研究成果

ヒトiPS細胞から硝子軟骨の作製 -関節軟骨損傷の再生治療法開発へ向けて-


2015年02月27日


     妻木範行 iPS細胞研究所(CiRA)教授、山下晃弘 同研究員らの研究グループは、松田秀一 医学研究科教授らのグループと共同で、ヒトiPS細胞から軟骨細胞を誘導し、さらに硝子軟骨の組織を作製し、マウス、ラット、ミニブタへの移植によりその安全性と品質についての確認を行うことに成功しました。

     本研究成果は、2015年2月26日正午(米国東部時間)に「Stem Cell Reports」で公開されました。

    研究者からのコメント

    左から妻木教授、山下研究員

     本研究成果によって、ヒトiPS細胞から軟骨細胞への新たな分化方法を確立し、その軟骨細胞から純粋な硝子軟骨が生体内で生じることを明らかになるとともに、腫瘍を形成すること無しに、関節軟骨の欠損を補うことに成功しました。このことは、iPS細胞を用いた関節軟骨損傷の治療法開発へ向けた研究の重要な一歩であると考えます。

     ただし、これは研究用の試薬を使って研究室で行った結果です。今後、ヒトに使えるグレードの高い安全な試薬を用い、臨床用の細胞調整室で行っても硝子軟骨を誘導できるような分化方法の微調整や、動物実験等を通して、安全性と有効性の確認を十分に行う必要があります。

    ポイント

    • 軟骨細胞になると蛍光を発するヒトiPS細胞を作製し、軟骨細胞への分化培養方法を検討した。
    • ヒトiPS細胞由来軟骨細胞から足場材を使わずに軟骨組織を作製する培養法を確立した。
    • ヒトiPS細胞から作製した軟骨組織を免疫不全マウスやラットに移植したところ、硝子軟骨が形成され、腫瘍形成はみられなかった。
    • ヒトiPS細胞から作製した軟骨組織を、関節軟骨を損傷させたラットやミニブタの患部に移植したところ、生着して損傷部を支えた。

    概要

     関節軟骨は、骨の端を覆い、腕や膝を曲げた時などにかかる衝撃を吸収する組織で、正常な関節軟骨は硝子軟骨と呼ばれます。私達の日常動作の一つ一つを、なめらかに行うためにも大切な組織ですが、加齢に伴ってすり減ったり、スポーツや交通事故などの怪我により損傷をうけると、硝子軟骨が線維軟骨に変性してしまうことがあります。一度、軟骨が線維化すると、元に戻ることはなく、関節をスムーズに動かすことが難しくなり、痛みや炎症が起こることもあります。

     治療法の一つとしては、自家軟骨細胞移植術という軟骨細胞を損傷部に移植する方法がありますが、高品質で十分な量の軟骨細胞を用意することが難しいという課題があります。加えて、軟骨細胞を患部に移植するためには、自己の健康な軟骨細胞を生検にて採取し、数を増やす必要がありますが、軟骨細胞は培養して増やすと線維芽細胞様に変質します。それを移植すると修復組織には線維軟骨が出来てしまい、きれいな硝子軟骨で治りにくいという問題もあります。これらの諸問題を克服し、高品質で十分量の軟骨細胞を確保するため、本研究グループは、患者さんの細胞からヒトiPS細胞を作製し、これを増やしてから良質な軟骨細胞を作製し、さらに硝子軟骨を作る研究を進めてきました。

     これまでに、ヒトiPS細胞から軟骨細胞を分化誘導する培養方法についてはいくつも報告されていますが、硝子軟骨は作られておらず、移植後の腫瘍形成リスクも調べられていません。そこで、本研究ではヒトiPS細胞から分化誘導した軟骨細胞に(1)生体内で純粋な硝子軟骨を作る能力があること(2)生体内の軟骨欠損に移植した組織が欠損部を支えること(3)動物に移植した時に腫瘍を作らないことの確認を目標に研究を進めました。

     その結果、まず、ヒトiPS細胞から軟骨細胞を作製するための培養条件を検討した上で、そこから足場剤を使わずに細胞自身が作るマトリックスからできた硝子軟骨組織を作製することに成功しました。また、この軟骨組織を免疫不全マウスへ移植して3ヶ月間、腫瘍形成や転移が見られないこと、つまり移植細胞の安全性を確認しました。さらに、免疫不全ラットの関節に移植して安全性に加えて、隣接する生体内の軟骨と融合することを検証し、免疫抑制剤を投与したミニブタの関節で1ヶ月にわたり生着し続けることを確認しました。


    図:ヒトiPS細胞から硝子軟骨組織を誘導するための培養方法

    ヒトiPS細胞から軟骨細胞へ向けて分化誘導を始めてから3日後に3種のタンパク質(BMP2、TGFβ、GDF5)を加えた培地で接着培養を行った。14日後からは、浮遊培養を行った。日数が進むにつれ、GFPにより緑色蛍光を発する細胞(軟骨細胞であることを示す)が増えてくる(上部の組み写真:スケールバー50μm)。56日後には1-2mmの大きさの軟骨組織塊が3.5cmディッシュ内にみられる(右上写真:スケールバー5mm)。

    詳しい研究内容について

    ヒトiPS細胞から硝子軟骨の作製 -関節軟骨損傷の再生治療法開発へ向けて-

    書誌情報

    [DOI] http://dx.doi.org/10.1016/j.stemcr.2015.01.016

    Akihiro Yamashita, Miho Morioka, Yasuhito Yahara, Minoru Okada, Tomohito Kobayashi, Shinichi Kuriyama, Shuichi Matsuda and Noriyuki Tsumaki
    "Generation of Scaffoldless Hyaline Cartilaginous Tissue from Human iPSCs"
    Stem Cell Reports Vol. 4 Published: February 26, 2015

    掲載情報

    • 朝日新聞(2月27日 3面)、京都新聞(2月27日 1面)、産経新聞(2月27日 1、2面)、中日新聞(2月27日 1、34面)、日刊工業新聞(2月27日 27面)、日本経済新聞(2月27日 3面)、毎日新聞(2月27日 29面)および読売新聞(2月27日夕刊 15面)に掲載されました。

    ヒトiPS細胞から硝子軟骨の作製 -関節軟骨損傷の再生治療法開発へ向けて-
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