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藤井さんの研究がPLoS One に掲載

藤井さんの研究がPLoS One に受諾されました。

ヒトの気管支の分岐様式についてmonopodial(側方分岐)か dipodial(先端分岐)かについて、気管支の枝の長さを基本に解析しました。

Fujii S, Muranaka T, Matsubayashi J, Yamada S, Yoneyama A, Takakuwa T. Bronchial tree of the human embryo: categorization of the branching mode as monopodial and dipodial, PLoS One 2021, Published: January 15, 2021, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0245558

 

2020年度;修士論文概要

ヒト胚子における大脳層構造の初期発生  寺島芽衣
The early development of the cortical layers in human embryonic brain.
【背景】大脳新皮質の正常発生に関わると言われているサブプレート(SP)は皮質板(CP)とともにカーネギーステージ(CS)21に形成が開始する。SPの欠如は統合失調症等の発達異常に関わるとも報告されているが、成人では消失しているとされる。この過程について形成初期の組織観察や胎児期におけるMRI画像を用いた三次元的解析は行われているが、初期発生における詳細な三次元的検討は行われていない。本研究ではヒト胚子期終期および胎児期初期における大脳層構造の成長変化を立体化・可視化することを目的とした。
【対象と方法】京都大学大学院医学研究科附属先天異常標本解析センター所有のヒト胚子6個体(CS21~23)およびドイツ、ゲッティンゲン大学所有のヒト胎児2個体(頭殿長39mm, 64mm)の計8個体の連続組織切片をデジタル化し、層構造を中心とした大脳の立体像を作成した。この組織像・立体像をもとに大脳層構造、特にSP-IZについて1)組織観察、2)三次元的形態観察、3)立体像を用いた定量解析を行った。定量解析では厚さ、表面積、体積を用いた。今回用いたHE染色の組織像ではSPと中間層(IZ)の判別が不可能であったため、サブプレート-中間層(SP-IZ)を1つの層として解析を行った。
【結果】1)組織観察:層構造はCS21から観察され、CS22で明白に見られるようになった。胚子期において細胞密度を求めたところCPのみCS21から22にかけて密度が高くなったが、他の層は安定が見られた。また各個体において隣り合う層の細胞密度について有意差が見られた。 2)三次元的形態観察:SP-IZはCS21において側頭部の一部に存在し、CS22以降この範囲を中心とした拡大が見られた。大脳の拡大同様、CS23でSP-IZの急速な拡大が見られ、胎児期に入ると大脳全体に観察された。室間孔、下垂体を通る冠状面においてはCS22から断面上に層構造が確認できるようになり、胎児期にかけてSP-IZの厚みが増す様子が確認された。 3)立体像を用いた定量解析:(a)厚さ:SP-IZの厚さを立体的に表示し側頭部に厚い領域が集中する様子を可視化した。また各個体におけるCP, SP-IZの厚さの中央値、最大値は頭殿長に従って増加が見られた。CPよりSP-IZの方が成長速度は速く、CP, SP-IZどちらも中央値より最大値の変化の方が大きく見られた。 (b)表面積:大脳実質及びCP, SP-IZの表面積は頭殿長の2乗に比例して増加し、発生が進むにつれCP,SP-IZの面積が実質全体に広がった。 (c)体積:大脳実質及びCP, SP-IZの体積はCRLの3乗に比例した増加が見られた。 (d)左右差:CP及びSP-IZの厚さ、表面積、体積は左右同様の傾向が見られ有意差は見られなかった。
【結論】連続組織切片から大脳立体像を作成することで層構造の形成が開始される胚子期終期から胎児期初期における島皮質領域からのSP-IZの急速な成長変化を可視化し、定量的変化を明らかにした。
二次口蓋癒合に伴う口鼻腔領域の形態変化:形態測定学的手法を用いた三次元解析 野原 葵

Dynamic change in oronasal region during secondary palate fusion: Three-dimensional analysis using morphometrics

【背景】口鼻腔領域は口腔、鼻腔と上顎、下顎、舌などの組織により構成される。口蓋は
Carnegie Stage(CS)17に発生し、口蓋が形成される時期に口鼻腔領域を形成する組織の長さや位置関係に著しい変化が生じることが知られているが三次元的な形態形成については詳細な解析がされていない。
【対象と方法】京都大学大学院医学研究科附属先天異常標本解析センター所有のヒト胚子、胎児期初期標本の立体情報計22例(位相CT;13例、MRI;9例)を対象とした。対象の内訳は、胚子標本がCS21~23の19個体、胎児期初期標本が頭殿長(CRL)=34~43.5mmの3個体であった。画像情報をもとに口鼻腔領域の立体像を作成し、1)口蓋癒合前後の形態変化の可視化、2)口鼻腔領域の定量的解析、3)プロクラステス変換と主成分分析を行った。
【結果】1) 口蓋癒合前後の形態変化の可視化:CRLの増加に伴い口蓋の癒合が進み口蓋の癒合点、口腔と鼻腔の接続点が後方に下がった。CS23で口蓋の形態が大きく変化した。舌とメッケル軟骨はCRLの増加に伴い前後方向に大きく伸び、形態変化も見られた。
2) 口鼻腔領域の定量的解析:口蓋癒合部分の長さ、口蓋全長、硬口蓋の長さはCRLと強い正の相関を示した(R2=0.82, 0.84, 0.79)。CS23で口蓋癒合率が30%から50%へ急激に増加した。メッケル軟骨の全長と翼突鈎間の距離、舌の奥行と幅はCRLと強い正の相関を示した(R2 = 0.92, 0.71,0.92,0.84)。舌の体積はCRL3と強い正の相関を示した(R2=0.92)。舌の高さは個体のばらつきが見られAF23では値の小さい個体も見られた。上顎に対する舌とメッケル軟骨の先端部分の位置は舌よりメッケル軟骨の成長が早かった。
3) プロクラステス変換と主成分分析:プロクラステス変換により口蓋癒合前後のshapeが明らかになった。口蓋は内側に変化し、上顎の上下方向の位置は変化しなかった。翼突鈎は
前方、内側への変化から内側のみの変化になった。メッケル軟骨は前方、内外側方向の変化を示し、shapeは湾曲から直線に変化した。舌は前方へ移動し、shapeが上方への湾曲から平坦へ変化した。鼻腔は後方、内側への移動が見られた。主成分分析より、第一主成分は、口蓋の癒合とそれに連動する動き、下顎組織の前方方向への成長、メッケル軟骨の直線化を示した。第二主成分は口蓋癒合前の口鼻腔領域後方の変化を示した。
【結論】CT、MRI画像を用いた口鼻腔領域の立体像により、口蓋癒合前後での形態変化を明確に示すことができた。また主成分分析により口蓋癒合に伴う口鼻腔領域のshapeに深い関係のある要素を抽出できた。本研究で得られた知見より、口蓋裂や口唇裂などの異常個体の解析、診断に応用できると考えられる。

ヒト胚子期・胎児期初期における喉頭軟骨・気管軟骨の3次元的解析 山崎 優

Three-dimensional analysis of the human laryngeal and tracheal cartilages during the late embryonic and early fetus period【背景】気管軟骨は気管を囲むU字型の軟骨であるが、胚子期・胎児期の形成過程について詳細は明らかではない。喉頭軟骨は発生過程について検討は進んでいるが、先行研究では、意見が分かれており明確な結論は出ていない。本研究では喉頭軟骨・気管軟骨の形態形成について、立体再構成像により明確化するとともにこれら軟骨の成長過程について、形態計測学的に検討した。

【対象と方法】京都大学大学院医学研究科附属先天異常標本解析センター所有の正常ヒト胚子15個体(CS18-23)およびGöttingen大学(ドイツ)所有の正常ヒト胎児4個体(頭殿長35mm-45mm)、計19個体を対象とした。連続組織切片画像を用いて喉頭軟骨・気管軟骨と軟骨が囲む気道部分の立体再構成像を作成し、喉頭軟骨・気管軟骨について1)組織像の観察、2)立体像の形態観察、3)定量解析を行った。定量解析では軟骨の高さ・周囲長・被覆度、気管半径を計測した。

【結果】1)組織観察:前軟骨について、気管軟骨・輪状軟骨はCS19から、甲状軟骨・舌骨はCS18の時点で形成されていた。軟骨細胞間の基質について、気管軟骨・輪状軟骨・甲状軟骨はCS20から、舌骨はCS19から分泌された。

2)形態観察:気管軟骨はCS20で急速に前軟骨が形成され、それ以降の成長段階では気管・気管支を覆う範囲に顕著な個体差はみられなかった。輪状軟骨はCS21で急速に成長し成人とほぼ同様の形態となった。甲状軟骨は上角より正中へ伸長し、胎児期初期で左右の軟骨版が癒合した。舌骨は両端より伸長し、CS19において正中で癒合した。胎児期になると正中部付近が尾側にも拡大し、正中矢状断面で観察すると”くの字”の形態を示した。

3)定量解析:(a)高さ…気管軟骨について、総気管長に対する総軟骨長の割合はCS20以降のほぼ全ての個体で一定範囲内の値となった。輪状軟骨板と甲状軟骨板は、癒合する時期は異なるが高さは両者とも胚子期で急増し胎児期で横ばいとなった。

(b)気管半径…CS20-22においてCRLの増加に伴い緩やかに増加したが、CS23は前ステージと比較し著しく増加し、CRLとの相関もみられなかった。

(c)周囲長…気管軟骨と甲状軟骨に対し、輪状軟骨は著しい増加傾向を示した。

(d)被覆度…気管軟骨はCS22を境に著増し、成人とほぼ同程度の被覆度となった。

輪状軟骨はCS20、CS21で著しく増加し、CS21で成人と同じ360°まで被覆した。

甲状軟骨はCS22、CS23で著しく増加した。

【結論】喉頭軟骨・気管軟骨の初期分化段階であるCS18から胎児期初期のCRL45㎜の喉頭軟骨/気管軟骨/喉頭腔の立体再構成像を作成し、各軟骨の発生過程を組織学的、形態学的、形態計測学的に明らかにした。

 

第25回日本基礎理学療法学会学術大会で発表しました

第25回日本基礎理学療法学会学術大会で発表しました。2020.12.12-13 @仙台市(on line開催)

 

石川葵、田中麻衣、杉山寛恵、池口良輔、高井治美、鳥井蓉子、國富芳博、秋枝静香、谷間桃子、青山朋樹: 神経様3次元組織体の生死判定技術の検討

石田かのん、谷間桃子、石川葵、高石亮太、高桑徹也、青山朋樹: ラット膝関節の発生と 半月大腿靭帯の形態形成

季さんの論文がAnatomical Recに掲載

季さんの論文がAnatomical Recに掲載されました。

腹壁(腹直筋:緑)と臍帯(赤丸)(CRL57mm)

胎児期初期の臍帯ヘルニアの還納と腹壁(腹直筋)の形成との関連性について検討しました。ダイナミックな腸管の再配置にもかかわらず、腹直筋、腹直筋間の距離、臍帯サイズはほとんど変化しないことがわかりました。

Ji X, Ishikawa A, Nagata A, Yamada S, Imai H, Matsuda T, Takakuwa T, Relationship between rectal abdominis muscle position and physiological umbilical herniation and return: a morphological and morphometric study. Anat Rec 2020, 303, 12, 3044-3051. doi: 10.1002/ar.24486

受諾は1年前だったのですが、ようやくpublishされました。

西谷さん、鳥居さんの胎児心臓の解析がJAHAに掲載

西谷さんの修士論文、鳥居さんの卒業論文;胎児心臓のDT-MRIによる解析がJAHAに掲載されました。ヒトの心筋の構築の青写真は胚子期末(CS20-23, GSA8W)には、すでに形成されていることをDT-MRIデータから明らかにしました。

本研究成果は、京都大学HP(トピックス)でも紹介されました。

ヒト胎児心臓の心筋線維方向を追跡 -受精後8週の心筋線維は成人と同じ配列をする-  外部リンク[京都大学HP(トピックス)]

概要

心臓は受精後3週頃には拍動を開始し生涯拍動を続けます。全身に効率よく血液を送るために心筋線維は立体的に規則的に配列される必要があります。近年、拡散テンソルMRIを用いて、心筋線維がどのように配列されているかについても検討できるようになりました。成人では心室の壁を構成する心筋線維は、層状に内側から外側にかけてゆるやかに向きを変えて配列することが示されています。胎児では、胎齢20週ころには成人と同様の心筋線維配列を示すことが知られていますが、拍動開始から20週の間の心筋線維の配列は不明でした。京都大学大学院医学研究科人間健康科学系専攻 高桑徹也 教授、山田重人 同教授、情報学研究科 今井宏彦 助教、兵庫県立大学応用情報科学研究科 原口亮 准教授らの研究グループは、京都大学大学院医学研究科附属先天異常標本解析センターが所蔵しているヒト胚標本20体を用いて、ヒト心臓の心筋線維の配列を拡散テンソルMRIを用いて検討しました。その結果、心室の壁が厚みをもち始める胚子期後半の段階において、心筋線維の配列は、成人と同様であること証明しました。今回の結果は、先天性、後天性心疾患の原因解明、診断、治療等に関わる重要な知見と考えられます。

1.背景

心臓は受精後3週頃には拍動を開始し生涯拍動を続ける、生きるために必須の臓器で、成人では200-300gあります。心臓の大部分は心筋という特殊な筋肉から作られています。特に心室は心筋が袋状になり、全身に効率よく血液を送るために心筋線維が規則的に配列される必要があります。心筋線維の配列は、解剖学者Torrent-Guaspの心筋バンド説(心臓の壁を構成する心筋を広げていくと、1枚の帯状のものになる)が長い間信じられていました。近年、MRIという機器を用いて、心臓を取り出さずに、その形態や構成する物質の性質を調べることが可能になり、心筋線維がどのように配列されているかについても拡散テンソルMRI(DT-MRI)法という解析方法を用いて検討できるようになりました。心室の壁を構成する心筋線維の向きは、どの壁においても、層状に内側から外側にかけてゆるやかに向きを変え、らせん状に配列することが示されており(メッシュモデル)、心筋バンド説は否定されています。

ヒトに心臓の心筋線維の配列は、いつごろからどのように形成されるのでしょうか。これまでの研究では、胎齢20週ころにようやく成人と同様の配列を示すことが報告されています。そうすると、拍動開始(3週)から20週の間も、心臓は拍動しているわけですが、その間、心筋の配列はどうなっているのかという疑問が湧いてきます。そこで我々は、ヒト心臓の心筋線維の配列を24週の胎児から発生をさかのぼって検討することにしました。(図1)

2.研究手法・成果

心筋の壁が組織学的に形成されるには、心臓が2心房2心室の4つの部屋に別れ、冠状動脈という血管が形成され、心筋への血流が確保されるカーネギーステージ(CS)22(第8週中頃)であることがわかっています。そこで、それよりも若いCS20(第8週初め)までを解析対象としました。

解析の成功のためには、良質なヒト胚子標本の確保と、小さい標本を解析するために解像度の高い撮像装置、撮像条件の検討、解析法の確立が重要です。(胚子期後半の心臓は米粒ほどの大きさしかありません!!)

良質なヒト胚子標本として、附属先天異常標本解析センターが収集、保管している、ヒト胎児大規模標本群(京都コレクション)を使用しました。この標本群は、世界最大規模の研究リソースとして知られており、その利用については京都大学大学院医学研究科・医学部及び医学部附属病院 医の倫理委員会の承認のもとで研究が行われています。撮像装置としては、医学研究科医学研究支援センターが保有している前臨床用7T-MRIを用いました。撮像の対象及び目的に特化させた撮像条件と直径19mmの高感度MRIコイルを併用してDTI撮像データの質の改善を行いました。

その結果、心室の壁が形成され厚みをもち始める胚子期後半の段階(CS20-23)においても、心筋線維の配列は、成人と同様の配列を示すことを示すことができました。(図2、3)

3.波及効果、今後の予定

心臓の病気には、発生過程の異常に基づくものが多くあります。その意味で、今回心臓の動力の源である心筋の配列過程を経時的に追求できたことは大きな意義があります。ただ、心拍動の開始から8週までの期間については、装置の解像度の問題から現在の方法での解析が難しく今後の課題と言えます。今回の結果は、先天性、後天性心疾患の原因解明、診断、治療等に関わる重要な知見で、その発展に貢献することが期待されます。また、今回得られたDT-MRI撮像、解析技術は、心臓以外の他の臓器の形態形成の解析にも応用できるものと考えられます。

<研究者のコメント>

胚子期後半の心筋線維の配列がすでに大人の配列と同様というのは、当然とは言い切れません。発生学の原則として、“ヒト胚子はその発生の各段階で生きており、各段階で適切な状態を維持している”(Heuser & Streeter 1941)があります。それに従えば、心臓(心筋)は、成人の完成図を目指して性急な成長をするのではなく、発生段階の心臓の形状や他の諸器官と協調して、心筋の走行や分布、成長が異なることも十分に想定されることだからです。

<修士論文の概要>

Nishitani S, Torii N, Imai H, Haraguchi R, Yamada S, Takakuwa T, Development of helical myofiber tracts in the human fetal heart: Analysis of myocardial fiber formation in the left ventricle from the late human embryonic period using diffusion tensor magnetic resonance imaging. Journal of the American Heart Association, 2020,  19(9) doi:10.1161/JAHA.120.016422

田中さん、坂本さんの卒業研究がPLoS ONEに掲載

田中さん、坂本さんの卒業研究がPLoS ONEに掲載されました。胎児期の上肢帯の形態形成、位置の変化について詳述しました。

46. Tanaka S, Sakamoto R, Kanahashi T, Yamada S, Imai H, Yoneyama A, Takakuwa T. Shoulder girdle formation and positioning during embryonic and early fetal human development. PLoS ONE 2020, 15(9): e0238225. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0238225

藤井さんの博士論文がJ Anatomy に掲載

藤井さんの博士論文がJ Anatomy に受諾されました。

胚子期の気管支の形成過程を立体的な詳細に観察しました。

<博士審査会の概要>

<修士論文(村中)の概要>

The bronchial tree of the human embryo: an analysis of variations in the bronchial segments
Fujii S, Muranaka T, Matsubayash J, Yamada S, Yoneyama A, Takakuwa T. The bronchial tree of the human embryo: an analysis of variations in the bronchial segments. J Anatomy 2020 in press

北沢さんの修士論文がJ Anatomyに受諾されました

北沢さんの修論がJ Anatomyに受諾されました。ヒト胚子期の腎臓の形成を、尿路樹形成と糸球体形成との関連性に着目し詳細に検討しました。

<修士論文の概要>

Kitazawa H, Fujii S, Ishiyama H, Matsubayashi J, Ishikawa A, Yamada S, Takakuwa T. Nascent nephrons during human embryonic development: Spatial distribution and relationship with urinary collecting system. J Anatomy 2020, in press.DOI: 10.1111/JOA.13308