ナノLC/MSを用いた高感度・高深度単一細胞メタボローム分析法の開発

• 研究課題/領域番号: 21K14472
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分27040:バイオ機能応用およびバイオプロセス工学関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 中谷 航太 九州大学, 生体防御医学研究所, 助教 (70880748)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2024年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: メタボロミクス / シングルセルメタボロミクス / ナノ液体クロマトグラフィー質量分析 / HILIC / 陰イオン交換クロマトグラフィー / uHILIC/AEX / Nano-uHILIC/AEX/MS

研究開始時の研究の概要

単一細胞レベルでの代謝不均一性にはどのような意味があるのだろうか。この「問い」に答えるためには、単一細胞レベルでの定量的なメタボローム測定方法が必要である。本研究では、次の3項目を実施し、高感度・高深度単一細胞メタボローム分析法の開発に取り組む。本研究が達成されれば、従来の平均的観測では知りえなかった、真の細胞機能や個々の細胞が織りなす生命の代謝システムの本質を読み解くことに繋がる。
①幅広いメタボロームの分離のための液体クロマトグラフィー手法の開発
②液体クロマトグラフィー質量分析システムの高感度化
③細胞周期の異なるHeLa細胞の単一細胞メタボローム解析への応用

研究成果の概要

本研究では、単一細胞から100細胞以下の微量細胞試料を対象としたメタボローム解析法を開発した。親水性相互作用と陰イオン交換を統合したユニファイドHILIC/AEXを構築し、親水性から脂質代謝物まで幅広く測定可能な分離法を確立した。さらに、ナノLC/MSシステムを高感度化し、希少免疫細胞や単一HeLa細胞の代謝プロファイルを解析した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、単一細胞レベルの代謝解析を可能とする新たな分析手法を開発し、従来の集団平均的な解析では捉えられなかった細胞間の代謝多様性を明らかにした点で学術的意義が高い。希少細胞や微量検体の解析を可能とすることで、がん、免疫、再生医療など多様な分野への応用が期待され、個別化医療の発展にも貢献できる可能性もあり、学術的にも社会的にも意義がある。

研究成果

• [雑誌論文] Multiomics analysis unveils the cellular ecosystem with clinical relevance in aldosterone-producing adenomas with <i>KCNJ5</i> mutations (2025)
  • 著者名/発表者名: Yokomoto-Umakoshi M、Fujita M、Umakoshi H、Ogasawara T、Iwahashi N、Nakatani K、Kaneko H、Fukumoto T、Nakao H、Haji S、Kawamura N、Shimma S、Seki M、Suzuki Y、Izumi Y、Oda Y、Eto M、Ogawa S、Bamba T、Ogawa Y
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 122 号: 9
  • DOI: 10.1073/pnas.2421489122
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] RNase T2 deficiency promotes TLR13-dependent replenishment of tissue-protective Kupffer cells (2025)
  • 著者名/発表者名: Sato Ryota、et al
  • 雑誌名: Journal of Experimental Medicine 巻: 222 号: 3 ページ: 1-19
  • DOI: 10.1084/jem.20230647
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characterizing lipoprotein profiles in coronary atherosclerosis development through quantitative lipidomics and proteomics approaches (2025)
  • 著者名/発表者名: Takeda Hiroaki、Izumi Yoshihiro、Koike Yui、Koike Tomonari、Nakatani Kohta、Hata Kosuke、Matsumoto Masaki、Shiomi Masashi、Bamba Takeshi
  • 雑誌名: BioRxiv 巻: -
  • DOI: 10.1101/2025.03.17.642310
• [雑誌論文] Defects in the <i>H3t</i> Gene Cause an Increase in Leydig Cells With Impaired Spermatogenesis in Mice (2024)
  • 著者名/発表者名: Wu Qianmei、Ito Miho、Fujii Takeru、Tanaka Kaori、Nakatani Kohta、Izumi Yoshihiro、Bamba Takeshi、Baba Takashi、Maehara Kazumitsu、Tomimatsu Kosuke、Takemoto Tatsuya、Ohkawa Yasuyuki、Harada Akihito
  • 雑誌名: Genes to Cells 巻: 30 号: 1 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1111/gtc.13182
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Delta-6 desaturase FADS2 is a tumor-promoting factor in cholangiocarcinoma. (2024)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa K, Fujimori H*, Nakatani K, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T, Nakamura-Shima M, Shibuya-Takahashi R, Mochizuki M, Wakui Y, Abue M, Iwai W, Fukushi D, Satoh K, Yamaguchi K, Shindo N, Yasuda J, Asano N, Imai T, Asada Y, Katori Y, Tamai K.
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 115(10) 号: 10 ページ: 3346-3357
  • DOI: 10.1111/cas.16306
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Plasma steroid profiling between patients with and without diabetes mellitus in non-functioning adrenal incidentalomas. (2024)
  • 著者名/発表者名: Nakano Y, Yokomoto-Umakoshi M*, Nakatani K, Umakoshi H, Nakao H, Fujita M, Kaneko H, Iwahashi N, Ogasawara T, Fukumoto T, Matsuda Y, Sakamoto R, Izumi Y, Bamba T, Ogawa Y*.
  • 雑誌名: Journal of the Endocrine Society 巻: 8(9) 号: 9 ページ: 140-140
  • DOI: 10.1210/jendso/bvae140
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-cell and spatial transcriptomics analysis of human adrenal aging. (2024)
  • 著者名/発表者名: Iwahashi N, Umakoshi H*, Fujita M, Fukumoto T, Ogasawara T, Yokomoto-Umakoshi M, Kaneko H, Nakao H, Kawamura N, Uchida N, Matsuda Y, Sakamoto R, Seki M, Suzuki Y, Nakatani K, Izumi Y, Bamba T, Oda Y, Ogawa Y*.
  • 雑誌名: Molecular Metabolism 巻: 84 ページ: 101954-101954
  • DOI: 10.1016/j.molmet.2024.101954
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Predicting retention time in unified-hydrophilic-interaction/anion-exchange liquid chromatography high-resolution tandem mass spectrometry (unified-HILIC/AEX/HRMS/MS) for comprehensive structural annotation of polar metabolome. (2024)
  • 著者名/発表者名: Torigoe T, Takahashi M*, Heravizadeh O, Ikeda K, Nakatani K, Bamba T, Izumi Y*.
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 96(3) 号: 3 ページ: 1275-1283
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c04618
  • 査読あり
• [雑誌論文] Wide-scope targeted analysis of bioactive lipids in human plasma by LC/MS/MS. (2024)
  • 著者名/発表者名: Nakatani K, Izumi Y*, Umakoshi H, Yokomoto-Umakoshi M, Nakaji T, Kaneko H, Nakao H, Ogawa Y, Ikeda K, Bamba T*.
  • 雑誌名: Journal of Lipid Research 巻: 65(1) 号: 1 ページ: 100492-100492
  • DOI: 10.1016/j.jlr.2023.100492
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved endurance capacity of diabetic mice during SGLT2 inhibition: Potential role of AICARP, an endogenous AMPK activator in the soleus muscle. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakamura S, Miyachi Y*, Shinjo A, Yokomizo H, Takahashi M, Nakatani K, Izumi Y, Otsuka H, Sato N, Sakamoto R, Miyazawa T, Bamba T, Ogawa Y*.
  • 雑誌名: Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle 巻: 14 号: 6 ページ: 2866-2881
  • DOI: 10.1002/jcsm.13350
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Adrenal steroid metabolites and bone status in patients with adrenal incidentalomas and hypercortisolism. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakao H, Yokomoto-Umakoshi M*, Nakatani K, Umakoshi H, Ogata M, Fukumoto T, Kaneko H, Iwahashi N, Fujita M, Ogasawara T, Matsuda Y, Sakamoto R, Izumi Y, Bamba T, Ogawa Y*.
  • 雑誌名: eBioMedicine 巻: 95 ページ: 104733-104733
  • DOI: 10.1016/j.ebiom.2023.104733
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Understanding the mechanism of CO2-assisted electrospray ionization for parameter optimization in supercritical fluid chromatography mass spectrometry. (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujitoa Y, Izumi Y, Nakatani K, Takahashi M, Hayakawa Y, Takayama M, Bamba T*.
  • 雑誌名: Analytica Chimica Acta 巻: 1246 ページ: 340863-340863
  • DOI: 10.1016/j.aca.2023.340863
  • 査読あり
• [雑誌論文] Attempts to Detect Lipid Metabolites from a Single Cell Using Proton-Transfer-Reaction Mass Spectrometry Coupled with Micro-Scale Supercritical Fluid Extraction: A Preliminary Study (2022)
  • 著者名/発表者名: Hondo Toshinobu、Ota Chihiro、Nakatani Kohta、Miyake Yumi、Furutani Hiroshi、Bamba Takeshi、Toyoda Michisato
  • 雑誌名: Mass Spectrometry 巻: 11 号: 1 ページ: A0112-A0112
  • DOI: 10.5702/massspectrometry.A0112
  • ISSN: 2186-5116, 2187-137X
  • 年月日: 2022-12-29
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] PDZD8-deficient mice accumulate cholesteryl esters in the brain as a result of impaired lipophagy. (2022)
  • 著者名/発表者名: Morita K#, Wada M#, Nakatani K, Matsumoto Y, Hayashi N, Yamahata I, Mitsunari K, Mukae N, Takahashi M, Izumi Y, Bamba T, Shirane M*.
  • 雑誌名: iScience 巻: 25(12) 号: 12 ページ: 105612-105612
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.105612
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unified-hydrophilic-interaction/anion-exchange liquid chromatography mass spectrometry (unified-HILIC/AEX/MS): A single-run method for comprehensive and simultaneous analysis of polar metabolome. (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakatani K, Izumi Y*, Takahashi M, Bamba T*.
  • 雑誌名: Analytical Chemistry 巻: 94(48) 号: 48 ページ: 16877-16866
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.2c03986
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Wide-scope targeted analysis of bioactive lipids by LC/MS/MS (2024)
  • 著者名/発表者名: Kohta Nakatani
  • 学会等名: 72nd CONFERENCE ON MASS SPECTROMETRY AND ALLIED TOPICS
• [学会発表] 中谷 航太 (2024)
  • 著者名/発表者名: 中谷 航太
  • 学会等名: 日本質量分析学会 第1回若手討論会
• [学会発表] ヒト血漿リピドミクスの自動化に向けた前処理法の開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 中谷 航太
  • 学会等名: 第72回質量分析総合討論会
• [学会発表] ヒト血漿リピドミクスの自動化に向けた前処理法の開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 中谷航太
  • 学会等名: 日本プロテオーム学会2024年大会・第20回日本臨床プロテオゲノミクス学会 合同大会
• [学会発表] ヒト血漿リピドミクスの自動化のための前処理法の開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 中谷 航太
  • 学会等名: 生物工学若手研究者の集い（若手会）夏のセミナー2024
• [学会発表] Wide-scope targeted analysis of bioactive lipids based on chromatography mass spectrometry (2024)
  • 著者名/発表者名: Kohta Nakatani
  • 学会等名: The 33rd Hot Spring Harbor International Symposium
• [学会発表] メタボロームを 広く (網羅的に)，深く (高感度に) 測定するための技術開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中谷航太
  • 学会等名: 第16回質量分析夏の学校
  • 招待講演
• [学会発表] Unified-HILIC/AEX/MS/MSによる親水性メタボロームとリピドームの同時分析 (2023)
  • 著者名/発表者名: ○中谷航太・池田和輝・高橋政友・馬場健史・和泉自泰
  • 学会等名: 第71回質量分析総合討論会
• [学会発表] Simultaneous analysis of polar metabolome and lipidome by unified-hydrophilic interaction/anion-exchange liquid chromatography tandem mass spectrometry (unified-HILIC/AEX/MS/MS) (2023)
  • 著者名/発表者名: ○Kohta Nakatani, Kazuki Ikeda, Masatomo Takahashi, Takeshi Bamba, Yoshihiro Izumi
  • 学会等名: 71S T CONFERENCE ON MASS SPECTROMETRY AND ALLIED TOPICS
  • 国際学会
• [学会発表] Unified-HILIC/AEX/MS/MS：親水性メタボロームとリピドームの同時分析法 (2023)
  • 著者名/発表者名: ○中谷航太・池田和輝・高橋政友・馬場健史・和泉自泰
  • 学会等名: 第49回BMSコンファレンス
• [学会発表] Unified-HILIC/AEX/MS/MSによる極性メタボロームとリピドームの同時分析 (2023)
  • 著者名/発表者名: ○中谷航太・池田和輝・高橋政友・馬場健史・和泉自泰
  • 学会等名: 日本プロテオーム学会2023年大会
• [学会発表] Simultaneous polar metabolome and lipidome analysis by unified-HILIC/AEX/MS/MS (2023)
  • 著者名/発表者名: ○Kohta Nakatani, Kazuki Ikeda, Masatomo Takahashi, Takeshi Bamba, Yoshihiro Izumi
  • 学会等名: AOMSC-KSMS 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Wide-scope targeted analysis of bioactive lipids by LC/MS/MS (2023)
  • 著者名/発表者名: Kohta Nakatani, Yoshihiro Izumi, Hironobu Umakoshi, Maki Yokomoto-Umakoshi, Tomoko Nakaji, Hiroki Kaneko, Hiroshi Nakao, Yoshihiro Ogawa, Kazutaka Ikeda, Takeshi Bamba
  • 学会等名: 3rd International BMS Symposium 2023 in Kyoto
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An analytical system for comprehensive quantitative profiling of bioactive lipids by solid phase extraction combined with LC/MS/MS (2022)
  • 著者名/発表者名: 〇Kohta Nakatani, Yoshihiro Izumi, Hironobu Umakoshi, Ayako Hidaka, Masatoshi Ogata, Yoshihiro Ogawa, Takeshi Bamba
  • 学会等名: The 30th Hot Spring Harbor International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] LC/MS/MSによる生理活性脂質の一斉定量分析法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: ○中谷航太，和泉自泰，馬越洋宜，日高彩子，緒方大聖，小川佳宏，馬場健史
  • 学会等名: 第70回質量分析総合討論会
• [学会発表] ワイドターゲットLC/MS/MSによる生理活性脂質の一斉定量分析法 (2022)
  • 著者名/発表者名: ○中谷航太，和泉自泰，馬越洋宜，緒方大聖，日高彩子，小川佳宏，馬場健史
  • 学会等名: 第16回メタボロームシンポジウム
• [学会発表] 高感度nano-uHILIC/AEX/MS/MSによる少数細胞集団試料のメタボローム分析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中谷航太
  • 学会等名: 第69回質量分析総合討論会
• [図書] メタボロミクス実践ガイド (2021)
  • 著者名/発表者名: 馬場 健史、平山 明由、松田 史生、津川 裕司
  • 総ページ数: 334
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758122511
• [備考] 世界&#12032;包括的な代謝物測定法の開発に成功
  • URL: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/849
• [備考] 世界一包括的な代謝物測定法の開発に成功~ワンショットで親水性代謝物を高感度かつ網羅的に測定！
  • URL: https://www.chem-station.com/blog/2022/12/lcms.html
• [備考] 親水性メタボローム測定法①：unified-HILIC/AEX/MS
  • URL: http://bamba-lab.com/?page_id=2983