ヒト幹細胞培養系に出現する異質細胞の非侵襲的検出法の開発とその出現機構の解明

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Singularity biology
• Project/Area Number: 19H05418
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 難波 大輔 東京医科歯科大学, 難治疾患研究所, 准教授 (10380255)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 表皮角化幹細胞 / 機械学習

Outline of Annual Research Achievements

重度熱傷などへの再生医療に用いられている培養ヒト表皮幹細胞は、自己複製を繰り返しながら、幹細胞コロニーを形成する。しかしながら、突如として幹細胞コロニー内に自己複製能を消失した異質な細胞が生まれる。このような異質細胞が出現した幹細胞コロニーでは、連鎖的に他の多くの幹細胞が分裂停止し、分化した分裂停止コロニーへと形質転換する。すなわち、均一な幹細胞集団内に生まれた一つの異質な細胞＝シンギュラリティ細胞が、幹細胞集団そのものを消失させる。この異質細胞の出現は、再生医療の大きなリスクとなっている。異質細胞出現の機構は不明であるが、申請者らの研究から、異質細胞は細胞運動能が低下していることが明らかとなっている。本研究では、ヒト表皮幹細胞コロニーに突如現れる異質細胞を、非侵襲的に細胞運動速度の変化から検出する手法を開発し、異質細胞の出現時の環境を明らかにすることで、異質細胞出現機構を解明し、またヒト表皮幹細胞培養の品質管理法として応用することを目指す。具体的には、位相差顕微鏡画像から、機械学習よって幹細胞コロニーから個々の細胞を自動認識するシステムを構築し、その時系列画像から状態空間モデルを用いた物体追跡によって、幹細胞コロニー内の個々の細胞の軌跡を明らかにする。また、本手法の再生医療応用への汎用性を示すため、ヒトiPS細胞でも同様の手法でコロニー内の個々の細胞の自動認識および追跡を行う。

本年度は、ヒト表皮幹細胞コロニーの位相差顕微鏡画像から、自動的に細胞を検出しトラッキングする手法を開発することに成功した。また、トラッキングによる細胞速度解析から、培養条件の変化を見出すこと、さらには、幹細胞コロニーの長期的な増殖能力と相関する運動パターンパラメータを同定することができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

予定どおり、ヒト表皮幹細胞コロニーの位相差顕微鏡画像から、自動的に細胞を検出しトラッキングする手法を開発することが出来た。また、トラッキングによる細胞速度を利用して、幹細胞コロニーの培養状態変化や増殖性を予測する手法を開発できた。

Strategy for Future Research Activity

ヒト表皮幹細胞コロニーの長期連続観察から、著しく速度の異なるシンギュラリティ細胞を検出する。また、ヒトiPS細胞でも、同様の手法を開発する。

Research Products

• [Journal Article] Stem Cell Competition Orchestrates Skin Homeostasis and Ageing (2019)
  • Author(s): Liu N, Matsumura H, Kato T, Ichinose S, Takada A, Namiki T, Asakawa K, Morinaga H, Mohri Y, De Arcangelis A, Geroges-Labouesse E, Nanba D, Nishimura EK.
  • Journal Title: Nature Volume: 568 Pages: 344-350
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1085-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] IGF-1R Deficiency in Human Keratinocytes Disrupts Epidermal Homeostasis and Stem Cell Maintenance (2019)
  • Author(s): Muraguchi T,Nanba D, Nishimura EK, Tashiro T.
  • Journal Title: J Dermatol Sci Volume: 94 Pages: 298-305
  • DOI: 10.1016/j.jdermsci.2019.05.001.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Noninvasive Measurement of Cell/Colony Motion Using Image Analysis Methods to Evaluate the Proliferative Capacity of Oral Keratinocytes as a Tool for Quality Control in Regenerative Medicine (2019)
  • Author(s): Hoshikawa E, Sato T, Kimori Y, Suzuki A, Haga K, Kato H, Tabeta K,?Nanba D, Izumi K.
  • Journal Title: J Tissue Eng. Volume: 10 Pages: 204173141988152
  • DOI: 10.1177/2041731419881528.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Human keratinocyte stem cells: From cell biology to cell therapy. (2019)
  • Author(s): Nanba D.
  • Journal Title: J Dermatol Sci. Volume: 96 Pages: 66-72
  • DOI: 10.1016/j.jdermsci.2019.10.002.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Valve Interstitial Cell-Specific Cyclooxygenase-1 Associated With Calcification of Aortic Valves. (2019)
  • Author(s): Sakaue T, Hamaguchi M, Aono J, Nakashiro KI, Shikata F, Kawakami N, Oshima Y, Kurata M,?Nanba D, Masumoto J, Yamaguchi O, Higashiyama S, Izutani H.
  • Journal Title: Ann Thorac Surg Volume: S0003-4975 Pages: 31717-5
  • DOI: 10.1016/j.athoracsur.2019.09.085.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Automated collective motion analysis validates human keratinocyte stem cell cultures. (2019)
  • Author(s): Kinoshita K, Munesue T, Toki F, Isshiki M, Higashiyama S, Barrandon Y, Nishimura EK, Yanagihara Y,?Nanba D.
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 9 Pages: 18725
  • DOI: 10.1038/s41598-019-55279-4.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evaluation of the proliferative potential of skin keratinocytes and fibroblasts isolated from critical limb ischemia patients. (2019)
  • Author(s): Toki F,?Nanba D, Nishimura EK, Matsuzaki K.
  • Journal Title: Regen Ther Volume: 14 Pages: 222-226
  • DOI: 10.1016/j.reth.2020.03.016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Tracing stem cell motion in human keratinocyte colonies using deep learning-based object tracking (2019)
  • Author(s): Nanba D
  • Organizer: 1st Japan-Singapore International Skin Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Label-free identification of human keratinocyte stem cells by deep learning-based quantitative cell motion analysis. (2019)
  • Author(s): Nanba D, Hirose T, Toki F, Nishimura EK, Kotoku J.
  • Organizer: 49th Annual European Society for Dermatological Research (ESDR) Meeting
  • Int'l Joint Research