気管及び食道オルガノイドの立体構造の作成基盤確立と間充織極性化機構の解明

• 研究課題/領域番号: 18KK0423
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(A))
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 発生生物学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 岸本 圭史 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (70700029)
• 研究期間 (年度): 2019 – 2022
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
• キーワード: オルガノイド / 気管 / 食道 / 間充織 / ヒトES細胞 / 内胚葉 / 中胚葉 / 呼吸器 / 極性

研究開始時の研究の概要

生命を支える臓器は、細胞が適切な位置に配向することにより、正しい形態・機能を獲得する。我々は、マウス気管発生において、間充織細胞が極性を同調させることで管腔形態を調節することを報告した。一方、組織深部の細胞の挙動を生きたまま観察することは困難である。近年、幹細胞研究の進展によるオルガノイドの創出は、体外で臓器形成を観察する技術革新として注目されている。本研究課題では、オルガノイド研究において世界を牽引するシンシナティ小児科病院で組織を安定的に作出する技術開発に取組む。気管・食道オルガノイドを供給する基盤を確立し、臓器の初期発生の過程を理解する。特に間充織細胞の可視化及び分子機構に焦点をあてる。

研究成果の概要

気管と食道の形成は前腸と呼ばれる一本の管から分岐することから始まる。この過程では、上皮細胞と間充織細胞の相互作用が必要であり、その異常は気管食道分岐異常を引き起こす。本研究では、ヒト幹細胞から呼吸器および食道の上皮ならびに間充織を分化誘導する実験系を樹立し、これらの細胞を融合することで、間充織と上皮細胞の双方を含む気管および食道のオルガノイドの三次元構造を効率的に樹立することに成功した。さらに、これらのオルガノイドでは、上皮細胞と間充織細胞の相互作用が観察された。今後、この技術は気管食道の分化や極性化といった正常発生のシステム、さらには病態の理解に向けてのモデルシステムとしての期待される。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、間充織細胞を豊富に含む呼吸器並びに食道オルガノイドをヒトES細胞から作成する儀実基盤を確立することができた。本研究成果は、ヒト臓器の正常発生を研究するモデルとして有用なツールとしての活用が期待される。さらに、これらのオルガノイドにおいて、呼吸器・食道疾患に起因する遺伝子を操作することによって、病態を培養皿上で再現するモデルとして期待される。

研究成果

• [国際共同研究] シンシナティ小児病院(米国) (2019)
  • 年月日: 2019-12-10
• [雑誌論文] Directed differentiation of human pluripotent stem cells into diverse organ-specific mesenchyme of the digestive and respiratory systems (2022)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto K, Iwasawa K, Sorel A, Ferran-Heredia C, Han L, Morimoto M, Wells JM, Takebe T, Zorn AM.
  • 雑誌名: Nat Protoc 巻: 17 号: 11 ページ: 2699-2719
  • DOI: 10.1038/s41596-022-00733-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Functional human gastrointestinal organoids can be engineered from three primary germ layers derived separately from pluripotent stem cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Eicher Alexandra K.、Kechele Daniel O.、Sundaram Nambirajan、Berns H. Matthew、Poling Holly M.、Haines Lauren E.、Sanchez J. Guillermo、Kishimoto Keishi、Krishnamurthy Mansa、Han Lu、Zorn Aaron M.、Helmrath Michael A.、Wells James M.
  • 雑誌名: Cell Stem Cell 巻: 29 号: 1 ページ: 36-51.e6
  • DOI: 10.1016/j.stem.2021.10.010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Directed differentiation of human pluripotent stem cells into diverse organ-specific mesenchyme of the digestive and respiratory systems. (2022)
  • 著者名/発表者名: Keishi Kishimoto, Kentaro Iwasawa, Alice Sorel, Carlos Ferran-Heredia, Lu Han, Mitsuru Morimoto, James M Wells, Takanori Takebe and Aaron M Zorn
  • 雑誌名: nature protocols 巻: -
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mammalian tracheal development and reconstruction: insights from <i>in vivo</i> and <i>in vitro</i> studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto Keishi、Morimoto Mitsuru
  • 雑誌名: Development 巻: 148 号: 13
  • DOI: 10.1242/dev.198192
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single cell transcriptomics identifies a signaling network coordinating endoderm and mesoderm diversification during foregut organogenesis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Han L, Chaturvedi P, Kishimoto K, Koike H, Nasr T, Iwasawa K, Giesbrecht K, Witcher PC, Eicher A, Haines L, Lee Y, Shannon JM, Morimoto M, Wells JM, Takebe T, Zorn AM.
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 11(1) 号: 1 ページ: 4158-4158
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17968-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bidirectional Wnt signaling between endoderm and mesoderm confers tracheal identity in mouse and human cells. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto K, Furukawa KT, Luz-Madrigal A, Yamaoka A, Matsuoka C, Habu M, Alev C, Zorn AM, Morimoto M.
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 11(1) 号: 1 ページ: 4159-4159
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17969-w
  • NAID: 120006882430
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bidirectional Wnt signaling between endoderm and mesoderm confer tracheal identity in mouse and human (2020)
  • 著者名/発表者名: Keishi Kishimoto, Kana T. Furukawa, Agustin Luz Madrigal, Akira Yamaoka, Chisa Matsuoka, Masanobu Habu, Cantas Alev, Aaron M. Zorn, Mitsuru Morimoto
  • 雑誌名: Biorxiv 巻: 756825 ページ: 1-31
  • DOI: 10.1101/758235
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single cell transcriptomics reveals a signaling roadmap coordinating endoderm and mesoderm diversification during foregut organogenesis (2020)
  • 著者名/発表者名: Lu Han, Praneet Chaturvedi, Keishi Kishimoto, Hiroyuki Koike, Talia Nasr, Kentaro Iwasawa, Kirsten Giesbrecht, Phillip C Witcher, Alexandra Eicher, Lauren Haines, Yarim Lee, John M Shannon, Mitsuru Morimoto, James M Wells, Takanori Takebe, Aaron M Zorn
  • 雑誌名: Biorxiv 巻: 861781 ページ: 1-49
  • DOI: 10.1101/756825
  • オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Mechanism and in vitro reconstruction of mammalian trachea-esophageal development (2023)
  • 著者名/発表者名: Keishi Kishimoto
  • 学会等名: CLEAR Consortium Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Understanding and recapitulating trachea-esophageal development (2023)
  • 著者名/発表者名: Keishi Kishimoto, Aaron M Zorn, Mitsuru Morimoto
  • 学会等名: RIKEN BDR-CuSTOM Joint Organoid Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Understanding early respiratory and esophageal development toward in vitro modeling organogenesis with human pluripotent stem cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Kishimoto K, Zorn AM and Morimoto M
  • 学会等名: The 45th Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Induction of organ specific splanchnic mesoderm from human embryonic stem cell (2020)
  • 著者名/発表者名: Keishi Kishimoto
  • 学会等名: CLEAR consortium 2020
  • 国際学会
• [産業財産権] ORGANOID MESODERM LINEAGE DIVERSIFICATION (2020)
  • 発明者名: Zorn AM,Kishimoto K,Morimoto M
  • 権利者名: Zorn AM,Kishimoto K,Morimoto M
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2020
  • 取得年月日: 2022
  • 外国