研究課題
昨年度には、ヒトiPS細胞由来の中脳オルガノイドと大脳オルガノイドの作製法を確立しました。免疫組織化学的にオルガノイドのアイデンティティを確認し、中脳オルガノイドと大脳オルガノイドが全く異なる構造と細胞特性を示すことを確認しました。さらに、これらをマイクロ流体デバイスで接続することによって、中脳皮質系を模倣した神経回路をin vitroで構築することに成功しました。中脳皮質系回路の機能性を評価しました。興味深いことに、中脳-大脳コネクトイドと大脳-大脳、中脳-中脳コネクトを比較すると、異なる活動パターンが観察されました。2次元のドーパミン神経細胞と3次元の中脳オルガノイドを長期間（2次元培養では最大90日、3次元コネクトイドでは最大120日）比較し、2次元神経細胞とオルガノイドの成熟時期の差を明らかにしました。ドーパミンは神経細胞活動の長期的な可塑性変化を誘導することが知られており、報酬学習や強化の基礎となるメカニズムとして機能しているため、培養して活動や連結性の長期的変化を調べることができることは特に重要です。また、中脳オルガノイドにチャネルロドプシンを感染させ、ドーパミン作動性ニューロンを光遺伝的に刺激することを試み、連結した大脳オルガノイドの変化を観察しています。また、統合失調症患者由来iPS細胞の中脳・大脳オルガノイドへの分化を開始し、健常由来と疾患由来の中脳-大脳連結オルガノイドを比較することを目指しています。
2: おおむね順調に進展している
中脳皮質系を模倣した神経回路をin vitroで構築し、その機能を評価することを当初の目標としました。これらの項目を達成することができましたので、研究は順調に進んでいるといえます。しかし、中脳皮質系神経回路の構築には時間がかかりました。最初の頃の試みでは、中脳オルガノイドの神経活性は比較的弱く、また、数週間の培養で死んでしまいました。そこで、培養方法や細胞株を工夫し、最終的に中脳-大脳をつなげた神経回路組織（コネクトイド）の高活性化に成功しました。
中脳皮質系回路を模倣した神経回路を構築する方法を確立し、中脳と大脳のオルガノイド間で非常に興味深い、異なる活動を観察することができたので、次のステップとして、より深い評価を行いたいと考えています。光変換可能な蛍光タンパク質Kaedeを用いて、中脳-大脳オルガノイドの軸索投射に寄与する制御と細胞サブタイプを調べ、我々の大脳-大脳コネクトイドと比較したいと思います。この違いのメカニズムは、プロテオミクスやトランスクリプトミクスを用いて調べることができます。中脳オルガノイドと大脳オルガノイドの神経活動の違いを理解するために、中脳オルガノイドの活動とドーパミンの動態の関係を調べたいと思います。ドーパミンセンサーなどを用いることで、ドーパミンの放出を定量し、神経活動とドーパミン放出との間に関連性を持たせることができます。一方、異なる薬物や化学物質の回路への影響を評価することは、活動のダイナミクスや特性をよりよく理解することにもつながります。ドーパミンの神経伝達を促進したり遮断したり、シナプス活動を変化させることができる薬剤を使用することで、神経活動の変化を観察します。最後に、健常者iPS細胞、統合失調症患者由来iPS細胞から中脳皮質系を模倣した神経回路を作製し、その構造変化、結合性、ドーパミン放出、神経活動を評価します。
本年度は順調に研究が進展したため、研究費を次年度に使用することにした。次年度には、さらに大量のオルガノイド培養を行う必要性が出てきたため、本研究費を使用する。
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Neurochemical Research
巻: 47 ページ: 2529–2544
10.1007/s11064-022-03682-1
Cell Reports
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