質量顕微鏡による分子情報イメージング

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23K18197
• 研究機関: 浜松医科大学
• 研究代表者: 瀬藤 光利 浜松医科大学, 国際マスイメージングセンター, センター長 (20302664)
• 研究期間 (年度): 2023-06-30 – 2026-03-31
• キーワード: 質量顕微鏡 / 分子情報イメージング / エントロピー / パープレキシティ

研究実績の概要

本研究課題では、質量顕微鏡（IMS）データから算出される情報エントロピー（Shannon entropy）とパーシステントホモロジー（PH）を用いて、目視により得られる形態情報とは異なる空間領域の特徴を捉える“分子情報イメージング”技術を確立することを目指している。令和5年度は、マウス腎組織切片のIMS計測を行い、切片上の異なる複数箇所(xi, yi){i = 1, 2, 3,…}について１辺ε個のピクセルからなる領域（ビンサイズ＝ε）を設定し、情報エントロピー = H(xi,yi)の変換値であるパープレキシー（perplexity）=PP(xi, yi)= 2^H(xi,yi)値を算出した。その結果、logεとPP(xi, yi)値との間の傾き=kiについて、箇所iによる違いがε>5で顕著に現れることを見出した。生体組織における特徴のある領域をPHを用いてイメージングする新しい手法として、論文に報告した(Xu L. et al. Phys Rev E, 2024)。位相幾何学（トポロジー）的な手法であるPHについては、まずはシンプルなモデルとして培養細胞の蛍光画像を用いて検証した。「特定の強度値を持つピクセルを境界とする穴（低強度値領域）」について、強度値の閾値を変化させた時の穴の生成（birth）と消滅（death）をプロットしたPH図を作成した。その結果、細胞間コミュニケーションに関係するUBL3を発現させた細胞とそうでない細胞との間で、神経変性疾患関連タンパク質であるα-シヌクレインに関するPH図に違いがあることを見出した。その生物学的意義については考証中であるが、UBL3がα-シヌクレインの細胞内分布に対してトポロジカルな作用を及ぼすことが明らかになった。

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

現在までに、本研究課題に必要とされる生体試料のIMS計測ならびにデータ解析環境の構築は終えている。令和5年度の時点で、情報エントロピーを用いた分子情報メージング技術の実用例として、動物組織切片のIMSデータからビンサイズとパープレキシー値との間の傾きを特徴量として抽出することにすでに成功したことは、本研究課題の目的である「従前の組織染色像やマススペクトルピークをイメージングしただけの画像からでは認識できない構造階層を捉える」ための基盤技術確立に十分に寄与するもので、論文報告に至ったことから当初の計画以上に進展していると言える。また、PHについても、蛍光シグナルを捉えた培養細胞のイメージングデータを用いたモデル系を用いて解析手法を確立し、さらに生体分子機能を評価するに至っている。この成果について関連する学会（分子生物学会）で報告しており、当初の計画以上であった。

今後の研究の推進方策

令和6年度では、IMSデータを用いたPH解析技術を確立する。培養細胞を用いた蛍光イメージングでタータと比較して情報量が格段に多いIMSデータのPH解析を推進するために、情報エントロピーを活用する。即ち、特定のm/zピーク強度値に着目するのではなく、ピクセルごとのマススペクトルデータ（多数のm/zピーク強度値）を情報エントロピーで次元削減（情報集約）し、その情報エントロピーの閾値θを変動させることで穴のbirth[θ]とdeath[θ]を計測し、PH図を作成する。対象とする試料には、生後1ヶ月齢から３４ヶ月齢のマウス脳組織を用いる。PH解析の評価をし易くするために、月齢に応じて３グループに分け、月齢に応じたbirth[θ]とdeath[θ]の値およびPH図を比較する。全領域のみならず大脳皮質のような特定の脳領域に限定したPH解析についても行い、脳領域と加齢の関係について検証する。これらの研究について成果報告ならびに研究推進のための情報収集を関連する学会（国際生物物理学会）で行う。

研究成果

• [雑誌論文] Coarse-graining of perplexity for the spatial distribution of molecules. (2024)
  • 著者名/発表者名: Xu L, Zhang C, Oyama S, Machida M, Kahyo T, Setou M.
  • 雑誌名: Phys Rev E. 巻: 109 ページ: 014402
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.109.014402.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] UBL3 Interaction with α-Synuclein Is Downregulated by Silencing MGST3. (2023)
  • 著者名/発表者名: .Yan J, Zhang H, Tomochika Y, Chen B, Ping Y, Islam MS, Aramaki S, Sato T, Nagashima Y, Nakamura T, Kahyo T, Kaneda D, Ogawa K, Yoshida M, Setou M.
  • 雑誌名: Biomedicines 巻: 11 ページ: 2491
  • DOI: 10.3390/biomedicines11092491.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lipid Polyunsaturated Fatty Acid Chains in Mouse Kidneys Were Increased within 5 min of a Single High Dose Whole Body Irradiation. (2023)
  • 著者名/発表者名: Li W, Zhang C, Aramaki S, Xu L, Tsuge S, Sakamoto T, Mamun MA, Islam A, Hayakawa T, Takanashi Y, Dubail M, Konishi K, Sato T, Kahyo T, Fouillade C, Nakamura K, Setou M.
  • 雑誌名: Int J Mol Sci. 巻: 24 ページ: 12439
  • DOI: 10.3390/ijms241512439.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lipid-correlated alterations in the transcriptome are enriched in several specific pathways in the postmortem prefrontal cortex of Japanese patients with schizophrenia. (2023)
  • 著者名/発表者名: Arihisa W, Kondo T, Yamaguchi K, Matsumoto J, Nakanishi H, Kunii Y, Akatsu H, Hino M, Hashizume Y, Sato S, Sato S, Niwa SI, Yabe H, Sasaki T, Shigenobu S, Setou M.
  • 雑誌名: Neuropsychopharmacol Rep. 巻: 43 ページ: 403-413
  • DOI: 10.1002/npr2.12368.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lung adenocarcinoma and squamous cell carcinoma difficult for immunohistochemical diagnosis can be distinguished by lipid profile. (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamashita T, Takanashi Y, Uebayashi A, Oka M, Mizuno K, Kawase A, Oyama S, Kitamoto T, Kondo M, Omori S, Tao H, Takahashi Y, Sakamoto T, Kahyo T, Sugimura H, Setou M, Shiiya N, Funai K.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 13 ページ: 12092
  • DOI: 10.1038/s41598-023-37848-w.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regulation of lipid synthesis in myelin modulates neural activity and is required for motor learning. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kato D, Aoyama Y, Nishida K, Takahashi Y, Sakamoto T, Takeda I, Tatematsu T, Go S, Saito Y, Kunishima S, Cheng J, Hou L, Tachibana Y, Sugio S, Kondo R, Eto F, Sato S, Moorhouse AJ, Yao I, Kadomatsu K, Setou M, Wake H.
  • 雑誌名: Glia 巻: 71 ページ: 2591-2608
  • DOI: 10.1002/glia.24441.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The royal food of termites shows king and queen specificity. (2023)
  • 著者名/発表者名: Tasaki E, Mitaka Y, Takahashi Y, Waliullah ASM, Tamannaa Z, Sakamoto T, Islam A, Kamiya M, Sato T, Aramaki S, Kikushima K, Horikawa M, Nakamura K, Kahyo T, Takata M, Setou M, Matsuura K.
  • 雑誌名: PNAS Nexus 巻: 2 ページ: pgad222
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad222.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] UBL3 Interacts with Alpha-Synuclein in Cells and the Interaction Is Downregulated by the EGFR Pathway Inhibitor Osimertinib. (2023)
  • 著者名/発表者名: Chen B, Hasan MM, Zhang H, Zhai Q, Waliullah ASM, Ping Y, Zhang C, Oyama S, Mimi MA, Tomochika Y, Nagashima Y, Nakamura T, Kahyo T, Ogawa K, Kaneda D, Yoshida M, Setou M.
  • 雑誌名: Biomedicines 巻: 11 ページ: 1685
  • DOI: 10.3390/biomedicines11061685.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Plastic brain structure changes associated with the division of labor and aging in termites. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishibashi T, Waliullah A.S.M. , Aramaki S, Kamiya M, Kahyo T, Nakamura K, Tasaki E, Takata M, Setou M, Matsuura K.
  • 雑誌名: Dev Growth Differ 巻: 65 ページ: 374-383
  • DOI: 10.1111/dgd.12873.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of Distinct Distributions of Acetaminophen and Acetaminophen-Cysteine in Kidneys up to 10 μm Resolution and Identification of a Novel Acetaminophen Metabolite Using an AP-MALDI Imaging Mass Microscope. (2023)
  • 著者名/発表者名: Mamun MA, Rahman MM, Sakamoto T, Islam A, Oyama S, Nabi MM, Sato T, Kahyo T, Takahashi Y, Setou M.
  • 雑誌名: J Am Soc Mass Spectrom 巻: 34 ページ: 1491-1500
  • DOI: 10.1021/jasms.3c00149.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tubulin Polyglutamylation by TTLL1 and TTLL7 Regulate Glutamate Concentration in the Mice Brain. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ping Y, Ohata K, Kikushima K, Sakamoto T, Islam A, Xu L, Zhang H, Chen B, Yan J, Eto F, Nakane C, Takao K, Miyakawa T, Kabashima K, Watanabe M, Kahyo T, Yao I, Fukuda A, Ikegami K, Konishi Y, Setou M.
  • 雑誌名: Biomolecules 巻: 13 ページ: 784
  • DOI: 10.3390/biom13050784.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lipidomics-based tissue heterogeneity in specimens of luminal breast cancer revealed by clustering analysis of mass spectrometry imaging: A preliminary study. (2023)
  • 著者名/発表者名: Aramaki S, Tsuge S, Islam A, Eto F, Sakamoto T, Oyama S, Li W, Zhang C, Yamaguchi S, Takatsuka D, Hosokawa Y, Waliullah ASM, Takahashi Y, Kikushima K, Sato T, Koizumi K, Ogura H, Kahyo T, Baba S, Shiiya N, Sugimura H, Nakamura K, Setou M.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 18 ページ: e0283155
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0283155.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Associations between prefrontal PI (16:0/20:4) lipid, TNC mRNA, and APOA1 protein in schizophrenia: A trans-omics analysis in post-mortem brain. (2023)
  • 著者名/発表者名: Sano F, Kikushima K, Benner S, Xu L, Kahyo T, Yamasue H, Setou M.
  • 雑誌名: Front Psychiatry 巻: 14 ページ: 1145437
  • DOI: 10.3389/fpsyt.2023.1145437.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Phosphatidylcholine in bile-derived small extracellular vesicles as a novel biomarker of cholangiocarcinoma. (2023)
  • 著者名/発表者名: .Muraki R, Morita Y, Ida S, Kitajima R, Furuhashi S, Takeda M, Kikuchi H, Hiramatsu Y, Takanashi Y, Hamaya Y, Sugimoto K, Ito J, Kawata K, Kawasaki H, Sato T, Kahyo T, Setou M, Takeuchi H.
  • 雑誌名: Cancer Med 巻: 12 ページ: 13007-13018
  • DOI: 10.1002/cam4.5973.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatial distribution of the Shannon entropy for mass spectrometry imaging. (2023)
  • 著者名/発表者名: Xu L, Kikushima K, Sato S, Islam A, Sato T, Aramaki S, Zhang C, Sakamoto T, Eto F, Takahashi Y, Yao I, Machida M, Kahyo T,Setou M.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 18 ページ: e0283966
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0283966.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of highly abundant small molecules in the stratum corneum of healthy young women using desorption electrospray ionization-mass spectrometry imaging. (2023)
  • 著者名/発表者名: Waliullah ASM, Sakamoto T, Uchiyama T , Itai E , Naru E, Inomata K, Mamun MA, Hasan MM, Fukui R, Sato T, Takahashi Y , Honda T, Kahyo T, Setou M.
  • 雑誌名: Medical Mass Spectrometry 巻: 7 ページ: 26-34
  • DOI: 10.24508/mms.2023.06.001.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 質量分析イメージングを用いた空間オミクスよる神経科学研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 瀬藤光利
  • 学会等名: FUJITAブレインサイエンスセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 質量顕微鏡法の最先端の技術と応用方法について (2023)
  • 著者名/発表者名: 瀬藤光利
  • 学会等名: 第17回骨免疫ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] マスイメージングによる薬物動態可視化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 瀬藤光利
  • 学会等名: 日本薬物動態学会第38回年会、第23回シトクロムP450国際会議国際合同大会
  • 招待講演
• [学会発表] イメージング質量分析による創薬支援 (2023)
  • 著者名/発表者名: 瀬藤光利
  • 学会等名: 第 33 回 新薬創製談話会
  • 招待講演
• [学会発表] 脂質の分布を（光で）操作してみる (2023)
  • 著者名/発表者名: 瀬藤光利
  • 学会等名: 第65回日本脂質生化学会