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ケミカルジェネティクスによる神経障害性疼痛モデルの島皮質異常興奮の制御機構

研究課題

研究課題/領域番号 23K24515
補助金の研究課題番号 22H03257 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分57010:常態系口腔科学関連
研究機関日本大学

研究代表者

小林 真之  日本大学, 歯学部, 教授 (00300830)

研究分担者 藤田 智史  日本大学, 歯学部, 教授 (00386096)
山本 清文  日本大学, 歯学部, 講師 (30609764)
中谷 有香  日本大学, 歯学部, 講師 (60781391)
加藤 成樹  福島県立医科大学, 医学部, 准教授 (90443879)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
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: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2022年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円)
キーワードケミカルジェネティクス / 島皮質 / Parvalbumin陽性細胞 / 局所神経回路 / 神経障害性疼痛 / Parvalbumin陽性ニューロン / 痛覚 / 抑制性ニューロン / 逃避行動 / 可塑性
研究開始時の研究の概要

研究代表者らは,口腔顔面領域の痛み情報を処理する島皮質の神経回路が①神経障害性モデルにおいてどのような変化を起こすのか,そして②組換えが起こった神経回路の制御を可能にする抑制性神経回路の可塑性について研究を進めてきた。その結果,痛みの原因となる外傷や腫瘍が治癒した後も,可塑的に変化した島皮質神経回路が過剰に興奮している限り痛みは持続することが明らかになった。そこで本研究では,神経障害性疼痛モデルで生じる島皮質の局所神経回路の異常をケミカルジェネティクスによって制御し,組換えが生じて過興奮に陥った島皮質からの出力を抑制することによって慢性疼痛の発症を抑制するメカニズムを解明する。

研究実績の概要

Parvalbumin-Creトランスジェニック・ラットの頭部を脳定位固定装置に固定し,ウイルスベクター(AAV-Flox-hM3D-mCherry; AAV-hM3D)を注入することによって,Parvalbumin陽性細胞特異的に遺伝子改変ヒトムスカリン受容体hM3Dを発現させた。さらに特異的に結合するDesigner Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs(DREADD)としてクロザピン N-オキシド(CNO)を投与する必要があるが,その方法について,行動解析実験に影響がでないようにするために無麻酔下で注入する必要性が生じた。しかしながら,Long-Evansラット由来のParvalbumin-Creトランスジェニック・ラットは体が大きく,馴化させても体動が大きいことから,現有する装置および手技では,無麻酔下でのCNOの注入が困難であることが判明した。
そこで,外套と内套がセットになった金属カニューレを特注して製作し,島皮質にAAV-hM3D注入した同日にそれらを設置する手法に切り替えた。このシステムにより,AAV-hM3D注入時の創傷が治癒した後,吸入麻酔下で内套を外し,代わりに31ゲージ針をカニューレに沿って挿入してCNOを注入することが可能になった。CNOを投与して90分後に,痛み刺激を顔面髭部にランダムに赤色レーザーを照射することによって侵害刺激を行い,刺激に対する回避行動を毎日記録し定量化するシステムを新たに構築した。現在,CNOの投与量を変化させて脳損傷が生じずに,行動観察できる量を解析中である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

行動実験システムを変更する必要が生じたため,その調整に時間が掛かった。現在,問題は解決しているので,令和6年度集中的に課題に取り組む予定である。

今後の研究の推進方策

PV-CreラットへAAV-hM3Dを注入後,下歯槽神経を切断したモデルを作製する。島皮質が最も過剰に興奮する2週後から,一定濃度で数日単位の薬物投与できる浸透圧ポンプを用いてCNOを島皮質表面の硬膜下へ持続注入する(CNO持続投与群)。対照群には食塩水を注入する。CNO持続投与による島皮質神経活動の変調とその作用機序についてin vitro標本(プロジェクトⅠ)およびin vivo標本(プロジェクトⅡ)にて明らかにする。
Ⅰ.ケミカルジェネティクスによる島皮質局所神経回路の可塑的変化の解明
CNO持続投与1-2週後に,島皮質スライス標本に多チャンネルパッチクランプ法を適用する。CNO持続投与群と対照群におけるシナプス伝達特性の違いを検討し,ケミカルジェネティクスの神経回路レベルでの効果を解明する。すなわち,PVニューロンと錐体細胞から同時ホールセル・パッチクランプを行い,電流固定下でPVニューロンに活動電位を発生させて,電圧固定下の錐体細胞から得られる単一抑制性シナプス後電流(uIPSCs)を記録する。CNOの灌流投与によるPVニューロン→錐体細胞のシナプス伝達について,PVニューロンの自発発火とそれに伴うuIPSCsの発生頻度及び振幅を解析し,CNOの投与濃度や時間を変化させてuIPSCsの長期増強メカニズムについて電気生理学的,薬理学的に解析する。
Ⅱ.痛み回避行動に対するケミカルジェネティクスの行動薬理学的検証
覚醒ラットの808 nmレーザー光を髭部に照射して熱刺激を与えると,痛みから逃げようと四肢でディスクを回転させる。その際の回転速度を計測して痛みの程度を定量化する。また,3方向から暗視野カメラで顔面を撮影し,眼球の露出度や顔面ひっかき行動についても定量化する。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Activation of multiple neuromodulatory systems in alert rats acquiring conditioned taste aversion revealed by positron emission tomography2024

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Satomi、Kajiwara Mie、Cui Yilong、Sako Takeo、Sasabe Tetsuya、Hayashinaka Emi、Wada Yasuhiro、Kobayashi Masayuki
    • 雑誌名

      Brain Research

      巻: 1822 ページ: 148617-148617

    • DOI

      10.1016/j.brainres.2023.148617

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] P2X receptor- and postsynaptic NMDA receptor-mediated long-lasting facilitation of inhibitory synapses in the rat insular cortex2024

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Kiyofumi、Kosukegawa Satoshi、Kobayashi Masayuki
    • 雑誌名

      Neuropharmacology

      巻: 245 ページ: 109817-109817

    • DOI

      10.1016/j.neuropharm.2023.109817

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Insulin potentiates inhibitory synaptic currents between fast-spiking and pyramidal neurons in the rat insular cortex2023

    • 著者名/発表者名
      Nakaya Yuka、Kosukegawa Satoshi、Kobayashi Satomi、Hirose Kensuke、Kitano Kouhei、Mayahara Kotoe、Takei Hiroki、Motoyoshi Mitsuru、Kobayashi Masayuki
    • 雑誌名

      Neuropharmacology

      巻: 238 ページ: 109649-109649

    • DOI

      10.1016/j.neuropharm.2023.109649

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Descending projections from the insular cortex to the trigeminal spinal subnucleus caudalis facilitate excitatory outputs to the parabrachial nucleus in rats.2023

    • 著者名/発表者名
      Nakaya Y, Yamamoto K, Kobayashi M
    • 雑誌名

      PAIN

      巻: 164 号: 3 ページ: 157-173

    • DOI

      10.1097/j.pain.0000000000002755

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Insulin facilitates synaptic transmission via gap junctions between fast-spiking interneurons in the rat insular cortex2023

    • 著者名/発表者名
      Kosukegawa S, Nakaya Y, Kobayashi S, Kitano K, Matsumura S, Ogisawa S, Zama M, Motoyoshi M, Kobayashi M
    • 雑誌名

      Journal of Oral Science

      巻: 65 号: 2 ページ: 77-80

    • DOI

      10.2334/josnusd.22-0438

    • ISSN
      1343-4934, 1880-4926
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Insular cortical descending projections facilitate neuronal responses to noxious but not innoxious stimulation in rat trigeminal spinal subnucleus caudalis.2023

    • 著者名/発表者名
      Nakaya Y, Iwata K, Kobayashi M
    • 雑誌名

      Brain Res

      巻: 804 ページ: 148248-148248

    • DOI

      10.1016/j.brainres.2023.148248

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Repetitive nociceptive stimulation increases spontaneous neural activation similar to nociception-induced activity in mouse insular cortex2022

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Shutaro、O’Hashi Kazunori、Kobayashi Masayuki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 号: 1 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1038/s41598-022-19562-1

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Neural Subtype-dependent Cholinergic Modulation of Neural Activities by Activation of Muscarinic 2 Receptors and G Protein-activated Inwardly Rectifying Potassium Channel in Rat Periaqueductal Gray Neurons2022

    • 著者名/発表者名
      Sugawara Shiori、Nakaya Yuka、Matsumura Sachie、Hirose Kensuke、Saito Yasuhiko、Kaneko Ryosuke、Kobayashi Masayuki
    • 雑誌名

      Neuroscience

      巻: 506 ページ: 1-13

    • DOI

      10.1016/j.neuroscience.2022.10.012

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] The activation of insular cortical projections to the trigeminal spinal subnucleus caudalis regulates pain-related behaviors in rats2023

    • 著者名/発表者名
      Yuka Nakaya, Kiyofumi Yamamoto, Masayuki Kobayashi
    • 学会等名
      Society for Neuroscience 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 島皮質からの下行性投射による疼痛制御機構2023

    • 著者名/発表者名
      小林真之
    • 学会等名
      日本線維筋痛症・慢性疼痛学会 第13回学術集会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 眼窩下神経結紮によるバレル領野の可塑的変化2023

    • 著者名/発表者名
      北野晃平、大橋一徳、小林真之
    • 学会等名
      第65回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] マウスの口腔顔面領域に対する温度刺激時の大脳皮質応答2023

    • 著者名/発表者名
      大熊理沙子、小林理美、藤田智史、小林真之
    • 学会等名
      第65回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 上下顎の歯痛は脳内でどのように区別されているのか?2023

    • 著者名/発表者名
      大橋一徳、小林真之
    • 学会等名
      第65回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 光遺伝学的手法による島皮質から腕傍核への侵害情報入力の投射様式2023

    • 著者名/発表者名
      廣瀬健佑、中谷有香、松村幸恵、小林真之
    • 学会等名
      第65回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 島皮質 parvalbumin陽性細胞→錐体細胞シナプスにおける長期増強による疼痛コントロール2023

    • 著者名/発表者名
      小林理美、藤田智史、小林真之
    • 学会等名
      第65回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 社会的敗北ストレス経験による中脳水道周囲灰白質および三叉神経脊髄路核尾側亜核の神経活動変化2023

    • 著者名/発表者名
      川﨑詩織、小林真之
    • 学会等名
      第65回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] インスリンは PI3K-PKB/AKtシグナル経路を介してラット島皮質抑制性シナプス伝達を促進する2023

    • 著者名/発表者名
      中谷有香、小林理美、廣瀬健佑、北野晃平、小林真之
    • 学会等名
      第65回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] グレリンは島皮質から延髄孤束核の抑制性ニューロンに対するシナプス応答を減弱する2023

    • 著者名/発表者名
      若林杏美、中谷有香、堤友美、小林真之
    • 学会等名
      第65回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 大脳皮質島領野における口腔顔面領域の痛覚異常を制御する興奮性および抑制性シナプス長期可塑性2023

    • 著者名/発表者名
      山本清文、小林真之
    • 学会等名
      第65回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Chemogenetic strategies to investigate the role of projections from the insular cortex to the trigeminal spinal subnucleus caudalis in pain-related behaviors of rats2023

    • 著者名/発表者名
      Nakaya Y, Yamamoto K, Kobayashi M
    • 学会等名
      第100回日本生理学
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 歯根膜侵害刺激により生じる大脳皮質自発活動の動態変化2022

    • 著者名/発表者名
      小林秀太朗,大橋一徳,小林真之
    • 学会等名
      第99回日本生理学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] オプトジェネティクス法を用いた島皮質PV細胞の活性化による疼痛制御効果2022

    • 著者名/発表者名
      小林理美,藤田智史,小林真之
    • 学会等名
      第146回日本薬理学会関東部会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] プロポフォール誘発アルファ周波数帯増強の皮質内メカニズム2022

    • 著者名/発表者名
      小柳裕子,小林真之
    • 学会等名
      日本臨床麻酔学会第42回大
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Insular cortical projections to the trigeminal spinal subnucleus caudalis regulate pain-related behaviors in rats2022

    • 著者名/発表者名
      Nakaya Y, Kobayashi M
    • 学会等名
      第64回歯科基礎医学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 日本大学歯学部薬理学講座HP

    • URL

      https://www2.dent.nihon-u.ac.jp/pharmacology/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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