2019 Fiscal Year Annual Research Report
A multidisciplinary approaches for drug-induced arrhythmia using human iPS cells
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19H03380
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| Research Institution | University of Shizuoka |
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Principal Investigator |
黒川 洵子 静岡県立大学, 薬学部, 教授 (40396982)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山口 賢彦 静岡県立大学, 薬学部, 助教 (00632639)
行方 衣由紀 東邦大学, 薬学部, 准教授 (30510309)
諫田 泰成 国立医薬品食品衛生研究所, 薬理部, 部長 (70510387)
芦原 貴司 滋賀医科大学, 医学部, 講師 (80396259)
坂本 多穂 静岡県立大学, 薬学部, 准教授 (80433150)
永森 收志 奈良県立医科大学, 医学部, 教授 (90467572)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 不整脈 / iPS細胞 / 毒性評価 / 交感神経 / ホルモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
薬物誘発性不整脈の予防戦略の基盤を構築するため、薬物による不整脈リスクに対する生体シグナル調節機構をヒト心筋で定量的に理解することが研究目的である。現在、ヒトiPS細胞由来心筋細胞の創薬応用が国際的に推進され、イオンチャネルに対する薬物作用の解析は進んできたが、交感神経系や性ホルモンなどの不整脈トリガーとなるホルモンの影響についての解析は進んでいない。その一因として、ヒトiPS心筋の分化成熟が不充分であることが挙げられる。そこで、独自に開発した画像診断技術とバイオエンジニアリングを組み合わせ、シグナル経路が成熟化したヒトiPS由来心筋を選別し、薬物誘発性不整脈リスクに対するホルモンの影響を統合解析する。
当該年度は、画像解析により各種iPS由来心筋のβアドレナリン性受容体刺激および性ホルモンによる調節を定量的に解析した。これまでの非選択性βアドレナリン性受容体に対する作用だけでなく、受容体サブタイプに関する薬理学的解析も行った結果、β１アドレナリン性受容体特異的に拍動数の変化が現れることが示された。β１アドレナリン性刺激による拍動数の変化は細胞株の種類にかかわらず見られたが、収縮力の変化は心房タイプの細胞ではほとんど見られなかった。この差を説明しうる分子を薬理学的に探索したところ一つの候補を得て、次年度の研究計画につなげた。機械学習においては、現在もっとも普及している市販iPS細胞株における細胞間のばらつきが小さいため、教科書データとして不適当であることが判明した。次に、統合解析については、成熟化に伴う細胞内イオン動態のパラメーター変化のデータを取得した。インシリコモデルでは、細胞内イオン動態のパラメーター変化により細胞の自動能が変化することが示されているので、実測値との関連性に付いて解析する準備が整った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度の業績としては、ヒトiPS細胞由来心筋細胞に発現している電気生理学関連分子の発現データを原著論文としてまとめ発表した。また長期にわたる安定的な機能解析法の論文も発表した。国際共同研究により、ヒトiPS細胞の統合解析法として、ばらつきを利用してパラメータを算出というプロジェクトに参加し、J Physiolの共著者となった。実験内容としては、画像解析により各種iPS由来心筋のβアドレナリン性受容体刺激および性ホルモンによる調節を定量的に解析した。これまでの非選択性βアドレナリン性受容体に対する作用だけでなく、受容体サブタイプに関する薬理学的解析も行った結果、β１アドレナリン性受容体特異的に拍動数の変化が現れることが示された。β１アドレナリン性刺激による拍動数の変化は細胞株の種類にかかわらず見られたが、収縮力の変化は心房タイプの細胞ではほとんど見られなかった。この差を説明しうる分子を薬理学的に探索したところ一つの候補を得て、次年度の研究計画につなげた。機械学習においては、現在もっとも普及している市販iPS細胞株における細胞間のばらつきが小さいため、教科書データとして不適当であることが判明した。ただし、2020年の新年から準備していた実験はコロナ禍により中止せざるを得なかったため、新しい発見はあったものの通年通りの進展に留まった。次に、統合解析については、成熟化に伴う細胞内イオン動態のパラメーター変化のデータを取得した。インシリコモデルでは、細胞内イオン動態のパラメーター変化により細胞の自動能が変化することが示されているので、実測値との関連性に付いて解析する準備が整った。
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| Strategy for Future Research Activity |
当該年度は、βアドレナリンシグナルをモデルとして、統合システムの充実を進めていく。機能解析だけではなく、細胞の形態観察も同時並行していくことにより，成熟化の過程を詳細に解析する。
（１）分化心筋の作製：昨年度は、市販ヒトiPS由来分化心筋細胞をin vitroで成熟化するためにバイオエンジニアリング技術を導入し、その成熟化の過程を収縮解析・電気生理学的解析・イメージング・発現解析により定量的に解析した。機械学習を利用して、βARシグナルの反応がより安定している心室様型細胞を選別することを目指し、機械学習のための細胞データを取得したが、細胞株によって反応性が大きく異なることが判明した。従って、今年度は培養条件を変えて、成熟化の度合いを調べ、ばらつきの軽減をめざす。さらに、マウス心筋の解析も組み合わせることにより、ネーティブとの比較解析も取り入れる。
（２）不整脈トリガーの統合解析：これまでに申請者らは分担者・芦原を中心として、O’Hara-Rudy dynamicsヒト心室筋細胞モデルからヒトiPS由来心筋細胞（viPS-CM）モデルを作成した。viPS-CMモデルの活動電位調節マーカー分子について、プロテオミクスアプローチにより膜タンパク量を定量解析したデータと比較検討した。その結果、細胞内のある因子が自動能に大きな影響を与えることを見いだした。今年度は、成熟化とこの因子の相関関係について明らかにするために、イメージング及びパッチクランプにより定量的データを取得し、モデリングに導入する。そして、この因子による自動能発生および調節のメカニズムを探究する。
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[Journal Article] Systematic expression analysis of genes related to generation of action potentials in human iPS cell-derived cardiomyocytes.2019
Author(s)
Kodama M, Furutani K, Kimura R, Ando T, Sakamoto K, Nagamori S, Ashihara T, Kurachi Y, Sekino Y, Furukawa T, Kanda Y, Kurokawa J
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Journal Title
Journal of Pharmacological Sciences
Volume: 140
Pages: 325-330
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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