造血幹細胞の”時間的ふるまい”から未来の能力を予測~再生医療・遺伝子治療の安全性向上へ貢献~

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2025-07-17 東京大学

東京大学の研究チームは、造血幹細胞(HSC)の将来の機能を細胞の「時間的ふるまい」から非侵襲的に予測する新システムを開発しました。独自の1細胞増幅培養技術と定量位相イメージング(QPI)を用いて、生きたHSCの動態を動画で観察し、深層学習によって幹細胞性の指標であるHlf遺伝子の発現を予測しました。これにより、静止状態では見えなかった細胞の多様性が明らかになり、幹細胞治療における細胞品質評価の高度化と、安全性・効果の向上が期待されます。本研究は『Nature Communications』に2025年7月14日付で掲載されました。

造血幹細胞の”時間的ふるまい”から未来の能力を予測~再生医療・遺伝子治療の安全性向上へ貢献~
図1:造血幹細胞のHlf遺伝子発現量を、細胞固有の特徴量のみから予測することに成功
HSCに対してQPIにより取得した細胞動態データから特徴量を抽出し、多次元解析を行うことで、細胞群を異なる複数のクラスタに分類可能であることを示した。さらに、同一の特徴量からHlf遺伝子の発現量を予測できることが明らかとなった。

<関連情報>

造血幹細胞の多様性を予測する時間動態を用いた定量的位相イメージング Quantitative phase imaging with temporal kinetics predicts hematopoietic stem cell diversity

Takao Yogo,Yuichiro Iwamoto,Hans Jiro Becker,Takaharu Kimura,Reiko Ishida,Ayano Sugiyama-Finnis,Tomomasa Yokomizo,Toshio Suda,Sadao Ota & Satoshi Yamazaki
Nature Communications  Published:14 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-61846-3

Abstract

Innovative identification technologies for hematopoietic stem cells (HSCs) have expanded the scope of stem cell biology. Clinically, the functional quality of HSCs critically influences the safety and therapeutic efficacy of stem cell therapies. However, most analytical techniques capture only a single snapshot, disregarding the temporal context. A comprehensive understanding of the temporal heterogeneity of HSCs necessitates live-cell, real-time and non-invasive analysis. Here, we developed a prediction system for HSC diversity by integrating single-HSC ex vivo expansion technology with quantitative phase imaging (QPI)-driven machine learning. By analyzing the cellular kinetics of individual HSCs, we discovered previously undetectable diversity that snapshot analysis cannot resolve. The QPI-driven algorithm quantitatively evaluates stemness at the single-cell level and leverages temporal information to significantly improve prediction accuracy. This platform advances the field from snapshot-based identification of HSCs to dynamic, time-resolved prediction of their functional quality based on past cellular kinetics.

生物工学一般
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