アップコンバージョン効果による近赤外オプトジェネティクス

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K15025
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 八尾 寛 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (00144353)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: オプトジェネティクス / ナノ科学 / ナノ粒子 / アップコンバージョン / チャネルロドプシン / 近赤外光 / 神経科学 / 光操作

Outline of Annual Research Achievements

非侵襲的に神経活動をコントロールすることは神経回路の生理機構の解明にとって重要なだけではなく、神経疾患に対する長期間の治療にも応用できる可能性が展望される。近赤外光は、生体組織による吸収が低いため、生体深部の光操作に理想的である。希土類元素混合物の結晶体のランタニドナノ粒子（LNP）は、近赤外光エネルギーを吸収し、可視光を発光する性質（アップコンバージョン現象）を有している。本研究においては、LNPをドナーとして近赤外光エネルギーを可視光に変換し、チャネルロドプシンなどの光感受性タンパク質をアクセプターとして神経細胞を制御するシステムの構築と最適化に成功した(Sci Rep, 2015)。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

市販のLNPとして広く用いられているLNP:LiYF4(Yb/Er 20/2)は、545 nmにおいて最大の発光を有している。したがって、545 nm付近の光に対する感度の高いC1V1（ピーク吸光波長：539 nm）がLNP:LiYF4(Yb/Er 20/2)のアップコンバージョンに最適化されていることを明らかにした。ドナーLNPをコーティングしたシャーレ上でラット大脳皮質や海馬のニューロンの初代培養を作製し、リン酸カルシウム法により、アクセプター分子を発現させる。whole-cell patch clamp下で、近赤外レーザー（976 nm）をパルス照射し、光電流を計測するとともにcurrent clampモードで膜電位を計測し、活動電位誘発に必要なレーザーパワーでは、照射部の温度上昇の影響がほとんど認められなかった。

Strategy for Future Research Activity

（１）てんかんモデル：　前年度の研究において最適化されたチャネルロドプシンを組込んだAAVウイルスベクターを作製する。LNPとAAVを混合し、マウスまたはラットの海馬歯状回に投与する。ガラス管電極に、可視光レーザーと近赤外レーザーのファイバーを挿入したオプトロードを、LNP/AAV投与部位に設置し、局所場電位を計測する。また、EEG, EMGを同時計測する。可視光レーザーの反復光刺激(10 Hz)により、てんかん様けいれん活動を確認したのち、近赤外レーザーの反復光刺激(10 Hz)に対する応答を検証する。さらに、ファイバーと計測部位の距離を延長し、最終的には、脳表、経頭蓋の照射に対する応答を検証する。
（２）パーキンソン病モデルの脳深部刺激（Deep Brain Stimulation; DBS）：　マウスのパーキンソン病モデルを用いて、近赤外光によるDBSを試みる。アクセプターチャネルロドプシンをマウスin uteroエレクトロポーレーション法により、大脳基底核ニューロンに発現させる。6-OHDA投与で片側パーキンソン病症状を発現させたのち、にLNPを投与し、可視光レーザーと近赤外レーザーのファイバーを挿入する。可視光レーザーの高頻度光刺激(100 Hz)による症状改善と、低頻度光刺激(20 Hz)による症状亢進を確認したのち、近赤外レーザーの反復光刺激に対する応答を検証する。さらに、ファイバーと計測部位の距離を延長し、最終的には、脳表、経頭蓋の照射に対する応答を検証する。

Research Products

• [Journal Article] The regulatory mechanism of ion permeation through a channelrhodopsin derived from Mesostigma viride (MvChR1). (2016)
  • Author(s): Watanabe S, Ishizuka T, Hososhima S, Zamani A, Hoque MR, Yawo H.
  • Journal Title: Photochem Photobiol Sci. Volume: 15 Pages: 365-374
  • DOI: 10.1039/c5pp00290g
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump. (2015)
  • Author(s): Kato, H. E., Inoue, K., Abe-Yoshizumi, R., Kato, Y., Ono, H., Konno, M., Ishizuka, T., Hoque, M. R., Hososhima, S., Kunitomo, H., Ito, J., Yoshizawa, S., Yamashita, K., Takemoto, M., Nishizawa, T., Taniguchi, R., Kogure, K., Maturana, A. D., Iino, Yuichi., Yawo, H., Ishitani, R., Kandori, H., Nureki, O.
  • Journal Title: Nature Volume: 521 Pages: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chimeras of channelrhodopsin-1 and -2 from Chlamydomonas reinhardtii exhibit distinctive light-induced structural changes from channelrhodopsin-2. (2015)
  • Author(s): Inaguma A, Tsukamoto H, Kato HE, Kimura T, Ishizuka T, Oishi S, Yawo H, Nureki O, Furutani Y.
  • Journal Title: J Biol Chem. Volume: 290 Pages: 11623-11634
  • DOI: 10.1074/jbc.M115.642256
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Loss of α1,6-Fucosyltransferase Decreases Hippocampal Long Term Potentiation: IMPLICATIONS FOR CORE FUCOSYLATION IN THE REGULATION OF AMPA RECEPTOR HETEROMERIZATION AND CELLULAR SIGNALING. (2015)
  • Author(s): Gu W, Fukuda T, Isaji T, Hang Q, Lee HH, Sakai S, Morise J, Mitoma J, Higashi H, Taniguchi N, Yawo H, Oka S, Gu J.
  • Journal Title: J Biol Chem. Volume: 290 Pages: 17566-17575
  • DOI: 10.1074/jbc.M114.579938
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Phox2b BAC Transgenic Rat Line Useful for Understanding Respiratory Rhythm Generator Neural Circuitry. (2015)
  • Author(s): Ikeda K, Takahashi M, Sato S, Igarashi H, Ishizuka T, Yawo H, Arata S, Southard-Smith EM, Kawakami K, Onimaru H.
  • Journal Title: PLoS One. Volume: 10 Pages: e0132475
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0132475
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Membrane depolarization regulates intracellular RANKL transport in non-excitable osteoblasts. (2015)
  • Author(s): Notomi T, Kuno M, Hiyama A, Ezura Y, Honma M, Ishizuka T, Ohura K, Yawo H, Noda M.
  • Journal Title: Bone Volume: 81 Pages: 306-314
  • DOI: 10.1016/j.bone.2015.07.031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Near-infrared (NIR) up-conversion optogenetics. (2015)
  • Author(s): Hososhima S, Yuasa H, Ishizuka T, Hoque MR, Yamashita T, Yamanaka A, Sugano E, Tomita H, Yawo H.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 5 Pages: 16533
  • DOI: 10.1038/srep16533
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 生命機能の光エンジニアリング (2015)
  • Author(s): 石塚徹、江川遼、梅田桂子、東海林亙、八尾寛
  • Journal Title: 生物物理 Volume: 55 Pages: 311-316
  • DOI: 10.2142/biophys.55.3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 「巻頭言」光と生命の融合 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Journal Title: 光学 Volume: 44 Pages: 415-415
• [Journal Article] オプトジェネティクス（光遺伝学）の情報革命 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Journal Title: 化学と工業 Volume: 68 Pages: 1012-1017
• [Presentation] ウィスカ―バレル野の感覚入力における時空間パターン弁別 (2016)
  • Author(s): 阿部健太、八尾 寛
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22 – 2016-03-24
• [Presentation] All-optical approach to study signal integration in the somatosensory cortex of mouse (2016)
  • Author(s): Koizumi, K., Sato, M., Ohkura, M., Nakai, J., Hayashi, Y., Yawo, H.
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22 – 2016-03-24
• [Presentation] Near-infared (NIR) up-conversion optogenetics for neural manipulation (2016)
  • Author(s): Shoko Hososhima, Hideya Yuasa, Eriko Sugano, Hiroshi Tomita, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第93回日本生理学会大会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-03-22 – 2016-03-24
• [Presentation] Involvement of caspase system in the regulation of axon arborization during early developmental stages of chick ciliary ganglion (2016)
  • Author(s): H. Katow, T. Ishizuka, and H. Yawo
  • Organizer: Dissecting and Understanding Mechanisms for Functional Shift of Brain Network
  • Place of Presentation: 同志社大学（京都府・京都市）
  • Year and Date: 2016-03-03 – 2016-03-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] オプトジェネティクス（光遺伝学）～光による生命機能制御～ (2016)
  • Author(s): 八尾 寛
  • Organizer: 分子ナノテクノロジー第174委員会 第53回研究会
  • Place of Presentation: 京都大学東京品川オフィス（東京都・港区）
  • Year and Date: 2016-03-02 – 2016-03-02
  • Invited
• [Presentation] Near-infrared (NIR) light control of neural activities using up-conversion of lanthanide nanoparticles (2015)
  • Author(s): Shoko Hososhima, Hideya Yuasa, Toru Ishizuka, Mohammad Razuanul Hoque, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第7回光操作研究会国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京医科歯科大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2015-12-04 – 2015-12-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel transgenic animals for tracing and optogenetics -Flame rats and bistable ChR reporter rats- (2015)
  • Author(s): H. IGARASHI, K. KOIZUMI, R. KANEKO, K. NISHIZAWA, Y. YANAGAWA, S.-I. MURAMATSU, K. KOBAYASHI, T. ISHIZUKA, H. YAWO
  • Organizer: 第7回光操作研究会国際シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京医科歯科大学（東京都・文京区）
  • Year and Date: 2015-12-04 – 2015-12-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ランタニドナノ粒子アップコンバージョンを利用した近赤外光操作 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 生理研研究会「シナプス・神経ネットワークの機能ダイナミクス」
  • Place of Presentation: 生理学研究所（愛知県・岡崎市）
  • Year and Date: 2015-12-02 – 2015-12-03
• [Presentation] OPTOGENETIC 51LENCING OF NEURONAL ACTIVITY US1NG A LlGHT-DRIVEN SODIUM ION PUMP IN MARINE BACTERIA (2015)
  • Author(s): Toru Ishizuka，Shoko Hososhima, Mohammad Razuanul Hoque, Kazuho Yoshida，Keiichi Inoue，Hideki Kandori，Hiromu Yawo
  • Organizer: NTNU-Tohoku Univ. Brain Science Meeting
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-11-25 – 2015-11-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NEAR-INFRARED (NIR) OPTOGENETICS USING UP-CONVERSION OF LANTHANIDE NANOPARTICLES (2015)
  • Author(s): Shoko Hososhima, Hideya Yuasa, Toru Ishizuka，Hiromu Yawo
  • Organizer: NTNU-Tohoku Univ. Brain Science Meeting
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-11-25 – 2015-11-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optogenetic induction of contractile ability in C2C12 myotubes (2015)
  • Author(s): Toshifumi Asano, Toru Ishizuka, Hiromu Yawo
  • Organizer: 8th FAOPS Congress
  • Place of Presentation: Bangkok, Thailand
  • Year and Date: 2015-11-22 – 2015-11-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Discrimination of optogenetic whisker-barrel inputs using channelrhodopsin-2 transgenic rat (2015)
  • Author(s): Kenta Abe, Hiromu Yawo
  • Organizer: 8th FAOPS Congress
  • Place of Presentation: Bangkok, Thailand
  • Year and Date: 2015-11-22 – 2015-11-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Opt-fMRI imaging of somatosensory cortical activity using transgenic rat which expresses channelrhodopsin-2 in the peripheral mechanoreceptive neurons (2015)
  • Author(s): Yukinobu Yokoyama, Akira Sumiyoshi, Ryuta Kawashima, Hiromu Yawo
  • Organizer: 8th FAOPS Congress
  • Place of Presentation: Bangkok, Thailand
  • Year and Date: 2015-11-22 – 2015-11-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel transgenic animals for tracing and optogenetics -Flame rats and bistable ChR reporter rats (2015)
  • Author(s): H. IGARASHI, K. KOIZUMI, R. KANEKO, K. NISHIZAWA, Y. YANAGAWA, S.-I. MURAMATSU, K. KOBAYASHI, T. ISHIZUKA, H. YAWO
  • Organizer: Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] "Multi-Linc" - an optogenetic/electrophysiological method to reveal information flows among multiple brain areas (2015)
  • Author(s): A. SAIKI, Y. SAKAI, R. FUKABORI, S. SOMA, J. YOSHIDA, H. YAWO, K. KOBAYASHI, M. KIMURA, Y. ISOMURA
  • Organizer: Neuroscience 2015
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2015-10-17 – 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光を用いて神経活動に介入する「オプトジェネティクス」 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: FAN2015 第25回インテリジェント・システム・シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-09-24 – 2015-09-25
  • Invited
• [Presentation] Optogenetic patterning of neural activity (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 2015年光化学討論会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-09 – 2015-09-11
  • Invited
• [Presentation] How do axons scramble for targets? - Quantitative connectomics of axonal reorganization during development (2015)
  • Author(s): Ryo Egawa, Toru lshizuka, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Near-infrared (NIR) optogenetics using up-conversion of lanthanide nanoparticles (2015)
  • Author(s): Hiromu Yawo, Shoko Hososhima, Kenta Abe, Hideya Yuasa, Eriko Sugano, Hiroshi Tomita, Toru lshizuka
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Optogenetic silencing of neural activity using a light-driven Na+ pump from marine bacteria (2015)
  • Author(s): Mohammad Razuanul Hoque, Shoko Hososhima, Kazuho Yoshida, Toru lshizuka, Keiichi lnoue, Hideki Kandori, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Discrimination of optogenetic whisker-barrel patterns in transgenic rats expressing channelrhodopusin-2 (2015)
  • Author(s): Kenta Abe, Toru lshizuka, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] Flame rat - evaluation of a reporter transgenic rat line which conditionally expresses bright red fluorescent protein (tdTomato) (2015)
  • Author(s): Hiroyuki lgarashi, Kyo Koizumi, Ryosuke Kaneko, Keiko lkeda, Hiroshi Onimaru, Yuchio Yanagawa, Shin-lchi Muramatsu, Toru lshizuka, Keiichi lnoue, Hideki Kandori, Hiromu Yawo
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] "Multi-Linc" - a novel optogenetic/electrophysiological method to explore information flows among multiple brain areas (2015)
  • Author(s): Akiko Saiki, Yutaka Sakai, Ryoji Fukabori, Junichi Yoshida, Hiromu Yawo, Kazuto Kobayashi, Minoru Kimura, Yoshikazu lsomura
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター（兵庫県・神戸市）
  • Year and Date: 2015-07-28 – 2015-07-31
• [Presentation] How do axons scramble for targets? - Quantitative connectomics of axonal reorganization during development (2015)
  • Author(s): 江川遼、石塚徹、八尾寛
  • Organizer: Frontiers of Brain Science: Tools & Technologies
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-07-21 – 2015-07-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Competition or coexistence? Emergence of uniform arborization pattern during developmental axon reorganization (2015)
  • Author(s): Hiromu Yawo, Satoki Sakai, Ryo Egawa
  • Organizer: Frontiers of Brain Science: Tools & Technologies
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-07-21 – 2015-07-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経損傷後の一次求心性神経Aβ線維を介する疼痛関連行動：光遺伝学的アプローチを用いた神経障害性疼痛の新しい評価法 (2015)
  • Author(s): 田島諒一（Ryoichi Tashima），古賀啓祐（Keisuke Koga），山本将大（Shota Yamamoto），樋口瞳（Hitomi Higuchi），高露雄太（Yuta Kohro），八尾寛（Hiromu Yawo），井上和秀（Kazuhide Inoue），古江秀昌（Hidemasa Furue），津田誠（Makoto Tsuda）
  • Organizer: 日本疼痛学会
  • Place of Presentation: 市民会館崇城大学ホール（熊本県・熊本市）
  • Year and Date: 2015-07-03 – 2015-07-04
• [Presentation] ランタニドナノ粒子アップコンバージョン効果による 近赤外オプトジェネティクス (2015)
  • Author(s): 八尾寛、細島頌子、阿部健太、湯浅英哉、 菅野江里子、冨田浩史、石塚徹
  • Organizer: ナノ学会第13回大会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2015-05-11 – 2015-05-13
• [Presentation] チャネルロドプシン光電変換の特性と応用 (2015)
  • Author(s): 八尾寛
  • Organizer: 理研シンポジウム「細胞システムの動態と論理 Ⅶ」
  • Place of Presentation: 理化学研究所（埼玉県・和光市）
  • Year and Date: 2015-04-02 – 2015-04-03
  • Invited
• [Book] Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications (2015)
  • Author(s): Yawo H, Kandori H, Koizumi A
  • Total Pages: 409 (1-409)
  • Publisher: Springer
• [Book] Chaptor 8. General description: Future prospects of optogenetics. “Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications” (2015)
  • Author(s): Yawo, H., Egawa, R., Hososhima, S., Wen, L
  • Total Pages: 409 (111-132)
  • Publisher: Springer
• [Book] Chaptor 21. Strategies to probe mechanoreception: from mechanical to optogenetic approaches. “Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications” (2015)
  • Author(s): Ji, Z.-G., Ishizuka, T., Yawo, H.
  • Total Pages: 409 (305-314)
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 東北大学大学院生命科学研究科
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/teacher/t_yawo/
• [Remarks] 東北大学脳科学センター
  • URL: http://www.bsc.tohoku.ac.jp/researchers/yao_h/
• [Remarks] 脳機能解析分野
  • URL: http://neuro.med.tohoku.ac.jp/japanese/noukinou.html
• [Remarks] 光で筋肉を再生！ ～ALSなどの難病治療に対する新たな技術として期待～
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/02/press20150205-01.html
• [Remarks] レアメタル・ナノ粒子の光で脳細胞を活性化-近赤外光信号によるオン・オフ制御の実現
  • URL: http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/11/press20151109-01.html