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研究内容

世界的にも独自の「骨の中の生きたままでのイメージング系」を駆使した新しい研究展開

骨は極めて硬い組織で光をほとんど透過させないので、生きたままの状態で内部を観察することは不可能であると考えられてきました。これまでの骨の研究では、骨を取り出して、固いナイフで薄く切って組織標本にして観察していました。当然ですが、このようにして解析すると、細胞の形は残っていますが、すでに死んでいるので動きません。当教室では、2光子励起顕微鏡という特殊な光学顕微鏡をうまく利用することにより、骨の内部・骨髄腔を生きたままの状態で観察すること(=骨髄腔内の「非破壊検査」ですね)に世界に先駆けて成功しました(Nature 2009; Nature Protoc 2009など)。これによって、今まで謎めいていた骨髄の中の生命現象が、手に取るようにリアルに分かってきました。

一例として、炎症のときに骨を壊したり、通常の状態では古い骨を吸収して骨質のリモデリング(新陳代謝)に役割を果たしている破骨細胞に関して紹介します。この細胞は元々血液中のマクロファージ系由来の細胞で、これが骨表面に到達して「骨を食べるのに特化したマクロファージ」となったものです。骨髄内を生きたままでイメージングできるようになったことで、この「マクロファージが骨に到達するメカニズム」や「骨の表面で実際に骨を破壊するメカニズム」を、実体的に解析することができました。より具体的には、破骨細胞になるマクロファージの骨の中での動きは、生理活性脂質の1つであるスフィンゴシン1リン酸(S1P)という物質によって巧妙に調節されていること(Nature 2009; J Exp Med 2010; J Clin Invest 2012; J Immunol 2013など)を発見しました。さらに、最近では昔から骨を強くすることが知られていましたが、そのメカニズムがよく分かっていなかったビタミンDが、S1Pによる破骨細胞の動きを調節することによって骨破壊を抑制することを発見しました(PNAS 2013)。また、破骨細胞が実際に骨を壊す様子の可視化に世界で初めて成功し、骨の破壊には破骨細胞の数だけではなく、機能状態の調節が重要であることを明らかにしました(J Clin Invest 2013)。

骨の中は様々な免疫細胞・血液細胞が誕生し、分化して機能する場であります。また、転移性のがん細胞の隠れ場所でもあります。骨の中を生きたままで解析することで、免疫学・血液学のみならず様々な生命科学の分野において今後も様々な研究成果が期待されます。

免疫細胞は広い体の中でどうやって動いていくのか?働いているのか?

免疫とは、異物の侵入に対抗してそれらを排除しようとする体の応答です。免疫系では、全身をくまなくパトロールする好中球やマクロファージと、細胞性免疫を担うリンパ球が、リンパ組織間内の適切な微小環境で会合し、互いに情報交換することにより、正常な機能が維持されています。これらの細胞動態は時空間的にとても精緻にコントロールされており、各細胞が適切な場所に適切な時間に存在しなければ、十分な機能を発揮できないようになっています。これらの高度に統率された細胞動態ネットワークは、神経系での固定した軸索ネットワーク(”hard-wired”)と比較して、”soft-wired”と形容されます。こういった動的な系の解析には、生体多光子励起イメージングが大きく役立ちます。私達の研究室では、リンパ球やマクロファージが情報交換をする「リンパ節」や「脾臓」、外界との最前線である「皮膚」「消化管」「肺」のイメージングに挑戦し、定常状態や炎症刺激時に、各免疫細胞がどのような動態を示すかを解析しようとしています。まさにSeeing is believingであり、見ることにより思いもよらないような発見が期待されます。私たちの研究室では、種々のイメージング技術を用いて、抗原提示(樹状細胞やマクロファージとリンパ球の情報交換)の現場や、皮膚や肺・腸をマクロファージがパトロールする様子を生きたままの状態で可視化することに成功しています。これらの方法論により、免疫・炎症細胞の織りなす社会活動のダイナミクスを制御する基本原理を解明すべく、研究に取り組んでいます。

がんはどのようにして浸潤・転移していくのか?再発するがんはどこにいるのか?

がんは怖い病気です。体の中にできた異物がどんどん増殖していって、その結果ホストを殺してしまいます。特に怖いのは、できた場所から奥の方に入って行って(浸潤)、リンパや血液の流れに乗って、遠い組織へ転移することです。がん細胞がどうやって動いているのか、これもやはり「生体多光子励起イメージング」がパワーを発揮します。また、がんで怖いのは再発です。ある固形がんの場合、原発巣を外科的に取ったり、抗がん剤で十分やっつけて、「がんがなくなった」と喜んでいても、5年後・10年後にどこかで再発することがあります。このようなとき、生き残ったがんはどこに潜んでいるのでしょう?最近、「がん幹細胞」という考え方がポピュラーとなっています。がんの中にあるがん幹細胞が、抗がん剤治療にも抵抗性を示し、長い期間の後の「再発」にも関与していると考えられています。このがん幹細胞がどこにいるのか、どんな環境(ニッチと言います)で支えられているのか、これも「生体多光子励起イメージング」で明らかにしたいと考えています。

さらに私たちの研究室では、がん細胞が実際に正常組織内に浸潤する様子を動的に可視化することで、浸潤能を制御する新規因子の同定に成功しています。現在、この分子を制御することでがんの浸潤・進行を抑制する新たな治療薬の開発に向けて、研究を進めています。

「イメージング研究」の次なる目標~技術革新,数理システム化,ヒトへの応用~

最近、イメージング研究は大きなブームとなっています。これまで見えなかったものを見るというのはそれだけでも大きな価値のあることです。特に、生きたままの体の中を見ることは、「ミクロの決死圏(私の世代よりもずっと前の古い映画)」の世界のような楽しさがあります。しかしながら、私達研究者としては、いつまでも「見えるものをただ見ている」だけでは進歩がありません。イメージングが進歩しても、まだまだ見えないものがたくさんあります。そこで当研究室ではイメージング技術を改良することにより、いまはまだ見ることができない現象を、見えるようにしたいと考えています。例えば、現在の生体イメージング技術では、生きた細胞の「動き」を見るのみですが、細胞は必要なところに動いて行って、そこで特殊な機能をもった細胞へと「分化・成熟」します。この過程は、かならずしも細胞の動きを伴わないことがあるので、イメージングをすることが難しいのですが、当研究室はちょっとした「仕掛け」を使って、細胞の分化・成熟を生体内で可視化することに挑戦しています。また、イメージング研究では、注目する生命現象について多くの精緻な数値データを得ることができます。当研究室では、これらの数値データを元に、細胞社会動態の数理モデルを作成することで、複雑な免疫細胞動態システムをコンピューター上に再構成することを目指しています(In silico immune cell dynamic network)。

生きた個体・組織の中で、単一レベルで生きた細胞や時には分子の動態も可視化することのできる「蛍光生体イメージング」は非常に強力な研究ツールですが、当教室では将来的にはこの技術をぜひ「ヒトの臨床現場」に持ち込んで、様々な病気の病態を解明する新たな診断方法や、新しい創薬のツールとして発展させたいと考えています。蛍光イメージングの分野では、2008年に緑色蛍光タンパク質GFPの発見でノーベル化学賞が、2009年にはCCDカメラの発明に関してノーベル物理学賞が発表されました。蛍光イメージングを用いた画期的な医療機器,疾患診断・治療法が開発されたら、ノーベル医学生理学賞の対象となるのも夢ではないかもしれません。

参考書籍(当教室が中心になってまとめた出版物)

・実験医学2011年10月号「生きたままの姿を見る4Dイメージング」

生体イメージング研究に関する(2011年当時の)トレンドを分かりやすく解説!

・実験医学別冊「In vivoイメージング実験プロトコール」

蛍光イメージングを駆使した生体観察の原理・実際について、秘伝のプロトコールも含めて一挙公開。研究手法の「出し惜しみ」はキラいです。すべてをオープンにした上で、その上で正々堂々と勝負していきたいものです。