脳萎縮を引き起こす免疫細胞主体の老廃物脳外排出メカニズムの解明と制御

• 研究課題/領域番号: 23K21399
• 補助金の研究課題番号: 21H02818 (2021-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2021-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分51030:病態神経科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 田桑 弘之 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 上席研究員 (40508347)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2024年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2023年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2022年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2021年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: 認知症 / ミクログリア / マクロファージ / ２光子顕微鏡 / タウ病変 / 脳外排出メカニズム / 2光子顕微鏡 / グリア細胞 / 脳内クリアランス / ニューロン / アストロサイト / タウ / モデルマウス / 神経細胞 / 貪食 / 脳萎縮

研究開始時の研究の概要

これまでにタウ病変モデルマウスを用いて2光子顕微鏡による生体脳イメージングを行った。実験結果から、タウ凝集体を有する神経細胞をグリア細胞とマクロファージが貪食して、脳外へと排出するメカニズムが明らかとなってきた。次のステップとして、この老廃物排出メカニズムの全容解明と最終的な機能制御を実現するためには、炎症に伴うグリア細胞やマクロファージの多様な機能変化をとらえる評価系が必要と考えた。そこで細胞内の様々な生理パラメータを計測可能な量子センサ技術を生体脳内のグリア細胞やマクロファージに応用することを考え、そのため技術開発を進めている。最終的にタウ病変マウスの脳細胞への応用を目指す。

研究実績の概要

認知症などの神経変性疾患において脳内に異常なタウやアミロイドβのような凝集性蛋白質が蓄積して、さらにグリア細胞の活性化や神経細胞死が生じて重篤な脳萎縮へと進行すると考えられている。これらの異常な凝集性蛋白質は、神経細胞内外に蓄積していくだけでなく脳外へと排出されることが論文報告されている。本研究では、異常なタウ蛋白が蓄積した神経細胞をミクログリアが貪食して脳実質外へと輸送して脳脊髄液内に放出し、さらにマクロファージが再貪食して血管へと排出する様子を2光子顕微鏡による生体脳内の細胞イメージングを駆使して明らかにした。さらに、ミクログリアを除去した時の脳萎縮の改善効果をMRIや２光子顕微鏡を用いて確認した。
前述の通り、これまでに我々は、マクロファージやミクログリアによる老廃物の脳外排出機能への関与の検証を進めてきた。次のステップとして、グリア細胞やマクロファージが脳疾患時の炎症に伴う活性化でどのような細胞機能の変化が生じているのか調べたいと考えて、新たな生体脳内での細胞機能評価系の開発を進めている。認知症を含む脳疾患の先行研究においてこれら免疫細胞の遺伝子発現や細胞形態が多様に変化することが分かっている。このような脳疾患に伴う免疫細胞の多様な機能や役割の変化を生体脳内でとらえて長期間観察することで、認知症病態や老廃物の脳外排出における役割を明らかしたいと考えている。そこで我々は、ナノサイズの特殊なダイヤモンド（ナノ量子センサ）を使った温度、ｐH、磁場、電場などの多項目の物理・科学パラメータの計測技術を生体脳に応用する技術開発を実施した。実験では、ナノダイヤモンドをマクロファージやグリア細胞に取り込ませて細胞機能の多項目計測に成功した。次年度は、炎症や脳疾患に伴う免疫細胞の機能変化を生体脳内でとらえることで、脳外排出メカニズムの解明を目指す。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では、ミクログリアとマクロファージが連動したタウ凝集体を有する神経細胞の脳外排出メカニズムを明らかにするために主に２光子顕微鏡による生体細胞イメージングを駆使して研究を進めている。本年度は、薬剤処理によりミクログリアを脳内から除去した時の萎縮への影響を小動物MRIによる脳容積の計測により調べた。その結果、ミクログリア除去群において萎縮に改善が確認された。さらに２光子顕微鏡を用いてミクログリア除去群とコントロール群において貪食された神経細胞断片の脳脊髄液内への排出量を調べた結果、ミクログリア除去群において神経細胞断片の排出量の有意な低下が確認された。これらの結果は、ミクログリアによる脳外排出への関与を直接的に示す結果といえる。さらに免疫染色による脳組織標本を作製した結果、貪食が進行する脳内の神経細胞では補体などのタンパク質の増加傾向が確認された。これらは、貪食の信号源として利用されていることが推察される。
また、本年度は超高感度ELISA（Simoa）を用いた血液中の老廃物の計測も行っている。具体的には、血液に含まれるタウやニューロフィラメント軽鎖（NFT）の含有量を計測した結果、脳萎縮が進行している（棒状ミクログリアが多く存在する）４～６ヵ月齢のタウ病変マウスにおいて、それらの老廃物の量が著しく増加していることが分かった。これらの結果も、マクロファージによる血中内への神経細胞断片とタウ凝集体の排出を示唆する。
また、脳外排出メカニズムの全容を理解するために、新たな生体脳での細胞機能計測系の開発にも取り組んでおり、マクロファージやミクログリアの細胞内の温度・活性酸素・遊走性の３項目のパラメータの計測に成功している。次年度に向けて、認知症病態メカニズムの解明が期待される環境がさらに整ってきたといえる。
上記の成果から、順調に研究スケジュールを進めていると考えている。

今後の研究の推進方策

本研究で焦点を当てているマクロファージやグリア細胞は、異常なタウ凝集体を有する神経細胞を貪食して脳外へと排出する上で中心的な役割を担っている。これらの免疫細胞は、脳疾患での炎症状態に伴って活性化して機能を多様に変化させることが遺伝子発現レベルなどを調べた過去の研究により示唆されている。すなわち、この免疫細胞の多様な機能変化をとらえられなければ、脳外排出におけるマクロファージやグリア細胞の役割は完全には理解できないし、免疫細胞の機能制御をベースとした治療法開発を行うことはできない。そのためは、生体脳内の免疫細胞から多様な物理・化学パラメータが計測して活性化に伴う免疫細胞の機能的な変化をとらえることが重要といえる。さらに、それらのデータは、免疫細胞の機能変化と神経細胞の貪食や脳外輸送との相互関係も明らかにしてくれるかもしれない。そこで今後の研究方針としては、認知症病態における免疫細胞の機能変化を多項目計測可能な新規開発システムでとらえて、そこで得られた細胞情報をもとに複数の細胞集団を区分し、それらの細胞集団がどのように脳外排出に関与するかを明らかにしたいと考えている。
そこで本研究では、生体脳細胞に対する量子計測技術の応用を試みる。ナノサイズの特殊なダイヤモンドは、緑色の励起光に対して赤色の蛍光を発する。この赤色蛍光は、温度や活性酸素、ｐH、磁場、電場などの多項目のパラメータに依存して変化するため、その赤色蛍光変化をレーザー顕微鏡でとらえることで多項目計測が可能になる（ナノ量子センサ）。前年度までに、ナノ量子センサを細胞内に導入してマクロファージから温度・活性酸素・遊走性の３つの項目の計測に成功している。本年度は、炎症状態におけるマクロファージの細胞機能変化の測定を行う。さらに認知症マウスにも本技術を適応して、活性化に伴う多様な免疫細胞の役割の特定を試みる。

研究成果

• [雑誌論文] Imaging α-synuclein pathologies in animal models and patients with Parkinson’s and related diseases (2024)
  • 著者名/発表者名: Endo H, Ono M, Takado Y, Matsuoka K, Takahashi M, Tagai K, Kataoka Y, Hirata K, Takahata K, Seki C, Kokubo N, Fujinaga M, Mori W, Nagai Y, Mimura K, Kumata K, Kikuchi T, Shimozawa A, Mishra S. K, YamaguchiY , Shimizu H, Kakita A, Takuwa H, (10 authors skipped), Higuchi M
  • 雑誌名: Neuron 巻: in press
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Selective dysfunction of fast-spiking inhibitory interneurons and disruption of perineuronal nets in a tauopathy mouse model. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kudo T, Takuwa H, Takahashi M, Urushihata T, Shimojo M, Sampei K, Yamanaka M, Tomita Y, Sahara N, Suhara T, Higuchi M
  • 雑誌名: iScience 巻: 26 号: 4 ページ: 106342-106342
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.106342
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Capillary responses to functional and pathological activations rely on the capillary states at rest (2023)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Hiroki、Takeda Hiroshi、Takuwa Hiroyuki、Ji Bin、Higuchi Makoto、Kanno Iwao、Masamoto Kazuto
  • 雑誌名: Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism 巻: 未定 号: 6 ページ: 271678231156372-271678231156372
  • DOI: 10.1177/0271678x231156372
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Distribution of intraperitoneally administered deuterium-labeled water in aquaporin-4-knockout mouse brain after middle cerebral artery occlusion (2023)
  • 著者名/発表者名: Urushihata Takuya、Takuwa Hiroyuki、Takahashi Manami、Kershaw Jeff、Shibata Sayaka、Nitta Nobuhiro、Tachibana Yasuhiko、Yasui Masato、Higuchi Makoto、Obata Takayuki
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroscience 巻: 16 ページ: 1071272-1071272
  • DOI: 10.3389/fnins.2022.1071272
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Endothelial expression of human amyloid precursor protein leads to amyloid β in the blood and induces cerebral amyloid angiopathy in knock-in mice (2022)
  • 著者名/発表者名: Tachida Yuriko、Miura Saori、Muto Yui、Takuwa Hiroyuki、Sahara Naruhiko、Shindo Akihiro、Matsuba Yukio、Saito Takashi、Taniguchi Naoyuki、Kawaguchi Yasushi、Tomimoto Hidekazu、Saido Takaomi、Kitazume Shinobu
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: - 号: 6 ページ: 101880-101880
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.101880
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Differential pial and penetrating arterial responses examined by optogenetic activation of astrocytes and neurons (2021)
  • 著者名/発表者名: Hatakeyama N., Unekawa M., Tomita Y. Suzuki N. Nakahara J. Takuwa H., Kanno I., Matsui K., Tanaka K.F., Masamoto K.
  • 雑誌名: J Cereb Blood Flo Metab 巻: - 号: 10 ページ: 2676-2689
  • DOI: 10.1177/0271678x211010355
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Exploring cell membrane water exchange in aquaporin-4-deficient ischemic mouse brain using diffusion-weighted MRI. (2021)
  • 著者名/発表者名: Urushihata Takuya, Takuwa Hiroyuki, Manami Takahashi, Tachibana Yasuhiko, Jeffrey Kershaw, Nitta Nobuhiro, Shibata Sayaka, Masato Yasui, Higuchi Makoto, Obata Takayuki
  • 雑誌名: European radiology experimental 巻: 44 号: 1 ページ: 44-44
  • DOI: 10.1186/s41747-021-00244-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neurodegenerative processes accelerated by protein malnutrition and decelerated by essential amino acids in a tauopathy mouse model (2021)
  • 著者名/発表者名: Sato H、Takado Y、Toyoda S、Tsukamoto-Yasui M、Minatohara K、Takuwa H、Urushihata T、Takahashi M、Shimojo M、Ono M、Maeda J、Orihara A、Sahara N、Aoki I、Karakawa S、Isokawa M、Kawasaki N、Kawasaki M、Ueno S、Kanda M、Nishimura M、Suzuki K、Mitsui A、Nagao K、Kitamura A、Higuchi M
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 号: 43 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd5046
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] MRS-measured glutamate versus GABA reflects excitatory versus inhibitory neural activities in awake mice (2021)
  • 著者名/発表者名: Takado Yuhei、Takuwa Hiroyuki、Sampei Kazuaki、Urushihata Takuya、Takahashi Manami、Shimojo Masafumi、Uchida Shoko、Nitta Nobuhiro、Shibata Sayaka、Nagashima Keisuke、Ochi Yoshihiro、Ono Maiko、Maeda Jun、Tomita Yutaka、Sahara Naruhiko、Near Jamie、Aoki Ichio、Shibata Kazuhisa、Higuchi Makoto
  • 雑誌名: Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism 巻: 42 号: 1 ページ: 197-212
  • DOI: 10.1177/0271678x211045449
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Three‐dimensional microvascular network reconstruction from in vivo images with adaptation of the regional inhomogeneity in the signal‐to‐noise ratio (2021)
  • 著者名/発表者名: Sugashi Takuma、Yuki Hiroya、Niizawa Tomoya、Takuwa Hiroyuki、Kanno Iwao、Masamoto Kazuto
  • 雑誌名: Microcirculation 巻: in press 号: 5
  • DOI: 10.1111/micc.12697
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Measurement of changes in endogenous serotonin level by positron emission tomography with [18F]altanserin (2021)
  • 著者名/発表者名: Ikoma Yoko、Takuwa Hiroyuki、Nishino Asuka、Maeda Jun、Kawamura Kazunori、Obata Takayuki、Zhang Ming-Rong、Higuchi Makoto、Suhara Tetsuya
  • 雑誌名: Annals of Nuclear Medicine 巻: 35 号: 8 ページ: 955-965
  • DOI: 10.1007/s12149-021-01633-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] A first-in-human study of 11C-MTP38, a novel PET ligand for phosphodiesterase 7 (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubota Manabu、Seki Chie、Kimura Yasuyuki、Takahata Keisuke、Shimada Hitoshi、Takado Yuhei、Matsuoka Kiwamu、Tagai Kenji、Sano Yasunori、Yamamoto Yasuharu、Okada Maki、Kikuchi Tatsuya、Ichise Masanori、Kawamura Kazunori、Zhang Ming-Rong、Higuchi Makoto
  • 雑誌名: European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging 巻: 41 号: 11 ページ: 2928-2943
  • DOI: 10.1177/0271678x211004150
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 免疫細胞による異常タウを有する神経細胞の貪食と脳外排出 (2024)
  • 著者名/発表者名: 田桑弘之
  • 学会等名: 第 42 回埼玉認知症研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 脳疾患における免疫細胞の多様な機能変化をとらえる量子計測技術の構築 (2024)
  • 著者名/発表者名: 田桑弘之
  • 学会等名: 日本生物精神医学会
  • 招待講演
• [学会発表] タウ凝集体を有する神経細胞を貪食・輸送して脳外へと排出する脳クリアランスシステム (2024)
  • 著者名/発表者名: 田桑弘之
  • 学会等名: 第４２回日本認知症学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 広視野2光子顕微鏡による生体脳内の複数領野・各層における多細胞同時イメージング (2024)
  • 著者名/発表者名: 田桑弘之
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 量子計測技術を用いた生体脳における炎症イメージング (2024)
  • 著者名/発表者名: 田桑弘之
  • 学会等名: Neurovascular Unit 研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 認知症マウスにおける神経回路のカルシウムイメージングと画像解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田桑 弘之
  • 学会等名: 第26回酸素ダイナミクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ミクログリアと髄膜マクロファージが連携して脳老廃物を貪食・輸送して血中へと排出する新たな脳外排出メカニズム (2022)
  • 著者名/発表者名: 田桑 弘之
  • 学会等名: 日本解剖学会
  • 招待講演
• [学会発表] 生体ナノ量子センサ系の構築と疾患モデルマウスへの応用の可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田桑弘之
  • 学会等名: 量子生命科学会
  • 招待講演
• [学会発表] 脳内外の免疫細胞によるタウ凝集体を有する神経細胞の貪食とクリアランス (2021)
  • 著者名/発表者名: 田桑 弘之
  • 学会等名: 第40回日本認知症学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Investigation of a possible microglia and macrophage cooperative pathway responsible for the clearance of waste from the mouse brain in dementia. (2021)
  • 著者名/発表者名: 田桑 弘之
  • 学会等名: 第64回日本神経化学会大会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 慢性低灌流モデル動物を用いた脳神経機能障害機序の解明 ～生体脳イメージングを用いた病態研究～ (2021)
  • 著者名/発表者名: 田桑弘之
  • 学会等名: 第11回日本脳血管・認知症学会総会
  • 招待講演