JP2022191357A - ヒト多能性幹細胞からの心房および心室心筋細胞系列の生成 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒト多能性幹細胞からの心房および心室心筋細胞系列の生成の提供。【解決手段】多能性幹細胞から心筋細胞の集団を製造する方法が開示される。集団は、心房または心室のいずれかの心筋細胞が濃縮されたものであってよく、結果として得られた心室の集団は、ペースメーカー細胞を本質的に含まないものであってよい。方法は、BMP成分、およびアクチビン成分を含む好適な培地中で多能性幹細胞をインキュベートすることを含み、アクチビンの量は心房または心室のいずれかの心筋細胞を濃縮するために変化させてよい。濃縮された集団の他に、それを使用して心臓の修復を必要とする患者を治療する方法が開示される。【選択図】図15
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2016年12月4日に出願された米国仮出願シリアル番号第62/429,823号および2016年12月6日に出願された米国仮出願シリアル番号第62/430,815号への米国特許法第119条の優先権を主張する。これらの先行特許出願の内容全体は、以下に限定されないが、明細書、請求の範囲、および要約書のそれぞれの他に、あらゆる図面、表またはその図を含めて、参照することにより本明細書に明示的に組み込まれる。
本出願は、2016年12月4日に出願された米国仮出願シリアル番号第62/429,823号および2016年12月6日に出願された米国仮出願シリアル番号第62/430,815号への米国特許法第119条の優先権を主張する。これらの先行特許出願の内容全体は、以下に限定されないが、明細書、請求の範囲、および要約書のそれぞれの他に、あらゆる図面、表またはその図を含めて、参照することにより本明細書に明示的に組み込まれる。
本開示は、心房心筋細胞、心室心筋細胞の濃縮された集団を製造する方法およびそれを含む組成物、ならびに治療処置、疾患モデリング、創薬のためのその使用の他に、これらの濃縮された亜集団を同定するためのバイオマーカーおよび方法を提供する。
心臓疾患研究の目標は、心臓疾患において何が、そしてそれが何故起こっているのかをより詳細に理解すること、および損傷を予防しまたは損傷した心臓組織を修復もしくは置換するための方法を発見することである。既存の療法は、失った収縮機能を回復させることではなく心不全の進行を緩慢化させることを目的とする。現在、失った収縮機能を置換するための唯一の利用可能な治療オプションは全臓器移植であるが、需要が供給を大きく上回っているため、代替アプローチとして幹細胞ベースの療法に大きな関心が持たれている。移植の目的のために幹細胞から分化した心筋細胞を利用できることは特に有用であろう。ヒト胚性幹細胞(hESC)由来の心筋細胞の使用は、それが移植されると、損傷した心臓の筋肉を再肥大させ、収縮機能の改善を媒介できることを様々な研究は実証した(例えばShibaら(2012年)を参照)。しかしながら、課題の1つは、幹細胞由来の心筋細胞集団の混合した性質であり、これは、例えば、グラフト関連心室頻脈性不整脈などの問題に関与することがある。必要とされるのは、幹細胞をさらに分化させて、心室心筋細胞および心房心筋細胞などの心筋細胞のサブタイプの特定の濃縮された集団の形成を可能とし、かつ心筋細胞のこれらの濃縮された集団を治療の目的のために使用できるようにすることである。
一態様では、心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、そのステップが、i.少なくともBMP成分、任意選択でBMP4、および有効量のアクチビン成分、任意選択でアクチビンAを含む中胚葉誘導培地中で多能性幹細胞をインキュベートして心房中胚葉を生成させることを含む、方法が提供される。この態様では、方法は、中胚葉誘導または心臓血管系列決定ステージの間に細胞にレチノイン酸成分をさらに加えること、および心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団が生成されるように前記細胞を培養することを含む。
一態様では、その心房中胚葉は、前記細胞が、RALDH2陽性、CD235陰性、およびCYP26A1陰性の1つまたは複数であることによって特徴付けられてよい。一実施形態では、アクチビン成分に対してBMP成分は3:2の比で提供される。別の実施形態では、アクチビン成分は約0.001ng/ml~6ng/mlの量で存在し、かつ、前記BMP成分は約3ng/ml~約100ng/mlの量で存在する。
一態様では、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、そのステップが、心室中胚葉を生成するために充分なBMP成分、任意選択でBMP4、および有効量のアクチビン成分、任意選択でアクチビンAを含む中胚葉誘導培地中で多能性幹細胞をインキュベートすること、およびその後、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を生成するために好適な培地中で前記細胞を培養することを含む、方法が提供される。一実施形態では、心室中胚葉を生成するために効果的な量のアクチビン成分は、前記心室中胚葉がRALDH2陰性、CD235a陽性、およびCYP26A1陽性の1つまたは複数であることにより特徴付けられる。別の実施形態では、アクチビン成分の濃度はBMP成分の濃度より高い。一実施形態では、アクチビン成分は約6ng/ml~20ng/mlの量で存在し、かつ、前記BMPは約3ng/ml~約20ng/mlの量で存在する。
一態様では、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団であって、ペースメーカー細胞を本質的に含まない、集団が提供される。別の態様では、集団はペースメーカー細胞を欠いている。別の態様では、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団であって、少なくとももしくは約50%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約60%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約70%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約80%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約90%の心室心筋細胞、少なくとも約95%の心室心筋細胞、または少なくとも約99%の心室心筋細胞を含み、好ましくは本明細書に記載される方法にしたがって得られた、集団が提供される。本発明の一態様では、単離された集団はペースメーカー細胞を本質的に含まない(総細胞の5%未満)。好ましい実施形態では、集団は、1%未満のペースメーカー細胞、0.5%未満のペースメーカー細胞、0.1%未満のペースメーカー細胞、0.01%未満のペースメーカー細胞、0.001%未満のペースメーカー細胞、0.0001%のペースメーカー細胞を含み、またはペースメーカー細胞を完全に欠いている。いかなる理論によっても縛られることを望まないが、ペースメーカー細胞の存在は、患者に導入された時に、筋肉の独立した別々の収縮を誘導し得ることが想定される。好ましい実施形態では、ペースメーカー細胞は、現在利用可能な技術を使用して心室心筋細胞の単離された集団中に検出できない。
一態様では、心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団であって、少なくとももしくは約50%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約60%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約70%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約80%の心房心筋細胞、または少なくとももしくは約90%の心房心筋細胞、または少なくとももしくは約95%の心房心筋細胞、または少なくとももしくは約99の心房心筋細胞を含み、好ましくは本明細書に記載される方法にしたがって得られた、集団が提供される。
一態様では、心臓の修復を必要とする対象、例えば、心不全を有する対象、または心不全のリスクがある対象などを治療する方法であって、対象に本明細書に記載される心室心筋細胞の集団を投与することを含む、方法が提供される。
一態様では、心臓の修復を必要とする対象、例えば、心不全を有する対象または心不全のリスクがある対象などの治療において使用するための、本明細書に記載される心室心筋細胞の集団が提供される。
一態様では、心臓の修復を必要とする対象、例えば、心不全を有する対象または心不全のリスクがある対象などの治療のための医薬の調製における、本明細書に記載される心室心筋細胞の集団の使用が提供される。
一態様では、細胞の集団中の心房中胚葉を検出する方法であって、ALDH、好ましくはRALDH2を検出することを含み、ALDH、好ましくはRALDH2の存在が心房中胚葉を指し示す、方法が提供される。
一態様では、細胞の集団中の心室中胚葉を検出する方法であって、CD235a、CD235b、およびCYP26A1の1つまたは複数を検出することを含み、CD235a、CD235b、および/またはCYP26A1の存在が心室中胚葉を指し示す、方法が提供される。
本開示の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。しかしながら、詳細な説明および特定の例は、本開示の好ましい実施形態を指し示すとはいえ、説明のためにのみ与えられるものであることが理解されるべきであり、本開示の精神および範囲内での様々な変更および改良がこの詳細な説明から当業者に明らかとなるであろう。
特定の実施形態では、例えば、以下が提供される:
(項目1)
心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団であって、ペースメーカー細胞を本質的に含まない、集団。
(項目2)
ペースメーカー細胞を欠いている、項目1に記載の集団。
(項目3)
患者における心不全または心筋梗塞を治療するための医薬組成物であって、項目1または2に記載の心筋細胞の集団および薬学的に許容される担体を含む、組成物。
(項目4)
心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、
中胚葉誘導培地中で多能性幹細胞をインキュベートすることであって、前記中胚葉誘導培地が、心室中胚葉を生成するために充分なBMP成分および有効量のアクチビン成分を含む、前記インキュベートすること、およびその後に、
好適な培地中で前記インキュベートされた細胞を培養して、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を生成させること
を含む、方法。
(項目5)
前記アクチビン成分の濃度が前記BMP成分の濃度より高い、項目4に記載の方法。
(項目6)
前記アクチビン成分に対する前記BMP成分の比が、約0.3~1:1、約0.5:1、または約0.8:1である、項目4または5に記載の方法。
(項目7)
前記アクチビン成分の濃度が、CD235aを発現する中胚葉細胞のレベルを測定すること、およびこれをRALDH2を発現する中胚葉細胞のレベルに対して比較することにより決定される、項目4~6のいずれか1項に記載の方法。
(項目8)
前記アクチビン成分の濃度が、RALDH2を発現する中胚葉細胞と比較してより多くのCD235aを発現する中胚葉細胞を結果として優先的にもたらす濃度を決定することにより選択される、項目4~7のいずれか1項に記載の方法。
(項目9)
前記アクチビン成分が、約4ng/ml~約20ng/mlの量で加えられる、項目4~8のいずれか1項に記載の方法。
(項目10)
前記アクチビン成分の濃度が6~20ng/mlである、項目4~9のいずれか1項に記載の方法。
(項目11)
前記BMP成分の濃度が約3ng/ml~約20ng/mlである、項目4~10のいずれか1項に記載の方法。
(項目12)
前記BMP成分の濃度が5ng/mlまたは10ng/mlである、項目4~11のいずれか1項に記載の方法。
(項目13)
前記アクチビン成分の濃度が12ng/mlである、項目4~12のいずれか1項に記載の方法。
(項目14)
前記BMP成分がBMP4である、項目4~13のいずれか1項に記載の方法。
(項目15)
前記アクチビン成分がアクチビンAである、項目4~14のいずれか1項に記載の方法。
(項目16)
生成された心筋細胞の前記集団の少なくとも一部分が、心臓の修復を必要とする対象を治療するために使用される、項目4~15のいずれか1項に記載の方法。
(項目17)
心臓の修復を必要とする前記対象が、心不全のリスクがある、心不全を患っているかつ/または心筋梗塞の発症を患っている、項目16に記載の方法。
(項目18)
前記治療が、心筋梗塞の発症の前、間または後に為される、項目17に記載の方法。
(項目19)
心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、
中胚葉誘導培地中で多能性幹細胞をインキュベートすることであって、前記中胚葉誘導培地が、心房中胚葉を生成するために充分なBMP成分および有効量のアクチビン成分を含む、前記インキュベートすること、およびその後に、
レチノイン酸成分を前記細胞に加えることであって、前記レチノイン酸成分を前記加えることが、中胚葉誘導培地中での前記インキュベーションの間または後に行われる、前記加えること、および、
心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団が生成されるように前記インキュベートされた細胞を培養すること
を含む、方法。
(項目20)
前記レチノイン酸成分が、前記細胞がRALDH2陽性かつCD235a陰性である時に加えられる、項目19に記載の方法。
(項目21)
前記アクチビン成分に対する前記BMP成分の比が約1.5対1またはそれより高い、項目19または20に記載の方法。
(項目22)
前記アクチビン成分に対する前記BMP成分の比が3:2である、項目19~21のいずれか1項に記載の方法。
(項目23)
前記BMP成分が約3ng/ml~約100ng/mlの濃度で存在する、項目19~22のいずれか1項に記載の方法。
(項目24)
前記BMP成分が約3ng/mlの量で存在する、項目19~23のいずれか1項に記載の方法。
(項目25)
前記アクチビン成分が約0.01ng/ml~約6ng/mlの量で存在する、項目19~24のいずれか1項に記載の方法。
(項目26)
前記アクチビン成分が約2ng/mlの量で存在する、項目19~25のいずれか1項に記載の方法。
(項目27)
前記レチノイン酸成分がトランスレチノイン酸またはレチノールである項目19~26のいずれか1項に記載の方法。
(項目28)
前記レチノイン酸成分が50nm~5μΜの濃度で加えられる、項目19~27のいずれか1項に記載の方法。
(項目29)
前記レチノイン酸成分が500nMの濃度で加えられる、項目19~28のいずれか1項に記載の方法。
(項目30)
前記BMP成分がBMP4である、項目19~29のいずれか1項に記載の方法。
(項目31)
前記アクチビン成分がアクチビンAである、項目19~30のいずれか1項に記載の方法。
(項目32)
前記BMP成分が1日後に前記中胚葉誘導培地に加えられる、項目19~31のいずれか1項に記載の方法。
(項目33)
前記アクチビン成分が1日後に前記中胚葉誘導培地に加えられる、項目19~31のいずれか1項に記載の方法。
(項目34)
前記レチノイン酸成分が前記方法の約3~5日目に加えられる、項目19~33のいずれか1項に記載の方法。
(項目35)
追加のBMP成分が前記方法の3日目に前記中胚葉誘導培地に加えられない、項目19~34のいずれか1項に記載の方法。
(項目36)
FGF阻害剤が前記方法の3日目に前記中胚葉誘導培地に入れられない、項目19~35のいずれか1項に記載の方法。
(項目37)
前記中胚葉誘導培地中で前記多能性幹細胞をインキュベートする前に、凝集および/または胚様体形成のために好適な培地中で前記多能性幹細胞をインキュベートすることをさらに含む、項目4~36のいずれか1項に記載の方法。
(項目38)
前記方法により製造された細胞が、潜在的な治療用化合物をスクリーニングするためのin vitroアッセイにおいて利用される、項目4~37のいずれか1項に記載の方法。
(項目39)
心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団であって、少なくとももしくは約50%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約60%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約70%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約80%の心房心筋細胞、または少なくとももしくは約90%の心房心筋細胞を含む、集団。
(項目40)
項目18~38のいずれか1項に記載の方法にしたがって得られた、項目39に記載の心筋細胞の集団。
(項目41)
心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団であって、少なくとももしくは約50%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約60%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約70%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約80%の心室心筋細胞、または少なくとももしくは約90%の心室心筋細胞を含む、集団。
(項目42)
ペースメーカー細胞を本質的に含まない、またはペースメーカー細胞を欠いている、項目41に記載の集団。
(項目43)
項目4~17のいずれか1項に記載の方法にしたがって得られた、項目41または42に記載の集団。
(項目44)
心臓の修復を必要とする対象を治療する方法であって、前記対象に項目1、2、または41~43のいずれか1項に記載の心筋細胞の集団を投与することを含む、方法。
(項目45)
前記対象が、心不全のリスクがある、心不全を患っているかつ/または心筋梗塞の発症を経験している、項目44に記載の方法。
(項目46)
前記心筋梗塞が前記患者の心室中のものである、項目45に記載の方法。
(項目47)
心臓の修復を必要とする対象の治療において使用するための、項目1、2、または40~42のいずれか1項に記載の心筋細胞の集団。
(項目48)
心臓の修復を必要とする対象を治療するための医薬の調整における、項目1、2、または41~43のいずれか1項に記載の心筋細胞の集団の使用。
(項目49)
中胚葉細胞の集団中の心房中胚葉を検出する方法であって、RALDH2を検出することを含み、RALDH2の存在が心房中胚葉を指し示す、方法。
(項目50)
中胚葉細胞の集団中の心室中胚葉を検出する方法であって、CD235aを検出することを含み、CD235aの存在が心室中胚葉を指し示す、方法。
(項目51)
洞房結節のペースメーカー細胞または心外膜細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、
中胚葉誘導培地中で多能性幹細胞をインキュベートすることであって、前記中胚葉誘導培地が、ALDH+/CD235-中胚葉を生成するために充分な量のBMP成分およびアクチビン成分をさらに含む、前記インキュベートすること、およびその後に、
WNT、FGFiおよびBMPの1つまたは複数を含む好適な培地中で前記インキュベートされた細胞を培養して、洞房結節のペースメーカー細胞または心外膜細胞が濃縮された心筋細胞の集団を生成させること
を含む、方法。
(項目52)
項目51に記載の方法により製造された心筋細胞の集団。
(項目53)
試験化合物または剤の潜在的な心毒性をスクリーニングまたは評価する方法であって、先行する細胞集団の項目のいずれかに記載の心筋細胞の集団を前記試験化合物に曝露するステップ、ならびに、生存能力、収縮性、電位の変化および/または細胞の他の機能を評価するステップを含む、方法。
特定の実施形態では、例えば、以下が提供される:
(項目1)
心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団であって、ペースメーカー細胞を本質的に含まない、集団。
(項目2)
ペースメーカー細胞を欠いている、項目1に記載の集団。
(項目3)
患者における心不全または心筋梗塞を治療するための医薬組成物であって、項目1または2に記載の心筋細胞の集団および薬学的に許容される担体を含む、組成物。
(項目4)
心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、
中胚葉誘導培地中で多能性幹細胞をインキュベートすることであって、前記中胚葉誘導培地が、心室中胚葉を生成するために充分なBMP成分および有効量のアクチビン成分を含む、前記インキュベートすること、およびその後に、
好適な培地中で前記インキュベートされた細胞を培養して、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を生成させること
を含む、方法。
(項目5)
前記アクチビン成分の濃度が前記BMP成分の濃度より高い、項目4に記載の方法。
(項目6)
前記アクチビン成分に対する前記BMP成分の比が、約0.3~1:1、約0.5:1、または約0.8:1である、項目4または5に記載の方法。
(項目7)
前記アクチビン成分の濃度が、CD235aを発現する中胚葉細胞のレベルを測定すること、およびこれをRALDH2を発現する中胚葉細胞のレベルに対して比較することにより決定される、項目4~6のいずれか1項に記載の方法。
(項目8)
前記アクチビン成分の濃度が、RALDH2を発現する中胚葉細胞と比較してより多くのCD235aを発現する中胚葉細胞を結果として優先的にもたらす濃度を決定することにより選択される、項目4~7のいずれか1項に記載の方法。
(項目9)
前記アクチビン成分が、約4ng/ml~約20ng/mlの量で加えられる、項目4~8のいずれか1項に記載の方法。
(項目10)
前記アクチビン成分の濃度が6~20ng/mlである、項目4~9のいずれか1項に記載の方法。
(項目11)
前記BMP成分の濃度が約3ng/ml~約20ng/mlである、項目4~10のいずれか1項に記載の方法。
(項目12)
前記BMP成分の濃度が5ng/mlまたは10ng/mlである、項目4~11のいずれか1項に記載の方法。
(項目13)
前記アクチビン成分の濃度が12ng/mlである、項目4~12のいずれか1項に記載の方法。
(項目14)
前記BMP成分がBMP4である、項目4~13のいずれか1項に記載の方法。
(項目15)
前記アクチビン成分がアクチビンAである、項目4~14のいずれか1項に記載の方法。
(項目16)
生成された心筋細胞の前記集団の少なくとも一部分が、心臓の修復を必要とする対象を治療するために使用される、項目4~15のいずれか1項に記載の方法。
(項目17)
心臓の修復を必要とする前記対象が、心不全のリスクがある、心不全を患っているかつ/または心筋梗塞の発症を患っている、項目16に記載の方法。
(項目18)
前記治療が、心筋梗塞の発症の前、間または後に為される、項目17に記載の方法。
(項目19)
心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、
中胚葉誘導培地中で多能性幹細胞をインキュベートすることであって、前記中胚葉誘導培地が、心房中胚葉を生成するために充分なBMP成分および有効量のアクチビン成分を含む、前記インキュベートすること、およびその後に、
レチノイン酸成分を前記細胞に加えることであって、前記レチノイン酸成分を前記加えることが、中胚葉誘導培地中での前記インキュベーションの間または後に行われる、前記加えること、および、
心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団が生成されるように前記インキュベートされた細胞を培養すること
を含む、方法。
(項目20)
前記レチノイン酸成分が、前記細胞がRALDH2陽性かつCD235a陰性である時に加えられる、項目19に記載の方法。
(項目21)
前記アクチビン成分に対する前記BMP成分の比が約1.5対1またはそれより高い、項目19または20に記載の方法。
(項目22)
前記アクチビン成分に対する前記BMP成分の比が3:2である、項目19~21のいずれか1項に記載の方法。
(項目23)
前記BMP成分が約3ng/ml~約100ng/mlの濃度で存在する、項目19~22のいずれか1項に記載の方法。
(項目24)
前記BMP成分が約3ng/mlの量で存在する、項目19~23のいずれか1項に記載の方法。
(項目25)
前記アクチビン成分が約0.01ng/ml~約6ng/mlの量で存在する、項目19~24のいずれか1項に記載の方法。
(項目26)
前記アクチビン成分が約2ng/mlの量で存在する、項目19~25のいずれか1項に記載の方法。
(項目27)
前記レチノイン酸成分がトランスレチノイン酸またはレチノールである項目19~26のいずれか1項に記載の方法。
(項目28)
前記レチノイン酸成分が50nm~5μΜの濃度で加えられる、項目19~27のいずれか1項に記載の方法。
(項目29)
前記レチノイン酸成分が500nMの濃度で加えられる、項目19~28のいずれか1項に記載の方法。
(項目30)
前記BMP成分がBMP4である、項目19~29のいずれか1項に記載の方法。
(項目31)
前記アクチビン成分がアクチビンAである、項目19~30のいずれか1項に記載の方法。
(項目32)
前記BMP成分が1日後に前記中胚葉誘導培地に加えられる、項目19~31のいずれか1項に記載の方法。
(項目33)
前記アクチビン成分が1日後に前記中胚葉誘導培地に加えられる、項目19~31のいずれか1項に記載の方法。
(項目34)
前記レチノイン酸成分が前記方法の約3~5日目に加えられる、項目19~33のいずれか1項に記載の方法。
(項目35)
追加のBMP成分が前記方法の3日目に前記中胚葉誘導培地に加えられない、項目19~34のいずれか1項に記載の方法。
(項目36)
FGF阻害剤が前記方法の3日目に前記中胚葉誘導培地に入れられない、項目19~35のいずれか1項に記載の方法。
(項目37)
前記中胚葉誘導培地中で前記多能性幹細胞をインキュベートする前に、凝集および/または胚様体形成のために好適な培地中で前記多能性幹細胞をインキュベートすることをさらに含む、項目4~36のいずれか1項に記載の方法。
(項目38)
前記方法により製造された細胞が、潜在的な治療用化合物をスクリーニングするためのin vitroアッセイにおいて利用される、項目4~37のいずれか1項に記載の方法。
(項目39)
心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団であって、少なくとももしくは約50%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約60%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約70%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約80%の心房心筋細胞、または少なくとももしくは約90%の心房心筋細胞を含む、集団。
(項目40)
項目18~38のいずれか1項に記載の方法にしたがって得られた、項目39に記載の心筋細胞の集団。
(項目41)
心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団であって、少なくとももしくは約50%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約60%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約70%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約80%の心室心筋細胞、または少なくとももしくは約90%の心室心筋細胞を含む、集団。
(項目42)
ペースメーカー細胞を本質的に含まない、またはペースメーカー細胞を欠いている、項目41に記載の集団。
(項目43)
項目4~17のいずれか1項に記載の方法にしたがって得られた、項目41または42に記載の集団。
(項目44)
心臓の修復を必要とする対象を治療する方法であって、前記対象に項目1、2、または41~43のいずれか1項に記載の心筋細胞の集団を投与することを含む、方法。
(項目45)
前記対象が、心不全のリスクがある、心不全を患っているかつ/または心筋梗塞の発症を経験している、項目44に記載の方法。
(項目46)
前記心筋梗塞が前記患者の心室中のものである、項目45に記載の方法。
(項目47)
心臓の修復を必要とする対象の治療において使用するための、項目1、2、または40~42のいずれか1項に記載の心筋細胞の集団。
(項目48)
心臓の修復を必要とする対象を治療するための医薬の調整における、項目1、2、または41~43のいずれか1項に記載の心筋細胞の集団の使用。
(項目49)
中胚葉細胞の集団中の心房中胚葉を検出する方法であって、RALDH2を検出することを含み、RALDH2の存在が心房中胚葉を指し示す、方法。
(項目50)
中胚葉細胞の集団中の心室中胚葉を検出する方法であって、CD235aを検出することを含み、CD235aの存在が心室中胚葉を指し示す、方法。
(項目51)
洞房結節のペースメーカー細胞または心外膜細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、
中胚葉誘導培地中で多能性幹細胞をインキュベートすることであって、前記中胚葉誘導培地が、ALDH+/CD235-中胚葉を生成するために充分な量のBMP成分およびアクチビン成分をさらに含む、前記インキュベートすること、およびその後に、
WNT、FGFiおよびBMPの1つまたは複数を含む好適な培地中で前記インキュベートされた細胞を培養して、洞房結節のペースメーカー細胞または心外膜細胞が濃縮された心筋細胞の集団を生成させること
を含む、方法。
(項目52)
項目51に記載の方法により製造された心筋細胞の集団。
(項目53)
試験化合物または剤の潜在的な心毒性をスクリーニングまたは評価する方法であって、先行する細胞集団の項目のいずれかに記載の心筋細胞の集団を前記試験化合物に曝露するステップ、ならびに、生存能力、収縮性、電位の変化および/または細胞の他の機能を評価するステップを含む、方法。
本開示の実施形態をこれより図面と関連させて説明する。
(AおよびB)(A)10ng/mLのBMP4の存在下のアクチビンA濃度(2~20ng/ml)または(B)12ng/mLのアクチビンAの存在下のBMP4濃度(3~20ng/ml)のマニピュレーション(1~3日目)後の4日目のEBにおけるCD235a+細胞(左)および20日目のEBにおける結果として生じたCTNT+MLC2V+細胞(右)の割合のフローサイトメトリー解析(n=6)。t検定:*P<0.05、**P<0.01、指し示した試料に対して。(C)5B/12Aまたは10B/6Aのいずれかで誘導したEB(20日目)の6ウェルプレートのウェル当たりの生成された細胞の平均数を示す棒グラフ(n=4)。t検定:P>0.05=n.s.、有意でない。(D)指し示した通りに誘導したEB集団における培養の20日目および40日目のCTNT+MLC2V+細胞の割合のフローサイトメトリー解析(n=3)。t検定:P>0.05=n.s.、有意でない。エラーバーはSEMを表す。
定義
本明細書で使用される「心室心筋細胞」という用語は、心室細胞が濃縮された、または心室細胞の特性を有する細胞が濃縮された細胞の集団を指す。これらとしては、MYL2、IRX4などの心室特異的マーカー、および/または上昇したレベルのNKX2-5を発現し、かつ/または心室細胞の電気生理学的性質(例えば、活動電位)を示す心筋細胞が挙げられる。
本明細書で使用される「心房心筋細胞」という用語は、心房細胞が濃縮された、または心房細胞様の特性を有する細胞が濃縮された細胞の集団を指す。これらとしては、心房イオンチャネル遺伝子KCNJ3、NPPA、GJA5および/またはMYL7などの心房特異的マーカーを発現し、かつ/または心房細胞の電気生理学的性質(例えば、活動電位)を示す心筋細胞が挙げられる。
本明細書で使用される「心臓血管中胚葉細胞」および「心臓血管中胚葉」という用語は、他の中胚葉細胞と比べて心臓血管細胞への分化の能力が増加した中胚葉細胞が濃縮された中胚葉細胞の集団を指す。
本明細書で使用される「心室中胚葉細胞」および「心室中胚葉」という用語は、他の中胚葉細胞と比べて心室心筋細胞への分化の能力が増加した中胚葉細胞が濃縮された中胚葉細胞を含む集団を指す。これらとしては、ALDH-、RALDH2-CD235a+、CD235b+、およびCYP26A1+の1つまたは複数である中胚葉細胞が挙げられる。
本明細書で使用される「心房中胚葉細胞」および「心房中胚葉」という用語は、他の中胚葉細胞と比べて心房心筋細胞への分化の能力が増加した中胚葉細胞が濃縮された中胚葉細胞を含む集団を指す。これらとしては、ALDH+、RALDH2+、CD235a-、CD235b-、およびCYP26A1-の1つまたは複数である中胚葉細胞が挙げられる。
本明細書で使用される「心筋細胞」という用語は、心臓系列細胞である。心臓系列細胞は、典型的に、全心臓特異的マーカーcTNTを発現する。
本明細書で使用される「ペースメーカー細胞」という用語は、ペースメーカー活性を有し、かつ洞房結節(SAN)細胞特異的マーカーを発現する心筋細胞を指す。ペースメーカー細胞は、一般に、心室心筋細胞より速い鼓動速度を有する。ペースメーカー細胞はNKX2-5を発現しない。
本明細書で使用される「NKX2-5」という用語は、ヒトにおいてNKX2-5遺伝子によりコードされる心臓ホメオボックスタンパク質NKX2-5を指す。該遺伝子は心臓の分化に関与し、心室心筋細胞などの心筋細胞サブタイプにおいて発現される。NKX2-5の発現は、例えばNKX2-5に特異的な抗体を使用して、または例えばNKX2-5レポーターコンストラクトを使用することにより、測定することができる。
本明細書で使用される「BMP成分」という用語は、BMP4の受容体を活性化する、任意の分子、任意選択で任意のBMPもしくは成長分化因子(GDF)、または小分子を意味し、例えば、BMP4および/またはBMP2が挙げられる。
本明細書で使用される「BMP4」(例えば、遺伝子ID:652)という用語は、骨形成タンパク質4、例えばヒトBMP4の他に、例えばBMP4受容体シグナル伝達を活性化できるその活性コンジュゲートおよび/または断片を指す。
本明細書で使用される「ペースメーカー細胞を本質的に含まない」という用語は、心筋細胞の集団であって、ペースメーカー細胞が、総細胞の5%未満、1%未満のペースメーカー細胞、0.5%未満のペースメーカー細胞、0.1%未満のペースメーカー細胞、0.01%未満のペースメーカー細胞、0.001%未満のペースメーカー細胞、または0.0001%未満のペースメーカー細胞を含み、ペースメーカー細胞を完全に欠いており、またはペースメーカー細胞が現在利用可能な検出方法を介して心筋細胞の集団中に検出できないものを指す。いかなる理論によっても縛られることを望まないが、心室細胞の集団におけるペースメーカー細胞の存在は、患者に導入された時に、筋肉の独立した別々の収縮を誘導し得ることが想定される。
本明細書で使用される「アクチビン成分」という用語は、nodalシグナル伝達を活性化し、任意選択でアクチビンAおよび/またはnodalなどのアクチビンA活性を有する、1つまたは複数の成分、または前記成分を含む組成物を意味する。
本明細書で使用される「アクチビン」または「ActA」という用語は、nodalシグナル伝達を活性化できる、「アクチビンA」(例えば、遺伝子ID:3624)、例えばヒトアクチビンAの他に、その活性コンジュゲートおよび断片または小分子を指す。
「レチノイン酸」または「RA」という用語は、レチノイン酸を表す。
「レチノイン酸成分」という用語は、ビタミンAの機能を媒介する化合物を含み、例えば、オールトランスRA(例えば、Sigma R2625)、9-シスRA(例えば、Sigma R4643)、およびレチノール(例えば、Sigma R7632)の他に、RAアナログ(例えば、RARアゴニスト)、例えば、選択的RARアルファアゴニストであるAM580(Tocris 0760)、選択的RARβアゴニストであるAC55649(Tocris 2436)、および選択的RARγアゴニストであるCD437(Tocris 1549)などが挙げられる。
本明細書で使用される「胚様体培地」という用語は、凝集体(例えば、3つ全ての胚葉の細胞に分化する能力を有するPSCの浮遊凝集体)またはPSCの胚様体の形成を支持する培養培地であり、最小培地、例えば、StemPro 34(ThermoFisher)、MesoFate(商標)(Stemgent)、RPMI(ThermoFisherおよび他の企業)、HES培地(KnockOut Serum Replacementを含むDMEM/F12、ThermoFisherおよび他の企業)など、および例えばBMP成分、任意選択でBMP4、およびさらに任意選択でRho関連プロテインキナーゼ(ROCK)阻害剤を含む。
本明細書で使用される「胚様体凝集期」という用語は、非凝集hPSCが例えば本明細書に記載される胚様体培地を用いて培養され、かつBMP成分の他に、任意選択でROCK阻害剤および/または胚様体などの凝集体(例えば、3つ全ての胚葉の細胞に分化できるPSCの凝集体)を結果としてもたらす他の成分で処理される期間を意味する。成分での処理は、同時であってもよいし、重なり合っていてもよいし、または別個であってもよい。例えば、第1の成分は培地中に含まれてもよく、かつ、第2の成分は胚様体凝集期の間に培地に加えられてもよい。
「中胚葉誘導培地」という用語は、心臓血管中胚葉細胞の形成を支持し、最小培地、例えば、StemPro 34(ThermoFisher)、MesoFate(商標)(Stemgent)、RPMI(ThermoFisherおよび他の企業)などを含む培養培地を含むことができる。中胚葉誘導培地は、追加の成分、例えば、BMP成分、任意選択でBMP4、アクチビン成分、任意選択でアクチビンAなどを含むことができ、また、bFGFなどの他の成分を含んでもよい。中胚葉から生成される心筋細胞の所望の運命に応じて、BMP成分およびアクチビン成分のそれぞれの異なる濃度を本明細書に教示される通りに調整することができる。
「中胚葉誘導期」という用語は、PSCが中胚葉細胞に分化するように、PSCが中胚葉誘導培地を用いて培養され、例えば、BMP成分およびアクチビン成分の他に、任意選択でFGF成分および/または他の成分で処理される期間を表すことができる。BMPおよびアクチビン成分での処理は、同時であってもよいし、重なり合っていてもよいし、または別個であってもよい。例えば、第1の成分は中胚葉誘導の最初に培地中に含まれてもよく、かつ、第2の成分は中胚葉誘導期の間に培地に加えられてもよい。
「心臓誘導培地」という用語は、中胚葉細胞からの心臓前駆細胞の誘導を支持する培養培地、例えば、例えばWNT阻害剤、任意選択でIWP2、VEGFおよび/または任意選択でアクチビン/nodal阻害剤、任意選択でSB-431542を含むStemPro-34最小培地などを含むことができる。所望の細胞種に応じて、心臓誘導培地はまた、BMP成分、レチノイン酸、FGF阻害剤またはFGF成分を含んでもよい。心臓誘導培地の一実施形態(標準心臓誘導培地とも称する)は、0.5μΜのIWP2、10ng/mlのVEGF、および任意選択で5.4μΜのSB-431542を含有するStemPro-34最小培地である。使用できる他の最小培地としては、MesoFate(商標)(Stemgent)およびRPMI(ThermoFisherおよび他の企業)が挙げられる。
「心臓誘導期」という用語は、中胚葉細胞が、心臓誘導培地と培養された時に心臓前駆細胞に分化するように誘導され、かつ例えばBMP成分およびRAの他に、任意選択でFGF阻害剤またはFGF成分および/または心臓血管前駆細胞を結果としてもたらす他の成分で処理される期間を表すために使用することができる。処理は、同時であってもよいし、重なり合っていてもよいし、または別個であってもよい。例えば、第1の成分は培地中に含まれてもよく、かつ、第2の成分は心臓誘導期の間に培地に加えられてもよい。
「基本培地」という用語は、心臓血管前駆細胞および心筋細胞の成長を支持する培養培地であって、最小培地、例えば、StemPro 34(ThermoFisher)、MesoFate(商標)(Stemgent)、RPMI(ThermoFisherおよび他の企業)など、および例えばVEGFを含むものを含むことができる。基本培地の一例は、実施例1に提供される。
「基本期」という用語は、心臓血管前駆細胞が基本培地を用いて培養され、かつVEGFおよび/または心筋細胞を結果としてもたらす他の成分で処理される期間を指すために使用することができる。処理は、同時であってもよいし、重なり合っていてもよいし、または別個であってもよい。
「インキュベートする」という用語は、細胞の集団を維持および/または増殖させる任意のin vitroの方法を含むことができ、単層、ビーズ、フラスコ、または3D培養を挙げることができ、これは任意選択で、インキュベーター中など、周囲条件が制御され、任意選択で細胞の継代を伴う。1つまたは複数の成分と細胞をインキュベートすることを伴うステップにおいて、成分は、同時に加えらえてもよいし、または重なり合う期間もしくは別個の期間のために異なる時点に加えられてもよい。因子は、例えば誘導培地中での細胞のインキュベートを開始した後に培地に加えられてもよいし、または因子は培地が細胞に加えられる前に培地に加えられてもよい。さらに、細胞をインキュベーションの間に洗浄して、例えば、以前のインキュベーションからの成分のレベルを低減させてもよい。
「培養する」という用語は、少なくとも1回の細胞分裂を通じて細胞の集団を維持および増殖させる任意のin vitroの方法を含むことができ、単層、ビーズ、フラスコ、または3D培養を挙げることができ、これは任意選択で、インキュベーター中など、周囲条件が制御される。
本明細書で使用される「濃縮された」という用語は、少なくとも50%、少なくとも60%、または少なくとも70%から最大100%の濃縮された細胞種を含むことを意味する。一実施形態では、濃縮は、本明細書に記載される方法を使用して20日目の培養物中で測定される。
本明細書で使用される「対象」という用語は、哺乳動物などの動物界の全てのメンバーを包含し、好適にはヒトを指す。
細胞に適用される「処理する」、「処理すること」、「処理」などの用語は、細胞を任意の種類の加工もしくは条件に供することまたは細胞に任意の種類のマニピュレーションもしくは手順を行うことを含む。
対象に適用される場合、本明細書で使用される「治療」という用語は、有益なまたは所望の結果、例えば臨床結果を得ることを目的とするアプローチを指し、医療処置および薬剤または他の製造物による介入などの適用を含む。一実施形態では、治療は、生着の目的のための製造物の投与を指す。有益なまたは所望の臨床結果としては、1つまたは複数の症状または状態の軽減または改善、疾患の程度の減少、疾患の状態の安定化(すなわち、悪化させない)、疾患の拡大の予防、疾患進行の遅延または緩慢化、病態の改善または一時的緩和、および寛解(部分的または完全寛解)が挙げられるがこれらに限定されず、これらは検出可能または検出不可能なものであってよい。「治療」はまた、治療を受けていない場合の予想される生存と比較して生存を長期化させることも意味することができる。
本明細書で使用される場合、「心不全」という用語は、対象の心臓が、対象の身体中に好適な血液の流れを維持するために充分にポンプできない状態を指す。「心不全のリスクがある」対象は、心不全に先立つことが公知の1つまたは複数の特徴を有する対象を指す。例えば、心不全のリスクがある対象は、冠動脈疾患、以前の心筋梗塞(心臓発作)、高血圧、心房細動、心臓弁膜症、過剰アルコール摂取、タバコ摂取、肥満症、睡眠時無呼吸、感染症(ウイルス性および/または細菌性)、心筋症、心筋炎、先天性心臓欠陥、不整脈、および/または他の疾患、例えば、以下に限定されないが、糖尿病、甲状腺機能亢進症、甲状腺機能低下症、ヘモクロマトーシスおよび/またはアミロイドーシスなどを有するまたは有していた対象であり得る。
本明細書で使用される場合、「心筋梗塞」および「MI」という用語は、心臓の一部分への血液の流れが減少または停止し、それにより、酸素供給の欠如(虚血)のため心筋細胞の死を引き起こし、心筋の損傷を結果としてもたらす事象を指す。
本明細書で使用される場合、「投与する」、「導入する」および「移植する」という用語は、所望の部位において導入された細胞の少なくとも部分的な局在を結果としてもたらす方法または経路による対象への細胞の送達の文脈において交換可能に使用される。
本明細書で使用される「多能性幹細胞」または「PSC」という用語は、異なる条件下で、3胚葉の細胞に特徴的な細胞種のいずれか1つに分化する能力を有する細胞を指し、胚性幹細胞および人工多能性幹細胞が挙げられる。多能性細胞は、例えばヌードマウス奇形腫形成アッセイを使用して、1つより多くの細胞種に分化する能力により特徴付けられる。多能性はまた、胚性幹(ES)細胞マーカーの発現によっても立証される。本明細書で使用される場合、多能性幹としては、人工多能性幹細胞(iPSC)および胚性幹細胞(ESC)を挙げることができる。
一実施形態では、「胚性幹細胞」という用語は、ヒト胚などの胚の破壊を伴う幹細胞を除外する。
本明細書で使用される場合、「iPSC」および「人工多能性幹細胞」という用語は交換可能に使用され、例えば、1つまたは複数の遺伝子(例えば、以下に制限されないが、SOX2(遺伝子ID;6657)、KLF4(遺伝子ID;9314)、cMYC(遺伝子ID;4609)、NANOG(遺伝子ID;79923)、LIN28/LIN28A(遺伝子ID;79727)と組み合わせたPOU4F1/OCT4(遺伝子ID;5460)など)の発現を誘導することにより、非多能性細胞、典型的に成体体細胞から、人工的に誘導された(例えば、誘導された、または完全な反転による)多能性幹細胞を指す。
本発明の方法により調製され、濃縮され、または単離された心筋細胞は、多能性幹細胞に由来する。例えば、本明細書に記載される分化因子への曝露の前、間または後に、分化の状態を制御し得る遺伝子の導入を通じて、使用前に患者の細胞を遺伝子改変してもよい。本明細書に記載される方法において使用するために好適な多能性幹細胞は、患者自身の組織に由来し、幹細胞に由来する分化した組織グラフトの患者との適合性を増進させる。
「胚性幹細胞」という用語は、胚性胚盤胞の内部細胞塊の多能性幹細胞を指すために使用される(例えば、米国特許第5,843,780号、同第6,200,806号を参照)。そのような細胞はまた、体細胞核移植に由来する胚盤胞の内部細胞塊から得ることもできる(例えば、米国特許第5,945,577号、同第5,994,619号、同第6,235,970号を参照)。胚性幹細胞を区別する特徴は、胚性幹細胞の表現型を定義する。したがって、細胞は、その細胞を他の細胞から区別できるような胚性幹細胞の独特の特徴の1つまたは複数を持つ場合、胚性幹細胞の表現型を有する。例示的な区別する胚性幹細胞の特徴としては、遺伝子発現プロファイル、増殖能力、分化能力、特定の培養条件への応答性などが挙げられるがこれらに限定されない。
本明細書で使用される場合、多能性幹細胞は、幹細胞特異的プロモーターの制御下でOct-4などの選択マーカーを発現するベクター、または上方調節されて心筋細胞分化を誘導し得る遺伝子の導入を通じて遺伝子改変されてもよい。幹細胞は、マーカーまたは遺伝子が培養の任意のステージを通じて保有されるように、任意のステージにおいてマーカーまたは遺伝子を用いて遺伝子改変されてよい。マーカーは、培養の任意のステージにおいて分化したまたは未分化の幹細胞の集団を精製または濃縮するために使用され得る。
本明細書で使用される「薬学的に許容される担体」という用語は、医薬組成物の生物学的活性の効果に干渉しない、本質的に化学的に不活性のおよび非毒性の組成物を含む。好適な薬学的担体の例としては、水、食塩水溶液、グリセロール溶液、エタノール、N-(1(2,3-ジオレイルオキシ)プロピル)Ν,Ν,Ν-トリメチルアンモニウムクロリド(DOTMA)、ジオレシルホスホチジル-エタノールアミン(DOPE)、およびリポソームが挙げられるがこれらに限定されない。そのような組成物は、対象への直接投与のための形態を提供するように、好適な量の担体と共に治療有効量の化合物を含有するべきである。
本開示の範囲の理解において、本明細書で使用される「濃度」という用語は、培地中の物質、例えば、BMP4、アクチビンA、レチノイン酸などの最終濃度を意味する。別に指し示さない限り、濃度は質量/体積比に基づく。
本明細書で使用される「実質的に」、「約」および「おおよそ」などの程度の用語は、最終結果が大きく変化しないような、修飾される用語の逸脱の合理的な合理的な量を意味する。程度のこれらの用語は、この逸脱がそれが修飾する語の意味を打ち消さない限り、修飾される用語の少なくとも±5%の逸脱を含むものとして解釈されるべきである。
本明細書における終点による数値範囲の記載は、その範囲内に包含される全ての数および小数を包含する(例えば、1~5は、1、1.5、2、2.75、3、3.90、4、および5を包含する)。全ての数およびその小数は、「約」という用語により修飾されると考えられることも理解されるべきである。さらに、「a」、「an」および「the」は、内容が明らかにそうでないことを規定しない限り、複数の指示対象を包含することが理解されるべきである。「約」という用語は、参照される数の、プラスまたはマイナス0.1~50%、5~50%、または10~40%、好ましくは10~20%、より好ましくは10%または15%を意味する。
さらに、特定のセクションに記載される定義および実施形態は、当業者によって好適であると理解されるであろう本明細書に記載される他の実施形態に適用可能であることが意図される。例えば、以下において、発明の異なる態様がより詳細に定義される。そのように定義される各態様は、明らかにそうでないことを指し示さない限り、任意の他の1つまたは複数の態様と組み合わせることができる。特に、好ましいまたは有利であると指し示す任意の特徴を、好ましいまたは有利と指し示す任意の他の1つまたは複数の特徴と組み合わせることができる。
態様および実施形態
一態様では、心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、そのステップが、i.凝集体および/または胚様体を生成するために好適な培地中で多能性幹細胞をインキュベートすること、ii.中胚葉誘導のために好適な培地中で幹細胞をさらにインキュベートすることであって、前記培地が、少なくともBMP成分、任意選択でBMP4、およびアクチビン成分、任意選択でアクチビンAを含み、アクチビン成分に対してBMP成分が3:2の比で提供される、前記さらにインキュベートすること、iii.細胞にレチノイン酸成分をさらに加えることであって、レチノイン酸を前記加えることが、中胚葉誘導または心臓血管への系列決定ステージの間に加えられる、前記加えること、iv.好適な培地中で前記細胞の生育を続けて、心筋細胞の集団を生成させることであって、心筋細胞の前記集団は心房心筋細胞が濃縮されている、前記生成させることを含む、方法が提供される。一部の実施形態では、アクチビンに対するBMPの比は1.5:1.0(または3:2)である。
一部の実施形態では、前記BMP成分はBMP4であり、アクチビン成分はアクチビンAであり、BMP4の濃度は3ng/mlであり、かつ、アクチビンAの濃度は2ng/mlである。一部の実施形態では、前記レチノイン酸成分はトランスレチノイン酸であり、かつ50nm~5μΜの濃度で加えられる。一部の実施形態では、前記レチノイン酸成分は500nMの濃度で加えられる。
一部の実施形態では、BMP成分およびアクチビン成分は方法の1日目に加えられる。一部の実施形態では、レチノイン酸成分は方法の3日目に加えられる。一部の実施形態では、追加のBMP成分は方法の3日目に培地に加えられない。
一部の実施形態では、FGF阻害剤は方法の3日目に培地に入れられない。一部の実施形態では、方法により製造される細胞は、潜在的な治療用化合物によって引き起こされ得る心毒性(cardiac texicity)についてスクリーニングするためのin vitroア
ッセイにおいて利用される。
ッセイにおいて利用される。
一態様では、心房心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団であって、少なくとももしくは約50%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約60%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約70%の心房心筋細胞、少なくとももしくは約80%の心房心筋細胞、または少なくともまたは約90%の心房心筋細胞を含み、好ましくは本明細書に記載される方法にしたがって得られた、集団が提供される。一態様では、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を製造する方法であって、そのステップが、i.凝集体(胚様体)を生成するために好適な培地中で多能性幹細胞をインキュベートすること、ii.中胚葉誘導のために好適な培地中で凝集した幹細胞をインキュベートすることであって、前記培地が、少なくともBMP成分、任意選択でBMP4、およびアクチビン成分、任意選択でアクチビンAを含み、アクチビン成分の濃度がBMP成分の濃度より高い、前記インキュベートすること、iii.好適な培地中で前記細胞の生育を続けて、心筋細胞の集団を生成させることであって、心筋細胞の前記集団は心室心筋細胞が濃縮されている、前記生成させることを含む、方法が提供される。一部の実施形態では、アクチビンに対するBMPの比は、約0.3:1.0、約0.5:1.0(または1:2)または約0.8:1.0である。
一部の実施形態では、BMP成分および/またはアクチビン成分の濃度は、CD235aのレベルを測定し、かつこれをRALDH2のレベルと比較することにより決定される。
一部の実施形態では、アクチビン成分の濃度は、RALDH2を発現する中胚葉細胞と比較してより多くのCD235aを発現する中胚葉細胞を結果として優先的にもたらす濃度に基づいて選択され、かつ、BMP成分は、アクチビン成分の濃度より低い濃度を達成するように加えられる。一部の実施形態では、BMP成分は、誘導された中胚葉からの最適な心臓発生を達成するように加えられる。
一部の実施形態では、前記BMP成分はBMP4であり、アクチビン成分はアクチビンAであり、BMP4の濃度は3~20ng/mlであり、アクチビンAの濃度は4~20ng/mlであり、かつ、アクチビンAの濃度はBMP4の濃度より高い。一部の実施形態では、BMP4の濃度は10ng/mlであり、かつ、アクチビンAの濃度は12ng/mlである。
一態様では、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団であって、少なくとももしくは約30%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約40%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約50%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約60%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約70%の心室心筋細胞、少なくとももしくは約80%の心室心筋細胞、または少なくとももしくは約90%の心室心筋細胞を含み、好ましくは本明細書に記載される方法にしたがって得られた、集団が提供される。一実施形態では、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団はペースメーカー細胞を本質的に含まない。好ましい実施形態では、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の単離された集団はペースメーカー細胞を欠いている。
本発明による心筋細胞の単離された集団は、心臓血管および任意の他の障害の治療において使用するための潜在的な治療活性剤の潜在的な心毒性についてスクリーニングする方法において使用され得る。例えば、それらは、心臓血管への応用のための薬物スクリーニングにおいて使用できる細胞の供給源を提供し;心臓機能を回復させるため、虚血性心臓を修復するためおよび/または冠血管系を再生するためといった、治療目的のために使用できる細胞の供給源を提供し;心臓または冠血管系の構成成分が必要とされる組織工学目的のために使用することができ;および、心臓血管の発生および疾患の研究のための研究ツールとして役立ち得る。本発明の方法にしたがって、活性剤のスクリーニングのために使用される心筋細胞の単離された集団は、例えば、心室心筋細胞が濃縮された心筋細胞の集団を含み得る。そのような心室心筋細胞の集団は、任意選択で、ペースメーカー細胞を本質的に含まない、またはペースメーカー細胞を欠いている集団を含む。本発明の方法にしたがって活性剤をスクリーニングする(scree)ために使用される心筋細胞の単離され
た集団はまた、心房心筋細胞が農集された集団を含み得る。試験化合物または剤の潜在的な心毒性をスクリーニングまたは評価するそのような方法は、本発明による心筋細胞の集団を、心毒性について試験すべき化合物に曝露することを伴う。評価される効果としては、生存能力、収縮性、膜電位および/または細胞の他の機能の変化が挙げられる。
た集団はまた、心房心筋細胞が農集された集団を含み得る。試験化合物または剤の潜在的な心毒性をスクリーニングまたは評価するそのような方法は、本発明による心筋細胞の集団を、心毒性について試験すべき化合物に曝露することを伴う。評価される効果としては、生存能力、収縮性、膜電位および/または細胞の他の機能の変化が挙げられる。
本発明の方法を使用して製造される心筋細胞および心筋細胞前駆細胞の集団は、移植、細胞療法または遺伝子療法のために使用することができる。例えば、本発明は、治療目的のため、例えば、心臓の修復を必要とする対象を治療する方法などにおいて使用され得る本発明の方法を使用して製造される分化した細胞を提供する。例えば、治療的修復は、心臓の修復を必要とする対象、例えば、心臓疾患または状態を患う対象などにおいて、心臓機能を完全または部分的に回復させることを伴い得る。
本発明の別の態様は、心臓疾患または状態を治療または予防する方法である。心臓疾患は、典型的に、心臓機能の減少に関連し、以下に限定されないが、心筋梗塞、心臓肥大および心臓不整脈などの状態が含まれる。本発明のこの態様において、方法は、心臓の修復を必要とする対象に、本発明の単離された分化した心室心筋細胞および/または心室心筋細胞に分化できる細胞を導入することを含む。単離された心筋細胞は、対象の損傷した心臓組織に移植することができる。理想的に、方法は、患者において一部または全ての心臓機能の回復を結果としてもたらす。
一態様では、心不全を有する対象を治療する方法であって、対象に本明細書に記載される心室心筋細胞の集団を投与することを含む、方法が提供される。一部の実施形態では、前記対象は心筋梗塞を患っている。一部の実施形態では、心筋梗塞は患者の心室にあり、かつ、集団は本明細書に記載されるものである。
一態様では、心不全を有するまたは心不全のリスクがある対象の治療において使用するための、本明細書に記載される心室心筋細胞の集団が提供される。一態様では、心不全を有するまたは心不全のリスクがある対象の治療のための医薬の調製における、本明細書に記載される心室心筋細胞の集団の使用が提供される。
本発明のさらに別の態様では、心臓組織を修復する方法であって、本発明の単離された心室心筋細胞もしくは心臓前駆細胞および/または本発明の方法を使用して処理された時に心室心筋細胞に分化できる細胞を患者の損傷した心臓組織に導入することを含む、方法が提供される。
患者は、心臓疾患または状態を患う患者であり得る。本発明の心臓組織を修復する方法において、単離された心筋細胞は、患者の損傷した心臓組織に移植することができる。理想的に、方法は、患者において少なくとも一部の心臓機能の回復を結果としてもたらす。
一実施形態では、本明細書に開示される心室心筋細胞は、心筋梗塞後の急性期の間または心不全の慢性期の間に対象に投与される。細胞は、直接的な注射またはカテーテルベースの送達のいずれかにより心室中の損傷の部位に投与される。細胞は、例えば、組織中での細胞の配置、生存および/または生着を補助するために、薬学的に許容される担体、ハイドロゲルまたはスキャフォールドと共に配合されてもよい。細胞の投与量範囲としては、例えば、1用量当たり約5億~20億個の細胞を挙げることができる。細胞は、対象を治療するために1つまたは複数の時点において、単回または複数回投与で対象に投与することができる。
本発明は、好ましくは、本発明の方法を使用して心筋細胞または心臓前駆細胞に分化した幹細胞の、心臓機能を回復させる能力を試験するための心筋モデルを提供する。心筋細胞移植の有効性をin vivoで試験するために、心臓機能の測定可能なパラメーターを有する再現性のある動物モデルが重要である。使用されるパラメーターは、移植の効果を充分に決定できるように、対照および実験動物を明確に区別するべきである[例えば、Palmenら(2001年)、Cardiovasc.Res.50巻、516~524頁を参照]。PVの関係性は、心臓のポンプ能力の指標であり、移植後の変化した心臓機能の読取りとして使用することができる。
一態様では、細胞の集団中の心房中胚葉を検出する方法であって、RALDH2を検出することを含み、RALDH2の存在が心房中胚葉を指し示す、方法が提供される。一態様では、細胞の集団中の心室中胚葉を検出する方法であって、CD235aおよび/またはCYP26A1を検出することを含み、CD235aおよび/またはCYP26A1の存在が心室中胚葉を指し示す、方法が提供される。
それぞれ、ALDH、好ましくはRALDH2、ならびに/またはCD235aおよび/もしくはCD235b、および/もしくはCYP26A1の発現に基づいて心房または心室中胚葉を同定する本発明の方法が提供される。より具体的には、それらは、心筋細胞の増殖、心房または心室細胞集団の生存、機能および分化に影響する中胚葉細胞により産生される分泌因子の同定のために使用することができる。例えば、心房または心室心筋細胞集団を同定する本発明の方法は、分子レベルで心房および心室中胚葉の分化を理解するためおよび分化をモジュレ―トする新たな薬物標的(例えば、シグナル伝達経路)を同定するための両方の系を提供する。
本明細書に開示される実施形態の1つまたは複数によれば、レチノイン酸(RA)は、特定の発生時間ウインドウ内で心房心筋細胞へと系列決定させ、3~5日目の中胚葉へのRAの適用は、心房心筋細胞へと系列決定させる。RA濃度範囲:50nM~5uM。RAの供給源:オールトランスRA、レチノイン酸受容体(RAR)アゴニスト(アルファについてAM580、βについてAC55649、γについてCD437)、アゴニスト濃度:AM580について3~300nM;0.025~2.5uMのAC55649;0.05~5uMのCD437。
RALDH2(レチナールデヒドロゲナーゼ、またはAldefluor)は心房中胚葉のマーカーである。RALDH2+細胞の割合は、心房分化を最適化するためのaldefluorアッセイを使用することによりモニターされる。解析日:2~6日目。
1日目のアクチビンAおよびBMP4を使用する初期中胚葉誘導は、4日目のRALDH2+中胚葉細胞の割合を決定する。誘導条件は、低BMP(1~5ng/mLのBMP)および低アクチビンA(0.1~4ng/ml)であり、最も一般的には、3ng/mLのBMP/2ng/mLのアクチビンA(3B/2A)が使用される。
RALDH2の機能性は、3~5日目のレチノール(ROH)での処理により示され、これは心房表現型を誘導するために充分である(レチノールはRALDH2によりRAに変換され、RAは心房表現型へと系列決定させる)。グリコホリンA(CD235a)は心室中胚葉のマーカーである。CD235aは心室中胚葉で排他的に発現され、RALDH2+心房中胚葉には存在しない。CD235a+細胞はRALDH2を発現しない。CD235a+細胞は、RAを分解する酵素であるCYP26A1を発現して、RAシグナル伝達に拮抗し、心室表現型の確立を確実にする。解析日:2~6日目。
1日目のアクチビンAおよびBMP4を使用する初期中胚葉誘導は、4日目のCD235a+中胚葉細胞の割合を決定する。誘導条件は高BMP(5~20ng/mLのBMP)、および高アクチビン(6~20ng/ml)であり、最も一般的には、10ng/mLのBMP/12ng/mLのアクチビンA(10B/12A)が使用される。3~5日目のレチノール(ROH)でのCD235a+細胞の処理は、心房表現型を誘導するために充分でない(これらの細胞はレチノールをRAに変換することができず、したがって細胞は心室表現型へと発生する)。CD235a+細胞は、MLC2V+心室心筋細胞において高度に濃縮された集団を生じさせる。
心室および心房心筋細胞は、2つの別個の中胚葉亜集団に由来する。心室分化は、4日目のCD235a+細胞および20日目のMLC2V+/CTNT+細胞の出現によりモニターされる。心房分化は、4日目のAF+細胞および20日目のMLC2v-/CTNT+細胞の出現によりモニターされる。心室中胚葉に由来する20日目の集団(10B/12A)は、心房中胚葉に由来するもの(3B/2A)より高い割合のMLC2v+心室心筋細胞を含有する。
遺伝子発現解析および単一細胞パッチクランプ解析は、心房中胚葉からRA処理により生成される20日目の集団(3B/2A+RA)は、心室中胚葉からRA処理により生成される20日目の集団(10B/12A+RA)より高い割合の心房心筋細胞を含有することを示した。
所望の心筋細胞サブタイプを濃縮するために適切な中胚葉亜集団が系列決定される必要がある。心筋梗塞後の細胞置換療法のための心室心筋細胞の系列決定のための改良されたプロトコール。CD235a+心室中胚葉(10B/12A)は、ペースメーカー細胞を欠いたMLC2v+心室心筋細胞が高度に濃縮された集団を生じさせる。これは、他の異種混合心筋細胞集団と比較してより低い自律鼓動速度を結果としてもたらす。
汚染性ペースメーカー細胞を含有し、かつ速い自律鼓動速度を有する混合細胞集団は生命を脅かす不整脈を引き起こすことがあるので、これらは心筋梗塞後の細胞置換療法にとって望ましい特徴である。心室心筋細胞の系列決定のための我々の新たなプロトコールは、心室およびペースメーカー細胞の混合集団を生成した先行するプロトコールより優れていることを我々は提案する。
方法論および結果
ヒト多能性幹細胞株は、以前に記載された通りに培養することができる(例えば、Kennedyら、2007年)。心臓系列への分化のために、Kattmanら、2011年に記載されるものなどの確立されたプロトコールを使用することができる。WO2016131137に記載されるものなど、手順への様々な改良が可能である。一実施形態では、80%コンフルエントのhPSC培養物を単一細胞に解離させ、1ng/mLのBMP4および10μΜのROCK阻害剤を含有するStemPro-34培地中に懸濁し、オービタルシェーカーで18時間インキュベートして胚様体(EB)を生成させることができる。翌日(分化の1日目)、中胚葉誘導培地、すなわち、本明細書にさらに記載される通り、設定された濃度のBMP4、および設定された濃度のアクチビンAの他に5ng/mlのbFGFを含有するStemPro-34にEBを移してよい。分化の3日目に、IMDMを使用してEBを1回洗浄してよく、心臓誘導培地に懸濁してよく、一実施形態では、心臓誘導培地は、0.5μΜのIWP2、10ng/mlのVEGF、および任意選択で5.4μΜのSB-431542(SB、アクチビン/Nodal/TGFβ阻害剤)を含有するStemPro-34を含んでよい。心臓誘導培地はまた、任意選択で、レチノイン酸(RA)、または本明細書にさらに記載されるRA成分を含んでもよい。
レチノイン酸シグナル伝達は、hESCから心房様心筋細胞に系列決定させる
レチノイン酸シグナル伝達が我々の胚葉体(EB)ベースのプロトコールを用いて生成されたhPSC由来の心臓性集団において心房運命に決定させることができることを判定するために、以下の発生ステージを表す4つの異なる時点において分化培養物にオールトランスレチノイン酸(RA)を加えた:中胚葉誘導(3日目)、心臓血管への系列決定(5日目)、心臓前駆細胞の発生(7日目)および収縮性心筋細胞の出現(9日目)(Kattmanら、2011年)(図1A)。HES3 NKX2-5:GFPレポーターhESC株をこれらの実験のために使用することにより、心臓血管の発生をモニターおよび定量化し、かつGFP+心筋細胞を単離することが可能となった。培養の20日目に、GFP+SIRPA+CD90-心筋細胞を分化した集団から単離し、心房および心室の発生を指し示す遺伝子の発現についてRT-qPCRにより解析した(図1B~Dおよび8B~E)。
いずれのRA処理も全心筋細胞マーカーCTNTの発現のレベルを有意に変化させず、異なる集団における同等の心筋細胞含有量を指し示した(図1B)。3日目および5日目におけるRAの添加は、心室特異的遺伝子MYL2の発現の有意な低減および心房イオンチャネル遺伝子KCNJ3の上方調節を結果としてもたらし(図1C)、20日目の集団における心筋細胞運命の変化を示唆した。興味深いことに、より後の段階(7日目および12日目)でのRAの添加はこれらの遺伝子の発現に効果を有しなかった。追加の室特異的マーカーの解析は、3日目にRA処理した中胚葉から生成された心筋細胞はまた、非処理群より低いレベルの心室マーカーIRX4およびMYH7を発現した一方、心房マーカーNR2F2、TBX5、NPPA、およびMYL7ならびに心房特異的イオンチャネルCACNA1D、KCNA5、およびGJA5について反転したパターンが観察されたことを示した(図1Dおよび8C~E)。対照胎児組織の解析により、これらの異なる遺伝子の心房および心室での発現パターンが検証された。3日目にRA処理した中胚葉から生成された心筋細胞集団のフローサイトメトリーおよび免疫染色解析により、qRT-PCRの発現パターンが確認され、またそれらは、非処理の対照中胚葉から生成されたものと比較して3日目にRA処理した中胚葉から生成された集団におけるMLC2V+細胞の割合の劇的な低減およびCOUPTFII+細胞のはるかに高い頻度を示した(図1E~H)。
以上を合わせると、これらの発見は、RAシグナル伝達がhPSCの心臓発生における運命の変化を誘導し、心室系列と引き換えに心房心筋細胞の発生を促進することを強く示唆する。さらに、それらは、RAのこの効果は、初期発生ウインドウ、すなわち、分化の中胚葉状態に対応する分化の3~5日目に制限されることを示す。
RA応答をさらに特徴付けるために、3つのRA受容体(RAR)アイソフォーム:RAR-アルファ、-β、-γ(図8FにおいてそれぞれRARA、RARB、およびRARG)の発現について分化の2~6日目の集団を次に解析した。応答ステージの間に3つ全てが発現され、RA応答はこれらの全てを通じて媒介され得ることを示唆する(図8F)。これを試験するために、3日目の培養物にRAの代わりにアルファについて受容体特異的アゴニストAM580、βについてAC55649、またはγについてCD437を加えた。それぞれのアゴニストの添加は、20日目のCTNT+集団におけるMYL2発現の低減に繋がり、全ての受容体アイソフォームを通じたシグナル伝達が運命の変化を媒介できることを示唆した(図8Gおよび図8H)。
一部の実施形態では、RAを約0.05μΜの濃度から約5μΜの濃度で加えてもよい。一実施形態では、RAの濃度は500nM(0.5μΜ)である。一実施形態では、加えられるRAの濃度は0.05μΜ~0.01μΜである。一実施形態では、加えられるRAの濃度は0.01μΜ~0.1μΜである。一部の実施形態では、RA成分が加えられる。一部の実施形態では、RA成分はレチノイン酸受容体(RAR)アゴニストである。一部の実施形態では、RARアゴニストはアルファ受容体に対するアゴニストである。一部の実施形態では、RARアゴニストはAM580である。一部の実施形態では、AM580 RARアゴニストは約3nM~約300nMの濃度で加えられる。一部の実施形態では、RARアゴニストはベータ受容体に対するアゴニストである。一部の実施形態では、RARアゴニストはAC55649である。一部の実施形態では、AC55649は約0.025μΜ~2.5μΜの濃度で加えられる。一部の実施形態では、RARアゴニストはガンマ受容体に対するアゴニストである。一部の実施形態では、RARアゴニストはCD437である。一部の実施形態では、CD437 RARアゴニストは約0.05μΜ~約5μΜの濃度で加えられる。
RALDH2およびCYP26A1の発現は中胚葉亜集団を同定する
心房運命の系列決定がオートクラインRAシグナル伝達を介して媒介される場合、これらの心筋細胞を生じさせる中胚葉集団はRALDH活性を示すはずである。これを試験するために、3つのレチナールデヒドデヒドロゲナーゼ、RALDH1、-2、および-3を含む全てのアルデヒドデヒドロゲナーゼ(ALDH)の活性を検出するadefluorアッセイを使用して異なる日に我々の標準条件(10ng/mLのBMP4および6ng/mLのアクチビンA(10B/6A)で誘導したPDGFRアルファ中胚葉を解析した(Jonesら、1995年)。これらの解析は、分化の4日目および5日目の小さいALDH+PDGFRアルファ+集団の存在を明らかにし(図2A)、これらのステージの中胚葉の亜集団はRAを合成する能力を有し得ることを示唆した。ALDH+PDGFRアルファ+集団の大きさの増加を試みて、中胚葉誘導ステップの間のアクチビンAおよびBMP4の濃度を変化させる効果を試験した。一定の濃度のBMP4(10ng/mL)の存在下でのアクチビンAの量の低減は、分化の4日目のALDH+PDGFRアルファ+集団の大きさの大幅な増加に繋がった(図2B)。しかしながら、この増加は、生成されるCTNT+心筋細胞の割合の減少に関連し、これらの変化は非心臓性運命を促進することを示唆した。アクチビンAおよびBMP4シグナル伝達の比が最適な心臓分化能力の維持に重要であることを我々は以前に示したので(Kattmanら、2011年)、次に、最大のALDH+PDGFRアルファ+集団を誘導するアクチビンAの量(2ng/mL)の存在下でBMP4の濃度を変化させた。10ng/mLから3ng/mL(3B/2A)へのBMP4濃度の低減は、ALDH+PDGFRアルファ+集団の大きさに影響を及ぼさなかったが、20日目に生成されるCTNT+細胞の頻度を増加させた(図2C)。同等の細胞数が3B/2Aおよび10B/6Aの培養物から得られ、このマニピュレーションは総心筋細胞産生量に有意に影響しないことを指し示した(図9A)。
3B/2Aで誘導した培養物の解析は、分化の3日目に大きいPDGFRアルファ+中胚葉集団の出現、その後4日目にALDH+PDGFRアルファ+集団の発生を明らかにした(図2D)。ALDH+PDGFRアルファ+集団の大きさは5日目まで増加した後、6日目に減少し始めた。分子解析は、RALDH2(ALDH1A2)の発現が分化の2~3日目に激しく増加した後、3B/2Aで誘導された群において次の7日にわたって減少したことを示した(図2E)。10B/6Aで誘導した細胞は、3日目および4日目に有意に低いレベルのALDH1A2を発現し、この群におけるより小さい割合のALDH+細胞に合致していた。他のRALDHアイソフォーム(ALDH1A1およびALDH1A3)の発現レベルはALDH1A2より顕著に低く、2つの集団間で異ならなかった(図9B)。T(BRACHYURY)およびMESP1は、10B/6Aおよび3B/2Aで誘導した両方の集団において類似の時間的発現パターンを示し、中胚葉誘導の動態は2つの群間で劇的には異ならなかったことを指し示した(図9C)。発生中の胚において、RA活性の境界およびシグナル伝達の継続時間は、局在化したアゴニストの合成と分解との均衡により確立される(CunninghamおよびDuester、2015年;RydeenおよびWaxman、2014年)。この均衡がhPSC分化培養において果たされているかどうかを決定するために、次に、RA分解に関与するシトクロムP450ファミリー酵素のメンバーCYP26A1の発現について2つの集団を解析した。これらの解析は、2つの群間の著しい差異を明らかにし、3日目に10B/6Aで誘導した細胞は、あらゆる他の10B/6Aまたは3B/2Aで誘導した集団より劇的に高い発現レベルを示した(図2E)。合わせると、これらの発見は、3B/2Aと10B/6Aとの組合せがALDH1A2およびCYP26A1の発現により区別される異なる中胚葉集団を誘導するという解釈を支持する。
レチノールは心房運命にALDH+中胚葉を系列決定させる
ALDH+細胞がRAを合成できるかどうかを決定するために、ALDH+PDG-FRアルファ+およびALDH-PDGFRアルファ+画分を4日目の3B/2Aで誘導した集団から単離し、細胞を凝集体としてレチノール(ROH)、RA、またはDMSO(対照)中で24時間培養した(図3Aおよび図3B)。ALDH1A2の発現はALDH+画分に集まり、RALDH2発現細胞を単離するためのaldefluorベースの選別戦略の妥当性が確認された(図3C)。追加の15日の培養後、全ての群は高い割合のCTNT+細胞を含有し、効率的な心筋細胞分化が実証された(図3D)。非処理対照は、MLC2V+細胞を含有し、IRX4を発現する心筋細胞集団を生成し、RAシグナル伝達なしで、3B/2Aで誘導した中胚葉はある程度の心室性心臓分化能力を有することが実証された(図3Eおよび図3F)。ROHでの処理後、ALDH+中胚葉は、非処理対照と比較してより低い頻度のMLC2V+細胞、より低いレベルのIRX4発現、および上昇したレベルのKCNJ3発現を有する心房様心筋細胞集団を生成した(図3E~3G)。ROHおよびRAで処理したALDH+PDGFRアルファ+由来集団における発現パターンは類似しており、ALDH+細胞はROHからRAを合成できることを強く示唆した。
驚くべきことに、単離の時点でALDH1A2発現を欠くにもかかわらず(図3Bおよび図3C)、ALDH-細胞においてROHへの類似の応答が観察された(図3E~3F)。この応答は、ALDH-由来の集団の大部分は24時間の凝集培養の間にALDH+になり(図10A)、細胞がROHに応答できるようになるという事実によるようであった。興味深いことに、同じ24時間の期間にわたってALDH+由来の集団においてaldefluor染色の減少が観察され、中胚葉集団内のALDH活性(RALDH2発現)の動的性質を強調した。
合わせると、これらの発見は、ROHに応答でき、心房様心筋細胞を生成できるALDH+PDG-FRアルファ+(RALDH2+)中胚葉を3B/2Aが誘導することを実証し、この運命の系列決定はオートクラインRAシグナル伝達を介して媒介されるという考えを支持する。
CD235aの発現は、心室心筋細胞を生じさせる中胚葉の印となる。CD235bは、少なくともグリコホリンBおよびグリコホリンAのN末端領域のアミノ酸配列の類似性および/または同一性により、心室中胚葉を生じさせる中胚葉のマーカーとしてCD235aを置換し得ることが本明細書において想定される。
心室心筋細胞を生じさせるAYP26A1発現中胚葉(VM)の発生のモニターを可能とするために、この集団をALDH+中胚葉から区別することを可能とする該集団における表面マーカーについての探索を開始した。抗CD抗体アレイに対する先行するスクリーニングを通じて(http://www.ocigc.ca/antibody/)、グリコホリンA(CD235a)は、10B/6Aで誘導した5日目の心臓性PDGFRアルファ+細胞のサブセットで発現されることを我々は発見した(データ示さず)。10B/6Aおよび3B/2Aで誘導した集団の解析は、CD235a+集団は次の24時間以内に増加(>60%)した後、続く48時間にわたって減少することを明らかにした。5日目に検出された小さい割合のALDH+細胞はCD235a-であり、ALDH+およびCD235a+の集団は互いに排他的であることを指し示した。3B/2Aで誘導した集団において、わずかなCD235a+細胞のみが4日目に検出された。qRT-PCR分析は、10B/6Aで誘導した群における分化の3日目のGYPA(グリコホリンA)発現の上方調節を明らかにした図11A)。発現レベルは次の24時間にわたって激しく減少し、解析の期間にわたって低いままであった。3B/2Aで誘導した集団において、低いレベルの発現のみが検出された。これらの発見に基づいて、我々は、心室心筋細胞系列に寄与する中胚葉においてグリコホリンAが発現されるという仮説を立てる。
心室前駆細胞の単離のためのCD235aの有用性を試験するために、中等度の濃度のBMP4およびアクチビンA(5ng/mLのBMP4および4ng/mLのアクチビンA[5B/4A])を用いる誘導戦略を使用してCD235a+およびALDH+の両方の亜集団を含有する4日目の集団を生成した(図4B)。CD235a+ALDH-およびCD235a-ALDH+の両方の画分を単離し、細胞を凝集体として培養した。選別した画分のqRT-PCR分析は、ALDH1A2がCD235a-ALDH+細胞においてCD235a+ALDH-細胞におけるよりも高いレベルで発現されることを示した(図11B)。GYPAおよびCYP26A1の発現レベルは、恐らくこれらの遺伝子のピーク発現を過ぎた4日目に画分を単離したという事実により、2つの間で有意に異ならなかった。ROHおよびRAの非存在下で、両方の画分は心室様細胞を生成した(図4C~4E)。しかしながら、MLC2V+細胞の割合およびIRX4の発現は、CD235a-ALDH+派生物におけるよりもCD235a+ALDH-中胚葉から生成した集団において高かった。心房の遺伝子KCNJ3およびNR2F2について反対のパターンが観察された(図4F)。ROHの存在下で培養した場合、CD235a-ALDH+は、低い頻度のMLC2V+細胞、低いレベルのIRX4発現、および上昇したレベルのNPPA、KCNJ3、およびNR2F2発現により特徴付けられる心房様の心筋細胞集団を生じさせた(図4D~4F)。対照的にCD235a+ALDH-細胞はROHへの応答を示さず、ALDH+細胞の非存在下でRAを合成できないことを実証した。予想の通り、両方の中胚葉集団はRAに応答し、MLC2V-細胞を生成した。以上を合わせると、これらの発見は、CD235aの発現が、CD235a-ALDH+中胚葉からそれを区別する特徴である、ROHに応答して心房細胞を生成できない、心室心筋細胞への分化能力を有する中胚葉集団の印となることを実証する。これらの発見はまた、RAシグナル伝達の非存在下で生成された心筋細胞の集団における心室および心房の遺伝子の差次的発現が指し示す通り、CD235a+およびALDH+中胚葉集団は各々の運命に既にパターン決定されていることも示唆する。
心室心筋細胞分化の最適化
10B/6Aでの誘導は心室心筋細胞の発生に有利に働くが、これらの条件下で生成される中胚葉は、多くの場合、小さい割合のALDH+細胞を含有し、ばらついた割合(40%~60%のMLC2V+細胞を含有するCTNT+集団を生じさせる。心室心筋細胞の発生をさらに最適化するために、異なる濃度のアクチビンAおよびBMP4で誘導した4日目のEB集団におけるCD235a+画分の大きさをモニターし、これを20日目にMLC2V+CTNT+細胞の頻度と比較した(図5Aおよび図5B)。アクチビンAの濃度を一定量のBMP4(10ng/mL)の存在下で2ng/mlから12ng/mlに増加させたところ、4日目のCD235a+集団の大きさの増加、ALDH++集団の除去、およびMLC2V+CTNT+細胞の割合の増加に繋がった(図5A)。
次に、最も高い頻度のMLC2V+CTNT+細胞を生成するアクチビンAの量(12ng/mL)に対してBMP4の濃度(3~20ng/mL)を変化させた。BMP4濃度の変化は、CD235a+集団の大きさにほとんど影響力がなかったが、心室の系列決定に影響を及ぼした。最も高い濃度(20ng/mL)のBMP4で誘導したEBから生成された20日目の集団は最も低い頻度のMLC2V+CTNT+細胞を有した一方、低い濃度のBMP4(5ng/mL[5B/12A])で誘導したEBは最も高い頻度のこれらの心筋細胞(80%±5%)を生成した(図5Bおよび図13B)。5B/12Aおよび10B/6Aで誘導した培養物は同等の細胞数をもたらし、総細胞産生量を落とすことなくMLC2V+CTNT+細胞の濃縮が得られたことを指し示す(図12C)。
アクチビンAおよびBMP4の最適な濃度は特定のロットのサイトカインの活性に依存することに留意する価値がある。これを考慮すると、これらの滴定は、最適な濃度を決定するために各新たなロットのサイトカインを用いて繰り返す必要がある。報告されている通りに(Burridgeら、2014年)培養における時間がhPSC由来の心筋細胞集団のMLC2V+含有量に影響を及ぼし得るかどうかを決定するために、3B/2A、10B/6A、および5B/12Aで誘導したEBから生成された20日目および40日目の集団を比較した。図13Bに示すように、各集団において両方の時点で類似の割合のMLC2V+CTNT+心筋細胞が検出され、培養時間の延長はこれらの条件下で心室含有量に影響を及ぼさなかったことを実証した。以上を合わせると、これらの発見は、4日目のCD235a+集団の誘導は、MLC2V+CTNT+心筋細胞における高度に濃縮された集団の生成のための必要条件であることを指し示す。しかしながら、それらはまた、この集団の大きさは、培養の20日目のMLC2V+細胞のパーセンテージを必ずしも予測しないことも示す。5B/12Aで誘導したEB集団は、高い割合のCD235a+細胞を含有し、ALDH+細胞を含有しなかった一方(図5C)、3B/2Aで誘導したものは高い頻度のALDH+細胞を有し、CD235a+細胞をほとんど有しなかった。ROHまたはRAの非存在下または存在下で系列決定され(3~5日目)、かつ追加の15日間培養された場合、両方の集団は、生成されたCTNT+細胞の頻度による測定で類似の心臓分化能力を示した(図5D)。
3B/2Aで誘導したEBはROHに応答し、MLC2V+細胞の欠失、IRX4発現の低減、ならびにKCNJ3およびNR2F2の発現の上方調節により特徴付けられる心房様心筋細胞集団を生成した(図5E~5G)。対照的に、5B/12Aで誘導したEBはROHに応答せず、ALDH+細胞の完全な非存在に合致した。予想の通り、RA処理はこの中胚葉から心房様心筋細胞の表現型を誘導することができた。
心室分化を最適化するために使用した条件が、これらの培養物中に通常検出されるNKX2.5-洞房結節ペースメーカー様細胞(Birketら、2015年;Protzeら、2017年)の割合に影響したかどうかを決定するために、NKX2-5-GFP-細胞の存在について集団を解析した。図5Hに示すように、最適化した5B/12Aで誘導したEBから生成された集団は、10B/6Aで誘導した(図1E)および3B/2Aで誘導したEBに由来するものより有意に少ないNKX2-5-GFP-CTNT+細胞
を含有し、洞房結節様ペースメーカー細胞(SANPLC)の含有量の低減を指し示した。ペースメーカー含有量のこの減少は、3B/2Aで誘導したEBと比較した5B/12Aで誘導したEBの自律鼓動速度の有意な減少に関連した(図5I)。我々の先行する発見(Protzeら、2017年)に合致して、RA処理は誘導集団中のNKX2-5-GFP-細胞の割合に影響を及ぼさなかった(図5J)。
を含有し、洞房結節様ペースメーカー細胞(SANPLC)の含有量の低減を指し示した。ペースメーカー含有量のこの減少は、3B/2Aで誘導したEBと比較した5B/12Aで誘導したEBの自律鼓動速度の有意な減少に関連した(図5I)。我々の先行する発見(Protzeら、2017年)に合致して、RA処理は誘導集団中のNKX2-5-GFP-細胞の割合に影響を及ぼさなかった(図5J)。
以上を合わせると、5B/12Aは、高い割合のCD235a+細胞を含有し、心室心筋細胞が高度に濃縮された集団を生じさせ、かつ心房心筋細胞およびSANPLCを欠いた中胚葉の亜集団に系列決定させることをこれらの発見は示す。この亜集団はまた、心室中胚葉と称してもよい。
一部の実施形態では、心室分化の最適化は、本明細書に記載される方法を使用して20日目の培養物において測定した時に、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも90%、少なくとも95%の心室心筋細胞の濃縮を結果としてもたらす。一部の実施形態では、集団はペースメーカー細胞を本質的に含まない。一部の実施形態では、集団はペースメーカー細胞を欠いている。
一部の実施形態では、心室分化を最適化する方法は、最適化された濃度のBMP成分およびアクチビン成分を加えることにより、心室中胚葉の生成を最適化する。一部の実施形態では、BMP成分はBMP4であり、かつ、アクチビン成分はアクチビンAである。一部の実施形態では、BMP4は3ng/ml~20ng/mlの濃度で加えられる。一部の実施形態では、アクチビンAは4ng/ml~20ng/mlの濃度で加えられる。好ましい実施形態では、アクチビンAはBMP4より高い濃度で加えられる。一部の実施形態では、BMP4は10ng/mlの濃度で加えられ、かつ、アクチビンAは12ng/mlの濃度で加えられる。一部の実施形態では、BMP成分およびアクチビン成分は方法の1日目に加えられる。一部の実施形態では、BMP成分および/またはアクチビン成分の濃度はCD235aの存在または量を測定することにより決定される。一部の実施形態では、BMP成分および/またはアクチビン成分の濃度はRALDH2の存在または量を測定することにより決定される。一部の実施形態では、BMP成分および/またはアクチビン成分の濃度は、CD235aのレベルを測定し、かつこれをRALDH2のレベルと比較することにより決定される。一部の実施形態では、アクチビン成分の濃度は、RALDH2を発現する中胚葉細胞と比較してより多くのCD235aを発現する中胚葉細胞を結果として優先的にもたらす濃度に基づいて選択され、かつ、BMP成分はアクチビン成分の濃度より低い濃度で加えられる。一部の実施形態では、BMP成分の濃度は、RALDH2と比較してより多くのCD235aを結果として優先的にもたらす濃度に基づいて選択され、かつ、アクチビン成分はBMP成分の濃度より高い濃度で加えられる。
異なる中胚葉から生成される心筋細胞の特徴付け
異なる中胚葉集団の心臓分化能力をさらに研究するために、我々の元々のサイトカインの組合せ(10B/6A;混合誘導MI)または心室(5B/12A;心室誘導VI)もしくは心房(3B/2A;心房誘導AI)運命に最適化された組合せで誘導したEBから生成された20日目のNKX2-5+SIRPアルファ+CD90-心筋細胞を単離した。予想の通り、CTNTの発現レベルは、選別された集団中で類似していた(図6A)。VIのEBから生成された心筋細胞は、MIまたはAIのEBに由来する心筋細胞よりも、MYL2、IRX4およびMYH7などの心室筋細胞に関連する遺伝子を有意に高いレベルで発現した(図6B)。VIのEBに由来する集団は、最も高い頻度のMCL2V+心筋細胞を有し(VIのEBから80%±2%、MIのEBから56%±4%、およびAIのEBから25%±5%)、向上した心室発現プロファイルは、部分的に、濃縮された頻度の心室様心筋細胞によることを示唆した(図13A)。心筋細胞の集団のMLC2V含有量の差異が免疫染色分析により確認された(図13B)。
異なる中胚葉集団の心臓分化能力をさらに研究するために、我々の元々のサイトカインの組合せ(10B/6A;混合誘導MI)または心室(5B/12A;心室誘導VI)もしくは心房(3B/2A;心房誘導AI)運命に最適化された組合せで誘導したEBから生成された20日目のNKX2-5+SIRPアルファ+CD90-心筋細胞を単離した。予想の通り、CTNTの発現レベルは、選別された集団中で類似していた(図6A)。VIのEBから生成された心筋細胞は、MIまたはAIのEBに由来する心筋細胞よりも、MYL2、IRX4およびMYH7などの心室筋細胞に関連する遺伝子を有意に高いレベルで発現した(図6B)。VIのEBに由来する集団は、最も高い頻度のMCL2V+心筋細胞を有し(VIのEBから80%±2%、MIのEBから56%±4%、およびAIのEBから25%±5%)、向上した心室発現プロファイルは、部分的に、濃縮された頻度の心室様心筋細胞によることを示唆した(図13A)。心筋細胞の集団のMLC2V含有量の差異が免疫染色分析により確認された(図13B)。
RAで処理したVIおよびAIのEB(それぞれVI+RAおよびAI+RA)から生成された心筋細胞は、非処理EBから単離されたものと比較して、解析された全ての心房の遺伝子の発現について上昇したレベルを示した(図6Cおよび図13C)。AI+RAからの細胞におけるKCNA5、KCNJ3、NR2F2およびCACNA1Dの発現レベルは、胎児心房組織におけるものと同じくらい高いか、またはそれより高かった(図6C)。顕著なことに、それらの発現レベルは、VI+RAのEBから生成された筋細胞で検出されたものよりも有意に高かった。対照的に、GJA5、NPPA、およびMYL7などの他の心房の遺伝子は、2つのRAで処理した心筋細胞の集団において同等のレベルで発現されたが、胎児心房組織において検出されたものより有意に低いレベルであった(図14C)。ペースメーカー遺伝子TBX3のレベルは2つのRA処理群において同等であり、KCNA5、KCNJ3、CACNA1D、およびNR2F2の発現の観察された差異は心房集団における汚染性ペースメーカー細胞によるものではなかったことを示唆した(図13D)。
CD235a+中胚葉は、RAを分解できるCYP26A1を発現することを考慮すると、心房の遺伝子の発現の差異は、核内受容体に到達する活性リガンドの最終濃度の差異によるものである可能性がある。これを試験するために、心房系列決定のために使用されるRAの濃度を変化させ、各EB誘導条件から生成された単離されたNKX2-5+SIRPa+細胞(20日目)を解析した(図13E)。0.5mMから1~2mMへのRAの濃度の増加は、VIのEBからの心筋細胞におけるKCNA5の発現レベルをAIのEBからの細胞と同等のレベルに増加させた(図13F)。RAのこれらの濃度はまた、VI集団において心室遺伝子MYL2およびIRX4の発現を完全に抑制するために充分であった(図13G)。対照的に、2mMまでの濃度でのRAの添加は、VIの心筋細胞におけるKCNJ3、CACNA1D、およびNR2F2の発現をAIの細胞で観察されるレベルまで増加させなかった(図14H)。これらの遺伝子の同等の発現レベルは、20日目の集団においてNKX2-5+SIRPa+細胞の頻度の劇的な低減を結果としてもたらす濃度であった4mMのRAで処理したEBから生成された心筋細胞においてのみ検出された(図14E)。VIおよびAIの中胚葉集団は同じ分化能力を有しないことをこれらのデータはさらに実証する。さらに、心室および心房心筋細胞の効率的な系列決定のために適切な初期誘導戦略を使用する重要性をそれらは強調する。上記集団が機能的に異なるかどうかを評価するために、パッチクランプ実験を使用してVIおよびAI±RAのEBに由来するNKX2-5+SIRPa+CD90-心筋細胞の電気生理学的特徴を試験した。
表1(図6に関する) VIおよびAIのEBに由来する心筋細胞の電気生理学的(Elerophysiological)特徴
APA、活動電位の振幅;APD30/90、再分極の30%/90%での活動電位の継続時間;CL、周期長;DMP、拡張期膜電位;dv/dtmax、最大活動電位立ち上がり速度;t検定:*P<0.05、**P<0.01、VI自律に対して、および#P<0.05、##P<0.01、VI+RAに対して。n=5(VI、VI+RA)およびn=6(AI+RA)の独立した分化のパッチ解析した細胞バッチからAPの種類の%±SEMを定量化した。APの種類への分類のために使用したパラメーターの詳細は方法セクションに特定される。
MLC2Vのフローサイトメトリー解析は、RAの非存在下でAIのEBからの心室心筋細胞の系列決定の低い効率を既に実証しているので、これらの心筋細胞はパッチクランプ実験においてさらに解析しなかった。VIのEB由来の心筋細胞(RAの非存在下)は、迅速な立ち上がり速度(>10V/s)および長いAP継続時間(APD30>50ms)を有する典型的な心室の活動電位(AP)を示した(図6Eおよび図6F)。重要なことに、解析した細胞の100%がこの心室の表現型を示した(図6G)。RAの存在下でVIまたはAIのEBから系列決定された心筋細胞は、心房のAP表現型を指し示す、VIのEB由来の心筋細胞と比較した有意に速い鼓動速度およびより短いAPD30を示した(図6Eおよび図6F)。しかしながら、VI+RAのEB由来の心筋細胞のAPD30およびAPD90は、AI+RAのEB由来の心筋細胞で見られたよりも有意に長かった(APD30、55±20ms対13.0±4.8ms;APD90、258±25ms対189±18ms)。観察されたAPの種類の分類は、2つの群からの細胞において記録された心房および心室様のAPの割合の顕著な差異を明らかにした(図6G)。VI+RAのEBからの解析した細胞の62%±5%のみが心房のパターンを示し、残りの38%±5%は心室表現型(APD30/90>0.3)を示した。対照的に、AI+RAのEBにおける細胞の大部分(86%±9%)は心房のパターンを示し、6%±6%のみが心室のAPを示した。AI+RAのEBからの記録された20細胞のうち1つは、未熟な心筋細胞を指し示す、遅い立ち上がり速度(<10V/s)および遅い鼓動速度(50bpm)を有した。2つのEB集団から生成された心房細胞をさらに特徴付けるために、心房のAP表現型(立ち上がり速度>10V/s、APD30/90<0.3)を示した細胞のみに焦点を当てて、アセチルコリン活性化カリウム電流密度(IKACh)を次に測定した。予想の通り、対照VIのEB由来の心室細胞(-RA)は、両方の集団から生成された心房細胞より有意に小さいIKACh電流密度を示した(図6H-6J)。2つの心房心筋細胞集団の比較は、興味深い差異を明らかにし、AI+RAのEBに由来するものは、VI+RAのEBに由来するものより有意に高いIKACh電流密度を示した(2.8±0.4pA/pF対1.6±0.4pA/pF)。上記の観察と合わせると、これらの発見は、心房細胞の生成効率およびこれらの細胞の質は、適切な中胚葉集団を生成させることに依存することを指し示す。
他のhPSC株からの心房および心室心筋細胞の生成
ALDH活性およびCD235aの発現に基づく心房および心室分化を最適化するアプローチが広範に適用可能かどうかを決定するために、我々は次に、それを使用して、HES2ヒト胚性幹細胞およびMSC-iPS1人工多能性幹細胞株からこれらの心筋細胞集団を生成した。滴定研究により、HES2細胞について5B/2Aおよび5B/6Aがそれぞれ心房および心室の誘導のために最適なものとして、およびMSC-iPSC1細胞について4B/4Aが心室誘導のために最適なものとして同定された(図7A、図7B、図7E、および図7F;Mendeley http://dx.doi.org/10.17632/7z7d5v2c3w.1)。MSC-iPSC1細胞からの心房誘導の最適化はより困難であり、全てのサイトカインの組合せが実体的なCD235a+集団の発生を促進した。これらのパターンの1つの解釈は、MSC-iPS1細胞は高いレベルの内因性Nodal/アクチビンAシグナル伝達を有し、全ての条件下である程度のCD235a+細胞の発生を結果としてもたらすというものである。これを試験するために、4B/1Aで誘導した細胞に3~5日目にNodal/アクチビンA/トランスフォーミング成長因子ベータ(TGF-ベータ)阻害剤SB-431542(SB)を加えた。SBの添加は、4日目の中胚葉のCTNT+MLC2V-心臓分化能力に影響することなく、CD235a+細胞の低減およびALDH+集団の大きさの増加に繋がり(図7E、図7F、および図14A)、MSC-iPS1細胞は他の株より高いレベルの内因性Nodal/アクチビンAシグナル伝達を有するという解釈を支持した。
両方の株からのCD235a+中胚葉の発生に最適化されたEBは、IRX4を発現する高い割合のMLC2V+CTNT+心筋細胞を含有する20日目の集団を生成した(図7B、図7C、図7F、および図7G)。いずれのCD235a+中胚葉集団もROHに応答しなかった。予想の通り、両方はRAに応答し、非処理対照と比較して低減されたMLC2V含有量、MYL2およびIRX4発現の下方調節、およびKCNJ3およびNR2F2の上方調節を示す心筋細胞の集団を生成した(図7B~7D、図7F~7H、および図14B~14G)。ALDH+中胚葉の発生に最適化したEBはROHおよびRAの両方に応答し、心房系列を指し示す発現プロファイルを示す心筋細胞集団を生成した(図7B~7D、図7F~7H、および図14B~14G)。以上を合わせると、これらの発見は、異なるhPSC株から生成されたALDH+およびCD235a+中胚葉集団は、HES3-NKX2-5eGFP/w株から生成された集団と類似して、それぞれ心房および心室への分化能力を示すことを実証する。心房および心室の心筋細胞系列の出現および分離をマッピングすることを目的にして、hPSC分化システムを使用して、ヒト心臓発生の最初期ステージをモデル化した。この研究からの発見は、心房および心室心筋細胞が、異なるレベルのアクチビンAおよびBMP4シグナル伝達により系列決定され、またそれぞれALDH活性(RALDH2)またはCD235a/CYP26A1の発現に基づいて同定できる別個の中胚葉集団に由来するというヒト心臓発生のスキームを支持する(図7I)。心房の心臓発生は、RALDH2+中胚葉の亜集団内でオートクラインRAシグナル伝達を介して誘導される一方、CYP26A1の発現を通じたCD235a+中胚葉における経路の阻害は心室心筋細胞の発生のために必要とされることを我々は提案する。RALDH2+およびCD235a+集団は両方の種類の心筋細胞を生じさせることができるが、心房および心室細胞の効率的な生成は適切な中胚葉の誘導に依存する。合わせると、これらの新たな洞察は、ヒト心臓発生の最初期ステージにアクセスするための枠組みおよび特定の心筋細胞サブタイプの効率的な生成のための最適なプロトコールを設計するためのプラットフォームを提供する。
心房系列決定は発生の中胚葉ステージの間のRAシグナル伝達により媒介されるという我々の観察は、hPSCからの心房分化に関する先行する報告(Devallaら、2015年;Zhangら、2011年)の他に、初期胚において記載された心臓発生に対するRAの時間制約的な効果(Mossら、1998年;Xavier-Netoら、2000年)に合致する。胚において、このステージは、心臓管の後部領域に寄与し、最終的に心房心筋細胞を生じさせると考えられている側板中胚葉におけるRA応答性およびRALDH2発現性の細胞の集団の出現と関係付けられる(Hochgrebら、2003年;Mossら、1998年)。RA応答性およびRALDH2発現の高度に重なり合うパターンは、この中胚葉がRAの合成およびRAへの応答の両方を行うことができることを示唆する。in vivoにおいて心臓中胚葉の亜集団がRAを合成できるという考えは、心房発生に寄与する遊走性Mesp1+中胚葉(E7.25)は初期遊走性心室前駆細胞(E6.25~6.75)より有意に高いレベルのALDH1A2(RALDH2)を発現することを示したLescroartら(2014)の研究により支持される。我々の細胞選別実験からの発見は、心房への分化能力を有する3B/2Aで誘導した中胚葉はRALDH2を発現し、ROHに応答できることを明確に実証し、ヒトの心房系列決定がオートクラインRAシグナル伝達を通じて媒介されることの説得力のある証拠を提供する。
CD235a+CYP26A1+ALDH-中胚葉は心室心筋細胞を効率的に生成するが、ROHに応答して心房細胞を生成することはできないという発見は、これらの心筋細胞サブタイプが異なる中胚葉集団に由来することの強い証拠を提供する。CD235a+およびALDH+中胚葉におけるCYP26A1およびRALDH2の差次的発現は、これらのhPSC由来の前駆細胞が、発生胚における心臓血管前駆領域の前後軸に沿って見られるRAシグナル伝達の境界に類似したRAの合成と分解との均衡を確立したことを指し示す(CunninghamおよびDuester、2015年;RydeenおよびWaxman、2014年)。現在、CD235a中胚葉が左もしくは右の心室心筋細胞または両方の混合を生成するのかどうかは知られていない。in vitroでこれらの集団のより良好な解明を達成できるまで、異なる前駆細胞が左心室および右心室の流出路に寄与することを提案する第1および第2の心臓領域モデルに我々の発見を組み込むことは難しい(Buckinghamら、2005年;Meilhacら年、2004年;Spaeterら、2013年)。しかしながら、我々の発見は、系列追跡戦略を使用して、マウスにおけるFOXA2の発現が、心房ではなく左心室および右心室の心筋細胞を生じさせる前駆細胞の印となることを示したBardotら(2017年)の発見に合致する。
CD235aの発現およびALDH活性を通じて心室および心房の前駆細胞の発生を定量的にモニターする能力により、これらの2つの集団の系列決定を調節する経路を研究し、かつBMP4およびアクチビンAシグナル伝達の勾配がこれらの初期決定において極めて重要な役割を果たすことを実証することが可能となった。異なるhPSC株の我々の解析は、心室系列の系列決定は、心房系列の生成のために必要とされるよりも高いアクチビンA対BMP4シグナル伝達の比に依存することを明らかにした。これらの差異は、これらの前駆細胞が初期胚においてさらされる異なるシグナル伝達環境を反映する可能性がある。これを支持する証拠がLescroartらの研究(2014年)により提供され、彼らは、Nodalならびにその下流の標的遺伝子PITX2、LEFT1、FGF8、GSC、およびMIXIの転写物(Leeら、2011年)が、後期発生の心房前駆細胞と比較して初期遊走性左心室前駆細胞において濃縮されることを示した。
最適な心室および心房の発生は適切な中胚葉の効率的な系列決定に依存するという観察は、hPSC分化培養における発生の初期ステージを理解する重要性を強調する。系列発生の効率、および心房心筋細胞の場合は生成される細胞の質の両方が初期誘導ステップにより影響されることを我々の発見は示す。分化培養における系列発生の精密な制御は、hPSCの分化能力を心臓血管疾患への治療的応用に翻訳するための重要な意味を有する。例えば、汚染性ペースメーカー細胞および心房細胞を欠いた高度に濃縮された心室心筋細胞は、心筋梗塞を患う患者における心室壁の筋肉の再肥大を目的とする細胞ベースの療法を開発するための理想的な候補集団であろう。非心室細胞の除去は、hPSC由来の心筋細胞の混合集団の移植後の動物モデルにおいて観察される不整脈を低減させ得る(Chongら、2014年;Shibaら、2016年)。心筋細胞サブタイプの濃縮された集団へのアクセスもまた、心房細動、肥大性心筋症、および他の室特異的先天性心臓欠陥などの心臓の特定の領域に影響する疾患をモデル化するために重要である。異なる心臓集団を生成させる能力は、そのような研究のために適切な標的細胞を提供するだけでなく、他の心筋細胞サブタイプに対する治療戦略の潜在的なオフターゲット効果の解析も可能とする。これらの包括的な解析は、特徴付けに乏しい混合集団の使用では不可能なヒト心臓血管疾患への洞察を提供するであろう。
方法の詳細
ヒトESC/iPSC株の方向付けられた分化
心臓分化のために、我々の胚様体(EB)ベースのプロトコールの改良版を使用した(Kattmanら、2011年)。80%~90%コンフルエンスのhPSC集団を単一細胞に解離させ(TrypLE、ThermoFisher)、オービタルシェーカー上で18時間、ペニシリン/ストレプトマイシン(1%、ThermoFisher)、L-グルタミン(2mM、ThermoFisher)、トランスフェリン(150μg/ml、ROCHE)、アスコルビン酸(50μg/ml、Sigma)、およびモノチオグリセロール(50μg/ml、Sigma)、ROCK阻害剤Y-27632(10μΜ、TOCRIS)およびrhBMP4(1ng/ml、R&D)を含有するStemPro-34培地(ThermoFisher)中で再凝集させてEBを形成させた。1日目に、指し示した濃度の上記添加物(-ROCK阻害剤Y-27632)ならびにrhBMP4、rhアクチビンA(R&D)およびrhbFGF(5ng/ml、R&D)を含むStemPro-34からなる中胚葉誘導培地にEBを移した。3日目に、EBを回収し、IMDMで洗浄し、StemPro-34、WNT阻害剤IWP2(1μΜ、TOCRIS)およびrhVEGF(10ng/mL、R&D)からなる心臓中胚葉系列決定培地に移した。5日目に、さらに7日間rhVEGF(5ng/ml)を含むStemPro-34に、その後さらなる8日間、追加のサイトカインを含まないStemPro-34培地にEBを移した。20日目に、HES3-NKX2-5gfp/w由来の心筋細胞を解析し、NKX2-5:GFPおよびSIRPaの発現ならびにCD90の欠如に基づいて単離した。非トランスジェニックhPSC株から生成された心筋細胞を解析し、SIRPa+CD90-集団として単離した。培地を3日毎に交換した。培養物を最初の12日間は低酸素環境中(5%のCO2、5%のO2、90%のN2)、その後の8日間は正常酸素環境中で(5%のCO2)インキュベートした(計20日)。懸濁培養を維持するために分化の全体を通じて超低接着6ウェルディッシュ(Corning)中でEBを培養した。
心房および心室誘導条件の最適化
最適な心房誘導条件を決定するために、アクチビンAおよびBMP4濃度の選択は、20日目にCTNT+MLC2V-心筋細胞を生成する最も高い能力を示した4日目に最も高い割合のALDH+CD235a-細胞を有する中胚葉集団の同定に基づいた。最適化後、心房心筋細胞の生成のための3~5日目の心臓中胚葉系列決定培地にATRA(0.5μΜ、Sigma)またはレチノール(2μΜ、Sigma)のいずれかを含めた。
最適な心室誘導条件を決定するために、アクチビンAおよびBMP4濃度の選択は、高い割合のCD235a+細胞を含有し、ALDH+細胞を含有せず、かつ高い割合のCTNT+MLC2V+を20日目に生成した中胚葉集団の同定に基づいた。
フローサイトメトリーおよび細胞選別
2~6日目のEBを室温(RT)で2~4分間TrypLEを用いて解離させた。ハンクス緩衝液中の2型コラゲナーゼ(0.5mg/ml、Worthington)中、RTで終夜インキュベーションした後、上記の通りにTrypLE処理することにより、20日目のEBを解離させた。以下の抗体を染色のために使用した:抗PDG-FRa-PE(R&D Systems、3:50)、抗CD235a-APC(BD PharMingen、1:100)、抗SIRPa-PeCy7(Biolegend、1:1000)、抗CD90-APC(BD PharMingen、1:1000)、抗CTNT心臓アイソフォーム(ThermoFisher Scientific、1:2000)、または抗ミオシン軽鎖2(Abeam、1:1000)。非共役一次抗体について、以下の二次抗体を検出のために使用した:ヤギ抗マウスIgG-APC(BD Pharmigen、1:250)、またはロバ抗ウサギIgG-PE(Jackson ImmunoResearch、1:250)。詳細な抗体情報を表2に記載する。
表2 実験リソース
細胞表面マーカーの解析のために、5%のウシ胎仔血清(FCS)(Wisent)および0.02%のナトリウムアジドを含むPBSからなるFACS緩衝液中4℃で30分間細胞を染色した。細胞内染色のために、細胞を4℃で15分間、PBS中の4%のPFAで固定した後、90%のメタノールを使用して4℃で20分間透過処理を行った。0.5%のBSA(Sigma)を含有するPBSで細胞を洗浄し、FACS緩衝液中の非共役一次抗体で終夜4℃で染色した。染色した細胞を0.5%のBSAを含むPBSで洗浄し、FACS緩衝液中の二次抗体で1時間4℃で染色した。
染色した細胞をLSR II Flow cytometer(BD)を使用して解析した。細胞選別のために、0.5%のFCSを含むIMDM中に染色した細胞を保ち、Sickids/UHNフローサイトメトリー施設でInflux(BD)、FACSAriall(BD)、MoFlo-XDP(BD)およびFACSAria Fusion(BD)を使用して選別した。FlowJoソフトウェア(Tree Star)を使用してデータを解析した。
aldefluorアッセイ
製造者により提供された使用説明書にしたがってaldefluor(商標)アッセイ(STEMCELL Technologies)を行った。簡潔に述べれば、2~6日目のEBを上記の通りに解離させた。0.1%のBSAおよびBAAA基質(0.12mg/ml)を含有するaldefluorアッセイ緩衝液中、37℃で60分間、2×106細胞/mlの濃度で細胞を染色した。アルデヒドデヒドロゲナーゼ阻害剤DEAB(0.75nM)を陰性対照試料に加えた。5%のFCSを含むIMDMおよび10%のaldefluorアッセイ緩衝液からなる冷培地で細胞を洗浄した。次に、冷却した洗浄培地中の上記に指し示す濃度の細胞表面マーカーへの抗体で追加の20分間4℃で細胞を染色した。染色した細胞を上記の通りに解析した。解析の間、冷却した洗浄培地中に細胞を保った。細胞選別のために、FCSをKnockOutTM serum replacement(ThermoFisher)と置き換えて、細胞分化に対する血清含有サイトカインのあらゆる影響力を回避した。選別手順の全体を通じて、10%のaldefluorアッセイ緩衝液を含有するStemPro-34中に細胞を維持した。選別した細胞を回収し、ROCK阻害剤(10μΜ)、IWP2(0.5μΜ)およびrhVEGF(5ng/ml)を含有するStemPro-34中で再凝集させた。
免疫組織化学
20日目のEBを上記の通りに解離させ、マトリゲル(25%v/v、BD)を予めコーティングした12mmのカバーガラス(VWR)に細胞をプレートした。細胞を3~5日間培養して、接着細胞の単層の形成を可能とした。
PBS中の4%のPFAで10分間室温で細胞を固定し、0.3%のTritonX、200mMのグリシン(Sigma)を含有するPBSで20分間RTで透過処理した。10%のFCS、0.1%のTritonX、および2%のBSAを含有するPBSで細胞をブロッキングした。以下の抗体を染色のために使用した:マウス抗CTNT心臓アイソフォーム(ThermoFisher Scientific、1:200)、ウサギ抗ヒト/齧歯動物ミオシン軽鎖2(Abcam、1:200)、マウス抗ヒトCOUPTF-II(R&D、1:1000)、またはウサギ抗ヒトCTNT(Genway Biotech Inc.、1:1000)。非共役一次抗体を検出するために、以下の二次抗体を使用した:ロバ抗マウスIgG-A647(ThermoFisher、1:1000)、またはロバ抗ウサギIgG-A555(ThermoFisher、1:1000)。詳細な抗体情報はKey Resources Tableに記載される。0.1%のTritonX、および0.1%のBSAを含むPBSからなる染色緩衝液中の一次抗体で4℃で終夜、細胞を染色した。染色した細胞をオービタルシェーカー上RTで15分間染色緩衝液で洗浄した。次に、細胞を染色緩衝液中の二次抗体で1時間RTで染色した後、上記の通りに洗浄ステップを行った。SlowFade Gold Antifade reagent with DAPI(ThermoFisher)を使用して試料をマウントした。染色した細胞をOlympus FluoView 1000 Laser Scanning Confocal Microscopeを使用して解析した。画像取得のためにFV10-ASWソフトウェアを使用した。
定量的リアルタイムPCR
リボヌクレアーゼフリーのデオキシリボヌクレアーゼ処理を含むRNAqueous-micro Kit(Ambion)を使用してhPSC由来の集団からトータルRNAを単離した。ヒト胎児心臓の解剖した心室および心房組織からのRNAをTRIzol法(ThermoFisher)を使用して単離し、デオキシリボヌクレアーゼ(Ambion)で処理した。オリゴ(dT)プライマーおよびランダム六量体およびSuperscript III逆転写酵素(ThermoFisher)を使用して、100ng~1mgの単離したRNAをcDNAに逆転写した。QuantiFast SYBR GREEN PCRキット(QIAGEN)を使用してEP Real- Plex MasterCycler(Eppendorf)でQRT-PCRを行った。全ての実験は二連で調製し、PCR反応の効率およびハウスキーピング遺伝子TBPに対する各遺伝子のコピー数を評価するために25ng/ml~2.5pg/mlに及ぶ超音波処理したヒトゲノムDNA標準物質の10倍段階希釈を含んだ。MultiExperiment Viewer(MeV)オープンソースソフトウェアを使用して遺伝子発現データのヒートマップを生成した。
パッチクランプ
パッチクランプを使用する電気生理学的特徴付けのために、EBを解離させ、上記の通りにFACSによりNKX2-5+SIRPa+CD90-心筋細胞を単離した。ROCK阻害剤(10mM)を添加したStemPro-34培地中に単離した細胞を1.25~5×105細胞/mlで懸濁し、70mmのフィルターで濾過した。30mmディッシュ中のマトリゲル(10%v/v)を予めコーティングしたガラスカバースリップ(3×5mm)にこの細胞懸濁液の40ulの滴を塗布した。細胞を40mLの体積で16~18時間インキュベートして細胞接着を促進させた。次に、ディッシュを2mlのStemPro-34培地で満たした。培地は4日毎に交換した。プレーティングの7~14日後に培養物をパッチクランプ記録のために使用した。それぞれ電流および電圧クランプモードで標準的なパッチクランプ技術を使用してAPおよび膜電流を測定した(Axopatch 200B、Molecular Devices)。電圧および電流を5KHzのサンプリング率で記録し(DigiData、Molecular Devices)、pCLAMPソフトウェア(Molecular Devices)を用いて解析した。ピペット溶液を満たした時に2~5MUの先端抵抗を有するホウ珪酸ガラスの微小電極を使用した。直列抵抗はrv70%で補正した。以下の浴液(mM)を用いて全細胞破裂パッチ法を使用してRTでAPおよび膜電流を記録した:NaCl 140、KCl 5.4、CaCl2 1.2、MgCl2 1、グルコース 10、およびHEPES 10(pH7.4、NaOHで調整)。ピペット溶液は以下からなるものであった(mM):アスパラギン酸カリウム 120、KCl 20、NaCl 5、MgATP 5およびHEPES 10(pH 7.2、KOHで調整)。
静止状態の心筋細胞において、APは、1Hzの周波数で5~15pAの1~3msの長さの脱分極電流パルスにより誘発した。自律性および刺激性APは以下のパラメーターに基づいて分類した:ペースメーカー様:dv/dtmax<10V/s、心房様:dv/dtmax R 10V/sおよびAPD30/90<0.3、心室様:dv/dtmax R 10V/sおよびAPD30/90 R 0.3。アセチルコリン活性化カリウム電流(IKACh)は、CCh感受性電流(CChにより活性化される)として特徴付けた。-40mVの保持電位から20mV~-120mVに及ぶ350msの電圧ランププロトコールに応答してカルバコール(CCH、10mM)の添加の前および後に電流を測定した(各々の元々の電流トレース中の電圧プロトコールの挿入を参照)。IKAChは、CChの存在下で記録した電流からCChなしで記録した電流を引くことにより定量化した。
定量化および統計解析
全てのデータは平均±平均の標準誤差(SEM)として表す。指し示した試料サイズ(n)は、独立した細胞培養複製物および個々の組織試料を含む生物学的複製物を表す。単一細胞データ(鼓動速度の定量化およびパッチクランプデータ)について、試料サイズ(n)は、Rの3つの独立した実験から解析した細胞の数を表す。試料サイズを予め決定するために統計的方法を使用しなかった。実験の性質により、無作為化は行わず、研究者は盲検ではなかった。統計的有意性は、GraphPad Prism 6ソフトウェアのStudentのt検定(対応のない両側)を使用することにより決定した。結果はp<0.05(*/#)で有意、p<0.01(**/##)で非常に有意と考えた。全ての統計パラメーターを各々の図中および図のレジェンド中に報告する。
本発明の好ましい実施形態を本明細書に記載してきたが、本発明の精神または添付の特許請求の範囲から離れることなくそれに対して変形が為され得ることが当業者に理解されるであろう。以下の参照文献リスト中のものを含めて、本明細書に開示される全ての文献は、参照することにより組み込まれる。
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