独自の培養系を用いた腸管上皮幹細胞における生体恒常性維持機構の解明

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26221307
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 渡辺 守 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (10175127)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 土屋 輝一郎 東京医科歯科大学, 医学部附属病院, 准教授 (40376786) ; 中村 哲也 東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 寄附講座教授 (70265809)
• Project Period (FY): 2014-05-30 – 2019-03-31
• Keywords: 腸内環境 / 共培養 / 幹細胞機能評価 / 疑似モデル構築 / 全身制御

Outline of Annual Research Achievements

炎症性腸疾患では腸管上皮細胞の機能不全による腸内環境破綻が難治性の原因と示唆される。申請者は腸管上皮幹細胞運命を人為的に制御し、腸内環境を改善させることが生体恒常性までもリセットすることにより炎症性腸疾患を根本的に解決できると着想した。申請者らが独自に確立した「腸管上皮幹細胞初代培養」と「幹細胞移植モデル」をさらに発展させ、擬似腸管環境モデル構築による腸管上皮幹細胞の運命制御及び腸管免疫・内分泌制御を含めた腸内環境・生体恒常性への関与を解明する。最終的には腸管上皮幹細胞による腸内環境、生体恒常性リセットという新たな機序を創成し臨床応用への基盤を構築するだけでなく、腸疾患に留まらず生活習慣病などの全身疾患を制御できるという新しい概念を提唱するものである。
本年度は昨年度のマウスでの系を発展させ、ヒトでの系を樹立した。ヒト内視鏡生検検体、もしくは手術検体より、腸上皮オルガノイド・上皮間リンパ球の初代培養を施行した。ヒト大腸オルガノイドを用いてサイトカイン、細菌菌体成分添加による上皮応答を確認した。添加のみでも十分な免疫応答が得られることを確認し、最大限の炎症応答が得られる条件を最適化した。潰瘍性大腸炎患者生検検体の網羅的遺伝子発現プロファイルと炎症刺激オルガノイドのプロファイルを比較検討したところ、類似性を確認した。以上より、炎症性腸疾患の体外擬似モデルであることが示唆された。また、マウスモデルにおいては、高脂肪食負荷を行い消化管への影響を解析している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

順調に以下の研究成果が得られた。
１）初代培養オルガノイドによる擬似腸内環境モデルの構築
ヒト大腸オルガノイドを樹立した。マウスと同様に炎症刺激を長期間行い、遺伝子発現プロファイルを検討したところ、炎症性腸疾患患者生検検体との類似性を確認したことから、体外擬似モデルであることが示唆された。さらに、炎症性腸疾患同一患者の病変部由来と非病変部由来のオルガノイドを樹立し、病変部特異的形質及び発現遺伝子を同定した。
２）腸管上皮幹細胞機能評価法の確立
本年度は独自に腸管オルガノイドへの遺伝子導入法を確立し、１幹細胞をmCherry蛍光蛋白発現にて可視化することに成功した。さらに幹細胞マーカープロモーターを用いた幹細胞可視化も試み、ヒト大腸由来オルガノイドの幹細胞可視化に一部成功している。擬似モデルと組み合わせることにより、幹細胞における炎症応答を解析する予定である。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度は、以下のプロジェクトを進める予定である。
腸管上皮細胞とリンパ球、腸内細菌など共培養系の構築をさらに進め、腸内環境疑似モデルの構築に努める。幹細胞制御機能に関しては、ヒト検体収集を引き続き行い、炎症性腸疾患患者だけでなく、生活習慣病患者の腸管オルガノイド培養・リンパ球培養を行い、生体恒常性への制御機構を明らかにする予定である。

Research Products

• [Journal Article] Single cell analysis of Crohn’s disease patient-derived small intestinal organoids reveals disease activity-dependent modification of stem cell properties. (2018)
  • Author(s): Suzuki K, Murano T, Shimizu M, Ito G, Nakata T, Fujii S, Ishibashi F, Kawamoto A, Anzai S, Kuno R, Kuwabara K, Takahashi J, Hama M, Nagata S, Hiraguri Y, Takenaka K, Yui S, Tsuchiya K, Nakamura T, Ohtsuka K, Watanabe M, Okamoto R:
  • Journal Title: J Gastroenterol. Volume: 53 Pages: 1035-1047
  • DOI: 10.1007/s00535-018-1437-3.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] B cell activation in the cecal patches during the development of an experimental colitis model. (2018)
  • Author(s): Watabe T, Nagaishi T, Tsugawa M, Kojima Y, Jose N, Hosoya A, Onizawa M, Nemoto Y, Oshima S, Nakamura T, Karasuyama H, Adachi T, Watanabe M
  • Journal Title: Biochem Biophys res Commun. Volume: 496 Pages: 367-373
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.01.053.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] YAP/TAZ-dependent reprogramming of colonic epithelium links ECM remodeling to tissue regeneration. (2018)
  • Author(s): Yui S, Azzolin L, Maimets M, Pedersen M, Fordham R, Hansen S, Guiu J, Alves M, Rundsen C, Johansen J, Li Y, Madsen C, Nakamura T, Wanatabe M, Nielsen O, Schweiger P, Piccolo S, Jensen K
  • Journal Title: Cell Stem Cell Volume: 22 Pages: 35-49
  • DOI: 10.1016/j.stem.2017.11.001.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Contribution of ATOH1+ cells to the homeostasis, repair and tumorigenesis of the colonic epithelium. (2018)
  • Author(s): Ishibashi F, Shimizu H, Nakata T, Fujii S, Suzuki K, Kawamoto A, Anzai S, Kuno R, Nagata S, Ito G, Murano T, Mizutani T, Oshima S, Tsuchiya K, Nakamura T, Watanabe M, Okamoto R
  • Journal Title: Stem Cell Rep. Volume: 10 Pages: 27-42,
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2017.11.006.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Novel polyubiquitin imaging system, PolyUb-FC, reveals that K33-linked polyubiquitin is recruited by p62/SQSTM1. (2018)
  • Author(s): Nibe Y, Oshima S, Kobayashi M, Maeyashiki C, Matsuzawa Y, Otsubo K, Matsuda H, Aonuma E, Nemoto Y, Nagaishi T, Okamoto R, Tsuchiya K, Nakamura T, Nakada S, Watanabe M
  • Journal Title: Autophagy Volume: 24 Pages: 347-358
  • DOI: 10.1080/15548627.2017.1407889.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Distinct intestinal adaptation for vitamin B12 and bile acid absorption revealed in a new mouse model of massive ileocecal resection. (2017)
  • Author(s): Matsumoto Y, Mochizuki W, Akiyama S, Matsumoto T, Nozaki K, Watanabe M, Nakamura T
  • Journal Title: Biol Open. Volume: 15 Pages: 1364-1374
  • DOI: 10.1242/bio.024927.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CCN3 expresssion marks a sulfomucin-nonproducing unique subset of colonic goblet cells in mice. (2017)
  • Author(s): Akiyama S, Mochizuki W, Nibe Y, Matsumoto Y, Sakamoto K, Oshima S, Watanabe M, Nakamura T
  • Journal Title: Acta histochem Cytochem. Volume: 50 Pages: 159-168
  • DOI: 10.1267/ahc.17027.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Organoids as a therapy resource from clinical trial in a dish to engraftment. (2018)
  • Author(s): Watanabe M
  • Organizer: International Cluster Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The identification of lesion-specific gene expression in intestinal epithelial cells of Ulcerative Colitis by comparing colonic organoids from lesion and non-lesion parts of same patients. (2018)
  • Author(s): Nishimura R, Tsuchiya K, Shirasaki T, Watanabe S, Hibiya S, Okamoto R, Nakamura T, Watanabe M
  • Organizer: The 13th Congress of ECCO
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Long-chain fatty acid regulates autophagy and polyubiquitination in intestinal epithelial cells. (2018)
  • Author(s): Otsubo K, Maeyashiki C, Aonuma E, Matsuda H, Nibe Y, Kobayashi M, Matsuzawa Y, Watanabe M, Oshima S
  • Organizer: Keystone Symposia - Ubiquitin Signaling (A8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stem Cell Therapy for IBD: Promise and Challenge. (2017)
  • Author(s): Watanabe M
  • Organizer: GZDDW2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Intestinal Epithelial Stem Cells for the Treatment of GI Disease. (2017)
  • Author(s): Watanabe M
  • Organizer: Digestive and Liver Diseases Conference
  • Invited
• [Presentation] Analysis of ileocecal immune response in an experimental colitis model using intra-vital imaging. (2017)
  • Author(s): Watabe T, Nagaishi T, Hosoya A, Jose N, Tsugawa N, Kojima Y, Yoshikawa S, Karasuyama H, Adachi T, Watanabe M
  • Organizer: 第46回日本免疫学会学術集会
• [Presentation] Reprogrammed Atoh1+ intestinal epithelial cells contribute to regenerate damaged colonic mucosa in DSS-induced colitis. (2017)
  • Author(s): Ishibashi F, Shimizu H, Nakata T, Fujii S, Suzuki K, Kawamoto A, Anzai S, Kuno R, Nagata S, Ito G, Murano T, Oshima S, Tsuchiya K, Nakamura T, Okamoto R, Watanabe M
  • Organizer: UEGW2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lineage tracing reveals contribution of Atoh1+ cell-derived stem cells in the homeostasis, repair, and carcinogenesis of the intestinal epithelium (2017)
  • Author(s): Ishibashi F, Shimizu H, Nakata T, Fujii S, Suzuki K, Kawamoto A, Anzai S, Kuno R, Nagata S, Ito G, Murano T, Oshima S, Tsuchiya K, Nakamura T, Okamoto R, Watanabe M
  • Organizer: DDW2017
  • Int'l Joint Research