ニッチ構築によるヒト消化器疾患の発症・進展のメカニズムを解き明かす

• 研究課題/領域番号: 22H04995
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 大区分I
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 佐藤 俊朗 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 教授 (70365245)
• 研究期間 (年度): 2022-04-27 – 2027-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 195,130千円 (直接経費: 150,100千円、間接経費: 45,030千円); 2024年度: 37,700千円 (直接経費: 29,000千円、間接経費: 8,700千円); 2023年度: 37,700千円 (直接経費: 29,000千円、間接経費: 8,700千円); 2022年度: 63,050千円 (直接経費: 48,500千円、間接経費: 14,550千円)
• キーワード: オルガノイド / がん / 大腸がん / がん幹細胞 / 異種移植 / 疾患モデル / 幹細胞 / ライブイメージング / エピゲノム

研究開始時の研究の概要

我々の体組織は微小環境ニッチと相互作用を通し、生体の恒常性の維持や疾患形質発現がコントロールされている。これまでの研究では、組織細胞が環境によって一方的に制御されているという研究手法が一般的であったが、生体組織が自身に都合のよい環境を作り出す“ニッチ構築”という生態学分野の概念が存在するかどうかははっきりしていない。本研究では、ヒト疾患組織において、組織細胞と微小環境の相互作用を解析し、正常組織から疾患組織への進展に潜む、ニッチ構築の存在を解き明かす。本研究遂行のため、先端的解析基盤を開発し、ニッチ構築が疾患の発症や進展に寄与する分子レベルの解明に迫る。

研究実績の概要

我々の体組織は微小環境ニッチと相互作用を通し遺伝子・エピゲノム変化を蓄積する．一部の組織はこうしたダイナミックな細胞変化によって機能低下や機能異常を示す疾患組織へと変容する．これまで環境が組織細胞を変化させる一方向性の研究が主体であった．しかし，生態学の分野では生物体が自身に都合のよい環境を作り出す“ニッチ構築”が進化を駆動するというコンセプトが提唱されている.　本研究では，我々の体内においても変容した組織細胞が周囲の微小環境を作り変え疾患の発症や進展の起点となっていると考え，疾患オルガノイドを用いてニッチ構築仮説を検証する．ヒト疾患組織において，組織細胞と微小環境の相互作用を解析し，正常組織から疾患組織への進展に潜む隠されたメカニズムを解き明かす.　当該年度は，呼吸器組織オルガノイドの確立を行い，肺がんにおける遺伝子・エピゲノム変化の蓄積によって病理組織形態形成の変化を報告した.　具体的には，肺胞上皮において，組織アイデンティティを制御する転写因子NKX2-1が消失し，別の組織の遺伝子発現パターンを獲得することを見出した. また，内胚葉由来組織（胃、膵臓、大腸、肺など）を中心に，正常組織における遺伝子・エピゲノム変化の蓄積がどのように疾患組織形態を決定するか，その洞察をNature Cancer Review誌で発表した（Fujii et al Nature Review Cancer 2024）. こうした洞察を礎に，様々な疾患組織の形態形成変化のメカニズムをオルガノイドを用いて実証的な研究を進めている.

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究代表者らは、拡充したオルガノイドバンクの統合解析から、低酸素環境によるエピゲノム制御異常がWntなどの増殖因子依存性を誘導し、悪性化の機序となることを実証した。本研究は、Nature Cell Biology誌に出版予定となっている (Tamagawa et al Nature Cell Biology, accepted)。　慶應義塾大学医学部呼吸器内科・呼吸器外科と連携し、肺がんのオルガノイドバンクを確立した（Ebisudani et al Cell Rep 2023）。また、肺がんの中でも予後不良である小細胞がんに焦点を置き、転写因子サブタイプであるYAP1タイプ型がIGF1に依存することを見出した（Fukushima et al. Nature Cancer in revision）. さらに、EGFR標的治療に対しする抵抗性を示す肺腺がんオルガノイドを樹立し、遺伝子変異によらない新しい治療抵抗メカニズムを発見した（Shinozaki et al Nature Cancer in revision）。　これまでの成果から、臨床がん組織の進展メカニズムと組織学的な変化を俯瞰的かつ包括的に理解し、新しい視点での解釈をNature Cancer Review誌にて発信した（Fujii, Sekine, Sato Nature Cancer Review 2024）。

今後の研究の推進方策

Ⅰ. 疾患組織の採取とオルガノイドバイオバンクの確立 肺がんオルガノイド、膵がんオルガノイドのバイオバンク確立について、それぞれの論文成果報告に向けて、改訂のための研究を推進する。既に、これらの実験は査読者のリクエストにほぼ答えられているが、replicationの拡充など、再現性に関して入念に精査し、研究を進める。
II. 異種移植によるin vivo解析 2023年度までの研究成果を活用し、がんの浸潤・転移にともなう腫瘍環境を理解するため、空間トランスクリプトーム解析や、ノックインレポーターオルガノイドの開発、異種移植を用いたライブイメージング、ライトシート顕微鏡を用いたin vitroダイナミック解析などを組み合わせ、研究を推進する。これらの成果を統合的に解析し、大腸および胃がんの浸潤・転移メカニズムの理解を深める。
III. 先進的なオルガノイド解析基盤の確立 ヒト肝細胞オルガノイドの機能解析について、論文改訂中にあり、査読者から50点のリクエストを解決する必要にある。　特に、なぜ新しい培養条件が飛躍的な培養効率を達成できたのか、メカニズムの解明を行う。
肝細胞オルガノイド培養の成功に基づき、甲状腺や乳腺など、他の上皮組織のオルガノイド培養の確立と機能解析を進める。また、腸管上皮の消化・吸収・バリアー機能の機能解析モデルを確立することを目指す。
IV. 人工疾患再現モデルの開発 新しく確立した培養システムを用い、疾患再現モデルを構築する。具体的には、肝臓の遺伝子代謝疾患に着目し、CRISPRによる遺伝子改変オルガノイドの作成や異種移植によるin vivo機能解析を進める。
これまでの人工疾患再現モデルは、遺伝子マーカーや代表的な1つの機能模倣に依拠していたきらいがある。本研究では、多角的な視点から、複数の機能を同時に発揮できるようなオルガノイドモデルの最適化を行う。

研究成果

• [国際共同研究] Epithelial Biology Center/Vanderbilt University/Medical Center(米国)
• [国際共同研究] University of Copenhagen(デンマーク)
• [国際共同研究] Epithelial Biology Center(米国)
• [国際共同研究] University of Copenhagen(デンマーク)
• [雑誌論文] Decoding the basis of histological variation in human cancer (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujii Masayuki、Sekine Shigeki、Sato Toshiro
  • 雑誌名: Nature Reviews Cancer 巻: 24 号: 2 ページ: 141-158
  • DOI: 10.1038/s41568-023-00648-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genotype-phenotype mapping of a patient-derived lung cancer organoid biobank identifies NKX2-1-defined Wnt dependency in lung adenocarcinoma (2023)
  • 著者名/発表者名: Ebisudani Toshiki, Hamamoto Junko, Togasaki Kazuhiro, et al.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42 号: 3 ページ: 112212-112212
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112212
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Diet-mediated constitutive induction of novel IL4+ ILC2 cells maintains intestinal homeostasis in mice (2023)
  • 著者名/発表者名: Cui Wanlin, Nagano Yuji, Hatakeyama Masanori, Honda Kenya , et al.
  • 雑誌名: Journal of Experimental Medicine 巻: － 号: 8
  • DOI: 10.1084/jem.20221773
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evolutionary histories of breast cancer and related clones (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Tomomi、Kakiuchi Nobuyuki、Yoshida Kenichi、....、Shiraishi Yuichi、Takita Junko、Miyano Satoru、Mandai Masaki、Sato Toshiro、Takeuchi Kengo、Haga Hironori、Toi Masakazu、Ogawa Seishi
  • 雑誌名: Nature 巻: 620 号: 7974 ページ: 607-614
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06333-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The gut microbiota-induced kynurenic acid recruits GPR35-positive macrophages to promote experimental encephalitis (2023)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto Kentaro、Sujino Tomohisa、...、Kanai Takanori
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42 号: 8 ページ: 113005-113005
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.113005
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Niacin restriction with NAMPT-inhibition is synthetic lethal to neuroendocrine carcinoma. (2023)
  • 著者名/発表者名: Nomura M, Ohuchi M, Sakamoto Y, Kudo K, Yaku K, Soga T, Sugiura Y, Morita M, Hayashi K, Miyahara S, Sato T, Yamashita Y, Ito S, Kikuchi N, Sato I, Saito R, Yaegashi N, Fukuhara T, Yamada H, Shima H, Nakayama KI, Hirao A, Kawasaki K, Arai Y, Akamatsu S, Tanuma S, Sato T, Nakagawa T and Tanuma N.
  • 雑誌名: Nature Communications. 巻: 14(1) 号: 1 ページ: 8095-8095
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43630-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cell-matrix interface regulates dormancy in human colon cancer stem cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohta Yuki、Fujii Masayuki、Takahashi Sirirat、Takano Ai、Nanki Kosaku、Matano Mami、Hanyu Hikaru、Saito Megumu、Shimokawa Mariko、Nishikori Shingo、Hatano Yoshiko、Ishii Ryota、Sawada Kazuaki、Machinaga Akihito、Ikeda Wataru、Imamura Takeshi、Sato Toshiro
  • 雑誌名: Nature 巻: 608 号: 7924 ページ: 784-794
  • DOI: 10.1038/s41586-022-05043-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of Quiescent LGR5+ Stem Cells in the Human Colon (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa K, Sugimoto S, Oda M, Fujii M, Toshimitsu K, Sawada K, Shimokawa M, Saito M, Kawasaki K, Ishii R, Taniguchi K, Sato T.
  • 雑誌名: Gastroenterology. 巻: 163 号: 5 ページ: 1391-1406
  • DOI: 10.1053/j.gastro.2022.07.081
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Understanding of Gastrointestinal Cancers Using Patient-derived Organoids (2024)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: The 11th Hong Kong Pathology Forum
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding of GI Cancer Initiation and ProgressionUsing Organoids (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: 第51回高松宮妃癌研究基金国際シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding of gastrointestinal cancers using patient-derived organoids (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: 第41回札幌国際がんシンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biological understanding of patient-derived cancers using organoid technology (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: VIB conference Tumor Heterogeneity
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding human disease biology using organoid technology (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: KSSCR
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The understanding of stem cell niche for adult human endoderm-derived organs (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: The 21st Takeda Science Foundation Symposium on Bioscience
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 12.Understanding of Human Gastrointestinal Diseases using Organoid Technology (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: KEYSTONE SYMPOSIA on Molecular and Cellular Biology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GEP-NEN：臨床試料研究から得られた洞察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤俊朗
  • 学会等名: 第108回日本消化器病学会総会
  • 招待講演
• [学会発表] Intestinal Organoids as a Novel Model for Host-Microbiome Interaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: IMKASID 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding of gastrointestinal diseases using organoid technology (2022)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: The 10th Annual Meeting of AOCC
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Elucidation and control of cancer ecosystem using artificial cancer tissue (2022)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: The 7th JCA-AACR Special Joint Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] オルガノイド技術が切り拓くヒトがん生物学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤俊朗
  • 学会等名: がんと代謝in佐渡
  • 招待講演
• [学会発表] Genotype-phenotype mapping of human gastrointestinal cancers using organoids (2022)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: The 81st Annual Meeting of the Japanese Cancer Association
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Disease modeling of gastrointestinal diseases using organoids (2022)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Sato
  • 学会等名: Wnt 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ワークショップ「幹細胞とオルガノイド：自己組織化を操作し, 多細胞システムを創発する技術」 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤俊朗
  • 学会等名: 第45回日本分子生物学会年会
  • 招待講演