2019 Fiscal Year Annual Research Report
Reprogramming of cancer stem cells by high-function hydrogels creates basis to establish novel cancer therapy
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19H01171
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
田中 伸哉 北海道大学, 医学研究院, 教授 (70261287)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。
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Research Products
(20 results)
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[Journal Article] Pathways of Progression From Intraductal Papillary Mucinous Neoplasm to Pancreatic Ductal Adenocarcinoma Based on Molecular Features2019
Author(s)
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.
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Journal Title
Gastroenterology
Volume: 156
Pages: 647～661.e2
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Role of Dimerized C16orf74 in Aggressive Pancreatic Cancer: A Novel Therapeutic Target2019
Author(s)
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.
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Journal Title
Molecular Cancer Therapeutics
Volume: 19
Pages: 187～198
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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