JP2022535141A - 心筋細胞及び組成物ならびにそれらを生成する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2019年11月11日に出願された米国仮出願第62/933,962号、2019年8月8日に出願された米国仮出願第62/884,592号、及び2019年6月6日に出願された米国仮出願第62/858,302号に対する優先権を主張するものである。上記の出願の全教示は、参照により本明細書に援用される。
便宜上、本発明の本明細書、実施例及び別記の特許請求の範囲の中で採用されているいくつかの用語をここにまとめる。特に規定されない限り、本明細書中で使用されるすべての科学技術用語は、本発明が属する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
幹細胞とは、有糸細胞分裂を通じて自己更新する能力を保持しており、多様な特殊化細胞型へと分化することが可能な細胞である。哺乳類幹細胞には、大きく分けて2種類ある:胚盤胞で見つかる胚性幹(ES)細胞、及び成人組織で見つかる成人幹細胞である。発育中の胚では、幹細胞は、すべての特殊化胚性組織へと分化することが可能である。成人生物では、幹細胞及び前駆細胞は、身体の修復システムとして作用し、特殊化細胞を補充するだけでなく、再生臓器、例えば、血液、皮膚、または腸管組織の正常なターンオーバーを維持している。多能性幹細胞は、三胚葉のどれに由来する細胞へも分化することができる。
本明細書中記載される技法で利用可能な分子遺伝学及び遺伝子工学の例示的方法は、例えば、現行版のMolecular Cloning: A Laboratory Manual, (Sambrook et al., Cold Spring Harbor), Gene Transfer Vectors for Mammalian Cells (Miller & Calos eds.)、及びCurrent Protocols in Molecular Biology (F. M. Ausubel et al. eds., Wiley & Sons)で見つけることができる。細胞生物学、タンパク質化学、及び抗体技法については、例えば、Current Protocols in Protein Science (J. E. Colligan et al. eds., Wiley & Sons)、Current Protocols in Cell Biology (J. S. Bonifacino et al., Wiley & Sons)、及びCurrent protocols in Immunology (J. E. Colligan et al. eds., Wiley & Sons.)で見つけることができる。例示の試薬、クローニングベクター、及び遺伝子操作用キットは、例えば、BioRad、Stratagene、Invitrogen、ClonTech、及びSigma-Aldrich Coから市販で入手可能である。
本開示の態様は、心筋細胞(例えば、成熟、静止心筋細胞)の生成に関する。概して、本明細書中開示される方法により生成した心筋細胞は、機能的に成熟した、静止心筋細胞の特徴を複数示し、そのような特徴として、電気的に成熟している(例えば、低下した自動能を呈する)、収縮性が成熟している、及び代謝的に成熟していることが挙げられるが、これらに限定されない。
実施形態によっては、本開示は、成熟心筋細胞を提供する。本明細書中開示される心筋細胞は、天然心筋細胞と多くの目立った特徴を共有しているが、ある特定の態様(例えば、遺伝子発現プロファイル)において異なっている。実施形態によっては、心筋細胞は、非天然であるか、天然に生じないものである。本明細書中使用される場合、「非天然の」または「天然に生じない」は、心筋細胞が、ある特定の態様において、自然に存在する心筋細胞、すなわち、天然の心筋細胞とは顕著に異なることを意味する。しかしながら、認められるべきであることは、そのような顕著な差異が、典型的には、ある特定の機能的差異を呈する心筋細胞をもたらす可能性のある構造的特徴に関連するものであり、例えば、心筋細胞の遺伝子発現パターンが天然の心筋細胞とは異なっていたとしても、当該心筋細胞は挙動が天然の心筋細胞と類似の様式をしており、ただし、ある特定機能が、天然の心筋細胞に比べて変化している(例えば、改善されている)場合がある。
老化心筋細胞の存在と比較しての静止心筋細胞の存在を確認するために、当業者に一般的に知られる任意の手段が利用可能である。心筋細胞、例えば、少なくとも1種の未熟心筋細胞またはその前駆体を本明細書中記載されるとおりの少なくとも1種の心筋細胞成熟因子に曝露させることにより分化させて生成させた成熟心筋細胞の存在を確認するために、当業者に一般的に知られる任意の手段が利用可能である。
本発明の別の態様は、不均一細胞集団、例えば、成熟心筋細胞及び成熟心筋細胞の由来元である未熟心筋細胞またはその前駆体を含む混合細胞集団から心筋細胞(例えば、成熟心筋細胞)の集団を単離することに関する。態様によっては、静止心筋細胞の集団は、不均一細胞集団、例えば、老化心筋細胞及び静止心筋細胞を含む混合細胞集団から単離される。上記プロセスのいずれかにより生成した心筋細胞の集団は、心筋細胞には存在するが、心筋細胞の由来元である未熟心筋細胞またはその前駆体には存在しない細胞表面マーカーのいずれかを用いることにより、濃縮、単離、及び/または精製することができる。そのような細胞表面マーカーは、心筋細胞(例えば、成熟心筋細胞)に特異的な親和性タグとも称する。心筋細胞に特異的な親和性タグの例として、心筋細胞の細胞表面には存在するが、他の細胞型(例えば未熟心筋細胞)では実質的に存在しないマーカー分子、例えば、ポリペプチドに対して特異的な、抗体、リガンド、または他の結合剤などがある。一部のプロセスにおいて、心筋細胞の細胞表面抗原に結合する抗体が、本明細書中記載される方法により生成した化学誘導された(例えば、本明細書中記載されるとおりの少なくとも1種の心筋細胞成熟因子と接触させることにより)心筋細胞の濃縮、単離、または精製用の親和性タグとして使用される。そのような抗体は既知であり、市販されている。
本発明の一部の実施形態は、心筋細胞を含む細胞組成物、例えば、細胞培養物または細胞集団に関し、ただし、心筋細胞は、少なくとも1種の未熟心筋細胞に由来するものである。実施形態によっては、細胞組成物は、未熟心筋細胞を含む。
本開示の態様には、未熟心筋細胞またはその前駆体を、例えば、心筋細胞成熟因子と接触させて、心筋細胞(例えば、成熟心筋細胞)への未熟心筋細胞の成熟またはその前駆体の分化を誘導することが関与する。「心筋細胞成熟因子」という用語は、少なくとも1種の未熟心筋細胞またはその前駆体から心筋細胞への変換を促進するまたはその変換に寄与する作用剤を示す。実施形態によっては、心筋細胞成熟因子は、例えば、本明細書中記載される方法により、多能性細胞(例えば、iPSCまたはhESC)から未熟心筋細胞への分化を誘導する。実施形態によっては、心筋細胞成熟因子は、例えば、本明細書中記載される方法により、未熟心筋細胞から心筋細胞への成熟を誘導する。実施形態によっては、心筋細胞成熟因子は、老化心筋細胞から静止心筋細胞への移行を誘導する。
本明細書中記載されるのは、本明細書中記載される心筋細胞(例えば、成熟及び/または静止心筋細胞)を含む組成物である。実施形態によっては、組成物は、本明細書中記載される成熟因子及び/または細胞培養培地も含む。本明細書中記載されるのは、本明細書中記載される化合物を含む組成物(例えば、本明細書中記載される化合物のうち1種または複数を含む細胞培養培地)でもある。
一実施形態では、本明細書に記載の細胞、例えば、成熟心筋細胞の集団は移植可能であり、例えば、心筋細胞の集団を対象に投与することができる。一部の実施形態では、本明細書に記載の細胞、例えば、成熟静止心筋細胞の集団は移植可能であり、例えば、心筋細胞の集団を対象に投与することができる。一部の実施形態では、心筋細胞の集団を投与される対象は、心筋細胞に分化させるために使用された多能性幹細胞を(例えば、自己細胞治療用に)得た対象と同じ対象である。一部の実施形態では、対象は、別の対象である。一部の実施形態では、対象は、慢性心不全に罹患しているか、または健康な対象である。例えば、移植用の細胞(例えば、心筋細胞の集団を含む組成物)は、移植に適切な形態であり得る。
対象に投与するために、本明細書に開示のとおりの方法により生成された細胞集団、例えば、心筋細胞の集団(少なくとも1つの未熟心筋細胞を少なくとも1つの成熟因子(例えば、本明細書に記載のとおりの成熟因子のうちのいずれか1、2、3つ、またはそれ以上)と接触させることにより生成)を対象に、例えば、薬学的に許容される組成物で投与することができる。これらの薬学的に許容される組成物は、1種または複数の薬学的に許容される担体(添加剤)及び/または希釈剤と一緒に製剤化された治療有効量の前記のとおりの成熟心筋細胞の集団を含む。一部の態様では、薬学的に許容される組成物は、1種または複数の薬学的に許容される担体(添加剤)及び/または希釈剤と一緒に製剤化された治療有効量の前記のとおりの成熟静止心筋細胞の集団を含む。
心筋細胞(例えば、成熟心筋細胞)の生成を増加させる心筋細胞成熟因子または作用物質を同定する方法を本明細書において記載する。ある特定の例では、ハイコンテント及び/またはハイスループットスクリーニング方法を提供する。方法は、少なくとも1つの未熟心筋細胞またはその前駆体を少なくとも1種の化合物(例えば、ライブラリ化合物または本明細書に記載の化合物)に曝露すること、及びその化合物が少なくとも1つの未熟心筋細胞またはその前駆体からの心筋細胞、例えば、成熟心筋細胞の生成を増加させるか否かを決定することを含む。細胞は、本明細書に記載のマーカーのうちの1種または複数を使用して、心筋細胞(例えば、成熟心筋細胞)として同定することができる。一部の例では、少なくとも1つの未熟心筋細胞またはその前駆体を、ライブラリへの曝露の前に分化させることができる。他の例では、2種以上の化合物を個別に、または一緒に、スクリーニングアッセイにおいて使用することができる。追加の例では、少なくとも1つの未熟心筋細胞またはその前駆体をマルチウェルプレートに入れることができ、ライブラリの様々なメンバーをマルチウェルプレートの異なるウェルに入れることにより、化合物のライブラリをスクリーニングすることができる。ライブラリのそのようなスクリーニングにより、少なくとも1つの未熟心筋細胞またはその前駆体から心筋細胞、例えば、成熟心筋細胞を生成することができる化合物を迅速に同定することができる。
ヒト胚性幹細胞(ESC)または人工多能性幹細胞(iPSC)は、心臓トロポニンの発現により決定した場合、高度に純粋な心筋細胞集団を生成することができる(1)。しかしながら、これらのプロトコルは、胎児状態にかなり似ていて、あまり器質化されていないサルコメア構造、低い最大収縮力、遅い立ち上がり速度、高い静止電位、T管の非存在、及び一次エネルギー供給源として解糖作用への依存の持続を伴う未熟心筋細胞を生成する(2)。特に、未熟ESC由来心筋細胞の大型動物モデル(マカクサルまたはヨークシャー種のブタ)への送達は、ビヒクル対照と比較して、生命を脅かす可能性がある心室性不整脈のリスクの上昇をもたらす(3、4)。幹細胞由来心筋細胞の不十分な成熟が、細胞治療を心疾患に臨床に移行させるための主要な障壁である。幹細胞由来心筋細胞の成熟を増強するための先行のアプローチは、成功が限定されている。生物工学による基質(5)、長時間の培養(2)、体外ペーシング(6、7)、同時培養(8)、機械的刺激(9)、及びトリヨードチロニン(10)、グルココルチコイド(11)、または脂肪酸(12)などの生理活性分子が、成熟において多少の改善を示している。しかしながら、心筋細胞成熟の増強をもたらす根本的な分子機構は不明なままである。高グルコース含有培地の状況で観察される低酸素誘導因子-1α(HIF1α)シグナル伝達の異常な上方制御は、心筋細胞未熟をもたらし得る(13)。これは、栄養素センサーが心筋細胞成熟の開始を担い得ることを示唆している。
誕生時に、新生児は胎盤から酸素及び栄養素を得ることから、自発呼吸を介して酸素及び経腸栄養を介して栄養を得ることへと順応するので、哺乳類は著しい生理的変化を受ける。これらの生理的変化が心臓表現型を調節する根本的な分子機構は不明なままである。マウスでは、心筋細胞は誕生後数日以内は、心筋損傷後も再生する能力を保持する(14)。しかしながら、この期間を超えると、心筋細胞は細胞周期から離脱して、静止状態になる(15)。静止細胞は活発に増殖しないが、細胞は、この状態では休眠とはかけ離れており、むしろ、細胞は代謝及び転写活性を維持している(16)。この静止期間は、より器質化されたサルコメア構造、活動電位持続時間の延長及び解糖作用から脂肪酸酸化へのシフトを伴う、心筋細胞の成熟の増加と一致する(15)。
Torin1での二重mTORC1/2阻害は細胞静止をもたらす
mTORを分化の種々の相で、Torin1の種々の濃度で(0~200nM)一過性に阻害して、次いで、細胞周期状態及び心筋細胞純度に対する作用を評価した。これらのプロトコル最適化ステップからの結果に基づき、その後の実験の大部分では、細胞を、ビヒクル(0.02%DMSO)に対して200nM Torin1で7日間にわたって処理し、その際、処理は、別段に記述されていない限り、拍動の開始後からおよそ2日後(図1A)に開始した。
Torin1処理は、用量依存的にMYH6、MYH7、TNNT2 mRNAの発現を増加させ、かつTNNI3 mRNA発現を有意に増加させる傾向があったが(図2A)、TNNT2及びTNNI3RNAレベルはまだ、胎児または成人心臓RNA発現レベルのいずれも著しく下回ったままである(図9A~9B)。加えて、Torin1処理は、ウェスタン解析によるとTNNT2及びTNNI3タンパク質発現(図2Bに示されている代表的なブロット)及びフローサイトメトリーによるとTNNT2MFI(図2C)の用量依存的増加をもたらした。Torin1処理について追加の時点を検査すると、Torin1処理がさらに短期間であるか(5日間の処理)(図10)、またはさらに遅かった場合に(拍動の開始から10日後に開始)(図11)、TNNT2 MFIに対する有益効果がフローサイトメトリーにより観察されたが;しかしながら、一貫性のために、実験のために拍動の開始からおよそ2日後に開始する7日間のTorin1処理の単一のプロトコルを、この研究のために選択した。TNNI1タンパク質レベルの上昇(図2B)(しかし、RNAレベルではない、図2A)も観察され、トロポニンIのこのアイソフォームは、心筋細胞成熟で減少すると予測されるであろうが(35);しかしながら、TNNI3レベルの全体はまだ、胎児心臓のレベルもかなり下回ることを考慮すると、おそらく、すべてのトロポニンアイソフォームのさらなる増加が、成熟度の改善を達成するためにはまだ必要である。1週間にわたるTorin1処理の完了後に、心筋細胞を剥離し、ゼラチン筋肉薄膜(MTF)に再播種して、収縮力を評価した(図2D)。Torin1処理心筋細胞を含有するMTFは、対照に対して生じた相対最大収縮力のほぼ2倍の上昇を有した(図2F、時間に対する代表的な力の追跡が図2Eに示されている)。Torin1処理心筋細胞は、対照に対してサルコメア長さの差を示さなかった(図2H、代表的な画像が図2Gに示されている)。興味深いことに、Torin1処理でのTNNT2 MFIの増加は、Torin1処理の完了後に10%FBSと共に2日間にわたってインキュベートすることにより逆転され(図2I)、これは、成長刺激でのmTORシグナル伝達の再活性化が心筋細胞表現型に有害であり得ることを示唆した。
ミトコンドリア機能を評価するためのSeahorse Mito Stress Testを使用すると(図3A)、Torin1処理心筋細胞の正規化最大OCRの有意な上昇が対照に対して観察され(図3B)、これは、より成熟した心筋細胞により示される酸化的リン酸化へのシフトを示唆した。細胞外酸性化速度(ECAR)が低下する傾向も観察された(図12A及び12B)。この変化は、グリコーゲン分解の減少と共に起こり得るものなど(36)、非解糖酸性化からのECARの減少によると考えられる(図12C)。予期せず、核DNAに対するミトコンドリアDNAの比の低下(図3C)及びフローサイトメトリーよるとMitoTrackerのMFIの減少(図3D)が観察され、これはおそらく、細胞静止の状態を反映した。しかしながら、1週間にわたるTorin1でMitoProbe JC-1赤色:緑色蛍光比の上昇により示されるとおり、ミトコンドリア膜分極の有意な上昇が観察され(図3E)、これは、存在するミトコンドリアがより成熟していることを示唆した。PPARGC1a(ミトコンドリア生合成及び成熟を調節するPGC1α、転写共活性化因子としても公知(37))のmRNA発現の用量依存的増加がTorin1処理で観察された(図3F)。これは、脂肪酸輸送タンパク質6(FATP6)のmRNA発現の増加を随伴した。選択されたミトコンドリア遺伝子(図13A)またはタンパク質(図13B)の有意な変化は観察されなかったが、脂肪酸受容体、CD36の発現が増加する傾向がTorin1で観察された(図13C)。OPA1の発現が増加する傾向が脂肪酸の処理で見られた。
Torin1処理は、KCNJ2、CACNA1c、RYR2、ATP2A2(SERCA2A)、及びSCN5A mRNAの発現の有意な用量依存的増加をもたらした(図4A)。HCN4が増加する有意でない傾向もあり(図4A)、より成熟した非ペースメーカー心筋細胞はHCN4の低い発現レベルを有するであろうと予想されていたが、倍数変化は、試験された他のイオンチャネルで見られたものよりも、HCN4ではさらに低い。RYR2、KCNJ2、及びCACNA1cのmRNAレベルはまだ、成体心臓において見い出されたレベルをかなり下回り、RYR2及びKCNJ2発現レベルも、胎児心臓レベルを著しく下回ることが観察された(図9)。これは、より高い成熟を達成するためには、すべてのイオンチャネルが発現を増加させる必要がまだあることを示唆している。加えて、Torin1は、フローサイトメトリーによると細胞外Kir2.1(KCNJ2によりコードされる)のMFIを有意に上昇させた(図4B)。Torin1処理細胞における収縮の拍動数の低下が観察され(図4C)、これは、自動性を阻害する重要なイオンチャネルであるKir2.1発現の増加と共に予測されるであろう(38)。サルコメアタンパク質発現に対してイオンチャネル発現に影響を及ぼすために、Torin1処理のための別の最適な時間ウィンドウが存在し得る(図10)。FluoVoltを使用して作成した活動電位プロファイル(図4CのCyteSeerソフトウェアセルセグメンテーションを示す代表的な画像)は、Torin1処理細胞が一般に、数値パラメーターに反映される比較的長いプラトー相ならびに比較的鋭いアップストローク及びダウンストローク(図4E)を、ピーク立ち上がり時間(図4F)、CTD75(図4I)及びT75-25タイム(図4J)の有意な減少、ならびにダウンストローク速度の有意な上昇(図4G)、CTD25の無変化(図4H)と共に有することを示した。加えて、カルシウムピーク立ち上がり時間、ピーク減衰時間、及びFWHM(半値全幅)タイムの有意な減少がTorin1処理で観察され、イソプロテレノール刺激でこれらのパラメーターがさらに低下した(図14)。
Torin1で、腫瘍抑制因子タンパク質及び細胞周期レギュレーターであるp53(全タンパク質及びリン酸化タンパク質)の用量依存的増加、さらには、p21タンパク質発現の用量依存的減少が観察された(図5A)。p53は、p21を上方制御することが公知であるが(39)、p21はまた、mTORC1阻害の状況において低リン酸化4E-BP1により分解され得る(40)。したがって、データは、Torin1がp21のレベルを直接的に低下させるように作用し、そのことが、p53上方制御の二次的作用につながり得ることを示唆している。Torin1処理で心臓転写因子GATA4(NKX2.5ではない)のタンパク質発現が増加する傾向もあり(図5A)、p53が心臓トランスクリプトームを調節するという先行の証拠と一致した(41)。Torin1処理細胞でのピフィスリン-α(p53の活性を阻害する低分子阻害薬(42))の使用は、Torin1単独に対して、静止(G0)心筋細胞のパーセンテージを低下させ、細胞周期(G1、S/G2/M)にある心筋細胞のパーセンテージを上昇させた(図5B)。また、ピフィスリン-αは、p53及びTNNI3の両方のTorin1誘導増加を阻害した(図5C、代表的なウェスタンブロット;図5D、p53のデンシトメトリー解析)。
p53の上方制御だけで、細胞静止を促進するために十分であるか否か、または同時のmTOR阻害が必要であるか否かを決定するために(図6Aに図示)、細胞を、mTORとは独立に、E3ユビキチンリガーゼMDM2の阻害によりp53を増加させるnutlin-3aで処理した。nutlin-3a単独(10μM、24時間)、200nM Torin1単独(200nM、7日間)、またはTorin1(200nM、7日間)を伴うnutlin-3a(10μM、Torin1処理の最初の24時間)で処理すると、対照に対して、静止(G0)TNNT2+心筋細胞のパーセンテージが上昇し、G1相にあるTNNT2+心筋細胞のパーセンテージが低下した(図6B)。加えて、nutlin-3aは、Torin1とは独立に、p53及びTNNI3タンパク質発現を増加させた(図6C)。心筋細胞をnutlin-3aとTorin1との組合せで処理した場合、nutlin-3a単独またはTorin1単独のいずれに対しても、p53発現レベルの有意な上昇が観察された(図6D)。加えて、nutlin-3a及びTorin1の両方での組合せ処理では、TNNI3発現がさらに増加した(図6E)。したがって、p53の上方制御だけでも、限定された心筋細胞成熟を促進し得るが、この作用は、mTOR阻害との組合せでさらに増強した。
NanoString PanCancer Pathways Panelを利用して、Torin1で処理され、続いて、FBSで処理された細胞における細胞周期、成長、及び代謝と関連する遺伝子の多重解析を、対照に対して得た。教師なし階層的クラスタリング及び主成分解析(PCA)を用いて、4つの処理群(対照、対照+FBS、Torin1、Torin1+FBS)により、NanoStringにより図示されるとおりの「細胞周期」(図7A(ヒートマップ)、図15F(PCA))及び「タンパク質の代謝」(図7B(ヒートマップ)、図15H(PCA))経路を含めて、パネルのすべての遺伝子のレベルで(図15A(ヒートマップ)及び15B(PCA))、さらには、遺伝子のいくつかのサブセットでクラスタリングを観察した。経路スコア(特定の経路内のすべての遺伝にわたる全体変化を要約するために指定された数値)によるクラスタリングが、細胞周期(図15G)及びタンパク質の代謝(図15I)経路で観察された。
この研究では、二重mTORC1/2阻害薬、Torin1が、静止(G0)状態の細胞のパーセンテージを上昇させ、TNNI3及びKCNJ2を含む心筋細胞成熟と関連する遺伝子の発現を増強することが見い出された。Torin1処理は、iPSC由来心筋細胞により生成される収縮力の上昇、ならびに活動電位プロファイルのピーク立ち上がり時間及びダウンストローク速度の上昇をもたらした。また、Torin1で一過性に処理された心筋細胞はOCRの上昇を有したことが観察され、これは、これらの細胞が、対照細胞よりも代謝的により成熟していることを示唆した。Torin1処理が、細胞周期レギュレーター、p53の発現を増加させながら、サイクリン依存性キナーゼ阻害因子のmRNA発現を有意に減少させたことも観察された。p53により調節されると以前に示されている(41)、GATA4の発現を増加させる傾向もあった。さらに、nutlin-3a、p53活性化因子は独立に、TNNI3発現を増加させ、Torin1と相乗効果を有した。これらのデータは、p53の発現の増加が心筋細胞静止及び成熟の両方を誘導する二重作用を有することを示唆している。
細胞系
3種のヒトiPSC系をこの研究で使用した。BJ-RiPS細胞系(男性ドナー、線維芽細胞由来)は、Harvard Stem Cell Institute(HSCI)Induced Pluripotent Stem Cell (iPSC) Core facilityから得た。UCSD142i-86-1 iPSC系(女性ドナー、線維芽細胞由来)は、University of California San DiegoのDr. Kelly Frazer研究室により作製され、Wi細胞Cellにより配給された。市販のGibcoエピソーム由来iPSC系(CD34+臍帯血単核細胞由来)はThermoFisher Scientificから得た。各細胞系での全継代数は70未満であり、継代数が、最後の解凍から20に近づいたら、新しい、より低い継代のバイアルを解凍した。細胞をStemFlex(ThermoFisher)中で維持し、分割後24時間にわたってROCK阻害薬を使用して3~4日ごとに継代した。図に示されている代表的なデータは、単一細胞系を用いた個々の実験からのものであり;各図で使用されている細胞系は、図の凡例に示されている(BJRIPS-CM、Gibco iPS-CM、またはUCSD-CMと省略)。重要な実験は、再現性を確認するために3種すべての細胞系で行った。
分化を準備するために、分化の開始の4日前に、iPSCを12ウェルプレートのウェル1つあたり20,000~80,000細胞(細胞系に応じて)の密度で播種した。細胞を、Lian et al.により以前に記載されたプロトコルに従って、多少の変更を加えて分化させた(図1A)(1)。分化0日目に、基礎培地をStemFlexからRPMI/B27に変えた。GSK3阻害薬、CHIR99021(6μM)を、細胞がおよそ70~80%集密になった分化0日目から2日目まで48時間にわたって添加した。WntアンタゴニストIWP4(5μM)を分化2~4日目に添加した。インスリン(10μg/ml)を、分化7日目から開始して培地に添加し、培地を2~3日ごとに変えた。一般に、分化から10日目より前に拍動が開始された場合に、より高い純度の(TNNT2+)心筋細胞が観察され、したがって、分化から7~10日目の間に拍動が開始されたバッチのみが、この研究に含まれた。別段に特記されていない限り、拍動心筋細胞を、拍動の開始から約2日後に開始して7日間にわたってTorin1(別段に特記されていない限り、200nM)またはビヒクル(0.02%ジメチルスルホキシド(DMSO))で処理した(培地を新鮮なTorin1またはDMSOと2~3日ごとに変えた)。Torin1処理の後に、培地をRPMI/B27/インスリンに戻し、終点アッセイまで2~3ごとに培地を変えながら維持した。いくつかのアッセイでは、脂肪酸を、1:1000に希釈された化学的に定義された脂質(Gibco)の形態で、Torin1処理と同時に添加した。一部の他のアッセイでは、2~4日間にわたるTorin処理の完了後に、ウシ胎児血清(10%FBS)を細胞に添加した。
製造者指示書に従って、RiboZol(VWR)、続いて、E.Z.N.A.Total RNA I kit(Omega)を使用して、RNAを細胞から抽出し、次いで、High Capacity cDNA Reverse Transcription kit(Thermo Fisher Scientific)で、cDNAに逆転写した。iTaq Universal SYBR Green Supermix(Bio-Rad)及び表1に列挙されているプライマー対をBio-Rad CFX384 Real-Timeサーマルサイクラーと共に用いて、定量的PCR(qPCR)を実行した。TATA結合タンパク質(TBP)をハウスキーピング遺伝子として使用した。
細胞を溶解緩衝液(1%Triton(登録商標) X、0.35%デオキシコール酸Na、1mM EDTA、1%プロテアーゼ阻害薬カクテル(Sigma)、1%ホスファターゼ阻害薬カクテル2(Sigma)、1%ホスファターゼ阻害薬カクテル3(Sigma)、1mMフェニルメチルスルホニルフルオリド(PMSF))で溶解させ、全タンパク質をPierce BCA Protein Assay Kitで測定した。等量の全タンパク質量を有する試料(Laemmli試料緩衝液(Bio-Rad)中で調製)をMini-Protean TGX Precast Gel(Bio-Rad)に装填し、100Vで1時間にわたって電気泳動させ、その後、Trans-Blot Turbo Transfer System(Bio-Rad)を使用してPVDF膜に移動させた。Precision Plus Protein Dual Color Standards分子量ラダーを使用して、検出されたバンドの分子量を推定した(Bio-Rad)。膜を5%牛乳またはウシ血清アルブミンでブロックし、次いで、一次抗体(表2)と共に、終夜、4℃でインキュベートし、続いて、ホースラディッシュペルオキシダーゼ-コンジュゲート二次抗体(表2)と共に1時間にわたって室温でインキュベートした。Amersham ECL Western Blotting Detectionキットを使用して、化学発光によりタンパク質シグナルを検出し、ImageJソフトウェア(NIH)を使用してバンド密度を定量化した。
細胞を剥離し、5×105~1×106の細胞を1条件あたり使用した。細胞周期解析では、1条件あたり5×105の細胞を70%冷エタノール中で少なくとも2時間から終夜、-20℃で固定した。細胞を初めにPermeabilization Buffer(Thermo)中のAlexaFluor 647-TNNT2で、次いで、Hoechst 33342(2μg/ml)及びピロニンY(4μg/ml)で20分間にわたって染色して、G0、G1、及びS-G2-M相にある細胞を識別した。他の染色法では、細胞を、eBioscience Intracellular Fixation緩衝液中で30分間にわたって固定し、続いて、eBioscience Permeabilization Buffer中で2回洗浄し、eBioscience FACS Staining緩衝液中の適切な一次抗体(表2)で30~60分間にわたって染色した。二次抗体を使用する場合、細胞を適切な二次抗体(表2)と共に30~60分間にわたってインキュベートした。相乗平均蛍光強度(MFI)をTNNT2及びKir2.1抗体について定量化した。データをBD LSRII機器により取得し、FlowJoソフトウェアを使用して解析した。
分化後に、0.1%トリプシン-EDTAを用いて細胞を12ウェルプレートから剥離し、Geltrexコーティング4チャンバー顕微鏡スライドに再播種した。細胞を4%パラホルムアルデヒド中で固定し、次いで、0.5%Triton(登録商標) X-100で透過化した。5%BSAでブロックした後に、細胞を一次抗体(表2)と共に30分間にわたって室温でインキュベートし、続いて、二次抗体(表2)と共に45分間にわたって室温で、暗所でインキュベートした。リン酸緩衝生理食塩水(PBS)で洗浄した後に、DAPIを含むVectashield封入剤(スライド用)またはDAPI(プレート用)を施与し、細胞を共焦点顕微鏡(Zeiss LSM 700)で可視化した。筋肉薄膜(MTF)を同様の手法で染色したが、ただし、DAPI(1μg/ml)を5分間にわたって施与し、その後、すすいで、イメージングするまでMTFをPBS中に移した。
心筋細胞を12ウェル内で分化し、次いで、固定し、元のプレート内で染色して、剥離を生き延びた細胞を選択する可能性を最小化した。細胞を、免疫染色法に記載のとおりKi67/TNNT2/DAPIまたはホスホ-H3/TNNT2/DAPIで染色した。画像を蛍光顕微鏡で取得した。10倍対物レンズを用いて、TNNT2+細胞を含有する単層領域をプレート中の5つの視野から無作為に選択した。ImageJの粒子解析機能を使用して、DAPI、Ki67、またはpH3について陽性であった1視野あたりの細胞数を定量化した。試料全体にわたる可変性を調整するために、<500のシグナル閾値をDAPI及びpH3(488nm)について設定し、<600のシグナル閾値をKi67(488nM)について設定した。10~1000ピクセル2の粒径が解析に含まれた。DAPI及びTNNT2によりマークされた細胞の合計数の中からKi67+細胞またはpH3+細胞のパーセンテージを定量化した。カイ二乗検定を使用して、統計学的有意性を評価した。
以前に記載されたとおり(32)、ゼラチン筋肉薄膜(MTF)を調製した。正方形の22×22mmガラス製カバースリップを低粘着性テープ(Patco 5560 Removable Protective Film Tape)でカバーし、Epilog Mini 24レーザーエングレービング機器を使用して、2つの内部長方形(カンチレバー領域では3×10mm及びベース領域では7×10mm)が外部輪郭に取り囲まれるように、テープを切り出した。大きい方の内部長方形を剥がし、この領域を0.1M NaOHで5分間にわたって、次いで、95%エタノール中0.5%(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン(APTES)で5分間にわたって、次いで、0.5%グルタルアルデヒド溶液で30分間にわたって活性化させた。次いで、ガラス製カバースリップをすすいで、乾燥させた。次に、小さい方の長方形領域をカバーしているテープを剥がした。蒸留水溶液の20%w/vの貯蔵用ゼラチン(175gブルーム、Type A、Sigma)を65℃で30分間にわたって溶解させ、蒸留水溶液の8%w/v貯蔵用微生物トランスグルタミナーゼ(MTG)(Ajinomoto)を37℃で30分間にわたって溶解させた。10%w/vゼラチン及び4%w/v MTGの最終濃度で使用する直前に、貯蔵用ゼラチン及び貯蔵用MTG溶液を1:1で混合した。溶液をグラスカバースリップ上の露出した正方形にピペットで添加した。リッジ幅25μm×溝幅4μmの線特徴を有するポリジメチルシロキサン(PDMS、Sylgard 184、Dow Corning)スタンプをゼラチンに配置し、500gの重りをPDMSスタンプの上に配置した。ゼラチンを終夜、室温で固化させた。翌日、重りを取り除き、ガラスカバースリップをゼラチン及びPDMSスタンプと共に、蒸留水中に30分にわたって配置して、ゼラチンを再水和させ、その後、PDMSスタンプを取り除いた。ゼラチンの輪郭に沿って残っているテープを取り除いた。MTFを、Kimwipeを押し当てて乾燥させ、次いで、Epilog Mini 24レーザーエングレーバーを出力3%、速度7%、及び周波数2000Hzで用いて、カンチレバー(幅1mm×長さ3mm)を6~7回切り出した。MTFを70%エタノール中で5分間にわたって滅菌し、続いて、安全キャビネット内で、終夜、PBS中でUV光に曝露した。MTFにGeltrex(Invitrogen)を30分間にわたって室温でコーティングし、その後、細胞を播種した。Torin1またはビヒクル処理の完了後のiPSC由来心筋細胞を12ウェルプレートから剥離し、MTF上に、100μLあたり800,000細胞の密度で再播種した。細胞を1~2時間にわたって体積100μLで、37℃で接着させ、次いで、追加の4mlのRPMI/B27/インスリン+10%FBSを、6ウェルプレートの各ウェルに添加した。翌日、培地を、RPMI/B27/インスリンを含有する非血清に再び変えた。細胞を、イメージング/拍動の前に4~5日間にわたって接着させ、再播種から回復させた。解析の当日に、ゼラチンMTFを、タイロード液(1.8mM CaCl2、5mMグルコース、5mM4-(2-ヒドロキシエチル)-1-ピペラジンエタンスルホン酸(HEPES)、1mM MgCl、5.4mM KCl、135mM NaCl、0.33mM NaH2PO4、pH7.4)を含有する35mmペトリ皿に移した。各カンチレバーを取り囲む過剰のゼラチンを解剖顕微鏡(Leica MZ9.5)下で慎重に除去し、カンチレバーを、微細ピンセットを用いてガラスから慎重に剥がした。測定中、MTFを37℃で、加熱ブロック内に維持した。2本の白金電極を2cm空けて皿に配置し、MyoPacer Cell Stimulator(IonOptix)を使用して、MTFを1~4Hzで20Vでペーシングした。Basler A601f-2カメラを用いて1秒あたり20のフレームで、画像を取得した。各MTFでの曲率半径を、ImageJを使用して定量化した。MTFの厚さを、Zeiss LSM共焦点顕微鏡を用いて決定した。改変ストーニー式を用いて、各MTFでの力を、曲率半径、暑さ、及び弾性率を用いて計算した(33)。最大及び平均収縮期、拡張期、及び単収縮(収縮期-拡張期応力)応力を各MTFについて計算した。
Seahorse XFe96 Analyzer(Agilent)を使用して、分化心筋細胞の代謝活性を評価した。Seahorse XFe96細胞培養マイクロプレートに、Geltrex(DMEM中で1:100希釈:F12)をコーティングした。心筋細胞を前記のとおり分化させ、次いで、拍動の開始からほぼ2日後から出発して1週間にわたって(多くのバッチで、分化からほぼ9~16日目)、DMSOまたはTorin1(200nM)で処理した。処理の後に、すべての細胞を、アッセイの調製(分化から35日目、またはその前に実行)まで、RPMI/B27/インスリン培地に再び変えた。アッセイの前日に、心筋細胞を0.1%トリプシン-EDTAで5分間にわたって剥がし、次いで、RPMI/B27/インスリン+10%ウシ胎児血清(FBS)で中和し、1ウェルあたり20,000~30,000細胞の密度で播種した。心筋細胞を血清含有培地中で終夜、維持して、細胞接着を促進した。アッセイの1時間前に、プレートをSeahorseアッセイ培地(25mMグルコース、1mMピルビン酸ナトリウム、及び1mM GlutaMAXを補充されたXF Base Medium)に変え、次いで、37℃で、CO2フリーインキュベーター内で、Seahorseアッセイ培地と共にインキュベートした。XF Cell Mito Stress Test Kitを製造者指示書に従って、注入される化合物については次の最終濃度:2μMオリゴマイシン、2μM 2-[2-[4-(トリフルオロメトキシ)フェニル]ヒドラジニリデン]-プロパンジニトリル(FCCP)、及び0.5μMロテノン/アンチマイシンAで使用した。XF Glycolysis Stress Testを製造者指示に従って、10mMグルコース、1μMオリゴマイシン、及び50mM 2-デオキシグルコースと共に使用した。ストレステストキット化合物の連続注射に応じた酸素消費速度(OCR)及び細胞外酸性化速度(ECAR)の測定後に、洗浄中の細胞喪失を考慮するために、最終細胞密度を、CyQUANTアッセイ(Thermo Fisher Scientific)を使用して決定した。洗浄/混合ステップ中の細胞損失を考慮するために、Seahorseアッセイに使用されなかったが、同様の分化からの日の心筋細胞を使用して、CyQUANTアッセイのための標準曲線を作成して、絶対細胞数を定量化した。OCR値を、CyQUANTアッセイにより決定された絶対細胞数に対して正規化した。データを、各ウェルについて平均基線値に対して正規化した。基線OCR値は、化合物の注射前の最初の3つのOCR測定値(0~12分)を平均することにより計算し、最大OCR値は、平均非ミトコンドリアOCR値(ロテノン/アクチノマイシンA後のOCR)を、脱共役FCCPを注射した後のOCR値から引くことにより計算し、かつ呼吸予備容量値(respiratory reserve capacity values)は、基線OCR値を、FCCPの添加後のOCR値から引くことにより計算した。Glycolysis Stress Testでは、製造者指示に従って、解糖ECARは、平均非解糖酸性化値(2-DG後)をグルコース投与後の値から引くことにより計算し、解糖能は、非解糖酸性化ECAR値をオリゴマイシン添加後のECAR値から引くことにより計算し、解糖予備能は、グルコース添加後のECAR値をオリゴマイシン添加後のECAR値から引くことにより計算した。
核DNAに対するミトコンドリアDNAの比を、qPCRで定量化した。PureLink genomic DNAミニキット(Invitrogen)を使用して、DNAを心筋細胞から抽出した。ミトコンドリア遺伝子のNADHデヒドロゲナーゼ1(ND1)及び核遺伝子のリポタンパク質リパーゼ遺伝子(LPL)のDNAのためのプライマーを使用した(10)。
生iPSC由来心筋細胞を、製造者指示に従ってMitoTracker Green FM(Invitrogen)またはMitoProbe JC-1アッセイキット(Invitrogen)を使用して染色した。細胞をフローサイトメトリーにより評価し、全生細胞の平均蛍光強度を定量化した。JC-1では、Torin1処理細胞対ビヒクルで、緑色MFIに対する赤色MFIの比を定量化し、対照に対して正規化した。
Torin1処理の完了後に、心筋細胞を前記のとおり剥離し、次いで、1ウェルあたり20,000~30,000細胞の密度で、GeltrexコーティングされたGreiner Cellstar黒色96ウェルプレートに再播種した。RPMI1640(フェノールレッドではない)(OxyFluor(Oxyrase、1:100希釈)、10mM乳酸ナトリウムを補充)中のFluoVolt色素(FluoVolt Membrane Potential Kit、Thermo中のストックから1:1000)及びHoechst 33258染料(20μg/ml)をアッセイの15分前に各ウェルに添加した。細胞を、IC200 Kinetic Image Cytometer(Vala)を使用して15Vで、0.5パルス/秒の周波数及び5パルスで5msecのパルス幅で電気的に刺激した。画像を20×で、かつ1秒あたり70フレームのフレーム速度で取得した。Hoechst染色核を自動的に認識し、分割し、各細胞を同定して、視野に捕捉された各細胞の電圧データを定量化するCyteSeer画像解析ソフトウェアを使用して、電圧解析を実行した(34)。CyteSeerソフトウェアにより、細胞をHoechst染色核により同定し、個々の細胞に分割し、自動的に数えた(図4C)。各細胞で、蛍光強度を、それぞれの数えられた有核細胞内の円形領域内から記録した。4つの電圧ピークが検出された場合に、細胞は含まれ(最初にペーシングされた拍動はイメージングシステムにより部分的にしか捕捉されなかった);4つ未満のピークを有する細胞は、不十分な捕捉を示し、4つよりも多いピークを有する細胞は、その細胞がペーシングされた拍動よりも早い自発拍動速度を有することを示した。およそ300~500の個々の細胞からのデータが、各条件での解析に含まれた。基線蛍光を使用して、個々の細胞の間での蛍光強度の可変性について正規化した。ピーク立ち上がり時間、CTD25(カルシウム移行の25%期間、または最大振幅から25%減衰の期間)、CTD75(カルシウム移行の75%期間、または最大振幅から75%減衰の期間)、T75-25(電圧が最大の75%から25%へと減衰する時間)、及びダウンストローク速度を、CyteSeer画像解析ソフトウェアを使用して定量化した。
カルシウム移行解析を実行するために、50ulの10ug/ml Hoeschst33258及び5μM Fluo-4 AMを96ウェルプレートの各ウェルに添加し、10分間にわたって37度でインキュベートした。培地を、フェノールレッドを含有せず、1:100のオキシフルオロ及び10uM乳酸ナトリウムを補充されたRPMIに置き換えた。イソプロテレノール(1μM)をイソプロテレノール実験のための培地に添加した。ペーシングプロトコルは、ペーシングなしで5秒遅延、続いて、1Hzで5秒ペーシング、及びペーシングなしで5秒イメージングであった。イメージングを、Vala Kinetic Image Cytometerを用いて、30fpで、33.30msの曝露で、強度14.25で実行した。刺激パルスは15V電圧で5msであった。データをCyteSeer解析プログラムにより収集した。
製造者指示に従って蛍光バーコード化RNA(fluorescently barcoded RNA)の光学計数法を用いるNanoString技術を使用して、遺伝子発現解析を実行した。nCounter PanCancer Pathways Panelを選択して、細胞周期、アポトーシス、Wnt、転写調節、PI3K、及びTGF-βを含む複数の成長及び細胞周期関連経路からの770の遺伝子の多重解析を得た。このパネルを選択して、細胞周期調節、代謝、静止及び老化と関連する経路の多重解析を得た。心筋細胞を12ウェルプレート内で分化させ、次いで、心筋細胞を、拍動の開始からほぼ2日後から開始して1週間(このバッチでは9~16日目)にわたって、Torin1(200nM)またはビヒクル(DMSO)で処理した。Torin1処理の完了後に、細胞を維持培地(RPMI+B27+インスリン)に戻した。分化の18日目に開始して、10%ウシ胎児血清(FBS)を1処理群あたり半分のウェルに添加し、FBS処理を4日間にわたって継続した(分化から22日目まで)。細胞をRiboZol内に収集し、次いで、qPCR調製について前記したとおり、全RNAを各ウェルから抽出した。全RNA200ngを調製し、次いで、nCounter XT Gene Expression Assayに従って、試料をPanCancer Pathways Panel試薬と共に16時間にわたって65℃でハイブリッド形成した。試料をNanoStringプレップステーションで処理し、次いで、nCounter機器(NanoString Technologies)でイメージングした。教師なし階層的クラスタリング、示差的発現解析、及びR統計学的パッケージを使用する経路スコアリングを実行するためのパネルに含めて、内部ハウスキーピング遺伝子に対する正規化を伴うAdvanced Analysis Module 2.0を用いるnSolver 4.0ソフトウェアを使用して、データを解析した。
データは、別段に特記されていない限り、平均±平均からの標準誤差(SEM)として表されている。GraphPad Prismソフトウェアを使用してデータを解析した。正規分布データを適宜、スチューデントの独立t検定、一元ANOVA、または二元ANOVAで評価した。正規分布していないデータは適宜、クラスカル-ウォリス検定で解析した。Advanced Analysis Module 2.0を用いるnSolverソフトウェア及び独立t検定を用いるopen source Rを用いて、NanoStringデータを評価し、偽発見率を調整するためのBenjamini-Yekutieli法を用いて発現解析を評価した。試験は、p<0.05で統計学的に有意と判断された。
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心不全を処置するための幹細胞アプローチは、収縮期心機能を改善して、心室性不整脈の発生率を低下させるために、成熟心筋細胞(CM)の生成を必要とするであろう。しかしながら、現行の分化プロトコルを使用すると、胚性または人工多能性幹細胞(それぞれESCまたはiPSC)に由来するCMは、機能的に未熟なままである(1)。これらの未熟CMは、成体大型動物モデルに送達されると、生命を脅かし得る心室性不整脈をもたらす(2~4)。細胞治療を心臓血管疾患に成功裏に移転するには、幹細胞由来CMを成熟させるための改善された方法が必要であろう。
幹細胞由来心筋細胞
ヒト胚性幹細胞(ESC)またはヒト人工多能性幹細胞(iPSC)から心筋細胞(CM)を分化させるプロトコルは、心臓トロポニンの発現により決定されるとおり、高度に純粋なCM集団を生成することができる(7~10)。しかしながら、これらのプロトコルは、成体CMのものを不十分に発生反復する収縮、電気生理学的、及び代謝特徴を有する未熟CMを生成する(1、11)。これらの幹細胞由来CMを心不全の動物モデルに送達する試みは、移植細胞と天然の心筋層との不十分な統合、おそらく不十分な成熟の結果により、困難なままである。大型動物モデルでは、幹細胞由来CMの心筋内送達は、おそらく不十分な成熟により、生命を脅かし得る不整脈につながっている(2、4、12)。これらの難しさが、臨床使用のための幹細胞由来CMの開発の前進を著しく妨げている。
成熟成体CMと比較して、幹細胞由来CMは、胎児状態にかなり似ていて、あまり器質化されていないサルコメア構造、低い最大収縮力、遅い立ち上がり速度、高い静止電位、T管の非存在、及び一次エネルギー供給源として解糖作用への依存の持続を伴う(1)。種々の剛性の基質上での培養、長期培養、電気刺激またはトリ-ヨード-L-チロニンもしくはインスリン様成長因子1などの低分子とのインキュベーションなど、様々な戦略が、成熟を増強するために研究されてきた(1、13、14)。しかしながら、これらの戦略は、部分的に増強された成熟しか有さず、成熟に関与する根本的な分子機構は十分には説明されていない。
新生児心筋細胞は誕生後に静止する
誕生時に、新生児は胎盤からすべての酸素及び栄養素を得ることから、自発呼吸を介して酸素及び経腸栄養を介して栄養を得ることへと順応するので、哺乳類は著しい生理的変化を受ける。これらの生理的変化が心臓表現型を調節する根本的な分子機構は不明なままである。マウス(15)及びブタ(16)では、心筋細胞は誕生後1~2日以内は、心筋損傷後も再生する能力を保持する。しかしながら、この期間を超えると、心筋細胞は細胞周期から離脱して、大規模に増殖しなくなり、損傷後は心臓は再生ではなく瘢痕組織を形成する(15、16)。この出生後期間はまた、心筋細胞の成熟の上昇と同時に起こり、より器質化されたサルコメア構造、活動電位持続期間の延長及び解糖作用から脂肪酸酸化へのシフトを伴う(1、5、17)。
長い間、出生後に心筋細胞は不可逆的細胞周期から離脱して老化すると考えられてきた。細胞老化、または細胞加齢は、炎症誘発性サイトカインの分泌を特徴とする老化関連分泌表現型(SASP)により特徴付けられる(18、19)。この状態は、ラパマイシン機構的標的(mTOR)経路の活性の増加と関連することが示されており(19、20)、mTORの阻害は、寿命の延長と関連している(20)。しかしながら、さらに最近のデータは、成体心筋細胞が、成人において1年あたり約1%の心筋細胞ターンオーバー率で増殖し得(21、22)、運動などの刺激に応じて増殖を増加させ得る(23)ことを示唆している。これは、成体哺乳類心筋細胞はおそらく老化しているのではなく、実際には深い静止(G0)状態にあることを示唆している。
ラパマイシン機構的標的(mTOR)は、成長及び代謝の中心的なレギュレーターである(6)。mTORは、細胞増殖を刺激し得る栄養素センサーとして役立ち、かつ解糖作用と酸化的リン酸化との間の代謝スイッチとして作用し得る(28~30)。mTORタンパク質は他のタンパク質と複合体を形成して、mTOR複合体1(mTORC1)またはmTOR複合体2(mTORC2)を形成し、それらはそれぞれ相補的に、または時には競合して目的を果たす(図17)(6)。mTORシステムは、細胞周期から離脱した細胞が、老化に対して静止に進むか否かの決定においても重要である(31、32)。mTORの阻害を随伴しない細胞周期停止は老化をもたらすが、同時にmTOR阻害を伴う細胞周期停止は静止をもたらす(31、32)。mTORはまた、膵臓ベータ細胞(33)、樹状細胞(34)、赤血球系細胞(35)、及びNK細胞(36)を含む他の細胞型の成熟を調節することが示されている。心臓では、mTORシグナル伝達は、心臓肥大を調節することが示されており(37)、心筋細胞からのmTORの欠失は、発生中の心筋細胞アポトーシス及び壊死をもたらす(38)。しかしながら、mTOR調節が心筋細胞の成熟に影響を及ぼすか否か、またはどのように影響を及ぼすかは十分に理解されていない。
iPSCに由来する心筋細胞は、大型動物モデルに移植した場合、生命を脅かす不整脈のリスクを上昇させ得る未熟表現型を示す(2~4)。出生後心筋細胞は、増殖状態から静止状態へと自然にシフトするが、このシフトが成熟に影響を及ぼす方法の重要性は不明である(5)。静止は、他の細胞型において成熟を促進すると示されているmTORシグナル伝達経路により、少なくとも部分的に調節される(31、35)。先行データは、iPSC由来心筋細胞におけるmTORの薬理学的阻害が、TNNT2、TNNI3、CACNA1c、及びSERCA2aを含む、心筋細胞成熟の選択されたマーカーの発現を増強することを示唆している。
mTORの下流にある2つの系の役割を調査して、それらが心筋細胞成熟の増強において特異的な役割を果たすか否かを決定した。初めに、Torin1誘導心筋細胞成熟における4E-BP1の役割を調査する。次に、転写因子のE2Fファミリーを調節することによる静止の深さの調節がどのように心筋細胞成熟に影響を及ぼすかを調査する。最後に、三次元(3D)懸濁培養が将来的な規模拡大及び臨床移行に必要である可能性があるので、かつmTORが2Dと3Dとで示唆的に調節され得るので(40)、3D培養でのmTOR阻害も心筋細胞成熟を調節するか否かに関しての理解を求める。
mTOR経路は、4E-BP1の阻害を介して、mRNA翻訳の中心的なレギュレーターである(41)。4E-BP1は、真核生物翻訳開始因子4E(EIF4E)と競合的に結合して、EIF4EとEIF4Gとの相互作用を妨害する(41)。mTORC1が4E-BP1を(Thr37/46で)リン酸化すると、EIF4Eが放出されて、EIF4Gとの相互作用を可能にし、これが、cap依存的タンパク質翻訳の開始をもたらす(41)。Torin1によるmTORC1の阻害は、4E-BP1の低リン酸化及びEIF4E依存的タンパク質翻訳の阻害をもたらす(図19)。一過性Torin1処理での4E-BP1の時間依存的活性化がどのようにiPSC由来CMの成熟の増強をもたらすかを検査する。
4E-BP1に対するEIF4Eの相対比、さらには、EIF4Eの活性レベルが、がん処置におけるmTOR阻害薬に対する感受性を予言することを示唆する証拠がある(42)。具体的には、高レベルのEIF4Eまたは低レベルの4E-BP1を有する細胞は、mTOR阻害薬の抗新生物作用に対して抵抗性である一方で、より低レベルのEIF4Eを有する細胞は、mTOR阻害薬での処理に対してより応答性がある(42)。加えて、より高いEIF4E活性を有する細胞(タンパク質翻訳効率により証拠付けられるとおり)は、ラパマイシンによる処理に対して、より高い感受性があった(ラパマイシンでの処理後の生細胞のパーセント低下により測定されるとおり)(43)。データは、Torin1処理のための最適なウィンドウが心筋細胞拍動の開始からおよそ2日後であることを示唆している(図20A)。この時間ウィンドウ内では、対照条件(mTOR阻害なし)下にある分化中の心筋細胞は、EIF4G1、EIF4E、及び4E-BP1(EIF4EBP1)のダイナミックな変化を受けて、心筋細胞拍動の開始からおよそ5日後以内に3種すべてのタンパク質が減少することが示された(それぞれ図20B~20D)。しかしながら、このデータは、EIF4G1 mRNA発現がおよそ9日目に減衰し得て、これはおよそ10日目にEIF4Eが減衰する前、14日目にEIF4EBP1が減衰する前であり、したがって、EIF4E/4EBP1比がより低く、かつ細胞がTorin1処理に対して、より高い応答性がある最適なウィンドウが存在し得ることを示唆している。4E-BP1と比べてEIFの化学量論が分化によりどのように変化するか、及びこのことが心筋細胞成熟の増強に対するTorin1有効性にどのように影響するかを評価する。
低酸素は、EIF4E2(4EHPとしても公知)依存的RNA翻訳に対して、EIF4E依存的RNA翻訳を引き起こすスイッチとして作用し得ることが以前に示されている(46)。EIF4Eは、EIF4Gと相互作用してEIF4E依存的タンパク質の翻訳を開始する一方で、EIF4E2はEIF4Gと相互作用せず、むしろ低酸素誘導因子2α(HIF2α)と相互作用して、EIF4E2依存的タンパク質の翻訳を開始する(46)。ラパマイシンは、羊水幹細胞においてHIF2αの発現を増加させることが示されている(47)。興味深いことに、HIF1αの下方制御は、iPSC由来心筋細胞の代謝成熟を増強することが報告されている(48)。HIF1α及びHIF2α転写は低酸素により示差的に調節され(49)、したがって、HIF2αは心筋細胞成熟と共にまだ増加し得る。Torin1は、4E-BP1からのEIF4E放出を阻害しながら、HIF2αの発現を増加させて、EIF4E1依存的タンパク質ではなくEIF4E2依存的タンパク質の翻訳をもたらし(図21)、かつEIF4E2依存的タンパク質発現はより成熟した心筋細胞表現型をもたらすと仮定された。
細胞系及び分化プロトコル。別段に特記されていない限り、男女両方のドナーからの少なくとも2つの異なる起源の細胞型(例えば、線維芽細胞由来または末梢血単核細胞由来iPSC)の少なくとも5種のヒトiPSC系(BJRiPS-A、DiPS 1016 SevA、GCaMP、Gibco、UCSD142i-86-1)を各実験のために使用する。これは、所見が細胞系全体にわたって確固たるものであるという信頼をもたらす。Lian et al(8)により概説された分化プロトコルを使用する。CHIR濃度(3~12μM)及びタイミング(24~48時間のCHIR曝露)を各細胞系について最適化し、最大有効CHIR濃度の分化プロトコルを各系で使用する。別段に特記されていない限り、実験を単層接着培養で実行する。別段に特記されていない限り、すべての実験を各細胞系において1群あたり少なくとも3回の反復試験で実行し、データを非対合スチューデントのt検定解析により、p<0.05の統計学的有意性レベルで解析する。
EIF及び4E-BP1の発現は細胞系全体にわたって分化の時間で変化することが予想される。細胞系に応じて可変的な最適時間ウィンドウが存在し得る。心筋細胞拍動の開始直後に、EIF4Eレベルは相対的に低く、4EBP1レベルは同時に相対的に高く、mTOR阻害に対して最適な応答性のウィンドウを指し示す時間ウィンドウが存在することが予想される。単一細胞RNA解析で、異なるEIF4E/4EBP1比により分けられた心筋細胞は別個のトランスクリプトームを有することが予測され、その際、より成熟したプロファイルは、阻害後の比較的低いEIF4E/4EBP1比で見られる。mTOR阻害が、タンパク質翻訳の性向をEIF4E依存的タンパク質翻訳からEIF4E2依存的タンパク質翻訳へとシフトさせることも予測される。EIF4E2依存的タンパク質翻訳は、TNNI3、KCNJ2、RYR2、PGC1aを含む、心筋細胞成熟と関連するタンパク質の発現の増加と関連することが予想される。EIF4E2依存的タンパク質翻訳に対してEIF4E依存的タンパク質翻訳はマイクロRNA発現を示差的に調節して、イオンチャネル及びおそらく、収縮または代謝マーカーなどの他の心筋細胞成熟タンパク質の示差的調節をもたらすことが予想される。
哺乳類における誕生直後の、胎児としての増殖状態から主として非増殖状態への心筋細胞遷移(5)。この遷移は十分に理解されてなく、心筋細胞が老化していて、細胞周期に戻ることができないのか否か、または深い静止状態にとどまっているのか否かは不明なままである(60)。細胞静止は、栄養素の停止、成長因子の非存在、または接触阻害により開始されると考えられる細胞の休止状態である(61、62)。静止は、単一の定常状態とみなされるべきではなく、実際に、一部では、静止細胞がこの状態で種々の表現型を示し得ることを強調するために、「静止サイクル」の概念の概念が提案されている(図23)(63、64)。特に、静止細胞は、細胞周期に再進入するために、異なる程度の刺激を必要とし得る(65)。静止状態の骨格筋サテライト細胞は、G0と呼ばれるより深い静止、またはGalertと呼ばれるより浅い静止の状態のいずれかで存在する(66)。Galertでは、細胞は、G0のより深い形態のものと比較して、細胞周期への復帰を急がせる刺激に対して高い応答性がある(65、66)。この遷移は、少なくとも一部ではmTORC1により制御され、G0からGalertへと遷移するように細胞にシグナル伝達するためにはmTORC1の活性化が必要である(66)。個体が様々な深さの睡眠を夜間にわたって複数回循環するのと同様に(すなわち、非急速眼球運動と急速眼球運動睡眠とを循環することと同様に、その重要性は完全には理解されていないが、それぞれの相が、別々の目的のために役立っていると考えられる)(67)、おそらく、細胞静止の異なる深さはそれぞれ、細胞表現型の維持における別々の目的に役立っている。
先行の研究が、mTOR阻害がG1相からの可逆的細胞周期離脱をもたらすことを実証している(69、70)。さらに、ラパマイシンでの処理は、血清での刺激の際に細胞周期進行を遅延させる(69)。対照的に、微小管分解の阻害薬であるパクリタキセル単独での細胞周期停止(したがって、細胞周期をM相で停止させると予測されるであろう)が、心筋細胞成熟を増強することは見い出されていない(71)。心筋細胞は、G2またはM相で停止させた場合は成熟せず、G1/G0での可逆的細胞周期が存在する場合にのみ成熟すると仮定された。
E2F転写ファミリーは、細胞周期刺激性メンバー(E2F1~3a)及び細胞周期阻害性メンバー(E2F3b~8)からなる。E2F1/2/3a転写因子の発現は、細胞周期の再開を促進し心筋細胞増殖を誘導するだろうという仮定がなされた。そうだとすると、これは、心筋細胞の成熟を阻止するだろうと予想された。
阻害性E2F3b~8転写因子の発現が心筋細胞の増殖を阻止し、静止期を維持させるだろうという仮定がなされた。このことは、心筋細胞成熟に必要であると予想された。
予想として、刺激性E2F分子の過剰発現は、心筋細胞成熟を向上させることはなく、心筋細胞表現形質にとって有害である可能性がある。予想として、刺激性E2F分子の過剰発現は、心筋細胞成熟の向上を招くことになるだろうが、完全な成熟効果のためにはmTOR阻害も同時に生じることが必要である可能性がある。対照的に、予想として、刺激性E2F分子の下方制御は、心筋細胞成熟を招く可能性があり、一方、阻害性E2F分子の下方制御は、心筋細胞の成熟を阻止することになる。
急性心筋梗塞後、ヒト心臓は、約10億個以上の心筋細胞を失う(78)。心筋細胞の細胞療法を実行可能な治療選択肢として開発するためには、適正な製造の実践で幹細胞由来心筋細胞を大量に培養及び維持する方法が存在することが必要になる。現在の二次元(2D)培養系を使用する場合、10億個の心筋細胞の維持は、労働集約的であると思われ、使用者間、バッチ間、さらにはウェル間でさえ、顕著な変動性が見られることが多く、そのような変動は、ウェル全体にわたる播種密度の変動性及び特定範囲の集密度で分化を開始させる必要性に大きく由来することが多い(8)。そのため、多くのグループは、三次元(3D)バイオリアクター系での多能性幹細胞の維持及び分化へと移行している。3Dバイオリアクター系は、スケールアップをより行いやすく、労働時間を大幅に短縮し、しかも少量のサンプリングにより品質管理の改善が可能である(79)。しかしながら、この2Dから3D培養への移行とともに、異なる培養形状において様々なシグナル伝達経路の調節が異なる故に細胞の表現形質が変化する可能性がある。
AKT-mTOR-S6K経路は、がん細胞株において、2D培養対3D培養で異なって調節されることが示されている(40)。詳細には、3Dで成長した細胞は、AKT-mTOR-S6K経路を通じたシグナル伝達のベースラインが全体的に低く、2Dに比べて3Dで成長した複数の細胞株で、AKT及びS6Kのリン酸化の減少が見られた(40)。また、3Dスフェロイドは、2Dで成長した細胞よりも、ラパマイシンの効果に対してより敏感であった(40、80)。3Dスフェロイド内では、ホスホ-RPS6の勾配は明らかであり、スフェロイド核に比べてスフェロイド表面でより多くのリン酸化が示された。このことは、核に存在するmTORシグナル伝達がより少ないことを示唆する(40)。表面対スフェロイド核でmTOR活性が異なることは、mTOR活性を上昇させる主要シグナルである栄養素へのアクセスにおける違いを反映している可能性がある。3D培養は、発生中にin vivoで見られる条件をより正確に複製する可能性がある。しかしながら、3D浮遊培養で成長したiPSC由来心筋細胞における一過性mTOR阻害が心筋細胞成熟を向上させるかどうか、もしそうであるならば、3D培養物を処理する場合に異なる条件が必要であるかどうかは依然として不明である。そのうえさらに、3D環境は、移植心筋細胞用に探求されている最終的なin vivo状態とより一層似通っている構造化心臓組織の研究を可能にする。
構造化心筋組織(EHT)とは、心筋細胞及び細胞外基質足場で構成される3D構造体であり、追加の支持細胞型を持つもの及び持たないものがある(81、82)。EHTは、in vitroでの改善された心臓モデリングを可能にし、他の細胞型、例えば、線維芽細胞から心臓への再現をより良好にする空間手掛かりならびにシグナル伝達の両方を提供する(81、83)。EHTで成長した心筋細胞は、出生後心筋と同様な収縮期収縮力、β-アドレナリン刺激に対する反応性の向上、及びより成熟したトランスクリプトームにより裏付けられるとおり、2D単層培養物に比べて向上した成熟を示す(83)。mTOR阻害がEHTの成熟に対して相乗効果を呈するかどうかは、依然として不明である。
予想として、3D環境中での心筋細胞の分化は、2D環境に比べて心筋細胞の成熟の改善をもたらすとともに、分化効率の改善及び労働時間の短縮を可能にするだろう。また、予想として、3Dで成長した心筋細胞は、mTOR阻害に対する反応性を維持するだろう。この場合、Torin1は3Dでの心筋細胞成熟をさらに向上させる。2Dで同じ効果を達成するために必要なTorin1の用量はこれより少ない可能性があり、所定の容量で成熟表現形質のさらなる向上がもたらされる可能性がある。予想として、3Dスフェロイド内でmTOR活性に対して空間的効果が存在するだろう。これはスフェロイドの深度によって栄養素の利用可能度が異なることによると思われる。予想として、これもまた、スフェロイド内の位置が異なる細胞の静止状態プロファイルに影響する可能性がある。また、予想として、EHTは、mTOR阻害剤で処理した場合、心筋細胞成熟の向上も経験するだろう。EHT中の線維芽細胞の存在は、mTOR阻害に対する反応性を変化させる可能性がある。
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背景
慢性心不全治療のための幹細胞アプローチは、収縮期心臓機能を改善及び心室性不整脈の発生率を低下させるために、心室心筋細胞の生成を必要とすることになる。しかしながら、胚性または誘導多能性幹細胞(それぞれ、ESCまたはiPSC)由来の心筋細胞は、現行の分化プロトコルを用いると、機能的に未熟なままである。こうした未熟心筋細胞は、自動能またはペースメーカー様活性を呈し、このことが、成人動物モデルに送達した場合に生命に関わる心室性不整脈の可能性をもたらし、またサルコメア組織があまり構造化されていないため適切な収縮力が阻止される(1、2)。循環器疾患の治療への幹細胞由来療法の転用を成功させるには、幹細胞由来心筋細胞の成熟の改善された方法を開発することが要求されることになる。
ホスホイノシチド3-キナーゼ(PI3K)/Akt/mTOR経路は、細胞増殖、タンパク質合成、及びオートファジーを調節するシグナル伝達経路である(3、4)。この系の調節不全は、がんで見られ、従って、この経路の阻害剤は、がん治療薬の可能性があるとして広く研究されてきた。マウスでは、mTORを欠失した心筋細胞が、拡張型心筋症の発症による早期死亡を招く(5)。しかしながら、幹細胞から心筋細胞への分化におけるこの経路の役割は、依然として不明である。予備データは、小分子(Wnt経路を操作するためのCHIR 99021、IWP2、IWP4)による心筋細胞への分化後、ラパマイシン、Torin1、及びTorin2を含むmTOR阻害剤を投与することが、TNNI3及びKCNJ2を含む成熟について選択されたマーカーのRNA発現の増加により裏付けられるとおり、心筋細胞の成熟を向上させる可能性があることを示唆する。そのような化合物を使用してmTOR経路及び上流分子、PI3K及びAktを阻害することは、心筋細胞成熟を向上させ、それにより自動能を低下させ、及び心筋に細胞を送達した後の潜在的に命に関わる心室性不整脈のリスクを低下させる可能性がある。これは、心不全の細胞療法の臨床的転用を、より安全にするとともにより実行可能な治療選択肢とすると思われる。
BJRiPS細胞株を使用して、予備データを生成させた。以前に公開されたプロトコルに従って、BJRiPS細胞を心筋細胞に分化させた(6)。拍動の開始後(10日目前後)、心筋細胞を、異なる長さの時間の間、ビヒクル(DMSO)または異なる濃度のラパマイシン、Torin1、もしくはTorin2で処理した。拍動数は、手作業で計数した。一部の細胞を、フローサイトメトリー分析用に、処理の5~7日後に収集した。他の細胞は、qPCR用に、処理の7日後に収集した。
予備データは、Torin1またはTorin2で処理した心筋細胞では、1週間で、用量依存的様式で拍動数が有意に低下したことを実証する(図29)。そのうえさらに、成熟について選択された遺伝子の遺伝子発現は、試験したTorin1の最高量(200nM)、特にTNNI3で増加し(図30)、成熟型の心筋トロポニンが、ほぼ10倍増加した(TNNT2に比べて、図30)。また、Torin1処置では、KCNJ2発現に用量依存的増加の傾向が存在した(図32)。KCNJ2は、Kir2.1電流に関与しており、Kir2.1電流は、成熟心筋細胞の自動能の抑制に大きく関与する(7)。そのうえさらに、Torin1処置は、用量依存的様式で核転写因子、REST/NRSF(リプレッサー配列-1サイレンシング転写因子、別名神経特異的サイレンサー因子)の発現を増加させる(図34)。RESTは、HCN4がコードするイオンチャネルの発現を抑制し(8)、HCN4は、ペースメーカー細胞における自動能の増加に大きく関与する(9)。最後に、心筋細胞成熟度のさらなるマーカー、すなわちリアノジン受容体(RyR)及びナトリウムチャネル、SCN5aについてRNA発現が増加する傾向も観察された(図32)(10)。
1. Chong JJ, Yang X, Don CW, Minami E, Liu YW, Weyers JJ, Mahoney WM, Van Biber B, Cook SM, Palpant NJ, Gantz JA, Fugate JA, Muskheli V, Gough GM, Vogel KW, Astley CA, Hotchkiss CE, Baldessari A, Pabon L, Reinecke H, Gill EA, Nelson V, Kiem HP, Laflamme MA, Murry CE. Human embryonic-stem-cell-derived cardiomyocytes regenerate non-human primate hearts. Nature. 2014;510(7504):273-7. doi: 10.1038/nature13233. PubMed PMID: 24776797;PMCID: PMC4154594.
2. Yang X, Pabon L, Murry CE. Engineering adolescence: maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Circ Res. 2014;114(3):511-23. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.114.300558. PubMed PMID: 24481842;PMCID: PMC3955370.
3. Sciarretta S, Forte M, Frati G, Sadoshima J. New Insights Into the Role of mTOR Signaling in the Cardiovascular System. Circ Res. 2018;122(3):489-505. Epub 2018/02/09. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.117.311147. PubMed PMID: 29420210.
4. Sciarretta S, Volpe M, Sadoshima J. Mammalian target of rapamycin signaling in cardiac physiology and disease. Circ Res. 2014;114(3):549-64. Epub 2014/02/01. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.114.302022. PubMed PMID: 24481845;PMCID: PMC3995130.
5. Mazelin L, Panthu B, Nicot AS, Belotti E, Tintignac L, Teixeira G, Zhang Q, Risson V, Baas D, Delaune E, Derumeaux G, Taillandier D, Ohlmann T, Ovize M, Gangloff YG, Schaeffer L. mTOR inactivation in myocardium from infant mice rapidly leads to dilated cardiomyopathy due to translation defects and p53/JNK-mediated apoptosis. J Mol Cell Cardiol. 2016;97:213-25. Epub 2016/05/03. doi: 10.1016/j.yjmcc.2016.04.011. PubMed PMID: 27133769.
6. Lian X, Zhang J, Azarin SM, Zhu K, Hazeltine LB, Bao X, Hsiao C, Kamp TJ, Palecek SP. Directed cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells by modulating Wnt/beta-catenin signaling under fully defined conditions. Nat Protoc. 2013;8(1):162-75. Epub 2012/12/22. doi: 10.1038/nprot.2012.150. PubMed PMID: 23257984;PMCID: PMC3612968.
7. Vaidyanathan R, Markandeya YS, Kamp TJ, Makielski JC, January CT, Eckhardt LL. IK1-enhanced human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: an improved cardiomyocyte model to investigate inherited arrhythmia syndromes. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2016;310(11):H1611-21. Epub 2016/04/10. doi: 10.1152/ajpheart.00481.2015. PubMed PMID: 27059077;PMCID: PMC4935522.
8. Kuwahara K, Saito Y, Takano M, Arai Y, Yasuno S, Nakagawa Y, Takahashi N, Adachi Y, Takemura G, Horie M, Miyamoto Y, Morisaki T, Kuratomi S, Noma A, Fujiwara H, Yoshimasa Y, Kinoshita H, Kawakami R, Kishimoto I, Nakanishi M, Usami S, Saito Y, Harada M, Nakao K. NRSF regulates the fetal cardiac gene program and maintains normal cardiac structure and function. EMBO J. 2003;22(23):6310-21. Epub 2003/11/25. doi: 10.1093/emboj/cdg601. PubMed PMID: 14633990;PMCID: PMC291842.
9. Harzheim D, Pfeiffer KH, Fabritz L, Kremmer E, Buch T, Waisman A, Kirchhof P, Kaupp UB, Seifert R. Cardiac pacemaker function of HCN4 channels in mice is confined to embryonic development and requires cyclic AMP. EMBO J. 2008;27(4):692-703. Epub 2008/01/26. doi: 10.1038/emboj.2008.3. PubMed PMID: 18219271;PMCID: PMC2262033.
10. Scuderi GJ, Butcher J. Naturally Engineered Maturation of Cardiomyocytes. Front Cell Dev Biol. 2017;5:50. Epub 2017/05/23. doi: 10.3389/fcell.2017.00050. PubMed PMID: 28529939;PMCID: PMC5418234.
急性心筋梗塞後、ヒト心臓は、約10億個以上の心筋細胞を失う。心筋細胞の細胞療法を実行可能な治療選択肢として開発するためには、適正な製造の実践で幹細胞由来心筋細胞を大量に培養及び維持する方法が存在することが必要になる。現在の二次元(2D)培養系を使用する場合、10億個の心筋細胞の維持は、労働集約的であると思われ、使用者間、バッチ間、さらにはウェル間でさえ、顕著な変動性が見られることが多く、そのような変動性は、ウェル全体にわたる播種密度の変動性及び特定範囲の集密度で分化を開始させる必要性に大きく由来することが多い。そのため、多くのグループは、三次元(3D)バイオリアクター系での多能性幹細胞の維持及び分化へと移行している。3Dバイオリアクター系は、スケールアップをより行いやすく、労働時間を大幅に短縮し、しかも少量のサンプリングにより品質管理の改善が可能である。しかしながら、この2Dから3D培養への移行とともに、異なる培養形状において様々なシグナル伝達経路の調節が異なる故に細胞の表現形質が変化する可能性がある。
Claims (105)
- 未熟心筋細胞から成熟心筋細胞を作製する方法であって、前記未熟心筋細胞をmTOR阻害剤と接触させることを含む、前記方法。
- 前記mTOR阻害剤が、mTORC1及びmTORC2の両方の阻害剤である、請求項1に記載の方法。
- 前記mTOR阻害剤が、4E-BP1のリン酸化を阻害する、請求項1に記載の方法。
- 前記mTOR阻害剤が、リボソームタンパク質S6及び4E-BP1の両方のリン酸化を阻害する、請求項1に記載の方法。
- 前記mTOR阻害剤が、ラパマイシン、Torin1、Torin2、エベロリムス、テムシロリムス、リダフォロリムス、ATP競合型mTORキナーゼ阻害剤、及び前記のいずれかの任意の類似体または誘導体からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記ATP競合型mTORキナーゼ阻害剤が、二重mTOR/PI3K阻害剤またはmTORC1/mTORC2二重阻害剤である、請求項5に記載の方法。
- 前記ATP競合型mTORキナーゼ阻害剤が、ダクトリシブ、BGT226、SF1126、PKI-587、サパニセルチブ、AZD8055、AZD2014、及びそれらのいずれかの類似体または誘導体からなる群から選択される、請求項5に記載の方法。
- 前記mTOR阻害剤がTorin1である、請求項1に記載の方法。
- 前記未熟心筋細胞がiPS細胞に由来する、請求項1に記載の方法。
- 前記未熟心筋細胞がES細胞に由来する、請求項1に記載の方法。
- 前記未熟心筋細胞がT細胞に由来する、請求項1に記載の方法。
- 前記未熟心筋細胞が線維芽細胞に由来する、請求項1に記載の方法。
- 前記未熟心筋細胞が、胎児心筋細胞に類似している、請求項1に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて1種以上の成熟遺伝子の発現の増加を呈する、請求項1に記載の方法。
- 前記1種以上の成熟遺伝子が、TNNI3、TNNT2、MYH6、MYH7、NPPB、HCN4、CACNA1c、SERCA2a、PPARGC1、KCNJ2、REST、RyR、及びSCN5aからなる群から選択される、請求項14に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて1種以上のサルコメアタンパク質の発現の増加を呈する、請求項1に記載の方法。
- 前記1種以上のサルコメアタンパク質が、TNNT2、TNNI3、MYH6、及びMYH7からなる群から選択される、請求項16に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて1種以上のイオンチャネル遺伝子の発現の増加を呈する、請求項1に記載の方法。
- 前記1種以上のイオンチャネル遺伝子が、KCNJ2、HCN4、SCN5a、RYR2、CACNA1c、及びSERCA2aからなる群から選択される、請求項18に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べてREST及び/またはGATA4の発現の増加を呈する、請求項1に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて拍動数の減少を示す、請求項1に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、電気的に成熟した心筋細胞である、請求項1に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、収縮性が成熟した心筋細胞である、請求項1に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、代謝的に成熟した心筋細胞である、請求項1に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、電気的に成熟した心筋細胞、収縮性が成熟した心筋細胞、及び代謝的に成熟した心筋細胞である、請求項1に記載の方法。
- 前記未熟心筋細胞が拍動を開始した後に、前記未熟心筋細胞を前記mTOR阻害剤と接触させる、請求項1に記載の方法。
- 前記未熟心筋細胞が拍動を開始してから1~30日後に、前記未熟心筋細胞を前記mTOR阻害剤と接触させる、請求項1に記載の方法。
- 前記未熟心筋細胞が拍動を開始してから1~3日後に、前記未熟心筋細胞を前記mTOR阻害剤と接触させる、請求項1に記載の方法。
- 前記未熟心筋細胞が、トロポニンT、トロポニンI、ミオシン重鎖6、またはミオシン重鎖7の少なくとも1種を発現し始めた後に、前記未熟心筋細胞を前記mTOR阻害剤と接触させる、請求項1に記載の方法。
- 非自然発生的心筋細胞であって、前記非自然発生的心筋細胞が成熟心筋細胞である、前記非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて1種以上の成熟遺伝子の発現の増加を呈する、請求項30に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記1種以上の成熟遺伝子が、TNNI3、TNNT2、MYH6、MYH7、NPPB、HCN4、CACNA1c、SERCA2a、PPARGC1、KCNJ2、REST、RyR、及びSCN5aからなる群から選択される、請求項31に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて1種以上のサルコメアタンパク質の発現の増加を呈する、請求項30に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記1種以上のサルコメアタンパク質が、TNNT2、TNNI3、MYH6、及びMYH7からなる群から選択される、請求項33に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて1種以上のイオンチャネル遺伝子の発現の増加を呈する、請求項30に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記1種以上のイオンチャネル遺伝子が、KCNJ2、HCN4、SCN5a、RYR2、CACNA1c、及びSERCA2aからなる群から選択される、請求項35に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べてREST及び/またはGATA4の発現の増加を呈する、請求項30に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて拍動数の減少を示す、請求項30に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、電気的に成熟した心筋細胞である、請求項30に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、収縮性が成熟した心筋細胞である、請求項30に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、代謝的に成熟した心筋細胞である、請求項30に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、電気的に成熟した心筋細胞、収縮性が成熟した心筋細胞、及び代謝的に成熟した心筋細胞である、請求項30に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 治療の方法であって、その治療を必要とする対象に、請求項30~42のいずれか1項に記載の非自然発生的心筋細胞を含む組成物を投与することを含む、前記方法。
- 前記対象が、心室性不整脈、収縮期心機能低下、慢性心不全、先天性心疾患、または他の心疾患を有するかまたは発症する危険性がある、請求項43に記載の方法。
- 治療の方法であって、その治療を必要とする対象に、請求項1~29のいずれか1項に記載の方法に従って作製された成熟心筋細胞を含む組成物を投与することを含む、前記方法。
- 前記対象が、心室性不整脈、収縮期心機能低下、慢性心不全、先天性心疾患、または他の心疾患を有するかまたは発症する危険性がある、請求項45に記載の方法。
- 治療の方法であって、その治療を必要とする対象に、請求項30~42のいずれか1項に記載の1種以上の非自然発生的心筋細胞の単離された集団を用いて作製された医薬組成物を投与することを含む、前記方法。
- 前記対象が、心室性不整脈、収縮期心機能低下、慢性心不全、先天性心疾患、または他の心疾患を有するかまたは発症する危険性がある、請求項47に記載の方法。
- 治療の方法であって、その治療を必要とする対象に、請求項1~29のいずれか1項に記載の方法に従って作製された1種以上の成熟心筋細胞を用いて作製された医薬組成物を投与することを含む、前記方法。
- 前記対象が、心室性不整脈、収縮期心機能低下、慢性心不全、先天性心疾患、または他の心疾患を有するかまたは発症する危険性がある、請求項49に記載の方法。
- 未熟心筋細胞またはその前駆体と、少なくとも1種の心筋細胞成熟因子と、前記未熟心筋細胞またはその前駆体及び前記少なくとも1種の心筋細胞成熟因子を用いて成熟心筋細胞を作製するための説明書とを含む、キット。
- 前記少なくとも1種の心筋細胞成熟因子が、mTOR阻害剤である、請求項51に記載のキット。
- 前記少なくとも1種の心筋細胞成熟因子が、ATP競合型mTORキナーゼ阻害剤である、請求項51に記載のキット。
- 前記少なくとも1種の心筋細胞成熟因子が、mTOR/PI3K阻害剤及びmTORC1/mTORC2二重阻害剤である、請求項51に記載のキット。
- 前記少なくとも1種の心筋細胞成熟因子が、ラパマイシン、Torin1、Torin2、エベロリムス、テムシロリムス、リダフォロリムス、ダクトリシブ、BGT226、SF1126、PKI-587、サパニセルチブ、AZD8055、AZD2014、及び/または前記のいずれかの任意の類似体または誘導体からなる群から選択される、請求項51に記載のキット。
- 前記キットが、成熟心筋細胞のマーカーを検出するための構成要素をさらに含む、請求項51に記載のキット。
- 請求項30~42のいずれか1項に記載の少なくとも1種の非自然発生的心筋細胞、及び/または請求項1~29のいずれか1項に記載の方法に従って作製された少なくとも1種の成熟心筋細胞を含む組成物と、請求項43~50のいずれか1項に記載の治療方法にて前記組成物を使用するための説明書とを含む、キット。
- 心臓病の治療のための薬剤の製造における組成物の使用法であって、前記治療が、その治療を必要とする対象に前記薬剤を投与することを含み、前記組成物が、請求項30~42のいずれか1項に記載の少なくとも1種の非自然発生的心筋細胞、及び/または請求項1~29のいずれか1項に記載の方法に従って作製された少なくとも1種の成熟心筋細胞を含む、前記使用法。
- 前記対象が、心室性不整脈、収縮期心機能低下、慢性心不全、先天性心疾患、または他の心疾患を有するかまたは発症する危険性がある、請求項28に記載の使用法。
- 調整培地を含む組成物であって、前記培地が、請求項30~42のいずれか1項に記載の非自然発生的心筋細胞によって調整されている、前記組成物。
- 請求項30~42のいずれか1項に記載の1種以上の非自然発生的心筋細胞と、1種以上の未熟心筋細胞とを含む、組成物。
- 請求項30~42のいずれか1項に記載の1種以上の非自然発生的心筋細胞を含む細胞の集団であって、前記集団中の前記細胞の少なくとも10%が、請求項30~42のいずれか1項に記載の非自然発生的心筋細胞である、前記細胞の集団。
- 未熟心筋細胞をさらに含む、請求項62に記載の細胞の集団。
- 請求項30~42のいずれか1項に記載の非自然発生的心筋細胞を含む、細胞パッチ。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、膜上で成長したものである、請求項64に記載の細胞パッチ。
- 請求項30~42のいずれか1項に記載の非自然発生的心筋細胞を含む、3次元構造体。
- 前記3次元構造体が、マトリックスまたはスキャフォールドである、請求項66に記載の3次元構造体。
- 前記3次元構造体が、細胞パッチである、請求項66に記載の3次元構造体。
- 前記3次元構造体が、微小組織である、請求項6に記載の3次元構造体。
- 前記3次元構造体は、対象に投与される、請求項66~69のいずれか1項に記載の3次元構造体。
- 前記3次元構造体は、移植によって対象に投与される、請求項66~69のいずれか1項に記載の3次元構造体。
- 心筋細胞の静止状態を誘導する方法であって、老化心筋細胞を心筋細胞成熟因子と接触させ、それによって前記老化心筋細胞に静止心筋細胞への変移を起こさせることを含む、前記方法。
- 前記心筋細胞成熟因子が、p53の上方制御因子である、請求項72に記載の方法。
- 前記心筋細胞成熟因子が、mTORシグナル伝達経路阻害剤である、請求項72に記載の方法。
- 前記心筋細胞成熟因子が、p53の上方制御因子であり、かつmTOR阻害剤である、請求項72に記載の方法。
- 前記心筋細胞成熟因子がTorin1である、請求項72に記載の方法。
- 前記心筋細胞成熟因子が、Torin1とnutlin-3aとの組合せである、請求項72に記載の方法。
- 前記心筋細胞成熟因子がTorin1ではない、請求項72に記載の方法。
- 前記静止心筋細胞が、1種以上の静止マーカーの発現の増加を呈する、請求項72に記載の方法。
- 前記1種以上の静止マーカーが、p16及びp130からなる群から選択される、請求項79に記載の方法。
- 前記静止心筋細胞が、1種以上の増殖マーカーの発現の減少を呈する、請求項72に記載の方法。
- 前記1種以上の増殖マーカーが、Ki67、サイクリンC1、及びE2F1からなる群から選択される、請求項81に記載の方法。
- 前記静止心筋細胞が、成熟心筋細胞である、請求項72に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて1種以上のサルコメアタンパク質の発現の増加を呈する、請求項83に記載の方法。
- 前記1種以上のサルコメアタンパク質が、TNNT2、TNNI3、MYH6、及びMYH7からなる群から選択される、請求項84に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて1種以上のイオンチャネル遺伝子の発現の増加を呈する、請求項83に記載の方法。
- 前記1種以上のイオンチャネル遺伝子が、KCNJ2、HCN4、SCN5a、RYR2、CACNA1c、及びSERCA2aからなる群から選択される、請求項86に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べてREST及び/またはGATA4の発現の増加を呈する、請求項83に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、未熟心筋細胞と比べて拍動数の減少を示す、請求項83に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、電気的に成熟した心筋細胞である、請求項83に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、収縮性が成熟した心筋細胞である、請求項83に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、代謝的に成熟した心筋細胞である、請求項83に記載の方法。
- 前記成熟心筋細胞が、電気的に成熟した心筋細胞、収縮性が成熟した心筋細胞、及び代謝的に成熟した心筋細胞である、請求項83に記載の方法。
- 非自然発生的心筋細胞であって、前記非自然発生的心筋細胞は、成熟した静止心筋細胞である、前記非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、1種以上の静止のマーカーの発現の増加を呈する、請求項94に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記1種以上の静止のマーカーが、p16及びp130からなる群から選択される、請求項95に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記非自然発生的心筋細胞が、1種以上の増殖のマーカーの発現の減少を呈する、請求項94に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 前記1種以上の増殖のマーカーが、Ki67、サイクリンC1、及びE2F1からなる群から選択される、請求項97に記載の非自然発生的心筋細胞。
- 治療の方法であって、その治療を必要とする対象に、請求項94~98のいずれか1項に記載の非自然発生的心筋細胞を含む組成物を投与することを含む、前記方法。
- 前記対象が、心室性不整脈、収縮期心機能低下、慢性心不全、先天性心疾患、または他の心疾患を有するかまたは発症する危険性がある、請求項99に記載の方法。
- 治療の方法であって、その治療を必要とする対象に、請求項72~93のいずれか1項に記載の方法に従って作製された静止心筋細胞を含む組成物を投与することを含む、前記方法。
- 前記対象が、心室性不整脈、収縮期心機能低下、慢性心不全、先天性心疾患、または他の心疾患を有するかまたは発症する危険性がある、請求項101に記載の方法。
- 治療の方法であって、その治療を必要とする対象に、請求項72~93のいずれか1項に記載の方法に従って作製された1種以上の静止心筋細胞を用いて作製された医薬組成物を投与することを含む、前記方法。
- 前記対象が、心室性不整脈、収縮期心機能低下、慢性心不全、先天性心疾患、または他の心疾患を有するかまたは発症する危険性がある、請求項103に記載の方法。
- 心筋細胞の成熟を誘導する方法であって、成熟度の低いまたは老化した心筋細胞を心筋細胞成熟因子と接触させ、それによって前記成熟度の低いまたは老化した心筋細胞が静止心筋細胞に移行するよう誘導し、その結果、前記心筋細胞の成熟を誘導することを含む、前記方法。
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