電荷による細胞応答制御法の創出ーチャージハイドロゲルでウイルス感染症・がんを治す

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K19878
• 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)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• キーワード: ハイドロゲル / ウイルス感染 / がん幹細胞

研究実績の概要

（研究の骨格）医学の領域で感染症・がんは2大疾患であり、これらを制御することは喫緊の課題である。我々は最近、バイオマテリアルの１つであるハイドロゲルがヒト細胞に急速なゲノム変化を誘導することを見出した（Nat. Biomed. Eng, 5, 914-925, 2021）。本研究はこの技術を格段に発展させるもので、ハイドロゲルを用いて細胞周囲のチャージ（荷電状態）を変化させることで細胞のゲノム状態を制御し、１）ウイルスへの感染を防御し、また、２）がん幹細胞を誘導することで、がんの早期診断法およびがん幹細胞特異的治療薬を開発する。
（今年度の実績）（１）チャージゲルによるウイルス増殖制御法の創出：陰性荷電を有するPAMPSゲルとPNaSSゲル、さらに正と負の荷電の両方を有する両性荷電ゲルPCDME上でウイルス感受性細胞VEROを培養し、COVID-19感染後にウイルス増殖を検討した。ウイルス核酸レベルで評価した場合、PAMPSとPNaSS上でウイルス増殖が亢進する一方、PCDMEゲル上では抑制される傾向が認められた。
（２）チャージゲルによるがん幹細胞誘導：陰性荷電を有するAMPSと陽性荷電を有するAPTMAモノマーを様々な割合で配合したチャージハイドロゲルを作製し、患者由来膵癌初代細胞を培養した所、陽性にシフトしたチャージゲルに癌細胞は接着し、癌幹細胞マーカーの発現が亢進することが明らかとなった。

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

当該年度の研究により、ハイドロゲルの荷電状態を変えることにより、ウイルス増殖やがん細胞の接着を制御することが可能となった。
（１）チャージゲルによるウイルス増殖制御法の創出：ウイルスの増殖には細胞内環境が必要である。COVID-19が感染する肺胞上皮細胞HPAEpicを培養するのに最適なチャージ条件を探索した所、陽性にシフトしたチャージゲルで細胞の接着が良く培養可能であることが判明した。ウイルス感染の母地となる宿主細胞が接着・生存するチャージと、ウイルスが増殖するために最適なチャージは異なる可能性があり興味深い。尚、COVID-19の病態は、研究代表者がcorresponding authorの一人として実施した他の研究プロジェクトによって詳細に解明されており（Nature, 602, 300-306, 2021; Nature 603, 700-705, 2021）、本研究を遂行する上でウイルス及び宿主側反応の十分な情報が得られている。
（２）がん細胞の誘導においては、荷電状態に加えて、品質面で鍵となるゼータ電位、弾性率、膨潤度などの物理因子も、癌細胞の接着および癌幹細胞の誘導に重要であること、それらは癌腫によって最適条件が異なることが明らかとなった。計画通り、各がん組織でのがん幹細胞ニッシェの環境の物理因子が判明されつつある。

今後の研究の推進方策

令和３年度の研究成果をもとに、生体内組織を模倣した3D構造の構築のため多孔化チャージゲルを創出する。ここに、①ウイルス感受性細胞を培養し、ウイルス増殖を抑制するための最適条件を探索する。また、②3D環境下でがん幹細胞を最も効率よく誘導可能とする条件を探索し、北大薬剤ライブラリーを用いて癌幹細胞治療薬のシーズの候補を得る。将来的に、量子化学反応を計算科学でデザインして創出された高機能ゲルを用いて、新しいがんの診断、治療法を創出することも出口戦略に見据えている。本研究は、これまでに類を見ない画期的なバイオマテリアルの創出に挑戦するものであり、最終的には、再生医療、未来医療を学術的に支える新学問領域「マテリアルゲノミクス」の確立を目指す。

研究成果

• [国際共同研究] University Hospital Magdeburg(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University Hospital Magdeburg
• [雑誌論文] Genome-wide CRISPR screen identifies CDK6 as a therapeutic target in adult T-cell leukemia/lymphoma (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishio T, Kumar S, Shimono J, Daenthanasanmak A, Dubois S, Lin Y, Bryant B, Petrus MN, Bachy E, Huang DW, Yang Y, Green PL, Hasegawa H, Maeda M, Goto H, Endo T, Yokota T, Hatanaka KC, Hatanaka Y, Tanaka S, Matsuno Y, Yang Y, Hashino S, Teshima T, Waldmann TA, Staudt LM, Nakagawa M.
  • 雑誌名: Blood 巻: 139 ページ: 1541～1556
  • DOI: 10.1182/blood.2021012734
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rapid reprogramming of tumour cells into cancer stem cells on double-network hydrogels (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuka Jun、Tsuda Masumi、Wang Lei、Kohsaka Shinji、Kishida Karin、Semba Shingo、Sugino Hirokazu、Aburatani Sachiyo、Frauenlob Martin、Kurokawa Takayuki、Kojima Shinya、Ueno Toshihide、Ohmiya Yoshihiro、Mano Hiroyuki、Yasuda Kazunori、Gong Jian Ping、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Nature Biomedical Engineering 巻: 5 ページ: 914～925
  • DOI: 10.1038/s41551-021-00692-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydroxyapatite‐hybridized double‐network hydrogel surface enhances differentiation of bone marrow‐derived mesenchymal stem cells to osteogenic cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaibara Takuma、Wang Lei、Tsuda Masumi、Nonoyama Takayuki、Kurokawa Takayuki、Iwasaki Norimasa、Gong Jian Ping、Tanaka Shinya、Yasuda Kazunori
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Materials Research Part A 巻: 110 ページ: 747～760
  • DOI: 10.1002/jbm.a.37324
  • 査読あり
• [雑誌論文] Aberrant expression of MYD88 via RNA‐controlling CNOT4 and EXOSC3 in colonic mucosa impacts generation of colonic cancer (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuda Masumi、Noguchi Misa、Kurai Tsuyoshi、Ichihashi Yuji、Ise Koki、Wang Lei、Ishida Yusuke、Tanino Mishie、Hirano Satoshi、Asaka Masahiro、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 112 ページ: 5100～5113
  • DOI: 10.1111/cas.15157
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comprehensive molecular profiling of pulmonary pleomorphic carcinoma (2021)
  • 著者名/発表者名: Nagano Masaaki、Kohsaka Shinji、Hayashi Takuo、Ueno Toshihide、Kojima Shinya、Shinozaki-Ushiku Aya、Morita Shigeki、Tsuda Masumi、Tanaka Shinya、Shinohara Toshiya、Omori Yuko、Sugaya Fumiko、Kato Hiroaki、Narita Yoshiaki、Nakajima Jun、Suzuki Kenji、Takamochi Kazuya、Mano Hiroyuki
  • 雑誌名: npj Precision Oncology 巻: 5 ページ: 57
  • DOI: 10.1038/s41698-021-00201-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The CD44/COL17A1 pathway promotes the formation of multilayered, transformed epithelia (2021)
  • 著者名/発表者名: Kozawa Kei、Tanaka Shinya、ほか34名
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 31 ページ: 3086～3097.e7
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.04.078
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cardiac-specific loss of mitoNEET expression is linked with age-related heart failure (2021)
  • 著者名/発表者名: Furihata T, Takada S, Kakutani N, Maekawa S, Tsuda M, Matsumoto J, Mizushima W, Fukushima A, Yokota T, Enzan N, Matsushima S, Handa H, Fumoto Y, Nio-Kobayashi J, Iwanaga T, Tanaka S, Tsutsui H, Sabe H, Kinugawa S.
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 ページ: 138
  • DOI: 10.1038/s42003-021-01675-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Arid5a Promotes Immune Evasion by Augmenting Tryptophan Metabolism and Chemokine Expression (2021)
  • 著者名/発表者名: Parajuli Gyanu、Tekguc Murat、Wing James B.、Hashimoto Ari、Okuzaki Daisuke、Hirata Takeshi、Sasaki Atsushi、Itokazu Takahide、Handa Haruka、Sugino Hirokazu、Nishikawa Yoshihiro、Metwally Hozaifa、Kodama Yuzo、Tanaka Shinya、Sabe Hisataka、Yamashita Toshihide、Sakaguchi Shimon、Kishimoto Tadamitsu、Hashimoto Shigeru
  • 雑誌名: Cancer Immunology Research 巻: 9 ページ: 862～876
  • DOI: 10.1158/2326-6066.Cir-21-0014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Difference in the malignancy between RAS and GLI1-transformed astrocytes is associated with frequency of p27KIP1-positive cells in xenograft tissues (2021)
  • 著者名/発表者名: Sasai Ken、Tabu Kouichi、Saito Takashi、Matsuba Yukio、Saido Takaomi C、Tanaka Shinya
  • 雑誌名: Pathology - Research and Practice 巻: 223 ページ: 153465～153465
  • DOI: 10.1016/j.prp.2021.153465
  • 査読あり
• [学会発表] 新規がん微小環境によるがん幹細胞の創出. DNゲルはオステオポンチンを介してがん細胞のリプログラミングを誘導する (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中伸哉
  • 学会等名: 第80回日本癌学会学術総会
• [学会発表] ハイドロゲルを用いた悪性中皮腫細胞の幹細胞性誘導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 杉野弘和、王磊、津田真寿美、鈴鹿淳、谷野美智枝、グン剣萍、田中伸哉
  • 学会等名: 第110回日本病理学会総会
• [学会発表] ハイドロゲルによる癌幹細胞性の誘導を利用した髄膜腫の新規治療標的分子の検索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小田義崇、津田真寿美、湯澤明夏、王磊、杉野弘和、鈴鹿淳、グン剣萍、田中伸哉
  • 学会等名: 第110回日本病理学会総会
• [学会発表] 高分子ハイドロゲルによるリプログラミングを利用した癌幹細胞標的治療薬の同定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 津田真寿美、鈴鹿淳、王磊、田中伸哉
  • 学会等名: 第25回日本がん分子標的治療学会学術集会
• [学会発表] Effect of scaffold stiffness on hydrogel-induced cancer stemness of cancer model cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Yanpeng Sun, Masumi Tsuda, Lei Wang, Hirokazu Sugino, Jian Ping Gong, Shinya Tanaka
  • 学会等名: The 39th Sapporo International Cancer Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of epigenetic characteristics of sarcoma stem cells induced by multifunctional hydrogels (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuheng Nie, Masumi Tsuda, Lei Wang, Jian Ping Gong, Shinya Tanaka
  • 学会等名: The 39th Sapporo International Cancer Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 新規ハイドロゲルXはエピジェネティックな調節に関与しがん幹細胞性を誘導する (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴鹿 淳、津田 真寿美、王 磊、粂川 昂平、丸山 玲緒、田中 伸哉
  • 学会等名: 第80回日本癌学会学術総会
• [学会発表] 合成高分子ハイドロゲルを用いた滑膜肉腫幹細胞の細胞周期及びEMT/MET解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 寺島祐樹、津田真寿美、藤島京祐、中村恒星、王磊、グン剣萍、田中伸哉
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 高分子ハイドロゲルを用いた神経膠芽腫幹細胞の誘導メカニズムの解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤島京祐、津田真寿美、王磊、グン剣萍、田中伸哉
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] ハイドロゲルを用いたグリオブラストーマにおける幹細胞マーカー発現制御シグナル経路の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村恒星、津田真寿美、寺島祐樹、藤島京祐、王磊、グン剣萍、田中伸哉
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 基質電荷による多能性幹細胞の中胚葉分化制御機構の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山川大輔、今城正道、廣田聡、田中伸哉
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [図書] がんゲノム病理学 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中伸哉、西原広史
  • 総ページ数: 234
  • 出版者: 文光堂
• [備考]
  • URL: http://patho2.med.hokudai.ac.jp
• [産業財産権] 細胞培養器、細胞培養キット、および細胞培養方法 (2021)
  • 発明者名: 黒川孝幸、勝山吉徳、グン剣萍、田中伸哉、津田真寿美
  • 権利者名: 北海道大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021-151208