高機能ゲルによるがん幹細胞リプログラミングと治療薬開発基盤の創出

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01171
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 田中 伸哉 北海道大学, 医学研究院, 教授 (70261287)
• 研究分担者: 津田 真寿美 北海道大学, 医学研究院, 准教授 (30431307) ; 高阪 真路 国立研究開発法人国立がん研究センター, 研究所, 主任研究員 (00627119) ; 黒川 孝幸 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (40451439) ; 前仲 勝実 北海道大学, 薬学研究院, 教授 (10322752)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: バイオマテリアル / ポリマーハイドロゲル / がん幹細胞 / リプログラミング

研究実績の概要

（研究の骨格）本研究は、申請者が高機能ポリマーハイドロゲルを用いることで、極めて短時間にがん細胞のリプログラミングを誘導して、がん幹細胞を同定する方法を見出したことにはじまる。これは従来のがん幹細胞分離同定法とは異なり、がんの種類を問わず24時間以内にがん幹細胞を同定することができる画期的な方法であり、本研究では、この高機能ゲルのどのような物理学的因子ががん細胞の遺伝子発現変化を短時間で誘導するのかについて検討し、高機能ゲルを基盤としたがん幹細胞診断法を開発し、さらにがん幹細胞標的治療薬を大規模スクリーニングにより創出するものである。（具体的な実績）申請書においてR１年度は２つの目標を設定した。1番目は「高機能ゲルによるがん細胞リプログラミングシグナルメカノレセプターの同定」である。申請者らは高機能ゲルの中でも、poly-2-acrylamido- 2-methylpropanesulfonic acid (PAMPS) とpoly-N, N’- dimethylacrylamide (PDMAAm)の2種類のダブルネットワークゲル（DNゲル）を使用してるため、PAMPSに対するメカノレセプターを粒子ゲル沈降法にて、インテグリンが機能することを明らかにした（論文作成中）。また、２つ目の目標である「シングルセルRNAシーケンス解析」は、共同研究者の高阪博士によって行われ、具体的には誘導がん幹細胞は２つの遺伝子発現クラスターに分類されることが明らかになり、新規がん幹細胞候補シグナルおよび責任分子を同定することができた。これらの成果は、論文のリバイスに組み込まれ、2020年の１月にNature Biomedical Engineering誌にアクセプトされた。

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

本研究成果はすでに「がん幹細胞の製造法：特願165113H 平成29年2月15日）」として特許出願をしていたが、本年度はPCT出願後、USパテント申請を行ったことで、実用化に向けた準備が整った。また、本年度の成果として、ハイドロゲルによる癌幹細胞誘導に関する論文がNature系の姉妹誌にアクセプトとなった。研究計画書に記載した各計画の進捗は以下である。
①ハイドロゲルに対する細胞側のメカノレセプターの同定。PAMPSによる刺激を受け取るメカノレセプターの１つとしてインテグリンを同定しノックダウン細胞にてゲルに対する細胞接着能の低下が確認された。の結果は現在論文準備中である。また、Ca2+チャネルTRP分子拮抗薬により、ハイドロゲル誘導がん幹細胞マーカーの低下が認められたことから、メカノシグナルとしてイオン流入が幹細胞マーカー発現を調整する可能性が明らかとなった。
②誘導がん幹細胞のヘテロジェネイティーの解析。シングルセルRNAシーケンスを実施し、がん幹細胞が２つのクラスターからなることを解明した。またGSEA解析にて、優位に活性化されるパスウェイを同定し、その中で、悪性脳腫瘍グリオブラストーマ(GBM)においては、PLK、が関与することが明らかとなった。また、ハイドロゲル誘導がん幹細胞が、従来の長期培養法により誘導されたがん幹細胞と同様であるか否かを検討した。GBMを通常のneural stem cell culture法にて１４日間培養して誘導されたがん幹細胞とハイドロゲル誘導がん幹細胞は、同様の２つのクラスターに分布し、ハイドロゲル誘導がん幹細胞の時間的な優位性が示された。
尚、本計画の最終的な目標の１つであるがん幹細胞治療薬スクリーニングのためのハイドロゲル装着96ウェルプレートの作成に取り組み現在24ウェルプレートの開発まで到達した段階である。

今後の研究の推進方策

前年度の結果を発展させ、今年度は以下の主として２つの研究に取り組む。①「がん細胞リプログラミングを誘導する物理的因子の解明と人工幹細胞ニッシェの開発」。ポリマー高機能ゲルの物理的因子である含水率、弾性率、荷電状態が細胞表面のメカノレセプターを刺激してリプログラミング刺激を誘導すると考えられる。そのメカニズムを解明するために、硬度、荷電状態の異なるゲルを用いて、がん細胞の幹細胞へのリプログラミングに最適な条件、ポリマー高機能ゲルを探索する。これは人工幹細胞ニッシェとなるが、肺がん(A549)、大腸がん(WiDr)、子宮がん(HeLa)、膀胱がん(J82)、肉腫(Fuji)、脳腫瘍(KMG4)など様々ながんの種類と高機能ゲルの組み合わせは多様性があることが想定される。最終的にはがんの臨床検体を用いて幹細胞を誘導して、治療薬のスクリーニングに繋げる。②「高機能ゲルによるエピジェネティカルなゲノム制御機構（メカノメモリー）の探索」。高機能ゲルによるがん細胞のリプログラミングの過程で、ゲノムの変化を誘導するか否かは重要な問題である。細胞は特殊な条件下ではメカノストレスによりゲノム変化が誘導されるメカノメモリーの考えが提唱されている（Yang, et al., Nature Materials, 13, 2014）。DNゲル上で形成したスフィアを、通常培養皿に移し一定時間経過後に幹細胞性を維持しているか否かを検討する。メカノメモリーがONの状態では、細胞をゲルから通常培養皿に移動後も幹細胞性が維持される。この時のエピジェネティカルな変化をメチル化アレイを用いて検討する。このメカニズムを解明することで阻害薬、すなわちがん幹細胞を非幹細胞に戻す治療薬の開発を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Signaling adaptor protein Crk is involved in malignant feature of pancreatic cancer associated with phosphorylation of c-Met (2020)
  • 著者名/発表者名: Uemura Satoko、Wang Lei、Tsuda Masumi、Suzuka Jun、Tanikawa Satoshi、Sugino Hirokazu、Nakamura Toru、Mitsuhashi Tomoko、Hirano Satoshi、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 524 ページ: 378～384
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.01.105
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cisplatin Relocalizes RNA Binding Protein HuR and Enhances the Oncolytic Activity of E4orf6 Deleted Adenovirus (2020)
  • 著者名/発表者名: Habiba Umma、Hossain Elora、Yanagawa-Matsuda Aya、Chowdhury Abu Faem Mohammad Almas、Tsuda Masumi、Zaman Asad-uz-、Tanaka Shinya、Higashino Fumihiro
  • 雑誌名: Cancers 巻: 12 ページ: 809～809
  • DOI: 10.3390/cancers12040809
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] MM2 cortical form of sporadic Creutzfeldt-Jakob disease without progressive dementia and akinetic mutism: A case deviating from current diagnostic criteria (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahashi-Iwata Ikuko、Yabe Ichiro、Kudo Akihiko、Eguchi Katsuya、Wakita Masahiro、Shirai Shinichi、Matsushima Masaaki、Toyoshima Takanobu、Chiba Susumu、Tanikawa Satoshi、Tanaka Shinya、Satoh Katsuya、Kitamoto Tetsuyuki、Sasaki Hidenao
  • 雑誌名: Journal of the Neurological Sciences 巻: 412 ページ: 116759～116759
  • DOI: 10.1016/j.jns.2020.116759
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pineoblastoma segregates into molecular sub-groups with distinct clinico-pathologic features: a Rare Brain Tumor Consortium registry study (2020)
  • 著者名/発表者名: Li, B. K. Vasiljevic, A. , (32名省略）, Ziegler, D. S. Tanaka, S., et al.
  • 雑誌名: Acta Neuropathol 巻: 139 ページ: 223-241
  • DOI: 10.1007/s00401-019-02111-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exosomes containing ErbB2/ CRK induce vascular growth in premetastatic niches and promote metastasis of bladder cancer (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Kazuhiko、Tsuda Masumi、Matsumoto Ryuji、Semba Shingo、Wang Lei、Sugino Hirokazu、Tanino Mishie、Kondo Tsunenori、Tanabe Kazunari、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 110 ページ: 2119～2132
  • DOI: 10.1111/cas.14080
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pathways of Progression From Intraductal Papillary Mucinous Neoplasm to Pancreatic Ductal Adenocarcinoma Based on Molecular Features (2019)
  • 著者名/発表者名: Omori, Y. Ono, Y. Tanino, M. Karasaki, H. Yamaguchi, H. Furukawa, T. Enomoto, K. Ueda, J. Sumi, A. Katayama, J. Muraki, M. Taniue, K. Takahashi, K. Ambo, Y. Shinohara, T. Nishihara, H. Sasajima, J. Maguchi, H. Mizukami, Y. Okumura, T. Tanaka, S.
  • 雑誌名: Gastroenterology 巻: 156 ページ: 647～661.e2
  • DOI: 10.1053/j.gastro.2018.10.029
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of Dimerized C16orf74 in Aggressive Pancreatic Cancer: A Novel Therapeutic Target (2019)
  • 著者名/発表者名: Kushibiki, T. Nakamura, T. Tsuda, M. Tsuchikawa, T. Hontani, K. Inoko, K. Takahashi, M. Asano, T. Okamura, K. Murakami, S. Kurashima, Y. Ebihara, Y. Noji, T. Nakanishi, Y. Tanaka, K. Maishi, N. Sasaki, K. Park, W. R. Shichinohe, T. Hida, K. Tanaka, S. Hirano, S.
  • 雑誌名: Molecular Cancer Therapeutics 巻: 19 ページ: 187～198
  • DOI: 10.1158/1535-7163.Mct-19-0491
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multimodal imaging of right coronary artery to left ventricle fistula complicated by large coronary aneurysm (2019)
  • 著者名/発表者名: Konishi Takao、Yamamoto Tadashi、Hayakawa Masato、Iwasa Shizuko、Tsukui Hiroyuki、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Cardiology Journal 巻: 26 ページ: 93～94
  • DOI: 10.5603/cj.2019.0012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Eicosapentaenoic acid therapy is associated with decreased coronary plaque instability assessed using optical frequency domain imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Konishi Takao、Sunaga Daisuke、Funayama Naohiro、Yamamoto Tadashi、Murakami Hironori、Hotta Daisuke、Nojima Masanori、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Clinical Cardiology 巻: 42 ページ: 618-628
  • DOI: 10.1002/clc.23185
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Autopsy findings in the early stage of amyotrophic lateral sclerosis with “dropped head” syndrome (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanikawa Satoshi、Tanino Mishie、Wang Lei、Ishikawa Marin、Miyazaki Masaya、Tsuda Masumi、Orba Yasuko、Sawa Hirofumi、Matoba Kotarou、Nakamura Nishio、Nagashima Kazuo、Hall William W.、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Neuropathology 巻: 39 ページ: 374～377
  • DOI: 10.1111/neup.12583
  • 査読あり
• [雑誌論文] Autopsy report of a late delayed radiation injury after a period of 45 years (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanikawa Satoshi、Kato Yasutaka、Tanino Mishie、Terasaka Shunsuke、Kurokawa Yasuo、Arai Nobutaka、Nagashima Kazuo、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Neuropathology 巻: 39 ページ: 106～110
  • DOI: 10.1111/neup.12528
  • 査読あり
• [雑誌論文] Woman in her 50s with shortness of breath on exertion (2019)
  • 著者名/発表者名: Konishi Takao、Murakami Hironori、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Heart 巻: 105 ページ: 110～110
  • DOI: 10.1136/heartjnl-2018-313655
  • 査読あり
• [雑誌論文] Immunohistochemical Analysis of Cerebral Intraparenchymal Choroid Plexus Tumor: Case Report (2019)
  • 著者名/発表者名: Katoh, M. Sawamura, Y. Tanaka, S. Fujimaki, T. Hirose, S. Aida, T.
  • 雑誌名: Journal of Neurological Surgery Part A: Central European Neurosurgery 巻: 80 ページ: 053～057
  • DOI: 10.1055/s-0037-1615284
  • 査読あり
• [雑誌論文] A 41 Year‐Old Woman with a Mass in the Posterior Cranial Fossa (2019)
  • 著者名/発表者名: Asayama Bunsho、Seo Yoshinobu、Ozaki Yoshimaru、Tanikawa Satoshi、Hirose Takanori、Tanaka Shinya、Nakamura Hirohiko
  • 雑誌名: Brain Pathology 巻: 29 ページ: 699～700
  • DOI: 10.1111/bpa.12771
  • 査読あり
• [学会発表] Engineered hydrogels for rapid induction of cancer stem cells (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中伸哉
  • 学会等名: 第38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] Engineered hydrogels for rapid induction of cancer stem cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinya Tanaka
  • 学会等名: 2nd Joint symposium China Medical Univ. and Hokkaido Univ., Faculty of Medicine.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Morphology and genetic features of meningioma (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinya Tanaka
  • 学会等名: The Asian Society of Neuro-Oncology (ASNO)2019v
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ゲノムとがん遺伝子 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中伸哉
  • 学会等名: 日本病理学会分子病理専門医講習会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 病理診断技術の進歩-Rapid IHCとAI病理診断 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中伸哉
  • 学会等名: 日本外科学会第２６回外科学会生涯教育セミナー（北海道地区）
  • 国際学会 / 招待講演
• [産業財産権] 癌幹細胞の製造方法 (2019)
  • 発明者名: 田中伸哉、安田和則、グンチェンピン、津田真寿美、黒川孝之
  • 権利者名: 田中伸哉、安田和則、グンチェンピン、津田真寿美、黒川孝之
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2018/005884
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