Establishment of imaging technique for spatiotemporal dynamics of hematopoietic stem cells in bone marrow

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H02957
• Research Institution: National Center for Global Health and Medicine
• Principal Investigator: 田久保 圭誉 国立研究開発法人国立国際医療研究センター, 研究所, 生体恒常性プロジェクト長 (50502788)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 造血幹細胞 / 幹細胞ニッチ / 骨髄 / in vivoイメージング / 細胞動態

Outline of Annual Research Achievements

骨髄では造血幹細胞や前駆細胞が各種のニッチ細胞に由来する様々なシグナルを受容して、下流の多彩なシグナルを活性化し、増殖・分化プログラムが起動されることによって、体内の造血需要に応じて必要な細胞種が必要な数だけ供給される。これまで、ニッチ細胞の除去モデルや、ニッチ因子・受容体ノックアウトマウスの解析などから骨髄の造血幹細胞ニッチは概念的には存在が示唆されている。しかし、実際にニッチが骨髄内でどのように形成・分布しているかという命題は残されており、造血幹細胞と他の細胞の相互作用、運命決定の時空間的制御機構の実態、そしてこれらが状況に応じてどう変化して病態に寄与するかの情報が欠けていた。本研究では技術基盤を整えつつ骨髄のin vivoイメージングを実施してこの命題に取り組み、ニッチ因子が造血幹細胞動態に及ぼす効果も明らかにしながら造血幹細胞の運命決定の実態を時空間的に解き明かすことを企図した計画を実施している。第二年度は、骨髄における造血幹細胞とニッチの同時イメージング技術基盤を利活用することで、定常時の造血幹細胞の時空間動態の解析を実施した。多光子レーザー顕微鏡による生体骨髄の観察技術を用いて骨髄内各種のランドマークの可視化を実施し、さらには同時に造血幹細胞の時空間局在との同時可視化も行った。次いでこうした状況下における造血幹細胞の時空間動態を記録し、特徴や経時的変化の解析・同定を進めた。また、経頭蓋薬物送達法を併用することで、造血幹細胞の局在・動態に対するニッチ因子や関連分子の作用の検証を継続した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ほぼ計画通りの実験検討を実施することができている。

Strategy for Future Research Activity

今後もいくつかの技術的な困難が想定される計画内容があるが、トラブルシューティングを行い多面的に課題解決を図りながら計画を推進する。

Research Products

• [Journal Article] Potential Involvement of Oxidative Stress in Ligamentum Flavum Hypertrophy (2023)
  • Author(s): Ito K, Kise H, Suzuki S, Nagai S, Hachiya K, Takeda H, Kawabata S, Ikeda D, Takubo K, Kaneko S, Fujita N.
  • Journal Title: J Clin Med Volume: 12 Pages: 808
  • DOI: 10.3390/jcm12030808
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Analysis of Sympathetic and Nociceptive Innervation Across Bone Marrow Regions in Mice (2022)
  • Author(s): Fujita S, Morikawa T, Tamaki S, Sezaki M, Takizawa H, Okamoto S, Kataoka K, Takubo K.
  • Journal Title: Exp Hematol Volume: 112-113 Pages: 44-59
  • DOI: 10.1016/j.exphem.2022.07.297
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Approaches towards Elucidating the Metabolic Program of Hematopoietic Stem/Progenitor Cells (2022)
  • Author(s): Kobayashi H, Watanuki S, Takubo K.
  • Journal Title: Cells Volume: 11 Pages: 3189
  • DOI: 10.3390/cells11203189
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RNaseH2A downregulation drives inflammatory gene expression via genomic DNA fragmentation in senescent and cancer cells (2022)
  • Author(s): Sugawara S, Okada R, Loo TM, Tanaka H, Miyata K, Chiba M, Kawasaki H, Katoh K, Kaji S, Maezawa Y, Yokote K, Nakayama M, Oshima M, Nagao K, Obuse C, Nagayama S, Takubo K, Nakanishi A, Kanemaki MT, Hara E, Takahashi A.
  • Journal Title: Commun Biol Volume: 5 Pages: 1420
  • DOI: 10.1038/s42003-022-04369-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A culture platform to study quiescent hematopoietic stem cells following genome editing (2022)
  • Author(s): Shiroshita K, Kobayashi H, Watanuki S, Karigane D, Sorimachi Y, Fujita S, Tamaki S, Haraguchi M, Itokawa N, Aoyoama K, Koide S, Masamoto Y, Kobayashi K, Nakamura-Ishizu A, Kurokawa M, Iwama A, Okamoto S, Kataoka K, Takubo K.
  • Journal Title: Cell Rep Methods Volume: 2 Pages: 100354
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2022.100354
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 神経シグナルによる造血幹・前駆細胞のホーミング制御 (2023)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: 第22回日本再生医療学会総会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞の代謝プログラムを明らかにする試み (2022)
  • Author(s): 田久保圭誉
  • Organizer: iSeminar
  • Invited
• [Presentation] Hematopoietic stem cells acquire robust mitochondrial metabolic plasticity by increasing Sdhaf1 protein levels during aging (2022)
  • Author(s): Shintaro Watanuki, Hiroshi Kobayashi, Keiyo Takubo
  • Organizer: Hemato-Retreat2022
• [Presentation] Mesenchymal loss of p53 alters stem cell capacity and models human fibrosarcoma (2022)
  • Author(s): Yuriko Sorimachi, Hiroshi Kobayashi, Nobuhito Goda, Keiyo Takubo
  • Organizer: Hemato-Retreat2022
• [Presentation] 造血幹細胞の遺伝子編集前培養はRNPの核内輸送を増強する (2022)
  • Author(s): 城下 郊平、小林 央、田久保 圭誉
  • Organizer: 第7回ゲノム編集学会
• [Presentation] Hematopoietic stem cells acquire robust mitochondrial metabolic plasticity by increasing Sdhaf1 protein levels during aging (2022)
  • Author(s): Shintaro Watanuki, Hiroshi Kobayashi, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第19回幹細胞シンポジウム
• [Presentation] Mesenchymal loss of p53 alters stem cell capacity and models human fibrosarcoma (2022)
  • Author(s): Yuriko Sorimachi, Hiroshi Kobayashi, Nobuhito Goda, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第19回幹細胞シンポジウム
• [Presentation] 造血幹細胞のATP濃度制御とエイジング (2022)
  • Author(s): 田久保 圭誉
  • Organizer: 第8回がんと代謝研究会
  • Invited
• [Presentation] 造血幹細胞のPFKFB3依存的解糖系流量調節 (2022)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、田久保圭誉
  • Organizer: 第8回がんと代謝研究会
• [Presentation] PFKFB3はストレス毎に異なる修飾を介して造血幹細胞機能を維持する (2022)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、田久保圭誉
  • Organizer: 低酸素研究会2022
• [Presentation] Real-time ATP analysis reveals stress-dependent Pfkfb3 modification and its effect on hematopoiesis (2022)
  • Author(s): 綿貫慎太郎、小林央、杉浦悠毅、山本正道、城下郊平、反町優理子、小出周平、大島基彦、西山晃、村上紘一、原口美帆、玉置新平、山本雄広、岡本真一郎、田村智彦、末松誠、岩間厚志、田久保圭誉
  • Organizer: 第84回日本血液学会学術集会
• [Presentation] Nociceptive nerves facilitate hematopoietic cell homing to bone marrow by tuning microcirculation (2022)
  • Author(s): Shinya Fujita, Takayuki Morikawa, Keisuke Kataoka, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第84回日本血液学会学術集会
• [Presentation] Optimized culture condition that improves post-editing function of hematopoietic stem cells (2022)
  • Author(s): Kohei Shiroshita, Hiroshi Kobayashi, Keisuke Kataoka, Keiyo Takubo
  • Organizer: 第84回日本血液学会学術集会
• [Presentation] An optimized culture condition for hematopoietic stem cells that improves the gene editing efficiency and post-editing function (2022)
  • Author(s): Kohei Shiroshita, Hiroshi Kobayashi, Daiki Karigane, Keiyo Takubo
  • Organizer: ISEH2022
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 国立国際医療研究センター研究所生体恒常性プロジェクト公式ウェブサイト
  • URL: https://takubolab.com/