Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

メカノバイオロジー / メカニカルストレス / 可視化 / 音響波 / 生物物理 / レーザー / カルシウムイメージング / 生体医工学 / 生物・生体工学 / 細胞・組織 / 応用光学

本研究では，HzからkHz（1000分の1秒に相当）の力学刺激を細胞へと負荷するための実験システム，およびMHz（100万分の1秒に相当）からサブGHz（10憶分の1秒に相当）の力学刺激を細胞へと負荷するための実験システムの開発を行いました．それぞれのシステムにおいて，細胞応答として細胞内カルシウムイオン濃度を計測することが可能です．開発したシステムにより細胞を刺激し，カルシウムイオン濃度の変化を確認しました．

生体は様々な力学刺激に応答することが知られていますが，非常に短い時間で生じる力学刺激に対してどのような応答を示すのか，調べる方法はありませんでした．本研究では，高速な力学刺激が生体の基本単位である細胞に及ぼす影響を調べるツールを開発しました．これにより，力学刺激を用いた予防医療や再生医療への応用，特に超音波など高い周波数での力学刺激を利用した安全・安心な治療技術の確立に貢献することが期待されます．

生体生命情報学 / 生物物理 / 神経科学 / 細胞・組織 / 可視化 / 脳ドラフトマッピング / 無染色イメージング / ラマン分光イメージング / ハイパースペクトル / 神経解剖学 / 主成分分析 / 神経情報学

脳領域を客合理的に分類する新規手法を開発した。ラマン分光によるスペクトル計測を脳標本で行うことより、ピクセル毎にスペクトル情報を得る。このスペクトル情報を利用して、スペクトルが似た領域を抽出し、マッピングした。この結果，神経線維をラッピングしているミエリンや、セロトニン、ドーパミン、グルタミン酸含有細胞を非染色で検出することができた。また脳領域境界を合理的に決定する方法として、核位置を利用したボロノイ分割を試みた。その結果、鳥脳のコロナルセクション全体をボロノイユニットに分割することができた。この分割法と非染色イメージングを併用することにより、脳ドラフトマップを高速に作成することが可能となる。

神経科学 / 可視化 / 生体生命情報学 / 行動学 / 生物物理

線虫神経系は、遺伝子から行動までを繋げることが可能な理想的な実験系である。そのために種々の疾病の原因を探る研究として、突然変異体の単離とその原因遺伝子を明らかにする順遺伝学的な方法と最近のRNAi技術に代表されるような逆遺伝学的な解析手法が用いられてきている。しかしながら神経系に関わる疾患(学習および行動異常等)に関しては、原因遺伝子とその機能を直接結びつけることが従来困難であった。その最大の理由はこれら疾患に関わる原因遺伝子だけでは神経疾患を明らかにすることはできず、線虫神経系における神経回路接続とその動態についての知識が必要であるためである。つまり遺伝子→特定神経細胞→神経回路→行動というステップが神経機能疾患を調べるためには必要となる。
本研究では蛍光タンパク質アナログであるKillerRedを細胞内導入することにより、特定神経細胞をその場破壊する方法の開発を行った。まず線虫神経細胞に特異発現するプロモータを検索し、神経細胞のとナプスレベルでの神経接続データベースと併用して、破壊実験をデザインした。神経破壊の効果を評価するために線虫個体の詳細行動解析法と化学走性実験を行った。
その結果感覚神経細胞AWAに選択的にKillerRedタンパク質を発現させることに成功した。この神経細胞にKillerRedを発現させるための条件検討をさらに進めており、また光照射条件を検討することにより、緑色光でこの蛍光タンパク質を褪色させることができた。またこの蛍光タンパク質を発現している線虫について光照射に伴う誘引物質ジアセチルに対する化学走性を調べたところ、走性が低下していることも明らかにした。これらの結果はKillerRedを用いることにより特定神経細胞をその場破壊することが可能であることを初めて示したものである。

生物シミュレーション / 神経科学 / 生物物理 / 可視化技術 / 確率シミュレーション / Caイメージング / 開口放出 / システム生物学 / 生体・生命情報学 / シミュレーション科学 / 可視化 / シミュレーション工学

神経および分泌性細胞において、細胞内から特定の物質を分泌する開口放出メカニズムについては広く研究が進められているが、定量的に理解するためのモデルは必ずしも十分に整備されていない。本研究では、(1)開口放出メカニズムを解析するための新規なイメージング技術の開発と、(2)定量的な理解を行うためのモデルの構築を行った。(1)では、開口放出をトリガーする細胞内カルシウム濃度変化と開口放出を定量的にイメージングする系を構築した。蛍光を2光路に分離取得する光学系を構築し、細胞内カルシウム濃度変化を蛍光色素Fura-redで、開口放出はPC12細胞内の小胞に存在するニューロペプチドYを蛍光ラベルすることにより行った。細胞に刺激を加えたところ、一過的な細胞内カルシウム濃度上昇に数秒遅れて開口放出が始まることを、個々の細胞毎に初めて計測することに成功した。また(2)に関しては、従来連続系のシミュレーションが行われていたのに対し、小胞数が極めて少ないことを考慮し、確率事象としてシミュレーションを行うことを検討した。確率シミュレーションで実績があるGillespie法を開口放出シミュレーションに適用し、小胞と細胞膜との相互作用を5つの状態に分けて、その状態間を遷移する様子をシミュレートしたところ、細胞内カルシウム濃度上昇に伴う開口放出現象を再現することに成功した。また最近になって報告されてきている逐次開口放出現象に関しても、本シミュレーションを多段に組むことにより再現可能であることを示した。さらに開口放出を修飾するタンパク質についても考慮し、細胞内セカンドメッセンジャー濃度変化に伴う開口放出現象の増加についても、シミュレートすることができた。これら新規なイメージング技術とシミュレーション技術の組み合わせは、システム生物学の新しい方向性を示すものであり、医学・創薬研究にも資するものである。

【研究分担者】
堀田耕司	慶應義塾大学	理工学部	助授	(Kakenデータベース)