ヒト大脳・中脳オルガノイドを用いた小児難治性てんかんの病態解明

• 研究課題/領域番号: 19K23952
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0902:内科学一般およびその関連分野
• 研究機関: 奈良県立医科大学
• 研究代表者: 絹川 薫 奈良県立医科大学, 医学部附属病院, 研究員 (90846677)
• 研究期間 (年度): 2019-08-30 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 脳幹オルガノイド / 中脳オルガノイド / 1細胞遺伝子発現解析 / 小児難治性てんかん / ZEB2遺伝子 / Mowat-Wilson症候群 / 脳オルガノイド / ゼブラフィッシュ

研究開始時の研究の概要

小児難治性てんかんは多くが胎生期の中枢神経系の発生異常によって生じる。その多くは発生メカニズムが十分に解明されておらず、故に根本的な治療法も存在せず、病態解明が早急に必要とされている。本研究では、小児難治性てんかんの一つであるMowat-Wilson症候群の病態を、ヒト大脳・中脳オルガノイド及びゼブラフィッシュを用いて、ヒト中枢神経発生の面から分析・解明することを試みる。

研究成果の概要

近年、ヒト多能性幹細胞からin vitroに3次元培養を行うことで、ヒト脳と類似した構造を有する脳オルガノイドの樹立法が確立された。脳オルガノイド技術は、てんかんなどの小児神経疾患の研究に有用と考えられている。本研究は、大脳・脳幹オルガノイドを用いて小児難治性てんかんの一つであるMWSの病態解明を行うことを目的とした。脳幹オルガノイドの作成法を樹立し、免疫染色や1細胞遺伝子発現解析を行い、脳幹成分を含むことを確認した。ZEB2欠損大脳・脳幹オルガノイドを樹立し、形態評価や定量的PCRなどを行った。脳オルガノイドは小児神経疾患の病態解明に有用であると考えられた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

小児難治性てんかんなどの小児神経疾患は、胎生期の中枢神経系の異常によって生じる。その多くは発生メカニズムが十分に解明されておらず、故に根本的な治療法がなく、病態解明が早急に必要とされていた。ヒト脳疾患の研究には、げっ歯類が用いられてきたが、ヒト脳との構造の違いから、疾患の病態解明を行うのは困難であった。本研究ではヒト多能性幹細胞、CRISPER/Cas9によるゲノム編集で得たZEB2欠損ヒト多能性幹細胞から、ヒト脳幹オルガノイド及びZEB2欠損ヒト脳幹オルガノイドを樹立した。これら脳オルガノイドは、小児の中枢神経疾患の発生過程の再現や病態解明に有用なツールとなりうると考えられた。

研究成果

• [雑誌論文] Gene expression profiles of human cerebral organoids identify PPAR pathway and PKM2 as key markers for oxygen-glucose deprivation and reoxygenation (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoki Iwasa, Takeshi K. Matsui, Naohiko Iguchi, Kaoru Kinugawa, Naritaka Morikawa, Yoshihiko M. Sakaguchi, Tomo Shiota, Shinko Kobashigawa et. al.
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: － ページ: 605030-605030
  • DOI: 10.3389/fncel.2021.605030
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Brainstem organoids from human pluripotent stem cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Eura, Takeshi K. Matsui, Joachim Luginbuhl, Masaya Matsubayashi, Hitoki Nanaura, Tomo Shiota, Kaoru Kinugawa, Naohiko Iguchi, Takao Kiriyama, Canbin Zheng, Tsukasa Kouno, Yan Jun Lan, Pornparn Kongpracha, Pattama Wiriyasermkul, Yoshihiko M. Sakaguchi, Riko Nagata, Tomoya Komeda, Naritaka Morikawa, et al.
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroscience 巻: - ページ: 00538-00538
  • DOI: 10.3389/fnins.2020.00538
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single-cell transcriptomics reveals multiple neuronal cell types in human midbrain-specific organoids (2020)
  • 著者名/発表者名: Smits Lisa M.、Magni Stefano、Kinugawa Kaoru、Grzyb Kamil、Luginbuhl Joachim、Sabate-Soler Sonia、Bolognin Silvia、Shin Jay W.、Mori Eiichiro、Skupin Alexander、Schwamborn Jens C.
  • 雑誌名: Cell and Tissue Research 巻: 382 号: 3 ページ: 463-476
  • DOI: 10.1007/s00441-020-03249-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Comparative analysis of human brain organoids of brainstem and midbrain at single-cell resolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Kinugawa Kaoru、Luginbuhl Joachim、Matsui Takeshi K.、Eura Nobuyuki、Sakaguchi Yoshihiko M.、Shin Jay W、Sugie Kazuma、Schwamborn Jens C.、Mori Eiichiro
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2020.09.02.279380
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Oxygen-glucose deprivation and reoxygenation on human cerebral organoids alters expression related to lipid metabolism (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwasa Naoki、Matsui Takeshi K.、Morikawa Naritaka、Sakaguchi Yoshihiko M.、Shiota Tomo、Iguchi Naohiko、Nishimura Yuhei、Mori Eiichiro、Sugie Kazuma
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2020.03.31.017335
  • オープンアクセス
• [学会発表] Comparative analysis of human brain organoids of brainstem and midbrain at single-cell resolution (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Kinugawa, Nobuyuki Eura, Eiichiro mori, Kazuma Sugie
  • 学会等名: 62th Annual Meating of the Japanese Society of Neurology
  • 国際学会
• [学会発表] Single-cell RNA-sequencing analysis on human brainstem organoids (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Kinugawa, Kazuma Sugie, Eiichiro Mori
  • 学会等名: The 1st International Symposium on Human InformatiX
  • 国際学会
• [学会発表] Single-cell RNA-sequencing analysis on human brainstem organoids (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Kinugawa, Takeshi K. Matsui, Nobuyuki Eura, Hitoki Nanaura, Tomo Shiota, Naohiko Iguchi, Takao Kiriyama, Eiichiro Mori, Kazuma Sugie
  • 学会等名: 61th Annual Meating of the Japanese Society of Neurology
  • 国際学会
• [学会発表] Single cell RNA sequencing analysis on human brainstem organoids (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Kinugawa, Kazuma Sugie, Eiichiro Mori
  • 学会等名: The 1st International Symposium on Human InformatiX
• [学会発表] A human cerebral organoid model for ZEB2-deficient Mowat-Wilson syndrome (2019)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Eura, Takeshi K. Matsui, Hitoki Nanaura, Tomo Shiota, Eiichiro Mori, Kazuma Sugie
  • 学会等名: 60th Annual Meating of the Japanese Society of Neurology
  • 国際学会