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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Establishment of human airway organoid by understanding airway development in single-cell resolution

Research Project

Project/Area Number 20H03693
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

森本 充  国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (70544344)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords呼吸器 / 発生 / 幹細胞 / シングルセル解析
Outline of Annual Research Achievements

前年度から継続して行ってきた、発生期に気管上皮の前駆細胞から全4種類の上皮細胞種が出現するまでの転写ネットワークの変遷の詳細な解析と、特に組織幹細胞である基底細胞の分化プロセスについて結果を取りまとめた。加えて、関連分子のノックアウトもしくはノックインマウスを使った気道上皮の損傷再生実験から、発生期に幹細胞の分化を決定づけるTGFbシグナルとId遺伝子の関係性が、成体の損傷再生時に再度活性化していることを明らかにし、発生と再生で保存された共通の原理を提唱するに至った(Kiyokawa et al., Dev. Cell 2021)。
同時に進めていた気管間充織組織の時系列scRNA-seq解析から、気管間充織組織の前駆細胞から気管平滑筋細胞、気管軟骨細胞、気管間充織細胞が分化するプロセスを解析した。解析結果から、興味深いことに、3種類の細胞の起源となる共通の幹細胞の存在を示唆する結果が得られた。前駆細胞からそれぞれの細胞分化に関わりそうな細胞間シグナルをリストアップした。マウス胚E12.5の気管組織を取り出してex vivo培養とシグナルのアゴニスト、アンタゴニストを加えることで、それらの分子の各細胞分化への機能的な関わりを解析した。
加えて、ヒトiPS細胞から気道上皮細胞の分化誘導実験を行ったが、分化誘導効率が思うように上がらなかった。そこで、以前に技術開発に成功しているヒトES 細胞に切り替えて、原条→前腸を誘導し、呼吸器もしくは食道の分化誘導を行った。誘導したES細胞由来の上皮と間充織の3次元培養を行い、胎児性の気管および食道オルガノイドの作出に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究は順調に進んでいる。しかし、資材不足により一部のオルガノイド培養ができない期間があったため、中断を余儀なくされた実験もある。
発生中の気管上皮細胞の解析では順調に実験と解析を終えて、論文を投稿し、採択に至っている。同時に進めていた間充織組織のシングルセル解析も順調に進み、一通りの解析を終え、現在はEx vivo培養を使った実験により、分化制御分子候補の機能的な検証を進めている。ヒトiPS細胞からの分化誘導実験では、呼吸器系譜の分化誘導効率がなかなか上がらなかったため、以前に確立したヒトES細胞からの分化誘導に立ち返り、前腸組織の分化誘導を行った。幸い、効率的な分化誘導に成功し、前腸オルガノイドから気管および食道オルガノイドの誘導に成功している。しかしながら、3次元培養に必要な細胞外基質であるマトリゲルの輸入が遅延しているため、実験の頻度か下がっている。

Strategy for Future Research Activity

気管間充織細胞の解析では、ex vivo培養実験を続けるとともに、有力な制御因子についてノックアウトマウスを作成し、個体レベルでの証明を行う。また、マウスES細胞からの分化誘導系を使って、軟骨および平滑筋細胞の分化と凝集に与える影響を検証する。
ヒトES細胞からの分化誘導系では、誘導した気管および食道オルガノイドの成熟化を促すことに挑戦する。十分に条件検討ができたら、再度、最終的な目標であるヒトiPS細胞からの気管オルガノイドの開発に向けて、上皮細胞と間充織細胞の融合培養に挑戦する。

  • Research Products

    (12 results)

All 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 5 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] シンシナティ小児科病院、オルガノイド医学研究センター(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      シンシナティ小児科病院、オルガノイド医学研究センター
  • [Journal Article] Airway tissue stem cells reutilize the embryonic proliferation regulator, Tgfβ-Id2 axis, for tissue regeneration2021

    • Author(s)
      Hirofumi Kiyokawa, Akira Yamaoka, Chisa Matsuoka, Tomoko Tokuhara, Takaya Abe, Mitsuru Morimoto
    • Journal Title

      Developmental Cell

      Volume: 56 Pages: 1917-1929

    • DOI

      10.1016/j.devcel.2021.05.016

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Molecular crosstalk in tracheal development and its recurrence in adult tissue regeneration2021

    • Author(s)
      Hirofumi Kiyokawa, Mitsuru Morimoto
    • Journal Title

      Developmental Dynamics

      Volume: 250 Pages: 1552-1567

    • DOI

      10.1002/dvdy.345

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mammalian tracheal development and reconstruction: insights from <i>in vivo</i> and <i>in vitro</i> studies2021

    • Author(s)
      Kishimoto Keishi、Morimoto Mitsuru
    • Journal Title

      Development

      Volume: 148 Pages: ND

    • DOI

      10.1242/dev.198192

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Trachea Development and Reconstruction2021

    • Author(s)
      森本充
    • Organizer
      CLEAR Consortium Annual Symposium 2021 (米国 オンライン)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 気管細胞の起源の発見と、その分子的理解からヒト気管の再建への挑戦2021

    • Author(s)
      森本充
    • Organizer
      第61回日本呼吸器学会学術講演 シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] Trachea Development and Reconstruction2021

    • Author(s)
      森本充
    • Organizer
      The Taiwanese Society of Developmental Biology 2021:International Conference of Developmental Biology, Stem Cells and Regenerative Medicine.(台湾 オンライン))
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 幹細胞研究からオルガノイド開発、そして肺疾患解析へ、2021

    • Author(s)
      森本充
    • Organizer
      第42回日本炎症・再生医学会 シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] Airway tissue stem cells reutilize the embryonic proliferation regulator, Tgfβ-Id2 axis, for tissue regeneration.2021

    • Author(s)
      森本充
    • Organizer
      The 25th congress of the Asian Pacific Society of Respiology; Emerging Talent Symposia.
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Airway tissue stem cells reutilize the embryonic proliferation regulator, Tgfβ-Id2 axis, for tissue regeneration.2021

    • Author(s)
      森本充
    • Organizer
      FUSION conference; Epithelial Stem Cell - Niche Interactions in Lung.(イギリス オンライン)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] プレスリリース マウス胎児の中に見つけた呼吸器再生のヒント

    • URL

      https://www.riken.jp/press/2021/20210615_1/index.html

  • [Remarks] 理化学研究所 呼吸器形成研究チーム

    • URL

      https://lungdev.riken.jp/

URL: 

Published: 2023-12-25  

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