ヒト脳全域を網羅的イメージングする超高速ブレインスキャナの開発

• 研究課題/領域番号: 19K22696
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分56:生体機能および感覚に関する外科学およびその関連分野
• 研究機関: 金沢医科大学
• 研究代表者: 八田 稔久 金沢医科大学, 医学部, 教授 (20238025)
• 研究分担者: 森 健策 名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (10293664) ; 松原 孝宜 金沢医科大学, 医学部, 協力研究員 (30727649) ; 坂田 ひろみ 金沢医科大学, 医学部, 准教授 (50294666) ; 塚田 剛史 金沢医科大学, 医学部, 助教 (90647108) ; 友杉 充宏 金沢医科大学, 医学部, 助教 (60533429)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2020年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 脳 / 組織透明化 / RAP / 3次元イメージング / ブレインスキャナー / シングルセル / イメージング / スキャナ / 透明化 / ヒト

研究開始時の研究の概要

ヒトの大脳全域にわたって、ミクロレベルで超高速蛍光イメージングを行うための大型組織スキャナを開発する。これに、我々が独自開発した組織透明化技術を最適化して組み合わせることで、大脳の全組織構造を記述することが可能な３Ｄイメージング・プラットホームが構築される。さらに、最先端の画像処理技術によって、一個の神経細胞の脳全域にわたる広がりと細胞同士の連絡を、俯瞰的レベルから微細構築までシームレスに観察することが可能となる。この研究で得られる成果は、脳腫瘍細胞の組織解析において、ミクロレベルの情報とCT、MRIなどのマクロレベルの情報が相互リンクする革新的画像診断システムの開発につながる。

研究成果の概要

ヒト大脳全体にわたる微細構造をシナプスレベルの解像度で記録するためのハードウエア開発とそれに最適化した標本処理技術開発を行った。具体的には、金沢医科大学に現有するハイスループット細胞機能探索システム Cell Voyager7000 (CV7000, Yokogawa）を、超高速広視野高精細3Dスキャナとして運用するための改造を行った。ヒト大脳片側のcoronal断面全域に対して深部スキャンを行い、立体再構築することが可能な共焦点組織スキャナを構築した。また、ホルマリン固定ヒト成人大脳を完全に透明化するプロトコルを確立することができた。これの免疫染色等への応用については、今後の課題とした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

我々が開発したヒト脳組織透明化技術とそれに最適化された組織スキャナを組み合わせることで、ヒト脳全域にわたって、シナプスレベルの解像度で組織構築を完全に記述することが可能となる。これに免疫染色による情報を加えることで、脳まるごと１個分の全ニューロン、グリアの形態学的な情報、全ニューロン同士の連絡、subcellularレベルの情報を記述することが可能となる。
膨大なデータに対して、情報処理の分野に新しい研究テーマが創出されるとともに、臨床で得られるマクロ（CT、MRI）とsubcellularレベルの情報がリンクすることで、革新的画像診断システムの開発・発展が促される。

研究成果

• [雑誌論文] Rapid bone staining with hair removal (RAP-B/HR): a non-destructive and rapid whole-mount bone staining protocol optimized for adult hairy mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Nobuo Kariyama, Hiromi Sakata-Haga, Tsuyoshi Tsukada, Hiroki Shimada, Makoto Taniguchi & Toshihisa Hatta
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 1950-1950
  • DOI: 10.1038/s41598-021-81616-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Exposure to Maternal Immune Activation Causes Congenital Unfolded Protein Response Defects and Increases the Susceptibility to Postnatal Inflammatory Stimulation in Offspring (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Yo、Tsukada Tsuyoshi、Sakata-Haga Hiromi、Sakai Daisuke、Shoji Hiroki、Saikawa Yutaka、Hatta Toshihisa
  • 雑誌名: Journal of Inflammation Research 巻: Volume 14 ページ: 355-365
  • DOI: 10.2147/jir.s294238
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mid-pregnancy maternal immune activation increases Pax6-positive and Tbr2-positive neural progenitor cells and causes integrated stress response in the fetal brain in a mouse model of maternal viral infection (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsukada Tsuyoshi、Sakata-Haga Hiromi、Shimada Hiroki、Shoji Hiroki、Hatta Toshihisa
  • 雑誌名: IBRO Neuroscience Reports 巻: 11 ページ: 73-80
  • DOI: 10.1016/j.ibneur.2021.07.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cerebrospinal fluid may flow out from the brain through the frontal skull base and choroid plexus: a gold colloid and cadaverine injection study in mouse fetus (2021)
  • 著者名/発表者名: Akai Takuya、Hatta Toshihisa、Sakata-Haga Hiromi、Yamamoto Seiji、Otani Hiroki、Yamamoto Shusuke、Kuroda Satoshi
  • 雑誌名: Child's Nervous System 巻: 37 号: 10 ページ: 3013-3020
  • DOI: 10.1007/s00381-021-05253-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] MC5R Contributes to Sensitivity to UVB Waves and Barrier Function in Mouse Epidermis (2021)
  • 著者名/発表者名: Shintani Akari、Sakata-Haga Hiromi、Moriguchi Keiichi、Tomosugi Mitsuhiro、Sakai Daisuke、Tsukada Tsuyoshi、Taniguchi Makoto、Asano Masahide、Shimada Hiroki、Otani Hiroki、Shoji Hiroki、Hatta Junko、Mochizuki Takashi、Hatta Toshihisa
  • 雑誌名: JID Innovations 巻: 1 号: 3 ページ: 100024-100024
  • DOI: 10.1016/j.xjidi.2021.100024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Decidual cells are the initial target of polyriboinosinic-polyribocytidylic acid in a mouse model of maternal viral infection (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsukada Tsuyoshi、Shimada Hiroki、Sakata-Haga Hiromi、Shoji Hiroki、Iizuka Hideaki、Hatta Toshihisa
  • 雑誌名: Biochemistry and Biophysics Reports 巻: 26 ページ: 100958-100958
  • DOI: 10.1016/j.bbrep.2021.100958
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Leukemia Inhibitory Factor Induces Proopiomelanocortin via CRH/CRHR Pathway in Mouse Trophoblast (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang He、Sakata-Haga Hiromi、Masuta Hiroko、Tomosugi Mitsuhiro、Tsukada Tsuyoshi、Shimada Hiroki、Sakai Daisuke、Shoji Hiroki、Hatta Toshihisa
  • 雑誌名: Frontiers in Cell and Developmental Biology 巻: 9 ページ: 618947-618947
  • DOI: 10.3389/fcell.2021.618947
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Placental superoxide dismutase 3 mediates benefits of maternal exercise on offspring health (2021)
  • 著者名/発表者名: Kusuyama J, Alves-Wagner AB, Conlin RH, Makarewicz NS, Albertson BG, Prince NB, Kobayashi S, Kozuka C, Moller M, Bjerre M, Fuglsang J, Miele E, Middelbeek RJW, Xiudong Y, Xia Y, Garneau L, Bhattacharjee J, Aguer C, Patti ME, Hirshman MF, Jessen N, Hatta T, Ovesen PG, Adamo KB, Nozik-Grayck E, Goodyear LJ.
  • 雑誌名: Cell Metabolism 巻: Mar 19 号: 5 ページ: 939-956
  • DOI: 10.1016/j.cmet.2021.03.004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct evidence of the relationship between brain metastatic adenocarcinoma and white matter fibers: A fiber dissection and diffusion tensor imaging tractography study (2020)
  • 著者名/発表者名: Liu Xiaoliang、Kinoshita Masashi、Shinohara Harumichi、Hori Osamu、Ozaki Noriyuki、Hatta Toshihisa、Honma Satoru、Nakada Mitsutoshi
  • 雑誌名: Journal of Clinical Neuroscience 巻: S0967-5852 ページ: 55-61
  • DOI: 10.1016/j.jocn.2020.05.043
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Leukemia inhibitory factor induces corticotropin-releasing hormone in mouse trophoblast stem cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang He、Tsukada Tsuyoshi、Shimada Hiroki、Sakata-Haga Hiromi、Iida Yasuo、Zhang Shitai、Shoji Hiroki、Hatta Toshihisa
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 522 号: 1 ページ: 81-87
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.11.059
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The impact of ovariectomy on olfactory neuron regeneration in mice (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamada K, Shiga H, Noda T, Harita M, Ishikura T, Nakamura Y, Hatta T, Sakata-Haga H, Shimada H, Miwa T
  • 雑誌名: Chem Senses 巻: 45 号: 3 ページ: 203-209
  • DOI: 10.1093/chemse/bjaa005
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular mechanisms underlying the models of neurodevelopmental disorders in maternal immune activation relevant to the placenta (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsukada T, Shimada H, Sakata-Haga H, Iizuka H, Hatta T
  • 雑誌名: Congenital Anomalies 巻: 59 ページ: 81-87
  • NAID: 50014236529
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Tokishakuyakusan on regeneration of murine olfactory neurons in vivo and in vitro. (2019)
  • 著者名/発表者名: Noda, T., Shiga, H., Yamada, K., Harita, M., Nakamura Y., Ishikura T., Kumai M., Kawakami Z., Kaneko A., Hatta T., Sakata-Haga H., Shimada H., Miwa, T.
  • 雑誌名: Chemical Senses 巻: 44 号: 5 ページ: 327-338
  • DOI: 10.1093/chemse/bjz023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 深部イメージングにおける迅速組織透明化法(RAP)の有用性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂田 ひろみ、増田 浩子、友杉 充宏、八田 稔久
  • 学会等名: 第 127 回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] 母体免疫系の活性化は、児の神経発生を障害し、Atf4の発現を増加させる (2021)
  • 著者名/発表者名: 塚田剛史, 坂田ひろみ, 島田ひろき, 東海林博樹, 八田稔久
  • 学会等名: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] 母体免疫活性化の曝露による出生後の小胞体ストレス応答不良と炎症に対する感受性亢進の誘導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 清水 陽, 塚田剛史, 坂田ひろみ, 酒井大輔, 東海林博樹, 犀川 太, 八田稔久
  • 学会等名: 第6１回日本先天異常学会学術集会
• [学会発表] 白血病抑制因子のマウス胎盤栄養膜細胞におけるプロピオメラノコルチン誘導作用機構の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 王賀、坂田ひろみ、増田浩子、友杉充宏、島田ひろき、酒井大輔、東海林博樹、八田稔久
  • 学会等名: 第6１回日本先天異常学会学術集会
• [学会発表] マウス胎盤における副腎皮質刺激ホルモン放出ホルモンの発現と局在に関する時間的空間的解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増田浩子、王賀、坂田ひろみ、友杉充宏、島田ひろき、酒井大輔、東海林博樹、八田稔久
  • 学会等名: 第6１回日本先天異常学会学術集会
• [学会発表] RAP迅速組織透明化法によるマウス各種臓器の深部組織３Dイメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 坂田ひろみ、増田浩子、友杉充宏、八田稔久
  • 学会等名: 第6１回日本先天異常学会学術集会
• [学会発表] 有毛動物に最適化した迅速全身骨染色法（RAP-B/HR）によるマウス関節病変の描出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 狩山信生、坂田ひろみ、塚田剛史、島田ひろき、八田稔久
  • 学会等名: 第6１回日本先天異常学会学術集会
• [学会発表] 胎盤由来SOD3を介した妊娠期運動による肥満予防効果の次世代伝播機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 楠山譲二、八田稔久
  • 学会等名: 第6１回日本先天異常学会学術集会
• [学会発表] 神経管閉鎖不全：マウス外脳症胎仔モデルの組織学的解析からの考察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松本暁洋、八田稔久、小川典子、橋本龍樹、佐藤文夫、大谷浩
  • 学会等名: 第6１回日本先天異常学会学術集会
• [学会発表] Rapid and nondestructive tissue clearing system（RAP）を用いた免疫組織化学的解析法の検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂田ひろみ, 内芝舞実, 塚田剛史, 島田ひろき, 酒井大輔, 東海林博樹, 八田稔久
  • 学会等名: 第47回日本毒性学会
• [学会発表] RAP-Bを用いた関節炎モデルマウスの四肢観察に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 狩山信夫, 坂田ひろみ, 塚田剛史, 島田ひろき, 八田稔久
  • 学会等名: 第60回日本先天異常学会
• [学会発表] 免疫組織化学的解析における迅速組織透明化プロトコル(RAP)の汎用性の検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂田ひろみ, 内芝舞実, 塚田剛史, 島田ひろき, 酒井大輔, 東海林博樹, 八田稔久
  • 学会等名: 第60回日本先天異常学会
• [学会発表] 組織透明化技術RAPおよびCLAP法を用いたホールマウント標本のハイコンテント・イメージング解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 八田稔久, 坂田ひろみ, 松原孝宜, 塚田剛史
  • 学会等名: 第125回日本解剖学会総会 ・全国学術集会
• [学会発表] RAP-Bを用いた成獣マウス全身骨染色標本作製と関節炎モデル観察への応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 狩山信夫, 坂田ひろみ, 塚田剛史, 島田ひろき, 八田稔久
  • 学会等名: 第125回日本解剖学会総会 ・全国学術集会
• [学会発表] RAPによる組織透明化の免疫染色への応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 坂田ひろみ, 塚田剛史, 内芝舞実, 島田ひろき, 増田なつみ, 八田稔久
  • 学会等名: 第125回日本解剖学会総会 ・全国学術集会
• [学会発表] 脳透明化による吻側移動経路を移動する新生ニューロンの描出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中村有加里, 志賀英明, 坂田ひろみ, 八田稔久, 三輪高喜
  • 学会等名: 第121回日本耳鼻咽喉科学会
• [学会発表] マウス脳内を遊走する神経芽細胞の立体的可視化の試み (2020)
  • 著者名/発表者名: 中村有加里, 志賀英明, 坂田ひろみ, 八田稔久, 三輪高喜
  • 学会等名: 第59回日本鼻科学会総会
• [学会発表] 組織標本における核膜染色を併用した細胞数カウントの有用性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 塚田 剛史、小田 紘久、増田 なつみ、坂田 ひろみ、森 建策、八田 稔久
  • 学会等名: 第124回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] 迅速骨染色法（RAP-B法）によるマウス・ラット胎児の全身骨格標本の作製 (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂田ひろみ、内芝 舞実、島田 ひろき、塚田剛史、狩山 信生、増田 なつみ、有川 智博、東海林 博樹、八田 稔久
  • 学会等名: 第124回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] 有毛動物への迅速骨染色法(RAP‐B法）の応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 狩山 信生、坂田 ひろみ、塚田剛史、島田ひろき、八田 稔久
  • 学会等名: 第124回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] 表皮におけるメラノコルチン5受容体の機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 新谷明里、八田順子、坂田ひろみ、塚田剛史、望月 隆、八田稔久
  • 学会等名: 第124回日本解剖学会総会・全国学術集会
• [学会発表] マウスおよびラットの迅速骨染色法（RAP-B） (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂田ひろみ、内芝舞実、狩山信生、島田ひろき、塚田剛史、増田なつみ、三谷真弓、東海林博樹、八田稔久
  • 学会等名: 第46回日本毒性学会学術年会
• [学会発表] Application of a rapid and nondestructive tissue clearing system for immunohistochemistry (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakata-Haga H, Uchishiba M, Tsukada T, Shimada H, Masuda N, Hatta T
  • 学会等名: 第 59 回日本先天異常学会学術集会
• [学会発表] Leukemia inhibitory factor upregulates corticotropin-releasing hormone through activating AKT and MAPK signaling in mouse trophoblasts (2019)
  • 著者名/発表者名: He Wang1, Tsuyoshi Tsukada, Hiromi Sakata-Haga, Hiroki Shimada, Hiroki Shoji, Toshihisa Hatta
  • 学会等名: 第 59 回日本先天異常学会学術集会
• [学会発表] Maternal poly(I:C) injection induces the initial placental immune response at maternally derived cells in decidua in mice (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsukada T, Sakata-Haga T, Shimada H, Wang H, Shoji H, Hatta T
  • 学会等名: 第59回日本先天異常学会・学術集会
• [学会発表] Preparatio of whole-mount bone staining specimens in adult mice using a rapid tissue clearing system (2019)
  • 著者名/発表者名: Kariyama N, Sakata-Haga H, Tsukada T, Shimada H, Hatta T
  • 学会等名: 第59回日本先天異常学会・学術集会
• [学会発表] 組織透明化技術のハイコンテント・イメージングへの応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 八田稔久、塚田剛史、坂田ひろみ、松原孝宜、小田絋久、森 健策
  • 学会等名: 第60回日本組織細胞化学会総会・学術集会
• [学会発表] 透かしの技でかたちを楽しむ (2019)
  • 著者名/発表者名: 八田稔久、坂田ひろみ、塚田剛史、松原孝宜
  • 学会等名: 第70回日本皮膚科学会中部支部学術大会
  • 招待講演
• [図書] 病理と臨床・別冊 (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂田ひろみ、八田稔久
  • 総ページ数: 7
  • 出版者: 文光堂