骨格筋のミトコンドリア機能を評価する新手法の考案と実装：不均質性・多様性の理解へ

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K21771
• Research Institution: Nippon Sport Science University
• Principal Investigator: 田村 優樹 日本体育大学, 体育学部, 助教 (20794978)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: ミトコンドリア / 骨格筋

Outline of Annual Research Achievements

骨格筋のミトコンドリアの機能を改善させることは、骨格筋萎縮や代謝疾患の予防・治療戦略のひとつとなる。そこで、より効果的な治療を実現するためには、骨格筋のミトコンドリアの機能を正しく測定することが必要となる。従来のミトコンドリアの機能評価法では、対象としたミトコンドリアを均質な集団であることを前提としたものである。しかし、研究代表者は、骨格筋のミトコンドリアは、機能的な不均質性・多様性を有する可能性を見出した。つまり、従来の手法では、微小であるが生物学的・疾患発症プロセスにおいて重要な変化が生じていたとしてもその変化を検出できないといった課題が生じることになる。そこで、本研究では、ミトコンドリアの空間情報（不均質性・多様性）を保持しながら、ミトコンドリアの機能を評価する新しい手法の開発に挑む。初年度は、新型コロナウイルス感染症の流行による影響を受けたため、一部研究計画の遂行の順序を入れ替えて実施した。骨格筋組織および骨格筋の培養細胞への遺伝子導入の最適化に取り組んだ。これは、ミトコンドリアのATPバイオセンサーを高い効率で骨格筋へ導入する必要があるためである。従来、骨格筋へ高い効率で遺伝子導入を行うことは困難とされてきたが、この課題は、今年度の取り組みによりある程度克服されつつある。また、深層学習を用いた画像解析を通して、ミトコンドリアの機能を評価する手法を開発することも本研究のゴールであるが、深層学習の解析の準備を進めた。骨格筋細胞を対象に画像翻訳を行うことに成功しており、今後は、ミトコンドリアの機能の予測などに展開する予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度は、新型コロナウイルス感染症の流行による影響を受けたため、一部研究計画の遂行の順序を入れ替えて実施した。骨格筋組織および骨格筋の培養細胞への遺伝子導入の最適化に取り組んだ。これは、ミトコンドリアのATPバイオセンサーを高い効率で骨格筋へ導入する必要があるためである。従来、骨格筋へ高い効率で遺伝子導入を行うことは困難とされてきたが、この課題は、今年度の取り組みによりある程度克服されつつある。また、マウスを対象に円滑に骨格筋のミトコンドリアの生合成を促す運動実験プロトコルを開発した。この取り組みにより、今後円滑な研究展開が可能となる。また、深層学習を用いた画像解析を通して、ミトコンドリアの機能を評価する手法を開発することも本研究のゴールであるが、深層学習の解析の準備を進めた。骨格筋細胞を対象に画像翻訳を行うことに成功しており、今後は、ミトコンドリアの機能の予測などに展開する予定である。

Strategy for Future Research Activity

今後は、ミトコンドリアのATPセンサーを骨格筋組織および細胞に導入し、空間情報を保持した状態でミトコンドリアの機能測定を行う予定である。その際に、関連する情報（ミトコンドリアネットワーク、膜電位、Redoxの状態）をあわせて評価することで、ミトコンドリアの形態から、ミトコンドリア機能を予測するなどの新しい解析プラットフォームの開発につなげていくことが今後の計画である。さらに、運動や不活動など骨格筋のミトコンドリアが変調する条件で解析を行うことで、新手法の有用性を生理的意義と結びつけて提案できるように試みたいと考えている。

Causes of Carryover

新型コロナウイルス感染症に流行に伴う、感染予防対策のため、2020年度の上半期の研究開発が遅延したため。研究計画の調整が必要となったため