Visualization of symbiotic interfaces and cellular responses

• Project Area: Biophysical Chemistry for Material Symbiosis
• Project/Area Number: 20H05872
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 大場 雄介 北海道大学, 医学研究院, 教授 (30333503)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥138,060,000 (Direct Cost: ¥106,200,000、Indirect Cost: ¥31,860,000); Fiscal Year 2024: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000); Fiscal Year 2023: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000); Fiscal Year 2022: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000); Fiscal Year 2021: ¥23,530,000 (Direct Cost: ¥18,100,000、Indirect Cost: ¥5,430,000); Fiscal Year 2020: ¥40,040,000 (Direct Cost: ¥30,800,000、Indirect Cost: ¥9,240,000)
• Keywords: 物質共生 / 弱い相互作用 / バイオイメージング / 細胞膜 / 細胞応答 / 相関イメージング

Outline of Research at the Start

マテリアルが最初に接触する生体要素、すなわちマテリアルと生体とのインターフェースである細胞膜を、高速ライブセル原子間力顕微鏡を用いて「まるごと」観察すると同時に、そこに関与する生体因子や相互作用により生じる細胞応答を蛍光イメージングする。これらの相関イメージングにより、「弱い相互作用」を分子・細胞レベルで定義づけ、生体がマテリアルと遭遇した時に呈する細胞動態を可視化する。これによって相互作用の強弱が、「拒絶」「ステルス（回避）」「寛容」のいずれを導くかのプロセスをデコードし、本領域の命題である「マテリアル・シンバイオシスとは何か？」を定義し、「物質共生」の理解に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

本計画研究においては、マテリアルが最初に接触する生体要素、すなわちマテリアルと生体とのインターフェースである細胞膜を「まるごと」その挙動を含めて可視化することを目的に研究を実施している。同時に膜上で生じるマテリアル―細胞相互作用を、その強弱によらず網羅的に可視化し、相互作用により、細胞膜直下、細胞内および各オルガネラ等で生じる細胞応答を、蛍光バイオイメージングで同時可視化する実験系が構築された。この相関イメージングにより 、マテリアルシンバイオシスを司る分子基盤、すなわち、生体がマテリアルと遭遇した時に呈する細胞応答や細胞動態を可視化した。
本研究で実施する、細胞表面で生じるマテリアルと細胞表面タンパク質の「弱い相互作用」が生じている現場である細胞膜の動態観察を実現するために必要な、各種バイオイメージング技術の開発等を行った。また、オルガネラ間の「弱い相互作用」の解析結果に関する論文を発表した。さらにこの研究成果を発展させ、相互作用様式の定量解析や物質あるいは各種病原体等と細胞との相互作用と細胞応答解析へと発展させている。また、ウイルスをモデルとして宿主細胞との相互作用を制御する細胞間シグナル伝達機構を見出し、論文化を進めてきた。物質との相互作用においても同様の機序が作動するかも検討中である。
本研究グループは、研究領域内の測定拠点としての活動も求められている。本年度は、R2年度から継続してその体制整備を実施し、実際に運用を開始し順調に稼働している。稼働中の機器は以下の通り。高速ディスク式共焦点顕微鏡3機(うち2機は2波長同時刻画像取得可能、3機は超解像ユニット実装)、全反射顕微鏡1機、広視野顕微鏡1機等。本年度の共同研究実績は領域内外で20件に及んだ。また、例年通り領域共催のイメージング講習会を実施した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

年度当初において交付申請書に記載した本年度の実施計画にそって進展したから。

Strategy for Future Research Activity

イメージング拠点は従前どおり円滑な運営体制も維持する。 また、これらの機器を活用し、さらなる観察の高解像度化を進め、相互作用様式の定量解析や物質あるいは各種病原体等と細胞との相互作用と細胞応答解析をさらに進める。おって、さらなる共同研究の活性化につなげる。

Research Products

• [Journal Article] Intravenous Administration of Mesenchymal Stem Cell-Derived Exosome Alleviates Spinal Cord Injury by Regulating Neutrophil Extracellular Trap Formation through Exosomal miR-125a-3p (2024)
  • Author(s): Morishima Yutaka、Kawabori Masahito、Yamazaki Kazuyoshi、Takamiya Soichiro、Yamaguchi Sho、Nakahara Yo、Senjo Hajime、Hashimoto Daigo、Masuda Sakiko、Fujioka Yoichiro、Ohba Yusuke、Mizuno Yuki、Kuge Yuji、Fujimura Miki
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 25 Issue: 4 Pages: 2406-2406
  • DOI: 10.3390/ijms25042406
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Strength in numbers: Unleashing the potential of trans-scale scope AMATERAS for massive cell quantification (2024)
  • Author(s): Ichimura Taro、Kakizuka Taishi、Sato Yuki、Fujioka Yoichiro、Ohba Yusuke、Horikawa Kazuki、Nagai Takeharu
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 21 Issue: Supplemental Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v21.s017
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of Polymer?Lipid Hybrid Nanoparticles for Large-Sized Plasmid DNA Transfection (2023)
  • Author(s): Maeki Masatoshi、Uno Shuya、Sugiura Kaisei、Sato Yusuke、Fujioka Yoichiro、Ishida Akihiko、Ohba Yusuke、Harashima Hideyoshi、Tokeshi Manabu
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 16 Issue: 2 Pages: 2110-2119
  • DOI: 10.1021/acsami.3c14714
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Safe and efficient oral allergy immunotherapy using one-pot-prepared mannan-coated allergen nanoparticles (2023)
  • Author(s): Li Shunyi、Toriumi Hiroki、Takahashi Daisuke、Kamasaki Tomoko、Fujioka Yoichiro、Nagatoishi Satoru、Li Jinting、Liu Yiwei、Hosokawa Takanatsu、Tsumoto Kouhei、Ohba Yusuke、Katayama Yoshiki、Murakami Daisuke、Hase Koji、Mori Takeshi
  • Journal Title: Biomaterials Volume: 303 Pages: 122381-122381
  • DOI: 10.1016/j.biomaterials.2023.122381
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparative pathogenicity of SARS-CoV-2 Omicron subvariants including BA.1, BA.2, and BA.5 (2023)
  • Author(s): Tamura T, Yamasoba D, Oda Y, Ito J, Kamasaki T, Nao N, Hashimoto R, Fujioka Y, Suzuki R, Wang L, Ito H, Kashima Y, Kimura I, Kishimoto M, Tsuda M, Sawa H, Yoshimatsu K, Yamamoto Y, Nagamoto T, Kanamune J, Suzuki Y, Ohba Y, et al.
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 6 Issue: 1 Pages: 772-772
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05081-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Interaction between PI3K and the VDAC2 channel tethers Ras-PI3K-positive endosomes to mitochondria and promotes endosome maturation (2023)
  • Author(s): Satoh Aya O.、Fujioka Yoichiro、Kashiwagi Sayaka、Yoshida Aiko、Fujioka Mari、Sasajima Hitoshi、Nanbo Asuka、Amano Maho、Ohba Yusuke
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 42 Issue: 3 Pages: 112229-112229
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112229
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Schlafen family member 11 indicates favorable prognosis of patients with head and neck cancer following platinum-based chemoradiotherapy (2023)
  • Author(s): Hamada Seijiro、Kano Satoshi、Murai Junko、Suzuki Takayoshi、Tsushima Nayuta、Mizumachi Takatsugu、Suzuki Masanobu、Takashima Tsuyoshi、Taniyama Daiki、Sakamoto Naoya、Fujioka Yoichiro、Ohba Yusuke、Homma Akihiro
  • Journal Title: Frontiers in Oncology Volume: 12 Pages: 978875-978875
  • DOI: 10.3389/fonc.2022.978875
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stimulation of the mitochondrial calcium uniporter mitigates chronic heart failure-associated ventricular arrhythmia in mice (2022)
  • Author(s): Hagiwara Hikaru、Watanabe Masaya、Fujioka Yoichiro、Kadosaka Takahide、Koizumi Takuya、Koya Taro、Nakao Motoki、Kamada Rui、Temma Taro、Okada Kazufumi、Moreno Jose Antonio、Kwon Ohyun、Sabe Hisakata、Ohba Yusuke、Anzai Toshihisa
  • Journal Title: Heart Rhythm Volume: 19 Issue: 10 Pages: 1725-1735
  • DOI: 10.1016/j.hrthm.2022.05.034
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Secretory glycoprotein NS1 plays a crucial role in the particle formation of flaviviruses (2022)
  • Author(s): Tamura Tomokazu、Torii Shiho、Kajiwara Kentaro、Anzai Itsuki、Fujioka Yoichiro、Noda Kisho、Taguwa Shuhei、Morioka Yuhei、Suzuki Rigel、Fauzyah Yuzy、Ono Chikako、Ohba Yusuke、Okada Masato、Fukuhara Takasuke、Matsuura Yoshiharu
  • Journal Title: PLOS Pathogens Volume: 18 Issue: 6 Pages: e1010593-e1010593
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1010593
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct visualization of GLP‐1 secretion by fluorescent fusion proteins (2022)
  • Author(s): Tsuzuki Atsushi、Fujioka Yoichiro、Yoshida Aiko、Kashiwagi Sayaka、Amano Maho、Hira Tohru、Nakamura Akinobu、Miyoshi Hideaki、Atsumi Tatsuya、Ohba Yusuke
  • Journal Title: Journal of Diabetes Investigation Volume: - Issue: 7 Pages: 1134-1139
  • DOI: 10.1111/jdi.13800
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A method for the generation of pseudovirus particles bearing SARS coronavirus spike protein in high yields (2022)
  • Author(s): Fujioka Yoichiro、Kashiwagi Sayaka、Yoshida Aiko、Satoh Aya O.、Fujioka Mari、Amano Maho、Yamauchi Yohei、Ohba Yusuke
  • Journal Title: Cell Structure and Function Volume: 47 Issue: 1 Pages: 43-53
  • DOI: 10.1247/csf.21047
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ウイルスの細胞侵入を視る (2022)
  • Author(s): 藤岡容一朗，天野麻穂，大場雄介
  • Journal Title: 医学のあゆみ Volume: 280 Pages: 922-925
• [Journal Article] 弱い相互作用のインターフェースと細胞応答の当時可視化を実現するイメージング技術 (2022)
  • Author(s): 吉田藍子，藤岡容一朗，天野麻穂，大場雄介
  • Journal Title: Drug Delicery System Volume: 37 Pages: 102-111
• [Journal Article] A method for the generation of pseudotyped virus particles bearing SARS coronavirus spike protein in high yields (2021)
  • Author(s): Fujioka Yoichiro、Kashiwagi Sayaka、Yoshida Aiko、Satoh Aya O.、Fujioka Mari、Amano Maho、Yamauchi Yohei、Ohba Yusuke
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 21-21
  • DOI: 10.1101/2021.07.30.454063
  • Open Access
• [Presentation] AFM-蛍光相関イメージングによる細胞膜ナノ動態の観察 (2024)
  • Author(s): 大場雄介
  • Organizer: バイオSPM研究会
  • Invited
• [Presentation] ウイルス感染時の膜とイオンダイナミクスのイメージング (2023)
  • Author(s): 大場雄介
  • Organizer: 第97回日本感染症学会総会・学術講演会 第71回日本化学療法学会学術集会 合同学会（パシフィコ横浜 ノース@横浜）
  • Invited
• [Presentation] Imaging of cellular responses―dynamics of plasma membrane and ions―to viruses and extracellular materials_ (2023)
  • Author(s): 大場雄介
  • Organizer: 7thハラタマワークショップ 7th Gratama Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] SARS-CoV-2の宿主細胞侵入機構の解析 (2023)
  • Author(s): 藤岡容一朗、鬼塚洋之進、田村友和、柏木彩花、島田琉海、小澤史弥、福原崇介、吉田藍子、釜崎とも子、酒井信明、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第75回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] インフルエンザウイルス感染促進機構の解明 (2023)
  • Author(s): 小澤史弥、藤岡容一朗、吉田藍子、柏木彩花、釜崎とも子、酒井信明、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第 75 回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] PI3KとVDAC2の結合はRas-PI3K陽性エンドソームとミトコンドリアの相互作用を誘導しエンドソームの成熟を促進する (2023)
  • Author(s): 佐藤絢、藤岡容一朗、柏木彩花、吉田藍子、藤岡真理、笹島仁、南保明日香、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第103回日本生理学会北海道地方会
• [Presentation] ウイルスタンパク質viroporinによる細胞内Ca2+濃度上昇の細胞間伝播と感染促進 (2023)
  • Author(s): 島田琉海、藤岡容一朗、小澤史弥、釜崎とも子、柏木彩花、吉田藍子、酒井信明、植草良嗣、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第103回日本生理学会北海道地方会
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションを介したインフルエンザウイルス感染促進機構 (2023)
  • Author(s): 小澤史弥、藤岡容一朗、吉田藍子、柏木彩花、釜崎とも子、酒井信明、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第103回日本生理学会北海道地方会
• [Presentation] 形態と蛍光のライブセル相関イメージングによるウイルス粒子の細胞表面での拡散から内在化に至る過程の可視化 (2023)
  • Author(s): 吉田藍子、酒井信明、植草良嗣、釜崎とも子、小澤史弥、佐藤絢、柏木彩花、藤岡容一朗、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第103回日本生理学会北海道地方会
  • Invited
• [Presentation] 光遺伝学的手法を用いた上皮成長因子受容体シグナル制御機構の解析 (2023)
  • Author(s): 藤岡容一朗、鬼塚洋之進、吉田藍子、柏木彩花、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第103回日本生理学会北海道地方会
• [Presentation] 蛍光タンパク質が融合タンパク質のオルガネラ局在に与える影響の解析 (2023)
  • Author(s): 柏木 彩花、藤岡 容一朗、佐藤 絢、佐々木 新、吉田 藍子、藤岡 真理、笹島 仁、天野 麻穂、大場 雄介
  • Organizer: 第103回日本生理学会北海道地方会
• [Presentation] 形態と蛍光のライブセル相関イメージングによるウイルス－細胞膜間相互作用の可視化と解析 (2023)
  • Author(s): 吉田藍子、酒井信明、植草良嗣、釜崎とも子、小澤史弥、佐藤絢、柏木彩花、藤岡容一朗、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第32回バイオイメージング学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] AMATERASを用いたインフルエンザウイルスシンギュラリティ現象の解析 (2023)
  • Author(s): 藤岡容一朗、小澤史弥、市村垂生、垣塚太志、島田琉海、橋本泰行、柏木彩花、釜崎とも子、吉田藍子、酒井信明、植草良嗣、天野麻穂、永井健治、大場雄介
  • Organizer: 第32回バイオイメージング学会学術集会
• [Presentation] 細胞外マグネシウムイオンの増加はエンドサイトーシスを抑制するendocytosis (2023)
  • Author(s): 柏木 彩花、藤岡 容一朗、天野 麻穂、大場 雄介
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] 細胞間コミュニケーションを介したインフルエンザウイルス感染促進メカニズム (2023)
  • Author(s): 小澤史弥、藤岡容一朗、垣塚太志、市村垂生、島田琉海、橋本泰行、吉田藍子、柏木彩花、釜崎とも子、酒井信明、植草良嗣、天野 麻穂、永井健治、大場雄介
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] Visualization, analysis, and manipulation of cell dynamics using bioimaging and optogenetics techniques and their applications (2023)
  • Author(s): Yusuke Ohba
  • Organizer: 1st Material Symbiosis International symposium/3rd GI-CoRE/GSD International symposium/28th Pharmascience Forum
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Visualization of the field for virus-host cell interaction by correlative light and atomic force microscopy (CLAM) (2023)
  • Author(s): Yusuke Ohba
  • Organizer: U.S.-Japan Cooperative Medical Sciences Program (USJCMSP), International Conference on Emerging Infectious Diseases in the Pacific Rim, Acute Respiratory Infections (ARI) Panel Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] オプトジェネティクスを用いたEGFRシグナル制御機構の解析 (2022)
  • Author(s): 鬼塚洋之進、藤岡容一朗、吉田藍子、柏木彩花、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] インフルエンザウイルス感染伝播機構の解明 (2022)
  • Author(s): 小澤史弥、藤岡容一朗、吉田藍子、柏木彩花、天野麻穂、大場雄介
  • Organizer: 第74回日本細胞生物学会大会
• [Presentation] 蛍光－AFM相関観察によるウイルス－宿主相互作用の可視化 (2022)
  • Author(s): 大場雄介
  • Organizer: 第91回寄生虫学会大会
  • Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] シュードタイプウイルス集団及びその製造方法 (2021)
  • Inventor(s): 大場雄介，藤岡容一朗
  • Industrial Property Rights Holder: 北海道大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-125781
  • Filing Date: 2021