3次元組織中の空間的全細胞核酸解析を目指す基盤技術開発

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K19419
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 洲崎 悦生 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 講師 (10444803)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: 多階層オミクス / 組織透明化 / 3次元イメージング / 核酸解析

研究実績の概要

組織透明化と光学顕微鏡観察を組み合わせ、セルオミクスとの統合のため組織内全細胞位置を3次元的に記録した後に、各細胞内の遺伝子発現やゲノム状態のプロファイルを検出する(ポスト核酸解析)を可能とすることを目指した基盤技術の検討を行った。
1) 固定・透明化法の改良により、透明化の高度化に成功するとともに（Tainaka et al. Cell Rep 2018）、核染色剤による3次元染色を組み合わせることにより、保存された核酸（核DNA）の可視化を3次元的に行うことに成功した。2) 3次元組織の透明化と核酸の3次元的保存を両立させ、ライトシート顕微鏡を用いた3次元観察を容易にするために、透明化組織全体を人工ゲルに包埋し、核酸をゲル内にキャプチャーする方法の確立に成功した。3) 透明化された3次元組織の全細胞位置記録手法の検討のため、透明化された組織を核染色剤でラベリングし3次元観察することを試みた。その結果、マウス脳のほかマーモセット脳の透明化、核DNA可視化および全脳イメージングに成功した（Tainaka et al. Cell Rep 2018）。また、研究代表者が整備した世界最高速の透明化組織用マクロライトシート顕微鏡を用いて、2) で検討したゲル包埋後の透明化組織の３次元観察にも成功した。さらに、画像解析を用いた核座標位置の検出を目的として、抗体でよりスパースに核をラベルしたサンプルと撮像データを準備し、核検出アルゴリズムの構築を進めた。

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

当初の計画に沿って、1) 固定・透明化法の改良、2) 核酸のゲル内キャプチャー法の検討、3) 透明化された3次元組織の全細胞位置記録手法の検討に関して一定の成果が得られており、概ね順調に推移していると判断した。

今後の研究の推進方策

透明化組織での核検出法については概ね基礎検討が完了しているが、未だ3次元的に均一に核を染色し検出することの困難さが明確となっているため、本年度は特に核染色をより高効率化する技術開発を中心に進める。また、現在のゲル包埋組織はタンパク質等の夾雑物を含むため、よりpureな拡散のみをキャプチャーするゲル包埋法を検討する。また最終的には、透明化組織より核酸を抽出し、抽出核酸の定量的PCRやシーケンス解析の可能性を検討する。以上の研究計画を、研究代表者及び本研究予算で今年度中に雇用予定のテクニカルスタッフを中心に遂行する。

研究成果

• [雑誌論文] Comprehensive three-dimensional analysis (CUBIC-kidney) visualizes abnormal renal sympathetic nerves after ischemia/reperfusion injury. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa S,Susaki EA,Tanaka T,Komaba H,Wada T,Fukagawa M,Ueda HR,Nangaku M
  • 雑誌名: Kidney international 巻: 96 ページ: 129-138
  • DOI: 10.1016/j.kint.2019.02.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel 3D analysis using optical tissue clearing documents the evolution of murine rapidly progressive glomerulonephritis (2019)
  • 著者名/発表者名: Puelles VG, Fleck D, Ortz L, Papadouri S, Thiago T, Boehner A, van der Wolde JW, Vogt M, Saritas T, Kuppe C, Fuss A, Menzel S, Klinkhammer BM, Mller-Newen G, Heymann F, Decker L, Braun F, Kretz O, Huber TB, Susaki EA, Ueda HR, et al.
  • 雑誌名: Kidney international 巻: AOP ページ: AOP
  • DOI: 10.1016/j.kint.2019.02.034
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chemical Landscape for Tissue Clearing Based on Hydrophilic Reagents. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tainaka K, Murakami TC, Susaki EA, Shimizu C, Saito R, Takahashi K, Hayashi-Takagi A, Sekiya H, Arima Y, Nojima S, Ikemura M, Ushiku T, Shimizu Y, Murakami M, Tanaka KF, Iino M, Kasai H, Sasaoka T, Kobayashi K, Miyazono K, Morii E, Isa T, Fukayama M, Kakita A, Ueda HR
  • 雑誌名: Cell reports 巻: 24 ページ: 2196-2210
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2018.07.056
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparison of the 3-D patterns of the parasympathetic nervous system in the lung at late developmental stages between mouse and chicken. (2018)
  • 著者名/発表者名: Watanabe T, Nakamura R, Takase Y, Susaki EA, Ueda HR, Tadokoro R, Takahashi Y
  • 雑誌名: Developmental biology 巻: 444 ページ: S325-336
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2018.05.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] 見る脂質のページ〈透明化による全細胞解析〉ヒト組織透明化 ~ヒト病理組織を中心に~ (2018)
  • 著者名/発表者名: 野島聡、森井英一、洲崎悦生、上田泰己
  • 雑誌名: Lipid 巻: 29 ページ: 340-345
  • DOI: 0
• [雑誌論文] 快人快説 最先端の研究テクノロジー紹介?臓器の透明化技術とその臨床応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野島聡、洲崎悦生、森井英一、上田泰己
  • 雑誌名: LiSA 巻: 25 ページ: 789-797
  • DOI: 0
• [雑誌論文] 見る脂質のページ〈脂質代謝異常〉脱脂による高度な全脳透明化と三次元イメージング (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 雑誌名: Lipid 巻: 29 ページ: 128-134
  • DOI: 0
• [学会発表] CUBIC-HistoVIsion: A pipeline for three-dimensional whole-organ staining and imaging with single-cell resolution based on chemical properties of tissue (2019)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: RIKEN BDR seminar at Kobe (host: Dr. Kazunari Miyamichi)
• [学会発表] 組織3D染色による細胞の網羅的解析技術の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: JSTさきがけ・統合1細胞領域 第4回成果報告会（日本化学会第99回春季年会2019 コラボレイション企画）
• [学会発表] CUBIC-HistoVIsion: a pipeline for three-dimensional whole-organ/body staining and imaging with single-cell resolution based on chemical properties of tissue gel (2019)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: Visiting seminar at Oxford University, UK (host: Host: Dr Ana Domingos)
  • 国際学会
• [学会発表] CUBIC-HistoVIsion: a pipeline for three-dimensional whole-organ/body staining and imaging with single-cell resolution based on chemical properties of tissue gel (2019)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: Visiting seminar at Science for Life Laboratory (KTH), Sweden (host: Prof. Hans Blom)
  • 国際学会
• [学会発表] Whole-organ/body analysis of multicellular systems by CUBIC platform (2019)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: Single cell biology meets diagnostics: 12th International workshop on approaches to single cell analysis, Uppsala University, Sweden
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CUBIC-HistoVIsion: a pipeline for three-dimensional whole-organ/body staining and imaging with single-cell resolution based on chemical properties of tissue gel (2019)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: Bioscience seminar (visiting seminar), Uppsala University, Sweden (Host: Prof. Ola S?derberg)
  • 国際学会
• [学会発表] 細胞ネットワークの網羅的解析～個体をシステムとして理解するアイデアと方法 (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: 順天堂大学医学部「医学研究入門II」講義
• [学会発表] 多細胞システムの状態定義・分離を目指す技術開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] CUBIC-HistoVIsion: a pipeline for three-dimentional whole-brain/organ staining and imaging with single-cell resolution (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: ECRO 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 多細胞システムの理解に向けた要素技術開発と展望 (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: 第58回 生命科学夏の学校
  • 招待講演
• [学会発表] 網羅的細胞観察・解析技術による、多細胞システム解明への挑戦 (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: 第５回包括的緩和医療科学学術研究会/第６回Tokyo疼痛緩和次世代研究会 合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Tissue clearing and 3D imaging: basics and applications (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: EMBO practical course on light sheet microscopy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CUBIC-HistoVIsion: a pipeline for 3D whole-organ/body staining and imaging with single-cell resolution based on chemical properties of tissue gel (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: SBIC seminar, A*STAR, Singapore
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 個体レベルのシステム生物学実現を目指す技術開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生
  • 学会等名: 第91回日本内分泌学会学術総会 中堅・若手の会YEC企画2「生体リズム研究の新展開」
  • 招待講演
• [図書] バイオイノベーションに向けて～バイオテクノロジーの新技術からの新しい視点～ 監修： 植田充美 (2019)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生 他（分担執筆）
  • 総ページ数: 258
  • 出版者: (株)シーエムシー出版
  • ISBN: 978-4781314112
• [図書] 定量生物学-生命現象を定量的に理解するために 小林徹也／編 (2018)
  • 著者名/発表者名: 洲崎悦生 他（分担執筆）
  • 総ページ数: 290
  • 出版者: 化学同人
  • ISBN: 978-4759817300
• [備考] 臓器透明化（CUBIC）を用いて腎臓全体の交感神経系の3次元構造を可視化し、その機能障害を解析
  • URL: http://www.h.u-tokyo.ac.jp/press/press_archives/20190409.html
• [備考] 水溶性化合物による組織透明化の化学 －包括的ケミカルプロファイリングに基づく化学的原理の体系化－
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180822_1/