脳オルガノイド回路による統合失調症の発症機序の解明

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K18167
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 池上 康寛 九州大学, 工学研究院, 助教 (10909659)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 脳オルガノイド回路 / 統合失調症

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、臨床的仮説をもとに選出した脳領域のオルガノイド（幹細胞から自発的にできる神経組織）を患者由来iPS細胞から作製し、神経突起（軸索）を介してつなぎ合わせることで統合失調症の神経回路を体外で単純化して再現し、その活動メカニズムを細胞・分子レベルで解析することで統合失調症の発症機序を明らかにすることを目的とする。
本年度は、臨床知見から統合失調症において異常があると考えられている大脳領域のオルガノイドの作製を試みた。統合失調症患者由来iPS細胞を低接着処理培養容器を用いて三次元的に培養し、様々な低分子化合物や機能性タンパク質により大脳オルガノイドへの誘導を行った。患者由来の大脳オルガノイドは、一ヶ月の作製過程において健常者の大脳オルガノイドより大きな直径を示した。次世代シーケンサーを用いて大脳オルガノイドの遺伝子発現パターンを解析したところ、未成熟な神経細胞に発現する遺伝子や増殖に関連する遺伝子群の高発現が確認され、逆に神経細胞が成熟後軸索を介して接続しシナプスを形成する際に発現する遺伝子の低発現が確認された。また免疫染色を行ったところ、患者由来大脳オルガノイドにおいては未成熟神経細胞マーカーのより強い染色性を示し、増殖性を残した未成熟な神経細胞の残存が示唆された。マイクロ流体デバイスを用いて患者由来大脳オルガノイド同士をつなげた疾患オルガノイド回路の構築を試みたところ、オルガノイドから伸長する軸索の数が明らかに少なく、健常者由来オルガノイド回路より弱い接続性を有していることが示唆された。
以上より、統合失調症患者由来iPS細胞を用いた大脳オルガノイドは現時点では健常者由来大脳オルガノイドと比較して未成熟であり、オルガノイド回路構築に向けた培養法改善の必要性が示唆された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本年度は、統合失調症患者由来iPS細胞から大脳領域のオルガノイド作製を試みた。病態として表れる統合失調症の発症時期に反し、患者由来の大脳オルガノイドは１ヶ月という短い培養期間においても健常者由来の大脳オルガノイドより低い成熟度が示唆されている。統合失調症の発症機序解明に迫るには、オルガノイド間を軸索を介してつなげた疾患オルガノイド回路を構築して脳内の神経回路を単純化して再現することが必須である。そのため、患者由来大脳オルガノイドの成熟度の改善が今後の課題である。

Strategy for Future Research Activity

現時点において、統合失調症患者由来iPS細胞から作製した大脳オルガノイドの成熟度の改善が課題となっている。大脳オルガノイドの遺伝子発現パターン解析により、患者由来大脳オルガノイドでは、脳の発達段階に大きく影響するWntシグナリング関連遺伝子群に差異が確認されている。そこで、Wntシグナリングの調整薬をオルガノイド作製過程初期に添加したところ、オルガノイドの直径増大の低減、オルガノイドの軸索伸長の改善が確認された。そのため、今後は培養プロトコルのさらなる改善や培養期間の延長を行いながらオルガノイドの成熟度向上を行い疾患オルガノイド回路の構築を目指す。また、臨床知見から統合失調症に関連すると考えられている視床領域のオルガノイド作製も行い、大脳－視床間の相互作用を評価していく予定である。