerebrovascular molecular mechanisms in cerebral amyloid angiopathy by the FFPE-LMD-PCT-SWATH method (2022)
  • Author(s): Handa T, Sasaki H, Takao M, Tano M, Uchida Y
  • Journal Title: Fluids Barriers CNS Volume: 19(1) Issue: 1 Pages: 56-56
  • DOI: 10.1186/s12987-022-00351-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Targeted Absolute Proteomics for Better Characterization of an In Vitro Human Blood-Brain Barrier Model Derived from Hematopoietic Stem Cells (2022)
  • Author(s): Dehouck MP, Tachikawa M, Hoshi Y, Omori K, Maurage CA, Strecker G, Dehouck L, Boucau MC, Uchida Y, Gosselet F, Terasaki T, Karamanos Y
  • Journal Title: Cells Volume: 11(24) Issue: 24 Pages: 3963-3963
  • DOI: 10.3390/cells11243963
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 輸送に関わる分子とその機能 (2022)
  • Author(s): 赤川ラリブレダ、内田康雄
  • Journal Title: 中外医学社Clinical Neuroscience Volume: 40(12) Pages: 1531-1534
• [Presentation] 進行性核上性麻痺患者の次世代型網羅的タンパク質発現解析による病態分子機構の解明 (2024)
  • Author(s): 熊谷 雄太、川見 昌史、阿部 友里香、清水 宏、長井 淳、小野 麻衣子、高堂 裕平、内田 康雄
  • Organizer: 日本薬学会第144年会
• [Presentation] 病理標本定量プロテオミクスに基づくシヌクレイノパチー患者の前部帯状回における網羅的な病態分子機構の解明 (2024)
  • Author(s): 西村 柚奈、前田 祐希、川見 昌史、西尾 一真、田野 光敏、高尾 昌樹、内田 康雄
  • Organizer: 日本薬学会第144年会
• [Presentation] 高深度定量プロテオミクスに基づくアルツハイマー病患者の後部帯状回における病態分子機構の解明：運動野皮質との比較 (2024)
  • Author(s): 前田 祐希、川見 昌史、阿部 友里香、清水 宏、長井 淳、小野 麻衣子、高堂 裕平、内田 康雄
  • Organizer: 日本薬学会第144年会
• [Presentation] アルツハイマー病モデルマウスAPPNL-G-Fの海馬および大脳皮質のプロテオタイピングによるアストロサイト活性化機構の解明 (2024)
  • Author(s): 杉元 勇毅、前田 祐希、川見 昌史、阿部 友里香、清水 宏、長井 淳、小野 麻衣子、高堂 裕平、内田 康雄
  • Organizer: 日本薬学会第144年会
• [Presentation] 多階層オミクスデータを用いた薬物による肺毒性機構の解明 (2024)
  • Author(s): 赤井 美月、川見 昌史、湯元 良子、高野 幹久、内田 康雄
  • Organizer: 日本薬学会第144年会
• [Presentation] 肺胞マクロファージにおける細菌由来ペプチドによる自然免疫応答メカニズムの解明 (2024)
  • Author(s): 藤井 康介、竹内 裕孝、川見 昌史、湯元 良子、高野 幹久、内田 康雄
  • Organizer: 日本薬学会第144年会
• [Presentation] プロテオタイピングに基づくヒト血管内皮の臓器特異的性質の解明 (2024)
  • Author(s): 川見 昌史、藤本 宇宙、平良 怜雅、阿部 友里香、秋田 英万、内田 康雄
  • Organizer: 日本薬学会第144年会
• [Presentation] Next Generation Quantitative Proteomicsによって拓かれる中枢関門研究の新展開 (2024)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 第１４９回日本薬学会中国四国支部例会
  • Invited
• [Presentation] 次世代型定量プロテオミクスを用いた金属トラフィック研究 (2023)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 第23回 日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] 最新のタンパク質研究によって拓かれる次世代の中枢疾患治療 (2023)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 令和5年度ヒロシマ薬剤師研修会
  • Invited
• [Presentation] 膜タンパク質定量プロテオミクスによる中枢組織の輸送分子機構の解明 (2023)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 日本膜学会「第45年会」・「膜シンポジウム2023」合同大会
  • Invited
• [Presentation] Next generation quantitative proteomics opens up the new fields of CNS barrier studies (2023)
  • Author(s): Y. Uchida
  • Organizer: CVB2023 conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 次世代型定量プロテオミクスが拓く中枢関門研究の新地平 (2023)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 第6回日本質量分析学会東北談話会
  • Invited
• [Presentation] 新技術で拓かれる新たな中枢関門の正体 (2022)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 日本薬剤学会第37年会
  • Invited
• [Presentation] Next generation quantitative proteomics and its application to metal transport study (2022)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] 次世代型プロテオミクスで拓かれる新たな中枢関門の正体 (2022)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 第21 回医療薬学若手研究者セミナー
  • Invited
• [Presentation] 次世代型定量プロテオミクスによって拓かれる中枢関門研究の新地平 (2022)
  • Author(s): 内田康雄
  • Organizer: 学術変革領域「脳分子探査」セミナー
  • Invited
• [Presentation] 血液脳関門に高発現するトランスポーターMFSD10の新規基質探索 (2022)
  • Author(s): 赤川ラリブレダ、佐藤哲、神戸大朋 、内田康雄
  • Organizer: 第61回日本薬学会東北支部大会
• [Presentation] 血液脳関門 MFSD10 による薬物の脳移行性と中枢作用の制限 (2022)
  • Author(s): 佐藤哲、赤川ラリブレダ、内田康雄
  • Organizer: 第61回日本薬学会東北支部大会
• [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
• [Remarks] 研究室ホームページ（内田康雄）
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/pharm/research/lab/Molecular_Systems_Pharmaceutics
• [Remarks] 研究室ホームページ（内田康雄）
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/pharm/research/lab/Pharmaceutics_and_Therapeutics