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Building Bone with "Light": Creating Innovative Bone Regeneration Therapy

Research Project

Project/Area Number 19K22701
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 57:Oral science and related fields
Research InstitutionTokyo Medical and Dental University

Principal Investigator

Ono Takashi  東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (30221857)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中田 隆夫  東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 教授 (50218004)
細道 純  東京医科歯科大学, 大学院医歯学総合研究科, 准教授 (00420258)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords光遺伝学 / 光遺伝学ツール(光応答タンパク質) / 破骨細胞 / 骨吸収 / Opto-RANK / 骨リモデリング / 光スイッチ / 間葉系幹細胞 / カルシウムシグナル / 骨芽細胞 / 骨再生 / 歯科矯正学 / 幹細胞
Outline of Research at the Start

骨芽細胞の分化プロセスにおける、細胞内カルシウム(Ca)シグナルの変化が知られている。これまでに、青色光照射によって細胞膜Caチャネルを人為的に開閉操作できる光スイッチタンパク質を開発し、標的細胞のCaシグナルを非侵襲的かつ即時に制御できる技術を報告してきた。しかしながら、Caチャネルを標的にして、幹細胞機能を人為的に制御する研究は、現在まで報告されていない。そこで本研究は、低侵襲・迅速・確実な骨再生療法の創出を目的に、培養実験および動物実験を通して、光遺伝学ツールによる間葉系幹細胞のCaシグナルの制御と骨分化を検証し、新たな骨再生技術の基盤的研究を行う。

Outline of Final Research Achievements

Advances in protein engineering technology have enabled the artificial creation of various photogenetic tools (light-responsive proteins), which can be used to manipulate intracellular signals, induce gene expression and genetic recombination by light. However, few studies have been conducted to differentiate cells and produce mature cells with specific functions using only one photogenetic tool. In this study, we developed a new tool, Opto RANK, which induces differentiation of mature osteoclasts using light, and succeeded in generating osteoclasts at specific locations by controlling light irradiation, suggesting that local bone resorption is possible as a result.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果は光を用いて細胞を分化誘導し、機能的な細胞を生み出すという光遺伝学の新たな応用方法を示し、自由に光照射をコントロールできるメリットを生かして、細胞分化における細胞内のシグナル伝達の時空間的な詳細な解析が可能になる。また、光照射をコントロールして骨吸収を操ることができることから、骨疾患や歯科矯正の新たな治療方法の開発につながる可能性が期待される。さらに、今後、本研究の手法を転用して、新たな光遺伝学ツールを作成することで、光遺伝学研究の発展につながることも期待される。

Report

(6 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2024 2023 2019 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Development of an optogenetics tool, Opto-RANK, for control of osteoclast differentiation using blue light2024

    • Author(s)
      Takada Aiko、Asano Toshifumi、Nakahama Ken-ichi、Ono Takashi、Nakata Takao、Ishii Tomohiro
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1749-1749

    • DOI

      10.1038/s41598-024-52056-w

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] オプトジェネティクスを用いた破骨細胞分化の光制御2023

    • Author(s)
      高田愛子、石井智浩、中浜健一、浅野豪文、小野卓史、中田隆夫
    • Organizer
      第41回日本骨代謝学会学術集会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] オプトジェネティクスを用いた破骨細胞分化の光制御2023

    • Author(s)
      高田愛子、石井智浩、中浜健一、浅野豪文、小野卓史、中田隆夫
    • Organizer
      第41回日本骨代謝学会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Optogenetic manipulation of intracellular calcium by blue light-activated Ca2+ channel switch promotes osteogenic differentiation of MC3T3-E1 cells.2019

    • Author(s)
      Sato M, Asano T, Hosomichi J, Nakata T, Ono T.
    • Organizer
      95th congress of the European Orthodontic Society
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 「 光で骨吸収をコントロールする新技術を開発 」

    • URL

      https://www.tmd.ac.jp/press-release/20240213-1/

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2025-01-30  

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