「心筋細胞になりやすいiPS細胞」をみつけるための目印となる遺伝子を同定

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2019-03-22 神奈川県立産業技術総合研究所,理化学研究所,医薬品食品衛生研究所

・概要
神奈川県立産業技術総合研究所(KISTEC)が神奈川県ヘルスケア・ニューフロンティアの先進異分野融合プロジェクト研究立案・推進事業で支援を行った「再生医療等製品の品質・安全性評価プロジェクト(研究開発代表者:河合 純 理化学研究所 科技ハブ産連本部 予防医療・診断技術開発プログラム 副プログラムディレクター)」の研究成果が、英国科学雑誌『Scientific Reports』に掲載されました。

国立医薬品食品衛生研究所 再生・細胞医療製品部 佐藤 陽治 部長(大阪大学大学院薬学研究科教授と神奈川県立産業技術総合研究所研究員を兼務)、安田 智 室長、大橋 文哉 研究生(大阪大学大学院薬学研究科、テルモ株式会社所属)らの研究グループは、大阪大学大学院医学系研究科 心臓血管外科 澤 芳樹 教授、宮川 繫 特任教授、理化学研究所科技ハブ産連本部 予防医療・診断技術開発プログラム 河合 純 副プログラムディレクターらと共同で、ヒト iPS 細胞から心筋細胞への『分化しやすさ』を予測することができるマーカー遺伝子として CXCL4/PF4 を同定しました。
 ヒト iPS 細胞から誘導される細胞を再生医療に応用するためには、目的とする細胞に分化しやすい iPS 細胞株を選ぶ必要があります。目的とする細胞に分化しにくい iPS 細胞を選んでしまうと、分化していない iPS 細胞が移植する細胞の中に残りやすくなり、こうした残存した未分化 iPS 細胞が患者さんの体内で腫瘍を形成するリスクが高くなるからです。
本研究では、心筋細胞へ分化しやすい iPS 細胞株と分化しにくい iPS 細胞株の遺伝子発現を理化学研究所が開発した世界唯一の遺伝子解析技術である CAGE 法など、3 つの遺伝子解析手法を用いて網羅的に解析しました。その結果、CXCL4/PF4 という遺伝子の発現量が心筋細胞への分化しやすさと相関することが明らかとなりました。つまり、CXCL4/PF4 の発現量を目印にすれば心筋細胞の製造に適した iPS 細胞株を選び出すことができると考えられます。本成果は iPS 細胞株の品質管理方法として心筋再生医療の実用化に貢献することが期待されます。


図 1. 本研究の概念図

・研究の背景
ヒト iPS 細胞は様々な細胞へ分化しうる多能性を持つことから、再生医療や薬剤スクリーニングへの応用が進みつつあります。一方、iPS 細胞は株の種類により、各組織への分化しやすさが異なることが明らかとなり、目的とする組織に最適な iPS 細胞株を選択する必要があります。大阪大学大学院医学系研究科 心臓血管外科の澤 芳樹 教授らのグループは、これまで臨床用 iPS 細胞株から心筋細胞を大量に効率的に分化誘導する技術を確立し、心筋再生医療の実用化に取り組んでおります。国立医薬品食品衛生研究所 佐藤 陽治 部長らは大阪大学大学院医学系研究科 心臓血管外科および理化学研究所科技ハブ産連本部 予防医療・診断技術開発プログラムと共同し、心筋細胞の原料となる最適な iPS 細胞株を選ぶための新たな品質管理方法を検討しました。

・研究の概要と成果
本研究では、iPS 細胞株の 6 株(トレーニングセット)からそれぞれ心筋細胞へ分化誘導を行うと、株ごとに分化しやすさが異なることが明らかになりました。さらに、分化しやすい iPS 細胞株では分化しにくい iPS 細胞株と比べて、分化誘導後の心筋細胞に残存する未分化 iPS 細胞の割合が少ないことも明らかとなり、iPS 細胞株を選ぶことの重要性が示唆されました(図 2)。
次に、図 3 に iPS 細胞株を選択するためのバイオマーカーの探索フローを示しました。まず、トレーニングセットの iPS 細胞 6 株を心筋細胞へ分化しやすい iPS 細胞株と分化しにくい iPS 細胞株に分類しました。それぞれの iPS 細胞株の「未分化状態における各遺伝子発現量」を CAGE 解析、mRNA アレイ解析、microRNA アレイ解析を行い、バイオマーカー候補遺伝子を抽出しました(図 4)。その後、これらバイオマーカー候補遺伝子を用いて心筋細胞への分化能が判別可能かどうかを、改めて用意した iPS 細胞 13 株(テストセット)で検証しました。テストセットの iPS 細胞株も分化しやすい iPS 細胞株群と分化しにくい iPS 細胞株の 2 つの群に分けて、バイオマーカー候補遺伝子の発現量を比較した結果、分化しやすさと有意に相関した遺伝子として CXCL4/PF4 があり、バイオマーカーとしての妥当性が示唆されました(図 5)。なお、分化誘導前に CXCL4/PF4 遺伝子の産物である血小板因子 4 (PF4)で iPS 細胞を刺激しておくと、心筋細胞への分化効率が上昇することも明らかとなり、PF4 が心筋細胞への分化を促進する薬理的作用を持つことも示唆されました。

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