がん細胞・オルガノイドの動態を基盤とする物理的バイオマーカーの創出

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00661
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 田中 求 京都大学, 高等研究院, 特任教授 (00706814)
• 研究分担者: 妹尾 浩 京都大学, 医学研究科, 教授 (90335266)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: バイオマーカー / 消化器がん / 臨床ヒト試料 / 時空間ダイナミクス / オルガノイド

研究実績の概要

本研究では、研究分担者・妹尾（京都大学医学研究科・消化器内科学・教授）の全面協力のもと、遺伝子レベルの変異ががん細胞やその集団の動態に与える影響をマルチスケールで定量解析し、これを基盤としたがん診断の新たなバイオマーカーの創出を目指す。具体的には、遺伝子変異が特定されたヒト大腸がん細胞などを用いて(1) 単一細胞レベルの変形と運動(2) 細胞集団レベルの大規模変形と形態形成といった異なる階層構造のダイナミクスの精密計測と数理解析を行う。
単一細胞レベルの動態に関する研究では、遺伝子変異が定義されたマウス膵がんモデルから樹立した、通常の表現型では識別できないが予後が大きく異なる細胞株を、Brg1変異の影響を自発変形のパワースペクトル解析や遊走軌跡の違いを用いて明確に識別成功した。単なる相関関係からさらに機能を含めた因果関係へと踏み込むべく、Brg1下流の分子メカニズムの影響を数値化したほか、分担研究者である妹尾浩教授（京都大学医学研究科）らの協力のもと、Brg1 ノックダウン系を用いてLoss of Functionが動的表現型の変化をもたらすことも見出した。
患者由来大腸がんオルガノイドの継代培養については、分担研究者のアドバイスを受けながら技術的な課題を段階を追って解決することに成功した。また、これと並行して、すでの画像データとして入手している別のがんオルガノイド画像の数理解析を行い、転移性識別に有望であるいくつかの手法の抽出に成功した。
さらに本研究で提唱する「通常の表現型では識別できない遺伝子変異を動態解析で数値化する」というアプローチを乳がん・急性骨髄性白血病・老化といったテーマへ応用した成果を論文として発表するなど当初予期していなかったような成果をあげることができた。

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

令和3年度は、遺伝子変異が定義されたマウス膵がんモデルから樹立した、通常の表現型では識別できないが予後が大きく異なる細胞株を、Brg1変異の影響を自発変形のパワースペクトル解析や遊走軌跡の違いを用いて明確に識別成功した。単なる相関関係からさらに機能を含めた因果関係へと踏み込むべく、Brg1発現と細胞動態をつなぐプロセスの鍵となるタンパクとしてRho GTPaseに着目、Brg1発現が異なる細胞間でリン酸化Rac1の発現が大きく異なることを明らかにした。また分担研究者である妹尾浩教授（京都大学医学研究科）らの協力のもと、Brg1 ノックダウン系を用いてLoss of Functionが動的表現型の変化をもたらすことも見出した。
オルガノイド系については患者由来大腸がんオルガノイドの継代培養を安定化させる上で、分担研究者である妹尾教授のアドバイスを受けながら技術的な課題（分株する際の細胞密度など）を段階を追って解決することに成功した。これと並行して、すでの画像データとして入手している別のがんオルガノイド画像（慶應大学医学部・佐藤俊朗教授）について数理解析を行い、転移性識別に有望であるいくつかの手法の抽出に成功した。
また、本研究で取り組んでいる「通常の表現型では識別できない遺伝子変異の影響を物理学的バイオマーカーで識別する」というテーマについて、GPR56阻害と急性骨髄性白血病患者の造血幹細胞に与える影響に関する研究（ハイデルベルク大学・血液内科・Pabst博士）や、とマウス乳がん細胞におけるASAP1発現の異なる細胞の動態解析（ハイデルベルク大学・血管腫瘍学・Sleeman教授）などとのを国際共著論文として発表するなど、当初の予定を上回るペースで研究が進行している。

今後の研究の推進方策

単一細胞レベルの研究においては、これまでに得られた成果をさらに大きく発展展開し、分担研究者・妹尾らと協力して、上流にある遺伝型と最下流（出口）の表現型をつなぐ中間的な分子プロセスを阻害・増幅した時に、二値化して抽出した細胞接着面のフーリエモード解析や遊走軌跡の解析といった動的表現型をアウトプットパラメタとして数値化する。また、昨年度から導入を始めた自律粒子モデルを用いて、これら実験から得られた数値データを取り込んだ理論モデル計算を推進する。これらの複合的アプローチによって、単なる「相関」から「因果」へと研究自体を進化させるだけでなく指標の説得力・ロバスト性を高めることを目指す。
オルガノイドレベルでは、患者由来のオルガノイドで安定した培養ができる数株いついて、単離細胞からオルガノイドへの成長をライブ観測し、このライブ画像データの動態解析を行う。これと並行して昨年度解析を行って抽出した、転移性識別に有望と思われる数値指標についてロジスティック回帰など機械学習の手法を駆使して絞り込みを行い、有望な指標の組み合わせを決定する。これら数物科学的な成果を、研究分担者の妹尾らの遺伝子レベルの情報の網羅的解析と組み合わせることで、従来型の静的表現型とは一線を画す新たな物理的バイオマーカーを確立する。

備考

HeKKSaGOn日独6大学アライアンスの第8回日独学長会議・Plenary sessionで
WG1「New-Generation Biomedical Science」の活動報告を領域総括として行った。2021年9月10日（オンライン）

研究成果

• [国際共同研究] 欧州分子生物学研究所（EMBL)(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: 欧州分子生物学研究所（EMBL)
• [国際共同研究] ハイデルベルク大学 医学部(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ハイデルベルク大学 医学部
• [国際共同研究] 国立がん研究所 (DKFZ)(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: 国立がん研究所 (DKFZ)
• [雑誌論文] Glucose Metabolism and Aging of Hematopoietic Stem and Progenitor Cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Poisa-Beiro Laura、Landry Jonathan J. M.、Raffel Simon、Tanaka Motomu、Zaugg Judith、Gavin Anne-Claude、Ho Anthony D.
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 23 ページ: 3028～3028
  • DOI: 10.3390/ijms23063028
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] CDK7/12/13 inhibition targets an oscillating leukemia stem cell network and synergizes with venetoclax in acute myeloid leukemia (2022)
  • 著者名/発表者名: He, L.; Arnold, C.; Thoma, J.; Rohde, C.; Kholmatov, M.; Garg, S.; Hsiao, C.; Viol, L.; Zhang, K.; Sun, R.; Schmidt, C.; Janssen, M.; MacRae, T.; Huber, K.; Thiede, C.; Hebert, J.; Sauvageau, G.; Spratte, J.; Fluhr, H.; Aust, G.; Mueller-Tidow, C. Niehrs, C.; Pereira, G.; Hamann, J.; Tanaka, M.; Zaugg, J.; & Pabst, C.
  • 雑誌名: EMBO Molecular Medicine 巻: 14 ページ: e14990
  • DOI: 10.15252/emmm.202114990
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Superiority of Mature Differentiated Cultured Human Corneal Endothelial Cell Injection Therapy for Corneal Endothelial Failure (2022)
  • 著者名/発表者名: UENO MORIO、TODA MUNETOYO、NUMA KOHSAKU、TANAKA HIROSHI、IMAI KOJIRO、BUSH JOHN、TERAMUKAI SATOSHI、OKUMURA NAOKI、KOIZUMI NORIKO、YAMAMOTO AKIHISA、TANAKA MOTOMU、SOTOZONO CHIE、HAMURO JUNJI、KINOSHITA SHIGERU
  • 雑誌名: American Journal of Ophthalmology 巻: 237 ページ: 267～277
  • DOI: 10.1016/j.ajo.2021.11.012
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Loss of ASAP1 in the MMTV-PyMT model of luminal breast cancer activates AKT, accelerates tumorigenesis, and promotes metastasis (2022)
  • 著者名/発表者名: Schreiber Caroline、Gruber Annette、Rosswag Sven、Saraswati Supriya、Harkins Shannon、Thiele Wilko、Foroushani Zahra Hajian、Munding Natalie、Schmaus Anja、Rothley Melanie、Dimmler Arno、Tanaka Motomu、Garvalov Boyan K.、Sleeman Jonathan P.
  • 雑誌名: Cancer Letters 巻: 533 ページ: 215600～215600
  • DOI: 10.1016/j.canlet.2022.215600
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Elevated Central Carbon Metabolism - a Hallmark for Senescent Cells in Aging Human Hematopoietic Stem Cell Compartment (2021)
  • 著者名/発表者名: Poisa-Beiro Laura、Landry Jonathan、Raffel Simon、Eckstein Volker、Gavin Anne-Claude、Tanaka Motomu、Benes Vladimir、Ho Anthony D.
  • 雑誌名: Blood 巻: 138 ページ: 1088～1088
  • DOI: 10.1182/blood-2021-150761
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Id1 and Id3 Are Regulated Through Matrix‐Assisted Autocrine BMP Signaling and Represent Therapeutic Targets in Melanoma (2021)
  • 著者名/発表者名: Sedlmeier, G.; Al-Rawi, V.; Buchert, J.; Yserentant, K.; Rothley, M.; Steshina, A.; Graessle, S.; Wu, R. L.; Hurrle, T.; Richer, W.; Decraene, C.; Thiele, W.; Utikal, J.; Abuillan, W.; Tanaka, M.; Herten, D. P.; Hill, C. S.; Garvalov, B. K.; Jung, N.; Braese S. & Sleeman, J. P.
  • 雑誌名: Advanced Therapeutics 巻: 4 ページ: 2000065～2000065
  • DOI: 10.1002/adtp.202000065
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Extreme deformability of insect cell membranes is governed by phospholipid scrambling (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiomi, A.; Nagao, K.; Yokota, N.; Tsuchiya, M.; Kato, U.; Juni, N.; Hara, Y.; Mori, M.X.; Mori, Y.; Ui-Tei, K.; Murate, M.; Kobayashi, T.; Nishino, Y.; Miyazawa, A.; Yamamoto, A.; Suzuki, R.; Kaufmann, S.; Tanaka, M.; Tatsumi, K.; Nakabe, K.; Shintaku, H.; Yesylevsky, S.; Bogdanov, M; & Umeda, M.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 35 ページ: 109219～109219
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109219
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Physical Modeling of Cell Surfaces: Interfacial Forces and Mechanics (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 求
  • 学会等名: Neutrons in Life Science and Biomaterials Swedish Neutron Graduate School (SWEDNESS)サマーシンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 界面から読み解く抗菌・殺菌の物理化学：感染症と向き合う社会に貢献する分析科学 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 求
  • 学会等名: 大阪大学基礎工学研究科における次世代分析科学を考える会主催次世代分析化学へ向けてのセミナーシリーズ①
  • 招待講演
• [学会発表] Biological Interfaces out of Equilibrium - New Challenges in Soft Interface Science (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 求
  • 学会等名: Soft Interface Seminar九州大学・国際セミナーシリーズ
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of Infectious Diseases (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中 求
  • 学会等名: 日本生物物理学会
  • 招待講演
• [図書] Cell-Inspired Materials and Engineering, Fundamental Biomedical Technologies (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, M.; Yamamoto, A.
  • 総ページ数: 257
  • 出版者: Springer