JP2019506861A - マイクロ流体装置における腸細胞の成長のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の目的のために、次の用語を以下に定義する。
胎児発育の重大な時期における高レベルの人工内分泌攪乱化学物質(EDC)へのヒトの持続的な曝露は、内分泌組織前駆細胞における代謝ホメオスタシスの長期的な撹乱をもたらし得るものであり、したがって、小児期の肥満に寄与し得る。ヒトの腸及び脳の内分泌組織におけるEDC誘発性発達異常を試験するための実行可能なプラットフォームは存在しない。したがって、本発明者らは、パーフルオロオクタン酸(PFOA)、トリブチルスズ(TBT)、及び、ブチルヒドロキシトルエン(BHT)を含む、本発明者らの食料及び上水道を汚染する一般的なEDCに対する低用量慢性曝露の効果を決定するためのプラットフォームを、2つのヒト誘導多能性幹細胞(hiPSC)に由来する内分泌組織、すなわち前腸上皮細胞(iFGE)及び神経ペプチド視床下部ニューロン(iHTN)を用いて開発した。
本明細書には、3つの異なるEDCのそれぞれ、パーフルオロオクタン酸(PFOA)、トリブチルスズ(TBT)、及びブチルヒドロキシトルエン(BHT)と、それらの組み合わせによる効果が記載される。PFOAは、フルオロポリマーにおける界面活性剤であることが知られており、いつまでも環境中に残留することが知られている。2007年の調査では、米国の人口の約98%が、血液中に検出可能なレベルのPFOAを保有しており、産業廃棄物、耐汚染性カーペット、ハウスダスト、水、及び、調理器具のコーティングを介して、それらの曝露を受ける可能性がある。有機スズであるTBTは、生物の付着から船舶を保護するための塗料に用いられる防汚剤として使用されている。しかしながら、ハウスダストに存在することが、ヒトに対する曝露への主要な原因となっている。BHTは、一般的な食品添加物、パーソナルケア製品成分、及び、化粧品成分、農薬、プラスチック、及び、ゴムの成分である。しかしながら、これは、一般的に消費される朝食シリアル商品での抗酸化剤としても利用されている。ヒト誘導多能性幹細胞(hiPSC)の使用は、腸及び視床下部神経肥大ニューロンの発達に対する慢性低用量EDC曝露の有害作用と機序を解明し、そして、EDCへの子宮曝露を模倣するためのプラットフォームとして役立つ。
本明細書には、ある量の誘導多能性幹細胞(iPSC)を提供すること、及び、1つ以上の因子の存在下で培養することを含み、当該1つ以上の因子が、iPSCを分化させることができる、誘導多能性幹細胞を分化させる方法がさらに記載される。
一実施形態において、本発明は、細胞を培養する方法であって、a)上面と底面を含む膜を含む流体装置を提供すること、b)当該底面上に細胞を播種すること、及び、c)当該播種された細胞を、腸オルガノイドの増殖を助ける条件下で培養することを含む、方法を企図する。一実施形態において、当該細胞は、胃腸系の障害と診断された患者の腸組織生検試料に由来する。一実施形態において、当該細胞は、胃腸系の障害と診断された患者由来の誘導多能性幹細胞に由来する。一実施形態において、当該患者は、ヒト患者である。一実施形態において、当該胃腸障害は、過敏性腸疾患である。一実施形態において、この方法は、当該細胞を当該上面に播種すること、及び、当該上面に播種された細胞を、当該少なくとも1つの腸管絨毛構造の成熟を助ける条件下で培養することを、さらに含む。一実施形態において、当該少なくとも1つの腸管絨毛構造は、腸オルガノイドルーメンに向かって分極化する。一実施形態において、当該少なくとも1つの腸管絨毛は、インビボの腸管絨毛と形態的に類似している。一実施形態において、当該腸管絨毛は、腸細胞型を含み、当該腸細胞型として、パネート細胞、杯細胞、腸内分泌細胞、及び、腸細胞などがあるが、これらに限定されない。一実施形態において、腸細胞型は免疫細胞化学によって確認される。一実施形態において、腸細胞型は、Igr5+を含む。一実施形態において、パネート細胞は、抗菌剤を分泌する。一実施形態において、この方法は、STAT1がリン酸化されるような条件下でIFNγを腸オルガノイドに投与することを、さらに含む。一実施形態において、当該方法は、IFNγ応答遺伝子がアップレギュレートされるような条件下でIFNγを腸オルガノイドに投与することを、さらに含む。一実施形態において、当該IFNγ応答遺伝子として、IDO1、GBP4及び/またはGBP5などがあるが、これらに限定されない。一実施形態において、IFNγ投与は、腸管上皮サブタイプ特異的遺伝子をさらにアップレギュレートする。一実施形態において、腸管上皮サブタイプ特異的遺伝子として、ホスホリパーゼA2群2A及び/またはMuc4があるが、これらに限定されない。一実施形態において、当該方法は、当該腸オルガノイドにおける遺伝子発現を測定することをさらに含む。一実施形態において、当該方法は、当該腸オルガノイドにおける抗菌分泌を測定することをさらに含む。一実施形態において、本方法は、腸のオルガノイド機能に関する作用因子の影響を評価することをさらに含み、当該作用因子として、管腔微生物、免疫細胞、及び/または、サイトカインなどがあるが、これらに限定されない。
本明細書では、腸細胞の集団を含むマイクロ流体装置を製造するための方法を記載する。様々な実施形態において、当該方法は、誘導多能性幹細胞(iPSC)からヒト腸オルガノイド(HIO)の生成、及び、腸管上皮細胞をマイクロ流体装置へ播種することを含む。様々な実施形態において、当該マイクロ流体装置は、組織化した構造を有する腸細胞の集団を含み、HIOを単細胞に分離させすること、および当該単細胞を装置に加えることを含む。様々な実施形態において、当該単細胞は、装置に添加する前に、CD326+発現に基づいて精製される。様々な実施形態において、当該単細胞を当該装置に添加することは、ROCK阻害剤、SB202190、及び、A83−01の1つ以上を含む培地での再懸濁を含む。様々な実施形態において、当該HIOは、分離の前に、ROCK阻害剤の存在下で培養する。様々な実施形態において、HIOは、iPSCに由来する。様々な実施形態において、当該iPSCは、リプログラミングされたリンパ芽球様B細胞由来の誘導多能性幹細胞(LCL−iPSC)である。様々な実施形態において、当該iPSCは、炎症性腸疾患及び/または病態に罹患した対象から得られたリプログラミングされた細胞である。様々な実施形態において、iPSCからのHIOの誘導は、アクチビンA及びWnt3Aの存在下でのiPSCの培養による胚体内胚葉の生成、FGFとWnt3AまたはCHIR99021のいずれかとの存在下での胚体内胚葉の培養による後腸への分化、上皮スフィアまたは上皮チューブの回収、マトリゲルでの上皮スフィアまたは上皮チューブの懸濁、ならびにCHIR99021、ノギン、及びEGFの存在下での培養を含む。様々な実施形態において、当該組織化した構造は、絨毛を含む。様々な実施形態において、当該絨毛は、吸収細胞、杯細胞、腸内分泌細胞、及びパネート細胞からなる群から選択される1つ以上の上皮細胞株により裏打ちされている。様々な実施形態において、当該組織化した構造は、バリア機能、シトクロムP450活性、及び/または頂端粘液分泌を有する。
様々な実施形態において、この方法は、iPSCからHIOの生成を含み、当該生成は、iPSCから胚体内胚葉、上皮構造、及びオルガノイドへの分化を含む。様々な実施形態において、胚体内胚葉の誘導は、1日、2日、3日、4日、またはそれ以上の日数にわたって、アクチビンA及びWnt3AとともにiPSCを培養すること、及び、FBSの濃度を時間とともに増加させることを含む。様々な実施形態において、胚体内胚葉の誘導は、アクチビンA(例えば、100ng/ml)、Wnt3A(25ng/ml)とともに、1日、2日、3日、4日、または、それ以上の日数にわたってiPSCの培養すること、及びFBSの濃度を時間とともに(1日目、2日目、及び、3日目に、それぞれ、0%、0.2%、及び2%)増加させることを含む。例えば、胚体内胚葉の誘導は、アクチビンA(例えば、100ng/ml)、Wnt3A(25ng/ml)とともに、1日、2日、3日、4日、または、それ以上の日数にわたってiPSCを培養すること、及びFBSの濃度を時間とともに(1日目、2日目、及び、3日目に、それぞれ、0%、0.2%、及び2%)増加させることを含む。様々な実施形態において、アクチビンAの濃度は、約0〜25ng/ml、約25〜50ng/ml、約50〜75ng/ml、約100〜125ng/ml、約125〜150ng/mlを含む。様々な実施形態において、Wnt3Aの濃度は、〜約25ng/ml、約25〜50ng/ml、約50〜75ng/ml、約100〜125ng/ml、約125〜150ng/mlを含む。様々な実施形態において、FBSの経時的な濃度は、第1日目、第2日目、及び、第3日目に、それぞれ、約0%〜0.2%、約0.2%〜0.5%、約0.5%〜1%、約1%〜2%、及び、2%超である。様々な実施形態において、後腸の形成は、FBS及びFGF4とともに改良DMEM/F12などの培地で、1日間、2日間、3日間、4日間、または、それ以上の日数にわたって胚体内胚葉細胞を培養することを含む。様々な実施形態において、後腸の形成は、1日間、2日間、3日間、4日間、または、それ以上の日数にわたって、胚体内胚葉細胞を、0%〜0.2%、約0.2%〜0.5%、約0.5%〜1%、約1%〜約2%、及び、2%以上の濃度のFBS、及び約50〜100ng/ml、約100〜250ng/ml、約250〜500ng/ml、及び500ng/ml以上の濃度のFGF4を含む培地において培養することを含む。例えば、後腸の形成は、2%FBS及びFGF4(500ng/ml)とともに改良DMEM/F12などの培地で、1日間、2日間、3日間、4日間、または、それ以上の日数にわたる胚体内胚葉細胞の培養を含むことができる。様々な実施形態において、Wnt3A、CHIR99021、またはその双方が加えられる。様々な実施形態において、Wnt3Aの濃度は、約100〜250ng/ml、約250〜500ng/ml、及び500ng/mlを含み、CHIR99021の濃度は、約0.5〜1μM、約1〜1.5μM、約1.5〜2μM、または2μM、またはそれ以上が添加される。例えば、Wnt3A(500ng/ml)、CHIR99021(2μM)、または、その双方が添加される。様々な実施形態において、約3〜4日後に、この方法は、遊離懸濁上皮スフィア、及び、緩慢に付着した上皮チューブを含むオルガノイドの単離を含む。様々な実施形態において、当該単離されたオルガノイドは、マトリゲルに懸濁され、次いで、CHIR99021、ノギン、EGF、及び、B27を含有する腸培地に重層される。様々な実施形態において、当該単離されたオルガノイドは、マトリゲルに懸濁され、次いで、CHIR99021、ノギン、EGF、及び、B27を含有する腸培地に重層される。様々な実施形態において、CHIR99021の濃度は、約0.5〜1μM、約1〜1.5μM、約1.5〜2μM、または2μMであり、ノギンの濃度は、約50〜100ng/ml、約100〜250ng/ml、約250〜500ng/ml、及び500ng/ml以上であり、EGFの濃度は、約50〜100ng/ml、約100〜250ng/ml、約250〜500ng/ml、及び500ng/mlであり、ならびにB27の濃度は、約0.25X〜0.5X、約0.5〜1X、約1X〜2X、または2X以上である。例えば、当該培地は、CHIR99021(2μM)、ノギン(100ng/ml)、及びEGF(100ng/ml)、及びB27(1X)を含有する。様々な実施形態において、HIOは、その後、7〜10日毎に継代される。様々な実施形態において、腸組織の集団は、腸臓器の特徴を含んだ組織化された集団である。様々な実施形態において、腸細胞は、絨毛へと組織化される。様々な実施形態において、当該絨毛は、小腸の4つすべての上皮細胞株(吸収、粘液分泌、腸内分泌、及び、パネート)で裏打ちされている。様々な実施形態において、当該腸細胞の集団は、バリア機能、シトクロムP450活性、及び/または、頂端粘液分泌を有する。
本明細書では、腸細胞の集団を含むマイクロ流体装置であって、当該集団が、組織化した構造を含む当該装置を記載する。様々な実施形態において、当該組織化した構造は、絨毛を含む。様々な実施形態において、当該絨毛は、吸収細胞、杯細胞、腸内分泌細胞、及びパネート細胞からなる群から選択される1つ以上の上皮細胞株で裏打ちされている。様々な実施形態において、当該組織化した構造は、バリア機能、シトクロムP450活性、及び/または頂端粘液分泌を有する。様々な実施形態において、当該腸細胞は、ヒト腸オルガノイド(HIO)に由来しており、単細胞に分離され、及び、CD326+発現に基づいて精製される。様々な実施形態において、当該HIOは、アクチビンA及びWnt3Aの存在下でのiPSCの培養による胚体内胚葉の生成、FGFと、Wnt3AまたはCHIR99021のいずれかとの存在下での胚体内胚葉の培養による後腸への分化、上皮スフィアまたは上皮チューブの回収、マトリゲルにおける上皮スフィアまたは上皮チューブの懸濁、ならびに、CHIR99021、ノギン、及びEGFの存在下での培養を含む方法によって、iPSCから誘導される。
A節には、体細胞源由来の誘導多能性幹細胞(iPSC)を生成することに関する方法の実施形態が記載されており、当該体細胞源として、白血球源があるがこれに限定されず、また、B節には、リンパ芽球B細胞の形態の例示的な白血球源に由来するiPSCを生成するためのかような使用の例が記載されている。リンパ芽球B細胞は、iPSCを作製するための当初の供給源物質として使用するのに望ましい白血球の一種であり、以下のA節を含む本明細書に記載する方法によって、その後にリプログラミングされる。これらの白血球由来iPSCは、後に、他の細胞型に分化し、当該細胞型として、腸細胞、視床下部ニューロン、内皮細胞などがあるが、これらに限定されない。したがって、以下のB節及び本明細書に記載の例示的な原材料を用いて、以下のA節及び本明細書に記載の原材料を操作する技術は、本明細書に記載のマイクロ流体チップと共に使用するために記載された様々な分化細胞を幅広く生成することができる。
また、本明細書では、ある量の細胞を提供すること、ある量のリプログラミング因子を細胞に送達すること、リプログラミング培地で、少なくとも4日間、細胞を培養することを含む、誘導多能性幹細胞を生成するための効率的な方法が記載されており、当該リプログラミング因子を送達及び培養することで、誘導多能性幹細胞が生成される。ある特定の実施形態において、当該細胞は、初代培養細胞である。他の実施形態において、当該細胞は、血液細胞(BC)である。ある特定の実施形態において、当該血液細胞は、T細胞である。他の実施形態において、当該血液細胞は、非T細胞である。他の実施形態において、当該細胞は、例えば、末梢血単核細胞(PBMC)を含む単核細胞(MNC)である。他の実施形態において、当該細胞は、原発性顆粒球、単球、及びBリンパ球である。
「LCL−iPSC」は、上記A節に記載の技術を用いて生成される。
本明細書において引用する全ての文献は、あたかも完全に記載が盛り込まれているかのように、その全内容を参照により援用する。特に断りがない限り、本明細書において使用する技術用語、及び、科学用語は、本発明が属する技術分野における当業者が通常理解するのと同じ意味を有する。Allen et al.,Remington:The Science and Practice of Pharmacy 22nd ed.,Pharmaceutical Press(September 15,2012)、Hornyak et al.,Introduction to Nanoscience and Nanotechnology,CRC Press(2008)、Singleton and Sainsbury,Dictionary of Microbiology and Molecular Biology 3rd ed.,revised ed.,J.Wiley & Sons(New York,NY 2006)、Smith,March‘s Advanced Organic Chemistry Reactions,Mechanisms and Structure,7th ed.,J.Wiley & Sons(New York,NY 2013)、Singleton,Dictionary of DNA and Genome Technology 3rd ed.,Wiley−Blackwell(November 28,2012)、及びGreen and Sambrook、Molecular Cloning:A Laboratory Manual 4th ed.,Cold Spring Harbor Laboratory Press(Cold Spring Harbor,NY 2012)は、本出願において使用した数多くの用語に関する一般的な説明を、当業者に対して提供する。抗体を調製する方法に関する参考文献については、Greenfield,Antibodies A Laboratory Manual 2nd ed.,Cold Spring Harbor Press(Cold Spring Harbor NY,2013)、Kohler and Milstein,Derivation of specific antibody−producing tissue culture and tumor lines by cell fusion,Eur.J.Immunol.1976 Jul,6(7):511−9、Queen and Selick,Humanized immunoglobulins,米国特許第5,585,089号(1996年12月)、及びRiechmann et al.,Reshaping human antibodies for therapy,Nature 1988 Mar 24,332(6162):323−7を参照されたい。
研究計画
発達中の腸管及び視床下部神経肥大ニューロンに対する慢性低用量EDC曝露の有害効果と機序とを解明するためのヒト誘導多能性幹細胞(hiPSC)の使用が本明細書において記載され、これは、EDCに対する子宮内曝露を模倣するためのプラットフォームとして役立つ。このようなスクリーニングプラットフォームは、ヒトの発達モデルを忠実に模倣するだけでなく、スクリーニングされた化合物によって撹乱させる可能性のある発達の手がかりに関する貴重な考察も提供することができる。
前腸スフェロイド細胞分化(iFGE)
分化のために、iPSCを、アクターゼで処理し、及び、ROCK阻害剤Y27632(10μM、Stemgent)を含むE8培地中、1ウェルあたり100万個の密度で6ウェルのマトリゲル被覆ディッシュに播種した。翌日に、アクチビンA(100ng/ml、R&D)及びWnt3A(1日目のみ25ng/ml、Peprotech)を含むRPMI 1640(Gibco)に、3日間、曝露することで、iPSCを胚体内胚葉へと分化させた。この3日間、当該細胞を、0%、0.2%、及び、2%の漸増濃度の規定FBS(dFBS、Hyclone)に曝露した。胚体内胚葉誘導の後に、2%dFBS、2μM CHIR99021(2μM、Cayman)、FGF4(500ng/ml、Peprotech)、LDN(2μM、Cayman)、及びレチノイン酸(2μM、Cayman)を含む改良DMEM/F12培地(Gibco)で、次の3日間、培養することで、それら細胞を、前腸スフェロイドを形成するように指示した。その結果、半懸濁スフェロイドとなり、次いで、それらを選択的に採取し、そして、さらなる成熟及び実験のためにマトリゲル被覆実験プレートに移した。採取した前腸スフェロイドを成熟させるために、N2(Invitrogen)、B27(Invitrogen)、グルタマックス、ペニシリン/ストレプトマイシン/抗真菌薬、及び、EGF(100ng/ml、Peprotech)を有する改良DMEM/F12を含む培地で、それらを培養した。必要に応じて、培地を2〜3日毎に交換し、及び、スフェロイドを、20日目まで上皮単層に発生させた。
視床下部ニューロン分化(iHTN)
iHTNへの分化のために、iPSCをアクターゼで処理し、単一細胞として、ROCK阻害剤Y27632(10μM、Stemgent)を含むE8培地中、1ウェルあたり約100万個の細胞密度で、6ウェルのマトリゲル被覆ディッシュに播種した。翌日に、iHTN分化を、LDN193189(1μM、Cayman)、及び、SB431542(10μM、Cayman)を用いた二重SMAD阻害による神経外胚葉分化によって開始し、及び、この処理を、48時間行う。これに続き、3日目から8日目で、スムーズンドアゴニストSAG(1μM、Tocris)とプルモルファミン(PMN、1μM、Tocris)とによるソニックヘッジホッグ活性化及びIWR−endo(10μM、Cayman)を用いたWntシグナル伝達阻害によって、腹側間脳へ細胞を向かわせ、2日毎に定期的に培地を交換した。9日目から13日目に、当該細胞を、腹側化剤レチノイン酸(0.1μM、Cayman)の存在下で、DAPT(10μM、Cayman)を用いて、徐々に細胞周期から逸脱させる。14日目に、細胞を、アクターゼで処理し、脳由来神経栄養因子BDNF(10ng/ml、Miltenyi)を含有する成熟培地の存在下で、ラミニン被覆プレート上に再移植し、そして、40日目まで維持した。
EDC処置
本発明者らは、3つの異なるEDC、すなわち、パーフルオロオクタン酸(PFOA)(2.5μM、Sigma−Aldrich)、トリブチルスズ(TBT)(10nM、Sigma−Aldrich)、及びブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)(10nM、Cayman)を、個別に、及び、組み合わせて使用した。したがって、本発明者らは、6つの処置群、すなわち、ビヒクル対照(媒体)、PFOA、TBT、BHT、及び、併用処置を行った。EDCのiFGE処置は、上記のように分化を行い、最後の12日間の分化の間、すなわち、8日目〜20日目に、EDC処置を加えて実施した。同様に、上で詳述したプロトコール、及び最後の12日間の分化、すなわち、28日目〜40日目のEDC処置を行ってiHTNを分化させた。NFκBi(SN50)を用いる救済実験のために、EDC処置をする前に、当該細胞を、最初に、NFκBiに対して24時間曝露した。続いて、当該細胞を、NFκBiとともに併用処置で処置を行った。NFκBi処置は、併用EDC処置条件と組み合わせただけであることに留意すべきである。
免疫蛍光
免疫蛍光に供された細胞を、最初に、4%パラホルムアルデヒド(PFA)を用いて、20分間、固定し、及び、続いて、PBSで洗浄した。5%ロバ血清(Millipore)と0.2%トリトンX−100(Bio−rad)とを含むPBSで、短くとも2時間、細胞をブロッキングした後に、当該細胞を、適切な濃度の関連する一次抗体の組み合わせ(1:250)により、4℃で、一晩、インキュベートした。0.1%Tween−20を含むPBSを用いて十分に洗浄をした後に、当該細胞を、適切な種特異的アレクサフルオル結合二次抗体の組み合わせで、45分間(1:500)処理する。ヘキスト染色を用いて核を標識し、及び、当該細胞を、次いで、ImageXpress Micro XLS(Molecular devices)を利用する適切な蛍光フィルターを用いて細胞を可視化した。
免疫ブロット
細胞ペレットを回収し、そして、溶解し(哺乳動物PER、Thermo scientific+1xプロテアーゼ阻害剤カクテル、Thermo Scientific)、タンパク質を定量した後に、試料を調製した。本発明者らは、ポリアクリルアミドゲル(NuPAGE(商標)Novex(商標)4〜12%ビス−トリスタンパク質ゲル)のレーンあたり約15μgのタンパク質を負荷した。ゲルが一旦溶解したら、それらを、ニトロセルロース膜上に移し、続いて、5%乳溶液で、短くとも2時間かけてブロックした。この後に、一次抗体で膜を処理する一段階i−Bindプロセス、洗浄、そして、二次抗体ステップ(Life technologies)が続いた。本発明者らは、LiCor(登録商標)IRDye二次抗体(680及び800波長の赤外染料)を使用し、LiCor ODyssey CLx撮像装置(Li−Cor)において、バンドの検出を行った。
定量的PCR
RNeasy Mini Kit(Qiagen)を用いて、全RNAを単離し、まず、RNA(2μg)をDNase処理し、Promega Reverse Transcriptase System(Promega)を用いて、オリゴ(dT)でcDNAに逆転写した。各遺伝子に特異的なプライマー配列を用いて、SYBR Green master mix(Applied Biosystems)を用いて、3連で、反応を行った。各PCRサイクルは、95℃で10分間、95℃で30秒間→58℃で60秒間を、50サイクル行い、及び、72℃で5分間であった。対象となる遺伝子を、ミトコンドリア遺伝子についてのRPL13Aまたは16srRNAのいずれかに対して正規化した。
MTTアッセイ
MTTアッセイによって、細胞生存率を評価した。1ウェルあたり100μlの培地に10,000個の細胞の密度で、96ウェルプレートに細胞を播種した。アッセイ当日に、新鮮な培地(100μl)を加え、10μlのMTT溶液を、培地(12mMのストックMTT溶液)に加えて、37℃で、4時間インキュベートした。各ウェルに50μlのDMSOを添加して反応を停止させた。バックグラウンドを差し引くために、細胞を含まない陰性対照を含めた。自動マルチウェル分光光度計(Perkin Elmer)を用いて、吸光度値を、540nmで読み取った。
代謝表現型解析及びシーホース呼吸計測アッセイ
シーホースXFe24細胞外フラックスアナライザー(Seahorse Biosciences)を用いて、ミトコンドリアストレス試験を行い、細胞内の酸素消費率(OCR)のリアルタイム測定値を得た。EDCで処置をした、または処置していないiFGE及びiHTNを、24ウェルシーホース培養プレートに、10,000〜15,000個の細胞/ウェルの密度で播種した。OCRの分析のために、細胞を、シーホース基本培地で再構成し、測定を行う前に、非CO2インキュベーターで、37℃で、1時間、静置した。化学試薬(Sigma)は、以下の最終濃度のものを用いた。1μMオリゴマイシン−ATP合成酵素阻害剤、1μM(FCCP)シアン化カルボニル4−(トリフルオロメトキシ)フェニルヒドラゾン−脱共役剤、及び、0.5μMアンチマイシンA−シトクロムC還元酵素阻害剤と0.5μMロテノンの混合物−複合体I阻害剤。結果を、BCAアッセイ(Thermo Scientific)によって決定されたタンパク質濃度に対して正規化した。
統計分析
すべてのデータを、平均±標準偏差または標準誤差として表している。p<0.05を、有意とみなした。すべての統計解析は、スチューデントの対応のあるt検定、または、一元配置分散分析(ANOVA)、及び、多重比較のためのニューマン−コイルス事後検定を用いて、グラフパッドプリズムで行った。
一次及び二次抗体
免疫細胞化学染色。一次。α−MSH、ウサギ、Phoenix Pharmaceuticals、H−43−01、1:250。β−カテニン、ウサギ、Santa Cruz、sc7199、1:500。CART、ヤギ、Santa Cruz、sc18068、1:250。CPE、ヤギ、R&D Systems、AF3587、1:250。E−カドヘリン、ヤギ、R&D Systems、AF648、1:250。GABA、ウサギ、Sigma−Aldrich、A2025、1:250。ガストリン、ウサギ、Dako、A056801−2、1:250。グレリン、ヤギ、Santa Cruz、sc10368、1:250。NF−κB(ホスホ Ser−311)、マウス、Santa Cruz、sc166748、1:250。NP−II、ヤギ、Santa Cruz、sc27093、1:250。NPY、ウサギ、MerckMillipore、AB9608、1:250。OTP、ウサギ、Genetex、GTX119601、1:250。ペプチドYY、ウサギ、Abcam、ab22663、1:250。セロトニン、ウサギ、Immunostar、20080、1:250。ソマトスタチン、ウサギ、Santa Cruz、sc13099、1:250。Sox17、マウス、Novus、47996,1:250。Sox2、ウサギ、Stemgent、09−0024、1:500。シナプトフィジン、マウス、Santa Cruz、sc17750、1:250。TH、マウス、Immunostar、22941、1:250。二次(1:200)。AlexaFluor 488 ロバ抗ウサギ、AlexaFluor 555 ロバ抗マウス、AlexaFluor 594 ロバ抗マウス、AlexaFluor 568 ロバ抗ヤギ、AlexaFluor 647 ロバ抗ヤギ。
末梢血単核細胞を多能性に対してエピソーム的にリプログラミングする。
iPSCに対する末梢血単核細胞(PBMC)の非取り込みリプログラミングを、本発明者らの研究室で公表したプロトコールと同様のエピソーム(OriP/EBNA1)プラスミドに基づいた方法を用いて行った。これには、エピソームに発現する7つのリプログラミング因子である、OCT3/4、SOX2、KLF4、LIN28、非形質転換L−MYC、SV40ラージT抗原(SV40LT)、及びp53に対するshRNA(図S1A)の核トランスフェクションを含んでいた。このプロトコールは、27〜32日後に機械的に単離して増殖することができる血液由来の非取り込みiPSCクローンを首尾よく生成した(図S1A)。この研究で使用した独立したドナー由来のiPSC株(80i対照 Tn2、及び、201i対照 NTn4)の代表的な画像は、図S1Bの明視野画像で示されるように、核と細胞質の比が高い密着したコロニーなど、多能性幹細胞の典型的な特徴を示した。また、堅固なアルカリホスファターゼ活性を示し、核(OCT3/4、NANOG、SOX2)及び表面(SSEA−4、TRA−1−81、TRA−1−60)多能性タンパク質の強い発現を示した(図S1B)。生成したPBMC−iPSCは、高い多能性と低い新規性スコアとを示して(図S1C)PluriTestアッセイにも合格し、また、G−バンド核型スプレッド(図S1D及びE)に示したように、正常な細胞遺伝的状態を維持している。
ヒトiPSCは、WNT、FGF、BMP、及び、レチノイン酸シグナル伝達の調節によって内分泌的に活性な前腸上皮(iFGE)へと分化する
胃のオルガノイドを成熟させるために3Dマトリゲルバブルを使用したWellsのグループによって以前に発表された3D胃オルガノイド分化に基づいて、本発明者らは、内分泌機能を有する胃上皮の2D単層を生成するために彼らのプロトコールの変法を用いた。内分泌細胞タイプを含む前腸腔上皮へのiPSCの特定化は、(1)アクチビンA及びWnt3Aが媒介した胚体内胚葉の特定化、(2)BMPシグナル伝達の抑制と、WNT(CHIR)、FGF(FGF4)、及び、レチノイン酸(RA)シグナル伝達の活性化とを同時に行うこと、及び、(3)高濃度の表皮成長因子(EGF)での前腸上皮を含有する内分泌細胞の最終生成(図1A)、による段階的方法で首尾よく達成できた。胚体内胚葉を誘導した後、iPSCの6日後に、腸管様オルガノイド構造が、内胚葉単層から出現する。腸管オルガノイドを再播種すると、接着性の上皮様細胞層が、iPSCの7日後から20日後まで一貫して出現する(図1B)。関連する胃/前腸特異的遺伝子の発現をモニターすることによって、20日目のiPSC由来の前腸上皮(iFGE)の特徴付けを確認した。SOX2(前腸前駆細胞)、PDX1(前腸腔)、GKN1(ガストロカイン1、胃粘膜)、PGA5(消化酵素)、TAS1R3(前腸における味覚受容体)、及び、TFF2(トレフォイル因子2、胃粘膜の安定分泌タンパク質)遺伝子が、20日目の接着性iFGEにおいて観察された(図1C)。iFGEは後腸特異的CDX2の発現を示さなかったことに留意することが重要である(図1C)。上皮細胞表面に特異的なタンパク質を評価すると、CDH1(E−カドヘリン)とCTNNB(β−カテニン)とが形成されたiFGEのシートとして、多角形の石畳の形をした細胞の表面に規則的に観察された(図1D)。内胚葉及び前腸前駆細胞特異的転写因子であるSox17及びSox2は、それぞれ、iFGEの前腸の識別を確認する(図1D)。重要なことに、シナプトフィジン(SYP)、ソマトスタチン、及び、セロトニンなどの内分泌的に活性な前腸に存在することが知られている神経内分泌マーカーが、20日目に、iFGEによって発現された(図1E)。とりわけ、iFGEは、ガストリン(G細胞)、グレリン(壁細胞)、及び、幾つかのペプチドYY(粘膜)細胞などの胃特異的ホルモン発現腸内分泌細胞に対しても免疫陽性であった(図1F)。
機能的ニューロペプチダーゼ性視床下部ニューロン(iHTN)は、SHHの活性化及びWNTシグナル伝達の阻害によって、hiPSC−神経上皮から得ることができる。
指定したパターン形成と、iPSCの二重SMAD阻害(SMADi)小分子処置で神経上皮を特定化した後に、当該iHTNを生成した。続いて、早期WNT阻害、及び、SHH活性化は、視床下部及び弓形核が存在する、腹側間脳が同一の前脳細胞タイプを特定化した(図2A)。40日までに前脳前駆細胞と分化ニューロンの終末成熟を同期させると、AgRP(アグーチ関連ペプチド、食欲促進神経ペプチド)、MC4R(メラノコルチン4受容体、摂食及び代謝の調節)、Nkx2.1(腹側間脳マーカー)、NPY(神経ペプチドY、AgRPで同時発現した食欲促進神経ペプチド)、及びPCSK2(前駆タンパク質転換酵素スブチリシン/ケキシン2型、神経内分泌遺伝子)などの視床下部及び神経肥大遺伝子の発現を増加した(図2B)。不可欠な視床下部神経ペプチドNPY及びα−メラノサイト刺激ホルモン(α−MSH)の分泌は、ELISAを用いて確認され、そして、その結果は、40日目のiHTNにおいて両神経ペプチドが有意に高いレベルにあることを明らかにした(図2C及びD)。免疫蛍光染色は、OTP(ホメオボックスタンパク質オーソペディア、図2E)、α−MSH(図2F)、NPY(図2G)、SST(ソマトスタチン、図2H)、GABA(図2I)、CPE(カルボキシペプチダーゼE、図2J)、CART(コカイン−、及び、アンフェタミン−調節転写産物、図2K)、NP−II(ニューロフィジンII/アルギニンバソプレシン、図2L)、5−HT(セロトニン、図2M)、及び、TH(チロシンヒドロキシラーゼ、図2N)などの幾つかの神経内分泌及び視床下部弓状核特異的タンパク質を発現するニューロンを示した。多電極アレイ(MEA)プラットフォームを用いた電気生理学的測定は、0日目の無活動と比較して、40日目のニューロンでは自発的活動電位と反復的発光との規則的な一連の流れを示し、したがって、真正なニューロンの識別とiHTNの電気的成熟とを確認している(図2O)。
慢性低用量EDC処置は、細胞の生存率に影響を与えずに、iFGE及びiHTNでのNF−κBシグナル伝達を攪乱する。
本発明者らは、iPSC−内分泌細胞培養の分化を首尾よく終えた後に、12日間の処置パラダイムにわたって、低用量のEDCを用いて、これらの組織を攪乱することにした。EDC処置の最適濃度は、分化したiPSC−内分泌培養物(図S2)において、10%の細胞生存率の喪失さえも観察された用量に満たない対数濃度または半対数濃度として決定した。加えて、ヒトの許容可能な1日摂取量(TDI)を把握するために文献検索を利用し、細胞生存率に対する化合物の各々の範囲の効果を実施し、そして、ペルフルオロオクタン酸(PFOA、2.5μM)、トリブチルスズ(TBT、10nM)、及び、ブチルヒドロキシトルエン(BHT、10nM)を、複数のEDCに対して同時に環境曝露を行うのと類似の併用処置パラダイムとともに与えた(図S2)。発達中のiPSC由来の内分泌組織のEDCで処理すると、iFGE細胞においてリン酸化NF−κB p65免疫陽性細胞数の有意な増加が、iHTNにおいて、1.35〜1.5倍(図3C)、及び、1.2〜1.3倍(図3D)(p<0.001)で認められた。これらの培養物の免疫ブロットは、NF−κB p65リン酸化レベルが、EDC処置iFGE(図3E)(p<0.001)、及びiHTN(図3F)(p<0.01)において有意に上昇することを確認した。EDCの添加と、その結果として表れるNF−κBホスホ−p65の増加が、細胞生存率または一般的な細胞傷害性におけるEDC誘導性喪失の結果ではないことを確認するために、EDC処置、及び、ビヒクル処置iFGE及びiHTNに対していMTT細胞生存率アッセイを実施した。これらの処置ではEDCは、双方のiPSC由来組織型において、細胞生存率に対して有意の影響を及ぼさないことが認められた(図3G及びH)。
ミトコンドリア呼吸を撹乱することによって、EDCは代謝活性に作用する。
本発明者らの1つの目的は、慢性EDC撹乱がヒト内分泌組織における代謝活性及び呼吸に影響するかを決定することを目的としていたので、本発明者らは、NF−κBのリン酸化が、この現象にどのように寄与もし得るかをを調べた。興味深いことに、関連する核及びミトコンドリアにコードされた呼吸遺伝子の転写を直接的及び間接的に制御することによってNF−κBシグナル伝達がミトコンドリア機能に影響を及ぼすという、癌生物学における幾つかの証拠がある。まず、本発明者らは、XFe24 Seahorse Extracellular Flux Analyzerで、ミトコンドリアストレス試験を行うことで、ミトコンドリア呼吸機能に対するEDCの効果を決定した。本発明者らは、iFGEにおいて、BHT(p<0.05)の添加、及び、PFOA、TBT、及び、BHTの併用処置(p<0.01)を行うことで、最大呼吸が減少し、また、予備呼吸能の40〜50%が減少する結果となったことを確認した(図5A)。iHTNにおいて同様の効果を示され、TBT、BHT、及び、併用処置で処置すると、最大呼吸、及び、予備呼吸能において40〜50%の減少を示した(図5B)。ミトコンドリア質量に対する処置の効果は、全ての処置期間においてCOX IV(内部ミトコンドリア膜酵素)レベルが変化しなかったので、除外した(図S5)。
NF−κB阻害は、経路活性化及びミトコンドリア障害から細胞を救済する。
iPSC−内分泌細胞の発達において、EDC曝露に起因する有害なNF−κB経路撹乱とミトコンドリア機能不全効果とが顕著であることを考慮して、本発明者らは、これらの表現型が、NF−κB経路の活性化を単に遮断することによって、ことによると救済できるかを調べた。したがって、本発明者らは、細胞透過性阻害ペプチドであるNF−κB阻害剤(NFκBi)SN50を使用して、これが有害な併用EDC処置で処置されたiPSC−内分泌培養における従前の表現型を救済し得るかどうかを決定した。SN50ペプチドは、NF−κB調節遺伝子の核誘導を阻害することが知られている。本発明者らは、iFGEにおけるEDCとNF−κBiとの同時処置が行われ次第に、ホスホ−p65、古典的(p50/p105)、及び、非古典的(p52/p100)経路の全体的な減少が、ビヒクル対照のレベルにまでほぼ回帰すことを見出した(p<0.001)。NF−κBiは、p50だけに特異的な阻害効果を示すのではなく、併用処置だけの場合と比較して、活性化されたp65、p50、及び、p52レベルに関する一般的な阻害効果よりも大きい効果を示した(図6A)。免疫陽性pNF−κB細胞が、ビヒクル対照レベルに近づくように減少した時にも、SN50 NFκBi処置のこの救済効果は確認された(図6B)。特に、NF−κBi処置は、併用EDC処置した細胞のミトコンドリア予備呼吸能も有意に改善した(図6C)。最も興味深い発見は、SCO2、POLRMT、TFAM、及び、CYTB5などのミトコンドリア機能に関与するタンパク質の転写調節が、EDC併用処置と比較して、NFκBi処置ですべて回復したことである(図6D)。これらの結果は、NF−κBi処置が併用EDC処置媒介効果を有意に逆転させたiHTNにおいて再現している(図7)。NF−κB経路撹乱と重篤なミトコンドリア機能障害とを関連付けるこの新規な発見は、特に、内分泌攪乱の状況において、いずれの系においても示されていない。
考察
「環境オビーソゲン」仮説によれば、内分泌攪乱化学物質(EDC)として知られている広範囲の環境汚染物質のサブセットは、ホルモンシグナル伝達経路を標的とし、正常組織の発達を妨げ、そして、身体の恒常性の制御を妨害する。子宮内または幼少期の幹細胞発生の重要な期間に、主にヒトの食物を介して、有機スズ、ペルフルオロケミカル、及び、食品添加物などの遍在する「オビーソゲン」EDCを繰り返し曝露すると、遺伝的に素因がある個体の正常な代謝制御が永久に改変され、人生の後半に肥満になる。注目すべきは、これらのEDCが、本発明者らの日常環境に存在し続けており、健康被害を引き起こし続けているという事実である。最近の文献は、EPA(環境保護庁)の勧告に従ってPFOAの使用を段階的に廃止する努力をしているにもかかわらず、テネシー川から供給された飲料水にPFOAが含まれていたことを報告していた。同様に、シリアルの添加物としてBHTを排除する努力がなされており、主要なブランドは、BHTをシリアル用添加物から首尾よく除去した。これらEDCへの日々の曝露が、我々に対して内分泌撹乱とそれに関連する影響を与え続けているとすれば、これらEDCの影響は、もっと詳細に研究される必要がある。
さらなる研究
様々な薬物/化合物/汚染物質の胎児発達に関する影響は、先天性欠損や発達障害を回避し、次世代の生活の質を向上させるために、速やかに対処する必要がある、手段となっている。地球規模の汚染レベルが絶えず増加しているため、有害な環境汚染物質や有害物質への曝露の必然的危険度も高まっている。系内でのこれらの有毒物質の影響に関する明確な示唆を提供する一貫した薬物スクリーニングプラットフォームが必要である。
追加の研究
本実施例は、EDC媒介調節不全に関連する例示的な結果を記載する。
実施例4の一部に記載したような、EDC効果に関する、追加の実験。
バイオインフォマティクス
NFκB−p65(RELA)及びTP53の推定上のDNA結合部位のバイオインフォマティクス決定を図20に示す。(a)SCO2、POLRMT、TFAM、CYB5Aなどの関心のある遺伝子上の、NFκB−p65及びTP53結合モチーフの推定結合部位の数、及びIL1A、IL1B、TNF、IL6などのNFκB−p65(RELA)によって調節される既知の各遺伝子、あるいは、GADD45A、GADD45B、GADD45G、PERP、BAXなどのTP53によって調節される既知の各遺伝子の特定を示すチャート。(b)関心のある遺伝子上のNFκB−p65及びTP53のDNA結合モチーフの転写開始部位の上流の塩基対における最短距離の特定。HOX遺伝子を、中性遺伝子、あるいは、文献であまり報告されていない、NFκB−p65及びTP53のいずれかによって制御される遺伝子として用いた。ヌクレオチドの配列保存の配列ロゴグラフィカル表現として表したDNA結合モチーフ。そこではヌクレオチド文字の大きさが、バイオインフォマティクス分析で使用した(c)NFκB−p65及び(d)TP53についての配列でのその位置での当該文字の頻度を表す。
胃(前腸)マイクロ流体チップの開発
本実施例では、部分的に、試験薬剤及び薬剤の発生効果のためのヒトモデルとして使用する、前腸/胃チップを開発するための例示的な材料、細胞、及び、方法を記載する。他の実施形態において、前腸細胞由来の誘導胃細胞が、薬剤及び薬物を試験するために使用される。
成熟した前腸細胞とホルモン作用
幾つかの実施形態において、成熟に対するEGFレベルの変化の影響について成熟前腸細胞を試験したが、その理由の一部は、流動下のSYP+細胞の数が比較的少ないためである。特に、10μlの流動(前出の実施例を参照されたい)とともに、EGFレベルは、100ng/mlから、当初は、2ng/mlまで徐々に減少し、中間のある段階では、10ng/mlに減少した。図30を参照されたい。部分的に、これが内分泌細胞種への成熟を、より良好にしたかを確認するために、これを行った。この条件は、実際に、流動条件下では、より少数のSox2+細胞と、より多数のSYP+細胞を示した。しかし、発明者らは、上皮の完全な被覆を得ておらず、むしろ斑点状のものでしかなかった。
ホルモン効果とがん
発明者らは、発明者らのオルガノイド(O)の分泌能を比較するための陽性対照として、ヒト胃癌細胞株を使用した。発明者らは、染色(SYP)及びELISA(グレリン)の双方で認められた内分泌細胞を得た。発明者らは、EGFレベルを制御することによって、増殖を制御することができた。また、発明者らは、EGFレベルを制御することによって、内分泌細胞の成熟を増加させることもできた。iFG−SRのグレリン分泌レベルは、HGC分泌レベルに匹敵することが観察された。
例示的実験フローチャート及び設定
本実施例は、例示的なチップの設定と、無流動条件下と流動条件下例えば、(10μl/時間の流速)との間の比較を説明する。チップの設定:iPSC由来の胃オルガノイド及びiFG−MOを、頂端チャネルに播種した。機能的アッセイ及びイメージングのために、基底チャネルにiHTNを播種した。モニターされる条件として、チップにおけるiHTNの成長、ならびにSox2、E−カドヘリン、及びTuJ1などの前腸マーカー及び神経マーカーのためのイメージングがあるが、これらに限定されない。図37、例示的な実験フローチャート及び設定、を参照されたい。例示的なチップ、実験条件、及びアッセイの例を示す概略的な時系列図。iPSC由来胃オルガノイド及びiFG−MOを、頂端チャネルに播種した。iHTNを、機能的アッセイ、及び、イメージングのために基底チャネルに播種した。チップにおけるiHTNの成長、ならびにSox2、E−カドヘリン、及びTuJ1などの前腸マーカー及び神経マーカーのイメージング。無流動及び流動(10μl/時間の流量)条件で、2連で培養した。
リンパ芽球細胞株の一般的なiPSCリプログラミングプロトコール
疾患モデリングは、患者に特異的な幹細胞を使用して疾患の特徴を再現し、発生の特徴を観察し得るので、大きな利益を得ることができる。iPSC生成のための重要な資源として、世界中に様々な保存施設が存在しているリンパ芽球細胞株がある。これらの供給源からリプログラミングのために改良がされた方法は、最初に、プラスミドの組み合わせを用いた標的宿主細胞の核形成、それに続く2日間のインキュベーション、3〜5日目に、毎日、リプログラミング培地(古い培地は吸引しない)の添加、6日目に、リプログラミング培地の(吸引による)交換、7日目〜9日目の各日に、毎日、リプログラミング培地の(古い培地は吸引しない)添加、10日目に、リプログラミング培地の(吸引による)交換、10日目〜16日目の隔日での、リプログラミング培地の(古い培地は吸引しない)添加として記載することができる。早ければ11日目にも小さなコロニーが出現し、17日目までには、相当数のコロニーが視認できるようになる。漸進的に増量する無血清完全培地、mTeSR1、への培地交換は、18〜20日目に行われる。24日目までに、リプログラムされたコロニーは容易に明らとなり、確認のための生存細胞イメージングのために抗体染色し得る。25〜29日目を通して、追加のコロニーを、サブクローニングのために単離し得る。30日目までに、先に単離したコロニーが付着し始め、正常なiPSC形態を示し、及び、保存するか、または、連続して細胞株として継代することができる。記載した技術を用いて、本発明者らは、少なくとも10%の変換効率を達成することができ、このことは、既存のリプログラミング研究と比較して、少なくとも3〜8倍の改善を示す。さらなる詳細は、PCT出願第PCT/US2015/034532を参照されたい。当該出願は、本明細書にその全内容を参照することにより援用する
iPSCからの三次元腸オルガノイド及び腸管上皮細胞
胚体内胚葉の形成を誘導するために、すべてのiPSCを、高用量のアクチビンA(100ng/ml、R&D Systems)とともに、FBSの濃度を経時的に高めながら(1日目、2日目、及び、3日目に、それぞれ、0%、0.2%、及び、2%で)培養をした。内胚葉分化の初日に、Wnt3A(25ng/ml、R&D Systems)も加えた。後腸形成を誘導するために、細胞を、Wnt3A及びFGF4(500ng/ml、R&D Systems)と併せて、2%FBSを含む改良DMEM/F12で培養をした。3〜4日後、浮遊性の上皮スフィア、及び、緩やかに付着した上皮チューブが見えてくるようになり、そして、回収を行った。その後、これらの上皮構造を、R−スポンジン−1、ノギン、EGF(それぞれ、500ng/ml、100ng/ml、及び、100ng/ml、すべてR&D Systems)を含有するマトリゲルに懸濁し、次に、R−スポンジン−1、ノギン、EGF(それぞれ、500ng/ml、100ng/ml、及び、100ng/ml、すべてR&D Systems)及び、B27(1×、Invitrogen)を含有する腸用培地に重層した。その後、オルガノイドを、7〜10日ごとに継代した。
腸管上皮細胞のマイクロ流体装置への播種
腸管上皮細胞をマイクロ流体装置に播種するために、HIOをまず解離させ、次に、蛍光活性化細胞選別を用いて腸管上皮細胞を得た。選別の24時間前に、ROCK阻害剤(10μM、Tocris)を、HIO培養培地に添加した。その翌日に、HIOをマトリゲルから除去し、続いて、オルガノイドが、単細胞懸濁液に完全に解離するまで、TrypLE Express(Life Technologies)において、20〜40分間、インキュベートした。次いで、これらの細胞を、30マイクロメートルのフィルターに通し、そして、CD326(Biolegend)で、30分間、染色した。次いで、細胞をCD326について、陽性選別をした。細胞を回収し、そして、ROCK阻害剤(10μM、Tocris)、SB202190(10μM、Tocris)、及び、A83−01(500nM、Tocris)を含有する腸の培地で、5×106/mlの密度に再懸濁した。死滅した/付着していない細胞を、3〜6時間後に、装置に通して培地を洗い流すことで除去し、及び、流動を、8〜24時間後に、60μl/時間の速度で開始した。
腸管上皮細胞のマイクロ流体装置への播種
iPSC由来の腸管上皮を、マイクロ流体装置に播種し、続いて、腸管上皮サブタイプの特徴付けを行う。経上皮抵抗性及びデキストランFITC流出による透過性の検査を含む機能的アッセイは、基礎的条件下、または、インターフェロン−γ(IFNγ)及び/または腫瘍壊死因子−α(TNFα)などの炎症性サイトカインへの応答のいずれかで評価する。また、様々な腸管上皮サブタイプを調節し得る薬物候補を調べて、そのようなサブタイプが、実際に調節され得るかどうかを評価する。このようなアッセイを確立した後、遺伝的に定義された炎症性腸疾患(IBD)患者由来のIPSCが生成され、腸オルガノイドに分化させ、解離し、その後にマイクロ流体装置に播種され、IBDに関連する遺伝的変異の機能的結果を評価する。
肥満モデル
本実施例(及び、次の実施例)は、肥満モデルに関連する細胞に関する。非統合iPSC株は、正常肥満度指数(BMI<25)、及び、BMI>50の超肥満(SO)を示す個体から生成した。内分泌組織−胃腸(GI)オルガノイド及び視床下部(HT)ニューロペプチダーゼニューロンへのiPSC再分化の実現可能性を示した。iPSC−内分泌細胞から、異なる基準の全細胞プロテオームプロファイルを生成した。iPSCの胃腸オルガノイド(iGIO)及び視床下部ニューロン(iHTN)への分化は、「臓器チップ」マイクロ流体装置に細胞を播種する前に行った。使用を企図する例示的なマイクロ流体装置を図38に示し、チップでiGIO及びiHTNを使用する例示的な結果を図39に示す。
EDCを用いたマイクロ流体「臓器チップ」装置の慢性低用量処置
発明者らは、内分泌攪乱化学物質(EDC)に対する慢性の低用量曝露は、初期のヒト内分泌組織発生期間において有害であり、その結果、永続的なミトコンドリア機能障害を伴った過反応性のNF−κB及びHMGタンパク質前炎症性シグナル伝達をもたらすとの仮説をたてた。このことを試験するために、「臓器チップ」マイクロ流体装置(実施例31)に播種した胃腸オルガノイド(iGIO)及び視床下部ニューロン(iHTN)を、EDC汚染物質/混合物(トリブチルスズ(TBT)、パーフルオロオクタン酸(PFOA)、ブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)、及び、ビス(2−エチルヘキシル)フタレート(DEHP)の慢性低用量処置(TDI範囲))に曝露する。調節不全分泌タンパク質群を、定量的プロテオミクスによって特定する。
単細胞懸濁液が播種されたマイクロ流体「臓器チップ」装置
一実施形態において、iPSCは、HIOを形成するように指示され、続いて、単細胞懸濁液に解離された。次いで、これらの細胞を、多孔質可撓性膜によって分離された2つのチャンバからなる、小型マイクロ流体装置(SMD)に播種した。図40を、参照されたい。
トランスウェル培養装置と比較したマイクロ流体「臓器チップ」装置
iGIO及びiHTNを、ダイナミックフローマイクロ流体装置、図38A、及び、静的トランスウェル装置、図38Bの双方に播種した。例示的な図38は、ダイナミックフロー臓器チップ(ダイナミックフローOoC)、及び、静的トランスウェル培養として、iGIO(頂端)、及び、iHTN(基底)のEDC撹乱のための例示的な播種を示している。これらのシステムは、例示的化合物も用いて(+/−(対照))を試験し、当該化合物として、TNF−αやEDCが含まれるが、これらに限定されない。ダイナミックフローOoC:PDMS膜は、7μmの孔を有する。頂端チャネルの高さは、1mmであり、基底チャネルの高さは、0.2mmである。
マイクロ流体培養における上皮細胞
IPSC由来のヒト腸管上皮細胞を、10ng/mlのIFNγで処置をした。IFNγの基礎投与は、IPSC由来のヒト腸管上皮細胞における経上皮抵抗性の低下と、デキストランFITCの流出の増加とをもたらす。基本的に、このことは、このサイトカインに応答して腸管上皮がより透過性であることを意味している。TNFαの添加は、腸の透過性に変化を誘発しない。
マイクロ流体「臓器チップ」装置における使用のために開発された三次元オルガノイドシステム
発明者らは、例えば、図41に示すように、腸内で一般的に認められる全ての細胞型を有する腸オルガノイドを成長させた。例として、個々の細胞を、図42A〜Dの顕微鏡写真に蛍光染色して示している。これらは、栄養吸収に関与する腸細胞、粘液産生に関与する杯細胞、抗菌剤産生に関与するパネート細胞、及び、ホルモン産生に関与する腸内分泌細胞を含む。
マイクロ流体「臓器チップ」装置
例示的な概略図及びマイクロ流体チップで増殖する細胞を、図44A〜Eに示す。A)チップの概略図を示す。B及びC)は、「腸管チップ」の部分及びサイズを識別するオーバレイの写真を示す。C)は、さらに、膜の顕微鏡写真を示す。D)は、機械的歪みを持たないチップ、及び、機械的歪みを有するチップの、それぞれの表記の下に結果として生じる細胞の顕微鏡写真を伴った概略図を示す。及びE)は、印加圧力(kPa)に対する、基板の歪み(%)と細胞の歪み(%)とのグラフを示す。
Caco−2上皮細胞は、マイクロ流体「臓器チップ」装置で増殖した場合、腸管様組織とは異なる。
チップで成長したCaco−2上皮細胞は、チップで成長した腸管様組織が示すのと同じIFNγに対する応答を示さない。実際、IFNγで処置した腸管様組織細胞と、IFNγを有する及びIFNγを有さないCaco−2上皮細胞との相対発現を比較するマーカーのパネルは、試験した各遺伝子マーカーに対して異なる応答を示した。図48は、IFNγ処置をした、及びIFNγ処置をしないグリセルアルデヒド3−リン酸デヒドロゲナーゼ(GADPH)に対して正規化した遺伝子マーカーの相対的な例示的発現のグラフを示す。A)IDO1(インドールアミン2,3−ジオキシゲナーゼ1)。B)GBP1(グアニル酸結合タンパク質1)。C)GBP4(グアニル酸結合タンパク質4)。D)LYZ(リゾチーム)。E)PLA2G2A(ホスホリパーゼA2グループIIA)。F)分泌された抗菌レクチン(RegIIIγ)。G)LRG5(Gタンパク質結合受容体5を含むロイシンリッチリピート)。H)OLM4(オルファクトメディン4)。及びI)MUC4(ムチン4)。
マイクロ流体「臓器チップ」装置における分極した腸の絨毛様構造の自発的形成
ヒト腸オルガノイド由来の腸管上皮細胞を、本明細書に記載するようにマイクロ流体チップで増殖させた。チップに播種してから12日後、細胞は、チップの上部チャネル端部の屈曲部を越えて延在する連続層とコンフルエントになった。図49を、参照されたい。
マイクロ流体チップの細胞播種密度
本実施例は、腸内腸管様組織の単細胞懸濁液中の異なる量の細胞を使用するチップの播種の例示的な結果を示す。少なくとも5つの異なるチップに、40μlの液体あたり様々な細胞の量を播種した。インキュベーションの6日目である図55D及びEは、濃度3.75×106細胞/ml(40μlに150K)、及び、E)2.5×106細胞/ml(40μlに100K)を播種したマイクロ流体チップで増殖した腸細胞の画像であり、インキュベーションの7日目である図56Cでは、十分な細胞を播種しなかった。また、マイクロ流体チップの膜の頂部で成長する細胞の高拡大画像も、これらの細胞数で、コンフルエントな被覆率に至らないことを裏付けた。例えば、図56は、3.75×106細胞/ml(40μlに150K)が、コンフルエントな被覆率を提供するには不十分であることを示している。赤で示した例示的な被覆されていない領域を参照されたい。図57は、2.5×106細胞/ml(40μlに100K)が、コンフルエントな被覆率を提供するには不十分であることを示している、赤で示した幾つかの例示的な被覆されていない領域を参照されたい。対照的に、7.5×106細胞/ml(40μlに300K)、6.25×106細胞/ml(40μlに250K)、5.0×106細胞/ml(40μlに200K)は、コンフルエントな細胞の層を提供するのに十分な細胞であった。
マイクロ流体腸オルガノイドチップの頂端及び基底チャネルに使用するための培地製剤を特定する。
チップに播種するために使用する前のオルガノイドの最適な培養時間、例えば、チップに播種するオルガノイドの齢を特定し、上部チャネルのオルガノイド単細胞懸濁播種密度の範囲を確立し、30μl/時間の流速(両方のチャネルにおける)が、絨毛様構造の自発的形成を誘導することを発見した後に、マイクロ流体チップの上部チャネルの生存可能な細胞被覆率をもたらす培地処方を特定するために培地組成を試験した。一部には、所望の細胞増殖及び特徴付けのために、増殖因子を含有する培地が、上部及び下部の双方のチャネルに必要であるかどうかを評価することが一つの目標であった。例示的な培地処方物を、本実施例において後述する。
マイクロ流体腸オルガノイドチップにおいて成長する腸細胞のフローサイトメトリー分析
本実施例は、本明細書に記載するマイクロ流体チップで増殖する、iPSC腸管様組織由来の腸細胞集団のパーセンテージの例示的な結果を示す。マイクロ流体チップで増殖する細胞の大部分は、上皮細胞である(例示的には、83.4%及び72%の細胞集団)。さらに、非上皮細胞集団は、例示的な集団において、腸細胞の15.6%及び28.6%として特定された。さらに、パネート細胞(5.03%)、腸内分泌細胞(0.153%)、杯細胞(0.131%)、及び、腸細胞(1.06%)などの腸小細胞集団においても、特異的な非上皮細胞タイプが検出された。
分裂細胞は、腸の絨毛の下部に位置する−パルスチェイス実験。
本実施例は、分裂細胞が、マイクロ流体腸管チップにおいて、主に、腸の絨毛の下部に位置していることを実証する。
経時的多重実験での使用のためにiPS細胞を凍結する。
ヒトiPS細胞株由来の腸内腸管様組織細胞の使用に関する一つの制約は、これらの細胞を、生存可能で再現性のあるマイクロ流体腸管チップを作製するために、ある特定の期間に使用する必要があることである。しかしながら、本発明の開発の際に、これらの細胞を用いた最初の実験から長時間離間した実験において、同じヒト腸内腸管様組織細胞の複数のアリコート(すなわち、複製試料)を使用するための方法及び条件が開発された。あるいは、ヒトiPS細胞株に由来する腸内腸管様組織細胞は、マイクロ流体チップで使用する前に長期間貯蔵し得る。
臓器チップ設計の変形
マイクロ流体臓器チップの設計の追加の実施形態を、図65〜図67に示しており、そこでは、複数の臓器のためのマイクロ流体チップが、流体的に取り付けられている。
超肥満iPSC由来視床下部ニューロンは、調節不全の神経内分泌応答経路を有する。
視床下部の弓状核(ARC)でのニューロンは、飢餓や満腹などの摂食行動を調節する。それらは、胃腸管、膵臓、及び、脂肪組織からのホルモンシグナルに応答した神経ペプチドの分泌によって、生理学的代謝プロセスを制御する。この応答の調節不全は、肥満などの代謝性疾患における細胞病態生理学の中心にある。本研究において、発明者らは、多能性幹細胞からヒトの視床下部ニューロン(iHTN)を分化させるためのロバスト法を記載し、(a)摂食行動を制御する重要な外因性ホルモンを有するiHTNを撹乱させ、(b)超肥満個体(BMI>50)に由来するiHTNと、健常な正常対照(BMI<25)に由来するiHTNとを比較することにより、代謝性疾患をモデル化することにおいて、それらの機能的有用性を実証する。
Claims (40)
- 腸細胞を生成する方法であって、
アクチビンA及びWnt3Aの存在下でのiPSCの培養による胚体内胚葉の生成、
FGF4、及びWnt3AまたはCHIR99021のいずれかの存在下での胚体内胚葉の培養による後腸への分化、
上皮スフィアまたは上皮チューブの回収、
上皮スフィアまたは上皮チューブのマトリゲルでの懸濁、ならびに
CHIR99021、ノギン、及びEGFの存在下で培養して腸細胞を生成すること
を含む、前記方法。 - 前記iPSCが、リプログラミングされたリンパ芽球様B細胞由来の誘導多能性幹細胞(LCL−iPSC)である、請求項1に記載の方法。
- 前記iPSCが、炎症性腸疾患及び/または炎症性腸病態に罹患している対象から得たリプログラミングされた細胞である、請求項2に記載の方法。
- アクチビンA及びWnt3Aの存在下でのiPSCの培養が、約3〜4日間である、請求項1に記載の方法。
- FGF4、及びWnt3AまたはCHIR99021のいずれかの存在下での胚体内胚葉の培養が、約1〜4日間である、請求項1に記載の方法。
- CHIR99021、ノギン、及びEGFの存在下での培養が、約18〜21日間の期間である、請求項1に記載の方法。
- 前記腸細胞を単細胞に分離させ、CD326+発現に基づいて精製する、請求項1に記載の方法。
- 前記腸細胞を、分離の前に、ROCK阻害剤の存在下で培養する、請求項7に記載の方法。
- 前記単細胞が、ROCK阻害剤、SB202190、及びA83−01の1つ以上を含む培地で再懸濁される、請求項7に記載の方法。
- 前記腸細胞が、装置に播種される、請求項1に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法によって製造された腸細胞を含む組成物。
- 請求項1に記載の方法によって製造された腸細胞を含むオルガノイド。
- 絨毛を含む組織化した構造を含む、請求項12に記載のオルガノイド。
- 誘導多能性幹細胞を分化させる方法であって、
ある量の誘導多能性幹細胞(iPSC)を提供すること、及び
1つ以上の因子の存在下で培養すること
を含み、
該1つ以上の因子が、iPSCを分化させることができる、前記方法。 - アクチビンA及びWnt3Aを含む1つ以上の因子の存在下で培養することにより、前記iPSCを胚体内胚葉へと分化させる、請求項14に記載の方法。
- アクチビンA及びWnt3Aを含む1つ以上の因子の存在下での培養が、約3日間である、請求項15に記載の方法。
- 前記分化するiPSCが、最初に、血清を含まない条件下で培養され、続いて、血清が添加される、請求項16に記載の方法。
- CHIR99021、FGF(FGF4)、LDN、及びレチノイン酸(RA)を含む1つ以上の因子の存在下でさらに培養することにより、胚体内胚葉を前腸スフェロイドへと分化させる、請求項15に記載の方法。
- CHIR99021、FGF(FGF4)、LDN、及びレチノイン酸(RA)を含む1つ以上の因子の存在下での培養が、約3日間である、請求項18に記載の方法。
- コーティングされた表面上で培養することにより、前記前腸スフェロイドを前腸上皮へと分化させる、請求項18に記載の方法。
- 表皮成長因子(EGF)を含む1つ以上の因子の存在下でのさらなる培養によって、前記前腸スフェロイドを前腸上皮へと分化させる、請求項18に記載の方法。
- 表皮成長因子(EGF)を含む1つ以上の因子の存在下での前記さらなる培養が、約20日間である、請求項21に記載の方法。
- 前記iPSCを、最初に、ROCK阻害剤Y27632の存在下で培養する、請求項14に記載の方法。
- LDN193189及びSB431542を含む1つ以上の因子の存在下で培養することにより、前記iPSCを神経外胚葉へと分化させる、請求項23に記載の方法。
- LDN193189及びSB431542を含む1つ以上の因子の存在下での培養が、約2日間である、請求項24に記載の方法。
- スムーズンドアゴニストSAG、プルモルファミン(PMN)及びIWR−endoを含む1つ以上の因子の存在下で培養することにより、前記神経外胚葉を腹側間脳へと分化させる、請求項24に記載の方法。
- スムーズンドアゴニストSAG、プルモルファミン(PMN)、及びIWR−endoを含む1つ以上の因子の存在下での培養が、約5〜6日間である、請求項26に記載の方法。
- DAPT、レチノイン酸(RA)を含む1つ以上の因子の存在下で培養することにより、腹側間脳を成熟させる、請求項26に記載の方法。
- DAPT、レチノイン酸(RA)を含む1つ以上の因子の存在下での培養が、約4〜5日間である、請求項28に記載の方法。
- BDNFを含む1つ以上の因子の存在下で培養することにより、前記成熟腹側間脳をさらに成熟させる、請求項29に記載の方法。
- BDNFを含む1つ以上の因子の存在下での培養が、約20〜27日間である、請求項30に記載の方法。
- 請求項14に記載の方法によって製造された前腸細胞を含む、分化したiPSCの組成物。
- 請求項14に記載の方法によって製造された視床下部ニューロンを含む、分化したiPSCの組成物。
- 化合物スクリーニングの方法であって、
ある量の分化した誘導多能性幹細胞(iPSC)を提供すること、
該分化したiPSCを、1つ以上の化合物と接触させること、
該分化したiPSCの1つ以上の特性を測定すること
を含み、
該分化したiPSCの該1つ以上の特性の測定が、該1つ以上の化合物の特徴を特定する、前記方法。 - 化合物スクリーニングが、内分泌攪乱についてのスクリーニングを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記1つ以上の化合物の特徴が、NF−kBのリン酸化を誘導することを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記1つ以上の化合物の特徴が、ミトコンドリア呼吸の減少を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記1つ以上の化合物の特徴が、SCO2、POLRMT、TFAM、及びCYTB5の1つ以上の発現の減少を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記分化したiPSCが、前腸上皮である、請求項34に記載の方法。
- 前記分化したiPSCが、視床下部ニューロンである、請求項34に記載の方法。
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