JP2018057383A - 大腸上皮幹細胞の単離・培養技術と、これを用いた大腸上皮移植技術 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)特定の処理工程を用いることによって、マウスやヒトなどの哺乳動物の大腸組織から、大腸上皮幹細胞を効率よく単離し得ること。
(b)従来は、大腸上皮幹細胞を無血清培地にてインビトロで培養する場合、基本培地成分(糖類などの炭素源、アミノ酸などの窒素源、無機塩)に加えて、ガストリン、A83−01(TGF−β 1型受容体キナーゼ阻害剤)、SB202190(p38阻害剤)、及び、B−27supplementなどが必須な成分であると考えられており、中でも、B−27 supplementは特に必要不可欠であると考えられていた。しかし、それらの成分を用いずとも、基本培地成分に加えて、血清アルブミン、Wnt3a、及び、r−spondin−1を用いれば、無血清培地による培養であっても、マウスやヒトなどの哺乳動物の大腸組織から単離した大腸上皮幹細胞等をインビトロで長期間維持、増幅し得ること。
(c)デキストラン硫酸ナトリウム(DSS)を投与して急性大腸炎を発症させたマウスの大腸に、インビトロで維持、増幅した大腸上皮幹細胞等を、開発した特定の投与手法で投与したところ、大腸上皮幹細胞等がマウスの大腸に生着し、急性大腸炎の回復を促進し得ること。
(1)血清アルブミン、Wnt3a、及び、r−spondin−1を含有する、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞のインビトロ培養用培地や、
(2)上皮細胞増殖因子(EGF)、肝細胞増殖因子(HGF)、Noggin、インスリン、トランスフェリン、亜セレン酸塩、ピルビン酸ナトリウム、抗酸化剤、コレラ毒素、核酸、セルロプラスミン、ビタミン、及び、血清からなる群から選択される1種又は2種以上をさらに含有する、上記(1)に記載の培地や、
(3)血清を含有しない、上記(1)又は(2)に記載の培地や、
(4)大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞が、哺乳動物の大腸へ移植するためのものである、上記(1)〜(3)のいずれか1つに記載の培地に関する。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の培地と、細胞外基質とを用いて、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を培養する工程Zを含む、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞をインビトロで培養する方法や、
(6)工程Zにおける大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞として、以下の工程A〜Dの工程をその順序で含む方法で単離される大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を用いる、上記(5)に記載の方法;
工程A:大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む大腸組織を、哺乳動物の大腸から採取する工程;
工程B:コラゲナーゼ、ディスパーゼ及び還元剤を用いて、大腸組織を消化処理する工程;
工程C:消化処理した大腸組織の組織片を破砕処理する工程;
工程D:破砕処理した大腸組織について濃度勾配遠心法を適用して、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む画分を得る工程;や、
(7)哺乳動物の大腸へ移植するための大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞をインビトロで培養する方法である、上記(5)又は(6)に記載の方法に関する。
(8)上記(5)〜(7)のいずれか1つに記載の方法で培養して得られる大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含有する、腸疾患の予防・治療剤に関する。
(9)以下の工程A〜Dの工程をその順序で含む、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞の単離方法;
工程A:大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む大腸組織を、哺乳動物の大腸から採取する工程;
工程B:コラゲナーゼ、ディスパーゼ及び還元剤を用いて、大腸組織を消化処理する工程;
工程C:消化処理した大腸組織の組織片を破砕処理する工程;
工程D:破砕処理した大腸組織について濃度勾配遠心法を適用して、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む画分を得る工程;
に関する。
本発明の「大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞のインビトロ培養用培地」(以下、単に「本発明の培地」とも表示する。)としては、基本培地成分(糖類などの炭素源、アミノ酸などの窒素源、無機塩)に加えて、血清アルブミン、Wnt3a、及び、r−spondin−1(以下、これらの3成分をまとめて、単に「必須3成分」とも表示する。)を含有している培地である限り特に制限されない。大腸上皮幹細胞等の培養に、かかる成分を含有している培地を用いると、血清を含有していなくても、大腸上皮幹細胞等をインビトロで長期間維持、増幅することができ、また、大腸上皮幹細胞の幹細胞性も維持することができる。また、本発明によれば、組成にばらつきがある血清を使用せずにすむため、より低コストで、安定的に大腸上皮幹細胞等を培養することができる。ここで、本発明の大腸上皮幹細胞等とは、大腸上皮幹細胞と大腸上皮細胞を含む細胞混合物をもその範囲に含むものであり、細胞混合物である場合、大腸上皮幹細胞の含有比率が5%以上、10%以上、20%以上、30%以上、40%以上、50%以上、60%以上、80%以上のものを例示することができる。
なお、インスリン、トランスフェリン及び亜セレン酸塩をいずれも含む市販品として、Invitrogen社製のインスリン-トランスフェリン-亜セレン酸混合液(ITS)を好適に例示することができる。
本発明の「大腸上皮幹細胞等をインビトロで培養する方法」(以下、単に「本発明の培養方法」とも表示する。)としては、本発明の培地と、細胞外基質とを用いて、大腸上皮幹細胞等を培養する工程Zを含んでいる限り特に制限されず、かかる細胞外基質としては、I型〜VIII型の各種コラーゲンや、マトリゲルを例示することができ、中でも、肉腫細胞などの培養がん細胞が産生する物質を含んでおらず、哺乳動物へ移植した際の安全性が高い点で、コラーゲンを好適に例示することができ、中でも、移植により適した大腸上皮幹細胞等が選られうる点で、I型コラーゲン(コラーゲンI)をより好適に例示することができる。かかる各種コラーゲンやマトリゲルは市販のもの(例えば、Nitta Gelatin Inc.社製のコラーゲンや、BD bioscience社製のマトリゲル)を使用することができる。なお、マトリゲルは、Engelbreth-Holm-Swarm(EHS)マウス肉腫細胞から抽出した細胞外基質であり、ラミニン、コラーゲンIV、ヘパラン硫酸プロテオグリカン、エンタクチン/ニドジェンを主成分とし、さらに、TGF−β、インシュリン様成長因子、線維芽細胞増殖因子、組織プラスミノーゲン活性化因子など、EHS肉腫細胞に自然に産生される他の増殖因子も含んでいる。
工程m:本発明の培地を除去する工程;
工程n:大腸上皮幹細胞等を含む細胞外基質(好ましくはコラーゲン、より好ましくはI型コラーゲン)を採取する工程;
工程o:大腸上皮幹細胞等を含む細胞外基質を、細胞外基質の分解酵素(好ましくはコラゲナーゼ、より好ましくはコラゲナーゼXI)を含む緩衝液(好ましくはDMEM)中に含有させて、分解酵素が分解活性を発揮する条件下で酵素処理し、細胞外基質を分解する工程;
工程p:大腸上皮幹細胞等を含む細胞外基質を緩衝液(好ましくはHanks' Balanced Salt Solution(HBSS))で洗浄する工程;
工程q:大腸上皮幹細胞等をタンパク質分解酵素(好ましくはトリプシン)溶液中に含有させて、タンパク質分解酵素が分解活性を発揮する条件下で酵素処理し、大腸上皮幹細胞等を細胞毎に分散させる工程;
工程r:大腸上皮幹細胞等をDMEMで洗浄する工程;
工程s:洗浄した大腸上皮幹細胞等を、細胞外基質溶液(好ましくはコラーゲン溶液、より好ましくはI型コラーゲン溶液)に懸濁した後、かかる懸濁溶液を半固形化(ゲル化、ゾル化など)させることによって、大腸上皮幹細胞等を細胞外基質に3次元的に包埋させる工程;
工程t:かかる包埋物に、本発明の培地中を添加する工程;
を含む継代方法をより好適に例示することができ、中でも、後述の段落[0064]や段落[0076]に記載された継代方法を特に好適に例示することができる。
本発明の「腸疾患の予防・治療剤」(以下、単に「本発明の予防・治療剤」とも表示する。)としては、本発明の培養方法で培養して得られる大腸上皮幹細胞等を含有している限り特に制限されず、かかる腸疾患として具体的には、潰瘍性大腸炎、クローン病などの炎症性腸疾患や、化学療法による腸管傷害や、放射線腸炎等を例示することができる。かかる本発明の予防・治療剤を投与すると、大腸上皮幹細胞等が大腸上皮に生着し、大腸上皮の傷害を予防・治療することができる。本明細書における「腸疾患の予防・治療効果」とは、腸疾患の予防効果、若しくは、腸疾患の治療効果、又は、腸疾患の予防及び治療効果を含み、腸疾患の予防効果としては、腸疾患の発症を予防する効果や、腸疾患の発症を遅延する効果などを含み、腸疾患の治療効果としては、腸疾患の症状を改善する効果や、腸疾患の症状の悪化を防止若しくは遅延する効果などを含む。
本発明における「大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞の単離方法」(以下、単に「本発明の単離方法」とも表示する。)としては、以下の工程A〜Dの工程をその順序で含んでいる限り特に制限されない。
工程A:大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む大腸組織を、哺乳動物の大腸から採取する工程;
工程B:コラゲナーゼ、ディスパーゼ及び還元剤を用いて、大腸組織を消化処理する工程;
工程C:消化処理した大腸組織の組織片を破砕処理する工程;
工程D:破砕処理した大腸組織について濃度勾配遠心法を適用して、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む画分を得る工程;
工程u:採取した大腸組織を、ペニシリン、ストレプトマイシン、ゲンタマイシン等の抗生物質を含む緩衝液(好ましくはHBSS)中、好ましくは、氷上で4℃に冷却されたかかる緩衝液中に浸す工程;
工程v:大腸組織を振盪して大腸組織を洗浄する工程、好ましくは、抗生物質入り緩衝液を入れ替えてから大腸組織を再度振盪して大腸組織を洗浄する工程;
工程w:洗浄した大腸組織を緩衝液から分離し、その大腸組織をミンチ状、細切れ状などに裁断する工程;
工程x:工程Cで得たペレットを、ソルビトールを含有するDMEMに懸濁した後、メッシュ(好ましくはメッシュサイズ300μmのメッシュ)を通して粗大組織を除去する工程;
工程y:粗大組織を除去した大腸上皮幹細胞等を、ソルビトールを含有するDMEMに懸濁した後、遠心分離し、ペレットを洗浄する工程;
本発明の他の態様には、血清アルブミン、Wnt3a、及び、r−spondin−1の、大腸上皮幹細胞等のインビトロ培養用培地の製造における使用や、本発明の予防・治療剤を、哺乳動物に投与する工程を含む、腸疾患の予防・治療方法や、本発明の培養方法で培養して得られる大腸上皮幹細胞等の、腸疾患の予防・治療のための薬剤の製造における使用や、本発明の培養方法で培養して得られる大腸上皮幹細胞等を、哺乳動物の大腸に移植する方法や、本発明の培養方法を含む、哺乳動物の大腸に移植するための大腸上皮幹細胞等の製造方法や、本発明の培養方法で培養して得られる大腸上皮幹細胞等を、哺乳動物の大腸に移植する工程を含む、腸疾患の予防・治療方法なども含まれる。
本実施例では、以下のマウスを用いた。
C57BL/6−Ly5.2 RAG−2ノックアウト(RAG2−/−)マウス(Taconic Farms社製又はCentral Laboratories for Experimental Animals社製);ニワトリβ−アクチンプロモーター及びサイトメガロウイルスエンハンサーの制御下でEGFPが発現するEGFPトランスジェニックマウス(Okabe, M., Ikawa, M., Kominami, K., Nakanishi, T. & Nishimune, Y. 'Green mice' as a source of ubiquitous green cells. FEBS Lett 407, 313-319 (1997));Lgr5−EGFP−IRES−CreERT2マウス(Barker, N., et al. Identification of stem cells in small intestine and colon1 by marker gene Lgr5. Nature 449, 1003-1007 (2007);Jackson LabよりStock No. 008875として購入可能);R26R−Confettiマウス(Snippert, H.J., et al. Intestinal crypt homeostasis results from neutral competition between symmetrically dividing Lgr5 stem cells. Cell 143, 134-144 (2010))
大腸陰窩の単離は、7〜9週齢の成体マウスを用いて以下の手順に従って行った。まず、大腸全体を回収し、ペニシリン100U/mL、ストレプトマイシン100μg/mL、及びゲンタマイシン50μg/mLを含有するハンクス平衡塩溶液(HBSS)を用いて内腔内容物を洗い流した。なお、これらの抗生物質は、以下の工程で用いる全ての溶液に添加した。大腸組織をHBSS中で繰り返し洗浄し、小片に切り刻んだ後、ダルベッコ変法イーグル培地(DMEM)に1%FBSを添加した培地(完全DMEM)に、XI型コラゲナーゼ500U/mL(Sigma社製)、ディスパーゼ0.4U/mL(Roche社製)及び1mMジチオスレイトール(DTT)を加えた培地12.5mLに懸濁した。かかる懸濁液を37℃で15分間振盪することにより、酵素反応処理を行った。未消化断片をさらに細かくするため、組織断片を18ゲージ針に10回通した。その後、完全DMEMを10mL加え、管を激しく振盪した後、重力下で1分間静置した。陰窩懸濁液の上部10mLを新しい管に移した後、残存ペレットを18ゲージ針にさらに5回通し、完全DMEMをさらに10mL加えた。この手順を5回繰り返し、懸濁中の遊離大腸陰窩を合わせて遠心分離した。遠心分離により得られた沈殿物を、30%パーコール(GE Healthcare社製)/HBSS溶液10mLに懸濁した後、860gで5分間遠心分離した。かかるパーコール密度勾配遠心分離法により、細胞破片、脂肪及び線維状物質のほとんどが溶液上部に分離していたことから、大腸陰窩を濃縮することができた。さらに、細菌又は単一の細胞をかかる大腸陰窩から除くため、2%D−ソルビトールを含有する完全DMEM10mLに上記大腸陰窩を再懸濁し、300gで3分間遠心分離した。遠心分離により得られた沈殿物を70μmのセルストレイナー(BD Bioscience社製)に通すことにより、細菌や単一の細胞など大きな物質を除去した。精製した大腸陰窩を遠心分離し、アドバンストDMEM/F12(Invitrogen社製)で洗浄した後、大腸陰窩数をカウントした。なお、上記のように精製した大腸陰窩を遠心分離することにより得られた沈殿物を、培養に用いた。
大腸陰窩の培養は、以下に示した「TMDUプロトコール」における培養方法を用いて行った。2000個の大腸陰窩をI型コラーゲン溶液(Nitta Gelatin Inc.社製)200μLに懸濁し、48ウエルプレートに載置した。コラーゲンの重合後、各ウエルに、1%BSA(Sigma社製)、30ng/mLのmWnt3a(R&D Systems社製)、500ng/mLのマウス(m)Rspo1(R&D Systems社製)、20ng/mLのmEGF(Peprotech社製)、50ng/mLのmHGF(R&D Systems社製)及び50ng/mLのmNoggin(R&D Systems社製)を含有する500μLのアドバンストDMEM/F12を加えた(TMDU培地)。この培地を2日毎に交換した。継代を行うため、XI型コラゲナーゼを含有するDMEMにおいて全ゲルを37℃で5分間消化し、回収したオルガノイドをBSA含有PBSで洗浄した。このオルガノイド沈殿物を2mMのEDTA及び0.5%BSAを含有するPBSに懸濁し、激しく振盪した。これにより脱凝集した大腸オルガノイド小塊をI型コラーゲン溶液と混合して継代培養に使用した。単一細胞から複数細胞よりなる細胞塊までの継代培養に用いる細胞塊の大きさは、顕微鏡下で観察しながらEDTA処理時間を調節した。細胞増殖後の最初の2日間、Rhoキナーゼ阻害剤Y−27632を10μMで加えた。杯細胞の分化を誘導する場合には、γ−セクレターゼ阻害剤LY−411,575(100nM)で大腸オルガノイドを所定期間にわたり処理した。
カルノア固定液を用いて染色体核型解析を行った。継代手順と同様の方法で大腸オルガノイドから細胞を回収した。遠心分離後、75mM KCl溶液に細胞を再懸濁し、37℃で15分間インキュベートした。その後、遠心分離を行い、メタノール−酢酸(3:1)溶液に細胞を再懸濁することにより細胞を固定した。固定した細胞を含んだメタノール−酢酸(3:1)溶液をスライドグラス上に滴下し、風乾した後、DAPIで染色体を染色して顕微鏡観察を行った。全部で10の分裂中期の細胞について染色体数をカウントした。
単離した大腸陰窩、成長中の大腸オルガノイド、及びレシピエントマウスの全大腸組織の画像は、PlanApo 4×0.2NA又はPlanApo 20×0.75NA対物レンズ(Nikon社製)及び位相差設定を備えた蛍光顕微鏡(BZ−8000、KEYENCE社製)を用いて取得した。また、大腸損傷組織上に移植された上皮画像のいくつかは、蛍光立体顕微鏡システムMVX10(Olympus社製)を用いて取得した。また大腸上皮切片の蛍光画像は、UplansApo 10×0.4NA又はUplansApo 20×0.75NA対物レンズ(Olympus社製)を備えた蛍光顕微鏡IX−71(Olympus社製)とDeltaVisionシステム(Applied Precision社製)を用いて取得した。組織学的及び免疫組織化学的解析を行うための凍結切片は、コラーゲンゲル中の組織及び大腸オルガノイドを4%パラホルムアルデヒドで4℃にて一晩固定した後、10%、15%及び20%のスクロースを含むPBS中で連続脱水し、凍結組織包埋剤(OCTコンパウンド、Tissue Tek社製)中で凍結することにより作製した。6μm厚さの凍結切片を、従来法のH&E染色法、アルシアンブルー染色法、及び免疫組織化学法を用いて解析した。
増殖中の大腸オルガノイドを含むI型コラーゲンゲルを、2.5%グルタルアルデヒドを含有する0.1M PBSで2時間固定した後、0.1M PBS緩衝液中で4℃、一晩洗浄し、1%OSO4を含む0.1M PBSで2時間後固定を行い、その後段階希釈したエタノールで脱水し、Epon 812に包埋した。超薄切片(90nm)を銅グリッド上に回収し、酢酸ウラニル及びクエン酸鉛で二重染色した後、透過型電子顕微鏡(H−7100、日立株式会社製)を用いて解析した。
リアルタイムイメージングはDeltaVisionシステムを用いて行った。顕微鏡ステージにガラス底の培養皿を設置し、CO25%及び空気95%からなるプレミックスされた加湿性ガスが持続注入されたチャンバーで上記培養皿を覆い、さらにこれら全体を37℃に設定した温度制御チャンバーで覆った。リアルタイム画像として、20分間隔で微分干渉(DIC)画像及び蛍光画像を取得した。これらの画像データは、softWorx(Applied Precision社製)で処理し、必要に応じてAdobe(登録商標) Photoshop(登録商標) Elements 7.0(Adobe社製)を用いて画像編集を行った。
TRIzol試薬(Invitrogen社製)を用いて全RNAを単離し、かかる全RNA1μgを用いて21μL反応系でcDNAを合成した。cDNA1μLを用いて25μL反応系でPCRによりDNAを増幅した。なお、PCRに用いたプライマー配列及び半定量PCRの条件を以下の表1に示す。PCR産物をアガロースゲル上で分離し、臭化エチジウムで染色した後、ImageQuant TL system(GE Healthcare社製)で視覚化した。
Lgr5−EGFP−IRES−CreERT2マウスと交配させたR26R−Confettiマウスにタモキシフェン5mgを注入し、cre誘導の3日後に大腸陰窩を単離した。上皮細胞をTrypLE expres(Invitrogen社製)を用いて37℃で2時間解離し、20μmの細胞ストレイナー(Celltrix社製)に通し、PBSで洗浄し、MoFlo(DakoCytomation社製)で解析した。前方散乱、側方散乱、及びパルス幅パラメータにより細胞集団をゲーティングし、ヨウ化プロピジウム又は7−ADD(eBioscience社製)に対するネガティブ染色で死細胞を排除した。EGFP及びRFPに二重陽性を示す細胞をソーティングし、マトリゲル(BD bioscience社製)に包埋し、96ウエルプレートに播種した。ペニシリン/ストレプトマイシン、10mMのHEPES、Glutamax、1×N2、1×B27(全てInvitrogen社製)及び成長因子(EGF50ng/mL、noggin100ng/mL、R−spondin1μg/mL)を添加したアドバンストDMEM/F12をWnt3a条件培養液で1:1に希釈し、大腸陰窩培養培地(Hubrecht培地)として使用した。アノイキス(Anoikis)を防ぐため、最初の2日間はROCK阻害薬であるY−27632(10μM)を含めた。2日毎に成長因子を加え、4日毎に培地全体を交換した。
移植用のEGFP+細胞として、大腸組織から単離した細胞をTMDUプロトコールにおける培養方法に基づき5日又は8日間培養したものを用いた。単一のLgr5+細胞由来大腸オルガノイドの移植用として、ソーティングしたEGFP+/RFP+細胞をHIプロトコールに基づき5〜10週間増殖させた後、Recovery TM cell culture freezing medium(GIBCO社製)中で凍結保存した。かかる細胞を凍結解凍して用いる場合、少なくとも5週間HI(Hubrecht)プロトコールに基づいて培養するとともに、移植の1週間前にはTMDUプロトコールにおける培養方法に変更して培養を行った。急性大腸炎の誘導は、3.0%DSS(分子量10,000;Ensuiko Sugar Refining Co.社製)が溶解した飲料水を、RAG2−/−マウスに5日間(1〜5日目)給餌することにより行った。大腸炎の重篤度の評価は、マウスの体重を測定することにより行った。DSS投与開始から7日後及び10日後、I型コラーゲンゲルからドナー大腸オルガノイドを回収し、EDTAを用いて細胞間接着を解離させ、BSA含有PBSを用い、継代手順と同様にして洗浄した。約500個のオルガノイドから得られる量に相当する細胞小塊をPBSで希釈したマトリゲル(1:20)200μLに再懸濁した。この細胞懸濁液を、シリンジと長さ4cm及び直径2mmの薄型弾力性カテーテルとを用いて大腸内腔に注入した。注入後、内腔内容物が直ちに排出されるのを防ぐため、肛門縁を6時間接着した。10日目の移植以降は、屠殺して解析するまでの間、マウスを通常通り維持した。
透過性プローブとして用いられている非代謝性高分子のTRITC−デキストラン(分子量4.4kDa;Sigma社製)を投与し、腸透過性を評価した。屠殺4時間前の移植マウス及び偽移植マウスにTRITC−デキストラン(4mg/体重10g)を、チューブを用いて経口的に消化管内投与した。屠殺時に心穿刺により全血を取得し、EGFP+移植片の有無について大腸組織を調べた。TRITC−デキストラン測定は、TRITC−デキストランを含むPBS溶液の連続希釈液を標準曲線として用い、ARVO MX(PerkinElmer社製)を用いて2回ずつ行った。
(1)ヒト大腸上皮幹細胞の単離法
1)大腸内視鏡検査施行時に通常の組織検査施行と同様の鉗子を用い、径5〜6mm程度のヒト大腸組織を採取した。
2)抗生物質(antibiotics、以下Abと略す;100U/mL ペニシリン、100mg/mL ストレプトマイシン、50mg/mL ゲンタマイシン)を含むHBSSをチューブに入れて、あらかじめ氷上で4℃に冷やしておいたものに、直ちにヒト大腸組織を移した。
3)4℃の低温を保ったまま、速やかに内視鏡室から研究室へ移送した。
4)ヒト大腸組織をHBSS+Abで2回、チューブを震盪し洗浄した。
5)ペトリ皿上へヒト大腸組織を移し、HBSS+Ab液を取り除きながら、カミソリ刃で細切した。
6)細切断したヒト大腸組織を、ダルベッコ変法イーグル培地(DMEM)に1%FBSを添加した培地(完全DMEM)に、XI型コラゲナーゼ500U/mL(Sigma社製)、ディスパーゼ0.4U/mL(Roche社製)及び1mMジチオスレイトール(DTT)を加えた培地12.5mLに懸濁した後、50mLファルコンチューブ(BD社製)に移した。
7)37℃で震盪させながら7分間消化処理を行なった。
8)消化処理後、8G針付き10mLシリンジで10回さらに細切した。
9)2%D−ソルビトールを含有する血清(−)DMEM+Ab20mLを加え、1180rpmで3分間遠心処理した。
10)得られた沈殿物ペレットを、30%パーコール(GE Healthcare社製)/HBSS溶液10mLに懸濁した後、15mLチューブへ移し、2000rpmで5分間遠心した。
11)得られた沈殿物ペレットを、2%D−ソルビトールを含有する血清(−)DMEM+Ab10mLに懸濁した後、300μmメッシュを通し粗大組織を除去し、15mLのstemfullチューブ(住友ベークライト社製)に回収した。
12)血清(−)DMEM+Ab10mLを加え、1500rpmで3分間遠心する洗浄操作を2回繰り返した。
13)得られた大腸陰窩数をカウントした。
1)培養プレート(24ウエル)の1ウエルあたりに適量の大腸陰窩が分配されるよう、I型コラーゲン溶液(新田ゼラチン社製)に混和した。
2)1ウエルに対して細胞−I型コラーゲン溶液の混合液50μLを、培養皿の中央にドーム状の形状になるよう滴下した。
3)37℃で30分間静置し、コラーゲンのゲル化を確認したら培地(下記に示す)500μLを入れた。
4)培地交換は、3日おきに行なった。
1)6−10日毎に、大腸オルガノイドが大きくなったタイミングで継代を行なった。
2)細胞を含むゲルを破壊しないように周囲の培地を完全に吸引した。
3)2mLピペットを用いてゲルを吸引しながら培養皿から剥がし、15mLのstemfullチューブに回収した。
4)血清(−)DMEM+XI型コラゲナーゼ500U/mL(Sigma社製、c4785、130μL/1000μL)を加えた。
5)37℃で5分間振盪してコラーゲンゲルを消化処理した。
6)HBSS10mLで1回洗浄し、2000rpmで3分間遠心処理した。
7)Trypsin/EDTA(GIBCO社製)3mLを加えて、37℃で5分間振盪した。
8)顕微鏡で観察しながら、大腸オルガノイドが細胞クラスターに分散されるまで3−5回振盪した。
9)血清(−)DMEM10mLで2回洗浄し、2000rpmで3分間遠心処理した。10)I−A型コラーゲン溶液50μL/ウエルで混和し、コーティーング済み24ウエル培養皿に45μLずつ培養皿の中央にドーム状に播種した。
11)37℃で30分間培養し、コラーゲンがゲル化していることを確認したら培養液500μLを加えた。
12)培地交換は、3日おきに行なった。
ヒト大腸上皮幹細胞の単離法・培養法・継代維持法における培地として、以下の表2記載の組成の培地などを用いた。
実験データは平均値±SEMで表す。統計解析は、Paired studentT検定又はMann-Whitney U検定により、それぞれのグループ間を比較して行った。比較における統計的有意性は、P<0.05とした。
酵素(Booth, C., Patel, S., Bennion, G.R. & Potten, C.S. The isolation and culture of adult mouse colonic epithelium. Epithelial Cell Biol 4, 76-86 (1995))、還元剤(Whitehead, R.H., Demmler, K., Rockman, S.P. & Watson, N.K. Clonogenic growth of epithelial cells from normal colonic mucosa from both mice and humans. Gastroenterology 117, 858-865 (1999))及び機械的破砕により、成体マウスの大腸組織から、非上皮組織成分をほとんど含まない大腸陰窩を単離することができた。かかる大腸陰窩の遺伝子発現解析を行ったところ、終末分化マーカー遺伝子(MUC2、CAII及びCgA)を発現する細胞及びLgr5+細胞の両者を含むE−カドヘリン陽性上皮細胞が回収されていることや、α−SMA陽性筋線維芽細胞等の非上皮細胞は効率的に除去されることが明らかになった。
また、「TMDUプロトコール」における培養方法を用いて大腸陰窩細胞の増殖の様子を観察すると、大腸陰窩細胞が急速に増殖し、閉鎖内腔空間を有する球形の嚢胞構造を形成し、オルガノイドを形成することが明らかとなった(図1a)。また、大腸陰窩細胞を培養維持する上で、Wnt3a、Rspo1及びBSAが必要かどうか検証したところ、これらいずれの1つを欠いた場合、大腸陰窩細胞を培養維持できないことが明らかとなった(図2a)。この結果は、Wnt3a、Rspo1及びBSAの3因子が、大腸陰窩細胞の培養維持に必要不可欠であることを示している。他方、Noggin、EGF及びHGFの3因子は、必須ではないものの、それぞれが大腸陰窩細胞の細胞増殖を促進した(図2b)。
さらに、EGFP+細胞には、損傷部位の端部でレシピエントの上皮と結合するものや(図4d、白抜き矢頭及び白矢頭)、レシピエント大腸上皮がない領域に付着するものが認められた(図4e、白抜き矢頭及び白矢頭)。これらの結果は、外因的に供給された本発明における大腸上皮幹細胞は、種々のパターンをもってレシピエントの大腸上皮損傷を補うことができることを示している。また、本発明における大腸上皮幹細胞の移植を受けたレシピエントマウスは、偽移植されたマウスよりも体重が早く回復することが示された(図4f、12、13及び14日目;p<0.05)。この結果は、本発明における大腸上皮幹細胞は、大腸上皮の損傷をレスキューすることを示すとともに、急性大腸炎の回復を促進することを示している。
一方、図5dの左のグラフには、本発明における大腸上皮幹細胞移植マウス群(DSS(+) engraft(+))と、偽移植コントロールマウス群(DSS(+)sham)の血中TRITC値をそれぞれ示す。いずれの値も、DSS投与の開始から38日目であって、移植あるいは偽移植の開始から既に4週間経過後のものである。移植から4週間経過後という時期は、偽移植コントロールマウス群(DSS(+)sham)では、内因性の大腸上皮幹細胞により、大腸上皮が既に再生されている時期に相当する。図5dの左のグラフの結果から、本発明における大腸上皮幹細胞移植マウス群(DSS(+) engraft(+))の血中TRITC値は、偽移植コントロールマウス群(DSS(+)sham)と有意な差が認められないことが明らかとなった。このことは、本発明における大腸上皮幹細胞が移植された大腸粘膜が、デキストランなどの大きな分子を透過させないという上皮バリア機能に重要な上皮の完全性(epithelial integrity)を維持していることを示している。すなわち、これらの結果は、本発明における外来性の大腸幹細胞等も、内因性の大腸上皮幹細胞と同様に、生体内で増殖し、正常なバリア機能を有する上皮の完全性を備えることができることを示している。なお、大腸上皮幹細胞を移植しても、必ずしも全例で生着しないため、本発明における大腸上皮幹細胞移植マウス群(DSS(+) engraft(+))では、開腹して大腸を観察し、本発明における大腸上皮幹細胞由来のEGFP陽性移植片が確認された固体のみを選別して、図5dの左のグラフにおける血中TRITC値の統計処理に用いている。
本発明において、インビトロで培養した本発明における大腸上皮幹細胞は、損傷を受けた大腸上皮を修復するための幹細胞療法に利用できることを証明している。移植された大腸上皮幹細胞は、上皮傷害を受けた大腸組織において、欠損した上皮を補充するごとく上皮欠損部に接着し被覆する。また、本発明における大腸上皮幹細胞の移植を受けたレシピエントは、未移植のコントロールよりも回復期体重増加が大きいことから、本発明における大腸上皮幹細胞を移植に用いると、DSS誘導性急性大腸炎の重篤度を低減することが示される。これらの結果より本発明は、消化管上皮幹細胞をインビトロで数を増やしつつ培養し、その後に移植することで、重篤な消化管上皮損傷を有する疾患の治療として有望な選択肢であることを示すものである。
Claims (9)
- 血清アルブミン、Wnt3a、及び、r−spondin−1を含有する、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞のインビトロ培養用培地。
- 上皮細胞増殖因子(EGF)、肝細胞増殖因子(HGF)、Noggin、インスリン、トランスフェリン、亜セレン酸塩、ピルビン酸ナトリウム、抗酸化剤、コレラ毒素、核酸、セルロプラスミン、ビタミン、及び、血清からなる群から選択される1種又は2種以上をさらに含有する、請求項1に記載の培地。
- 血清を含有しない、請求項1又は2に記載の培地。
- 大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞が、哺乳動物の大腸へ移植するためのものである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の培地。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の培地と、細胞外基質とを用いて、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を培養する工程Zを含む、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞をインビトロで培養する方法。
- 工程Zにおける大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞として、以下の工程A〜Dの工程をその順序で含む方法で単離される大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を用いる、請求項5に記載の方法;
工程A:大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む大腸組織を、哺乳動物の大腸から採取する工程;
工程B:コラゲナーゼ、ディスパーゼ及び還元剤を用いて、大腸組織を消化処理する工程;
工程C:消化処理した大腸組織の組織片を破砕処理する工程;
工程D:破砕処理した大腸組織について濃度勾配遠心法を適用して、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む画分を得る工程; - 哺乳動物の大腸へ移植するための大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞をインビトロで培養する方法である、請求項5又は6に記載の方法。
- 請求項5〜7のいずれか1項に記載の方法で培養して得られる大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含有する、腸疾患の予防・治療剤。
- 以下の工程A〜Dの工程をその順序で含む、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞の単離方法;
工程A:大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む大腸組織を、哺乳動物の大腸から採取する工程;
工程B:コラゲナーゼ、ディスパーゼ及び還元剤を用いて、大腸組織を消化処理する工程;
工程C:消化処理した大腸組織の組織片を破砕処理する工程;
工程D:破砕処理した大腸組織について濃度勾配遠心法を適用して、大腸上皮幹細胞及び/又は大腸上皮細胞を含む画分を得る工程;
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