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神長 輝一*; 廣瀬 エリ; 他5名*
Journal of Radiation Research (Internet), 66(3), p.318 - 328, 2025/05
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Biology)Due to the limited number of accelerator-based X-ray facilities worldwide that provide beams with an adjustable size, their application for radiobiological research purposes has been restricted. Thus, the development of alternative methods is of technical importance for investigating cell/tissue responses in spatially non-uniform radiation fields. In this study, we performed mini beam irradiation of cells using a lead (Pb) sub-milli-collimator as an alternative method to sub-millimeter beams. Also, we employed human cervical carcinoma HeLa cells and hTERT-immortalized fibroblast BJ-1 cells that express fluorescence ubiquitination-based cell-cycle indicators (FUCCI). Time-lapse imaging revealed differences in the behavior of HeLa and BJ-1 cells in spatially heterogeneous radiation fields; in the case of HeLa cells, G2/M phase-arrested cells in the cell population were clearly observed, distinguishing irradiated from non-irradiated cells at the sub-millimeter scale level. Our findings indicate that FUCCI can be useful as a biological dose indicator, depending on cell type, and Pb sub-milli-collimators show potential as a possible alternative to accelerator-based X-ray sub-millimeter beams for radiobiological research. The use of the collimators, unlike beamtime experiments in synchrotron facilities with the approval of the committee, is highly versatile and may be beneficial in preliminary studies in a normal laboratory environment.
神長 輝一; 野口 実穂; 成田 あゆみ; 坂本 由佳; 嘉成 由紀子; 横谷 明徳
Radiation Protection Dosimetry, 166(1-4), p.91 - 94, 2015/09
被引用回数：8 パーセンタイル：51.69(Environmental Sciences)To explore radiation effects on the mammalian cell cycle, it would be essential to trace single cells as live cell images observed by a time-lapse imaging technique. HeLa-FUCCI cells are one of useful model cell lines to visualize cell cycle because their nucleus show different colors. We irradiated the cells with X-rays of 5 Gy. The cells were incubated for 48 hr in a small incubator set on a fluorescent microscope to track about 40 cells. Most of the irradiated cells underwent cell division at M phase, and then progressed into G1 phase. However, about a half of the cell population showed a significantly longer period toward cell division, indicating that G2 phase was prolonged (G2 arrest) by irradiation. The elongation of G2 phase was more prominent for irradiation to cells in S/G2 phase than those in G1 phase. The observed cell cycle modification suggests that G2/M checkpoint system control the cycle to ensure repairing DNA damage.
成田 あゆみ; 神長 輝一; 横谷 明徳; 野口 実穂; 小林 克己*; 宇佐美 徳子*; 藤井 健太郎
Radiation Protection Dosimetry, 166(1-4), p.192 - 196, 2015/09
被引用回数：3 パーセンタイル：23.19(Environmental Sciences)動物培養細胞の細胞周期に依存した放射線照射影響に関する知見は、そのほとんどが照射された細胞集団を統計学的手法により解析したものである。本研究は、照射された細胞一つを顕微鏡下で直接追跡することにより、刻々と変化する照射細胞の挙動をリアルタイムで観察する手法を確立することを目的とした。照射細胞には細胞周期が判別できるFUCCI(Fluorescent Ubiquitination-based Cell CycleIndicator)発現HeLa細胞(ヒトがん細胞)を用いた。また、照射には細胞一つ分まで大きさが調整できる放射光X線マイクロビームを利用した。さらに照射した細胞を長時間観察するために、細胞を培養しながら観察可能なタイムラプス顕微鏡を立ち上げ、照射した個々の細胞の分裂の様子を追跡した。その結果、G1期で照射した細胞では周期の遅延が認められなかった。それに対してS/G2期にある細胞に照射を行ったところ、明確な周期遅延が観察された。以上から、顕微鏡下での長時間観察によって、放射線照射された細胞への影響をリアルタイムで観察することができた。
横谷 明徳; 神長 輝一
放射線生物研究, 49(4), p.418 - 431, 2014/12
最近、細胞標識技術の発展に伴う顕微鏡下でのライブセルイメージングにより、細胞の様々な活動が比較的容易に動画像(ムービー)として観察できるようになった。これらの実験により得られた動画像データは、個々の細胞に関する豊富な情報を含む。このような細胞機能に関するダイナミクスは、従来の免疫染色による静止画像データや細胞集団全体から生化学的に抽出された生体分子の平均化された値からは得ることができない。われわれは、細胞周期がライブセルでモニターできるHeLa-Fucci細胞を試料とし、タイムラプス法を用いてX線照射後に個々の細胞の細胞周期を追跡した。その結果、細胞集団は細胞周期が変調する群とほとんど影響を受けない群の2つに分かれる可能性が示された。このデータに対してシステム生物学的な解釈を試み、HeLa細胞の細胞周期制御とG2/Mチェックポイントのシグナル伝達系に内在する、"デジタル"的なスイッチ機構の存在を推定した。
嘉成 由紀子; 野口 実穂; 神長 輝一; 坂本 由佳; 横谷 明徳
Journal of Radiation Research, 55(Suppl.1), p.i129 - i130, 2014/03
In this study, we report a new approach of tracing the mitochondrial morphological change of the cells exposed to high LET radiation using a live-cell imaging technique. We used the NMuMG (Normal murine mammary gland)-FUCCI2 cell line. Using the FUCCI2 expressing cells, we can observe red fluorescence in the nuclei of G1 phase cells and green fluorescence in the nuclei of S/G2/M phase cells. We labeled mitochondria by Mitotracker Red. Kinetics of mitochondrial morphology was analyzed by the live-cell imaging technique using a fluorescence microscope. Mitochondrial images were captured for 4 days after irradiation. In a preliminary study, we found that X-ray irradiation of cells caused mitochondrial fragmentation, and proportion of cell population with fragmented mitochondria increased with increasing dose and with time after irradiation. It is demonstrated that the method proposed in this study works successively to trace cytoplasmic effects by high LET irradiation.
神長 輝一; 坂本 由佳; 嘉成 由紀子; 野口 実穂; 横谷 明徳
Journal of Radiation Research, 55(Suppl.1), p.i127 - i128, 2014/03
Fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicator (FUCCI) HeLa cells are one of useful model cell lines to visualize a cell-cycle because their nuclei show different colors; orange indicating G1; green indicating S/G2. In order to establish a novel assay system to study cell-cycle modification by high LET irradiation such as ion beams for cancer therapy we have observed time-lapse images of HeLa-FUCCI cells irradiated as a preliminary experiment using conventional X-rays instead of high LET ion beams. The cell-cycle was strongly arrested by irradiation at S/G2 and never progressed to G1. In contrast, cells irradiated at G1 progress to S/G2 with a similar time course as non-irradiated control cells. These results show that single FUCCI cell exposure and live cell imaging are a powerful method to trace the single cell effect of high LET irradiation on the cell-cycle in future.
坂本 由佳; 神長 輝一; 嘉成 由紀子; 野口 実穂; 横谷 明徳
Journal of Radiation Research, 55(Suppl.1), p.i120 - i121, 2014/03
In order to examine bystander effects in the 3D cell system, we have developed a FUCCI-HeLa spheroid system. FUCCI (Fluorescent Ubiquitination-based Cell Cycle Indicator) cells show specific colors of cell nuclei depending on a cell cycle. Thus we can easily trace cell cycle modifications by irradiation. We observed bystander cell-cycle delay as preliminary tests using monolayer culture of the HeLa-FUCCI cells. It will be very interesting to examine whether the cell-cycle effect also appears in the 3D cell system exposed to single high LET particles. We have determined suitable conditions for the spheroid culture, such as size of spheroids and methods of stable fixing a spheroid in a dish to perform the microbeam irradiation, and observation of the cell cycles of each cell in a spheroid after irradiation using a time-lapse micro-imaging technique.
坂本 由佳; 嘉成 由紀子; 神長 輝一; 野口 実穂; 横谷 明徳
no journal, ,
細胞に対する低線量放射線による影響を長期にわたって観察するために、福島県から採取してきた土壌を利用した細胞培養装置を立ち上げた。この装置内での線量率は約17
Sv/hであり、現在の飯館村における高線量地区(約5Sv/h)の4倍弱である。この培養装置を用いて30日間にわたりヒトガン細胞(HeLa)の単層培養を行った。30日間の積算線量は13mSvであった。培養した細胞に対して、成長曲線の観測及び急性X線照射による生存率の測定を行った。その結果、成長曲線と生存率の双方において、低線量率照射を行っていない対照群とは明確な差がないことが明らかになった。さらに本研究では、単層培養細胞より生体組織に近い、3次元培養組織(スフェロイド)の作成を試みた。HeLa細胞を試料として用い、さまざまな培養条件を検討した。その結果、低付着性細胞培養器材(24穴)を用い、ひとつの穴(ウェル)あたり1.0
10
以上の細胞数を播種し、これを4日間培養することが最適条件であることを見いだした。今後この条件で作成したスフェロイドに対して、低線量照射実験を行う予定である。
神長 輝一; 成田 あゆみ; 野口 実穂; 横谷 明徳
no journal, ,
細胞に放射線が照射されると細胞周期がある個所で停止並びに遅延を起こす現象は以前から報告されてきた。しかし、これらの研究の多くはフローサイトメトリーなどの細胞集団を対象とした解析によるものだった。今回我々は、Fucci細胞を蛍光顕微鏡下で培養しながら個々の細胞を長時間経時観察することで細胞周期変化の解析を行った。その結果、比較的高い線量(5Gy)での細胞周期遅延時間は、約3時間程度であった。さらに、バイスタンダー効果により、非照射細胞にも周期変化が誘発されることも見出した。バイスタンダー効果による細胞周期への影響はこれまで研究例がなく、本研究が初めてである。今後は、バイスタンダー効果の伝達経路として考えられているギャップジャンクション並びに、培地中に放出されるバイスタンダー因子のキレート剤を用いてそれぞれの経路を遮断することで、各経路の細胞周期変化への寄与を突き止める予定である。
嘉成 由紀子; 野口 実穂; 神長 輝一; 坂本 由佳; 横谷 明徳; 鈴木 啓司*
no journal, ,
低線量の放射線環境下では、細胞を通過する少数の放射線トラックは必ずしもDNAが存在する細胞核を貫通するとは限らない。むしろ細胞核以外の細胞質がヒットを受ける確率が高い。我々は細胞質中に広く存在するミトコンドリアに着目し、放射線照射によるミトコンドリアの形態や動態、膜電位の変化を明らかにすることを目的とした。KEK・PFのBL-27Bを利用し、専用のディッシュに培養したヒト繊維芽細胞(BJ1 hTERT Fucci)へ6Gy相当のX線マイクロビームを照射した後、ミトコンドリア動態のタイムラプス観察を行った。ミトコンドリアの膜電位変化は、膜電位依存性の蛍光試薬であるJC-1を用いて可視化した。タイムラプス動画像を元にして、ミトコンドリア活性部位(膜電位が高い部位)を追跡し、部位が位置を変える移動速度を数値化し動態変化として解析を行った。その結果、活性部位は照射後24時間から48時間にかけて空間位置を大きく変えるという、新しい現象を見出した。この位置変化の理由はまだ明らかではないが、放射線によるダメージからの回復に必要とされるATPを要求性の生理活性の上昇と関連があるのではないかと推測される。
成田 あゆみ; 神長 輝一; 横谷 明徳; 野口 実穂; 小林 克己*; 宇佐美 徳子*; 藤井 健太郎
no journal, ,
ヒト由来の細胞に対して細胞周期に依存した照射影響を明らかにすることを目標とし、我々はこれまでにKEK-PF BL27Bにおいて、マイクロビームで狙い撃ちされた細胞をリアルタイム観察するための実験システムを構築してきた。本研究ではこのシステムを利用したより長時間の経時観察を行い、X線照射された細胞の行く末を追跡した。照射細胞には顕微鏡下で細胞周期が判別できるFUCCI(Fluorescent Ubiquitination-based Cell Cycle Indicator)発現HeLa細胞を用い、任意の周期にある細胞をマイクロビームで狙い撃ちした。その後、48時間の経時観察を行った。その結果、G2期で照射したときには、約60%の細胞がG2期からM期に進行する直前に細胞死に至った。これは損傷を修復するために周期が一時的に停止したものの、修復することができずにアポトーシスしたと考えられる。一方で同じ視野内にある非照射の細胞では、G2期から観察を開始したものに関しては、周期が進行してから細胞死したものの割合が増加した。これは照射細胞からの影響を受け、バイスタンダー効果が現れている可能性がある。以上の結果より、照射・非照射細胞の双方に周期に依る照射影響が現れることがわかった。
神長 輝一; 篠田 航平; 福岡 壮太郎; 中上 裕貴; 横谷 明徳
no journal, ,
Fucci化されたHeLa細胞を試料として用い、X線照射による細胞周期遅延をライブセル観察により調べた。KEK放射光施設(PF)のBL27Bから得られるX線マイクロビームを利用し、顕微鏡下で細胞に照射した。本顕微照射システムでは、長時間に渡る細胞の継時観察が困難である。このため照射後細胞をビームラインから外し、培養器を備えた別の顕微鏡システムにセットした。オンラインとオフラインの二つの顕微システムにおいて照射細胞の位置座標を共有するため、新たに位置調整用フィルムアタッチメントを製作した。数十個のHeLa-Fucci細胞からなるマイクロコロニー中心部に6060mのX線マイクロビームを照射し、72時間タイムラプス観察を行った。その結果、照射細胞に細胞周期遅延や細胞死、細胞融合などの影響が観察されたことに加え、非照射細胞にも細胞周期遅延が線量や細胞周期に依存して起こることを見出した。これは、新しいタイプのバイスタンダー効果であると考えられる。
神長 輝一; 宇佐美 徳子*; 横谷 明徳
no journal, ,
本研究は、特定の細胞を狙い撃ちし、照射された細胞及びその周囲の非照射細胞に生じる細胞分裂の動態変化を明らかにすることを目的とする。Fucci化されたHeLa細胞を試料とし用い、KEK・PFのBL27Bのマイクロビームを特定細胞に照射しその後長時間のライブセル観察を試みた。このため、照射後の細胞をビームラインから外し、培養器を備えた別の顕微鏡システム(KEYENCE社製)にセットしてタイムラプス観察が行える実験システムを新たに構築した。照射細胞から非照射細胞への影響の伝搬は、いわゆるバイスタンダー効果として知られている。そこで、数十個のHeLa-Fucciのコロニー中心部に6060mのX線マイクロビームを照射し、72時間のタイムラプスイメージングを行った。その結果、非照射細胞でも細胞周期が大きく影響を受ける群と受けない群が観測され、照射したコロニーによってデータが大きく揺らぐことが分かった。この結果は、非照射細胞内には何らかのスイッチングメカニズムがあり、照射細胞からバイスタンダー信号を受け取ることで、このスイッチ機構がONになる場合にのみ周期遅延が生じる可能性を示唆している。
神長 輝一; 成田 あゆみ; 野口 実穂; 横谷 明徳
no journal, ,
細胞に放射線が照射されると細胞周期がある個所では停止並びに遅延を起こす現象は以前から報告されてきた。しかし、これらの研究の多くはフローサイトメトリーなどの細胞集団を対象とした解析によるものだった。今回我々は、Fucci細胞を蛍光顕微鏡下で培養しながら個々の細胞を長時間経過観察することで細胞周期変化の解析を行った。その結果、比較的高い線量(5Gy)での細胞周期遅延時間は、約3時間程度であった。さらに、バイスタンダー効果により、非照射細胞にも周期変化が誘発されることも見出した。バイスタンダー効果による細胞周期への影響はこれまで研究例がなく、本研究が初めてである。今後は、バイスタンダー効果の伝達経路として考えられているギャップジャンクション並びに、培地中に放出されるバイスタンダー因子のキレート剤を用いてそれぞれの経路を遮断することで、各経路の細胞周期変化への寄与を突き止める予定である。
神長 輝一; 成田 あゆみ; 野口 実穂; 嘉成 由紀子; 坂本 由佳; 横谷 明徳
no journal, ,
照射細胞からサイトカインなどの信号物質が放出され、周囲の照射細胞にも影響が伝搬するいわゆるバイスタンダー効果により、微小核形成などが誘発されることが知られている。本研究では、照射による細胞周期の遅延や停止といった現象も、このバイスタンダー効果により誘発され得るかを明らかにすることを目的としている。KEK・PFのBL27BのX線マイクロビームを利用し、狙った細胞にX線を照射した後の照射及び周囲の未照射の細胞の細胞周期の経時観察(タイムラプスイメージング)を試みた。細胞周期により細胞核の色が変化するFucci細胞を培養し数10個程度の細胞からなるマイクロコロニーを作成しこれを照射試料とした。その中の特定の細胞を狙い撃ちしたときの周囲の細胞の周期に注目し、タイムラプス観察を行った。その結果、周囲の細胞への明確な周期遅延効果は認められなかったものの、一部の照射した細胞自体の周期遅延が抑制される現象がみられた。これは周囲の細胞の存在により、照射細胞の応答が変わる「逆バイスタンダー効果」がある可能性を示している。
坂本 由佳; 嘉成 由紀子; 神長 輝一; 野口 実穂; 横谷 明徳
no journal, ,
低線量放射線による生物影響を考える上で、バイスタンダー効果は1つの重要なポイントであり、これまで様々な報告がされている。しかし、それらの研究のほとんどは単層培養の細胞を使用したものであり、細胞間の情報伝達物質も培地を介して移動することが分かっている。だが、実際の生体内は細胞同士が密になって組織を形成しており、その周囲に培地は存在していない。これらの矛盾を解決すべく、本研究ではスフェロイドに対するX線マイクロビーム照射といった新しい実験系を提案する。本研究ではヒトのガン細胞(HeLa-FUCCI)を培養し、直径100-200ミクロンのスフェロイドを作製した。このスフェロイドの中心に対し、KEK・PFにおいて20ミクロンのX線マイクロビームで部分照射を行った。しかし照射後にスフェロイドの経時観察を行おうとすると、その位置が顕微鏡の視野の外に出てしまうことが分かった。これは培養ディッシュの温度ムラや水蒸気の蒸発による対流が原因と考えられる。スフェロイドが一つだけ入るウェルのあるディッシュなど、さらに工夫が必要であることが分かった。
横谷 明徳; 成田 あゆみ; 神長 輝一; 嘉成 由紀子; 坂本 由佳; 野口 実穂; 宇佐美 徳子*; 小林 克己*; 藤井 健太郎; 鈴木 啓司*
no journal, ,
放射線照射後の細胞をライブイメージング法により追跡して調べることで、これまで細胞集団の平均値としてしか得られなかった放射線影響を個々の細胞の運命として解析するこが可能になった。このような時間軸に対する一連の細胞のダイナミクス(動的)データは、将来のシステムズバイオロジーへの展開・拡張に必須である。本講演では照射による細胞周期の遅延やミトコンドリアの動態を指標として、KEK-PFにおける軟X線マイクロビーム照射した幾つかのFucci細胞に対するライブイメージングにより得た結果を紹介する。さらに、通常の培養ディッシュの単層培養細胞に比べより生体に近い細胞間相互作用を維持していると期待される3次元培養したHeLa-Fucci細胞のスフェロイドを作製し、これに対してマイクロビームを部分照射することでより生体組織に近い環境におけるバイスタンダー効果の観察も試みている。熱力学的には"非平衡状態"にある相互にフィードバックをかけ合う多数のストレス応答の集合として細胞集団システムを捉え、放射線に対する頑強性(ロバストネス)の予測やこれを支える遺伝子スイッチングのメカニズムについての知見が得られると期待される。
神長 輝一; 嘉成 由紀子; 坂本 由佳; 成田 あゆみ; 宇佐美 徳子*; 小林 克己*; 野口 実穂; 横谷 明徳
no journal, ,
放射線の曝露を受けていない細胞(バイスタンダー細胞)が放射線の曝露を受けた細胞からのシグナルを受けることで何らかの影響が発現する現象はバイスタンダー効果と呼ばれ、特に非照射細胞が細胞集団中で多数を占める低線量放射線照射下における影響を考える上で重要なカギとなる。これまでにバイスタンダー細胞に、微小核形成やアポトーシスなどが現れることが知られている。本研究では、バイスタンダー効果が細胞周期に与える影響を明らかにすることを目的とした。コロニー内の任意の細胞に放射光X線マイクロビームを照射した後、全自動タイムラプスイメージングを行える実験系を確立し、細胞分裂を経た細胞にも細胞周期に変異があるかどうかを調べた。その結果、バイスタンダー細胞にも明らかに細胞分裂周期の変異が観測された。非照射細胞が照射細胞からの何らかのシグナルを受け取ることで、自らの細胞周期を制御するための反応経路があることが推定される。
嘉成 由紀子; 神長 輝一; 成田 あゆみ; 宇佐美 徳子*; 鈴木 啓司*; 横谷 明徳
no journal, ,
本研究では、細胞内のエネルギー分子(ATP)生産を担うミトコンドリアの活性が、放射線照射によりどのように影響を受けるかを明らかにすることを目的とした。ヒト正常細胞(BJ1-hTERT)に対して、高エネルギー加速器研究機構フォトンファトリーから得られるX線マイクロビームを照射した後に継時観察し、細胞核のみ・細胞質のみに照射した場合を比較した。細胞は、観察の直前にミトコンドリアを特異的に標識するJC-1試薬で染色した。この試薬はミトコンドリアの膜電位が高いと赤色蛍光のドットとして観測され、また低いと緑色蛍光が観測される特徴がある。その結果、細胞核照射群は細胞質照射群よりも細胞あたりのJC-1赤色発光のドット数が、照射後12時間程度まで優位に増加することが明らかになった。核内で損傷したDNAの修復にATPが用いられるために、活性が亢進したと推測される。
神長 輝一; 野口 実穂; 成田 あゆみ; 坂本 由佳; 嘉成 由紀子; 横谷 明徳
no journal, ,
To explore X-irradiation effects on the mammalian cell cycle, we performed to track single cells as live cell images observed by the time-lapse imaging technique. HeLa cells with fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicator (FUCCI) were used as irradiation sample cells to visualize cell cycle because their nuclei show different colors. We exposed X-rays to the HeLa-Fucci cells and observed them using a fluorescent microscope. We accumulated cells images every 20 min for 48 h and obtained evidences of cell cycle dynamics. The period of G1 and S/G2/(M) phase were analyzed and it was revealed that the irradiated cells were split in two populations, one showing similar cell cycle dynamics with that of unirradiated cells, and another showing modified cell cycle with a prolonged interval before progressing next cell cycle. The heterogeneous mixture of populations of irradiated cells might be involved in finally biological effects such as cell lethality.
