分子病態イメージンググループの研究内容

最近の研究により多様な生活習慣病は慢性炎症を本態とすることが明らかになってきた。生体内の各組織では複数の細胞同士が常に相互作用しており、その破綻が疾患といえる。我々は、一光子共焦点・二光子レーザー顕微鏡による「生体内で細胞をみて、働きを知る」「生体分子イメージング手法」を開発し、生活習慣病態への形態学的アプローチを行ってきた。メタボリックシンドロームの病態解明を目指して、肥満脂肪組織の再構築過程を観察し、肥満動物において、脂肪細胞分化、血管新生、マクロファージの集積が空間的に共存して生じ、リモデリングを形成していることを示した。また、肥満脂肪組織においてCD8陽性T細胞が浸潤し、炎症性マクロファージの浸潤を引き起こし、脂肪組織炎症と糖尿病病態を悪化させていることを示している。さらに、脂肪組織、特に皮下脂肪にはB細胞が多数存在しており、IL-10を発現し、脂肪組織の炎症に関わっていた。以上より、脂肪組織の中では、間質に多数存在する免疫細胞・炎症性細胞が相互作用し、病態を形成していると考えられた。
さらに、生体内での単一血小板レベルでの血栓形成過程を可視化し、アダプター蛋白(Lnk)が血栓の安定化に重要であること、血栓形成過程にTNF-alphaをはじめとする炎症性サイトカインが寄与することを見出した。
我々の開発した生体イメージングは、従来の手法ではアプローチできなかった細胞間相互作用を生体内で直接可視化するものであり、今後の展開が期待される。

血管イメージング

たとえば血管構築に関しても、二光子イメージングにより下図の通り従来の方法では可視できなかった詳細な組織構築をリアルタイムで観察することが可能になった。活性酸素による血管収縮モデルとあわせて、血管平滑筋がいかに生体内で血圧を維持し、高血圧疾患にまで破綻するかを検討することができ、新たな展開が期待できる。たとえば、活性酸素やNOにインディケーターを用いることで生体内での分子動態を可視化することが可能である。さらに、本プロジェクトではこの血管収縮に対して、血管径をトレースするプログラムを開発した。精度よく、血管中膜のシグナルを追跡することで平滑筋層の運動を解析可能になっている。

大腿動脈の活性酸素による血管収縮過程

大腿動脈の活性酸素による血管収縮過程

血管収縮の自動解析プログラム

血管収縮の自動解析プログラム

 

巨核球からの血小板放出過程の同定

従来、骨髄における巨核球からの血小板造血過程については、不明な点が多かった。巨核球は骨髄の中では非常にまれな細胞集団であるため、通常の分子生物学的手法がほとんど使用できず、その造血過程やシグナル、働く液性因子はほとんどわかっていない。本プロジェクトではすでに、骨髄巨核球の時間経過をおったイメージング系を立ち上げており、巨核球からの血小板放出の画像化、定量を可能にしている。画像解析により巨核球を自動認識し、その変形過程を定量するプログラムを開発した。その結果、トロンボポイエチンとある液性因子が相互作用しながら、二つの巨核球からの血小板放出過程(fragmentation, long proplatelet)をコントロールしていることが明らかになった。

Fragmentationによる骨髄巨核球からの血小板放出イメージ

Fragmentationによる骨髄巨核球からの血小板放出イメージ: 巨核球(緑), 血管(赤), 核(青) [△部分より血小板放出過程を観察]

巨核球変形過程の自動追跡プログラム例

巨核球変形過程の自動追跡プログラム例

 

 さらに、世界にさきがけて、生体内の骨格筋の画像化も行っている。画像処理では、in vivo imagingで大きな障害になる呼吸に伴う標本の位置ずれ補正を行い、良好な結果を得ており、本手法により定量的解析も可能になった。本プロジェクトで開発した生体イメージング手法と画像処理ソフトは、従来の手法ではアプローチできなかった細胞間相互作用の生体内での可視化、定量解析を可能にするものであり、今後、多くの研究領域において重要な役割を果たすと考えられる。

主要論文

In vivo imaging visualizes discoid platelet aggregations without endothelium disruption and implicates contribution of inflammatory cytokine and integrin signaling.
Nishimura S, Manabe I, Nagasaki M, Kakuta S, Iwakura Y, Takayama N, Ooehara J, Otsu M, Kamiya A, Petrich B, Urano T, Kadono T, Sato S, Aiba A, Yamashita H, Sugiura S, Kadowaki T, Nakauchi H, Eto K, Nagai R.
Blood, 2012 ;119(8):e45-56.

Transient activation of c-MYC expression is critifal for efficient platelet generation from human induced pluripotent stem cells.
Takayama N, Nishimura S, Nakamura S, Shimizu T, Ohnishi R, Endo H, Yamaguchi T, Otsu M, Nishimura K, Nakanishi M, Sawaguchi A, Nagai R, Takahashi K, Yamanaka S, Nakauchi H, Eto K.
J Exp Med, 2010; 207(13):2817-2830 

Adipose tissue remodeling and chronic inflammation in obesity visualized by in vivo molecular imaging method
Nishimura S, Nagasaki M.
Journal of Biorheology, 2010, 24:1, 11-15.

Structural Heterogeneity in the Ventricular Wall Plays a Significant Role in the Initiation of Stretch-Induced Arrhythmias in Perfused Rabbit Right Ventricular Tissues and Whole Heart Preparations
Seo K, Inagaki M, Nishimura S, Hidaka I, Sugimachi M, Hisada T, Sugiura S
Circ Res, 2010, 106,176-184.

Lnk/Sh2b3 regulates integrin alpha-IIb-beta3 outside-in signaling in platelets leading to stabilization of developing thrombus in vivo
Nishimura S*, Takizawa H*, Takayama N, Oda A, Nishikii H, Morita Y, Kakinuma S, Yamazaki S, Okamura S, Tamura N, Goto S, Sawaguchi A, Manabe I, Takatsu K, Nakauchi H, Takaki S, Eto K. (*equal contribution)
J Clin Invest., 2010, 120(1): 179-190.

CD8+ effector T cells contribute to macrophage recruitment and adipose tissue inflammation in obesity
Nishimura S, Manabe I, Nagasaki M, Eto K, Yamashita H, Ohsugi M, Otsu M, Hara K, Ueki K, Sugiura S, Yoshimura K, Kadowaki T, Nagai R.
Nature Medicine, 2009, 15:8, 914-920. 論文添付

Nishimura S, Nagasaki M, Manabe I, Kadowaki T, Nagai R.
Obese adipose tissue remodeling, malfunctioning, and chronic inflammation visualized by in vivo molecular imaging
Inflammation and Regeneration, 2009, 29(2), 126-130.

Responses of single ventricular myocytes to dynamic axial stretching.
Nishimura S, Seo K, Nagasaki M, Hosoya Y, Yamashita H, Fujita H, Nagai R, Sugiura S.
Progress in Biophysics and Molecular Biology, 2008;97:282-297.

Phosphorylation Status of Regulatory Proteins and Functional Characteristics in Myocardium of Dilated Cardiomyopathy of Syrian Hamsters.
Ohnuki Y, Nishimura S, Sugiura S, Saeki Y.
J Physiol Sci, 2008;58(1):15-20

In vivo imaging in mice reveals local cell dynamics and inflammation in obese adipose tissue
Nishimura S, Manabe I, Nagasaki M, Seo K, Yamashita H, Hosoya Y, Ohsugi M, Tobe K, Kadowaki T, Nagai R, Sugiura S.
J Clin Invest. 2008, 118(2): 710-721.

Nishimura S, Manabe I, Nagasaki M, Hosoya Y, Yamashita H, Fujita H, Ohsugi M, Tobe K, Kadowaki T, Nagai R, Sugiura S.
Adipogenesis in obesity requires close interplay between differentiating adipocytes, stromal cells and blood vessels
Diabetes. 2007,56:1517-1526.

Nishimura S, Manabe I, Nagasaki M, Hosoya Y, Kadowaki T, Nagai R, Sugiura S
Adipose Tissue Remodeling and Malfunctioning in Obesity Revealed by in vivo Molecular Imaging
Bioimages 2007,15:9-15.

Nishimura S, Kawai Y, Nakajima T, Hosoya Y, Fujita H, Katoh M, Yamashita H, Nagai R, and Sugiura S.
Membrane potential of rat ventricular myocytes responds to axial stretch in phase, amplitude and speed‐dependent manners.
Cardiovascular Research, 2006;72(3):403-11.

Sugiura S, Nishimura S, Yasuda SI, Hosoya Y, Katoh K.
Carbon fiber technique for the investigation of single cell mechanics in intact cardiac myocytes.
Nature Protocols, 2006; 1(3): 1453-1457.

Nishimura S, Nagai S, Katoh M, Yamashita H, Saeki Y, Okada J, Hisada T, Nagai R,Sugiura S.
Microtubules modulate the stiffness of cardiomyocytes against shear stress.
Circ Res. 2006;98(1):81-7.

Nishimura S, Nagai S, Sata M, Katoh M, Yamashita H, Saeki Y, Nagai R, Sugiura S.
Expression of Green Fluorescent Protein Impairs the Force-Generating Ability of Isolated Rat Ventricular Cardiomyocytes.
Mol Cell Biochem. 2006;286(1-2):59-65..

Nishimura S, Yamashita H, Katoh M, Yamada KP, Sunagawa K, Saeki Y, Ohnuki Y, Nagai R, Sugiura S.
Contractile dysfunction of cardiomyopathic hamster myocytes is pronounced under high load conditions. 
J Mol Cell Cardiol. 2005;39(2):231-9.

Nishimura S, Yasuda S, Katoh M, Yamada KP, Yamashita H, Saeki Y, Sunagawa K, Nagai R, Hisada T, Sugiura S.
Single cell mechanics of rat cardiomyocytes under isometric, unloaded, and physiologically loaded conditions.
Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2004;287(1):H196-202.

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