Kawaai, Katsuhiro

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Affiliation

School of Medicine, Collaborative Research Resources (Laboratory of Cell and Tissue Biology) （Shinanomachi）

Position

Instructor

External Links
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Career 【 Display / hide 】

  • 2009.04
    -
    2011.03

    科学技術振興機構, カルシウム振動プロジェクト, 研究員

  • 2011.04
    -
    2018.06

    RIKEN, 研究員

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Research Areas 【 Display / hide 】

  • Life Science / Molecular biology

  • Life Science / Neuroscience-general

  • Life Science / Biomaterials

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Research Keywords 【 Display / hide 】

  • 包括脳ネットワーク

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Books 【 Display / hide 】

  • 分子細胞生物学辞典, 第２版

    河合克宏, 東京化学同人, 2008.10

    Scope: 「4.1」「ドーパミントランスポーター」「Parkin」「Pax」「VEGF受容体」「スクランブラーマウス」「ヨタリマウス」「disabled homolog 1」「リーラーマウス」「小脳プルキンエ細胞欠失ミュータントマウス」「スタゲラーマウス」「ナーバスマウス」「pcdマウス」「シナプス後肥厚部」「バーグマングリア」

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Papers 【 Display / hide 】

  • 中耳や内耳を構成する高石灰化骨を造る聴覚骨芽細胞の解析

    黒田 有希子, 河合 克宏, 石本 卓也, 中野 貴由, 百生 敦, 松尾 光一, 波多野 直哉, Wu Yanlin, 高野 秀和, Roschger Paul, Blouin Stephane

    日本骨代謝学会学術集会プログラム抄録集 （(一社)日本骨代謝学会)  39回   133 - 133 2021.10

    ISSN  1349-0761

  • Hypermineralization of hearing-related bones by a specific osteoblast subtype.

    Yukiko Kuroda, Katsuhiro Kawaai, Naoya Hatano, Yanlin Wu, Hidekazu Takano, Atsushi Momose, Takuya Ishimoto, Takayoshi Nakano, Paul Roschger, Stéphane Blouin, Koichi Matsuo

    Journal of bone and mineral research : the official journal of the American Society for Bone and Mineral Research 36 （ 8 ） 1535 - 1547 2021.04

    Accepted,  ISSN  0884-0431

    　View Summary

    Auditory ossicles in the middle ear and bony labyrinth of the inner ear are highly mineralized in adult mammals. Cellular mechanisms underlying formation of dense bone during development are unknown. Here, we found that osteoblast-like cells synthesizing highly mineralized hearing-related bones produce both type I and type II collagens as the bone matrix, while conventional osteoblasts and chondrocytes primarily produce type I and type II collagens, respectively. Furthermore, these osteoblast-like cells were not labeled in a "conventional osteoblast"-specific green fluorescent protein (GFP) mouse line. Type II collagen-producing osteoblast-like cells were not chondrocytes as they express osteocalcin, localize along alizarin-labeled osteoid, and form osteocyte lacunae and canaliculi, as do conventional osteoblasts. Auditory ossicles and the bony labyrinth exhibit not only higher bone matrix mineralization but a higher degree of apatite orientation than do long bones. Therefore, we conclude that these type II collagen-producing hypermineralizing osteoblasts (termed here auditory osteoblasts) represent a new osteoblast subtype. This article is protected by copyright. All rights reserved.

  • Both IRBIT and long-IRBIT bind to and coordinately regulate Cl-/HCO3- exchanger AE2 activity through modulating the lysosomal degradation of AE2.

    Ryo Itoh, Naoya Hatano, Momoko Murakami, Kosuke Mitsumori, Satoko Kawasaki, Tomoka Wakagi, Yoshino Kanzaki, Hiroyuki Kojima, Katsuhiro Kawaai, Katsuhiko Mikoshiba, Koichi Hamada, Akihiro Mizutani

    Scientific reports 11 （ 1 ） 5990 - 5990 2021.03

    Accepted

    　View Summary

    Anion exchanger 2 (AE2) plays crucial roles in regulating cell volume homeostasis and cell migration. We found that both IRBIT and Long-IRBIT (L-IRBIT) interact with anion exchanger 2 (AE2). The interaction occurred between the conserved AHCY-homologous domain of IRBIT/L-IRBIT and the N-terminal cytoplasmic region of AE2. Interestingly, AE2 activity was reduced in L-IRBIT KO cells, but not in IRBIT KO cells. Moreover, AE2 activity was slightly increased in IRBIT/L-IRBIT double KO cells. These changes in AE2 activity resulted from changes in the AE2 expression level of each mutant cell, and affected the regulatory volume increase and cell migration. The activity and expression level of AE2 in IRBIT/L-IRBIT double KO cells were downregulated if IRBIT, but not L-IRBIT, was expressed again in the cells, and the downregulation was cancelled by the co-expression of L-IRBIT. The mRNA levels of AE2 in each KO cell did not change, and the downregulation of AE2 in L-IRBIT KO cells was inhibited by bafilomycin A1. These results indicate that IRBIT binding facilitates the lysosomal degradation of AE2, which is inhibited by coexisting L-IRBIT, suggesting a novel regulatory mode of AE2 activity through the binding of two homologous proteins with opposing functions.

  • Transient appearance of Ca2+ -permeable AMPA receptors is crucial for the production of repetitive LTP-induced synaptic enhancement (RISE) in cultured hippocampal slices.

    Keiko Tominaga-Yoshino, Tomoyoshi Urakubo, Yukiko Ueno, Katsuhiro Kawaai, Shinichi Saito, Tomoko Tashiro, Akihiko Ogura

    Hippocampus 30 （ 7 ） 763 - 769 2020.04

    Joint Work, Accepted,  ISSN  1050-9631

    　View Summary

    We have previously shown that repetitive induction of long-term potentiation (LTP) by glutamate (100 μM, 3 min, three times at 24-hr intervals) provoked long-lasting synaptic enhancement accompanied by synaptogenesis in rat hippocampal slice cultures, a phenomenon termed RISE (repetitive LTP-induced synaptic enhancement). Here, we examined the role of Ca2+ -permeable (CP) AMPA receptors (AMPARs) in the establishment of RISE. We first found a component sensitive to the Joro-spider toxin (JSTX), a blocker of CP-AMPARs, in a field EPSP recorded from CA3-CA1 synapses at 2-3 days after stimulation, but this component was not found for 9-10 days. We also observed that rectification of AMPAR-mediated current appeared only 2-3 days after stimulation, using a whole-cell patch clamp recording from CA1 pyramidal neurons. These findings indicate that CP-AMPAR is transiently expressed in the developing phase of RISE. The blockade of CP-AMPARs by JSTX for 24 hr at this developing phase inhibited RISE establishment, accompanied by the loss of small synapses at the ultrastructural level. These results suggest that transiently induced CP-AMPARs play a critical role in synaptogenesis in the developing phase of long-lasting hippocampal synaptic plasticity, RISE.

  • Trans-pairing between osteoclasts and osteoblasts shapes the cranial base during development.

    Edamoto M, Kuroda Y, Yoda M, Kawaai K, Matsuo K

    Scientific reports （Scientific Reports)  9 （ 1 ） 1956 2019.12

    Joint Work, Accepted

    　View Summary

    © 2019, The Author(s). Bone growth is linked to expansion of nearby organs, as is the case for the cranial base and the brain. Here, we focused on development of the mouse clivus, a sloping surface of the basioccipital bone, to define mechanisms underlying morphological changes in bone in response to brain enlargement. Histological analysis indicated that both endocranial and ectocranial cortical bone layers in the basioccipital carry the osteoclast surface dorsally and the osteoblast surface ventrally. Finite element analysis of mechanical stress on the clivus revealed that compressive and tensile stresses appeared mainly on respective dorsal and ventral surfaces of the basioccipital bone. Osteoclastic bone resorption occurred primarily in the compression area, whereas areas of bone formation largely coincided with the tension area. These data collectively suggest that compressive and tensile stresses govern respective localization of osteoclasts and osteoblasts. Developmental analysis of the basioccipital bone revealed the clivus to be angled in early postnatal wild-type mice, whereas its slope was less prominent in Tnfsf11 −/− mice, which lack osteoclasts. We propose that osteoclast-osteoblast “trans-pairing” across cortical bone is primarily induced by mechanical stress from growing organs and regulates shape and size of bones that encase the brain.

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Papers, etc., Registered in KOARA 【 Display / hide 】

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Reviews, Commentaries, etc. 【 Display / hide 】

  • IRBITは脂肪細胞分化初期の細胞増殖を制御している

    関口藍理, 浜田浩一, 佐藤聖子, 高橋透泰, 下田沙弥, 波多野直哉, 河合克宏, 御子柴克彦, 水谷顕洋

    聖マリアンナ医科大学雑誌(Web) (聖マリアンナ医科大学医学会)  44 ( 3 ) 183 (WEB ONLY) - 183 2016.11

    Other, Joint Work,  ISSN  2189-0285

  • IRBITはphosphatidylinositol phosphate kinasesの活性中心と結合する

    安東英明, 廣瀬松美, GAINCHE Laura, 河合克宏, BONNEAU Benjamin, 伊集院壮, 伊藤俊樹, 竹縄忠臣, 御子柴克彦

    日本生化学会大会(Web) 88th 2015

  • Genes associated with long-lasting synaptic enhancement in hippocampal slices after repetitive glutamate stimulation

    T. Tashiro, K. Kawaai, K. Tominaga-Yoshino, N. Taniguchi, H. Tashiro, A. Ogura

    JOURNAL OF NEUROCHEMISTRY (BLACKWELL PUBLISHING)  102   276 - 276 2007.08

    ISSN  0022-3042

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Presentations 【 Display / hide 】

  • Osteoclast differentiation factor induces osteolytic properties of chordoma

    河合克宏, 黒田有希子, 松尾光一

    第40回日本骨代謝学会学術集会, 

    2022.07
    , 

    Oral presentation (general)

  • Elucidation of the mechanisms for bone destruction in chordoma.

    Katsuhiro Kawaai, Yukiko Kuroda, Koichi Matsuo

    The 39rd Annual Meeting of the Japanese Society for Bone and Mineral Research, 

    2021.10
    , 

    Oral presentation (general)

  • 脊索腫における骨破壊機序の解明

    大石裕美子, 河合克宏, 田村亮太, 黒田有希子, 松尾光一, 戸田正博

    日本脳神経外科学会 第79回学術総会, 

    2020.10

  • 内軟骨性骨化における軟骨原基と骨の関係 －タルボＸ線位相トモグラフィー顕微鏡による形態解析－

    松尾光一, 姫シュウテイ, 黒田有希子, 河合克宏, 呉彦霖, 高野秀和, 百生敦

    第19回東北大学多元物質科学研究所研究発表会, 

    2019.12
    , 

    Poster presentation

  • 内軟骨性骨化で形成される耳小骨は軟骨原基より小さい

    姫しゅうてい, 黒田有希子, 河合克宏, 百生 敦, 松尾光一

    第37回日本骨代謝学会学術集会, 

    2019.10
    , 

    Oral presentation (general)

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Research Projects of Competitive Funds, etc. 【 Display / hide 】

  • Elucidation of the mechanisms for bone destruction in chordoma.

    2022.04
    -
    2025.03

    MEXT,JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Principal investigator

    　View Summary

    我々が行った予備実験の結果、脊索腫細胞そのものが、骨浸潤部位において破骨細胞様のふるまいをし、酸性環境を作り出すことで骨破壊を引き起こしている可能性を見出した。本研究では、骨代謝学において蓄積のある破骨細胞研究の知見を元に、「脊索腫細胞自身が直接骨破壊を引き起こす」という仮説を検証することで、脊索腫における骨破壊の機序を解明し、それを標的とした新たな治療戦略の提言を目指す。

  • Understanding the cellular basis of left-right symmetry in the skeleton

    2021.04
    -
    2025.03

    Japan Society for the Promotion of Science, Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Grant-in-Aid for Scientific Research (B), No Setting

    　View Summary

    骨格の形状は高度な左右対称形を示す。しかし、骨が左右対称性に形作られる形態形成の細胞機構は何かという学術的問いには答がない。本研究では、左右対称性の骨格形成のメカニズムを解明する。すなわち、①左右で鏡像の、軟骨細胞や骨芽細胞が存在するという細胞キラリティ仮説と、②皮質骨を挟んだ破骨細胞と骨芽細胞の対合メカニズム（トランスカップリング）が存在して骨周囲の臓器組織に応じて骨も左右対称性に変容し成長するというトランスカップリング仮説を検証する。
    「骨が左右対称性に形作られる形態形成の細胞機構は何か」に答えるために、「細胞キラリティ仮説」と「トランスペアリング仮説」を追究した。「細胞キラリティ仮説」は、“骨芽細胞には、鏡像の左手型細胞と右手型細胞が存在して、左右対称の骨格を形成している”というものである。2021年度は、新生仔マウスの頭蓋冠由来の骨芽細胞を用いた培養実験で、概念実証が進んだ。すなわち、左右の前頭骨と頭頂骨から調製した初代骨芽細胞は、すべて右手型細胞の割合が、左手型細胞の割合よりも有意に高かった。サンプル数を増やすために、半自動的な定量解析方法を確立することを目指し、複数の方向性と平行性を数値化するソフトウエアを検討した。計算原理や説明が充実していて、すでに多数の生命科学の論文に応用されているものを比較検討し、本研究に適合しているものを見出した。
    また、「トランスペアリング仮説」は、 “皮質骨を挟んだ破骨細胞と骨芽細胞の対合メカニズム（トランスペアリング）が存在して、成長過程で左右対称性の周囲組織の形態に応答し、骨が左右対称性に変容しながら成長する”というものである。2021年度は、組織学的解析を中心に、脛骨と腓骨などの長管骨におけるトランスペアリングの現象を組織学的手法、Ｘ線イメージング、蛍光イメージングで解析し、最初の論文の投稿を行った。現象論が中心だったので、さらにメカニズムを深めるための改訂作業を進める必要があるという認識に至った。
    「細胞キラリティ」について：概念実証が進み、スループットを上げて解析力を高めるための独自のアイデアに到達できた。PDMSスタンプを用いたマイクロプリンティングの手法には、ファイブロネクチンの「インク」の乾き具合の調節が重要であるものの、実験者の経験と勘に依存している。新たなアイデアで、研究室の中で誰もができる技術として確立する必要がある。一方、解析に用いる画像解析ソフトウエアの検証が進み、OrientationJというImageJという汎用的な画像解析ソフトウエアのプラグインが、比較した中で最も目的に合致していることがわかった。
    「トランスペアリング」について：マウスの腓骨を中心に、骨芽細胞と破骨細胞の皮質骨を挟んだ分布を解析し、以前に報告した頭蓋底だけでなく（Edamoto et al, 2019, Sci Rep）、長管骨でも「トランスペアリング」が起こっているという現象を示すことができた。しかし、その具体的なメカニズムについては不明であり、2022年度以降に解明を目指す。
    推進方策１（細胞キラリティ検出系の高度化）
    フィブロネクチンのマイクロプリンティングの手法による、細胞培養レベルで右手型や左手型といった細胞のキラリティを検出する手法（Wan et al, 2011, PNAS）を、独自のアイデアで高度化し、スループットを上げて解析力を高める。具体的には、マイクロプリンティングのパターンをドーナツ型から直線の多い型にすること、PDMSスタンプにハンコのような持ち手を付けること、ステージ付きの電動ドリルの機構を利用して垂直にスタンプできるようにすることなどを検討する。
    推進方策２（坐骨神経切除術を行ってトランスペアリングを解析する）
    坐骨神経切除術を行うと、方向性をもったトランスペアリングが腓骨から消失することが分かった。その状態を対照群と比較しながらＸ線や蛍光を用いた3Dイメージングを行って、内向きトランスペアリングの方向や位置の制御メカニズムに、神経や筋肉、皮質骨を貫通する血管がどのように関わるのかを解明する。

  • 骨化軟骨を模倣したバイオミメティクスコート材の開発および骨芽細胞動態解析による新規評価法の確立

    2020.10
    -
    2021.09

    (株)JSR, 学術開発プロジェ クト (継続課題), Principal investigator

  • 骨化軟骨を模倣したバイオミメティクスコート材の開発および骨芽細胞動態解析による新規評価法の確立

    2019.10
    -
    2020.09

    (株)JSR, 学術開発プロジェ クト (継続課題), Principal investigator

  • Applicational study of bone formation mechanism based on calcified cartilage

    2019.04
    -
    2022.03

    Keio University, Grants-in-Aid for Scientific Research, KAWAAI Katsuhiro, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), No Setting

    　View Summary

    Based on the histological analysis of endochondral ossification, we found that calcified cartilage function as a superior scaffold for bone formation by osteoblasts. So, we performed screening of molecules enhance bone formation from components of calcified cartilage and applied to coating. We identified several candidate molecules and these coating on culture dish significantly enhanced in vitro bone formation by osteoblasts. In addition, we designed a surface micropattern inspired by characteristic structures of calcified cartilage. We also developed assay methods to evaluate the surface properties by using kinetics of osteoblast migration. The micropattern changed in vitro bone formation rate and cell migration speed of osteoblasts. From these examinations, we suggest that the combination of novel coating and surface micropatterns provide effective surface properties for implants to achieve high biological compatibility and secure engraftment.

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Courses Taught 【 Display / hide 】

  • MEDICAL PROFESSIONALISM 3

    2024

  • MEDICAL PROFESSIONALISM 3

    2023

  • MEDICAL PROFESSIONALISM 3

    2022

  • MEDICAL PROFESSIONALISM 3

    2021

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