The analysis of synapse pathology in motor neuron diseases using iPSCs

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K07471
• Research Institution: Aichi Medical University
• Principal Investigator: 丹羽 淳一 愛知医科大学, 医学部, 教授 (50378022)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡田 洋平 愛知医科大学, 医学部, 准教授 (30383714) ; 伊藤 卓治 愛知医科大学, 公私立大学の部局等, 客員研究員 (30794151)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 疾患iPS細胞 / iPS細胞 / 運動ニューロン / 骨格筋 / 神経筋接合部（NMJ） / オプトジェネティクス

Outline of Annual Research Achievements

運動ニューロンと骨格筋は主に神経筋接合部（Neuromuscular junction：NMJ）を介して情報伝達を行うため、このような疾患の病態解析のためには、NMJを介した運動ニューロンと骨格筋の相互作用を機能的に解析し得るモデルの開発が必要である。しかし、運動ニューロンと骨格筋の相互作用を一つの機能単位として捉え、NMJのシナプス機能を解析し得る疾患モデルの報告は乏しい。本研究では、ヒトiPS細胞を用いた神経・筋共培養システムを構築し、その機能性を明らかにすることで、様々な神経筋疾患の病態解析に応用することを目的としている。
まず、ヒトiPS細胞から誘導した運動ニューロンと骨格筋による共培養を行い、神経筋相互作用とNMJ形成を経時的に解析した。次に、生理学的解析に用いるプローブの表面処理を行うことで、従来よりも安定的に骨格筋培養、および神経筋共培養を行う方法を開発した。これらの手法を応用し、オプトジェネティクスや三次元培養等の手法を用いて、NMJの機能性の解析を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

生理学的解析に用いるプローブ上の表面処理や、各種培養条件を検討することで、より安定的にNMJ形成が可能な共培養システムの開発を進めており、概ね順調に進捗していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

iPS由来骨格筋の機能的な３次元組織を構築していく予定である。

Causes of Carryover

効率的な研究費の使用により、次年度使用額が生じた。翌年度分と合わせて、実験試薬や実験器具等の消耗品の購入等にあてる予定である。

Research Products

• [Journal Article] Two distinct mechanisms of neuropathy in immunoglobulin light chain (AL) amyloidosis (2021)
  • Author(s): Koike H, Mouria N, Fukamia Y, Iijima M, Matsuo K, Yagi N, Saito A, Nakamura H, Takahashi K, Nakae Y, Okada Y, Tanaka F, Sobue G, Katsuno M
  • Journal Title: Commun Biol. Volume: 421 Pages: 117305
  • DOI: 10.1016/j.jns.2020.117305.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective suppression of polyglutamine-expanded protein by lipid nanoparticle-delivered siRNA targeting CAG expansions in the mouse CNS. (2021)
  • Author(s): Hirunagi T, Sahashi K, Tachikawa K, Leu AI, Nguyen M, Mukthavaram R, Karmali PP, Chivukula P, Tohnai G, Iida M, Onodera K, Ohyama M, Okada Y, Okano H, Katsuno M.
  • Journal Title: Mol Ther Nucleic Acids. Volume: 24 Pages: 1月10日
  • DOI: 10.1016/j.omtn.2021.02.007.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a Human Neuromuscular Tissue-on-a-Chip Model on a 24-Well-Plate-Format Compartmentalized Microfluidic Device (2021)
  • Author(s): Yamamoto K, Yamaoka N, Imaizumi Y, Nagashima T, Furutani T, Ito T, Okada Y, Honda H, Shimizu K
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 21 Pages: 1897-1907
  • DOI: 10.1039/d1lc00048a.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antiparkinsonian drugs as potent contributors to nocturnal sleep in patients with Parkinson's disease. (2021)
  • Author(s): Taguchi S, Koide H, Oiwa H, Hayashi M, Ogawa K, Ito C, Nakashima K, Yuasa T, Yasumoto A, Ando H, Fujikake A, Fukuoka T, Tokui K, Izumi M, Tsunoda Y, Kawagashira Y, Okada Y, Niwa JI, Doyu M.
  • Journal Title: PLoS One. Volume: 16 Pages: e0255274
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0255274.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Developmental dysregulation of excitatory-to-inhibitory GABA-polarity switch may underlie schizophrenia pathology: A monozygotic-twin discordant case analysis in human iPS cell-derived neurons. (2021)
  • Author(s): Toritsuka M, Yoshino H, Makinodan M, Ikawa D, Kimoto S, Yamamuro K, Okamura K, Akamatsu W, Okada Y, Matsumoto T, Hashimoto K, Ogawa Y, Saito Y, Watanabe K, Aoki C, Takada R, Fukami SI, Hamano-Iwasa K, Okano H, Kishimoto T.
  • Journal Title: Neurochem Int. Volume: - Pages: 105179
  • DOI: 10.1016/j.omtn.2021.02.007.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 疾患特異的iPS細胞を用いた運動ニューロン疾患の病態解明と治療開発 (2021)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] 病態に基づいた神経疾患の再生戦略 (2021)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Organizer: 浜松医科大学尖端医学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 疾患特異的iPS細胞を用いた神経・筋病態の解明 (2021)
  • Author(s): 岡田洋平
  • Organizer: 第60回日本臨床検査医学会東海・北陸支部総会、第344回日本臨床化学会東海・北陸支部例会 連合大会
  • Invited
• [Presentation] Elucidating early pathophysiology of spinal-bulbar muscular atrophy using disease-specific iPSCs (2021)
  • Author(s): 小野寺一成, 下門大祐, de Ara?jo Herculano B,石原康晴, 依田真由子, 太田明伸, 矢野真人, 宮冬樹, Rashid MI, 伊藤卓治, 岡田梨奈, 角田達彦, 細川好孝, 道勇学, 祖父江元, 勝野雅央, 岡野栄之, 岡田 洋平
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] SynGAP variant from ALS cohort causes spine abnormality by excessive recruitment of FUS and hnRNPK (2021)
  • Author(s): 横井聡, 伊藤卓治, 佐橋健太郎, 中村亮一, 石垣診祐, 熱田直樹, 勝野雅央, 岡田 洋平, 祖父江元
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] 脳卒中患者における自律神経機能と病状との関連 (2021)
  • Author(s): 中島 康自, 小出 弘文, 林 未久, 伊藤 千弘, 湯淺 知子, 安本 明弘, 安藤 宏明, 田口 宗太郎, 藤掛 彰史, 福岡 敬晃, 徳井 啓介, 川頭 祐一, 岡田 洋平, 丹羽 淳一, 道勇 学
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] Allele selective suppression of mutant polyQ protein by LNP-delivered siRNA targeting CAG expansions (2021)
  • Author(s): 蛭薙智紀, 佐橋健太郎, 立川潔, Leu A, Nguyen M, Mukthavaram R, Karmali P, Chivukula P, 藤内玄規, 飯田円, 小野寺一成, 大山学, 岡田 洋平, 岡野栄之, 勝野雅央
  • Organizer: 第62回日本神経学会学術大会
• [Presentation] The effects of g-secretase inhibitor on differentiation of iPSC-derived neurons (2021)
  • Author(s): 福井ナナミ、伊藤卓治、杉山香織、岡田梨奈、小野寺一成、Zohora Khatun、道勇学、岡田洋平
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会 CJK第1回国際会議
• [Presentation] Establishment of hiPSC-derived functional neuromuscular models for the analysis of neuromuscular diseases (2021)
  • Author(s): 伊藤卓治、ラシッド ムハンマド イルファヌール、田中智史、下門大祐、岡野栄之、道勇学、岡田洋平
  • Organizer: ヒトiPS細胞由来運動ニューロンと骨格筋を用いた機能的神経筋共培養モデルの構築、第44回日本神経科学大会 CJK第1回国際会議
• [Presentation] Efficient, reproducible, and functional differentiation of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) into skeletal muscles for muscular disease modeling. (2021)
  • Author(s): Rashid MI, Ito T, Shimojo D, Khatun Z, Sakurai H, Shimizu K, Doyu M, Okada Y.
  • Organizer: PACTALS 2021 NAGOYA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elucidating early pathophysiology of Spinal-bulbar muscular atrophy using diseasespecific iPSCs. (2021)
  • Author(s): Onodera K, Shimojo D, de Ara?jo Herculano B, Ishihara Y, Yoda M, Ota A, Rashid MI, Ito T, Okada R, Hosokawa Y, Doyu M, Sobue G, Katsuno M, Okano H, Okada Y
  • Organizer: ISSCR/JSRM 2021 Tokyo International Symposium, Tokyo
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Establishment of iPSC-derived neuromuscular co-culture model for the analysis of non-cell autonomous neurodegeneration in motor neuron diseases (2021)
  • Author(s): Ito T, Rashid MI, Tanaka S, Shimojo D, Okano H, Doyu M, Okada Y.
  • Organizer: ISSCR/JSRM 2021 Tokyo International Symposium, Tokyo
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficient, reproducible and functional differentiation of human iPSCs into skeletal muscles for muscular disease modeling. (2021)
  • Author(s): Rashid MI, Ito T, Shimojo D, Khatun Z, Sakurai H, Shimizu K, Doyu M, Okada Y.
  • Organizer: ISSCR/JSRM 2021 Tokyo International Symposium, Tokyo
  • Int'l Joint Research