JP7275196B2 - 幹細胞のための培養培地 - Google Patents

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Description

本明細書において引用された全ての文献は、その全体が参照により組み入れられる。
技術分野
本発明は、幹細胞の培養培地および培養方法、特に幹細胞、例えばヒト上皮幹細胞の集団を拡大させるための培養培地および方法の分野にある。
背景
幹細胞集団を拡大させるための培養培地および方法の関心は高い。幹細胞集団には多くの用途がある。例えば、幹細胞およびその分化した子孫は、細胞アッセイ、薬物スクリーニング、および毒性アッセイにおいて使用することができる。幹細胞はまた、細胞療法、例えば、損傷組織を治療するための再生医療における細胞療法の可能性も示している。幹細胞はまた、移植目的では、例えば、糖尿病などの治療用の膵β細胞移植のための分化細胞源として働くこともできる。さらに、効率的な細胞培養培地は研究目的で細胞集団を提供および維持するのに重要である。
腸陰窩-絨毛オルガノイド、胃オルガノイド、または膵臓オルガノイドなどのオルガノイドの形成、維持、および拡大のための幹細胞を培養するための培養培地および方法の関心も高い。オルガノイドは、未分化表現型および自己複製性を保持している幹細胞、例えば、上皮幹細胞を含むが、組織様構造に成長する分化中の子孫も有する。関連した細胞または同一の細胞からなる集団と同様に、陰窩-絨毛オルガノイド、胃オルガノイド、または膵臓オルガノイドは、これらが得られた組織の基本的な生理機能をより厳密に模倣し、毒性アッセイ、または薬物もしくは栄養補助食品のアッセイにおいて使用され得る。このようなオルガノイドはまた、適切な組織培養または動物モデルが現在ない病原体を培養するのに有用であり得る。さらに、このようなオルガノイドは、再生医療、例えば、放射線後および/もしくは手術後の腸上皮修復において、または炎症性腸疾患に罹患している患者における腸上皮の修復において有用であり得る。
幹細胞およびその分化した子孫には多くの臨床用途および研究用途があることは明らかである。これらの全ての用途について、適切な質の十分な数の細胞を提供するためには、再現性のある幹細胞培養方法が最も重要である。例えば、効果的な薬物スクリーニングの場合、表現型および核型が同一の細胞からなる純粋な集団を作製することができるように、細胞の分化および増殖を制御するために厳密な培養方法が必要とされるので、条件を注意深く制御しなければならない。同様に、培養細胞が直接、患者に提供され得る細胞療法の場合、細胞は、患者に提供された時に望ましくない免疫応答または細胞運命を回避するように遺伝的および表現型的に正しくなければならない。
腸上皮幹細胞を含む初代上皮幹細胞を培養するための様々な培養システムが説明されているが(Bjerknes and Cheng, 2006. Methods Enzymol. 419: 337-83(非特許文献1))、ヒト上皮幹細胞の分化能ならびに表現型完全性およびゲノム完全性を維持する長期培養システムは現在に至るまで確立されていない。
国際特許出願WO2010/090513(特許文献1)は、上皮幹細胞または単離された組織断片を培養するための方法を開示する。この方法は、培地へのWnt-3aの添加によってヒト結腸および腸陰窩の培養に最適化されている。これは、ヒト腸幹細胞培養物が長期間(最大3ヶ月間)培養され、再現性のある最初のヒト腸幹細胞培養システムが提供された初めての出来事であった。しかしながら、培養状態で増殖させた幹細胞の増殖速度、生存時間、ならびに表現型完全性およびゲノム完全性を改善する、改善された幹細胞の培養培地および培養方法、特に、ヒト幹細胞の培養培地および培養方法が依然として必要とされている。
WO2010/090513
Bjerknes and Cheng, 2006. Methods Enzymol. 419: 337-83
本発明は、公知の培養培地および培養方法よりも極めて有利な点を持つ、幹細胞、特に、ヒト上皮幹細胞、および該幹細胞を含むオルガノイドのための改善された培養培地および培養方法を提供する。本発明はまた、関連した培養培地サプリメント、組成物、および使用を提供する。
したがって、本発明は、1種または複数種のセリン/スレオニンプロテインキナーゼ標的に結合しかつその活性を低減する少なくとも1種または複数種の阻害剤を含む、幹細胞集団を拡大させるための培養培地を提供する。これは、1週間につき約5倍に拡大する拡大率で、少なくとも3ヶ月間の連続増殖を可能にする作用を有する。セリン/スレオニンプロテインキナーゼは、好ましくは、TGFβ受容体キナーゼ1、ALK4、ALK5、ALK7、p38を含む群より選択される。驚いたことに、本発明者らは、ある特定のセリン/スレオニンキナーゼの阻害剤を培養培地に含めることによって、幹細胞集団を拡大させることにおける培養培地の性能が著しく改善したことを発見した。幹細胞集団は正常(健常)細胞でもよく、疾患細胞(例えば癌幹細胞)でもよい。具体的には、試験された全ての化合物のうちp38およびALKの阻害剤が最も大きな改善をもたらすことが示された。これらの特定の阻害剤がどのように働き得るかを予測する公知の機構が無いので、これは思いもよらないことである。実際に、試験のために選択され、類似経路において機能する低分子阻害剤のうちいくつかは前記方法に影響を及ぼさなかった。したがって、当業者であっても、これらの特定のキナーゼの阻害剤が培養培地をこのように顕著に改善するとは予測できなかったことである。2種類の阻害剤、例えば、SB202190などのp38阻害剤、およびA83-01などのALK阻害剤が一緒に培養培地に添加された時に、なおさらなる改善が観察された。
この認識に到達するために、本発明者らは、ある特定の癌、例えば結腸直腸癌において破壊されていることが知られているシグナル伝達経路を調べた。本発明者らは、癌における細胞運命に影響を及ぼすこれらの経路が培養条件における細胞運命の決定にも役割を果たしている可能性があると仮説を立てた。しかしながら、この仮説は全く新しい仮説であったと強調しなければならない。最新技術を考慮しても、これらの付加的な化合物が培養培地に及ぼす影響を予測する手法はなく、これらの化合物が実際に有益な効果を有する可能性があるというこれといった予測もなかった。
第1のスクリーニング実験では、一連のビタミン、ホルモン、および増殖因子を標準的な幹細胞培養培地と組み合わせて試験した。最初に、ガストリンおよびニコチンアミドが、著しく改善された培養条件をもたらすものと特定された。これらの因子を標準的な培養条件に組み込んで第2のスクリーニング実験を行った。第2のスクリーニング実験では、ERK、p38、JNK、PTEN、ROCK、およびヘッジホッグ(Hedgehog)などの、関係のあるシグナル伝達経路に関連する低分子阻害剤を試験した。これらの経路は、ある特定の癌において破壊されていることが知られているため選択された。
Wnt-3A(「W」)を用いて最適化された(本明細書において「WENR」培地と呼ばれる)、以前に述べられた幹細胞培地(上皮細胞増殖因子(EGFまたは(「E」)、ノギン(Noggin)(「N」)、およびR-スポンジン(「R」)を含む。本明細書において「ENR」培地と呼ばれる)を用いてヒト腸幹細胞を培養しようという以前の試みは、大部分の細胞が7日以内に分解されるという結果になり、1ヶ月を過ぎて生存している細胞はほとんどなかった。このような試みは、ゆっくりとした増殖時間、染色体の異常、および出芽(budding)から嚢胞構造への形態学的変化も受けやすかった。「嚢胞」とは、オルガノイドが主に球状であることを意味する。「出芽」とは、オルガノイドに、基本構造から成長している複数の領域があることを意味する。出芽構造を有することは常に利点であるとは限らないが、出芽構造は、典型的には、大きな表面積を有し、典型的には、対応するインビボ組織によく似ている。
本発明者らは、改善された方法が、少なくとも7ヶ月間、幹細胞の連続増殖を可能にすることを示した。
この新たな方法はまた、拡大された集団の中の細胞の増殖速度も速めた。これは、商業目的および治療目的で細胞を増殖させる時に明らかに大いに役立つ。
この新たな方法は、拡大された集団の中の細胞の質も高めた。これは、幹細胞およびその分化した子孫を臨床および研究に適用するには、高品質の細胞集団を提供する再現性のある幹細胞培養方法が必要であるので、大きな利点である。一般的に、幹細胞のインビトロ拡大は、そのインビボ対応物に可能な限りよく似た細胞集団を提供することを目標としている。この特性は、本明細書において細胞の「ゲノム完全性および表現型完全性」と呼ばれる。
初めて、本発明者らは、ゲノム完全性および表現型完全性を失わせることなく、少なくとも7ヶ月間、培養状態でヒト上皮幹細胞を拡大させることができることを発見した(実施例1を参照されたい)。本発明の改善された培養状態下で、ヒト腸オルガノイドは、以前の培養条件下で見られた嚢胞構造ではなく出芽オルガノイド構造を示した。3ヶ月を超えるオルガノイドのメタフェーズスプレッド(metaphase spread)は、3人の異なるドナーから採取された20個の細胞それぞれにおいて46本の染色体を一貫して明らかにした。さらに、マイクロアレイ分析は、培養中の幹細胞が、腸幹細胞遺伝子を含む腸陰窩細胞に類似した分子シグネチャーを有することを明らかにした。
本発明者らはまた、本発明の培地および方法によって作製されたヒト腸オルガノイドが外因子に応答してインビボ細胞運命決定を模倣したことも証明した。例えば、腸幹細胞におけるNotch阻害はインビボで腸上皮増殖を終わらせ、杯細胞過形成を誘導することが以前に示されている。本発明者らは、本発明の腸オルガノイドがNotch阻害剤で処理された時に増殖を終わらせ、大部分の細胞が3日以内に杯細胞に変わったことを示すこともできた。
胃、膵臓、肝臓、および前立腺などの他の上皮組織に由来する幹細胞またはオルガノイドを拡大させるための培養培地中にTGF-β阻害剤および/またはp38阻害剤を含めた時に、同様の利点が観察された(実施例を参照されたい)。組織は正常(健常)組織でもよく、疾患組織、例えば癌組織または嚢胞性線維症表現型を示す組織でもよい。
これらの結果から、以前の方法および培地と比較して、本発明の方法および培地によって生成された幹細胞およびオルガノイドのゲノム完全性および表現型完全性は劇的に改善していることが分かる。
したがって、本発明は、
i. Rスポンジン1～4のいずれか1つおよび/またはRスポンジン模倣体; ならびに
ii. TGF-βシグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する1種または複数種の阻害剤
を含む、成体幹細胞集団を拡大および/または分化させるための培養培地を提供する。
本発明はまた、本発明による培養培地と、細胞外マトリックスまたはインテグリンなどの細胞膜タンパク質と相互作用することによって細胞外マトリックスを模倣する3Dマトリックス、例えばMatrigel(商標)(BD Biosciences)などのラミニン含有細胞外マトリックスとを含む組成物を提供する。
本発明はまた、本発明による培養培地または組成物を含有する、密閉封止された容器を提供する。
本発明はまた、幹細胞、幹細胞集団、組織断片、またはオルガノイドを拡大および/または分化させるための本発明による培養培地の使用を提供する。
本発明はまた、単一の幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を拡大させるための、好ましくはオルガノイドを作製するためにそれらを拡大させるための方法であって、本発明による培養培地中で単一の幹細胞または幹細胞集団を培養する工程を含む方法を提供する。
本発明はまた、本発明の方法によって得ることができるオルガノイドまたは細胞集団を提供する。
本発明はまた、中心管腔を取り囲む上皮細胞を含む三次元オルガノイドであって、任意で上皮細胞が別個の分裂領域および分化領域に存在する、オルガノイド、好ましくは本発明の方法によって得ることができるオルガノイドを提供する。
本発明はまた、単層、任意で、折り畳まれた単層の領域および重層細胞の領域に並べられた上皮細胞を含む三次元オルガノイド、好ましくは中心管腔を取り囲む上皮細胞を含む三次元オルガノイドであって、任意で上皮細胞が別個の分裂領域および分化領域に存在する、オルガノイド、好ましくは本発明の方法によって得ることができるオルガノイドを提供する。
本発明はまた、
i) 本発明の1つまたは複数のオルガノイドまたは細胞集団; ならびに
ii) 本発明の培養培地および/または細胞外マトリックス
を含む組成物を提供する。
本発明はまた、薬物スクリーニング、ターゲットバリデーション、ターゲット発見、毒物学、毒性スクリーニング、個別化医療、再生医療、またはエクスビボ細胞/臓器モデルにおいて使用するための、例えば疾患モデルとして使用するための、本発明によるオルガノイド、細胞集団、または組成物を提供する。
本発明はまた、哺乳動物、好ましくはヒトへのオルガノイド、細胞集団、または組成物の移植において使用するための、本発明によるオルガノイド、細胞集団、または組成物を提供する。
本発明はまた、本発明の培養培地を用いて得られた、または本発明の培養培地を用いて得ることができる、幹細胞集団または該幹細胞を含むオルガノイドを提供する。幹細胞または該幹細胞を含むオルガノイドは、例えば、移植目的または他の治療用途に用いられてもよい。例えば、幹細胞または該幹細胞を含むオルガノイドは、薬物スクリーニング、ターゲットバリデーション、ターゲット発見、毒物学および毒性スクリーニング、個別化医療、再生医療、ならびにエクスビボ細胞/臓器モデル、例えば疾患モデルに用いられてもよい。
本発明はまた、本発明の培養培地を含む組成物を提供する。
本発明はまた、本発明による阻害剤を含む培養培地サプリメントを提供する。
本発明はまた、本発明による培養培地および/または培養培地サプリメントを含む、密閉封止された容器を提供する。
特定のニーズおよび用途に応じて、本発明の培養培地、サプリメント、および組成物の特定の成分を変更することができる。同様に、特定のニーズおよび用途に応じて本発明の方法の正確な工程は異なってもよい。
本発明による培養培地、サプリメント、方法、組成物、および使用はまた、常用の実験によって最適化されてもよい。例えば、培養培地、サプリメント、または組成物が望ましいレベルの幹細胞拡大を生じなければ、培養培地中またはサプリメント中の各成分の量、播種密度、培養条件、培養期間などの変数を、さらなる実験において変えることができる。本明細書に記載の各成分の量は常用の最適化によって他の成分とは無関係に最適化されてもよく、1種または複数種の成分が添加または除去されてもよい。幹細胞の拡大を支持する培地の能力は、公知の培養培地もしくは方法と並行して、または公知の培養培地もしくは方法の代わりに試験することによって試験することができる。
本発明の培養培地、サプリメント、方法、組成物、および使用を下記でさらに詳細に説明する。本発明の実施は、特に定めのない限り、当業者の技術の範囲内にある細胞培養、分子生物学、および微生物学の従来技法を使用する。
幹細胞を培養するための培養培地および培養方法を専門とする教科書を含めて、哺乳動物細胞の培養培地および培養方法の手引きとなる非常に多くの教科書を利用することができる。このような教科書には、「Basic Cell Culture Protocols」 J. Pollard and J. M. Walker (1997), 「Mammalian Cell Culture: Essential Techniques」 A. Doyle and J. B. Griffiths (1997), 「Culture of Animal Cells: A Manual of Basic Technique」 R. I. Freshney (2005), 「Basic Cell Culture Protocols」 C. Helgason and C. L. Miller (2005), 「Stem Cells: From Bench to Bedside」 A. Bongso (2005), 「Human Stem Cell Manual: A Laboratory Guide」 J. F. Loring, R. L. Wesselschmidt and P. H. Schwartz (2007)が含まれる。
本発明において使用するための幹細胞および細胞培養の試薬および器具は、例えば、Cellartis AB (Goteborg, Sweden)、 VitroLife AB (Kungsbacka, Sweden)、 GIBCO(登録商標)(Invitrogen)、 Millipore Corporation (Billerica, Massachusetts), Sigma(登録商標)(St. Louis, Missouri)、およびBiomol International L.P. (Exeter, UK)から市販されている。
[本発明1001]
以下を含む、成体幹細胞集団を拡大および/または分化させるための培養培地:
i. Rスポンジン1～4のいずれか1つおよび/またはRスポンジン模倣体; ならびに
ii. TGF-βシグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する1種または複数種の阻害剤。
[本発明1002]
1種または複数種の阻害剤が、ALK5、ALK4、TGF-β受容体キナーゼ1、およびALK7からなる群より選択される1種または複数種のセリン/スレオニンプロテインキナーゼに結合し、かつその活性を低減する、本発明1001の培養培地。
[本発明1003]
TGF-βシグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する1種または複数種の阻害剤が、A83-01、SB-431542、SB-505124、SB-525334、SD-208、LY-36494、およびSJN-2511からなる群より選択される、本発明1001または本発明1002の培養培地。
[本発明1004]
p38シグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する阻害剤をさらに含む、前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1005]
p38シグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する1種または複数種の阻害剤が、SB-202190、SB-203580、VX-702、VX-745、PD-169316、RO-4402257、およびBIRB-796からなる群より選択される、本発明1004の培養培地。
[本発明1006]
A83-01およびSB-202190またはA83-01およびSB-203580を含む、前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1007]
阻害剤が1nM～100μM、10nM～100μM、100nM～10μM、または約1μMの濃度で添加される、例えば、1種または複数種の阻害剤の総濃度が10nM～100μM、100nM～10μM、または約1μMである、前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1008]
BMP阻害剤、Wntアゴニスト、受容体型チロシンキナーゼリガンド、Rock阻害剤、ニコチンアミド、およびガストリンより選択される1種または複数種の付加的な成分を含む、前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1009]
Rスポンジン1～4のいずれか1つおよび/またはRスポンジン模倣体、BMP阻害剤(例えばノギン(Noggin))、TGF-β阻害剤、受容体型チロシンキナーゼリガンド(例えばEGF)、ニコチンアミド、Wntアゴニスト(例えばWnt(3a))を含み、かつ任意で、p38阻害剤、ガストリン、FGF10、HGF、およびRock阻害剤より選択される1種または複数種の付加的な成分を含む、前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1010]
BMP阻害剤が、ノギン、コーディン、コーディンドメインを含むコーディン様タンパク質、フォリスタチン、フォリスタチンドメインを含むフォリスタチン関連タンパク質、DAN、DANシステインノットドメインを含むDAN様タンパク質、スクレロスチン/SOST、およびα-2マクログロブリンからなる群より選択される、本発明1008または本発明1009の培養培地。
[本発明1011]
Wntアゴニストが、Wnt-3a、GSK阻害剤(例えばCHIR99021)、Wnt5、Wnt-6a、ノリン(Norrin)、および他の任意のWntファミリータンパク質からなる群より選択される、本発明1008または本発明1009の培養培地。
[本発明1012]
受容体型チロシンキナーゼリガンドが、分裂促進増殖因子、例えば上皮細胞増殖因子(EGF)、トランスフォーミング増殖因子-α(TGF-α)、塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)、脳由来神経栄養因子(BDNF)、肝細胞増殖因子(HGF)、およびケラチノサイト増殖因子(KGF)からなる増殖因子ファミリーより選択される分裂促進増殖因子である、本発明1008または本発明1009の培養培地。
[本発明1013]
Rock阻害剤が、R-(+)-トランス-4-(1-アミノエチル)-N-(4-ピリジル)シクロヘキサンカルボキサミド二塩酸塩一水和物(Y-27632)、5-(1,4-ジアゼパン-1-イルスルホニル)イソキノリン(ファスジルまたはHA1071)、および(S)-(+)-2-メチル-1-[(4-メチル-5-イソキノリニル)スルホニル]-ヘキサヒドロ-1H-1,4-ジアゼピン二塩酸塩(H-1152)からなる群より選択される、本発明1008または本発明1009の培養培地。
[本発明1014]
プロスタグランジンシグナル伝達経路アクチベーター、例えばPGE2および/またはAAを付加的に含む、前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1015]
テストステロン、例えば(ジヒドロ)テストステロンを付加的に含む、前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1016]
基本培地、Wnt-3a、EGF、ノギン、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、TGF-β阻害剤、ニコチンアミド、および好ましくはp38阻害剤を含む、またはこれらからなる、腸細胞を培養するための本発明1001～1015のいずれかの培養培地。
[本発明1017]
基本培地、Wnt-3a、EGF、ノギン、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、TGF-β阻害剤、ガストリン、ニコチンアミド、FGF-10、および好ましくはp38阻害剤を含む、またはこれらからなる、胃細胞を培養するための本発明1001～1015のいずれかの培養培地。
[本発明1018]
基本培地、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、ノギン、ニコチンアミド、EGF、FGF10、HGF、ガストリン、TGF-β阻害剤、およびPGE2、および好ましくはWnt-3aを含む、またはこれらからなる、肝臓細胞を拡大させるための本発明1001～1015のいずれかの培養培地。
[本発明1019]
基本培地、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、ノギン、EGF、FGF10、ガストリン、TGF-β阻害剤、および好ましくはエキセンディン4およびWnt-3aを含む、またはこれらからなる、膵臓細胞を拡大させるための本発明1001～1015のいずれかの培養培地。
[本発明1020]
基本培地、EGF、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、ノギン、ニコチンアミド、TGF-β阻害剤、および好ましくはWnt-3aおよびFGF-10を含む、またはこれらからなる、前立腺細胞を培養するための本発明1001～1015のいずれかの培養培地。
[本発明1021]
テストステロン、例えば(ジヒドロ)テストステロンをさらに含む、本発明1020の前立腺細胞を培養するための培養培地。
[本発明1022]
関心対象の対応する非癌組織タイプに由来する細胞を培養するのに用いられる培養培地の成分を含むか、または該成分からなり、
任意で、関心対象の組織タイプの非癌細胞を培養するのに用いられる該培地からWnt-3a、EGF、ノギン、Rスポンジン、TGF-β阻害剤、p38阻害剤、ニコチンアミド、ガストリン、FGF10、およびHGFのうちの1つまたは複数が排除されている、
関心対象の組織タイプに由来する腺癌細胞または癌腫細胞などの癌細胞、例えば癌幹細胞を培養するための前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1023]
関心対象の組織タイプに由来する幹細胞を拡大させるのに用いられる培養培地の成分を含むか、または該成分からなるが、Wnt、Rスポンジン、BMP阻害剤、TGF-β阻害剤、受容体型チロシンキナーゼリガンド、p38阻害剤、およびニコチンアミドのうちの1つまたは複数が排除されている、関心対象の組織に由来する幹細胞を分化させるための前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1024]
基本培地、EGF、ノギン、TGF-β阻害剤、およびp38阻害剤を含む、またはこれらからなる、腸細胞を分化させるための本発明1023の培養培地。
[本発明1025]
基本培地、ノギン、EGF、ガストリン、TGF-β阻害剤、DAPTもしくはDBZなどのγ-セクレターゼ阻害剤、および好ましくはWnt-3aを含む、またはこれらからなる、肝臓細胞を分化させるための本発明1023の培養培地。
[本発明1026]
基本培地、ノギン、EGF、FGF10、ガストリン、TGF-β阻害剤、γ-セクレターゼ阻害剤、および好ましくはエキセンディン4を含む、またはこれらからなる、膵臓細胞を分化させるための本発明1023の培養培地。
[本発明1027]
細胞外マトリックス、またはインテグリンなどの細胞膜タンパク質と相互作用することによって細胞外マトリックスを模倣する3Dマトリックスと接触している、前記本発明のいずれかの培養培地。
[本発明1028]
細胞外マトリックスが、Matrigel(商標)(BD Biosciences)などのラミニン含有細胞外マトリックスである、本発明1027の培養培地。
[本発明1029]
本発明1001～1026のいずれかの培養培地、および細胞外マトリックス、またはインテグリンなどの細胞膜タンパク質と相互作用することによって細胞外マトリックスを模倣する3Dマトリックス、例えばMatrigel(商標)(BD Biosciences)などのラミニン含有細胞外マトリックスを含む、組成物。
[本発明1030]
前記本発明のいずれかの培養培地または組成物を含有する、密閉封止された容器。
[本発明1031]
幹細胞、幹細胞集団、組織断片、またはオルガノイドを拡大および/または分化させるための、本発明1001～1028のいずれかの培養培地の使用。
[本発明1032]
幹細胞、幹細胞集団、組織断片、またはオルガノイドが、1つまたは複数の腸幹細胞、小腸陰窩、結腸陰窩、胃幹細胞、肝臓幹細胞、膵臓幹細胞、および前立腺幹細胞からなる群より選択される、本発明1031の使用。
[本発明1033]
幹細胞、幹細胞集団、組織断片、またはオルガノイドを正常組織から得ることができる、本発明1031または本発明1032の使用。
[本発明1034]
幹細胞、幹細胞集団、組織断片、またはオルガノイドを、疾患組織、例えば腺腫、癌腫、腺癌、嚢胞性線維症患者の腸、または炎症性腸疾患患者の腸から得ることができる、本発明1031または1032の使用。
[本発明1035]
単一の幹細胞または幹細胞集団を本発明1001～1028のいずれかの培養培地中で培養する工程を含む、単一の幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を拡大させるための、好ましくはオルガノイドを得るためにそれらを拡大させるための方法。
[本発明1036]
以下の工程を含む、本発明1035の方法:
幹細胞、幹細胞集団、または単離された組織断片を用意する工程;
本発明1001～1028のいずれかの培養培地を用意する工程;
該幹細胞を該培養培地と接触させる工程;
適切な条件下で該細胞を培養する工程。
[本発明1037]
細胞外マトリックス、またはインテグリンなどの細胞膜タンパク質と相互作用することによって細胞外マトリックスを模倣する3Dマトリックス、例えばMatrigel(商標)(BD Biosciences)などのラミニン含有細胞外マトリックスと、幹細胞、幹細胞集団、または単離された組織断片、および培養培地とを接触させる工程を含む、本発明1035の方法。
[本発明1038]
培養培地が細胞外マトリックスの中に拡散される、本発明1037の方法。
[本発明1039]
以下の工程を含む、本発明1035～1038のいずれかの方法:
幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を第1の拡大培地中で培養する工程;
該幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を培養し続け、かつ該培地に、TGF-β阻害剤、p38阻害剤、ニコチンアミド、およびWntより選択される因子の1つまたは複数、好ましくは全てを含まない分化培地を補充する工程。
[本発明1040]
以下の工程を含む、小腸オルガノイドまたは結腸オルガノイドを得るための本発明1035～1038のいずれかの方法:
小腸または結腸の幹細胞または組織断片を本発明1017の培養培地中で拡大させる工程; および任意で、
拡大された小腸または結腸の幹細胞または組織断片を本発明1024の培養培地中で分化させる工程。
[本発明1041]
胃の幹細胞または組織断片を本発明1016の培養培地中で培養する工程を含む、胃オルガノイドを得るための本発明1035～1039のいずれかの方法。
[本発明1042]
以下の工程を含む、肝臓オルガノイドを得るための本発明1035～1039のいずれかの方法:
肝臓の細胞または組織断片を本発明1019の培養培地中で拡大させる工程; および任意で、
拡大された肝臓の細胞または組織断片を本発明1025の培養培地中で分化させる工程。
[本発明1043]
以下の工程を含む、膵臓オルガノイドを得るための本発明1035～1039のいずれかの方法:
膵臓の細胞または組織断片を本発明1020の培養培地中で拡大させる工程; および任意で、
拡大された膵臓の細胞または組織断片を本発明1026の培養培地中で分化させる工程。
[本発明1044]
前立腺の幹細胞または組織断片を本発明1019の培養培地中で培養する工程を含む、前立腺オルガノイドを得るための本発明1035～1039のいずれかの方法。
[本発明1045]
腺癌または癌腫の幹細胞または組織断片を本発明1022の培養培地中で培養する工程を含む、腺癌オルガノイドまたは癌腫オルガノイドを得るための本発明1035～1039のいずれかの方法。
[本発明1046]
Rock阻害剤が、最初の1日間、2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、または7日間、任意で1日おきに培養培地に添加される、本発明1035～1039のいずれかの方法。
[本発明1047]
本発明1001～1028のいずれかの培養培地を用いて、幹細胞を、3ヶ月間またはそれより長く、例えば4ヶ月間、5ヶ月間、6ヶ月間、7ヶ月間、8ヶ月間、9ヶ月間、またはそれより長く培養する工程を含む、本発明1035～1039のいずれかの方法。
[本発明1048]
本発明1035～1047のいずれかの方法によって得ることができるオルガノイドまたは細胞集団。
[本発明1049]
本発明1001～1028のいずれかの培養培地中で培養された場合に、少なくとも3ヶ月間、例えば少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長く培養状態で生存することができる、本発明1048のオルガノイドまたは細胞集団。
[本発明1050]
少なくとも3ヶ月間、例えば少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長く培養されている、本発明1048のオルガノイドまたは細胞集団。
[本発明1051]
1週間につき少なくとも3倍、少なくとも4倍、少なくとも5倍、少なくとも6倍、少なくとも7倍、少なくとも8倍、少なくとも9倍、または少なくとも10倍の割合で拡大する、本発明1048～1050のいずれかのオルガノイドまたは細胞集団。
[本発明1052]
ヒトオルガノイドまたはヒト細胞集団である、本発明1048～1051のいずれかのオルガノイドまたは細胞集団。
[本発明1053]
正常オルガノイドもしくは正常細胞集団である、または疾患オルガノイドもしくは疾患細胞集団、例えば疾患を有するヒトもしくは動物から採取された幹細胞を培養することによって得られた疾患オルガノイドもしくは疾患細胞集団である、本発明1048～1052のいずれかのオルガノイドまたは細胞集団。
[本発明1054]
-5℃より低い、-10℃より低い、-20℃より低い、-40℃より低い、-60℃より低い、-80℃より低い、-100℃より低い、または-150℃より低い温度で、例えば約-180℃で凍結および保存される、本発明1048～1053のいずれかのオルガノイドまたは細胞集団。
[本発明1055]
中心管腔を取り囲む上皮細胞を含む三次元オルガノイドであるオルガノイドであって、任意で該上皮細胞が別個の分裂領域および分化領域に存在する、該オルガノイド、好ましくは本発明1048～1054のいずれかのオルガノイド。
[本発明1056]
単層、任意で、折り畳まれた単層の領域および重層細胞の領域に並べられた上皮細胞を含む三次元オルガノイドである、本発明1055のオルガノイド。
[本発明1057]
非上皮細胞が存在しない、本発明1048～1056のいずれかのオルガノイド。
[本発明1058]
正常インビボ組織の全ての分化細胞タイプが存在する、本発明1048～1057のいずれかのオルガノイド。
[本発明1059]
小腸オルガノイド、結腸オルガノイド、胃オルガノイド、膵臓オルガノイド、肝臓オルガノイド、または前立腺オルガノイドである、本発明1048～1058のいずれかのオルガノイド。
[本発明1060]
以下を含む組成物:
i) 本発明1048～1059のいずれかの1つまたは複数のオルガノイドまたは細胞集団; ならびに
ii) 本発明1001～1028のいずれかの培養培地および/または細胞外マトリックス。
[本発明1061]
薬物スクリーニング、ターゲットバリデーション、ターゲット発見、毒物学、毒性スクリーニング、個別化医療、再生医療、またはエクスビボ細胞/臓器モデルにおける使用のための、例えば疾患モデルとしての使用のための、本発明1048～1059のいずれかのオルガノイド、または本発明1048～1054のいずれかの細胞集団、または本発明1029もしくは本発明1060の組成物。
[本発明1062]
再生医療または個別化医療が、哺乳動物、好ましくはヒトへのオルガノイド、細胞集団、または組成物の移植を含む、本発明1061の使用のためのオルガノイド、細胞集団、または組成物。
マウス結腸培養。左: Axin2発現はWntシグナル伝達経路の制御下にある。EGF、ノギン、およびR-スポンジン(ENR)と共に3日間培養したAxin2-LacZレポーターマウスの結腸陰窩オルガノイド。LacZ染色が存在しないことから、ENR増殖条件下の結腸オルガノイドには活性Wntシグナルが存在しないことが分かる。挿入図は、Axin2-LacZレポーターマウスに由来する新鮮に単離された結腸陰窩におけるLacZ発現(濃い染色)によって視覚化された活性Wntシグナル伝達を示す。右: ENR+Wnt3A(WENR)と共に10日間培養したAxin2-LacZマウス由来結腸陰窩。濃い染色は、これらのオルガノイドにおけるLacZ発現を示す。スケールバー: 50μm。 マウス結腸培養。左: ENRで3日間培養したLgr5-GFP-ires-CreER結腸陰窩。GFP蛍光が存在しないことから、ENR増殖条件下の結腸オルガノイドではLgr5発現が失われていることが分かる。挿入図は、Lgr5-GFP-ires-CreERマウスに由来する新鮮に単離された結腸陰窩におけるLgr5-GFP発現を示す。右: WENRで10日間培養したLgr5-GFP-ires-CreER結腸陰窩はLgr5幹細胞の存在を示す。スケールバー: 50μm。 マウス結腸培養。培養効率を以下の3つの異なる条件下で求めた: ENR、WENR完全陰窩、および穏やかな酵素消化後のWENR陰窩(WENR消化)。結腸陰窩を、近位結腸(黒色の柱)または遠位結腸(白色の柱)から単離した。*: p＜0.05。エラーバーはs.e.m.を示す。n=3。 マウス結腸培養。WENR培養培地からWnt3Aを除去して4日後に、オルガノイド分化が生じる。腸内分泌細胞内のクロモグラニンA(ChA)、杯細胞内のムチン2(muc2)、DAPIによる対比染色が見られる。スケールバー: 50μm。 マウス結腸培養。 WENR培養培地からWnt3Aを除去して4日後に、オルガノイド分化が生じる。成熟腸細胞をアルカリホスファターゼ染色によって視覚化した。スケールバー: 50μm。 マウス結腸培養。成熟上皮細胞マーカー(Vil1(ビリン(Villin)1)、Alpi(アルカリホスファターゼ)、Chga(クロモグラニンA)、Muc2(ムチン2))の相対mRNA発現を示した。WENR培養結腸陰窩オルガノイドを、WENR(ハッチングパターン)条件またはENR(黒色)条件において4日間培養した。新鮮に単離された結腸陰窩(白色)を対照に使用した。エラーバーはs.e.m.を示す。n=3。 ヒト結腸培養。ヒト結腸陰窩オルガノイドに対するニコチンアミドの効果。WENR+ガストリン(WENRg)条件(左パネル)では、ヒト結腸陰窩オルガノイドの大半は数日以内に死滅する。ニコチンアミド(中央パネル: WENRg+nic)を添加すると、ヒト結腸オルガノイドの培養効率および寿命が改善する。*p＜0.001。nic: ニコチンアミド。 ヒト結腸培養。ヒト結腸陰窩オルガノイドに対するAlk4/5/7低分子阻害剤(A83-01)およびMAPキナーゼp38低分子阻害剤(SB202190)の効果。左パネル: WENRg+ニコチンアミドを含有する培地中で培養されたヒト結腸オルガノイドは、培養して3～4週後に嚢胞構造を形成する。中央パネル: ヒト結腸オルガノイドは、ヒト腸幹細胞培養(「HISC」)条件(WENRg+ニコチンアミド+A83-01+SB202190)下で、その特徴的な出芽構造を保持している。右パネル: A83-01およびSB202190はヒト結腸オルガノイドの継代数を相乗的に増加させる。*p＜0.001。N.S.=統計学的に有意でない。エラーバーはs.e.m.を示す。n=5。 ヒト結腸培養。EdUの取り込みによって視覚化された増殖細胞は出芽構造に限定される。DAPIを対比染色として使用した。 ヒト結腸培養。3ヶ月のヒト結腸陰窩オルガノイドからの核型の代表的な写真。スケール: 100μm。 ヒト結腸培養。培養ヒト腸オルガノイドの発現プロファイルのヒートマップ(heat-map)。このヒートマップは、ヒト小腸陰窩とヒト小腸絨毛を比較したものである。陰窩において高発現している遺伝子は濃い灰色である(ヒートマップの上半分)。絨毛において高発現している遺伝子は薄い灰色である(ヒートマップの下半分)。インビトロで培養されたオルガノイドは、新鮮に単離された小腸陰窩と似た発現プロファイルをはっきりと示し、公知の幹細胞マーカーを発現する(レーン1: ヒト小腸オルガノイド#1、レーン2: ヒト小腸オルガノイド#2、レーン3: ヒト結腸オルガノイド、レーン4: 新鮮に単離されたヒト小腸陰窩。4種類の試料をヒト小腸絨毛と比較した)。 ヒト腸オルガノイド細胞タイプの組成。(a～c)ヒトオルガノイドは、ニコチンアミドおよびSB202190が取り除かれた後に腸の異なる細胞タイプに分化する。異なる細胞タイプのマーカーを用いて分化を証明した。(a)上パネル: 成熟腸細胞のアルカリホスファターゼ染色。中央パネル: 杯細胞のPAS染色。下パネル: 腸内分泌細胞のシナプトフィジン染色。オルガノイドは以下の条件の下で5日間培養した: 上: ENRg+A83-01+SB202190+ニコチンアミド、中央および下: WENRg+A83-01。スケールバー: 20μm。ヒト結腸陰窩オルガノイド。 ヒト腸オルガノイド細胞タイプの組成。(a～c)ヒトオルガノイドは、ニコチンアミドおよびSB202190が取り除かれた後に腸の異なる細胞タイプに分化する。異なる細胞タイプのマーカーを用いて分化を証明した。(b)それぞれの場合において、明るい領域は染色を示す。中央パネルのムチン2(Muc2)染色は杯細胞を示し、左手パネルのクロモグラニンA(ChgA)は腸内分泌細胞を示す(矢印および挿入図を参照されたい)。DAPIを対比染色として使用した(右パネル)。オルガノイドは以下の条件の下で5日間培養した:WENRg+A83-01。スケールバー: 50μm。ヒト結腸陰窩オルガノイド。 ヒト腸オルガノイド細胞タイプの組成。(a～c)ヒトオルガノイドは、ニコチンアミドおよびSB202190が取り除かれた後に腸の異なる細胞タイプに分化する。異なる細胞タイプのマーカーを用いて分化を証明した。(c)左手パネルには、パネート細胞を示すためにリゾチーム(Lysz)を染色した。DAPIを対比染色として使用した(右パネル)。オルガノイドは以下の条件の下で5日間培養した: WENRg+A83-01。スケールバー: 50μm。ヒト小腸オルガノイド。 ヒト腸オルガノイド細胞タイプの組成。(d～f)オルガノイドのSB202190処理によって杯細胞分化(Muc2)がブロックされた(d)。これに対して、Notch阻害剤DBZはヒトオルガノイドにおいて杯細胞数を増やす(f)。増殖細胞はEdU取り込みによって表され(中央パネル)、SB202190処理オルガノイドでは増加する(d)、またはDBZ処理オルガノイドでは減少する(f)。オルガノイドは以下の条件の下で5日間培養した: WENRg+A83-01+SB202190。スケールバー: 50μm。ヒト結腸陰窩オルガノイド。 ヒト腸オルガノイド細胞タイプの組成。(d～f)オルガノイドのSB202190処理によって杯細胞分化(Muc2)がブロックされた(d)。これに対して、Notch阻害剤DBZはヒトオルガノイドにおいて杯細胞数を増やす(f)。増殖細胞はEdU取り込みによって表され(中央パネル)、SB202190処理オルガノイドでは増加する(d)、またはDBZ処理オルガノイドでは減少する(f)。オルガノイドは以下の条件の下で5日間培養した: WENRg+A83-01。スケールバー: 50μm。ヒト結腸陰窩オルガノイド。 ヒト腸オルガノイド細胞タイプの組成。(d～f)オルガノイドのSB202190処理によって杯細胞分化(Muc2)がブロックされた(d)。これに対して、Notch阻害剤DBZはヒトオルガノイドにおいて杯細胞数を増やす(f)。増殖細胞はEdU取り込みによって表され(中央パネル)、SB202190処理オルガノイドでは増加する(d)、またはDBZ処理オルガノイドでは減少する(f)。オルガノイドは以下の条件の下で5日間培養した: WENRg+A83-01+DBZ。スケールバー: 50μm。ヒト結腸陰窩オルガノイド。 腺腫(腺癌)培養。EGF(E)(上)またはEGF+ノギン(EN)(下)と共に10日間培養したLgr5-GFP-ires-CreER/APCf1/f1陰窩。 腺腫(腺癌)培養。Lgr5およびAxin2の相対的mRNA発現。新鮮に単離された腺腫細胞(白色)をEGF(ハッチング)またはEGF+ノギン(黒色)と共に培養した。 腺腫(腺癌)培養。ソーティングされたLgr5-GFP高、Lgr5-GFP低、Lgr5-GFP-ve細胞からのオルガノイドの培養効率。*p＜0.01。一元配置ANOVA。エラーバーはs.e.m.を示す。n=3。 腺腫(腺癌)培養。ヒト結腸腺癌細胞の時間経過培養。 バレット食道の培養およびNotch阻害剤による処理。HISC条件で7日間培養した、バレット食道(BE)から単離された上皮は、嚢胞構造を形成する。 バレット食道の培養およびNotch阻害剤による処理。FGF10を添加するとBEオルガノイドの継代数は有意に増加する。エラーバーはs.e.m.を示す。n=3。 バレット食道の培養およびNotch阻害剤による処理。BEオルガノイドの代表的な時間経過。 バレット食道の培養およびNotch阻害剤による処理。BEオルガノイドからのパラフィン切片。培地にNotch阻害剤DBZを添加せずに、ニコチンアミドおよびSB202190を4日間、取り除いた。 バレット食道の培養およびNotch阻害剤による処理。培地にNotch阻害剤DBZを添加して、ニコチンアミドおよびSB202190を4日間、取り除いた。DBZ処理によって増殖細胞(Ki67染色)は消失する。 バレット食道の培養およびNotch阻害剤による処理。培地にNotch阻害剤DBZを添加せずに、ニコチンアミドおよびSB202190を4日間、取り除いた。 バレット食道の培養およびNotch阻害剤による処理。培地にNotch阻害剤DBZを添加して、ニコチンアミドおよびSB202190を4日間、取り除いた。DBZ処理によってPAS+ 杯細胞は増加する。 Wnt-3Aの存在下のマウス結腸オルガノイドではAxin2 mRNA発現が回復する。単離された結腸陰窩は、ENR(ハッチング)またはWENR(黒色)で3日間または7日間培養した後にAxin2 mRNA発現を分析した。新鮮に単離された結腸陰窩を対照として使用した。エラーバーはs.e.m.を示す。n=3。 成熟上皮細胞マーカーの相対的mRNA発現。新鮮に単離された小腸陰窩(白色)をHISC条件で14日間培養した後に、示された培養条件で4日間培養した。ALPI(アルカリホスファターゼ)、VILl(ビリン1)、LYZ(リゾチーム)、CHGB(クロモグラニンB)、およびMUC2(ムチン2)のmRNA発現を分析した。培養条件: HISC(黒色)、ENRg+A83-01+SB202190+ニコチンアミド、WENRg+A83-01、ENRg+A83-01、ENRg。新鮮に単離された小腸陰窩を対照として使用した。(ALPI、VIL1、およびLYZについては1.0、CHGBおよびMUC2については5.0として設定した)。エラーバーはs.e.m.を示す。n=3。 Lgr5-GFP+ オルガノイドに由来するソーティングされたLgr5-GFP- 細胞。ソーティングされた単一のLgr5-GFP- APCf1/f1腺腫細胞をEGF+ノギン(EN)と共に7日間培養した。Lgr5-GFP- 細胞に由来する腺腫オルガノイドはEN条件下でLgr5-GFP発現を回復した(a: 明視野)。 Lgr5-GFP+ オルガノイドに由来するソーティングされたLgr5-GFP- 細胞。ソーティングされた単一のLgr5-GFP- APCf1/f1腺腫細胞をEGF+ノギン(EN)と共に7日間培養した。Lgr5-GFP- 細胞に由来する腺腫オルガノイドはEN条件下でLgr5-GFP発現を回復した(b: GFP自己蛍光)。 Lgr5-GFP+ オルガノイドに由来するソーティングされたLgr5-GFP- 細胞。ソーティングされた単一のLgr5-GFP- APCf1/f1腺腫細胞をEGF(E)と共に7日間培養した。Lgr5-GFP- 細胞に由来する腺腫オルガノイドはE条件下では回復しなかった(c: 明視野)。 Lgr5-GFP+ オルガノイドに由来するソーティングされたLgr5-GFP- 細胞。ソーティングされた単一のLgr5-GFP- APCf1/f1腺腫細胞をEGF(E)と共に7日間培養した。Lgr5-GFP- 細胞に由来する腺腫オルガノイドはE条件下では回復しなかった(d: GFP自己蛍光)。 腺腫オルガノイドの組織化学分析。マウス小腸腺腫オルガノイドを、示された組織化学染色(HE、PAS、およびアルカリホスファターゼ)または免疫組織化学染色(クロモグラニンA、Ki67、およびカスパーゼ3)で分析した。 結腸癌オルガノイドの組織化学分析。ヒト結腸癌オルガノイドを、示された組織化学染色(HE、PAS、およびアルカリホスファターゼ)または免疫組織化学染色(クロモグラニンA、Ki67、およびカスパーゼ3)で分析した。 BEオルガノイドの中のパネート細胞。分化したBEオルガノイドの中にリゾチーム+ パネート細胞が観察された。 オルガノイド培養に使用した試薬のリスト。 図11-1の続きを示す図である。 ヒト腸オルガノイド培養の最適化に使用した試薬のリスト。 ヒト腸オルガノイド培養の最適化に使用した低分子阻害剤のリスト。 最もアップレギュレートされた25個の遺伝子のリスト。ヒト小腸オルガノイドまたは結腸オルガノイドに由来するmRNAを、新鮮に単離された小腸絨毛に由来するmRNAとマイクロアレイによって比較した。最もアップレギュレートされた25個の遺伝子を示した。ハッチングラインは、新鮮に単離されたヒト小腸陰窩において、絨毛と比べて上位70個の最もアップレギュレートされた遺伝子に存在した遺伝子を強調する。 最もダウンレギュレートされた25個の遺伝子のリスト。ヒト小腸オルガノイドまたは結腸オルガノイドに由来するmRNAを、新鮮に単離された小腸絨毛に由来するmRNAとマイクロアレイによって比較した。最もダウンレギュレートされた25個の遺伝子を示した。ハッチングラインは、新鮮に単離されたヒト小腸陰窩において、絨毛と比べて上位70個の最もダウンレギュレートされた遺伝子に存在した遺伝子を強調する。 それぞれのオルガノイド培養条件の増殖、分化、およびアポトーシス状況のまとめ。 マウス膵臓オルガノイドのマイクロアレイ比較。(実施例2に記載の条件において培養した)膵臓オルガノイドに由来するRNAを、成体膵臓、成体肝臓、および新生児肝臓に由来するRNAと比較したマイクロアレイクラスタリング分析。左から右へ、i)膵臓オルガノイド; ii)成体膵臓; iii)成体肝臓(試料1[S1]および試料2[2]); iv)成体肝臓S2; ならびにv)新生児肝臓。 マウス膵臓オルガノイドのマイクロアレイ比較。成体肝臓、成体膵臓、拡大培地中の膵臓オルガノイドおよび肝臓オルガノイドにおける、選択された管マーカー、Ngn3発現に必要な転写因子、および内分泌マーカーの発現レベルを比較した、マイクロアレイ分析からのシグナル生データ。 膵臓オルガノイドの拡大に対するノギンの効果。EGFRA中で培養された、したがって、ノギンと共に培養されたことがない膵臓オルガノイド(黒色)と、EGFRAN中で培養された、したがって、ノギンと共に常に培養されたオルガノイド(白色)の遺伝子発現分析を示した棒グラフ。遺伝子発現に対する、膵臓オルガノイドをEGFRA中で2日間培養し、次いで、ノギンを取り除き、さらに2日間または4日間培養した効果(薄い灰色)、および膵臓オルガノイドをEGFRA中で2日間培養し、次いで、ノギンを添加し、さらに2日間または4日間培養した効果(濃い灰色)も示した。mRNAレベル(任意単位)をy軸に示した。以下の初期内分泌マーカーのmRNAをメイン図において分析した: Sox9、Hnf1b、Hnf6、Hnf1a、Nkx2.2、Nkx6.1、およびPdx1。以下の管マーカーのmRNAを挿入図部分において分析した: ケラチン7(Krt7)およびケラチン19(Krt19)。 膵臓オルガノイドの拡大に対するノギンの効果。拡大培養培地中の膵臓オルガノイドにおけるLgr5発現に対するノギンの効果を示した棒グラフ。ノギンと共に培養されたことがない、EGFRA中で培養された膵臓オルガノイド(黒色)と、EGFRAN中で培養された、したがって、ノギンと共に常に培養されたオルガノイド(白色)のデータを提供した。Lgr5遺伝子発現に対する、膵臓オルガノイドをEGFRAN中で培養し、次いで、ノギンを取り除き、さらに6日間培養した効果(薄い灰色)、および膵臓オルガノイドをEGFRA中で培養し、次いで、ノギンを添加し、さらに6日間培養した効果(濃い灰色)も示した。mRNAレベル(任意単位)をY軸に示した。 エクスビボで拡大され、インビボで移植された前駆細胞からヒトインシュリン産生細胞が発生する。P0:(1日目); P0:(5日目); P1:(12日目)およびP3:(24日目)における前駆細胞(膵臓幹細胞)からのヒト膵臓組織の増殖。「P」は継代数を指す。 エクスビボで拡大され、インビボで移植された前駆細胞からヒトインシュリン産生細胞が発生する。マウス腎傍被膜(peri-renal capsule)下へのヒト膵臓オルガノイドの移植を示す。膵臓オルガノイド細胞をレシピエントマウスに移植して3時間後。上の写真のDAPI(核マーカー)染色は全細胞を示す。下の写真のK19(管マーカー)染色は全ての移植細胞を示す。下の写真のインシュリン(β細胞マーカー)はインシュリン産生細胞を示す。 エクスビボで拡大され、インビボで移植された前駆細胞からヒトインシュリン産生細胞が発生する。マウス腎傍被膜(peri-renal capsule)下へのヒト膵臓オルガノイドの移植を示す。膵臓オルガノイド細胞をレシピエントマウスに移植して1ヶ月後。上の写真のDAPI(核マーカー)染色(青色)は全細胞を示す。中央の写真のCK19(管マーカー)発現(緑色)は全ての移植細胞を示す。下の写真のインシュリン(β細胞マーカー)(赤色)はインシュリン産生細胞を示す。インシュリン産生細胞のうち選択したものを丸で囲んだが、はっきりと染色された全ての細胞がインシュリン陽性だと考えられる。 膵臓オルガノイドの遺伝子発現。この表は、肝臓オルガノイドと比較して最もアップレギュレートされた遺伝子の膵臓遺伝子発現を示す。 マウス肝臓オルガノイド培養物は長期培養後に安定した核型を示す。A-24ヶ月間、FGF10、HGF、およびニコチンアミドが添加されたEGF(E)およびR-スポンジン1(R)の中で維持された肝臓オルガノイドのDIC画像(左図、ER)、またはノギン(N)およびWnt3A条件培地(W)が添加された同じ組み合わせの中で維持された肝臓オルガノイドのDIC画像(右図、ENRW)。B-培養状態で8ヶ月後のマウス肝臓オルガノイドの核型分析。正常染色体数(n=40、左パネル図)および典型的な肝細胞特徴である倍数体(n=80、右パネル図)が見出された。 補助因子FGF10、HGF、およびニコチンアミド; 肝臓オルガノイドの増殖および分化への効果。肝芽細胞から成熟肝細胞まで3段階の肝臓発生の間に異なって発現した遺伝子を図示した図。 補助因子FGF10、HGF、およびニコチンアミド; 肝臓オルガノイドの増殖および分化への効果。使用プロトコールを示したスキーム。実験の2日前に、培養物を拡大培地(ERFHNic: FGF10、HGF、およびニコチンアミドが添加されたEGF(E)およびR-スポンジン1(R); 図8BではERFHNicを「ER」と示した)に播種した。2日後に、培養培地を、本文に述べられた濃度で、EGF(E)単独、あるいはFGF10(F)もしくはHGF(H)もしくはニコチンアミド(Nic)またはこれらの組み合わせから選択される付加的なサプリメントを含む、あるいは含まないR-スポンジン1が添加されたEGF(ER)に交換した。5日後に、培養物を各条件について1:4比でスプリットおよびリプレーティングした。これらの条件下で、培養物は計10週間7日ごとにスプリットおよびリプレーティングされている。 補助因子FGF10、HGF、およびニコチンアミド; 肝臓オルガノイドの増殖および分化への効果。試験した培養条件のそれぞれにおける最初のスプリット後の初日。結果から、少なくとも1回継代するために、EGFおよびRスポンジン1と、FGF10もしくはHGFもしくはニコチンアミドまたはこれらの組み合わせが必須であることが分かる。 補助因子FGF10、HGF、およびニコチンアミド; 肝臓オルガノイドの増殖および分化への効果。長期培養後、FNicが添加されたERまたはFHNicが添加されたERの組み合わせを用いると継代数が増える。継代10回の後、3種類の補助因子を含む培養条件、ERFHNicの増殖速度は速い。 補助因子FGF10、HGF、およびニコチンアミド; 肝臓オルガノイドの増殖および分化への効果。(出発点はERFHNicであった)ある特定の因子を取り除いて5日後の異なる肝細胞マーカー(CYP3A11、Alb、FAH)および胆管細胞マーカー(K19)の発現を示したRT-PCR分析。条件EFだけが、試験された全ての肝細胞マーカーの発現を示したことに留意のこと。遺伝子発現を正規化するためのハウスキーピング遺伝子としてHPRTを使用した。 3つの異なる肝臓培養条件に由来する細胞における、および成体肝臓組織における、異なる肝細胞特異的転写因子および胆管細胞特異的転写因子の定量を示した表。Notchシグナル伝達経路およびTGF-βシグナル伝達経路の重要な成分の発現も示した。E=EFHNic、ER=ERFHNic、ENRW=ENRWFHNic。 分化プロトコール。使用プロトコールを示したスキーム。実験の2日前に、培養物を拡大培地(ERFHNic: FGF10、HGF、およびニコチンアミドが添加されたEGF(E)およびR-スポンジン1(R); 図10AではERFHNicを「ER」と示した)に播種した。2日後に、培養培地を、示された濃度で、A8301(A)、もしくはDAPT(D)、もしくはFGF10(F)、もしくはHGF(H)、もしくはニコチンアミド(Nic)、もしくはR-スポンジン1(R)、もしくはWnt3A、もしくはノギン(N)のいずれか、またはこれらの組み合わせが添加されたEGF(E)に交換した。いくつかの時点でRNAを単離した。マウス肝臓組織を陽性対照(+)としたのに対して、水を負の対照(-)とした。 分化プロトコール。分化条件の7日後に、肝細胞マーカーCYP3A11、Alb、FAH、tbx3、TAT、およびGckの発現を示したRT-PCR分析。条件EADFだけが、試験された全ての肝細胞マーカーの発現を示したことに留意のこと。遺伝子発現を正規化するためのハウスキーピング遺伝子としてHPRTを使用した。 分化プロトコール。分化条件後の時間経過発現分析。分化後、2日目、5日目、および8日目に、肝細胞マーカーCYP3A11、Alb、FAH、および胆管細胞マーカーK19の発現をRTPCRによって分析した。肝臓マーカーCYP3A11およびFAHの発現は5日目に開始し、8日目にピークに達することに留意のこと。遺伝子発現を正規化するためのハウスキーピング遺伝子としてHPRTを使用した。A; A8301、D; DAPT、F; FGF10、H; HGF、De; デキサメタゾン。 分化プロトコール。異なる濃度の分化化合物AおよびDの7日後に、肝細胞マーカーCYP3A11、Alb、FAH、tbx3、TAT、G6P、およびGckの発現を示したタイトレーション(titration)実験。遺伝子発現を正規化するためのハウスキーピング遺伝子としてHPRTを使用した。 分化プロトコール。肝臓マーカーK19、アルブミン、および肝細胞表面マーカーの免疫蛍光染色。 分化プロトコール。Albcreert2LacZマウス肝臓由来オルガノイドにおけるXgal染色。タモキシフェン誘導性Albcreert2LacZ由来培養物におけるEADF分化後にアルブミン陽性細胞(矢印)が検出された。 プロスタグランジンシグナル伝達経路(Antagonism of the prostaglandin D2 receptors DP1 and CRTH2 as an approach to treat allergic diseases. Roy Pettipher, Trevor T. Hansel & Richard Armer Nature Reviews Drug Discovery 6, 313-325 (April 2007))。 (A)hEGF(100ng/ml, Invitrogen); ヒトノギン(hノギン)(25ng/ml, peprotech); ガストリン(10nM, Sigma); hFGF10(peprotech); ニコチンアミド(10mM, sigma); A8301(500nM, Tocris); hHGF(50ng/ml, peprotech); Rspo条件培地(10％)を含む基本培地; (B)基本培地+PGE2(50nM); (C)基本培地+CHIR99021(3uM); (D)基本培地+CHIR99021(3uM)+PGE2(50nM)の中で培養された肝臓オルガノイド。 (図25について述べられたように)アラキドン酸を含む基本培地およびアラキドン酸を含まない基本培地の中で培養された肝臓オルガノイド。 分化条件下のマウス肝臓オルガノイドの遺伝子発現プロファイルは成体肝臓プロファイルおよび新生児肝臓プロファイルに似ている。分化条件EADFと成体肝臓または新生児肝臓との間で(a)類似して発現していた遺伝子または(b)類似してシャットダウンされた遺伝子を示す遺伝子クラスター。 分化条件下のマウス肝臓オルガノイドの遺伝子発現プロファイルは成体肝臓プロファイルおよび新生児肝臓プロファイルに似ている。(a)肝臓オルガノイドと成体肝臓または新生児肝臓との間で異なって発現していた遺伝子および(b)EADFと新生児肝臓との間で類似して発現していた遺伝子を示す遺伝子クラスター。 分化条件下のマウス肝臓オルガノイドの遺伝子発現プロファイルは成体肝臓プロファイルおよび新生児肝臓プロファイルに似ている。成体肝臓、成体膵臓、拡大培地中の膵臓オルガノイドおよび肝臓オルガノイドにおける、選択された管マーカー、Ngn3発現に必要な転写因子、および内分泌マーカーの発現レベルを比較したマイクロアレイ分析からのシグナル生データ。 マウス肝臓シグネチャー遺伝子。a)マウス肝臓幹細胞において発現しているマーカー; b)マウス肝臓幹細胞において発現していないマーカー; c)拡大培地中のマウス肝臓オルガノイドのマウス肝臓幹細胞シグネチャーにおいて発現している肝細胞マーカーおよび胆管細胞マーカー; d)拡大培地中のマウス肝臓オルガノイドのマウス肝臓幹細胞シグネチャーにおいて発現していない肝細胞マーカーおよび胆管細胞マーカー; e)マウス肝臓オルガノイドにおいて発現しているリプログラミング遺伝子; f)マウス肝臓オルガノイドにおいて発現していないリプログラミング遺伝子を示した表。これらの結果は、参照RNAとしてUniversalマウス参照RNA(Strategene,カタログ番号740100)を用いて肝臓マイクロアレイを用いて得られた。絶対値が100未満の場合、遺伝子は未検出とみなした。 ヒト肝臓シグネチャー遺伝子。ヒトオルガノイドの肝臓マイクロアレイの結果を示した表。左から右へ、a)拡大培地EM1、b)拡大培地EM2、c)分化培地、d)成体肝臓の結果を示した。左側にある4つの列における数(log2)は、試料と、全てのアレイに用いられた参照(市販)RNA試料とを比較した結果である。参照試料に存在するRNAと比較した、各試料中のmRNAの相対発現を示した。使用した参照RNAは、Universalヒト参照RNA(Stratagene, カタログ番号740000)であった。したがって、これらの列における負の数は真の発現レベルと関係がなく、そのRNAの量が参照試料中のRNAの量より少ないことを意味しているのにすぎない。右側にある4つの列は絶対値である。絶対値が100未満の場合、遺伝子は未検出とみなした。 図29-1の続きを示す図である。 図29-2の続きを示す図である。 図29-3の続きを示す図である。 図29-4の続きを示す図である。 図29-5の続きを示す図である。 図29-6の続きを示す図である。 肝臓オルガノイドの形態。(A)上パネル: 異なる領域(PT=門脈三管、CV=中心静脈)を示したマウス肝臓のパラフィン切片。下パネル: 異なる領域b(単層上皮)およびh(重層上皮)を示した肝臓オルガノイドのパラフィン切片。(B)右パネル: 肝臓オルガノイドにおけるEカドヘリン染色。2つの異なる領域を特定することができる。領域bは、肝臓内の胆管構造に似た単層上皮によって形成された。この胆管領域は、パンサイトケラチン(pancytokeratin)(PCK)陽性染色を示す高度に極性化した細胞によって形成される(下パネル)。左パネルは、肝臓オルガノイド内での別の領域の存在を示す。このh領域は、極性化していない細胞を有する重層上皮によって形成される。細胞は中心管腔を中心にして組織化され、肝細胞マーカーAlbを発現する。倍率10x。 膵臓オルガノイドのH&E染色。マウス膵臓オルガノイドを、8継代(約10週)の間、拡大条件EGFNRA83-01 [(EGF(50ng/ml)、ガストリン(50nM)、ノギン(10％)、Rスポンジン(5％)、FGF10(100ng/ml)、およびA8301(50nM)]の中で培養した。オルガノイドを、BD Cell Recovery Solutionを用いて製造業者の説明書に従ってmatrigelから取り出し、4％パラホルムアルデヒドで室温で1時間、固定した。次いで、オルガノイドを冷PBSで3回、洗浄し、漸増濃度のアルコールで脱水し、パラフィン包埋した。膵臓オルガノイドの組織構造を分析するために3umパラフィン切片をヘマトキシリン・エオシンで染色した。オルガノイドの形状および構造の大きなばらつきが観察された。オルガノイドの一部は、極性化した上皮細胞からなる単層によって形成された嚢胞構造である。他のオルガノイドは、上皮細胞からなる同じ単層、および細胞のサイズがより小さく、丸い形状を有する、いくつかの重層領域を示す。一部のオルガノイドでは、嚢胞構造の内部空間を占める陥入部が観察された。染色から、一部のオルガノイドは主に上皮細胞単層を含むのに対して(左下)、他のオルガノイドは重層領域および/または偽重層領域および/または折り畳まれた単層を含むことが分かる(右下)。ほとんどの膵臓オルガノイドは、重層細胞および単層(時として折り畳まれている)の領域を含む。 フォルスコリン誘導性マウス小腸オルガノイド膨張の定量。フォルスコリンまたはDMSOで刺激したオルガノイドの光学顕微鏡分析。刺激開始後の示された時点の代表例を示した。赤色のラインは内部オルガノイド管腔を示す。スケールバー30μm。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 フォルスコリン誘導性マウス小腸オルガノイド膨張の定量。画像分析ソフトウェアによって物体認識されたカルセイングリーン標識オルガノイドの蛍光共焦点画像(緑色のライン)。スケールバー30μm。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 フォルスコリン誘導性マウス小腸オルガノイド膨張の定量。フォルスコリンで刺激したカルセイングリーン標識オルガノイドの代表例。生細胞共焦点顕微鏡観察を用いて、微分干渉(DIC)および蛍光を視覚化した。t=0に対する表面積を左上の隅に示した。スケールバー30μm。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 フォルスコリン誘導性マウス小腸オルガノイド膨張の定量。1個のウェル内にある11個のオルガノイド1つ1つのt=0に対する表面積(正規化された面積)。平均を黒色で示した(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 フォルスコリン誘導性マウス小腸オルガノイド膨張の定量。フォルスコリン(5μM(n=4分析したオルガノイド数)、5x10-2μM(n=11)、5x10-4μM(n=10)、DMSO n=9))による表面積の用量依存性増加。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 マウスオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張はCFTR依存性である。DMSO(n=8)、CFTR-inh172(n=7)、GlyH-101(n=9)、またはCFTR-inh172およびGlyH-101の両方(n=11)とプレインキュベートした、フォルスコリンで刺激したカルセイングリーン標識オルガノイドの正規化された膨張曲線(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 マウスオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張はCFTR依存性である。フォルスコリンに応答した、カルセイングリーンで標識された野生型オルガノイドまたはCFTR欠損オルガノイドの代表的な共焦点顕微鏡観察画像。スケールバー50μm。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 マウスオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張はCFTR依存性である。野生型(n=6)またはCFTR欠損(n=11)オルガノイドにおけるフォルスコリン誘導性膨張の定量(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 マウスオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張はCFTR依存性である。b、cと同様であるが、野生型(n=8)およびCFTR-F508del(n=12)オルガノイドを対象とする。スケールバー30μm。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 マウスオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張はCFTR依存性である。b、cと同様であるが、野生型(n=8)およびCFTR-F508del(n=12)オルガノイドを対象とする。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 マウスオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張はCFTR依存性である。(c)においてt=0に定量された野生型オルガノイドまたはCFTR欠損オルガノイドの絶対サイズ(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 マウスオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張はCFTR依存性である。CFTR阻害あり(n=20)もしくはCFTR阻害なし(n=15)で37℃で培養された、またはCFTR阻害あり(n=31)もしくはCFTR阻害なし(n=27)で27℃で24時間培養された、カルセイングリーン標識CFTR-F508delオルガノイドのフォルスコリン刺激膨張(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 マウスオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張はCFTR依存性である。CFTR阻害あり(n=15)、もしくはCFTR阻害なし(n=18)でDMSOと24時間プレインキュベートした、またはCFTR阻害あり(n=14)、もしくはCFTR阻害なし(n=26)でCFTRコレクター(corrector)化合物VRT-325とプレインキュベートした、カルセイングリーン標識CFTR-F508delオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 マウスオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張はCFTR依存性である。DMSO(n=16)、VRT-325(n=18)、Corr-4a(n=20)、または両コレクター(n=20)で24時間、前処理したCFTR-F508delオルガノイドの正規化されたフォルスコリン誘導性膨張(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 ヒト健常対照オルガノイドまたは嚢胞性線維症オルガノイドにおけるフォルスコリン誘導性膨張。DMSO、CFTRinh-172、GlyH-101、またはCFTRinh-172およびGlyH-101の両方とプレインキュベートしたフォルスコリン誘導性オルガノイド膨張の定量(n=5、n=7、n=8、n=10)(平均±s.e.m.)。結果は、少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 ヒト健常対照オルガノイドまたは嚢胞性線維症オルガノイドにおけるフォルスコリン誘導性膨張。4人の個々の健常対照(1～4: n=30、n=18、n=13、n=42)および1人のCF CFTR-F508delホモ患者(n=30)に由来するオルガノイドのフォルスコリンで刺激した膨張(平均±s.e.m.)。結果は、少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 ヒト健常対照オルガノイドまたは嚢胞性線維症オルガノイドにおけるフォルスコリン誘導性膨張。CFTR阻害ありもしくはCFTR阻害なしで37℃または27℃で24時間培養した、フォルスコリン誘導性カルセイングリーン標識CFTR-F508delオルガノイドの正規化された膨張(全ての条件についてn=10)(平均±s.e.m.)。結果は、少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 ヒト健常対照オルガノイドまたは嚢胞性線維症オルガノイドにおけるフォルスコリン誘導性膨張。CFTRの薬理学的操作の後にフォルスコリンに応答したカルセイングリーン標識HC由来オルガノイドまたはCF患者由来オルガノイドの代表的な共焦点顕微鏡観察画像。スケールバー60μm。各ラインは、1人1人につき少なくとも3回の独立した実験から平均したオルガノイド膨張を表す。 図34d-1の続きを示す図である。 ヒト健常対照オルガノイドまたは嚢胞性線維症オルガノイドにおけるフォルスコリン誘導性膨張。DMSO、VRT-325、Corr-4a、または両コレクターで24時間、前処理したCFTR-F508delオルガノイドの正規化されたフォルスコリン誘導性膨張(全ての条件についてn=10)(平均±s.e.m.)。結果は、少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 ヒト健常対照オルガノイドまたは嚢胞性線維症オルガノイドにおけるフォルスコリン誘導性膨張。コレクターVX-809、VX-770刺激(フォルスコリンと同時)、もしくはVX-809およびVX-770処理の組み合わせの24時間前処理あり、またはコレクターVX-809、VX-770刺激(フォルスコリンと同時)、もしくはVX-809およびVX-770処理の組み合わせの24時間前処理なしでフォルスコリンに応答したCF患者由来オルガノイド膨張(全ての条件についてn=10)(平均±s.e.m.)。結果は、少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 ヒト健常対照オルガノイドまたは嚢胞性線維症オルガノイドにおけるフォルスコリン誘導性膨張。HCオルガノイドと比較した、DMSO処理(対照)またはeおよびfからの組み合わせ化合物処理後のオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張(全ての条件についてn=10)(平均±s.e.m.)。結果は、少なくとも3回の独立した実験を代表するものである。 フォルスコリンまたはDMSOで刺激した野生型マウスオルガノイドの光学顕微鏡分析。刺激開始後の示された時点の代表例を示した。洗浄によってフォルスコリンを除去した際にオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張(FIS)は逆転した。 CFTR mRNAはマウスオルガノイドおよびヒトオルガノイドにおいて発現している。バーは、CFTR-F508del(左グラフ)もしくはCFTR-/-(中央グラフ)オルガノイドおよびこれらの対応する野生型、またはヒトオルガノイドから単離された、CFTR、β2m、またはGAPDHのmRNAレベルを表すリアルタイムPCRサイクル閾値(CT)を示す。 段階的なフォルスコリン誘導性膨張はオルガノイド崩壊を阻止する。フォルスコリンによって刺激した個々の(a)野生型オルガノイド、(b)CFTR-F508del(温度レスキュー(temperature rescued))オルガノイド、および(c)ヒト(5％Wnt3a-条件培地、WCM)オルガノイドの正規化された表面積増加。異なるオルガノイドタイプのフォルスコリン誘導性膨張の平均を、10分(図1d、e+2a、c、e)、20分(図2g)、または40分(図2h、i+2a～c)(破線)まで分析した。 コレクター化合物処理によるFISの増加はCFTR依存性である。CFTRを阻害して、またはCFTRを阻害せずに、DMSOと、またはVRT-325およびCorr-4aの両方と24時間プレインキュベートしたカルセイングリーン標識ヒトCFTR-F508delオルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張(全ての条件についてn=10)(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の異なる実験を代表するものである。 ヒトオルガノイドにおけるコレラ毒素誘導性オルガノイド膨張はCFTR依存性である。フォルスコリンおよびコレラ毒素はHC由来オルガノイドの膨張を誘導するが、CFTR-F508delオルガノイドの膨張を誘導しない。コレラ毒素反応は、頂端の(apical)細胞外機能のためにフォルスコリンと比較して遅い(全ての条件についてn=10)(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の異なる実験を代表するものである。 ノーマルまたは低Wnt3a培養条件におけるヒトオルガノイド。ノーマル(50％、左パネル)または低(5％、右パネル)Wnt3a条件培地(WCM)濃度で培養したヒトオルガノイドの光学顕微鏡画像。スケールバー400μm。結果は少なくとも3回の異なる実験を代表するものである。 ノーマルまたは低Wnt3a培養条件におけるヒトオルガノイド。ノーマルWnt3a条件または低Wnt3a条件におけるフォルスコリン誘導性膨張の代表例。スケールバー50μm。破線は内部オルガノイド管腔を示す。結果は少なくとも3回の異なる実験を代表するものである。 ノーマルまたは低Wnt3a培養条件におけるヒトオルガノイド。DMSO、CFTRinh-172、GlyH-101、またはCFTRinh-172およびGlyH-101の両方とプレインキュベートした、ノーマルWnt3aレベルでのフォルスコリン誘導性オルガノイド膨張の定量(n=29、n=41、n=26、n=15)(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の異なる実験を代表するものである。 ノーマルまたは低Wnt3a培養条件におけるヒトオルガノイド。50％(n=9)または5％(n=12)Wnt3a条件培地(WCM)濃度で培養した低継代出芽オルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張の定量値を2回の独立した実験から平均した(平均±s.e.m.)。結果は少なくとも3回の異なる実験を代表するものである。 前立腺オルガノイドのH&E染色。マウス前立腺上皮の組織断片をmatrigelに埋め込んだ。拡大中の細胞を毎週スプリットした。培養物は、遺伝子安定性も増殖能も失わせることなく長期間、維持することができる。図41は、3ヶ月後のオルガノイド培養物の前立腺上皮と前立腺それ自体の前立腺上皮との比較を示す。マウス前立腺オルガノイドを、テストステロンの存在下または非存在下でENR(EGF、ノギン、およびRスポンジン)を含有する培地中で増殖させた。ヒト培養物はTGF-β阻害剤の添加を必要とする。固定およびパラフィン包埋のH&Eはインビボでの上皮の様々なレベルの重層(stratification)および折り畳みを証明する。培養前立腺オルガノイドは折り畳みおよび重層において類似した多様性を示す。 図41-1の続きを示す図である。 前立腺オルガノイドのCK8(分化マーカー)染色。マウス前立腺上皮の組織断片をmatrigelに埋め込んだ。拡大中の細胞を毎週スプリットした。培養物は、遺伝子安定性も増殖能も失わせることなく長期間、維持することができる。図42は、CK8を発現する管腔細胞の存在を示す。培養物を、テストステロンの存在下または非存在下でENR(EGF、ノギン、およびRスポンジン)を含有する培地中で増殖させた。ヒト培養物はTGF-β阻害剤の添加を必要とする。テストステロンの添加によって、CK8陽性管腔細胞への分化が可能になると同時に、幹細胞の維持および拡大が刺激される。テストステロンはまた上皮の重層および折り畳みも増加させる。 図42-1の続きを示す図である。 25週間培養した後のマウス前立腺。前立腺オルガノイドを、EGF、ノギン、Rスポンジン、NAC、B27、グルタミン/max、pen/strep、Ad-DMEM/F12+テストステロンの中で増殖させた。オルガノイドの形状は組織の起源(単離前の前立腺内での位置)によって決まる。前立腺は様々な葉または領域からなる。様々な領域が特異的な上皮構造(重層および折り畳み)を示す。インビトロ培養後に、オルガノイドは、オルガノイドが得られた前立腺部分の肉眼で見える様々な構造(重層または折り畳み)を維持しているように見える。 図43-1の続きを示す図である。 図43-2の続きを示す図である。 3週間のヒト前立腺培養物のPCR。正常前立腺上皮および癌前立腺上皮を単離し、ENRFGF10、ENRF+DHT、WENRF、WENRF+DHT、ENR、ENR+DHT培養条件において3週間、増殖させた。全ての培養条件がA83、P38i、およびニコチンアミドを含有した。RNAを単離し、前立腺上皮マーカーについてRT-PCRを行った。正常組織および腫瘍組織において、管腔マーカーCK18、CK8、およびB-MSPが発現している。全ての培養条件がARを発現する。正常組織の全ての培養条件において、DHTを添加するとAR発現が増加する。腫瘍組織では、AR発現はDHT添加の影響を受けない。全ての培養条件において、基底上皮マーカーCK14、CK5、およびp63が発現している。正常組織のENRF条件下で推定幹細胞マーカーLGR5が発現している。腫瘍組織の全ての培養条件においてDHTの添加によってLGR5発現が誘導された。TNFRSF19も推定幹細胞マーカーであり、正常組織および腫瘍組織の全ての条件において発現している。全ての条件において前立腺特異的転写因子NKX3.1が発現している。テストステロン添加は、前立腺の異なる細胞タイプ(基底および管腔)のマーカーを維持しながら増殖/倍加を増大させる。レーン1: ライン1 ENRF正常組織、レーン2: ライン1 ENRF+1nM DHT正常組織、レーン3: ライン2 WENRF正常組織、レーン4: ライン2 WENRF+1nM DHT正常組織、レーン5: ライン3 ENR正常組織、レーン6: ライン3 ENR+1nM DHT正常組織、レーン7: 前立腺正常組織全体、レーン8: H2O、レーン9: ライン1 ENRF腫瘍組織、レーン10: ライン1 ENRF+1nM DHT腫瘍組織、レーン11: ライン2 WENRF腫瘍組織、レーン12: ライン2 WENRF+1nM DHT腫瘍組織、レーン13: ライン3 ENR腫瘍組織、レーン14: ライン3 ENR+1nM DHT腫瘍組織、レーン15: 前立腺腫瘍組織全体、レーン16: H2O。 ENRF+1nM DHT条件下で増殖させたヒトオルガノイドの2枚の代表的な写真。 マウス前立腺オルガノイドのPCR。3つの生物学的に独立したラインをENRまたはENR+1nM DHT条件下で培養した。RNAを単離し、前立腺上皮マーカーについてRT-PCRを行った。両培養条件において、管腔前立腺マーカーであるサイトケラチン18(CK18)およびサイトケラチン8(CK8)は広範囲に発現している。アンドロゲン受容体(AR)は両条件において発現している。基底マーカーp63およびサイトケラチン5(CK5)は両培養条件において発現しているが、DHT基底マーカーが添加されるとダウンレギュレートされる。DHTが添加されると、推定幹細胞マーカーLgr5およびTnfrsf19はダウンレギュレートされる。しかしながら、これらの条件下では幹細胞性は維持されるが、分化細胞も存在する。これらの条件は無限の細胞拡大を可能にする(今までに、1週間に2.5回の集団倍加で9ヶ月間)。全ての培養物が前立腺特異的マーカーNkx3.1陽性である。テストステロン添加は、前立腺の異なる細胞タイプ(基底および管腔)のマーカーを維持しながら、増殖/倍加を3倍まで増大させる。レーン1: ライン1 ENR、レーン2: ライン1 ENR+1nM DHT、レーン3: ライン2 ENR、レーン4: ライン2 ENR+1nM DHT、レーン5: ライン3 ENR、レーン6: ライン3 ENR+1nM DHT、レーン7: マウス前立腺全体、レーン8: H2O。 胃(stomach)(胃(gastric))オルガノイド。ヒト胃オルガノイド。組織を体部から単離した。細胞を、胃オルガノイド培地(EGF、ノギン、Rスポンジン、Wnt、ニコチンアミド、FGF10、ガストリン、TGF-β阻害剤(A8301))の中で培養した。細胞を毎週スプリットした。この写真は、培養して2ヶ月後に撮影された。 胃(stomach)(胃(gastric))オルガノイド。ヒト胃オルガノイド。組織を体部から単離した。細胞を、胃オルガノイド培地(EGF、ノギン、Rスポンジン、Wnt、ニコチンアミド、FGF10、ガストリン、TGF-β阻害剤(A8301))の中で培養した。細胞を毎週スプリットした。培養して2週間後に培養物を固定およびパラフィン切片化した後のH&E染色および異なる抗体染色。これは、以下の細胞の存在を示す: ムチン産生細胞についてはPAS; 表面小窩粘液細胞についてはMuc5Ac; 胃腺頚部粘液細胞についてはMuc6。H&E染色は、極性化した上皮からなる単層を示す。 前立腺組織の単離。実施例8(UCSFからの写真)を参照されたい。 マウスオルガノイドを、異なる用量の組換えマウスRANKLの存在下で72時間培養した。RANK、転写因子SpiB、ならびにM細胞特異的マーカーGP2およびアネキシンVのmRNA発現レベルをqPCRによって求めた。 100ng/ml RANKLと共に72時間培養したマウスオルガノイドにおけるGP2(矢印を参照されたい)およびアネキシンV(矢印を参照されたい)発現の共焦点分析。 ヒトオルガノイドを、異なる用量の組換えヒトRANKLの存在下で7日間培養した。RANK、SipB、およびM細胞特異的マーカーGP2のmRNA発現レベルをqPCRによって確かめた。EM: 拡大培地; DM: 分化培地。
詳細な説明
本発明によれば、1種または複数種のセリン/スレオニンプロテインキナーゼ標的に結合しかつその活性を低減する少なくとも1種または複数種の阻害剤を含み、少なくとも3ヶ月間、好ましくは、少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長く幹細胞集団の連続増殖を可能にする作用を有する、幹細胞集団を拡大させるための培養培地が提供される。
阻害剤
本発明の第1の局面に従って用いられる培養培地は、TGF-βシグナル伝達またはp38シグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する任意の阻害剤を含む。好ましい態様において、本発明の培養培地は、TGF-βシグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する阻害剤を含む。一部の態様において、本発明の培養培地は、TGF-βを直接的または間接的に負に調節する阻害剤およびp38シグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する阻害剤を含む。さらなる態様において、本発明の培養培地はRスポンジンまたはRスポンジン模倣体を付加的に含む。
1種または複数種の阻害剤は、好ましくは、TGF-β受容体キナーゼ1、ALK4、ALK5、ALK7、p38を含む群より選択されるセリン/スレオニンプロテインキナーゼを標的とする。これらのキナーゼのいずれか1つの阻害剤は、これらの分子のいずれか1つ(または複数)の酵素活性を低減する阻害剤である。ALKおよびp38キナーゼの阻害はB細胞リンパ腫に関連することが以前に示されている(Bakkebo M Huse K, Hilden VI, Smeland EB, Oksvold MP, 「TGF-beta-induced growth inhibition in B-cell lymphoma correlates with Smad1/5 signalling and constitutively active p38 MAPK」, BMC Immunol. 11:57, 2010)。この刊行物において、TGF-β感受性細胞株が高い細胞表面レベルのALK-5を発現し、p38の構成的リン酸化がTGF-β感受性細胞株に限定されると見出された。p38 MAPKを阻害するとTGF-βに対する感受性が低下した。このことは、Smad1/5リン酸化がB細胞リンパ腫におけるTGF-βの抗増殖作用に重要であることを示唆している。この結果は、TGF-β誘導性抗増殖作用の調節におけるp38 MAPKの役割を示している。
理論に拘束されるつもりはないが、本発明者らは、ALKおよびp38が、幹細胞、特に、ヒト上皮幹細胞の長期維持を負に調節する経路に属すると提唱する。本発明者らは、この経路において任意のレベルで作用する阻害剤が、例えば、Smad1/5シグナル伝達を阻害することによって作用する阻害剤を含めて、幹細胞培養にも有益であると仮説を立てている。SmadはTGF-βシグナル伝達において重要な役割を果たしている。
一部の態様において、本発明の阻害剤は、TGF-β受容体キナーゼ1、ALK4、ALK5、ALK7、p38を含む群より選択されるセリン/スレオニンプロテインキナーゼに結合し、かつその活性を低減する。
本発明の一部の態様において、培養培地はTGF-β阻害剤を含む。TGF-β阻害剤とは、TGF-βシグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する任意の阻害剤を意味する。一部の態様において、本発明の培養培地は、ALK5、ALK4、TGF-β受容体キナーゼ1、およびALK7からなる群より選択される1種または複数種のセリン/スレオニンプロテインキナーゼに結合しかつその活性を低減する1種または複数種のTGF-β阻害剤を含む。
ALK4、ALK5、およびALK7は全て、TGF-βスーパーファミリーの密接に関連する受容体である。ALK4のGI番号は91である。ALK5(TGF-β受容体キナーゼ1とも知られる)のGI番号は7046である。ALK7のGI番号は658である。1つの態様において、本発明による阻害剤は、ALK4、ALK5(TGF-β受容体キナーゼ1)、および/またはALK7に結合し、かつその活性を低減する。別の態様において、TGF-β受容体は、Smadタンパク質、例えば、R-SMADまたはSMAD1-5(すなわち、SMAD1、SMAD2、SMAD3、SMAD4、またはSMAD5)に結合し、かつその活性を低減する。好ましい態様において、本発明の培養培地はALK5阻害剤を含む。
物質がTGF-β阻害剤であるかどうか確かめるための様々な方法が公知である。例えば、ルシフェラーゼレポーター遺伝子を動かす、ヒトPAI-1プロモーターまたはSmad結合部位を含むレポーター構築物が細胞に安定にトランスフェクトされている細胞アッセイが用いられてもよい。対照群と比較したルシフェラーゼ活性の阻害は化合物活性の尺度として使用することができる(De Gouville et al., Br J Pharmacol. 2005 May; 145(2): 166-177)。別の例は、キナーゼ活性測定用のAlphaScreen(登録商標)ホスホセンサーアッセイである(Drew A E et al., Comparison of 2 Cell-Based Phosphoprotein Assays to Support Screening and Development of an ALK Inhibitor J Biomol Screen. 16(2) 164-173, 2011)。
様々なTGF-β阻害剤が当技術分野において公知である(例えば、表1を参照されたい)。一部の態様において、TGF-βシグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する阻害剤は、A83-01、SB-431542、SB-505124、SB-525334、SD-208、LY-36494、およびSJN-2511からなる群より選択される。
本発明の一部の態様において、培養培地はp38阻害剤を含む。p38阻害剤とは、p38シグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する任意の阻害剤を意味する。一部の態様において、本発明による阻害剤はp38(GI番号1432)に結合し、かつその活性を低減する。p38プロテインキナーゼは、マイトジェン活性化プロテインキナーゼ(MAPK)ファミリーの一部である。MAPKは、環境ストレスおよび炎症サイトカインなどの細胞外刺激に応答し、遺伝子発現、有糸分裂、分化、増殖、および細胞生存/アポトーシスなどの様々な細胞活性を調節するセリン/スレオニン特異的プロテインキナーゼである。p38 MAPKは、α、β、β2、γ、およびδアイソフォームとして存在する。p38阻害剤は、少なくとも1つのp38アイソフォームに結合しかつその活性を低減する薬剤である。物質がp38阻害剤かどうか決定するための様々な方法が公知であり、本発明と共に使用することができる。例には、細胞p38の活性化または阻害の十分に確立した測定法を提供する、Thr180/Tyr182リン酸化のリン酸化部位特異的抗体検出;生化学的組換えキナーゼアッセイ;腫瘍壊死因子α(TNFα)分泌アッセイ;およびp38阻害剤用のDiscoverRxハイスループットスクリーニングプラットフォーム(http://www.discoverx.com/kinases/literature/biochemical/collaterals/DRx_poster_p38%20KBA.pdfを参照されたい)が含まれる。いくつかのp38活性アッセイキットも存在する(例えば、Millipore, Sigma-Aldrich)。
本発明者らは、一部の態様において、高濃度(例えば、100nM超、または1uM超、10uM超、または100uM超)のp38阻害剤がTGF-β阻害作用を有する可能性があると仮説を立てている。しかしながら、本発明者らはこの仮説によって束縛されたくはなく、他の態様では、p38阻害剤はTGF-βシグナル伝達を阻害しない。
様々なp38阻害剤が当技術分野において公知である(例えば、表1を参照されたい)。一部の態様において、p38シグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する阻害剤は、SB-202190、SB-203580、VX-702、VX-745、PD-169316、RO-4402257、およびBIRB-796からなる群より選択される。本発明のさらなる態様において、培養培地は、a)ALK4、ALK5、およびALK7からなる群に由来するキナーゼのいずれか1つまたは複数に結合しかつその活性を低減する阻害剤;ならびにb)p38に結合しかつその活性を低減する阻害剤を両方とも含む。好ましい態様において、培養培地は、ALK5に結合しかつその活性を低減する阻害剤、およびp38に結合しかつその活性を低減する阻害剤を含む。
1つの態様において、本発明による阻害剤は、細胞アッセイによって評価された時に、阻害剤の標的(例えば、TGF-βまたはp38)に結合し、かつ該標的の活性を、対照と比較して10％超;30％超;60％超;80％超;90％超;95％超;または99％超低減する。標的阻害を測定するための細胞アッセイの例は前記のように当技術分野において周知である。
本発明による阻害剤のIC50値は、2000nMもしくは2000nM未満;1000nM未満;100nM未満;50nM未満;30nM未満;20nM未満または10nM未満でもよい。IC50値は、阻害剤による標的の生物学的機能または生化学的機能の阻害における阻害剤の有効性をいう。IC50は、キナーゼを50％阻害するために特定の阻害剤がどれくらい必要かを示す。IC50値は、前記で示したアッセイ方法に従って計算することができる。
本発明による阻害剤は、競合的に、非競合的に、不競合的に、または混合阻害によって作用してもよい。例えば、ある特定の態様では、阻害剤は、標的キナーゼのATP結合ポケットの競合阻害剤でもよい。
本発明による阻害剤は、天然のまたは改変された基質、酵素、受容体、有機低分子、例えば、2000Daまでの、好ましくは、800Da以下の天然または合成の有機低分子、ペプチドミメティック、無機分子、ペプチド、ポリペプチド、アンチセンスオリゴヌクレオチドアプタマー、およびこれらの低分子の構造ミメティクまたは機能ミメティクを含む様々な形で存在してよい。本発明による阻害剤はまたアプタマーでもよい。本明細書で使用する「アプタマー」という用語は、高度に特異的な三次元コンホメーションをとることができるオリゴヌクレオチド(DNAまたはRNA)の鎖をいう。アプタマーは、細胞外タンパク質よび細胞内タンパク質を含む、ある特定の標的分子に対して高い結合親和性および特異性をとるように設計されている。
例えば、阻害剤は、50～800Da、80～700Da、100～600Daまたは150～500Daの分子量を有する合成低分子でもよい。
一部の態様において、低分子阻害剤は、ピリジニルイミダゾールまたは2,4-二置換プテリジンまたはキナゾリンを含み、例えば、以下を含む。
Figure 0007275196000001
本発明に従って使用することができる阻害剤の具体例には、SB-202190、SB-203580、SB-206718、SB-227931、VX-702、VX-745、PD-169316、RO-4402257、BIRB-796、A83-01、SB-431542、SB-505124、SB-525334、LY364947、SD-208、SJN2511(表1を参照されたい)が含まれるが、これに限定されない。本発明の培養培地は、表1に列挙された阻害剤のいずれかの1つまたは複数を含んでもよい。本発明の培養培地は、ある阻害剤と列挙された別の阻害剤との任意の組み合わせを含んでもよい。例えば、本発明の培養培地は、SB-202190またはSB-203580またはA83-01を含んでもよい。または、本発明の培養培地はSB-202190およびA83-01を含んでもよい。または、本発明の培養培地はSB-203580およびA83-01を含んでもよい。当業者であれば、本発明による標的に結合しかつその活性を低減する他の阻害剤および阻害剤の組み合わせが、本発明による培養培地または培養培地サプリメントに含まれてもよいことを認めるだろう。
阻害剤のIC50値を考慮に入れて、培養培地には本発明による阻害剤が適切な最終濃度まで添加されてもよい。
例えば、培養培地には50nM～100uM、または100nM～50uM、または1uM～50uMの濃度のSB-202190が添加されてもよい。例えば、培養培地には約10uMのSB-202190が添加されてもよい。
培養培地には50nM～100uM、または100nM～50uM、または1uM～50uMの濃度のSB-203580が添加されてもよい。例えば、培養培地には約10uMのSB-203580が添加されてもよい。
培養培地には、50nM～100uM、または100nM～50uM、または1uM～25uMの濃度のVX-702が添加されてもよい。例えば、培養培地には約5uMのVX-702が添加されてもよい。
培養培地には、10nM～50uM、または50nM～50uM、または250nM～10uMの濃度のVX-745が添加されてもよい。例えば、培養培地には約1uMのVX-745が添加されてもよい。
培養培地には、100nM～200uM、または200nM～100uM、または1uM～50uMの濃度のPD-169316が添加されてもよい。例えば、培養培地には約20uMのPD-169316が添加されてもよい。
培養培地には、10nM～50uM、または50nM～50uM、または500nM～10uMの濃度のRO-4402257が添加されてもよい。例えば、培養培地には約1uMのRO-4402257が添加されてもよい。
培養培地には、10nM～50uM、または50nM～50uM、または500nM～10uMの濃度のBIRB-796が添加されてもよい。例えば、培養培地には約1uMのBIRB-796が添加されてもよい。
培養培地には、10nM～10uM、または20nM～5uM、または50nM～1uMの濃度のA83-01が添加されてもよい。例えば、培養培地には約500nMのA83-01が添加されてもよい。
培養培地には、80nM～80uM、または100nM～40uM、または500nM～10uMの濃度のSB-431542が添加されてもよい。例えば、培養培地には約1uMのSB-431542が添加されてもよい。
培養培地には、40nM～40uM、または80nM～20uM、または200nM～1uMの濃度のSB-505124が添加されてもよい。例えば、培養培地には約500nMのSB-505124が添加されてもよい。
培養培地には、10nM～10uM、または20nM～5uM、または50nM～1uMの濃度のSB-525334が添加されてもよい。例えば、培養培地には約100nMのSB-525334が添加されてもよい。
培養培地には、40nM～40uM、または80nM～20uM、または200nM～1uMの濃度のLY36494が添加されてもよい。例えば、培養培地には約500nMのLY36494が添加されてもよい。
（表１）本発明による例示的な阻害剤
Figure 0007275196000002
Figure 0007275196000003
培養培地には、40nM～40uM、または80nM～20uM、または200nM～1uMの濃度のSD-208が添加されてもよい。例えば、培養培地には約500nMのSD-208が添加されてもよい。
培養培地には、40nM～40uM、または80nM～20uM、または200nM～1uMの濃度のLY364947が添加されてもよい。例えば、培養培地には約500nMのLY364947が添加されてもよい。
培養培地には、20nM～20uM、または40nM～10uM、または100nM～1uMの濃度のSJN2511が添加されてもよい。例えば、培養培地には約200nMのSJN2511が添加されてもよい。
したがって、一部の態様において、培養培地には、TGF-βシグナル伝達またはp38シグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する阻害剤は、1nM～100μM、10nM～100μM、100nM～10μM、または約1μMの濃度で添加され、例えば、1種または複数種の阻害剤の総濃度は10nM～100μM、100nM～10μM、または約1μMである。
阻害剤に加えて、細胞培養培地は、一般的に、培養細胞の維持および/または拡大を支持するのに必要な多数の成分を含有する。したがって、本発明の細胞培地は、通常、本発明による阻害剤に加えて他の多くの成分を含有する。以下の開示を考慮に入れて、当業者であれば、成分の適切な組み合わせを容易に処方することができる。本発明による培養培地は、一般的に、標準的な細胞培養成分、例えば、下記でさらに詳述されるようなアミノ酸、ビタミン、無機塩、炭素エネルギー源、および緩衝液を含む栄養液である。培養に含まれ得る他の標準的な細胞培養成分には、ホルモン、例えば、プロゲステロン、タンパク質、例えば、アルブミン、カタラーゼ、インシュリン、およびトランスフェリンが含まれる。これらの他の標準的な細胞培養成分は「基本」培地を構成する。
本発明による培養培地は、既存の細胞培地を改良することによって作製されてもよい。当業者であれば、一般知識から、幹細胞培養に使用され得る培養培地のタイプを理解するであろう。潜在的に適切な細胞培養培地は市販されており、ダルベッコ変法イーグル培地(DMEM)、最小必須培地(MEM)、ノックアウト-DMEM(KO-DMEM)、グラスゴー最小必須培地(G-MEM)、基本培地イーグル(BME)、DMEM/ハムF12、Advanced DMEM/Ham's F12、イスコフ変法ダルベッコ培地および最小必須培地(MEM)、ハムF-10、ハムF-12、培地199、ならびにRPMI1640培地を含むが、これに限定されない。したがって、一部の態様において、TGF-βシグナル伝達またはp38シグナル伝達を直接的または間接的に負に調節する阻害剤が添加され、任意で、本明細書に記載の1種または複数種の他の成分が添加される基本培地として、これらの既存の細胞培養培地の1つが用いられる。
一部の態様において、本発明の培養培地は、BMP阻害剤、Wntアゴニスト、受容体型チロシンキナーゼリガンド、Rock阻害剤、ニコチンアミド、およびガストリンより選択される1種または複数種の付加的な成分を含む。一部の態様において、本発明の培養培地は、Rスポンジン1～4のいずれか1つおよび/またはRスポンジン模倣体、TGF-β阻害剤、BMP阻害剤(例えば、ノギン)、ならびにWntアゴニスト(例えば、Wnt(3a))を含む。
一部の態様において、本発明の培養培地は、Rスポンジン1～4のいずれか1つおよび/またはRスポンジン模倣体、BMP阻害剤(例えば、ノギン)、TGF-β阻害剤、受容体型チロシンキナーゼリガンド(例えば、EGF)、ニコチンアミド、Wntアゴニスト(例えば、Wnt(3a))を含み、かつ任意で、p38阻害剤、ガストリン、FGF10、HGF、およびRock阻害剤より選択される1種または複数種の付加的な成分を含む。下記でさらに詳細に説明されるように、特定の組織に由来する細胞を培養するための培養培地を最適化するために、任意の付加的な成分が添加されてもよい。
本発明の培養培地は、1種または複数種の骨形成タンパク質(BMP)阻害剤を含んでもよい。BMPリガンドは、2つのI型受容体および2つのII型受容体からなる、4部からなる(quadripartite)膜貫通セリン/スレオニンキナーゼ受容体複合体を構築することによって二量体としてシグナルを発する。複合体が構築されるとリン酸化カスケードが開始し、それによって、BMP応答性Smads1/5/8が活性化され、転写活性が変化する。好都合なことに、本発明者らは、BMP阻害剤がLgr5発現を促進することを示し、そのため、本発明の培養培地中のBMP阻害剤の存在は、BMP阻害剤が存在しない場合より多くの増殖性オルガノイドをもたらす可能性が高い(例えば、実施例3を参照されたい)。したがって、BMP阻害剤は、本発明の拡大培地の有利な成分である。したがって、BMP阻害剤の使用は、細胞を分化させることなく、細胞を少なくとも3ヶ月間(例えば、少なくとも4ヶ月間、5ヶ月間、6ヶ月間、7ヶ月間、8ヶ月間、または9ヶ月間)培養することが望ましい時の拡大培地の使用において有利である。
ノギン(Peprotech)、コーディンおよびコーディンドメインを含むコーディン様タンパク質(R&D systems)、フォリスタチンおよびフォリスタチンドメインを含むフォリスタチン関連タンパク質(R&D systems)、DANおよびDANシステインノットドメインを含むDAN様タンパク質(R&D systems)、スクレロスチン/SOST(R&D systems)、ならびにα-2マクログロブリン(R&D systems)を含む、いくつかの天然BMP結合タンパク質クラスが公知である。BMP阻害剤は、BMP分子に結合して、BMP活性が低下した複合体を形成する薬剤、例えば、BMP分子とBMP受容体との結合を阻止または阻害することによってBMP活性が低下した複合体を形成する薬剤である。または、阻害剤は、BMP受容体に結合し、BMPリガンドと受容体との結合を阻止する薬剤、例えば、受容体に結合する抗体でもよい。BMP阻害剤はタンパク質または低分子でもよく、天然でもよく、改変されてもよく、および/または部分的もしくは完全に合成でもよい。本発明の培養培地のBMP阻害剤は、ノギン、DAN、またはケルベロス(Cerberus)およびグレムリン(Gremlin)(R&D systems)を含むDAN様タンパク質でもよい。これらの拡散性タンパク質は様々な程度の親和性でBMPリガンドに結合し、BMPリガンドがシグナル伝達受容体に接近するのを阻害することができる。本発明の培養培地において使用するための好ましいBMP阻害剤はノギンである。ノギンは任意の適切な濃度で使用することができる。一部の態様において、本発明の培養培地の基本培地は、約10ng/ml～約100ng/mlのノギンを含んでもよい。例えば、培養培地は、少なくとも10ng/mlのノギン、少なくとも20ng/mlのノギン、少なくとも50ng/mlのノギン、少なくとも100ng/mlのノギン、約100ng/mlのノギン、または100ng/mlのノギンを含んでもよい。一部の態様において、培養培地は、200ng/ml未満のノギン、150ng/ml未満のノギン、100ng/ml未満のノギン、75ng/ml未満のノギン、50ng/ml未満のノギン、または30ng/ml未満のノギンを含んでもよい。培養培地には培養中1日おきに、または培養中毎日、または2日おきに、3日おきに、4日おきに、または必要に応じてBMP阻害剤が添加されてもよい。BMP阻害剤は、特に有利な拡大培地成分、例えば、膵臓幹細胞、小腸幹細胞、結腸幹細胞、肝臓幹細胞、前立腺幹細胞を拡大させるための特に有利な拡大培地成分である。しかしながら、ノギンは一部の分化を阻止することが示されている(例えば、実施例3を参照されたい)。したがって、一部の態様において、本発明の分化培地からBMP阻害剤が排除される。
一部の態様において、BMP阻害剤と共に培養された細胞は、BMP阻害剤なしで培養された細胞と比較してLgr5発現がアップレギュレートされている。したがって、BMP阻害剤を添加すると、典型的には、より多くの増殖性オルガノイドが得られる。膵臓細胞が管細胞(ケラチン7および19発現を参照されたい)ならびに内分泌細胞に分化させるのにBMP活性が有用であると文献に述べられているので、これは驚くべきことである。したがって、当業者であれば、増殖を減少させ、分化を増加させるために、ノギンなどのBMP阻害剤を含めることを予想するだろう。しかしながら、驚いたことに、本発明者らは、BMP阻害剤の使用が多くの増殖性オルガノイドおよび高いLgr5発現をもたらすので有利であると発見した。本発明の培養培地は1種または複数種のWntアゴニストを含んでもよい。Wntシグナル伝達経路はWntタンパク質がFrizzled受容体ファミリーメンバーの細胞表面受容体に結合した時に起こる一連の事象によって定義される。これは、細胞内β-カテニンを分解する、axin、GSK-3、およびタンパク質APCを含むタンパク質複合体を阻害するディシブルド(Dishevelled)ファミリータンパク質の活性化をもたらす。結果として生じた高濃度の核β-カテニンはTCF/LEFファミリー転写因子によって転写を高める。Wntアゴニストは、細胞内でTCF/LEFを介した転写を活性化する薬剤と定義される。したがって、Wntアゴニストは、Wntファミリータンパク質、細胞内β-カテニン分解阻害剤、およびTCF/LEFアクチベーターのいずれかおよび全てを含むFrizzled受容体ファミリーメンバーに結合し、これを活性化する真のWntアゴニストより選択される。前記Wntアゴニストは、前記分子の非存在下での前記Wnt活性のレベルと比べて細胞内のWnt活性を少なくとも10％、より好ましくは少なくとも20％、より好ましくは少なくとも30％、より好ましくは少なくとも50％、より好ましくは少なくとも70％、より好ましくは少なくとも90％、より好ましくは少なくとも100％刺激する。当業者に公知なように、Wnt活性は、Wnt転写活性を測定することによって、例えば、pTOPFLASHおよびpFOPFLASH Tcfルシフェラーゼレポーター構築物(Korinek et al, 1997 Science 275 1784-1787)によって決定することができる。
一部の態様において、Wntアゴニストは、Wnt-1/Int-1、Wnt-2/Irp(InM-関連タンパク質)、Wnt-2b/13、Wnt-3/Int-4、Wnt-3a(R&D sytems)、Wnt-4、Wnt-5a、Wnt-5b、Wnt-6(Kirikoshi H et al 2001 Biochem Biophys Res Com 283 798-805)、Wnt-7a(R&D systems)、Wnt-7b、Wnt-8a/8d、Wnt-8b、Wnt-9a/14、Wnt-9b/14b/15、Wnt-10a、Wnt-10b/12、WnM1、およびWnt-16を含む分泌型糖タンパク質を含む。ヒトWntタンパク質の概説は、「THE WNT FAMILY OF SECRETED PROTEINS」, R&D Systems Catalog, 2004に示されている。さらに、Wntアゴニストには、Wntシグナル伝達経路の活性化および調節に結びつけられ、4種類のメンバー(R-スポンジン1(NU206, Nuvelo, San Carlos, CA)、R-スポンジン2((R&D systems)、R-スポンジン3、およびR-スポンジン-4)からなる分泌タンパク質のR-スポンジンファミリー、ならびに高い親和性でFrizzled-4受容体と結合し、Wntシグナル伝達経路の活性化を誘導する点でWntタンパク質のように機能する分泌型調節タンパク質であるノリン(Norrin)(ノメ疾患タンパク質(Nome Disease Protein)またはNDPとも呼ばれる)(R&D systems)(Kestutis Planutis et al (2007) BMC Cell Biol 812)が含まれる。一部の態様において、本発明において使用するための1種または複数種のWntアゴニストは、R-スポンジン模倣体、例えば、Lgr5アゴニスト、例えば、抗Lgr5抗体である。最近、Wntシグナル伝達経路の低分子アゴニストであるアミノピリミジン誘導体が特定され、これもWntアゴニストとして明確に含まれる(Lm et al (2005) Angew Chem Int Ed Engl 44, 1987-90)。
一部の態様において、WntアゴニストはGSK阻害剤である。公知のGSK阻害剤は、低分子干渉RNA(siRNA, Cell Signaling)、リチウム(Sigma)、ケンパウロン(Biomol International, Leost, M et al(2000) Eur J Biochem 267, 5983-5994)、6-ブロモインジルビン-30-アセトキシム(Meyer, L et al (2003) Chem Biol 10, 1255-1266)、SB 216763およびSB 415286(Sigma-Aldrich)、ならびにGSK-3とaxinとの相互作用を阻止するFRATファミリーメンバーおよびFRAT由来ペプチドを含む。概説は、参照により本明細書に組み入れられる、Meijer et al, (2004) Trends in Pharmacological Sciences 25, 471-480に示されている。GSK-3阻害のレベルを決定するための方法およびアッセイは当業者に公知であり、例えば、Liao et al 2004, Endocrinology, 145(6) 2941-2949に記載の方法およびアッセイを含む。
一部の態様において、WntアゴニストはRNF43またはZNRF3の阻害剤である。本発明者らは、RNF43およびZNRF3が細胞膜に存在し、おそらく、Frizzledのユビキチン結合によって膜中のWnt受容体複合体のレベルを負に調節することを発見した。したがって、本発明者らは、アンタゴニスト抗体、RNAi、または低分子阻害剤によるRNF43またはZNRF3の阻害がWnt経路を間接的に刺激すると仮説を立てている。RNF43およびZNRF3は(ユビキチン結合活性をもつ)触媒環状ドメインを有する。この触媒環状ドメインを低分子阻害剤設計において標的化することができる。いくつかの抗RNF43抗体およびいくつかの抗ZNRF3抗体は市販されている。一部の態様において、このような抗体は本発明の文脈において適切なWntアゴニストである。
一部の態様において、前記Wntアゴニストは、Wnt-3a、GSK阻害剤(例えば、CHIR99021)、Wnt5、Wnt-6a、ノリン、および他の任意のWntファミリータンパク質からなる群より選択される。
一部の態様において、前記Wntアゴニストは、Rスポンジン1、Rスポンジン2、Rスポンジン3、もしくはRスポンジン4のうちのいずれか1つを含むか、またはRスポンジン1、Rスポンジン2、Rスポンジン3、もしくはRスポンジン4のうちのいずれか1つからなる。好ましい態様において、前記Wntアゴニストは、Wntファミリーメンバー、R-スポンジン1～4、ノリン、およびGSK阻害剤の1つまたは複数より選択される。一部の態様において、前記Wntアゴニストは、GSK-3阻害剤、例えば、CHIR99021(Stemgent04-0004)である。一部の態様において、CHIR99021は、50nM～100uM、例えば、100nM～50uM、1uM～10uM、1uM～5uM、または3uMの最終濃度まで培養培地に添加される。GSK-3阻害剤が用いられる一部の態様において、GSK-3阻害剤は、BIO(6-ブロモインジルビン-3'-オキシム、Stemgent04-0003)ではない。上皮幹細胞または単離された陰窩の増殖には、基本培地への少なくとも1種類のWntアゴニストの添加が必須なことが本発明者らによって発見された。
さらに好ましい態様において、前記WntアゴニストはR-スポンジン1もしくはR-スポンジン-4を含むか、またはR-スポンジン1もしくはR-スポンジン-4からなる。R-スポンジン1、R-スポンジン2、R-スポンジン3、またはR-スポンジン4は、好ましくは、少なくとも50ng/ml、より好ましくは少なくとも100ng/ml、より好ましくは少なくとも200ng/ml、より好ましくは少なくとも300ng/ml、より好ましくは少なくとも500ng/mlの濃度で基本培地に添加される。R-スポンジン1、R-スポンジン2、R-スポンジン3、またはR-スポンジン4の最も好ましい濃度は約500ng/mlまたは500ng/mlである。一部の態様において、R-スポンジン1、R-スポンジン2、R-スポンジン3、またはR-スポンジン4は、少なくとも500ng/ml、少なくとも600ng/ml、少なくとも700ng/ml、少なくとも800ng/ml、少なくとも900ng/ml、少なくとも1ug/ml、少なくとも1.5ug/ml、または少なくとも2ug/mlの濃度で培養培地に添加される。別の好ましい態様において、R-スポンジン1、R-スポンジン2、R-スポンジン3、またはR-スポンジン4は約1ug/mlまたは1ug/mlの濃度で培養培地に添加される。一部の態様において、R-スポンジン1、R-スポンジン2、R-スポンジン3、またはR-スポンジン4は、1000ng/ml未満、例えば、800ng/ml未満、600ng/ml未満、550ng/ml未満、500ng/ml未満、400ng/ml未満、300ng/ml未満、または200ng/ml未満、または100ng/ml未満の濃度で基本培地に添加される。一部の態様において、Rスポンジン1、Rスポンジン2、Rスポンジン3、およびRスポンジン4(「Rスポンジン1～4」)の2つ以上(例えば、2、3、または4)が培地に添加される。好ましくは、Rスポンジン1～4の2つ以上が添加される時、Rスポンジンの総濃度が前記の濃度になる。本明細書に記載の培養培地が「Rスポンジン1～4」を含むと言われた場合、培地は、Rスポンジン1、Rスポンジン2、Rスポンジン3、およびRスポンジン4のうちのいずれか1つまたは複数を含むことを意味する。本明細書に記載の培養培地が「Rスポンジン」を含むと言われた場合、培養培地は、Rスポンジン1、Rスポンジン2、Rスポンジン3、Rスポンジン4、およびRスポンジン模倣体のうちのいずれか1つまたは複数を含むことを意味する。
幹細胞の培養中に、前記Wntファミリーメンバーは好ましくは1日おきに培養培地に添加されるのに対して、培養培地は好ましくは3日おきに補給される。
好ましい態様において、Wntアゴニストは、R-スポンジン、Wnt-3a、およびWnt-6からなる群より選択される。より好ましくは、R-スポンジンおよびWnt-3aは両方ともWntアゴニストとして用いられる。驚いたことに、この組み合わせはオルガノイド形成に対して相乗効果を有するので特に好ましい。好ましい濃度は、R-スポンジンについては約500ng/mlまたは500ng/mlであり、Wnt3aについては約100ng/mlまたは100ng/mlである。
本発明の培養培地は1種または複数種の受容体型チロシンキナーゼリガンドを含んでもよい。本発明において使用するための受容体型チロシンキナーゼリガンドの一例は、受容体型チロシンキナーゼEGFRのリガンドであるEGFである。多くの受容体型チロシンキナーゼリガンドは分裂促進増殖因子でもある。
本発明の培養培地は1種または複数種の分裂促進増殖因子を含んでもよい。1種または複数種の分裂促進増殖因子は、上皮細胞増殖因子(EGF, Peprotech)、トランスフォーミング増殖因子-α(TGF-α, Peprotech)、塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF, Peprotech)、脳由来神経栄養因子(BDNF, R&D Systems)、およびケラチノサイト増殖因子(KGF, Peprotech)を含む増殖因子ファミリーより選択されてもよい。EGFは、様々な外胚葉培養細胞および中胚葉培養細胞の強力な分裂促進因子であり、インビボおよびインビトロで特定の細胞の分化ならびに細胞培養状態のいくつかの線維芽細胞の分化に非常に大きな影響を及ぼす。EGF前駆体は、タンパク分解により切断されて、細胞を刺激する53アミノ酸のペプチドホルモンを生じる膜結合分子として存在する。好ましい分裂促進増殖因子はEGFである。EGFは、好ましくは、5～500ng/mlまたは少なくとも5ng/mlおよび500ng/ml以下の濃度で基本培地に添加される。好ましい濃度は、少なくとも10ng/ml、20ng/ml、25ng/ml、30ng/ml、40ng/ml、45ng/ml、または50ng/mlであり、かつ500ng/ml以下、450ng/ml以下、400ng/ml以下、350ng/ml以下、300ng/ml以下、250ng/ml以下、200ng/ml以下、150ng/ml以下、または100ng/ml以下である。より好ましい濃度は、少なくとも50ng/mlかつ100ng/ml以下である。さらにより好ましい濃度は約50ng/mlまたは50ng/mlである。FGFの場合、好ましくは、FGF10またはFGF7の場合、同じ濃度を使用することができる。複数種のFGF、例えば、FGF7およびFGF10が用いられるのであれば、FGF濃度は前記で定義された通りであり、使用されたFGFの総濃度を指す。幹細胞の培養中に、前記分裂促進増殖因子は、好ましくは、1日おきに培養培地に添加されるのに対して、培養培地は好ましくは3日おきに補給される。FGFファミリーの任意のメンバーを使用することができる。好ましくは、FGF7および/またはFGF10が用いられ、FGF7はKGF(ケラチノサイト増殖因子)とも知られる。さらに好ましい態様において、例えば、EGFおよびKGF、またはEGFおよびBDNFなどの分裂促進増殖因子の組み合わせが基本培地に添加される。さらに好ましい態様において、例えば、EGFおよびKGF、またはEGFおよびFGF10などの分裂促進増殖因子の組み合わせが基本培地に添加される。分裂促進増殖因子は、5～500ナノグラム/mlまたは少なくとも5ナノグラム/mlおよび500ナノグラム/ml以下、例えば、少なくとも10ng/ml、20ng/ml、25ng/ml、30ng/ml、40ng/ml、45ng/ml、または50ng/ml、および500ng/ml以下、450ng/ml以下、400ng/ml以下、350ng/ml以下、300ng/ml以下、250ng/ml以下、200ng/ml以下、150ng/ml以下、または100ng/ml以下の濃度で培養培地に添加されてもよい。分裂促進増殖因子は、EGF、TGF-α、KGF、FGF7、およびFGFからなる群より選択されてもよい。好ましくは、分裂促進因子は、EGF、TGF-α、およびKGFからなる群より選択される、またはEGF、TGF-α、およびFGF7からなる群より選択される、またはEGF、TGF-αおよびFGFからなる群より選択される、またはEGFおよびKGFからなる群より選択される、またはEGFおよびFGF7からなる群より選択される、またはEGFおよびFGFからなる群より選択される、またはTGF-αおよびKGFからなる群より選択される、またはTGF-αおよびFGF7からなる群より選択される、またはTGF-αおよびFGFからなる群より選択される。EGFの代わりにTGF-αが用いられてもよい。一部の態様において、分裂促進増殖因子は肝細胞増殖因子(HGF)である。一部の態様において、HGFが培養培地に添加される。
一部の態様において、受容体型チロシンキナーゼリガンドは、分裂促進増殖因子、例えば、上皮細胞増殖因子(EGF)、トランスフォーミング増殖因子-α(TGF-α)、塩基性線維芽細胞増殖因子(bFGF)、脳由来神経栄養因子(BDNF)、肝細胞増殖因子(HGF)、およびケラチノサイト増殖因子(KGF)からなる増殖因子ファミリーより選択される分裂促進増殖因子である。
説明された培養培地のいずれにも、特に、細胞選別実験を行う前、培養して最初の数日間に、Y-27632(10μM; Sigma)などのROCK阻害剤を含めることができる。なぜなら、ROCK阻害剤は、アノイキス(周囲の細胞外マトリックスから剥離した足場依存性細胞によって誘導されるプログラム細胞死の一種)を回避することが知られているからである。したがって、本明細書において定義された培地はいずれも、最初の数日間、ROCK阻害剤を付加的に含んでもよい。一部の態様において、本発明の培養培地は、例えば、細胞選別実験を行う前、培養して最初の数日間、Y-27632などのROCK阻害剤を付加的に含む。
本発明による方法のさらなる態様は、Rock(Rho-キナーゼ)阻害剤を含む培養培地を含む。Rock阻害剤の添加は、特に、単一の幹細胞を培養した時に、アノイキスを阻止することが見出された。前記Rock阻害剤は、好ましくは、R-(+)-トランス-4-(1-アミノエチル)-N-(4-ピリジル)シクロヘキサンカルボキサミド二塩酸塩一水和物(Y-27632, Sigma-Aldrich)、5-(1,4-ジアゼパン-1-イルスルホニル)イソキノリン(ファスジルまたはHA1077, Cayman Chemical)、および(S)-(+)-2-メチル-1-[(4-メチル-5-イソキノリニル)スルホニル]-ヘキサヒドロ-1H-1,4-ジアゼピン二塩酸塩(H-1152, Tocris Bioschience)より選択される。前記Rho-キナーゼ阻害剤、例えば、Y-27632は、好ましくは、前記幹細胞を培養して最初の7日間、1日おきに培養培地に添加される。Rock阻害剤は、好ましくは、最初の数日間、例えば、1回の細胞播種後またはスプリット後、最初の1日間、2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、または7日間の培養の間、培地に含められる。任意の適切なRock阻害剤濃度、例えば、1～200uM、1～100uM、5～50uM、または約10uMを使用することができる。好ましいY27632濃度は10uMである。したがって、一部の態様において、本発明は、Rock阻害剤が最初の1日間、2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、または7日間、任意で1日おきに培養培地に添加される、幹細胞を培養するための方法および/またはオルガノイドを得るための方法を提供する。一部の態様において、Rock阻害剤は、最初の2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、7日間、8日間、9日間、または10日間を過ぎた後は培養培地に添加されない。
Rock阻害剤の添加は、(前述したように)単一の幹細胞を培養した時に、すなわち、オルガノイドの出発材料が単一の幹細胞である時に特に重要である。したがって、一部の態様において、本発明は、幹細胞、任意で、単一の幹細胞を培養する工程を含み、Rock阻害剤が最初の1日間、2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、または7日間、任意で、1日おきに培養培地に添加される、任意で、Rock阻害剤は、最初の2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、7日間、8日間、9日間、または10日間を過ぎた後は培養培地に添加されない、オルガノイドを得るための方法を提供する。
Rock阻害剤は、複数種の細胞を培養する時に、例えば、オルガノイドの出発材料が組織断片である時にあまり重要でなく、時として必要でない。したがって、一部の態様において、本発明は、幹細胞、任意で、組織断片を培養する工程を含み、Rock阻害剤が培養培地に全く添加されない、または最初の2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、7日間、8日間、9日間、もしくは10日間を過ぎた後は培養培地に添加されない、オルガノイドを得るための方法を提供する。
細胞が複数の培養物にスプリットされた時、Rock阻害剤は同じように培養培地に添加されてもよい。これは、スプリット後、特に、スプリットが第1の培養物から単一の幹細胞を採取し、これらを第2の培養物に入れることを伴う時に、Rock阻害剤が最初の1日間、2日間、3日間、4日間、5日間、6、日間、または7日間、任意で、1日おきに添加されることを意味する。スプリットが第1の培養物から複数の幹細胞を採取し、これらを第2の培養物に入れることを伴うのであれば、Rock阻害剤の添加はあまり重要でなく、時として必要でない。したがって、一部の態様において、オルガノイドを得るための方法または幹細胞を培養するための方法がスプリットを伴う場合、任意で、単一の細胞がスプリットに関与する場合、Rock阻害剤は、スプリット後、最初の1日間、2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、または7日間、任意で、1日おきに新たな培養培地に添加される。一部の態様において、オルガノイドを得るための方法または幹細胞を培養するための方法がスプリットを伴う場合、任意で、複数の細胞がスプリットに関与する場合、培養培地に全く添加されない、または最初の2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、7日間、8日間、9日間、もしくは10日間を過ぎた後は培養培地に添加されない。
なおさらなる態様において、本発明による方法は、Notchアゴニストをさらに含む培養培地を含む。Notchシグナル伝達は、細胞運命決定ならびに細胞の生存および増殖において重要な役割を果たすと示されている。Notch受容体タンパク質は、Delta1、Jagged1および2、ならびにDelta-like1、Delta-like3、Delta-like4を含むが、これに限定されない多数の表面結合型リガンドまたは分泌型リガンドと相互作用することができる。リガンドが結合すると、Notch受容体は、ADAMプロテアーゼファミリーのメンバーが関与する連続した切断事象、ならびにγセクレターゼプレセニリンによって調節される膜内切断によって活性化される。この結果は核へのNotch細胞内ドメインの移動であり、核においてNotch細胞内ドメインは下流遺伝子の転写を活性化する。好ましいNotchアゴニストは、Jagged1およびDelta1またはその活性な断片もしくは誘導体より選択される。最も好ましいNotchアゴニストは、配列
Figure 0007275196000004
を有するDSLペプチド(Dontu et al., 2004. Breast Cancer Res 6. R605-R615)である。前記DSLペプチドは、好ましくは、10μM～100nMまたは少なくとも10μMおよび100nM以下の濃度で用いられる。Notchアゴニストを添加すると、特に、培養して最初の週にNotchアゴニストを添加すると、培養効率が2～3倍増加する。前記Notchアゴニストは、好ましくは、前記幹細胞を培養して最初の7日間、1日おきに培養培地に添加される。したがって、一部の態様において、本発明は、Notchアゴニストが、最初の1日間、2日間、3日間、4日間、5日間、6、日間、または7日間、任意で、1日おきに培養培地に添加される、幹細胞を培養するための方法および/またはオルガノイドを得るための方法を提供する。一部の態様において、Notchアゴニストは、最初の2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、7日間、8日間、9日間、または10日間を過ぎた後は培養培地に添加されない。
Notchアゴニストは、分子の非存在下のNotch活性のレベルと比べて細胞内のNotch活性を少なくとも10％、より好ましくは少なくとも20％、より好ましくは少なくとも30％、より好ましくは少なくとも50％、より好ましくは少なくとも70％、より好ましくは少なくとも90％、より好ましくは少なくとも100％刺激する分子と定義される。当業者に公知なように、Notch活性は、Notch転写活性を測定することによって、例えば、(Hsieh et al, 1996 Mol Cell. Biol. 16, 952-959)に記載のように4xwtCBF1-ルシフェラーゼレポーター構築物によって確かめることができる。
さらなる態様において、細胞培養培地には、DAPTまたはDBZなどのγ-セクレターゼ阻害剤が添加される。γ-セクレターゼ阻害剤は、分化の間、細胞運命決定に影響を及ぼすことができる。例えば、一部の態様において、γ-セクレターゼ阻害剤は、杯細胞などの分泌細胞への細胞運命に影響を及ぼすことができる。任意の適切なγ-セクレターゼ阻害剤濃度、例えば、1nM～10uM、1nM～1uM、1～100nM、または好ましくは1～20nMを使用することができる。例えば、γ-セクレターゼ阻害剤が約1nMの最終濃度まで培養培地に添加されてもよい。
さらなる態様において、細胞培養培地には、ガストリン(またはLeu15-ガストリンなどの適切な代替物)が添加される。ガストリン(または適切な代替物)は、1nM～10uM、1nM～1uM、5～100nM、または好ましくは10～50nMの最終濃度まで培養培地に添加されてもよい。例えば、Leul5-ガストリンは約10nMの最終濃度まで培養培地に添加されてもよい。ガストリンは本発明の一部の培養培地には必要でない。したがって、一部の態様において、本発明の培養培地はガストリンを含まない。特に、ガストリンは、腸幹細胞を培養するためにも、腸(陰窩-絨毛または結腸陰窩)オルガノイドを得るためにも必要とされない。しかしながら、ガストリンが必要とされない場合でも、マイナス効果なく依然として培地に添加される場合がある。
さらなる態様において、本発明の培養培地にはニコチンアミドが添加される。ニコチンアミドの添加はヒト結腸オルガノイドの培養効率および寿命を改善することが見出されている。ニコチンアミドは、1～100mM、5～50mM、または好ましくは5～20mMの最終濃度まで培養培地に添加されてもよい。例えば、ニコチンアミドは約10mMの最終濃度まで培養培地に添加されてもよい。
本発明の好ましい態様において、培養培地には、ニコチンアミドおよびガストリン(またはLeu15-ガストリンなどの適切な代替物)が添加される。ニコチンアミドおよびガストリンは前記の濃度のいずれかで培養培地に添加される。
一部の態様において、培養培地にはプロスタグランジンシグナル伝達経路アクチベーターが添加される(図24、Antagonism of the prostaglandin D2 receptors DP1 and CRTH2 as an approach to treat allergic diseases. Roy Pettipher, Trevor T. Hansel & Richard Armer Nature Reviews Drug Discovery 6, 313-325 (April 2007)を参照されたい)。例えば、培養培地には、以下を含むリストより選択される化合物のいずれか1つまたは複数が添加される: リン脂質、アラキドン酸(AA)、プロスタグランジンE2(PGE2)、プロスタグランジンG2(PGG2)、プロスタグランジンF2(PGF2)、プロスタグランジンH2(PGH2)、プロスタグランジンD2(PGD2)。例えば、一部の態様において、培養培地にはPGE2および/またはAAが添加される。一部の態様において、PGE2は、少なくとも10nM、例えば、少なくとも20nM、少なくとも30nM、少なくとも40nM、少なくとも45nM、10nM～500nM、10nM～400nM、10nM～300nM、10nM～200nM、10nM～100nM、20nM～50nMの最終濃度まで培地に添加される。好ましい態様において、PGE2は50nMの最終濃度まで培地に添加される。一部の態様において、AAは、少なくとも1ug/ml、少なくとも5ug/ml、少なくとも8ug/ml、少なくとも9ug/ml、少なくとも10ug/ml、例えば、1ug/ml～1000ug/ml、1ug/ml～500ug/ml、1ug/ml～100ug/ml、1ug/ml～50ug/ml、または5ug/ml～20ug/mlの最終濃度まで培地に添加される。好ましい態様において、AAは10ug/mlの最終濃度まで培地に添加される。AAおよびPGE2は本発明の培養培地の文脈において交換可能である。したがって、本明細書に記載の培養培地がPGE2を含むと言われている場合、PGE2の代わりに(適切な濃度の)AAを代わりに含んでもよい。逆に、本明細書に記載の培養培地がAAを含むと言われている場合、AAの代わりに(適切な濃度の)PGE2を代わりに含んでもよい。さらに、当業者であれば、PGE2および/またはAAが本発明の培養培地に含まれる場合、代わりに、培養培地は、PGE2および/もしくはAAと交換して、またはPGE2および/もしくはAAに加えて以下のリストより選択される化合物のいずれか1つまたは複数を含み得ることを理解するだろう: リン脂質、プロスタグランジンG2(PGG2)、プロスタグランジンF2(PGF2)、プロスタグランジンH2(PGH2)、およびプロスタグランジンD2(PGD2)。
さらなる態様において、本発明の培養培地には、RANKリガンド(本明細書においてRANKLとも呼ばれる)が添加される。RANKリガンドは、分化を特定の細胞運命に向けるのに有用な場合がある。例えば、小腸細胞用培養培地、好ましくは、小腸細胞を分化させるための培養培地にRANKリガンドが含まれる場合、細胞の多くの割合がM細胞に分化する。したがって、一部の態様において、本発明は、RANKLを含む培養培地を提供する。特に、本発明は、RANKLを含む、小腸細胞を培養するための培地、好ましくは、小腸細胞を分化させるための培養培地を提供する。任意の適切なRANKL濃度、例えば、10ng/ml～1000ng/ml、10～500ng/ml、または50～100ng/mlを使用することができる。例えば、RANKLは約100ng/mlの最終濃度まで培養培地に添加されてもよい。
EGF、ノギン、およびR-スポンジンを含む培養培地は本明細書において「ENR培地」と呼ばれる。ENR培地およびWnt-3aなどのWntアゴニストを含む培養培地は本明細書において「WENR培地」と呼ばれる。本発明の好ましい態様において、培養培地はWENR培地を含む。本発明の最も好ましい態様において、培養培地は、ガストリンおよび/またはニコチンアミドが添加されたWENR培地(すなわち、WENRgまたはWENR+ニコチンアミドまたはWENRg+ニコチンアミド)を含む。
培地のpHは、約7.0～7.8の範囲内、約7.2～7.6の範囲内、または約7.4でもよい。pHは緩衝液を用いて維持されてもよい。適切な緩衝液は当業者によって容易に選択することができる。使用され得る緩衝液には、炭酸緩衝液(例えば、NaHCO3)およびリン酸緩衝液(例えば、NaH2PO4)が含まれる。これらの緩衝液は一般的には約50～約500mg/lで用いられる。N-[2-ヒドロキシエチル]-ピペラジン-N'-[2-エタンスルホン酸](HEPES)および3-[N-モルホリノ]-プロパンスルホン酸(MOPS)などの他の緩衝液も、通常、約1000～約10,000mg/lで使用することができる。培地のpH状態を容易にモニタリングできるように、培地はフェノールレッドなどのpH指示薬(例えば、約5～約50mg/リットル)を含んでもよい。
本発明において使用するための培養培地は1種または複数種のアミノ酸を含んでもよい。当業者であれば、幹細胞培養培地において使用するためのアミノ酸の適切なタイプおよび量を理解する。存在し得るアミノ酸には、L-アラニン、L-アルギニン、L-アスパラギン、L-アスパラギン酸、L-システイン、L-シスチン、L-グルタミン酸、L-グルタミン、L-グリシン、L-ヒスチジン、L-イソロイシン、L-ロイシン、L-リジン、L-メチオニン、L-フェニルアラニン、L-プロリン、L-セリン、L-スレオニン、L-トリプトファン、L-チロシン、L-バリン、およびその組み合わせが含まれる。一部の培養培地は、これらのアミノ酸の全てを含有する。一般的に、約0.05～約1g/L(通常、約0.1～約0.75g/L)で存在するL-グルタミンを除いて、それぞれのアミノ酸が存在する時には約0.001～約1g/L培地(通常、約0.01～約0.15g/L)で存在する。アミノ酸は合成由来でもよい。
本発明において使用するための培養培地は1種または複数種のビタミンを含んでもよい。当業者であれば、幹細胞培養培地において使用するためのビタミンの適切なタイプおよび量を理解する。存在し得るビタミンには、チアミン(ビタミンB1)、リボフラビン(ビタミンB2)、ナイアシン(ビタミンB3)、D-パントテン酸カルシウム(ビタミンB5)、ピリドキサール/ピリドキサミン/ピリドキシン(ビタミンB6)、葉酸(ビタミンB9)、シアノコバラミン(ビタミンB12)、アスコルビン酸(ビタミンC)、カルシフェロール(ビタミンD2)、DL-αトコフェロール(ビタミンE)、ビオチン(ビタミンH)、およびメナジオン(ビタミンK)が含まれる。
本発明において使用するための培養培地は1種または複数種の無機塩を含んでもよい。当業者であれば、幹細胞培養培地において使用するための無機塩の適切なタイプおよび量を理解する。無機塩は、典型的には、細胞の浸透圧平衡の維持を助けるために、および膜電位の調節を助けるために培養培地に含まれる。存在し得る無機塩には、カルシウム、銅、鉄、マグネシウム、カリウム、ナトリウム、亜鉛の塩が含まれる。塩は、通常、塩化物、リン酸塩、硫酸塩、硝酸塩、および重炭酸塩の形で用いられる。使用され得る具体的な塩には、CaCl2、CuSO4-5H2O、Fe(NO3)-9H2O、FeSO4-7H2O、MgCl、MgSO4、KCl、NaHCO3、NaCl、Na2HPO4、Na2HPO4-H2O、およびZnSO4-7H2Oが含まれる。
培地の重量オスモル濃度は、約200～約400mOsm/kgの範囲内、約290～約350mOsm/kgの範囲内、または約280～約310mOsm/kgの範囲内でもよい。培地の重量オスモル濃度は約300mOsm/kg未満(例えば、約280mOsm/kg)でもよい。
本発明において使用するための培養培地は炭素エネルギー源を1種または複数種の糖の形で含んでもよい。当業者であれば、幹細胞培養培地において使用するための糖の適切なタイプおよび量を理解する。存在し得る糖には、グルコース、ガラクトース、マルトース、およびフルクトースが含まれる。糖は、好ましくは、グルコース、特に、D-グルコース(デキストロース)である。炭素エネルギー源は、通常、約1～約10g/Lで存在する。
本発明の培養培地は血清を含有してもよい。胎仔ウシ血清(FBS)、ヤギ血清、またはヒト血清を含む、任意の適切な供給源から得られた血清を使用することができる。好ましくは、ヒト血清が用いられる。血清は、従来技法に従って培地体積で約1％～約30％で用いられてもよい。
他の態様において、本発明の培養培地は血清代用品を含有してもよい。様々な異なる血清代用製剤が市販されており、当業者に公知である。血清代用品が用いられる場合、従来技法に従って培地体積で約1％～約30％で用いられてもよい。
他の態様において、本発明の培養培地は無血清でもよく、および/または血清代用品が含まれていなくてもよい。無血清培地は、いかなるタイプの動物血清も含有しない培地である。幹細胞の起こる得る異物汚染(xeno-contamination)を避けるために無血清培地が好ましい場合がある。血清代用品を含まない培地は、いかなる市販の血清代用製剤も添加されていない培地である。
好ましい態様において、細胞培養培地には、精製された増殖因子、天然増殖因子、半合成増殖因子、および/または合成増殖因子が添加され、胎仔ウシ血清またはウシ胎仔血清などの明確に分かっていない成分を含まない。例えば、B27(Invitrogen)、N-アセチルシステイン(Sigma)、およびN2(Invitrogen)などのサプリメントは一部の細胞の増殖を刺激する。一部の態様において、細胞培養培地には、これらのサプリメントの1つまたは複数、例えば、これらのサプリメントの1つ、いずれか2つ、または3つ全てが添加される。
他の態様において、細胞培養培地にはエキセンディン-4が添加される。エキセンディン-4は39アミノ酸ペプチドであり、GLP-1(グルカゴン様ペプチド-1)受容体を活性化して、膵臓腺房細胞内の細胞内cAMPを上昇させ、VIP(血管作動性腸ペプチド)受容体に影響を及ぼさない。
本発明において使用するための培養培地は、1種または複数種の微量元素、例えば、バリウム、ブロミウム(bromium)、コバルト、ヨウ素、マンガン、クロム、銅、ニッケル、セレン、バナジウム、チタン、ゲルマニウム、モリブデン、ケイ素、鉄、フッ素、銀、ルビジウム、スズ、ジルコニウム、カドミウム、亜鉛、および/またはアルミニウムのイオンを含んでもよい。
培地は、還元剤、例えば、約0.1mMの濃度のβ-メルカプトエタノールを含んでもよい。
本発明の培養培地は、1種または複数種の付加的な薬剤、例えば、幹細胞培養を改善することが報告されている栄養素または増殖因子、例えば、コレステロール/トランスフェリン/アルブミン/インシュリン/プロゲステロン、プトレシン、亜セレン酸塩/他の因子を含んでもよい。
本発明の培養培地は細胞外マトリックス(ECM)の中に拡散されてもよい。好ましい本発明の方法において、単離された組織断片または単離された上皮幹細胞はECMに取り付けられる。ECMは、様々な多糖、水、エラスチン、および糖タンパク質からなる。糖タンパク質は、コラーゲン、エンタクチン(ナイドジェン)、フィブロネクチン、およびラミニンを含む。ECMは結合組織細胞によって分泌される。異なるタイプの糖タンパク質および/または糖タンパク質の異なる組み合わせを含む異なる組成物を含む異なるタイプのECMが公知である。前記ECMは、入れ物の中でECM産生細胞、例えば、線維芽細胞を培養した後に、これらの細胞を取り出し、単離された組織断片または単離された上皮幹細胞を添加することによって提供することができる。細胞外マトリックス産生細胞の例は、主にコラーゲンおよびプロテオグリカンを産生する軟骨細胞、主にIV型コラーゲン、ラミニン、間質プロコラーゲン、およびフィブロネクチンを産生する線維芽細胞、ならびに主にコラーゲン(I型、III型、およびV型)、コンドロイチン硫酸プロテオグリカン、ヒアルロン酸、フィブロネクチン、およびテネイシン-Cを産生する結腸筋線維芽細胞である。または、前記ECMは商業的に供給されている。市販の細胞外マトリックスの例は、細胞外マトリックスタンパク質(Invitrogen)およびEngelbreth-Holm-Swarm(EHS)マウス肉腫細胞に由来する基底膜調製物(例えば、Matrigel(商標) (BD Biosciences))である。ProNectin(SigmaZ378666)などの合成細胞外マトリックス材料が用いられてもよい。所望であれば、細胞外マトリックス材料の混合物が用いられてもよい。幹細胞を培養するためにECMを使用すると、幹細胞の長期生存および未分化幹細胞の継続的存在が強化された。ECMの非存在下では、幹細胞培養物を長期間にわたって培養することができず、未分化幹細胞の継続的存在は観察されなかった。さらに、ECMが存在すると、ECMの非存在下では培養することができない三次元組織オルガノイドを培養することができた。細胞外マトリックス材料は、通常、細胞が懸濁されたディッシュの底に沈んでいる。典型的には、マトリックスが37℃で凝固する時に、培地が加えられ、ECMの中に拡散する。培地中の細胞は、ECMの表面構造と相互作用することによって、例えば、インテグリンと相互作用することによってECMに固着する。細胞培養容器をコーティングするために、約1μg/cm2で用いられる約1mg/ml(原液)、または約1μg/cm2～約250μg/cm2、または約1μg/cm2～約150μg/cm2のフィブロネクチン溶液が用いられてもよい。一部の態様において、細胞培養容器は8μg/cm2～125μg/cm2のフィブロネクチンでコーティングされる。
本発明の方法において使用するためのECMの一例は、ラミニンなどの少なくとも1種類の糖タンパク質を含む。
本発明の方法において使用するための好ましいECMは、少なくとも2種類の別個の糖タンパク質、例えば、2つの異なるタイプのコラーゲンまたはコラーゲンおよびラミニンを含む。ECMは合成ヒドロゲル細胞外マトリックスまたは天然ECMでもよい。さらに好ましいECMはMatrigel(商標)(BD Biosciences)によって提供される。Matrigel(商標)(BD Biosciences)は、ラミニン、エンタクチン、およびコラーゲンIVを含む。一部の態様において、細胞外マトリックスは、Matrigel(商標)(BD Biosciences)などのラミニン含有細胞外マトリックスである。
一部の態様において、単一の幹細胞、細胞集団、または組織断片はmatrigelに埋め込まれる。matrigelは任意で増殖因子が少ない、および/またはフェノールレッドフリーである。
一部の態様において、培養培地はECMの上部に配置される。次いで、必要に応じておよび必要な時に、培養培地を除去および補充することができる。一部の態様において、培養培地は、1日ごとに、2日ごとに、3日ごとに、4日ごとに、5日ごとに、6日ごとに、または7日ごとに補充される。成分が「加えられる」のであれば、または培地から「除去される」のであれば、これは、一部の態様において、培地それ自体がECMから除去され、次いで、「加えられる」成分を含有する新たな培地、または「除去される」成分が排除された新たな培地がECM上に配置されることを意味する。
一部の態様において、本発明の培養培地は、細胞外マトリックス、または細胞膜タンパク質、例えば、インテグリンと相互作用することによって細胞外マトリックスを模倣する3Dマトリックスと接触している。
一部の態様において、基本培養培地は、ペニシリン/ストレプトマイシン、10mM HEPES、Glutamax、1xN2、1xB27(全てInvitrogenから入手)、および1mM N-アセチルシステイン(Sigma)が添加されたAdvanced DMEM/F12を含むか、または該Advanced DMEM/F12からなる。
本発明の培養培地の例
1つの態様において、細胞培養培地は、ALK5に結合しかつその活性を低減するTGFβ阻害剤およびp38に結合しかつその活性を低減するp38阻害剤を含む。例えば、1つの態様において、細胞培養培地は、A83-01および/またはSB202190、好ましくは、A83-01+SB202190を含む。驚いたことに、本発明の培養培地中にA83-01+SB202190を一緒に使用すると、ヒト結腸オルガノイドの継代数を相乗的に増やすことが見出された。1つの態様において、細胞培養培地はWENR+A83-01+SB202190を含む。1つの態様において、細胞培養培地はWENR+A83-01+SB202190+ニコチンアミドを含む。1つの態様において、細胞培養培地はWENRg+ニコチンアミド+A83-01+SB202190(「g」はガストリンである)を含む。1つの態様において、細胞培養培地はWENR+A83-01+ニコチンアミド+FGF10を含む。1つの態様において、細胞培養培地はWENRg+A83-01+ニコチンアミド+FGF10を含む。1つの態様において、細胞培地はWENRg+A83-01+ニコチンアミド+FGF10+SB202190を含む。1つの態様において、細胞培養培地は結腸オルガノイドを得るために用いられる。この態様に記載のように細胞培養培地を用いて上皮細胞を培養することによって得ることができる結腸オルガノイドも提供される。
例えば、1つの態様において、細胞培養培地はWENRg+A83-01+FGF10を含む。WntアゴニストはR-スポンジンであり、他のWntアゴニストは存在せず、ニコチンアミドは存在しない。例えば、一部の態様において、細胞培養培地は、EGF(例えば、50ng/ml)、R-スポンジン(例えば、10％または1ug/ml)、ノギン(例えば、100ng/ml)、FGF10(例えば、100ng/ml)、A8301(例えば、500nM)、およびガストリン(例えば、10nM)、および任意でSB202190を含む。これらの成分は、基本培地、例えば、DMEM/F12培地に添加されてもよい。一部の態様において、基本培地には、P/S、Glutamax、10nmM Hepes、B27、N2、およびN-アセチルシステインを含むリストより選択される成分のいずれか1つもしくは複数(例えば、1、2、3、4、もしくは5)または全てがさらに添加される。このような細胞培養培地の使用は、膵臓オルガノイドを得るのに有用であることが見出されている。この態様に記載のように細胞培養培地を用いて上皮細胞を培養することによって得られた膵臓オルガノイドも提供される。一部の態様において、培養培地からガストリンまたはニコチンアミドまたはガストリンおよびニコチンアミドが排除される。
本発明の組織特異的培養培地
特に好ましい培養培地が本明細書の実施例において説明される。本発明の培養培地は、例えば、下記のように異なる組織との使用に合わせることができる。
腸培養培地
一部の態様において、小腸陰窩、例えば、マウス小腸陰窩のための培養培地は、EGF、例えば、マウスEGF;BMP阻害剤、例えば、マウスノギン;およびRスポンジン、例えば、ヒトRスポンジン-1または4を付加的に含む基本培地、例えば前記の基本培地を含むか、または該基本培地からなる。一部の態様において、この培養培地は、TGF-β阻害剤(例えば、A83-01)および/またはp38阻害剤(例えば、SB202190)をさらに含む。一部の態様において、結腸陰窩、例えば、マウス結腸陰窩のための培養培地は、Wntアゴニスト、例えば、組換えヒトWnt-3AまたはWnt-3A条件培地;EGF、例えば、マウスEGF;BMP阻害剤、例えば、マウスノギン;およびRスポンジン、例えば、ヒトRスポンジン-1または4を付加的に含む基本培地、例えば前記の基本培地を含むか、または該基本培地からなる。一部の態様において、この培養培地は、TGF-β阻害剤(例えば、A83-01)および/またはp38阻害剤(例えば、SB202190)をさらに含む。
一部の態様において、ヒト腸幹細胞、ヒト小腸陰窩またはヒト結腸陰窩のための培養培地(HISC培養培地とも知られる)は、Wntアゴニスト、例えば、組換えヒトWnt-3AまたはWnt-3A条件培地;EGF;BMP阻害剤、例えば、ノギン;Rスポンジン、例えば、ヒトRスポンジン-1;TGF-β阻害剤、例えば、A83-01;p38阻害剤、例えば、SB202190;ガストリン;およびニコチンアミドを付加的に含む基本培地、例えば前記の基本培地を含むか、または該基本培地からなる。一部の態様において、p38阻害剤および/またはガストリンはHISC培地から排除されてもよい。
一部の態様において、本発明は、基本培地、Wnt-3a、EGF、ノギン、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、TGF-β阻害剤、ニコチンアミド、好ましくは、p38阻害剤を含むか、またはこれらからなる、腸細胞を培養するための培養培地を提供する。
一部の態様において、小腸幹細胞または結腸幹細胞、例えば、ヒト小腸細胞または結腸細胞を拡大させるための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、およびグルタミン/glutamaxを含む)、Wnt3A(任意で、条件培地)、Rスポンジン1～4のいずれか1つ(好ましくは、1ug/ml)、ノギン(好ましくは、50～100ng/ml)、ニコチンアミド(好ましくは、10mM)、EGF(好ましくは、10～50ng/ml)、ガストリン(好ましくは、10nM)、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、500nM)を含むか、またはこれらからなる。さらなる態様において、この培養培地は、p38阻害剤、例えば、SB202190(好ましくは、100nM)を付加的に含む。さらなる態様において、この培養培地は、Rock阻害剤、例えば、LY2157299を付加的に含む。
一部の態様において、本発明は、基本培地、EGF、ノギン、TGF-β阻害剤、およびp38阻害剤を含むか、またはこれらからなる、腸細胞を分化させるための培養培地を提供する。
一部の態様において、小腸幹細胞または結腸幹細胞、例えば、ヒト小腸細胞または結腸細胞を分化させるための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、およびグルタミン/glutamaxを含む)、ノギン(好ましくは、50～100ng/ml)、EGF(好ましくは、10～50ng/ml)、ガストリン(好ましくは、10nM)、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、500nM)、ならびにp38阻害剤、例えば、SB202190(好ましくは、100nM)を含むか、またはこれらからなる。一部の態様において、この分化培地からガストリンが排除されてもよい。一部の態様において、分化培地にγ-セクレターゼ阻害剤が(好ましくは、1uMの濃度で)添加されてもよい。γ-セクレターゼ阻害剤は、分化中の細胞運命決定、例えば、杯細胞などの分泌細胞への細胞運命決定に影響を及ぼすことができる。一部の態様において、分化培地にRANKLが(例えば、100ng/mlの濃度で)添加されてもよい。RANKLは、分化中の細胞運命決定、例えば、M細胞への細胞運命決定に影響を及ぼすことができる。
癌培養培地
一部の態様において、結腸癌細胞のための培養培地は、Wntアゴニスト、例えば、組換えヒトWnt-3AまたはWnt-3A条件培地;EGF;BMP阻害剤、例えば、ノギン;Rスポンジン、例えば、ヒトRスポンジン-1;TGF-β阻害剤、例えば、A83-01;p38阻害剤、例えば、SB202190;ガストリン;およびニコチンアミドを付加的に含む基本培地、例えば前記の基本培地を含むか、または該基本培地からなる。
1つの態様において、結腸癌腫、例えば、ヒト結腸癌腫のための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、プリモシン(primocin)および/またはP/S(抗生物質)(500x)、ならびにhepesを含む)、Rスポンジン(任意で、条件培地)(好ましくは、1ug/ml)、ノギン(好ましくは、100ng/ml)、ニコチンアミド(好ましくは、10mM)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、ガストリン(好ましくは、50nM)、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、500nM)、p38阻害剤、例えば、SB202190(好ましくは、10uM)、任意で、PGE2(好ましくは、10nM)および/またはRock阻害剤(好ましくは、10uM)を含む。
一部の態様において、結腸癌細胞もHISC培養培地中で増殖することができる。一部の態様において、結腸癌細胞を、培地から以下のうちの1つもしくは複数または全てが排除されたHISC培地中で培養することができる: EGF、ノギン、Rスポンジン、TGF-β阻害剤、およびp38阻害剤。癌細胞は、ある特定の増殖経路を構成的に活性化または不活性化する変異を有することがある。例えば、多くの結腸癌はWnt経路の構成的活性化をもたらす。このような場合、培地はWntアゴニストを必要としない。他の変異があれば、前記のように他の因子を前記の培地から除くことができる。他の上皮癌(癌腫)も本発明の培養培地中で増殖することができる。好ましい態様において、癌幹細胞から得られる癌オルガノイドは、任意で、特定の因子が培地から排除された、正常幹細胞から得られる対応する正常組織オルガノイドの増殖に適した培養培地中で増殖される。例えば、胃癌幹細胞の培養によって得られる胃癌オルガノイドは、任意で、特定の因子が培地から排除された、胃幹細胞の培養によって得られる正常な胃オルガノイドと同じ培養条件において増殖されてもよい。別の例では、膵臓癌幹細胞の培養によって得られる膵臓癌オルガノイドは、任意で、特定の因子が培地から排除された、膵臓幹細胞の培養によって得られる正常な膵臓オルガノイドと同じ培養条件において増殖されてもよい。別の例では、前立腺癌幹細胞の培養によって得られる前立腺癌オルガノイドは、任意で、特定の因子が培地から排除された、前立腺幹細胞の培養によって得られる正常な前立腺オルガノイドと同じ培養条件において増殖されてもよい。別の例では、肝臓癌幹細胞の培養によって得られる肝臓癌オルガノイドは、任意で、特定の因子が培地から排除された、肝臓幹細胞の培養によって得られる正常な肝臓オルガノイドと同じ培養条件において増殖されてもよい。多くの場合、(いかなる因子も排除されていない)正常組織培地中で癌オルガノイドを増殖させることが好ましい(または少なくとも、より便利な)ことがある。特定の癌変異が排除されることなく、正常組織培地は全ての遺伝的背景を有する癌を増殖させることができるはずである。
したがって、一部の態様において、本発明は、癌細胞、例えば、癌幹細胞、例えば、関心対象の組織タイプに由来する腺癌細胞または癌腫細胞を培養するための培養培地を提供する。培養培地は、対応する関心対象の非癌組織タイプに由来する細胞を培養するのに用いられる培養培地の成分を含むか、またはこれらからなり、任意で、関心対象の組織タイプの非癌細胞を培養するのに用いられる培地から、以下のうちの1つまたは複数が排除される: Wnt-3a、EGF、ノギン、Rスポンジン、TGF-β阻害剤、p38阻害剤、ニコチンアミド、ガストリン、FGF10、およびHGF。
腺腫培養培地
一部の態様において、マウス腸腺腫などの腸腺腫のための培養培地は、マウスEGFなどのEGFを付加的に含む基本培地、例えば前記の基本培地を含む。
胃培養培地
一部の態様において、本発明は、基本培地、Wnt-3a、EGF、ノギン、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、TGF-β阻害剤、ガストリン、ニコチンアミド、FGF-10、および好ましくはp38阻害剤を含むか、またはこれらからなる、胃細胞を培養するための培地を提供する。
一部の態様において、胃幹細胞、例えば、ヒト胃幹細胞のための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、プリモシンおよび/またはP/S(抗生物質)(500x)、ならびにグルタミン/glutamaxを含む)、Rスポンジン1～4のいずれか1つ(任意で、条件培地)(好ましくは、1ug/ml)、ノギン(任意で、条件培地)(好ましくは、100ng/ml)、Wnt3A(任意で、条件培地)、ニコチンアミド(好ましくは、5mM)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、FGF10(好ましくは、200ng/ml)、ガストリン(好ましくは、1nM)、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、2uM)を含むか、またはこれらからなる。胃幹細胞のための培養培地は、任意で、p38阻害剤、例えば、SB202190(好ましくは、10nM)をさらに含む。胃幹細胞のための培養培地は、任意で、PGE2(好ましくは、500nM)をさらに含む。胃幹細胞のための培養培地は、任意で、Rock阻害剤(好ましくは、10uM)をさらに含む。
一部の態様において、胃幹細胞、例えば、マウス胃細胞のための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、プリモシンおよび/またはP/S(抗生物質)(500x)、ならびにグルタミン/glutamaxを含む)、Rスポンジン1～4のいずれか1つ(任意で、条件培地)(好ましくは、1ug/ml)、ノギン(任意で、条件培地)(好ましくは、100ng/ml)、Wnt3A(任意で、条件培地)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、FGF10(好ましくは、200ng/ml)、ガストリン(好ましくは、1nM)、ならびにRock阻害剤(好ましくは、10uM)を含むか、またはこれらからなる。一部の態様において、この培養培地は、TGF-β阻害剤(例えば、A83-01)および/またはp38阻害剤(例えば、SB202190)をさらに含む。
前立腺培養培地
一部の態様において、前立腺幹細胞を拡大させるための培養培地は、テストステロン、任意で、ジヒドロテストステロン(本明細書においてDHTとも呼ばれる)を含む。テストステロンはアンドロゲングループからのステロイドホルモンである。ヒトでは、テストステロンのかなり多くの部分が5α還元を受けて、より強力なアンドロゲンであるジヒドロテストステロンを形成する。テストステロン、ジヒドロテストステロン、またはテストステロン模倣体(例えば、アンドロゲン受容体に対するテストステロン結合の活性を模倣する分子)を本発明の培養培地に添加することができる。したがって、テストステロンという用語が用いられる場合、常に、ジヒドロテストステロンまたはテストステロン模倣体に取り替えることができる。本発明者らは、前立腺幹細胞のための培養培地にテストステロンを添加すると幹細胞集団の分化だけでなく、継続的拡大も増加することを示した(例えば、図41～45を参照されたい)。テストステロンが増殖を抑制し、終末分化を維持するように作用することによって細胞分化において重要な役割を果たしていると文献が開示しているので、これは極めて驚くべきことである(Mirochnik et al. PLoS One, 7(3), e31052, 2012; Niu et al. Oncogene 29, 3593-3604, 2010)。当業者であれば、前立腺のための培養培地にテストステロンを添加すると、これ以上の拡大能力のない完全に分化したオルガノイドが得られると予想するだろう。これは、結腸オルガノイド、膵臓オルガノイド、および肝臓オルガノイドが分化培地中で分化した時に観察されるものと似ている。しかしながら、対照的に、本発明者らは、テストステロンが分化を増大させるが、幹細胞の拡大も継続し続けることを発見した。したがって、驚いたことに、テストステロンを含む培養培地中で増殖させたオルガノイドは、幹細胞ならびに分化細胞、すなわち、管腔細胞および基底細胞を含む。
一部の態様において、前立腺オルガノイドを得るための培養培地は、基本培地、およびテストステロン、任意で、ジヒドロテストステロン、およびRスポンジン1～4のいずれか1つまたはRスポンジン模倣体を含む。一部の態様において、培養培地は、BMP阻害剤、例えば、ノギンをさらに含む。一部の態様において、培養培地は、チロシン受容体キナーゼリガンドをさらに含む。任意で、チロシン受容体キナーゼリガンドは、EGF、FGF、KGF、またはHGFなどの分裂促進増殖因子である。一部の態様において、前立腺オルガノイドを得るための培養培地は、EGF、ノギン、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、およびテストステロンを含む。
好ましい態様において、前立腺細胞のための培養培地はTGF-β阻害剤を含む。一部の態様において、前立腺細胞のための培養培地は、EGF、ノギン、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、TGF-β阻害剤、およびテストステロンを含む。一部の態様において、前立腺細胞のための培養培地はp38阻害剤をさらに含む。一部の態様において、前立腺オルガノイドを得るための培養培地は、本発明の阻害剤、例えば、TGF-β阻害剤および/またはp38阻害剤を含まない。一部の態様において、前立腺幹細胞のための培養培地はテストステロンを含まない。一部の態様において、培養培地は、基本培地、EGF、ノギンおよびRスポンジン1～4のいずれか1つ、任意でTGF-β阻害剤を含み、テストステロンを含まない。
一部の態様において、本発明は、基本培地、EGF、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、ノギン、ニコチンアミド、TGF-β阻害剤、好ましくは、Wnt-3aおよびFGF-10を含むか、またはこれらからなる、前立腺細胞を培養するための培養培地を提供する。一部の態様において、前立腺細胞を培養するための培養培地は、テストステロン、例えば、(ジヒドロ)テストステロンをさらに含む。一部の態様において、培養培地はp38阻害剤をさらに含む。一部の態様において、前立腺細胞、例えば、マウス、ヒト、正常または癌腫の前立腺細胞のための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、およびグルタミン/glutamaxを含む)、Rスポンジン1～4のいずれか1つ(任意で、条件培地)(好ましくは、1ug/ml)、ノギン(任意で、条件培地)(好ましくは、100ng/ml)、ニコチンアミド(好ましくは、10mM)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、FGF10(好ましくは、100ng/ml)、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、500nM)、(ジヒドロ)テストステロン(好ましくは、1nM)10nM、および任意でWnt-3aを含む。一部の態様において、この培養培地はRock阻害剤(好ましくは、10uM)をさらに含む。一部の態様において、前立腺細胞のための培養培地は、p38阻害剤、例えば、SB202190をさらに含む。一部の態様において、マウス前立腺細胞が培養される場合、培養培地からTGF-β阻害剤が排除されてもよい。他の態様において、培養培地からニコチンアミド、FGF10、および/またはRock阻害剤が排除されてもよい。
膵臓培養培地
一部の態様において、本発明は、基本培地、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、ノギン、EGF、FGF10、ガストリン、TGF-β阻害剤、好ましくは、エキセンディン4およびWnt-3aを含むか、またはこれらからなる、膵臓細胞を拡大させるための培養培地を提供する。
一部の態様において、膵臓幹細胞、例えば、ヒト膵臓幹細胞を拡大させるための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、およびグルタミン/glutamaxを含む)、Rスポンジン1～4のいずれか1つ(任意で、条件培地)(好ましくは、1ug/ml)、ノギン(任意で、条件培地)(好ましくは、100ng/ml)、ニコチンアミド(好ましくは、10mM)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、FGF10(好ましくは、100ng/ml)、ガストリン(好ましくは、100nM)、ならびにTGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、2uM)を含むか、またはこれらからなる。さらなる態様において、この培養培地はWnt-3aを付加的に含む。さらなる態様において、この培養培地は、p38阻害剤、例えば、SB202190(好ましくは、100nM)を付加的に含む。さらなる態様において、この培養培地は、Rock阻害剤、例えば、LY2157299(好ましくは、10uM)を付加的に含む。さらなる態様において、この培養培地はエキセンディン4(好ましくは、50ng/ml)を付加的に含む。
一部の態様において、膵臓幹細胞、例えば、マウス膵臓幹細胞を拡大させるための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、プリモシンおよび/またはP/S(抗生物質)、Hepes、ならびにグルタミン/glutamaxを含む)、Rスポンジン1～4のいずれか1つ(任意で、条件培地)(好ましくは、1ug/ml)、ノギン(任意で、条件培地)(好ましくは、100ng/ml)、ニコチンアミド(好ましくは、10mM)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、FGF10(好ましくは、100ng/ml)、ガストリン(好ましくは、100nM)、ならびにTGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、2uM)を含むか、またはこれらからなる。さらなる態様において、この培養培地は、Rock阻害剤、例えば、LY2157299(好ましくは、10uM)を付加的に含む。一部の態様において、膵臓細胞用培養培地は、p38阻害剤、例えば、SB202190をさらに含む。
一部の態様において、本発明は、基本培地、ノギン、EGF、FGF10、ガストリン、TGF-β阻害剤、γ-セクレターゼ阻害剤、好ましくは、エキセンディン4を含むか、またはこれらからなる、膵臓細胞を分化させるための培養培地を提供する。
一部の態様において、膵臓幹細胞、例えば、ヒト膵臓幹細胞を分化させるための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、およびグルタミン/glutamaxを含む)、ノギン(好ましくは、100ng/ml)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、FGF10(好ましくは、10nM)、ガストリン(好ましくは、100nM)、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、50nM)、ならびにγ-セクレターゼ阻害剤(DAPT/DBZ)(好ましくは、10uM)を含むか、またはこれらからなる。さらなる態様において、この培養培地はエキセンディン4(好ましくは、50ng/ml)を付加的に含む。一部の態様において、膵臓細胞のための培養培地は、p38阻害剤、例えば、SB202190をさらに含む。
一部の態様において、膵臓幹細胞、例えば、マウス膵臓幹細胞を分化させるための培養培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、およびグルタミン/glutamaxを含む)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、ならびにγ-セクレターゼ阻害剤(例えば、DAPT/DBZ)(好ましくは、10uM)を含むか、またはこれらからなる。
バレット食道培養培地
一部の態様において、バレット食道用の培養培地は、Wntアゴニスト、例えば、組換えヒトWnt-3AまたはWnt-3A条件培地;EGF;BMP阻害剤、例えば、ノギン;Rスポンジン、例えば、ヒトRスポンジン-1;TGF-β阻害剤、例えば、A83-01;p38阻害剤、例えば、SB202190;ガストリン;ニコチンアミド;およびFGF、例えば、ヒトFGF10(すなわち、HISC+FGF) を付加的に含む基本培地、例えば前記の基本培地を含むか、または該基本培地からなる。一部の態様において、この培養培地からガストリンが排除される。
一部の態様において、本発明は、バレット食道から単離された上皮を、1日間、2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、7日間、またはそれより長く、HISC培養培地中で、任意で、FGF10を付加的に含むHISC培地中で培養する工程;ならびに最初の1日間、2日間、3日間、4日間、またはそれより長い日数を過ぎた後にニコチンアミドおよびSB202190を取り除く工程を含む、バレット食道オルガノイドを得るための方法を提供する。一部の態様において、培養培地は、DBZなどのNotich阻害剤を付加的に含む。一部の態様において、Notch阻害剤の存在下で培養されたバレット食道オルガノイドは増殖細胞をほとんど含まないか、または増殖細胞を含まず、Notch阻害剤の非存在下で培養されたオルガノイドと比べて多くの杯細胞を含む(図5を参照されたい)。
肝臓培養培地
一部の態様において、肝臓細胞を第1の「拡大」培養培地(本明細書においてEMとも呼ばれる)の中で増殖させ、好ましくは、その後に、細胞を第2の「分化」培養培地(本明細書においてDMとも呼ばれる)の中で培養することができる。しかしながら、一部の態様において、DM培地中で分化を行う工程は、例えば、細胞が移植され、インビボで分化される一部の方法では行われない。同様に、膵臓、小腸、および結腸などの他の組織用の拡大培養培地および分化培養培地がある(前記を参照されたい)。
1つの態様において、肝臓拡大培地は、EGF、Wntアゴニスト、FGF、およびニコチンアミドを含む。好ましくは、Wntアゴニストは、R-スポンジン1～4(例えば、Rスポンジン1、2、3、および4のうちのいずれか1つまたは複数)であり、したがって、拡大培地は「ERFNic」と呼ばれる。特に好ましい拡大培地はHGFを付加的に含み、「ERFHNic」と呼ばれる。
一部の態様において、肝臓拡大培地にはTGFβ阻害剤が添加される。一部の態様において、TGFβは、少なくとも5nM、例えば、少なくとも50nM、少なくとも100nM、少なくとも300nM、少なくとも450nM、少なくとも475nM、例えば、5nM～500mM、10nM～100mM、50nM～700uM、50nM～10uM、100nM～100OnM、350～650nM、またはより好ましくは500nMで存在する。拡大培地にTGFβ阻害剤が存在することがヒト細胞態様に特に好ましい。
一部の態様において、本発明は、基本培地、Rスポンジン1～4のいずれか1つ、ノギン、ニコチンアミド、EGF、FGF10、HGF、ガストリン、TGF-β阻害剤、およびPGE2、好ましくは、Wnt-3aを含むか、またはこれらからなる、肝臓細胞を拡大させるための培養培地を提供する。
一部の態様において、肝臓拡大培地はp38阻害剤をさらに含む。
一部の態様において、肝臓拡大培地には、プロスタグランジンシグナル伝達経路アクチベーター(プロスタグランジン経路アクチベーターとも呼ばれる)が添加される(図24を参照されたい)。例えば、肝臓拡大培地には、以下を含むリストより選択される化合物のいずれか1つまたは複数が添加されてもよい: リン脂質、アラキドン酸(AA)、プロスタグランジンE2(PGE2)、プロスタグランジンG2(PGG2)、プロスタグランジンF2(PGF2)、プロスタグランジンH2(PGH2)、プロスタグランジンD2(PGD2)。例えば、一部の態様において、肝臓拡大培地にはPGE2および/またはAAが添加される。一部の態様において、PGE2は、少なくとも10nM、少なくとも30nM、少なくとも40nM、少なくとも45nM、少なくとも50nM、例えば、10nM～500nM、10nM～400nM、10nM～300nM、10nM～200nM、10nM～100nM、20nM～50nMの最終濃度まで肝臓拡大培地に添加される。好ましい態様において、PGE2は50nMの最終濃度まで肝臓拡大培地に添加される。一部の態様において、AAは、少なくとも1ug/ml、例えば、少なくとも3ug/ml、少なくとも5ug/ml、少なくとも8ug/ml、少なくとも9ug/ml、少なくとも10ug/ml、1ug/ml～1000ug/ml、1ug/ml～500ug/ml、1ug/ml～100ug/ml、1ug/ml～50ug/ml、または5ug/ml～10ug/mlの最終濃度まで肝臓拡大培地に添加される。好ましい態様において、AAは10ug/mlの最終濃度まで培地に添加される。
好ましい態様において、肝臓拡大培地には、TGF-β阻害剤ならびにプロスタグランジンシグナル伝達経路アクチベーター(例えば、PGE2および/またはAA)、任意で、p38阻害剤が添加される。
好ましい態様において、肝臓拡大培地はガストリンを付加的に含む。
1つの態様において、肝臓分化培地は、EGF、TGF-β阻害剤、FGF(例えば、FGF10、FGF2、または他の任意の適切なFGFファミリーメンバー)、およびNotch阻害剤を含む。1つの態様において、TGF-β阻害剤はA83-01である、および/またはNotch阻害剤はDAPTである。この分化培地は本明細書において「EAFD」と呼ばれ、好ましい本発明の分化培地である。任意で、FGFの代わりにHGFが用いられてもよく、FGFおよびHGFがいずれも分化培地に存在してもよく、存在しなくてもよい。一部の態様において、EGFの代わりに、HGFまたは別の受容体型チロシンキナーゼリガンドが用いられてもよい。デキサメタゾンも、例えば、10nM～10uMの濃度で添加されてもよい。肝臓分化培地は、任意で、PGE2またはAAなどのプロスタグランジン経路アクチベーターを含んでもよい。しかしながら、この成分も分化培地から排除されてもよい。一部の態様において、肝細胞運命への分化を助けるために、オンコスタチンMも、例えば、1ng/ml～1mg/mlの濃度で添加されてもよい。
一部の態様において、本発明は、基本培地、ノギン、EGF、ガストリン、TGF-β阻害剤、γ-セクレターゼ阻害剤、例えば、DAPTまたはDBZ、好ましくは、Wnt-3aを含むか、またはこれらからなる、肝臓細胞を分化させるための培養培地を提供する。
一部の態様において、肝臓細胞は、最初に、Wntおよびノギンを付加的に含有する拡大培地中で、例えば、EGF、ノギン、R-スポンジン、およびWnt(例えば、Wnt-3A)、任意で、プロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2またはAA、および任意で、TGFβ阻害剤、任意で、FGF、HGF、ニコチンアミドを含有する「ENRW」培地中で培養されてもよい。好ましい態様において、肝臓拡大培地には、TGF-β阻害剤ならびにプロスタグランジンシグナル伝達経路アクチベーター(例えば、PGE2および/またはAA)の1つ、またはより好ましくは、これらの両方が添加される。
一部の態様において、肝臓のための拡大培地は、EGF、ノギン、ガストリン、FGF、ニコチンアミド、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01、HGF、Rスポンジン1～4(例えば、Rスポンジン1、2、3、および4のうちのいずれか1つまたは複数)、ならびにPGE2を含む。
好ましい態様において、肝臓細胞は、最初に、PGE2および/またはAAが添加された、EGF、ノギン、ガストリン、FGF10、ニコチンアミド、A8301、HGF、およびRスポンジン1～4のいずれか1つを含有する拡大培地中で培養されてもよい。Rスポンジン1～4はRspo条件培地の形で提供されてもよい。例えば、拡大培地は、PGE2(50nM)および/またはAA(10ug/ml)が添加された、EGF(100ng/ml, Invitrogen); ノギン(25ng/ml, peprotech);ガストリン(10nM, Sigma);FGF10(例えば、100ng/ml, peprotech);ニコチンアミド(10mM, sigma);A8301(500nM, Tocris);HGF(50ng/ml, peprotech);Rspo条件培地(10％、例えば、1ug/ml)を含有してもよい。拡大培地はまたRock阻害剤を含有してもよい。
マウス肝臓細胞を拡大させる時に、以下の成分の1つまたは複数が前記の培養培地から排除されてもよい: TGF-β阻害剤(例えば、A83-01)およびPGE2。
本発明者らは、この培地が、細胞の初期拡大を最初の数日間、刺激するのに最適であることを見出された。したがって、この第1の拡大培地は時として本明細書においてEM1と呼ばれる。一部の態様において、Wntおよびノギンは、約1日後、2日後、3日後、4日後、5日後、6日後、7日後、またはそれより後に、例えば、2週間後、1ヶ月後、5週間後、8週間後、2ヶ月後、3ヶ月後、4ヶ月後、5ヶ月後、6ヶ月後、7ヶ月後、8ヶ月後、9ヶ月後、10ヶ月後、11ヶ月後、12ヶ月後、またはそれより後に、14ヶ月後、またはそれより後に除去される。次いで、一部の態様において、細胞を、Wntもノギンも含有しない前記の本発明の拡大培地中で拡大させてもよい。この第2の拡大培地は時として本明細書においてEM2と呼ばれる。一部の態様において、細胞は、約1日間、2日間、3日間、4日間、5日間、6日間、7日間、またはそれより長く、例えば、3週間、4週間、5週間、10週間、20週間、またはそれより長くEM2中で培養される。次いで、培養培地は、TGF-β阻害剤およびNotch阻害剤を含有する前記の最適化された分化培地に変えられてもよい。典型的には、分化培地はWntアゴニストもR-スポンジンもニコチンアミドも含有しない。一部の態様において、分化培地は、PGE2またはAAなどのプロスタグランジン経路アクチベーターを含有しない。これにより、細胞は成熟した肝細胞および胆管細胞に分化するように促される。これらの細胞はヒトまたは動物への移植に適している。
肝臓用拡大培地(EM2):
本発明の1つの局面において、分裂促進増殖因子として上皮細胞増殖因子、FGFR2またはFGFR4に結合することができるFGF、および好ましくは、FGF10、ニコチンアミド、好ましくは、Wntアゴニスト、好ましくは、R-スポンジン1～4が加えられた、動物細胞またはヒト細胞のための基本培地を含むか、または該基本培地からなる細胞培養培地が提供される。この培地はEM2と呼ばれる。この「EM2」培地は肝臓細胞を拡大させるのに好ましい。
一部の態様において、EM2は、PGE2および/またはAAなどのプロスタグランジン経路アクチベーターを含む。
一部の態様において、EM2は、A83-01などのTGF-β阻害剤を含む。
好ましくは、WntアゴニストはR-スポンジン1～4である。EGF、R-スポンジン1～4、FGF、およびニコチンアミドを含む培地は本明細書においてERFNicと呼ばれる。
一部の態様において、EM2培地はノギンを含まず、より好ましくは、BMP阻害剤を含まない。一部の態様において、EM2培地は、Wnt、例えば、Wnt-3aを含まない。
一部の態様において、FGFに加えてHGFが存在する。FGFに加えてHGFを含む好ましい培地は、ERFHNic(EGF+R-スポンジン(好ましくは、R-スポンジン1～4)+FGF(好ましくは、FGF10)+HGF+ニコチンアミド+プロスタグランジン経路阻害剤、例えば、PGE2および/またはAA、ならびにTGF-β阻害剤である。本発明者らは、TGF-β阻害剤およびプロスタグランジン経路アクチベーターを含有するERFHNic培地が細胞の長期拡大のための最適な培地であることを見出した。HGFの非存在下では、細胞は3ヶ月を超えて培養状態で生存することはなかった。さらに、HGFの非存在下では10継代後に、低い増殖比によって証明されたように、細胞はHGFの存在下で培養された細胞と比較して増殖の不利益を示した。特に、15継代後に、HGFの非存在下では細胞は、HGFの存在下と同じ速度比でオルガノイドを増殖させることはなかった。したがって、HGFは、長期培養中の良好な増殖速度の維持に極めて重要であることが見出された。したがって、本発明は、少なくとも2週間、少なくとも1ヶ月間、少なくとも2ヶ月間、より好ましくは少なくとも3ヶ月間、少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも8ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、少なくとも10ヶ月間、少なくとも15ヶ月間、少なくとも20ヶ月間、少なくとも24ヶ月間、少なくとも25ヶ月間、少なくとも30ヶ月間、またはそれより長く、例えば、3年以上にわたって細胞を培養するための本発明のERFHNic培地の使用を提供する。実際には、本発明の一部の態様は、細胞を約20～50回継代するためのEM2の使用を含む。例えば、細胞は、7～10週間連続して、1週間に1回、4～8倍にスプリットされてもよい。好ましくは、細胞は、1週間につき約4～5倍の割合で、または1週間に2回の集団倍加を超えて拡大する。さらに、本発明は、少なくとも8継代、例えば、少なくとも9継代、少なくとも10継代、少なくとも11継代、少なくとも12継代、少なくとも15継代、少なくとも20継代、少なくとも25継代、少なくとも30継代、少なくとも40継代、少なくとも50継代、少なくとも60継代、または15～35継代、例えば、約20～30継代、細胞を培養するための本発明のERFHNic培地の使用を提供する。一部の態様において、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01がEM2培地に付加的に存在する。これは、ヒト細胞またはオルガノイドを培養している時に特に有用である。一部の態様において、A83-01は、400～600nM、例えば、450～550nM、470～530nM、または約500nMの濃度で存在する。TGF-β阻害剤がEM2に存在する態様において、好ましくは、Notch阻害剤は存在しない。一部の態様において、EM2はp38阻害剤を付加的に含む。
肝臓用拡大培地(EM1):
1つの局面において、本発明は、EGF、BMP阻害剤、R-スポンジン、Wntが加えられた動物細胞用もしくはヒト細胞用の基本培地を含むか、または該基本培地からなる細胞培養培地を提供する。好ましくは、BMP阻害剤はノギンであり、EM1培地は「ENRW」(EGF、ノギン、R-スポンジン、およびWnt(例えば、Wnt3A))と呼ばれる。この培地はEM1と呼ばれる。一部の態様において、EM1は、PGE2および/またはAAなどのプロスタグランジン経路アクチベーターを付加的に含む。一部の態様において、EM1はA83-01などのTGF-β阻害剤を含む。より好ましくは、EM1はプロスタグランジン経路アクチベーターおよびTGF-β阻害剤を付加的に含む。本発明者らは、Wntおよびノギンを含有する培地が、細胞の初期拡大を刺激するのに理想的であることを見出した。したがって、一部の態様において、EM1培地は1継代または1週間しか用いられないが、細胞に有害でないので約1年間使用できることも予想される。したがって、一部の態様において、EM1培地は、0日目～10日目、例えば、0～7日目、0～6日目、0～5日目、0～4日目、0～3日目、0～2日目、0～1日目に細胞を培養するのに用いられるか、1週間以上、例えば、2週間、3週間、4週間以上、または1ヶ月間、2ヶ月間、3ヶ月間、4ヶ月間、5ヶ月間、6ヶ月間、7ヶ月間、8ヶ月間、9ヶ月間、10ヶ月間、11ヶ月間、12ヶ月間以上用いられる。この場合、0日目は、細胞の起源組織から細胞が単離された日であり、1日目はその次の日である。一部の態様において、EM1培地は培養の最初の日のみ、または最初の2日間のみ用いられる。一部の態様において、EM1培地は、1継代以上、例えば、1継代、2継代、3継代、4継代、5継代、6継代、7継代、8継代、9継代、10継代、15継代、20継代、25継代、30継代以上、例えば、20～30継代、30～35継代、32～40継代、またはそれより長く用いられる。一部の態様において、EM1培地は、凍結工程後に、または最適な増殖と両立しない培地もしくは温度の変化を伴う他の任意の輸送工程後に用いられる。この「EM1」培地は肝臓細胞を拡大させるのに好ましい。
EM1培地には、FGF、HGF、ニコチンアミド、ガストリン、B27、N-アセチルシステイン、およびN2からなる群より選択される化合物の1つまたは複数が添加される。凍結ストックまたは単一細胞から培養を開始する場合、EM1培地には好ましくはROCK阻害剤が添加される。Y27632は、本発明において使用するための好ましいROCK阻害剤である。
したがって、1つの態様において、
分裂促進増殖因子として、上皮細胞増殖因子、FGF(例えば、FGFR2もしくはFGFR4に結合することができるFGF)、好ましくは、FGF10、およびHGF、
プロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2および/またはAA;
TGF-β阻害剤;
ガストリン、ニコチンアミド、B27、N2、およびN-アセチルシステイン、および好ましくは;
BMP阻害剤、好ましくは、ノギン;ならびに
Wntアゴニスト、好ましくは、R-スポンジン1および/またはWnt-3a
が加えられた、動物細胞用もしくはヒト細胞用の基本培地を含むか、または該基本培地からなる細胞培養培地が提供される。
B27(Invitrogen)、N-アセチルシステイン(Sigma)およびN2(Invitrogen)、ガストリン(Sigma)およびニコチンアミド(Sigma)もまた前記で規定された培地に添加され、細胞増殖を制御し、DNA安定性を助けると信じられている。本発明の文脈において、ニコチンアミドは本明細書において「Nic」とも呼ばれる。
「N2サプリメント」は、Invitrogen, Carlsbad, CA; www.invitrogen.com;カタログ番号17502-048;およびPAA Laboratories GmbH, Pasching, Austria; www.paa.com;カタログ番号F005-004; Bottenstein & Sato, PNAS, 76(1):514-17, 1979から入手することができる。N2サプリメントは、500μg/mlヒトトランスフェリン、500μg/mlウシインシュリン、0.63μg/mlプロゲステロン、1611μg/mlプトレシン、および0.52μg/ml亜セレン酸ナトリウムを含有する100x液体濃縮液としてPAA Laboratories GmbHから供給される。N2サプリメントは濃縮液として培養培地に加えられてもよく、培養培地に加えられる前に希釈されてもよい。N2サプリメントは1x最終濃度で用いられてもよく、他の最終濃度で用いられてもよい。N2サプリメントの使用は、トランスフェリン、インシュリン、プロゲステロン、プトレシン、および亜セレン酸ナトリウムを本発明の培養培地に組み込む便利な方法である。培地がB27を含む一部の態様では、培地はまたN2を含まない。したがって、B27が存在する場合、所望であれば、N2を排除するように本発明の態様を合わせることができる。
ビオチン、コレステロール、リノール酸、リノレン酸、プロゲステロン、プトレシン、レチノール、酢酸レチニル、亜セレン酸ナトリウム、トリヨードチロニン(T3)、DL-αトコフェロール(ビタミンE)、アルブミン、インシュリン、およびトランスフェリンを含む培養培地を処方するために、「B27サプリメント」(Invitrogen, Carlsbad, CA; www.invitrogen.com;現在、カタログ番号17504-044;およびPAA Laboratories GmbH, Pasching, Austria; www.paa.com; カタログ番号F01-002; Brewer et al., J Neurosci Res., 35(5):567-76, 1993から入手することができる)が用いられてもよい。B27サプリメントは、成分の中でも特に、ビオチン、コレステロール、リノール酸、リノレン酸、プロゲステロン、プトレシン、レチノール、酢酸レチニル、亜セレン酸ナトリウム、トリヨードチロニン(T3)、DL-αトコフェロール(ビタミンE)、アルブミン、インシュリン、およびトランスフェリンを含有する50x液体濃縮液としてPAA Laboratories GmbHから供給される。これらの成分のうち、少なくともリノレン酸、レチノール、酢酸レチニル、およびトリヨードチロニン(T3)は核ホルモン受容体アゴニストである。B27サプリメントは濃縮液として培養培地に添加されてもよく、培養培地に添加される前に希釈されてもよい。B27サプリメントは1x最終濃度で用いられてもよく、他の最終濃度で用いられてもよい。B27サプリメントの使用は、ビオチン、コレステロール、リノール酸、リノレン酸、プロゲステロン、プトレシン、レチノール、酢酸レチニル、亜セレン酸ナトリウム、トリヨードチロニン(T3)、DL-αトコフェロール(ビタミンE)、アルブミン、インシュリン、およびトランスフェリンを本発明の培養培地に組み込む便利な方法である。
例えば、細胞培養培地は、FGF10、HGF、およびニコチンアミドが添加された、EGFおよびR-スポンジン1;例えば、FGF10(100ng/ml)、HGF(25～50ng/ml)、ニコチンアミド(1～10mM)、プロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2(50nM)および/またはAA(10ug/ml)、ならびにTGF-β阻害剤、例えば、A83-01(500nM)が添加された、EGF(50ng/ml)およびR-スポンジン1(1ug/ml)が加えられた基本培地を含んでもよく、これらからなってもよい。一部の態様において、培地はp38阻害剤を付加的に含む。本発明者らは、この培地が細胞の長期拡大に使用され得ることを発見した。したがって、この細胞培養培地は本発明のEM2としての使用に好ましい。基本培地には、好ましくは、B27、N2、および200ng/ml N-アセチルシステインが添加される。一部の態様において、基本培地はAdvanced-DMEM/F12である。しかしながら、他の任意の適切な基本培地が用いられてもよい。
細胞培養培地およびこの培地を使用する方法の別の例は、Advanced-DMEM/F12、好ましくは、B27、N2、200ng/ml N-アセチルシステイン、50ng/ml EGF、1μg/ml R-スポンジン1、10nMガストリン、100ng/ml FGF10、10mMニコチンアミド、50ng/ml HGF、50％Wnt条件培地、プロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2(50nM)および/またはAA(10ug/ml)、ならびにTGF-β阻害剤、例えば、A83-01(500nM)、好ましくは、10～100ng/ml ノギンが添加されたAdvanced-DMEM/F12を含むか、または該Advanced-DMEM/F12からなる。Wnt条件培地は、Advanced DMEM、P/S、B27、N2、およびFCSも含む。Wnt3A発現プラスミドをトランスフェクトされた293T細胞はWntを産生する。数日後に全ての培地が(すなわち、分泌されたWntと共に)採取され、Wnt供給源として用いられる。
したがって、本発明は、
分裂促進増殖因子として、上皮細胞増殖因子、FGFR2またはFGFR4に結合することができるFGF、好ましくは、FGF10、およびHGF
プロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2および/またはAA、
TGF-β阻害剤;
ガストリン、ニコチンアミド、B27、N2、およびN-アセチルシステイン、および好ましくは、
BMP阻害剤、より好ましくは、ノギン、ならびに
Wntアゴニスト、より好ましくは、R-スポンジン1および/またはWnt-3a
が加えられた、動物細胞またはヒト細胞のための基本培地を含むか、または該基本培地からなる、細胞培養培地を提供する。
したがって、本発明は、
分裂促進増殖因子として、上皮細胞増殖因子、FGF10、およびHGF、
プロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2および/またはAA、
TGF-β阻害剤;
ガストリン、ニコチンアミド、B27、N2、およびN-アセチルシステイン、
BMP阻害剤、より好ましくは、ノギン、ならびに
Wntアゴニスト、より好ましくは、R-スポンジン1およびWnt-3a
が加えられた、動物細胞またはヒト細胞のための基本培地を含むか、または該基本培地からなる第1の好ましい培養培地を包含する。
一部の態様において、p38阻害剤が拡大培地に添加される。
この培地は、細胞の初期拡大を刺激するために本発明のEM1細胞培養培地として用いられてもよい。一部の態様において、EM1細胞培養培地として用いられる培地は、本発明のEM2培地の全ての成分を含み、Wnt-3aおよびノギンを付加的に含む。
基本培地に、N-アセチルシステイン、B27、およびN2が添加される態様において、培養培地には、好ましくは、以下が添加される: EGF、R-スポンジン1、ガストリン、FGF10、ニコチンアミド、ならびにHGF、ならびにWnt条件培地、ならびにプロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2および/またはAA。好ましくは、基本培地には、N-アセチルシステイン、EGF、R-スポンジン1、ガストリン、FGF10、ニコチンアミド、ならびにHGF、ならびにWnt条件培地、ならびにプロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2および/またはAAが前記の量に従って添加される。好ましくは、TGF-β阻害剤も本明細書に記載の量で存在する。
例えば、一部の態様において、基本培地には150ng/ml～250ng/mlのN-アセチルシステインが添加されてもよい。好ましくは、基本培地には約200ng/mlまたは正確に200ng/mlのN-アセチルシステインが添加される。例えば、一部の態様において、基本培地には40ng/ml～60ng/mlのEGFが添加されてもよい。好ましくは、基本培地には約50ng/ml EGFまたは正確に50ng/mlのEGFが添加される。例えば、一部の態様において、基本培地には0.5μg/ml～1.5μg/mlのR-スポンジン1が添加されてもよい。好ましくは、基本培地には約1μg/mlまたは正確に1μg/mlのR-スポンジン1が添加される。例えば、一部の態様において、基本培地には5nM～15nMのガストリンが添加されてもよい。好ましくは、基本培地には約10nMまたは正確に10nMのガストリンが添加される。例えば、一部の態様において、基本培地には25～200ng/mlのFGF10、例えば、70ng/ml～130ng/mlのFGF10が添加されてもよい。好ましくは、基本培地には約100ng/mlまたは正確に100ng/mlのFGF10が添加される。例えば、一部の態様において、基本培地には5mM～15mMのニコチンアミドが添加されてもよい。好ましくは、基本培地には約10mMまたは正確に10mMのニコチンアミドが添加される。例えば、一部の態様において、基本培地には25ng/ml～100ng/mlのHGF、例えば、35ng/ml～65ng/mlのHGFが添加されてもよい。好ましくは、基本培地には約50ng/mlまたは正確におよび50ng/mlのHGFが添加される。例えば、一部の態様において、基本培地には35％～65％のWnt条件培地が添加されてもよい。好ましくは、基本培地には約50％または正確に50％のWnt条件培地が添加される。
例えば、一部の態様において、肝臓拡大培地にはプロスタグランジンシグナル伝達経路アクチベーターが添加される(図24を参照されたい)。例えば、肝臓拡大培地には、以下を含むリストより選択される化合物のいずれか1つまたは複数が添加されてもよい: リン脂質、アラキドン酸(AA)、プロスタグランジンE2(PGE2)、プロスタグランジンG2(PGG2)、プロスタグランジンF2(PGF2)、プロスタグランジンH2(PGH2)、プロスタグランジンD2(PGD2)。例えば、一部の態様において、肝臓拡大培地にはPGE2および/またはAAが添加される。一部の態様において、PGE2は、少なくとも10nM、例えば、10nM～500nM、10nM～400nM、10nM～300nM、10nM～200nM、10nM～100nM、20nM～50nMの最終濃度まで肝臓拡大培地に添加される。好ましい態様において、PGE2は50nMの最終濃度まで肝臓拡大培地に添加される。一部の態様において、AAは、少なくとも1ug/ml、例えば、1ug/ml～1000ug/ml、1ug/ml～500ug/ml、1ug/ml～100ug/ml、1ug/ml～50ug/ml、または5ug/ml～10ug/mlの最終濃度まで肝臓拡大培地に添加される。好ましい態様において、AAは10ug/mlの最終濃度まで培地に添加される。
一部の態様において、ガストリンおよびN2の一方または両方が細胞培養培地に存在しない。
好ましくは、基本培地はadvanced-DMEM/F12である。
この第1の培養培地(例えば、EM1、EM2、またはEM1およびEM2の両方)は、好ましくは、本発明の培養方法の最初の2週間の間に用いられる。しかしながら、この第1の培養培地は、さらに短い期間で、例えば、1日間、2日間、3日間、5日間、7日間、または10日間、またはそれより長い期間、例えば、3週間、4週間、5週間、10週間、20週間、またはそれより長く、5ヶ月間以上、例えば、6ヶ月間、7ヶ月間、8ヶ月間、9ヶ月間、10ヶ月間、11ヶ月間、12ヶ月間以上用いられてもよい。
肝臓用分化培地(DM):
別の局面において、以下が加えられた、動物細胞またはヒト細胞のための基本培地を含むか、または該基本培地からなる第2の細胞培養培地が提供される: EGF、TGF-β阻害剤、Notch阻害剤、ならびにプロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2および/またはAA。本発明者らは、この培地が細胞を分化させるのに有用であると発見した。細胞を分化させるのに用いられる培地は、本明細書においてDMと呼ばれることがある。
好ましくは、第2の細胞培養培地はFGFおよび/またはHGFも含む。
1つの態様において、第2の培養培地は、
分裂促進増殖因子として上皮細胞増殖因子、FGF10、およびHGF、
Notch 阻害剤;
TGF-β 阻害剤;ならびに
プロスタグランジン経路アクチベーター、例えば、PGE2および/またはAA
が加えられた、動物細胞またはヒト細胞のための基本培地を含むか、または該基本培地からなる。
1つの態様において、TGF-β阻害剤はA83-01である、および/またはNotch阻害剤はDAPTである。別の態様において、DM細胞培養培地はデキサメタゾンを付加的に含む。別の態様において、DM細胞培養培地はオンコスタチンMを付加的に含む。別の態様において、DM細胞培養培地はガストリンを付加的に含む。
好ましい第2の細胞培養培地およびこの培地を使用する方法は実施例に記載され、50ng/ml EGF、100ng/ml FGF10、50nM A8301、および10uM DAPTが加えられた基本培地を含むか、または該基本培地からなる。基本培地としてAdvanced-DMEM/F12が用いられてもよく、同様に、他の任意の適切な基本培地が用いられてもよい。
一部の態様において、肝臓細胞、例えば、ヒト肝臓細胞のための分化培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(1mM)、グルタミン/glutamaxを含む)、ノギン(好ましくは、100ng/ml)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、ガストリン(好ましくは、10nM)、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、50nM)、ならびにγ-セクレターゼ阻害剤(例えば、DAPT/DBZ)(好ましくは、10uM)を含むか、またはこれらからなる。
一部の態様において、肝臓細胞、例えば、マウス肝臓細胞のための分化培地は、基本培地(例えば、Advanced DMEM/F12、B27(50x)、n-アセチルシステイン(好ましくは、1mM)グルタミン/glutamaxを含む)、EGF(好ましくは、50ng/ml)、FGF10(好ましくは、100ng/ml)、ガストリン(好ましくは、10nM)、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01(好ましくは、50nM)、ならびにγ-セクレターゼ阻害剤(例えば、DAPT/DBZ)(好ましくは、10uM)を含むか、またはこれらからなる。
一部の態様において、第2の細胞培養培地はR-スポンジンもWntも含まない。一部の態様において、第2の細胞培養培地はWntアゴニストを含まない。一部の態様において、第2の細胞培養培地はニコチンアミドを含まない。一部の態様において、第2の細胞培養培地はBMP阻害剤を含まない。一部の態様において、第2の細胞培養培地は、PGE2および/またはAAなどのプロスタグランジン経路アクチベーターを含まない。
本発明者らは、R-スポンジン1およびニコチンアミドがいずれも成熟肝細胞マーカーCYP3A11の発現を阻害するが、肝芽細胞マーカーアルブミンの発現を促進することを発見した。したがって、成熟肝臓運命への細胞の分化を増大させるために、本発明者らは細胞培養物からR-スポンジンおよびニコチンアミドを除去した。本発明者らはまた、R-スポンジン1を含有する拡大培養物において特定の胆管転写因子の発現が高度にアップレギュレートされることを発見した。このことは、培養遺伝子発現が胆管細胞運命に向かって不均衡になっていたことを示している。Notchシグナル伝達経路およびTGF-βシグナル伝達経路はインビボで胆管細胞運命に結び付けられてきた。実際に、(活性Notchシグナル伝達を実現するのに必須の)Rbpjが欠失すると異常な管形成が起こり(Zong Y. Development 2009)、肝臓外植片にTGF-βを添加するとインビトロで胆管分化が促進される(Clotman F. Genes and Development 2005)。肝臓培養物においてNotchシグナル伝達経路およびTGF-βシグナル伝達経路はいずれも高度にアップレギュレートされたので(図22)、本発明者らは、胆管細胞運命を阻害することによって細胞分化が肝細胞表現型の方へ誘発され得ると考えた。TGF-β阻害剤(例えば、A8301)およびNotch阻害剤(例えば、DAPT)を、分化培地、好ましくは、R-スポンジンもWntも含有しない分化培地に添加すると、成熟肝細胞マーカーの発現が高まり、肝細胞様細胞の数が増えることが発見された(例えば、実施例5を参照されたい)。
一般的な培養培地
本発明による細胞培養培地は、細胞外マトリックス上での上皮幹細胞または単離された陰窩の生存および/または増殖および/または分化を可能にする。一部の態様において、本発明による細胞培養培地は、細胞外マトリックス上での本発明のオルガノイド、例えば、陰窩-絨毛オルガノイド、結腸オルガノイド、膵臓オルガノイド、胃オルガノイド、バレット食道オルガノイド、腺癌オルガノイド、または結腸癌腫オルガノイドの生存および/または増殖および/または分化を可能にする。一部の態様において、本発明による細胞培養培地は、細胞外マトリックス上での本発明のオルガノイド、例えば、小腸(陰窩-絨毛)オルガノイド、結腸オルガノイド、膵臓オルガノイド、胃オルガノイド、バレット食道オルガノイド、腺癌オルガノイド、癌腫オルガノイド、結腸癌腫オルガノイド、前立腺オルガノイド、または前立腺癌腫オルガノイドの生存および/または増殖および/または分化を可能にする。好ましくは、TGF-β阻害剤および/またはp38阻害剤が存在する態様において、細胞培養培地は、生存および/または増殖、好ましくは、本発明の細胞集団またはオルガノイドの生存および増殖を可能にする。好ましくは、最初に、TGF-β阻害剤および/またはp38阻害剤が細胞培養培地に存在するが、次いで、(例えば、培地の補給時に添加を行わないことによって)培地から除去される態様は、生存および/または分化、好ましくは、本発明の細胞集団またはオルガノイドの生存および分化を可能にする。
一部の態様において、本明細書に記載の培地のいずれかにp38阻害剤が添加される。
細胞培養培地という用語は、培地、培養培地、または細胞培地と同義である。
本発明の培養培地の使用
本発明はまた、幹細胞、幹細胞集団、組織断片、またはオルガノイドを拡大および/または分化させるための本発明の培養培地の使用を提供する。
一部の態様において、幹細胞、幹細胞集団、組織断片、またはオルガノイドは、1つまたは複数の腸幹細胞、小腸陰窩、結腸陰窩、胃幹細胞、肝臓幹細胞、膵臓幹細胞、および前立腺幹細胞からなる群より選択される。
一部の態様において、幹細胞、幹細胞集団、組織断片、またはオルガノイドは正常組織から得ることができる。
一部の態様において、幹細胞、幹細胞集団、組織断片、またはオルガノイドは、疾患組織、例えば、腺腫、癌腫、腺癌、嚢胞性線維症を有する患者の腸、または炎症性腸疾患を有する患者の腸に由来する疾患組織から得ることができる。
本発明に従って培養された幹細胞
幹細胞は成体ヒトおよびマウスの多くの臓器において見出される。個々の組織における成体幹細胞の正確な特徴に大きなばらつきがある場合があるが、成体幹細胞は少なくとも以下の特徴を共有する: 未分化表現型を保持していること; 子孫が、関連組織に存在する全ての系列に分化できること; 一生を通じて自己維持能を保持していること; および損傷後に関連組織を再生できること。幹細胞は幹細胞ニッチという特殊な位置に存在する。幹細胞ニッチは、前記幹細胞集団を維持するための適切な細胞間接着およびシグナルを提供する。本発明による幹細胞は好ましくはLgr5を発現する。
1つの態様において、本発明は、本発明による幹細胞または組織断片を培養する工程によって作製または得られた、細胞集団または前記幹細胞を含む1つもしくは複数のオルガノイドを提供する。前記の幹細胞または組織断片は、少なくとも3ヶ月間、好ましくは、少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長く培養されている。
細胞の「集団」は、1個より多い任意の数の細胞であるが、好ましくは、少なくとも1x103個の細胞、少なくとも1x104個の細胞、少なくとも1x105個の細胞、少なくとも1x106個の細胞、少なくとも1x107個の細胞、少なくとも1x108個の細胞、または少なくとも1x109個の細胞である。
本発明に従って培養された本発明の幹細胞はヒト幹細胞でもよい。本発明に従って培養された本発明の幹細胞は上皮幹細胞でもよい。
一部の態様において、本発明の幹細胞および/または本発明に従って培養された幹細胞は胚性幹細胞でない。一部の態様において、本発明の幹細胞および/または本発明に従って培養された幹細胞はヒト胚性幹細胞でない。好ましくは、本発明の幹細胞は成体幹細胞である。
好ましい態様において、幹細胞はヒト上皮幹細胞でもよい。ヒト上皮幹細胞にはヒト上皮組織由来の幹細胞が含まれる。これらには、膵臓組織、小腸組織、大腸組織、角膜組織、嗅覚組織、呼吸組織、胃組織、肝臓組織および皮膚組織、乳房組織および/または前立腺組織、例えば、膵臓組織、小腸組織、大腸組織、角膜組織、嗅覚組織、および呼吸組織からなる群より選択される組織が含まれるが、これに限定されない。上皮幹細胞は、上皮を構成する別個の細胞タイプを形成することができる。皮膚または腸などの一部の上皮は迅速な細胞ターンオーバーを示す。このことから、存在する幹細胞は構成的に増殖していなければならないことが分かる。肝臓または膵臓などの他の上皮はノーマル条件下で非常にゆっくりとしたターンオーバーを示す。
腸幹細胞
小腸の自己複製性上皮は順序よく並べられて陰窩および絨毛になる(Gregoreff and Clevers, 2005 Genes Dev 19, 877-90)。陰窩-絨毛軸に沿って各細胞は極性があり、それによって、腸絨毛の上部または結腸陰窩の上の位置にある細胞は最も分化しており、アポトーシスによって連続して管腔の中へ失われる。陰窩の基部にある幹細胞が連続増殖し、陰窩の中間にある前駆細胞が大規模に増殖することによって、脱落した細胞は確実に適切に置き換えられる。その結果生じる上皮ターンオーバー時間はマウスで5日である。自己複製幹細胞は、陰窩底部の付近に存在し、全ての系列に分化することができる速やかに増殖するTA細胞(transit amplifying cell)を生じると長い間知られてきた。幹細胞の推定数は陰窩1つあたり4～6個である(Bjerknes and Cheng, 1999 Gastroenterology 116, 7-14)。TA細胞から3つの分化細胞タイプである腸細胞、杯細胞、および腸内分泌細胞が形成し、陰窩-絨毛軸に沿って互いに密着した帯の中で移動を続ける。絨毛1本1本が複数の異なる陰窩からの細胞を受け入れる。4番目の主要な分化細胞タイプであるパネート細胞は陰窩底部に存在する。
結腸は小腸に似ているが、絨毛ではなく平らな表面上皮をもつ。結腸陰窩は小腸陰窩のように組織化される。パネート細胞は結腸陰窩に存在しない。その代わりに、いわゆる「深部陰窩分泌(Deep Crypt Secretory)」細胞がある。上皮の平らな表面は分化細胞(結腸細胞および分泌細胞)を含有する。分化した杯細胞はTA細胞とも混ざり合って陰窩全体に発生する。
組織断片および幹細胞の単離
陰窩は、当業者に公知のプロトコールによって、十二指腸、空腸、回腸、および結腸を含む小腸および大腸、ならびに胃の幽門領域および体部領域から単離することができる。例えば、陰窩は、単離された組織を、基底膜およびストローマ細胞タイプとのカルシウム依存性相互作用およびマグネシウム依存性相互作用から細胞を解離するキレート剤とインキュベートすることによって単離することができる。組織を洗浄した後、ガラススライドを用いて上皮細胞層を粘膜下層から分離し、切り刻む。この後に、トリプシン、または、より好ましくはEDTAおよび/またはEGTAの中でインキュベーションを行い、例えば、濾過および/または遠心分離工程を用いて未消化の組織断片および単一の細胞を陰窩から分離する。トリプシンの代わりにコラゲナーゼおよび/またはディスパーゼIなどの他のタンパク質分解酵素を使用することができる。膵臓および胃の断片を分離するために類似の方法が用いられる。本明細書に記載の他の組織の断片を単離するために類似の方法が用いられてもよい。本発明の培養培地は、このような組織断片を培養するのに適している(実施例1を参照されたい)。
本発明による培養培地は、単一の陰窩が陰窩多分裂事象を経ると同時に、全ての分化細胞タイプが存在する絨毛様上皮領域が発生する長期培養条件の確立を可能にする。陰窩を培養した後に、培養陰窩は劇的な形態学的変化を受ける。新鮮に単離された陰窩の上部開口部は塞がれ、この領域は徐々に膨らみ、アポトーシス細胞で満たされ、アポトーシス細胞とよく似て、絨毛先端部でくびれて分離する。陰窩領域は、陰窩分裂を思い出させるプロセスである、さらなる陰窩を作り出す連続した出芽事象を経る。本発明の好ましい態様において、オルガノイドは、増殖性細胞、パネート細胞、腸細胞、および杯細胞を含む全ての分化した上皮細胞タイプを含む絨毛様伸長部分を含む。いかなる段階のオルガノイドでも、筋線維芽細胞も他の非上皮細胞も特定されなかった。
出芽陰窩構造が拡大することによって、絨毛様上皮によって内壁が覆われ、アポトーシス細胞体で満たされた中心管腔を取り囲む陰窩様構造を含むオルガノイドが作り出される。陰窩-絨毛オルガノイドは、絨毛様上皮によって内壁が覆われた中心管腔を含む。管腔は、内容物を培地に放出するように連続して間隔を開けてで開放される。
単一の上皮幹細胞が培養された時に、類似した陰窩-絨毛オルガノイド構造が形成される。約1週間後、無傷の陰窩を用いて得られる陰窩-絨毛オルガノイド構造に非常によく似た構造が形成される。
幹細胞を単離する方法は公知であり、本発明と使用するのに適した方法は、使用される幹細胞タイプに応じて当業者によって選択することができる。例えば、上皮幹細胞の単離は、上皮幹細胞上の独特の細胞表面マーカーであるLgr5および/またはLgr6に結合する化合物を用いて行われてもよい。このような化合物の例は抗Lgr5抗体および抗Lgr6抗体である。
本発明の一部の態様において、単一のLgr5+ 上皮幹細胞、例えば、結腸、小腸、または膵臓に由来する単一のLgr5+ 上皮幹細胞を用いて、それぞれ、結腸オルガノイド、陰窩-絨毛オルガノイド、または膵臓オルガノイドなどのオルガノイドを形成することができる。
さらなる例において、肝臓、前立腺、または胃に由来する単一のLgr5+ 上皮幹細胞を用いて、それぞれ、肝臓オルガノイド、前立腺オルガノイド、または胃オルガノイドなどのオルガノイドを形成することができる。
別の態様において、Lgr5+ 幹細胞を含む組織断片、例えば、腸管に由来する培養陰窩を用いて、本明細書に記載の方法および培養培地を用いてオルガノイドを得ることができる。
一部の態様において、単一のLgr5+ 上皮幹細胞または組織断片は、癌幹細胞または癌組織断片、例えば、癌腫または腺癌に由来する癌幹細胞または癌組織断片でもよい。一部の態様において、単一のLgr5+ 上皮幹細胞は、新生物性の病態または疾患組織、例えば、バレット食道、嚢胞性線維症、または腺腫に由来する幹細胞または組織断片でもよい。癌出発材料、新生物性出発材料、または疾患出発材料から得られたオルガノイドはインビボ出発材料に似た特徴を有し、したがって、薬物スクリーニング、ターゲットバリデーション、ターゲット発見、毒物学および毒性スクリーニング、個別化医療、再生医療、およびエクスビボ細胞/臓器モデル、例えば、疾患モデルのための研究ツールとして有用である。1つの態様において、本発明は、本発明の方法に従ってヒト幹細胞または組織断片の培養によって作製または得られたオルガノイドを提供する。1つの態様において、本発明は、本発明の方法に従ってヒト幹細胞または組織断片の培養によって作製または得られた、陰窩-絨毛オルガノイドまたは胃オルガノイドまたは膵臓オルガノイドまたは結腸オルガノイドまたはバレット食道オルガノイドまたは腺癌オルガノイドまたは結腸癌腫オルガノイドを提供する。1つの態様において、本発明は、本発明の方法に従ってヒト幹細胞または組織断片の培養によって作製または得られた前立腺オルガノイドを提供する。本発明の方法に従って、ヒト幹細胞または組織断片の培養によって作製または得られたオルガノイド、例えば、陰窩-絨毛オルガノイド、胃オルガノイド、または膵臓オルガノイドのこのような集団はそれぞれ、10個より多い、好ましくは、20個より多い、より好ましくは、40個より多いオルガノイドを含んでもよい。前記オルガノイド収集物は、好ましくは、少なくとも10％の生細胞、より好ましくは少なくとも20％の生細胞、より好ましくは少なくとも50％の生細胞、より好ましくは少なくとも60％の生細胞、より好ましくは少なくとも70％の生細胞、より好ましくは少なくとも80％の生細胞、より好ましくは少なくとも90％の生細胞を含む。細胞の生存率は、FACSにおいてヘキスト染色またはヨウ化プロピジウム染色を用いて評価することができる。
本発明者らは、結腸直腸癌および腺癌を含む癌細胞株を培養するために本発明の培養培地および方法を使用できることを示した(実施例1を参照されたい)。実施例1において説明されるように、この培養技術は、感染性病態、炎症性病態、および新生物性病態の研究ツールとして広く適用することができる。したがって、本発明による幹細胞は癌幹細胞でもよい。本発明の一部の態様において、癌幹細胞は腺腫オルガノイドまたは結腸癌オルガノイドを形成することができる。一部の態様において、これらのオルガノイドは、Ki67+ 細胞(Thermo Scientific* Cellomics, Millipore)を含む。
同様に、本発明者らは、他の疾患遺伝子型および/または表現型を有する幹細胞を培養するために本発明の培養培地および方法を使用できることを示した。例えば、本発明の培養培地および方法を用いて、嚢胞性線維症患者から採取された腸幹細胞を拡大させることができる。これらの幹細胞は嚢胞性線維症の遺伝子型および表現型を維持する。したがって、本発明の一部の態様において、幹細胞は、疾患、例えば、嚢胞性線維症、炎症性腸疾患(例えば、クローン病)、癌腫、腺腫、腺癌、結腸癌、糖尿病(例えば、I型またはII型)、バレット食道、ゴーシェ病、α-1-アンチトリプシン欠損症、レッシュ・ナイハン症候群、貧血、シュバッハマン・ボディアン・ダイアモンド(Schwachman-Bodian-Diamond)症候群、真性多血症、原発性骨髄線維症、糖原貯蔵症、家族性高コレステロール血症、クリグラー・ナジャー症候群、遺伝性高チロシン血症、ポンペ病、進行性家族性胆汁うっ滞、ハーラー(Hreler)症候群、SCIDまたは漏出SCID(leaky SCID)、オーメン症候群、軟骨毛髪形成不全症、単純ヘルペス脳炎、硬皮症、骨形成不全症、ベッカー型筋ジストロフィー、デュシェンヌ型筋ジストロフィー、先天性角化異常症などを有する患者から採取される。本発明の一部の態様において、疾患オルガノイドは、疾患を有するヒトまたは動物から採取された幹細胞を培養することによって得ることができる。疾患オルガノイドは、これらが得られた組織の特徴を依然として有する。したがって、小腸陰窩から増殖させた嚢胞性線維症小腸オルガノイドは小腸オルガノイドの定義に含まれる。同様に、結腸癌腫オルガノイドは結腸オルガノイドの定義に含まれる。
癌幹細胞の定義に関しては文献中にいくらかの混乱がある。ここでは、本発明者らは、癌幹細胞とは、「自己複製能があり、腫瘍を構成する不均一な癌細胞系列を引き起こす能力を有する腫瘍内細胞である」と述べた、最近のAACRワークショップ(Clarke et al., 2006. Cancer Res. 66:9339-44)において一致した見解に従う。したがって、癌幹細胞は、実験的に、連続して増殖する腫瘍の発生を再現する能力によってしか定義することができない。文献中の別の用語には腫瘍開始細胞および腫瘍形成細胞が含まれる。癌幹細胞活性アッセイは自己複製および腫瘍増殖の能力を扱う必要がある。現在、ゴールドスタンダードアッセイは、免疫不全マウスへの連続異種移植である。さらに、本発明の文脈において癌幹細胞は、通常、Lgr5を発現する。しかしながら、一部の態様において、Lgr5を発現しない、癌を開始する/増殖する/幹細胞も本発明の培養培地および方法によって培養することができる。
幹細胞および該幹細胞を含むオルガノイドのゲノム完全性および表現型完全性
幹細胞およびその分化した子孫を臨床および研究に適用するには、適切な質の細胞集団を提供する再現性のある幹細胞培養方法が必要である。一般的に、幹細胞のインビトロ拡大は、そのインビボ対応物に可能な限りよく似た細胞集団を提供することを目標としている。この特性は本明細書において細胞の「ゲノム完全性および表現型完全性」と呼ばれる。疾患細胞、例えば、癌細胞または嚢胞性線維症細胞の培養によって得られたオルガノイドもまたそのインビボ対応物に似ている、すなわち、その疾患遺伝子型および/または表現型を維持している、したがって、その意味では、その「ゲノム完全性および表現型完全性」も維持している、すなわち、インビボ状況を思い出させる疾患に特徴的な遺伝子不安定性または表現型不安定性を維持している。したがって、一部の態様において、本発明は、健常組織から得られた「正常」オルガノイドを提供する。他の態様において、本発明は、疾患組織から得られた「疾患」オルガノイド、例えば、癌オルガノイド(例えば、結腸癌腫オルガノイドもしくは腺癌オルガノイド)または嚢胞性線維症小腸オルガノイドを提供する。
初めて、本発明者らは、ゲノム完全性および表現型完全性をほとんど失わせることなく、ヒト上皮幹細胞を少なくとも3ヶ月間、好ましくは、少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長く培養状態で拡大させることが可能なことを発見した(実施例1を参照されたい)。本発明の改善された培養状態下で、ヒト腸オルガノイドは、以前の培養条件下で見られた嚢胞構造ではなく出芽オルガノイド構造を示した。3ヶ月を超えるオルガノイドのメタフェーズスプレッドは、3人の異なるドナーから採取された20個の細胞それぞれにおいて46本の染色体を一貫して明らかにした。さらに、マイクロアレイ分析は、培養中の幹細胞が、腸幹細胞遺伝子を含む腸陰窩細胞に類似した分子シグネチャーを有することを明らかにした。
したがって、一部の態様において、本発明は、ゲノム完全性および表現型完全性をほとんど失うことなく、少なくとも3ヶ月間、好ましくは、少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長く増殖しているオルガノイドを提供する。
一部の態様において、本発明は、出芽構造を含むヒト腸オルガノイドを提供する。本発明の一部の態様において、ヒト腸オルガノイドは嚢胞構造を含まない。本発明の一部の態様において、ヒト腸オルガノイドは嚢胞構造より多くの出芽構造を含む。本発明者らはまた、本発明の培養培地および方法によって作製されたヒト腸オルガノイドが外因子に応答してインビボ細胞運命決定を模倣することも証明した。例えば、腸幹細胞におけるNotch阻害はインビボで腸上皮増殖を終わらせ、杯細胞過形成を誘導することが以前に示されている。本発明者らは、本発明の腸オルガノイドがNotch阻害剤で処理された時に増殖を終わらせ、大部分の細胞が3日以内に杯細胞に変わることも示すことができた。
これらの結果から、以前の方法および培地と比較して、本発明の方法および培地によって生成された幹細胞およびオルガノイドのゲノム完全性および表現型完全性は劇的に改善することが分かる。
本発明の幹細胞のゲノム完全性は核型分析によって確かめることができる。幹細胞およびこれらの子孫は、Sato, T et al., Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature 459, 262-265, 2009に記載のように公知の方法を用いて核型分析することができる。
「正常核型」は、気付くほどの変化がなく、全ての染色体が存在する核型(すなわち、正倍数性)である。したがって、本発明の好ましい態様において、拡大された集団における幹細胞および分化細胞の50％超;70％超;80％超;90％超;95％超;または99％超は、1ヶ月後、2ヶ月後、3ヶ月後、4ヶ月後、5ヶ月後、6ヶ月後、9ヶ月後、12ヶ月後、またはそれより後に正常核型を示す。「拡大された集団」という用語はオルガノイドを包含する。
「正常表現型」とは、大まかに、平均的なインビボ対応細胞と同じ視覚的特徴、遺伝子発現、および挙動を示す細胞をいう。本発明の好ましい態様において、本発明に従って培養された拡大された集団における幹細胞の50％超;70％超;80％超;90％超;95％超;または99％超は、1ヶ月後、2ヶ月後、3ヶ月後、4ヶ月後、5ヶ月後、6ヶ月後、9ヶ月後、12ヶ月後、またはそれより後に正常核型を示す。
例えば、正常表現型は、オルガノイド外の死細胞の数、嚢胞成長と比較したオルガノイドの「出芽」(出芽構造が好ましい)の量、および上皮細胞からなる単層の全体的な完全性(例えば、円柱状扁平表現型)によって視覚的に判断されてもよい。さらに、オルガノイドが視覚的に「正常」かどうか判断するために、存在する細胞タイプが役立つことがある。
本発明の幹細胞およびオルガノイドの好ましい特性は以下で概説される。
幹細胞マーカー
マウス遺伝子が本明細書において言及される時、本発明のヒトオルガノイドは類似した遺伝子プロファイルを有し得るが、マウス遺伝子の代わりにヒト遺伝子対応物が用いられる。したがって、本明細書に記載の遺伝子発現プロファイルを有するが、対応するヒト遺伝子に関するヒトオルガノイドも本発明によって提供される。当業者は、本明細書において列挙されたマウス遺伝子のヒト対応物を容易に取得することができるだろう。
1つの態様において、本発明は、Lgr5の天然発現を特徴とする成体幹細胞集団を提供する。好ましい態様において、本発明は、少なくともLgr5、およびLGR4、epcam、Cd24a、Cdca7、Axin、CK19、ネスチン、ソマトスタチン、CXCR4+、CD133+、DCAMKL-1、CD44、Sord、Sox9、CD44、Prss23、Sp5、Hnf1α、Hnf4a、Sox9、KRT7およびKRT19、Tnfrsf19からなる群からの幹細胞マーカーの1つまたは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、または23)の天然発現を特徴とする成体幹細胞集団を提供する。幹細胞マーカーは組織特異的でもよい。例えば、膵臓幹細胞またはオルガノイドは、有意なレベルのCK19、ネスチン、ソマトスタチン、インシュリン、グルカゴン、CXCR4+、Ngn3、Pdx1、NeuroD、Nkx2.2、Nkx6.1、Pax6、Mafa、Hnf1b、任意で、Tnfrsf19の1つまたは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、または15、例えば、1、2、3、または4)の天然発現を特徴としてもよい。胃オルガノイドは、有意なレベルのCD133+、DCAMKL-1、CD44、任意で、Tnfrsf19の1つまたは複数(例えば、1、2、3、または4)の天然発現を特徴としてもよい。陰窩-絨毛オルガノイドは、有意なレベルのSordおよび/もしくはPrss23の1つもしくは複数または全て(例えば、1または2)、あるいは表/図14の全て遺伝子の発現、例えば、有意なレベルの表/図14の全て遺伝子の発現を特徴としてもよい。
マーカー発現の文脈において本明細書で使用する「有意なレベル」という用語は、下記で説明される「検出可能なレベル」という用語と同義に用いられる。
小腸オルガノイド細胞集団および胃オルガノイド細胞集団はまた、小腸および胃に共通して見られる前駆細胞集団のマーカー、例えば、Cd44およびSox9の一方または両方も発現する(Barker & Huch et al Cell stem cell 2010)。これらは、本発明による幹細胞において高発現している。本発明のこの局面による細胞はまた、例えば、MMP7、Sp5、Tnfrs19、およびaxin2の1つ、2つ、または全てを含むWnt標的遺伝子もアップレギュレートしてもよい。これは、これらの培養物の自己複製能を維持するために活発なかつ強い古典的Wntシグナル伝達活性が必要だという強い根拠となっている。
本発明者らは、「幹細胞」遺伝子の発現が、これらの幹細胞の子孫になる分化細胞より有意に高いレベルで初期オルガノイドに存在することを観察した。例えば、好ましくは、遺伝子LGR5、LGR4、Epcam、CD44、Tnfrsf19、Sox9、Cd24a、Sp5、Prom1/CD133、Cdca7が本発明のオルガノイドにおいて発現しているが、好ましくは、膵臓オルガノイド、肝臓オルガノイド、小腸オルガノイド、および結腸オルガノイドが分化する時には有意にダウンレギュレートされる。さらに、好ましくは、遺伝子RNF43およびZNRF3が本発明のオルガノイドにおいて発現している。
「天然発現」とは、いかなる形でも細胞が組換えによって操作されていないこと、すなわち、外因性遺伝物質の導入によって、例えば、内因性遺伝子または外因的に導入される形の遺伝子に機能的に連結された異種(非天然)プロモーターもしくはさらに強力なプロモーターまたは他の調節配列の導入によって、これらのマーカーを発現するように、またはこれらのマーカーの発現を調節するように、細胞が人工的に誘導されていないことを意味する。天然発現は、これらが存在するエキソンコード配列間のイントロンを含む、細胞内のゲノムDNAからの発現である。天然発現はcDNAからの発現ではない。天然発現は、必要に応じて、無関係の異種配列が存在しないことを調べるために遺伝子の読み枠内から配列決定するなど様々な方法のいずれか1つによって証明することができる。「成体」とは後胚期を意味する。本発明の幹細胞に関して「成体幹細胞」という用語は、幹細胞が、胚段階より後の成長段階にある動物の組織または臓器から単離されたことを意味する。
この幹細胞集団はまた、任意の有意なレベルの、ある特定のマーカーの天然発現の欠如によって特徴付けることができ、ある特定のマーカーの多くは細胞分化と関連する。具体的には、単離された成体幹細胞集団の細胞は、Cdl1b、CD13、CD14、AFP、Pdx1、任意のCYPメンバー(例えば、CYP3A11、CYP11A1)の1つまたは複数を有意なレベルで天然発現しない。本明細書において定義されるように、これらのマーカーはネガティブマーカーといわれる。
マーカーの検出および細胞の単離
「発現している」という用語は細胞内のマーカーの存在について述べるために用いられる。発現していると見なされるためには、マーカーは検出可能なレベルで存在しなければならない。「検出可能なレベル」とは、PCR、ブロッディング、またはFACS分析などの標準的な実験方法の1つを用いてマーカーを検出できることを意味する。30回のPCRサイクル後に、細胞内で少なくとも約100コピー/細胞の発現レベルに相当する発現が妥当に検出することができれば、遺伝子は本発明の集団の細胞によって発現されているとみなされる。「発現する」および「発現」という用語は対応する意味を有する。この閾値より少ない発現レベルでは、マーカーは発現していないとみなされる。本発明の細胞におけるマーカーの発現レベルと、例えば、胚性幹細胞などの別の細胞における同じマーカーの発現レベルとの比較は、好ましくは、同じ種から単離された2つの細胞タイプを比較することによって行うことができる。好ましくは、この種は哺乳動物であり、より好ましくは、この種はヒトである。このような比較は、逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応(RT-PCR)実験を用いて都合よく行うことができる。
一部の態様において、本発明による細胞集団またはオルガノイドにおける細胞の少なくとも約5％(例えば、少なくとも10％、少なくとも20％、少なくとも30％、少なくとも40％、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％、少なくとも97％、少なくとも98％、少なくとも99％、または100％)がマーカーの発現を示すのであれば、本発明の細胞集団またはオルガノイドはマーカーを発現するとみなされる。
一部の態様において、細胞がハウスキーピング遺伝子GADPHのmRNAコピー数と比べて1x102～1x105、例えば、5x102～1x104または1x103～1x104倍の細胞マーカーコードmRNAコピーを含むのであれば、細胞マーカーを有意なレベルで発現する。
一部の態様において、拡大培地中で培養された時に本発明のオルガノイドまたは細胞における遺伝子の発現は、オルガノイドまたは細胞が分化培地または完全に分化した成体組織の中で培養された時より数倍(例えば、少なくとも1.5倍、2倍、3倍、4倍、5倍)高い。一部の態様において、分化条件下で培養された時の本発明の細胞またはオルガノイドは、拡大条件下で培養された時の本発明の細胞またはオルガノイドと比較して分化遺伝子として知られる遺伝子の発現の増加を示し、拡大培地中で培養された時の本発明の細胞またはオルガノイドと比較して少なくとも1種または複数種の幹細胞/前駆細胞遺伝子の発現のレベルの減少も示すこともある。
本発明のこの局面の細胞を選択し、これらの他の細胞タイプと区別するために、当技術分野において公知の多数の物理的分離方法のいずれか1つが用いられてもよい。このような物理的方法は、本発明の細胞によって特異的に発現されたマーカーに基づくFACSおよび様々なイムノアフィニティ法が関与してもよい。前記のように、本発明の幹細胞において高レベルで発現する細胞マーカーのうち3つがLgr5、CD44、およびSox9である。したがって、例示にすぎないが、本発明の幹細胞は、これらの細胞マーカーの存在に頼る多数の物理的分離方法によって単離されてもよい。
1つの態様において、本発明の細胞は、抗体、例えば、これらのマーカーの1つに対する抗体を用いたFACSによって単離されてもよい。蛍光活性化細胞選別(FACS)を用いて、ある特定の細胞タイプまたは系列に特徴的なマーカーを検出することができる。当業者に明らかなように、これは、蛍光標識抗体によって、または一次抗体に対する結合特異性を有する蛍光標識二次抗体によって達成されてもよい。適切な蛍光標識の例には、FITC、Alexa Fluor(登録商標)488、GFP、CFSE、CFDA-SE、DyLight488、PE、PerCP、PE-Alexa Fluor(登録商標)700、PE-Cy5(TRI-COLOR(登録商標))、PE-Cy5.5、PI、PE-Alexa Fluor(登録商標)750、およびPE-Cy7が含まれるが、これに限定されない。このリストは例としてしか示されず、限定することを目的としない。
抗Lgr5抗体を用いたFACS分析によって、精製された幹細胞集団が得られることは当業者に明らかであろう。しかしながら、一部の態様において、他の特定可能なマーカーの1つまたは複数を用いて、さらなる回のFACS分析をさらに行うことによって細胞集団を精製することが好ましい場合がある。
細胞集団またはオルガノイドの異なる部分におけるバイオマーカーおよび異なって発現したタンパク質の分布および局在を理解するために免疫組織化学が用いられることもある。Barker et al, Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5. Nature, 2007 Oct 25;449(7165):1003-7に記載の方法などの当技術分野において周知の多数の方法で抗体-抗原相互作用を視覚化することができる。
別の態様において、本発明の細胞は、当技術分野において周知の分離方法であるイムノアフィニティ精製によって単離されてもよい。例示にすぎないが、本発明の細胞は、c-kitに対するイムノアフィニティ精製によって単離されてもよい。当業者に明らかなように、この方法は精製カラム上への抗体の固定化に頼る。次いで、細胞試料はカラムに充填され、それによって、適切な細胞が抗体に結合し、したがって、カラムに結合する。洗浄工程後に、細胞は、固定化抗c-kit抗体に優先的に結合し、細胞がカラムから放出されるのを可能にする競合物質を用いてカラムから溶出される。固定化抗体を用いたイムノアフィニティ精製によって、精製された細胞集団が得られることは当業者に明らかであろう。しかしながら、一部の態様において、他の特定可能なマーカーの1つまたは複数を用いた、さらなる回のイムノアフィニティ精製をさらに行うことによって細胞集団を精製し、単離されたクローンのアリコートを用いて他の関連する細胞内マーカーの発現を確認することが好ましい場合がある。
LGR5または幹細胞の精製の前に、任意の数の精製工程、例えば、当技術分野において公知の方法による上皮の精製、例えば、上皮のEDTA精製またはEpcam FACSソーティングを行うことができることは当業者に明らかであろう。
同じ物理的分離方法が関与する連続した精製工程は必ずしも必要とされないことは当業者に明らかであろう。したがって、例えば、細胞は、抗Lgr5抗体を用いたFACS工程の後にSSEA-1アフィニティカラムを用いたイムノアフィニティ精製工程によって精製されてもよいことが明らかである。ある特定の態様では、細胞は、単離後、少なくとも約15日間、少なくとも約20日間、少なくとも約25日間、または少なくとも約30日間培養されてもよい。ある特定の局面において、細胞集団の細胞表現型の均一性を改善するために、細胞は、さらに長期間、培養状態で拡大される。
集団表現型を、最初の親細胞または適切なインビボ対応物の表現型と比較するために、マイクロアレイ分析、クラスター分析、および比較遺伝子発現プロファイリングを使用することができる(Sato T et al., Paneth cells constitute the niche for Lgr5 stem cells in intestinal crypts. Nature 469 415-418)。
Lgr5+ 幹細胞の系列追跡によってオルガノイドに陰窩-絨毛の特徴が保存されていることが分かる。
別の態様において、本発明の幹細胞の表現型完全性を評価するためにハイコンテンツ分析が用いられてもよい。例えば、多数のハイコンテンツスクリーニングキットおよびプラットフォーム、例えば、point scanning 4 color ImageXpress ULTRA (Molecular Devices, Union City, USA)、BD Biosciences(以前はAtto Biosciences, Rockville, Maryland)のspinning disk (nipkow disk) Pathway 855および435、Opera (PerkinElmer Inc., Waltham, MA)、ならびにslit scanning IN Cell 3000 (GE/Amersham Biosciences, Cardiff, UK)、Arrayscan VTI (Cellomics (Cellomics))、IN Cell Analyzer 2000 (GE Healthcare Piscataway, New Jersey, USA)、Acumen eX3 (TTP LabTech Ltd (Acumen eX3))、Scanalyzer (Scanalyzer LemnaTec, Aachen Germany)、ならびにImageXpress MICRO (Molecular Devices, Union City, USA)、IN Cell 1000 (GE/Amersham Biosciences Piscataway, New Jersey, USA)、Pathway HT (Becton Dickinson Biosciences)、ならびにImageXpress MICRO (Molecular Devices, Union City, USA)、Scan^R (Olympus Soft Imaging Solutions, Germany)が存在する。
プレーティング密度
本発明の一部の態様では、当技術分野において公知なように、通常、大きな細胞クラスターではなく、単一細胞懸濁液または小さな細胞クラスター(2～50個の細胞/クラスター)が播種される。このような細胞は分裂した時に、細胞増殖を促進する密度で支持体上に播種される。典型的には、単一細胞が単離される時、少なくとも1～500細胞/ウェルのプレーティング密度が用いられ、ウェルの表面は0.32cm2である。クラスターが播種される時、プレーティング密度は、好ましくは、250～2500細胞/cm2である。リプレーティングのために、約2500細胞/cm2～約5,000細胞/cm2の密度が用いられてもよい。リプレーティングの間、当技術分野において公知なように、通常、大きな細胞クラスターではなく単細胞懸濁液または小さな細胞クラスターが播種される。
さらなる分化
本発明の一部の態様において、培養細胞の細胞運命を分化に向けて変えるように、拡大培地のある特定の成分を取り除くことができる。未分化状態の維持および/または幹細胞もしくは前駆細胞の遺伝子プログラムの活性化を担う培養培地の任意の成分を培養培地から取り除いてもよい。
本発明の一部の態様において、本発明の阻害剤を取り除くことによって、オルガノイドの細胞は、成熟細胞、例えば、陰窩-絨毛オルガノイドにある成熟した杯細胞および腸内分泌細胞に分化することが可能になる。したがって、一部の態様において、本発明は、本発明の阻害剤を含まない第2の培養培地を用いてオルガノイドをさらに分化させるための方法を提供する。例えば、実施例1を参照されたい。
例えば、一部の態様において、細胞が分化するようにするために、TGF-β阻害剤および/またはp38阻害剤が細胞培養培地から取り除かれる。細胞培養培地から成分が「取り除かれる」または細胞培地から成分を「取り除く」とは、細胞がリプレーティングされ、培地が交換される時に、新鮮な培地には成分が添加されないことを意味する。
一部の態様において、Wntは拡大培地に存在するが、分化培地に存在しない。例えば、一部の態様は、結腸オルガノイドを成熟腸細胞に分化させるためにWntを取り除く工程を含む。Wntはまた、陰窩-絨毛オルガノイドが分化するように取り除かれることもある。
一部の態様において、Rスポンジンは拡大培地に存在するが、分化培地に存在しない。例えば、一部の態様は、結腸オルガノイドを成熟腸細胞に分化させるためにRスポンジンを取り除く工程を含む。Rスポンジンはまた、陰窩-絨毛オルガノイドが分化するように取り除かれることもある。一部の態様において、RスポンジンおよびWntは、陰窩-絨毛オルガノイドが分化するように取り除かれることもある。
一部の態様において、ニコチンアミドは拡大培地に存在するが、分化培地に存在しない。したがって、一部の態様において、細胞が、例えば、陰窩-絨毛オルガノイドまたは結腸オルガノイドに分化するように、細胞培養培地からニコチンアミドおよびSB202190(または別のp38阻害剤)は取り除かれる。
したがって、分化細胞またはオルガノイドを得る方法は、細胞が生存および/または増殖するように、TGF-βおよび/またはp38阻害剤を含む本発明の培養方法(すなわち、拡大培地)において上皮細胞を培養する工程、次いで、細胞を培養し、培地を補充し続ける工程を含んでもよい。補充される培地はTGF-β阻害剤および/またはp38阻害剤を含まない(すなわち、分化培地)。
一部の態様において、分化培地は付加的な成分を含む。例えば、一部の態様において、分化培地は、γセクレターゼ阻害剤、例えば、DAPTまたはDBZを含む。一部の態様において、分化培地はRANKリガンド(本明細書においてRANKLとも呼ばれる)を含む。前述したように、γセクレターゼ阻害剤の添加は、腸オルガノイド細胞、例えば、小腸オルガノイド細胞の分化を分泌細胞、例えば、杯細胞に誘導することができる。RANKLを培地に添加すると、腸オルガノイド細胞、例えば、小腸オルガノイド細胞の分化をM細胞に誘導することができる。
一部の態様において、本発明は、関心対象の組織タイプから幹細胞を拡大させるのに用いられる培養培地の成分を含むか、または該成分からなる、関心対象の組織から幹細胞を分化させるための培養培地であって、幹細胞を分化させるための培地から、以下のうちの1つまたは複数が排除されている培養培地を提供する: Wnt、Rスポンジン、BMP阻害剤、TGF-β阻害剤、受容体型チロシンキナーゼリガンド、p38阻害剤、およびニコチンアミド。
さらに、本発明は、単一の幹細胞または幹細胞集団を拡大させるための方法、好ましくはオルガノイドを作製するためにそれらを拡大させる方法を提供し、該方法は、本発明による培養培地中で単一の幹細胞または幹細胞集団を培養する工程を含み、該方法は、
幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を第1の拡大培地において培養する工程、
幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を培養し続ける工程、および
培地に分化培地を補充する工程
を含み、分化培地は、TGF-β阻害剤、p38阻害剤、ニコチンアミド、およびWntより選択される因子の1つまたは複数、好ましくは、全てを含まない。
一般的に、成分が培地から「除去される」と述べられている場合、培地が補充される時に成分が加えられない、すなわち、補充される培地から成分が排除されることを意味する。培地が「補充される」時、これは、培地が細胞外マトリックスから物理的に除去され、次いで、新鮮な培地と交換されることを意味することがある。
結腸、肝臓、および膵臓の場合、拡大培地中に存在する分化細胞はごくわずかである。1回だけ拡大培地が分化培地と交換されると、細胞は分化し始める。この段階で、オルガノイドはまた幹細胞を失い始める。分化したオルガノイドは、移植、代謝疾患についての薬物スクリーニング、毒物学(例えば、肝細胞を含む肝臓オルガノイドを使用する)などがあるが(これに限定されない)ある特定の用途に、および小腸の抗菌機能を研究するために適している場合がある。拡大中のオルガノイドは、一般的に、再生医療、および薬物スクリーニング、例えば、癌または嚢胞性線維症についての薬物スクリーニングなどがあるが(これに限定されない)他の用途により適している場合がある。拡大中のオルガノイドは、一般的に、分化したオルガノイドより大きな増殖能力(したがって、長い寿命)を有する。一部の態様において、結腸オルガノイド、肝臓オルガノイド、および膵臓オルガノイドはこれ以上分化しない。
小腸オルガノイドおよび前立腺オルガノイドは、拡大中の幹細胞集団を維持しながら同時に分化もしているという点で、結腸オルガノイド、肝臓オルガノイド、および膵臓オルガノイドと異なる。小腸オルガノイドおよび前立腺オルガノイドは、分化細胞タイプが存在するように別々の分化培地中で培養される必要はない。小腸オルガノイドおよび前立腺オルガノイドは、拡大中のオルガノイドおよび分化したオルガノイド両方の特性を有すると考えることができる。しかしながら、小腸オルガノイドの完全分化を実現するために、好ましくは、Wnt3aを含まず、好ましくは、γセクレターゼ阻害剤および/またはRANKリガンド(本明細書においてRANKLとも呼ばれる)を含む別々の分化培地の中で小腸オルガノイドを培養することができる。「完全」分化とは、杯細胞、神経内分泌細胞、房飾細胞、M細胞、腸細胞、およびパネート細胞を含む全ての分化細胞タイプが存在することを意味する。拡大中のオルガノイドには、これらの分化細胞タイプの一部、例えば、パネート細胞も(時として少量で)存在する。
オルガノイド
前記の細胞はオルガノイドに成長する。したがって、本発明の方法によって得ることができるオルガノイドは本発明のさらなる局面である。本明細書に記載のオルガノイドも提供される。オルガノイドは好ましくはヒトオルガノイドである。本発明者らの知る限りでは、これは、長い期間(すなわち、少なくとも3ヶ月間、好ましくは、少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長い培養;本明細書に含まれる実施例を参照されたい)の後に機能し、かつ生存しているヒトオルガノイドが得られた初めての出来事である。機能は、好ましくは、本明細書において定義されるような組織特異的マーカーの存在および/または前記オルガノイドの構造を特徴とする。得られるオルガノイドの最終量は培養期間と相関関係があるので、当業者であれば、本発明は先駆的な発明であり、潜在的に、例えば、再生医療において新たな可能性を開くことを理解するだろう。したがって、少なくとも3ヶ月間(例えば、少なくとも4ヶ月間、5ヶ月間、6ヶ月間、7ヶ月間、8ヶ月間以上)の培養の後に機能し、かつ生存する本明細書に記載のオルガノイドが提供される。例えば、少なくとも3ヶ月間(例えば、少なくとも4ヶ月間、5ヶ月間、6ヶ月間、7ヶ月間、8ヶ月間以上)の培養の後に、その構造、マーカー発現、および機能の少なくとも1つまたは複数(例えば、1つ、2つ、または3つ)を保持している本明細書に記載のオルガノイドが提供される。
例えば、本発明によるオルガノイドは、少なくとも1x103個の細胞、少なくとも1x104個の細胞、少なくとも1x105個の細胞、少なくとも1x106個の細胞、少なくとも1x107個の細胞、またはそれより多い細胞からなる細胞集団を含んでもよい。それぞれのオルガノイドは約1x103個の細胞～5x103個の細胞を含む。本発明者らは、単一のLgr5+ 幹細胞からのオルガノイドを、前記の細胞集団を含むオルガノイドまたは約104個の細胞からなる細胞集団を含むオルガノイドに増殖させることが可能なことを示した。例えば、今や、マウスについて単一の幹細胞からオルガノイドの増殖を開始することが可能なことが示されている。したがって、本発明は、単一の幹細胞からオルガノイドを作製するための方法を提供する。一部の態様において、オルガノイドは約104個の細胞を含む。一部の態様において、24ウェルプレートの1ウェル中に10～20個、または20～30個、または30～40、または40～50個のオルガノイドが一緒に増殖されてもよい。
一部の態様において、本発明は、本発明の培養培地中で培養された時に、少なくとも3ヶ月間、例えば、少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長く培養状態で生存することができるオルガノイドまたは細胞集団を提供する。
一部の態様において、本発明は、1週間につき少なくとも3倍、少なくとも4倍、少なくとも5倍、少なくとも6倍、少なくとも7倍、少なくとも8倍、少なくとも9倍、または少なくとも10倍の割合で拡大するオルガノイドまたは細胞集団を提供する。
好ましくは、細胞集団またはオルガノイドは、1週間につき約4～5倍の割合で、または1週間に2回の集団倍加を超えて拡大する。したがって、一部の態様において、細胞集団またはオルガノイドは、1週間につき少なくとも3倍、少なくとも4倍、少なくとも5倍、少なくとも6倍、少なくとも7倍、少なくとも8倍、少なくとも9倍、または少なくとも10倍の割合で拡大する。
本発明のオルガノイドは、任意の適切な供給源から単離された細胞を用いて得ることができる。一般的に、オルガノイドを作製するために用いられる細胞は、作製されるオルガノイドと同じ組織タイプから単離される。オルガノイドは、好ましくは、哺乳動物、例えば、マウス、ウシ、ブタ、またはヒトである。最も好ましくは、オルガノイドはヒトである。
一部の態様において、本発明は、正常(健常)オルガノイドもしくは正常(健常)細胞集団、または疾患オルガノイドもしくは疾患細胞集団、例えば、疾患を有するヒトもしくは動物から採取された幹細胞を培養する工程によって得られた疾患オルガノイドもしくは疾患細胞集団であるオルガノイドまたは細胞集団を提供する。
一部の態様において、本発明は、-5℃より低い温度、-10℃より低い温度、-20℃より低い温度、-40℃より低い温度、-60℃より低い温度、または-80℃より低い温度、-100℃より低い温度、-150℃より低い温度、または約-180℃より低い温度で凍結および保存されたオルガノイドまたは細胞集団を提供する。本発明のオルガノイドまたは細胞集団は液体窒素中で保存されてもよい。したがって、一部の態様において、本発明は、液体窒素中で保存されたオルガノイドまたは細胞集団を提供する。
一部の態様において、本発明は、小腸オルガノイド、結腸オルガノイド、胃オルガノイド、膵臓オルガノイド、肝臓オルガノイド、または前立腺オルガノイドである本発明のオルガノイドを提供する。
オルガノイド構造および形態
幹細胞の拡大によって得ることができる本発明のオルガノイドは、そのインビボ対応物に似た細胞集団を提供する。
細胞形態;細胞構造;アポトーシスまたは細胞溶解の証拠;ならびにオルガノイド組成および構造などの培養中の細胞の特徴を評価するために画像分析が用いられてもよい。電子顕微鏡観察、共焦点顕微鏡観察、立体顕微鏡観察、蛍光顕微鏡観察などの多くのタイプの画像化分析が当技術分野において周知である。組織学的分析は基本構造および細胞タイプを明らかにすることができる。
本発明に従って作製されたオルガノイドの説明に役立つ例を添付の図面に示した。本発明によるオルガノイドは、少なくとも1つの芽(bud)および中心管腔を有する細胞層を有し得ることが分かる。matrigelの外側にあるオルガノイドは、おそらく、必要な増殖因子に接近しやすいためにmatrigel中心にあるオルガノイドより大きくなる傾向がある。構造上、本発明によるオルガノイドは形が細長くなることが多い。本発明によるオルガノイドは、管または島によく似た構造を有する単一の細胞上皮層である1つまたは複数の出芽(budding)構造を含むことがある。共焦点顕微鏡観察下では、この構造はケラチン陽性に染色されることがある。本発明によるオルガノイドは、極性化した核および小さな細胞質を有する細胞を含むことがある。オルガノイドは、複数の層から形成される部分を有することがある。このような細胞は、多くの場合、細胞のより中心に核、すなわち、極性化していない核を有する傾向がある。多層部分にある細胞は、細胞間に隙間すなわち管腔を含むように自己組織化することがある。一部の態様において、本発明のオルガノイドは上皮細胞を含むか、上皮細胞からなる。一部の態様において、前記オルガノイドは上皮細胞単層を含むか、上皮細胞単層からなる。一部の態様において、オルガノイドには非上皮細胞が存在しない。一部の態様において、本発明のオルガノイドは、その対応するインビボ組織対応物に存在する全ての分化細胞タイプを含む。
一部の態様において、ヒト腸オルガノイドは、以前の培養条件下で見られた嚢胞構造ではなく出芽オルガノイド構造を示した。3ヶ月を超えるオルガノイドのメタフェーズスプレッドは、3人の異なるドナーから採取された20個の細胞それぞれにおいて46本の染色体を一貫して明らかにした。
一部の態様において、本発明のオルガノイドは単一の細胞単層を含む。一部の態様において、本発明のオルガノイドは、複数の層から形成される部分を有する。複数の細胞層は本明細書において「重層」細胞領域とも呼ばれる。「重層」とは、複数の(1つより多い)細胞層があることを意味する。一部の態様において、本発明のオルガノイドは、2つ以上の層を形成するように折り畳まれた(または陥入した)単一の単層を含む。時として、折り畳まれた(または陥入した)単層と重層細胞領域を区別することが難しい場合がある。一部の態様において、オルガノイドは、重層細胞の領域および折り畳まれた単層の領域を両方とも含む。一部の態様において、本発明のオルガノイドは、複数の層から形成された部分および単一の細胞単層を含む部分を有する。形態学的に、前記の細胞は、その対応するインビボ組織対応物のように見える。
したがって、一部の態様において、本発明は、中心管腔を取り囲む上皮細胞を含む三次元オルガノイドであり、任意で、上皮細胞が別個の分裂中の領域および分化中の領域に存在する、オルガノイド、好ましくは、本発明の培養培地および方法を用いて得ることができるオルガノイドを提供する。一部の態様において、本発明のオルガノイドは、単層、任意で、折り畳まれた単層の領域および重層細胞の領域に並べられた上皮細胞を含む三次元オルガノイドである。一部の態様において、前記オルガノイドには非上皮細胞が存在しない。一部の態様において、正常インビボ組織の全ての分化細胞タイプが前記オルガノイドに存在する。
陰窩-絨毛オルガノイド
小腸陰窩-絨毛オルガノイドでは、オルガノイドの構造配置はインビボ陰窩-絨毛の構造とよく似ている。すなわち、陰窩底部においてLgr5+ 幹細胞およびそのニッチ細胞(パネート細胞)が隣接し、これに続いて陰窩底部の真上にTA細胞があり、絨毛側面、最後には、分化細胞、例えば、絨毛の残りを構成し、絨毛上部へと向かってなおさらに分化した腸細胞が続く。本発明によるオルガノイドは、少なくとも1つの芽および中心管腔を有する細胞層を有し得ることが分かる。matrigelの外側にあるオルガノイドは、おそらく、必要な増殖因子に接近しやすいためにmatrigel中心にあるオルガノイドより大きくなる傾向がある。構造上、本発明によるオルガノイドは形が細長くなることが多い。共焦点顕微鏡観察下では、この構造はケラチン陽性に染色されることがある。本発明によるオルガノイドは、極性化した核および小さな細胞質を有する細胞を含むことがある。陰窩-絨毛オルガノイドは一般的に単層である。
一部の態様において、例えば、マウス陰窩-絨毛オルガノイドの場合、陰窩-絨毛オルガノイドは、絨毛様上皮領域によって内壁が覆われた中心管腔を取り囲む陰窩様領域を含む三次元オルガノイドである。絨毛様上皮領域は、分化細胞タイプを含む上皮領域である。一部の態様において、前記オルガノイドには非上皮細胞が存在しない。
一部の態様において、例えば、ヒト陰窩-絨毛オルガノイドの場合、陰窩-絨毛オルガノイドは、中心管腔を取り囲む陰窩様領域を含む三次元オルガノイドである。一部の態様において、分裂細胞は出芽構造に限定される。分化細胞は全く存在しないか、ほとんど存在しない。分化条件下で腸の分化細胞が形成される。一部の態様において、前記オルガノイドには非上皮細胞が存在しない。一部の態様において、オルガノイドが拡大している時、例えば、本発明による拡大培養培地中にある時、オルガノイドには分化細胞がほとんど存在しないか、全く存在しない。
一部の態様において、RANKLを含む本発明の培養培地中で培養された本発明の小腸オルガノイドはM細胞を含む。本発明の一部の態様において、γ-セクレターゼ阻害剤を含む本発明の培養培地中で培養された本発明の小腸オルガノイドは杯細胞を含む。一部の態様において、分化培地(例えば、分化培地は、基本培地、ノギン、EGF、TGF-β阻害剤およびp38阻害剤、γ-セクレターゼ阻害剤およびRANKLを含む)の中で培養された小腸オルガノイドは、例えば、杯細胞、神経内分泌細胞、房飾細胞、M細胞、腸細胞、およびパネート細胞を含む全ての分化細胞タイプを含む。拡大中のオルガノイドには、これらの分化細胞タイプの一部、例えば、パネート細胞も(時として少量で)存在する。
ヒト腸オルガノイドは、以前の培養条件下で見られた嚢胞構造ではなく出芽オルガノイド構造を示す。新鮮に単離された陰窩の上部開口部は塞がれ、この領域は徐々に膨らみ、アポトーシス細胞で満たされ、アポトーシス細胞とよく似て、絨毛先端部でくびれて分離する。したがって、一部の態様において、陰窩-絨毛オルガノイドは、絨毛様上皮によって内壁が覆われ、アポトーシス細胞体で満たされた、中心管腔を取り囲む陰窩様構造を有する。一部の態様において、管腔は、内容物を培地に放出するように連続して間隔を開けて開放される。
一部の態様において、陰窩領域は、陰窩分裂を思い出させるプロセスである、さらなる陰窩を作り出す連続した出芽事象を経る。
本発明者らはまた、本発明の培地および方法によって作製されたヒト腸オルガノイドが外因子に応答してインビボ細胞運命決定を模倣することも証明した。例えば、腸幹細胞におけるNotch阻害はインビボで腸上皮増殖を終わらせ、杯細胞過形成を誘導することが以前に示されている。したがって、一部の態様において、本発明の陰窩-絨毛オルガノイドがNotch阻害剤で処理された時、増殖は止まり、ほとんどの細胞(例えば、50％超、60％超、70％超、80％超、90％超、95％超、98％)が3日以内に杯細胞に変わる。
3ヶ月を超えるオルガノイドのメタフェーズスプレッドは、3人の異なるドナーから採取された20個の細胞それぞれにおいて46本の染色体を一貫して明らかにした。さらに、マイクロアレイ分析は、培養中の幹細胞が、腸幹細胞遺伝子を含む腸陰窩細胞に類似した分子シグネチャーを有することを明らかにした。
結腸オルガノイド
結腸オルガノイドは、陰窩-絨毛オルガノイドに似た細胞組成を示す。したがって、前記の陰窩-絨毛オルガノイドのコメントは結腸オルガノイドに準用される。例えば、図1および図2を参照されたい。
典型的には、結腸オルガノイドと小腸オルガノイドとの違いは、結腸の陰窩の方が浅いため、突出部を有する球体というよりはむしろラグビーボールに少し似ている点である。小腸オルガノイドおよび結腸オルガノイドにはいずれも、幹細胞およびTA細胞を含有する領域、ならびに分化中の細胞および/または分化した細胞を含有する他の領域がある。小腸オルガノイドの場合、分化した領域は時として「絨毛様」と呼ばれる。結腸オルガノイドの分化した領域は、典型的には、小腸の「絨毛様」領域に細胞組成が類似しているが、結腸それ自体には絨毛が無い。
存在するWntの量が、オルガノイドにある出芽構造のサイズ(すなわち、陰窩の深さ)に影響を及ぼすことがある。Wntが多くなればなるほど出芽が少なくなる。結腸は小腸より多量のWntを産生し、したがって、培地中に少量の追加のWntを必要とし、典型的には小腸より浅い陰窩を有する。同じ違いがオルガノイドにおいて見られる。
一部の局面において、本発明によって結腸オルガノイドが提供される。本発明者らは、ENR+Wnt3A(WENR)細胞培養培地中で結腸陰窩を培養することによってマウス結腸オルガノイドを得ることができることを発見した。したがって、一部の態様において、本発明は、WENR培地中で結腸陰窩を培養することによって得られた結腸オルガノイドを提供する。
本発明者らはまた、驚いたことに、WENR+ガストリン+ニコチンアミドを含む培養培地を用いてヒト結腸オルガノイドを維持できることも見出した。一部の態様において、本発明のヒト結腸オルガノイドは、WENR+ガストリン+ニコチンアミドを含み、TGFβ阻害剤も含む培地を用いて得ることができる。例えば、一部の態様において、ヒト結腸オルガノイドを得るために、以下の細胞培養培地が用いられてもよい: WENR+ガストリン+ニコチンアミド+A8301+SB202190。他の態様において、ヒト結腸オルガノイドを得るために、以下の細胞培養培地が用いられてもよい: WENR+ニコチンアミド+A83-01。
一部の態様において、マウス結腸オルガノイドの最大直径は、約200～700um、例えば、250～600um、300～500um、320～450um、340～400um、300～380um、例えば、約360umである。一部の態様において、結腸オルガノイドの最小直径は、約100～400um、例えば、150～350um、170～300um、190～280um、195～250um、例えば、約235umである。さらなる態様において、オルガノイドの直径は1mmまででもよい。一部の態様において、ヒト結腸オルガノイドの最大直径は、約300～800um、例えば、350～700um、400～600um、450～550um、475～540um、500～530um、例えば、約500umである。一部の態様において、結腸オルガノイドの最小直径は、約200～500um、例えば、250～450um、300～415um、350～400um、325～380um、例えば、約375umである。さらなる態様において、オルガノイドの直径は1mmまででもよい。一部の態様において、本発明の結腸オルガノイドは出芽構造を含む。これらは、EdU染色を用いて増殖細胞を視覚化することによって見ることができる。
ヒト結腸オルガノイドは、ヒト腸幹細胞培養(「HISC」)条件(WENRg+ニコチンアミド+TGF-β阻害剤(例えば、A83-01)+p38阻害剤(例えば、SB202190))下で、その特徴的な出芽構造を保持する。一部の態様において、結腸オルガノイドは、増殖性の出芽構造を含む三次元オルガノイドであり、幹細胞を含有する。これらの幹細胞領域が中心管腔を取り囲む。分裂細胞は一般的に出芽構造に限定される。一部の態様において、分化細胞は存在しないか、ほとんど存在しない。分化条件下では、腸の分化細胞、例えば、成熟腸細胞が形成される。一部の態様において、前記オルガノイドには非上皮細胞が存在しない。
膵臓オルガノイド
本発明の膵臓オルガノイドは好ましくは出芽を示す。一部の態様において、膵臓オルガノイドは、直径が100～1000マイクロメートル、例えば、200～900マイクロメートル、300～1000マイクロメートル、400～700マイクロメートルである。膵臓オルガノイドは好ましくは単層である。島構造または管構造の非常に初期のものしかない。出芽構造は、健常な増殖状況および幹細胞の維持を示す。
一部の態様において、例えば、膵臓オルガノイドが本発明の培養培地中で(TGF-β阻害剤の非存在下で)増殖された時、主に嚢胞構造からなり、出芽構造または管様領域はほとんどない。嚢胞構造は主に単層を含むが、いくつかの重層細胞領域が存在することがある。細胞は幹細胞マーカーおよび前駆細胞(管)マーカーを発現する。このオルガノイドにはβ細胞などの分化細胞は存在しない。嚢胞は主に単層によって形成されるが、重層部分が存在する。細胞タイプは幹細胞/前駆細胞に似ている(管細胞遺伝子発現)。分化細胞(β細胞)は存在しない。
他の態様において、例えば、膵臓オルガノイドが、例えば、本発明の培養培地中で、TGF-β阻害剤、例えば、A83-01の存在下で増殖された時、Krt19染色により示されるように、より多くの出芽構造/管様領域を含む(このことは、細胞が管様細胞であり、構造が管に似ていることを意味する)(例えば、図31を参照されたい)。極性化した細胞からなる単層を特定することができるが、重層細胞を有する領域も特定することができる。
腺癌オルガノイドおよび結腸癌オルガノイド
腺癌オルガノイドおよび結腸癌オルガノイドは、一般的に、出芽構造の代わりに嚢胞構造を形成する。これは、優れた細胞ニッチ支持体が存在しないことを思い出させる。EFG+ノギンと共に培養された腺腫陰窩は最初の10日間で約16倍の拡大を示す。腺腫(腺癌)オルガノイドおよび結腸癌オルガノイドは有用な研究ツールおよび薬物スクリーニングモデルとなり得る。
癌腫オルガノイド、腺腫オルガノイド、および腺癌オルガノイドは主に嚢胞性である(例えば、図4および図9を参照されたい)。しかしながら、一部の態様において、これらは、正常組織オルガノイド対応物に似た構造も含むことがある。
バレット食道(BE)オルガノイド
本発明のBEオルガノイドは出芽構造を含む(例えば、図5を参照されたい)。形態学的に、本発明のオルガノイド中の細胞は、その対応するインビボ組織対応物のように見える。
バレット食道は、化生の結果として正常な扁平細胞上皮と置き換わった円柱上皮が下部食道に存在することを特徴とする疾患である。バレット食道の顕著な組織学的な特徴は食道に腸杯細胞が存在することである。バレット食道と腸上皮との類似性を利用して、本発明者らは、バレット食道上皮を最大1ヶ月間維持するために本発明の培養培地および方法を使用できることを示した。本発明者らはまた、本発明の培養培地にFGF10を添加すると、バレット食道オルガノイドが出芽構造を形成し、3ヶ月を超えて培養期間を有意に延ばすことができることも初めて証明した。したがって、バレット食道オルガノイドは本発明のオルガノイドの一例である。一部の態様において、バレット食道オルガノイドは嚢胞構造を有する。一部の態様において、本発明のバレット食道オルガノイドはパネート細胞を含む。一部の態様において、本発明のバレット食道オルガノイドはリゾチームを発現する。
したがって、本発明者らはまた、バレット食道上皮を培養するための、FGF10を含む本発明による培養培地についても説明する。
本発明の一部の態様において、バレット食道オルガノイドは、FGF10も含む本発明による培養培地を用いて増殖されてもよい。一部の態様において、これらのバレット食道オルガノイドはKi67を発現し、最小数、好ましくは、10％未満、5％未満、または1％未満のPAS陽性細胞およびムチン陽性細胞を有する。一部の態様において、バレット食道オルガノイドはリゾチーム陽性パネート細胞を含む。
胃(stomach)(胃(gastric))オルガノイド(例えば、図46を参照されたい)
本発明の培養培地中で増殖させたマウス胃オルガノイドは、分化細胞タイプを含む上皮領域によって内壁が覆われた中心管腔を取り囲む、(幹細胞および前駆細胞によって形成された)胃腺基部様領域を含む単層上皮を含むか、または該単層上皮からなる三次元オルガノイドである。任意で、前記オルガノイドには非上皮細胞が存在しない。
本発明の培養培地中で増殖させたヒト胃オルガノイドは嚢胞構造を含む。嚢胞構造は、極性化した細胞からなる単層である。TGF-β阻害剤の存在下で増殖させた、これらのヒト胃オルガノイドは、TGF-β阻害剤の非存在下で増殖させたヒトオルガノイドよりマウス胃オルガノイドに非常によく似ている。
前立腺オルガノイド(図41～43を参照されたい)
EGF、ノギン、Rスポンジンを含む培養条件下で、マウス前立腺オルガノイドは、管腔を有する三次元嚢胞構造を形成する。やがて、層は内側に折り畳まれ、(重層)上皮細胞からなる3～4つの層が形成される。外層は主にCK5+ 基底上皮細胞からなるのに対して、内層は主にCK8+ 管腔上皮細胞からなる。幹細胞区画は特定されていない。すなわち、全ての領域が分裂細胞を含有する。したがって、一部の態様において、テストステロンの非存在下で増殖させた前立腺オルガノイドは、分裂上皮細胞からなる重層を含む。さらなる態様において、前立腺オルガノイドは、CK5+ 基底上皮細胞を含む細胞からなる外層およびCK8+ 管腔上皮細胞を含む内層を含む。一部の態様において、テストステロンの非存在下で増殖させた前立腺オルガノイドは幹細胞を含有しない。
前立腺培養培地へのテストステロンの添加
本発明者らは、前立腺オルガノイドの培養条件に(ジヒドロ)テストステロンを添加すると、細胞の大半は、2つの層に折り畳まれる上皮単層を形成するCK8+ 管腔細胞に分化することを示した。テストステロンの存在下で増殖させた前立腺オルガノイドは、主に、別の基底細胞層を有する管腔細胞または別の基底細胞層を有しない管腔細胞からなる。この構造はインビボ構造に似ている。分化細胞および分裂細胞ならびに幹細胞および前駆細胞が存在する。したがって、一部の態様において、例えば、テストステロンを含む培地中で培養された時に、前立腺オルガノイドは、嚢胞構造および管腔を含む三次元オルガノイドである。一部の態様において、前立腺オルガノイドは、上皮単層を形成するCK8+ 管腔細胞を含む。一部の態様において、単層は2つ以上の層に折り畳まれる。他の態様において、オルガノイドは重層細胞領域を含んでもよい。一部の態様において、前立腺オルガノイドは、分裂中の幹細胞集団を維持しながら分化細胞を含む。一部の態様において、オルガノイドの形は細胞出発材料または組織出発材料の起源(単離前の前立腺内での位置)によって決まる。前立腺は、前記の様々な上皮構造(重層または折り畳み)を示す様々な葉または領域からなる。インビトロ培養後に、オルガノイドは、オルガノイドが得られた前立腺部分の様々な肉眼で見える構造(重層または折り畳み)をある程度まで維持するように見える。
肝臓オルガノイド
構造上、本発明によるマウス肝臓オルガノイドは形が細長くなることが多い。本発明によるマウス肝臓オルガノイドは、胆管によく似た構造を有する単一の細胞上皮層である1つまたは複数の出芽構造を含むことがある。共焦点顕微鏡観察下では、この構造はケラチン陽性に染色されることがある。本発明によるマウス肝臓オルガノイドは、極性化した核および小さな細胞質を有する細胞を含むことがある。オルガノイドは、多数の層から形成される部分を有することがある。このような細胞は、多くの場合、細胞のより中心に核、すなわち、極性化していない核を有する傾向がある。多層部分にある細胞は、細胞間に隙間すなわち管腔を含むように自己組織化することがある。一部の態様では、本発明のヒト肝臓オルガノイドは一般的に嚢胞構造を有する。
一部の態様において、肝臓オルガノイドは、嚢胞構造を有する三次元オルガノイドである(例えば、図30を参照されたい)。拡大条件下では、オルガノイドは幹細胞および前駆細胞からなることがあり、ここでは、2つの領域が定義される: (1)単層立方上皮(管マーカーKrt19陽性)と中心管腔の内壁を覆う細胞によって形成される、管様領域; ならびに(2)krt19陽性細胞および散在したアルブミン陽性細胞が検出される、偽重層上皮領域。この構造(単層上皮を有する領域と偽重層上皮を有する領域)は胚性肝芽に似ている。拡大条件下では、完全に分化した細胞は存在しないが、一部の態様では肝細胞/肝芽細胞特異的マーカーの発現を検出することができる。分化条件によって、管様領域(単層上皮)が失われ、構造全体が、＞50％の極性化した肝細胞を含有する偽重層上皮になった嚢胞オルガノイドが形成される。
肝臓オルガノイドは、好ましくは、肝細胞および胆管細胞を含む(が、特に、肝細胞はDM中での分化後に見られ、拡大には必要とされない)。より好ましくは、以下のマーカーの少なくとも1つを検出することができる: 少なくとも1種類の肝細胞マーカー、例えば、アルブミン、トランスサイレトリン(transthyretrin)、B-1インテグリン、およびグルタミン合成酵素、ならびに/またはCYP3A11、FAH、tbx3、TAT、およびGckのうちの少なくとも1つ、ならびに/または少なくとも1種類の胆管細胞マーカー、例えば、ケラチン7および19。当業者であれば、これらの各マーカーを検出する方法(すなわち、RT-PCRおよび/または免疫蛍光)を知っている。好ましくは、これらの各マーカーの発現は、実験パートにおいて実施されるように評価される。これらの各マーカーは、通常、本発明の方法を用いて培養して少なくとも2週間後、3週間後、または1ヶ月後に発現している。両培養条件におけるオルガノイドのマイクロアレイ分析から、肝臓オルガノイドは成体肝臓組織に似ていることが分かった。
好ましくは、肝臓オルガノイドにおける全ての細胞が肝細胞表面マーカーを発現する。例えば、一部の態様において、肝臓オルガノイドにおける細胞の少なくとも50％(例えば、50～60％)、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99％、または100％が肝細胞マーカーを発現する。一部の態様において、肝臓オルガノイドにおける細胞の約35％、例えば、細胞の25～45％、30～40％、33～37％、35％以下、または15～35％が肝細胞表面マーカーを発現する。一部の態様において、拡大期に肝細胞は少なく、例えば、細胞の20％未満、10％未満、5％未満、細胞の2％未満、1％未満、好ましくは0％である。好ましくは、本発明に従って作製された細胞およびオルガノイドはまた、成熟肝臓マーカーであるアルブミン、B-1インテグリン、CK-8、CK-18、トランスサイレチン(TTR)、グルコース6P、Met、グルタミン合成酵素(Glu1)、トランスフェリン、Fahd1、Fahd2a、K7、K19およびチトクロムP450アイソフォーム3A13(CYP3A13)、51(CYP51)、2D10(CYP2D10)、2j6(CYP2j6)、39A1(CYP39A1)、4A10(CYP4A10)、4F13(CYP4F13)、4F16(CYP4F16)、CYP4B1、ならびに20A1(CYP20A1)の発現または染色陽性などの肝細胞機能も有する。また、胚肝臓遺伝子AFPは、一部の態様では、成体肝臓と同様に両培養条件下のいずれにおいても検出されない。一部の態様において、α胎児タンパク質の発現はバックグラウンド遺伝子発現より少し多い。
また、HNF1a、HNF1b、およびHNF4aとして周知の肝臓転写因子が両条件で高発現している。
肝臓および膵臓は密接に関連する臓器であるので、本発明者らは、本発明者らの肝臓培養物が膵臓特異的遺伝子も発現するのかどうか調べた。膵臓は、機能上、内分泌膵臓および外分泌膵臓に分けられる。内分泌膵臓は、主にインシュリン、グルカゴン、およびソマトスタチンの発現を特徴とする。これらのホルモンの発現は一組の内分泌膵臓特異的転写因子によって厳しく調節され、最も重要な内分泌膵臓特異的転写因子はPdx1およびNeuroDである。外分泌膵臓は、特に、消化酵素アミラーゼ、膵臓リパーゼ、およびキモトリプシンの産生を担う腺房区画および管区画によって形成される。これらの遺伝子の発現もまた特異的外分泌膵臓遺伝子であるPtf1によって調節される。
膵臓特異的遺伝子Ptf1a、膵臓アミラーゼ(Amy2a4)、膵臓リパーゼ(Pnlip)、インシュリン(ins1およびins2)、グルカゴン(Gcg)、キモトリプシン(cela1)、Pdx1、ならびにNeuroDは、ここで説明された肝臓培養物に存在しない。
一部の態様において、肝臓オルガノイドでは、以下の遺伝子の1つもしくは複数または全てが、成体肝臓肝細胞における対応する遺伝子と類似したレベルで発現している: Aqpl、Bmp2、Apo3、Apo17a、Sord、C3、Ppara、Pparg、tbx3、lgf1、ll17rb、ll1b、Tgfbi、Apoa1、Apoa4、Apob、Cyp26b1、Cyp27a1、Cyp2b13、Cyp2b9、Cyp2c37、Cyp2f2、Cyp2gl、Cyp2j13、Cyp3a11、Cyp4a10、およびCypf14。例えば、図27Aを参照されたい。
一部の態様において、肝臓オルガノイドでは、以下の遺伝子の1つまたは複数が、成体肝臓肝細胞における対応する遺伝子と比較して類似してシャットダウンされたレベルで発現している: Ccl2、Osmr、Icam1、およびCxc12。
一部の態様において、肝臓オルガノイドおよび新生児肝臓では、以下の遺伝子の一方または両方が異なって発現している: mKi67およびcdkn3。これは、オルガノイドのこれらの遺伝子の発現が、分化したオルガノイドまたは臓器全体より高いことを意味する。
一部の態様において、肝臓オルガノイドおよび新生児肝臓では、以下の遺伝子の1つ、2つ、または全てが類似したレベルで発現している: cyp2j6、olfm4、およびLefty1。例えば、図27Bを参照されたい。
一部の態様において、本発明の肝臓オルガノイドは、本発明の拡大培地(例えば、EM1またはEM2)中で培養された時に管表現型を有する。
一部の態様において、本発明の肝臓オルガノイドは、本発明の分化培地中で培養された時に成体肝臓マーカーを発現する。
1つの態様において、本発明の肝臓オルガノイドは、図27Cに示したような遺伝子発現プロファイルを有する。
特に好ましい態様において、本発明のマウス肝臓細胞集団またはオルガノイドは、図28に示した遺伝子発現プロファイルを有する。例えば、1つの好ましい態様において、本発明のマウス肝臓細胞集団またはオルガノイドは、
a) 以下の幹細胞マーカーの少なくとも1つ(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11)、好ましくは、全てを発現する: lgr5、lgr4、epcam、Cd44、Tnfrsf19、Sox9、Sp5、Cd24a、Prom1、Cdca7、およびElf3; ならびに/または
b) 以下の幹細胞マーカーを発現しない: lgr6; ならびに/または
c) 本発明の拡大培地中で増殖させた時に以下の肝細胞マーカーまたは胆管細胞マーカーの少なくとも1つ(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19)、好ましくは、全てを発現する: Hnf1a、Hnf1b、Hnf4a、Hhex、Onecut1、Onecut2、Prox1、Cdh1、Foxa2、Gata6、Foxm1、Cebpa、Cebpb、Cebpd、Cebpg、Glu1、Krt7、Krt19、およびMet; ならびに/または
d) 本発明の拡大培地中で増殖させた時に以下の遺伝子の少なくとも1つ(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17)を発現しない: afp、Ins1、Ins2、Gcg、Ptf1a、Cela1、Cela2a、Cela3b、Neurod1、Neurod2、Neurog1、Neurog2、Neurog3、Amy2a4、Igflr、Igf2、およびCd34; ならびに/または
e) 以下のリプログラミング遺伝子の少なくとも1つ(例えば、1、2、もしくは3)を発現する: Klf4、Myc、およびPou5f1; ならびに/または
f) 以下のリプログラミング遺伝子を発現しない: Sox2。遺伝子の発現は、好ましくは、発現をmRNAレベルで、例えば、マイクロアレイを用いて測定することによって検出される。
より好ましくは、本発明のマウス肝臓細胞集団またはオルガノイドは前記の特徴a)～f)の全てを有する。
一部の態様において、本発明のマウス肝臓細胞集団または肝臓オルガノイドについて前述された遺伝子発現プロファイルは、本発明の肝臓拡大培地中で培養されたマウス細胞集団またはオルガノイドの遺伝子発現プロファイルである。
一部の態様において、図29に示された遺伝子発現シグネチャーを有する本発明のヒト肝臓細胞集団またはオルガノイドが提供される。例えば、本発明のEM1中で培養されたヒト肝臓細胞集団またはオルガノイドは、好ましくは、EM1細胞培養培地中で発現していると図29に示された遺伝子を発現する。例えば、本発明のEM2中で培養されたヒト肝臓細胞集団またはオルガノイドは、好ましくは、EM2細胞培養培地中で発現していると図29に示された遺伝子を発現する。例えば、本発明のDM中で培養されたヒト肝臓細胞集団またはオルガノイドは、好ましくは、DM細胞培養培地中で発現していると図29に示された遺伝子を発現する。
例えば、1つの好ましい態様において、本発明のヒト肝臓細胞集団またはオルガノイドは、
a) 以下の幹細胞シグネチャー遺伝子の少なくとも1つ(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9)、好ましくは、全てを発現する: LGR4、TACSTDl/Epcam、CD44、SOX9、SP5、CD24、PROM1、CDCA7、およびELF3; ならびに/または
b) 以下のリプログラミング遺伝子の少なくとも1つ(例えば、1、2、3、4)、好ましくは、全てを発現する: KLF4、MYC、POU5F1、およびSOX2; ならびに/または
c) 以下の肝細胞/胆管細胞特異的遺伝子の少なくとも1つ(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19)、好ましくは、全てを発現する: HNF1A、HNF1B、HNF4A、HHEX、ONECUT1、ONECUT2、PROX1、CDH1、FOXA2、GATA6、FOXM1、CEBPA、CEBPB、CEBPD、CEBPG、GLUL、KRT7、KRT19、およびMET; ならびに/または
d) 以下の肝細胞/胆管細胞特異的遺伝子の少なくとも1つ(例えば、1、2、3、4、5、6)、好ましくは、全てを発現しない: NEUROG2、IGF1RおよびCD34、AFP、GCG、およびPTF1A、例えば、NEUROG2、IGF1R、およびCD34を発現しない; ならびに/または
e) 以下の肝細胞特異的遺伝子の少なくとも1つ(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18)、好ましくは、全てを発現する: TTR、ALB、FAH、TAT、CYP3A7、APOA1、HMGCS1、PPARG、CYP2B6、CYP2C18、CYP2C9、CYP2J2、CYP3A4、CYP3A5、CYP3A7、CYP4F8、CYP4V2、およびSCARB1。遺伝子の発現は、好ましくは、発現をmRNAレベルで、例えば、マイクロアレイを用いて測定することによって検出される。
より好ましくは、本発明のヒト肝臓細胞集団またはオルガノイドは前記のa)～e)の特徴の全てを有する。
一部の態様において、図29に示したように、本発明のヒト肝臓細胞集団またはオルガノイドにおける遺伝子は参照RNAの発現に対してアップレギュレートまたはダウンレギュレートされる。好ましくは、参照RNAは、Universal Human Reference RNA(Stratagene,カタログ番号740000)である。一部の態様において、遺伝子は、図29においても参照RNAに対してアップレギュレートまたはダウンレギュレートされると示されているのであれば参照RNAに対してアップレギュレートまたはダウンレギュレートされるが、アップレギュレーションまたはダウンレギュレーションの程度は同じである必要はない。他の態様において、アップレギュレーションまたはダウンレギュレーションの程度は、図29に示したように+/-35％、+/-30％、+/-25％、+/-20％、+/-20％、+/-15％、+/-10％、+/-5％、+/-3％、またはより好ましくは+/-1.5倍、+/-2倍、+/-3倍、+/-5倍、またはほぼ同じである。他の態様において、図29に示したように、本発明のヒトオルガノイドにおける遺伝子の絶対発現レベルは、+/-35％、+/-30％、+/-25％、+/-20％、+/-15％、+/-10％、+/-5％、+/-3％、または+/-1.5倍、+/-2倍、+/-3倍、+/-5倍、またはほぼ同じである。
本発明のヒト肝臓細胞集団またはオルガノイドはまた、好ましくは、Lgr5および/またはTnfrsf19、好ましくは両方を発現する。一部の態様において、ヒト肝臓細胞集団またはオルガノイドは本発明の拡大培地において培養された時にLgr5および/またはTnfrsf19、好ましくは両方を発現する。好ましくは、Lgr5および/またはTnfrsfr19の発現はRT PCRによって検出される。一部の態様において、分化培地において培養された時のオルガノイドまたは細胞におけるLgr5および/またはTnfrsf19は、拡大培地において培養された時のオルガノイドまたは細胞における発現レベルと比較してかなり低い(例えば、少なくとも1/2、少なくとも1/3、少なくとも1/4、少なくとも1/5、少なくとも1/10、少なくとも1/15の)発現レベルで存在する。
本発明による肝臓細胞およびオルガノイドは、好ましくは、アルブミンを、例えば、約1μg/時間/106細胞～10μg/時間/106細胞、好ましくは、2μg～6μg/時間/106細胞の速度で分泌できる場合がある。
さらに、このような肝臓細胞およびオルガノイドは尿素を分泌することがある。例えば、35mm細胞ディッシュにおいて、尿素合成の活性は48時間で1μg～50μg、好ましくは、5μg～30μgでもよい。
本発明による肝臓細胞およびオルガノイドは、例えば、染色された時に目に見えるグリコーゲン貯蔵を示す場合がある。本発明による細胞およびオルガノイドがグリコーゲンを活発に合成する能力は、低グルコース分化培地から、10％FBSおよび0.2μMデキサメタゾンが添加された高グルコースDMEMに培養培地を2日間交換することによって試験することができる。
本発明による肝臓細胞およびオルガノイドは誘導性チトクロムP450活性(例えば、CYP1A)を有することがある。このような活性は、例えば、エトキシレゾルフィン-O-デエチラーゼ(EROD)アッセイ(Cancer Res, 2001, 61:8164-8170)を用いて試験することができる。例えば、細胞またはオルガノイドを3-メチルコラントレンなどのP450基質に曝露し、EROD活性レベルを対照細胞と比較することができる。
形態学的に、肝臓オルガノイド細胞は肝細胞のようにみえる。
好ましい肝臓オルガノイドは、図30に図示したように外側に芽を有する細胞層および中心管腔を有する嚢胞構造を含むか、または該嚢胞構造からなる。この肝臓オルガノイドは、以下の特徴の1つまたは複数(例えば、2つ、3つ、または4つ全て)を有してもよい: (a)＞5x105細胞/cm3、好ましくは＞10x105細胞/cm3の細胞密度を有すること; (b)2～30の細胞層に相当する厚み、好ましくは、2～15の細胞層に相当する厚みを有すること; (c)細胞が三次元において相互に接触し、(d)健康な肝臓組織に固有の機能を示し、(e)2つの規定された領域、すなわち、高度に極性化した細胞が検出され、ケラチンマーカーが発現している単層上皮領域(この領域は胆管領域に似ている)、および他方の領域がオルガノイド本体を構成し、アルブミン発現が検出されることがある極性化していない細胞を有する多層上皮によって形成される領域を有する細長い形状を有すること。このような肝臓オルガノイドは、好ましくは、肝臓断片でない、および/または血管を含まない、および/または肝小葉も胆管も含まないことが当業者に明らかである。
本発明の文脈の中で、肝臓断片は、成体肝臓、好ましくは、ヒト成体肝臓の一部である。したがって、好ましくは、本明細書において特定された肝臓オルガノイドは肝臓断片でない。肝臓オルガノイドは、好ましくは、成体肝臓に由来する細胞、好ましくは、成体肝臓に由来する上皮幹細胞、より好ましくは、Lgr5を発現する成体肝臓に由来する上皮幹細胞を用いて得られる。肝臓オルガノイドはまた、損傷または培養の際にLgr5を発現する、したがって、Lgr5を発現するサイクリング(cycling)幹細胞である任意の細胞から得られてもよい。
一部の態様において、肝臓オルガノイドは、Lgr5を発現する細胞を含む。例えば、一部の態様において、肝臓オルガノイド中の細胞の少なくとも2％、より好ましくは少なくとも5％、少なくとも10％、少なくとも20％、少なくとも30％、少なくとも40％、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％はLgr5を発現する。同様に、本発明は、Lgr5を発現し、本発明の肝臓オルガノイドから得られた細胞または細胞集団を提供する。このような細胞の子孫も本発明に包含される。
1つの態様において、肝臓オルガノイドは、本発明の方法を用いて培養されており、したがって、細胞外マトリックスと接触している肝臓オルガノイドである。好ましくは、肝臓オルガノイドは非間葉系細胞外マトリックスまたは間葉系細胞外マトリックスの中に埋め込まれる。本発明の文脈の中で、「接触して」とは物理的または機械的または化学的な接触を意味する。物理的または機械的または化学的な接触とは、前記肝臓オルガノイドを前記細胞外マトリックスから分離するために力が用いられる必要があることを意味する。
好ましい態様において、肝臓オルガノイドは、少なくとも2週間、3週間、4週間、5週間、6週間、7週間、8週間、9週間、10週間、または1ヶ月間、2ヶ月間、3ヶ月間、4ヶ月間、5ヶ月間、6ヶ月間、7ヶ月間、8ヶ月間、9ヶ月間、10ヶ月間、またはそれより長く培養することができる。一部の態様において、肝臓オルガノイドは、少なくとも3ヶ月間、好ましくは、少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長く培養状態で拡大または維持される。好ましくは、TGFβ阻害剤を含む本発明の拡大培地を用いて培養された肝臓オルガノイドは、1週間に5倍の拡大、または1週間に2回以上の集団倍加で少なくとも4週間、より好ましくは少なくとも5週間、培養されてもよい(例えば、少なくとも10回の倍加、少なくとも20回の倍加、より好ましくは少なくとも25回の倍加、例えば少なくとも30回の倍加)。好ましくは、TGFβ阻害剤に加えてプロスタグランジン経路アクチベーターを含む本発明の拡大培地を用いて培養された肝臓オルガノイドは、1週間に2回以上の倍加(例えば、2～3回の倍加)で少なくとも7週間、より好ましくは少なくとも8週間、培養されてもよい(すなわち、少なくとも15回の倍加、少なくとも25回の倍加、少なくとも30回の倍加、少なくとも32回の倍加、少なくとも35回の倍加、例えば32～40回の倍加、または少なくとも40回の倍加、例えば少なくとも50回の倍加)。したがって、好ましくは、本発明の肝臓オルガノイド、例えば、ヒト肝臓オルガノイドは本発明の拡大培地を用いて得られる。
別の好ましい態様において、肝臓オルガノイドは、単一の細胞、好ましくは、Lgr5を発現する単一の細胞から生じる。より好ましくは、単一の細胞は、関心対象の核酸分子を含む核酸構築物を含む。
オルガノイド組成および遺伝子発現
陰窩-絨毛オルガノイド、結腸陰窩オルガノイド、および膵臓オルガノイドは、典型的には、幹細胞および/または前駆細胞を含む。したがって、これらのオルガノイドはある特定の遺伝子発現パターンを共有する。一部の態様において、以下のマーカーの1つもしくは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、もしくは7)または全てを検出することができる: LGR5、LGR4、epcam、Cd44、Sox9、Cd24a、およびCD133/Prom1、任意でTnfrsf19。別の態様において、以下の前駆細胞遺伝子の1つもしくは2つまたは全ての発現を検出することができる: Pdx1、Nkx2.2、およびNkx6.1。分化後、陰窩-絨毛オルガノイド、結腸陰窩オルガノイド、および膵臓オルガノイドの遺伝子発現パターンは、分化したオルガノイドが組織特異的成体マーカー、例えば、膵臓においてインシュリンを発現する時に分岐すると予想される。
陰窩絨毛オルガノイド
本発明の一部の態様において、オルガノイドは、増殖性細胞、パネート細胞、腸細胞、および杯細胞を含む全ての分化した上皮細胞タイプを含む陰窩-絨毛様伸長部分を含む。一部の態様において、本発明の陰窩-絨毛オルガノイドは筋線維芽細胞も他の非上皮細胞も含有しない。本発明の陰窩-絨毛オルガノイドは、好ましくは、陰窩-絨毛様構造の中に腸の吸収細胞、杯細胞、腸内分泌細胞、およびパネート細胞を含む腸細胞を含む。好ましくは、以下のマーカーの少なくとも1つ(例えば、2、3、4、5、または6)を検出することができた(図2eおよび図14を参照されたい): SMOC2、CDCA7、OLFM4、ASCL2、AXIN2および/またはLgr5、Tnfrsf19、CD24a、Sox9、CD44、Prom1。一部の態様において、マーカーRNF43およびZNRF3を検出することができる。一部の態様において、SMOC2、CDCA7、OLFM4、ASCL2、AXIN2、および/またはLgr5の1つもしくは複数(例えば、1、2、3、4、もしくは5)または全てが、陰窩において少なくとも2倍、3倍、または4倍アップレギュレートされるのに対して、陰窩において少なくとも1/2、1/3、または1/4にダウンレギュレートされるマーカーには、ABCG1、ENPP3、CSTE、MUC17、および/またはAPOA1の少なくとも1つもしくは複数(例えば、1、2、3、もしくは4)または全てが含まれる。この文脈で「アップレギュレーション」とは、腸の絨毛または結腸陰窩の上部を基準とする。幹細胞に対する分化したオルガノイド細胞の遺伝子発現を比較したマイクロアレイ分析から、小腸陰窩-絨毛オルガノイドおよび結腸オルガノイドは、腸幹細胞遺伝子の発現を含む腸陰窩の同等の分子シグネチャーを有することが明らかになった。したがって、本発明はまた、陰窩-絨毛オルガノイドについて前述された分子シグネチャーを有する結腸オルガノイドも提供する。インビトロで培養されたオルガノイドは、新鮮に単離された小腸陰窩と類似した発現プロファイルをはっきりと示し、公知の幹細胞マーカーを発現する。
一部の態様において、陰窩-絨毛オルガノイドまたは結腸オルガノイドにおいてアップレギュレートされていると図14に列挙された1つまたは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、または25)の遺伝子 (例えば、図14の陰付きの遺伝子の全て)をコードするmRNAは、それぞれ、マイクロアレイによって確かめられた時に、新鮮に単離された小腸絨毛と比較して本発明の陰窩-絨毛オルガノイドまたは結腸オルガノイドにおいてアップレギュレートされている。一部の態様において、陰窩-絨毛オルガノイドまたは結腸オルガノイドにおいてダウンレギュレートされていると図14に列挙された1つまたは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、または25)の遺伝子(例えば、図14の陰付きの遺伝子の全て)をコードするmRNAは、それぞれ、マイクロアレイによって確かめられた時に、新鮮に単離された小腸絨毛と比較して本発明の陰窩-絨毛オルガノイドまたは結腸オルガノイドにおいてダウンレギュレートされている。一部の態様において、アップレギュレーションまたはダウンレギュレーションの倍率は、図14に示された通り、+/-25％、例えば、+/-20％、+/-15％、+/-10％、+/-5％、+/-3％であるか、図14において引用されたものとほぼ同じである。例えば、本発明の陰窩-絨毛オルガノイドは、新鮮に単離された小腸絨毛と比較してADORA2Bが9.54倍+/-25％にアップレギュレートされていてもよい。同じことが、図14に列挙された他の遺伝子に準用される。
一部の態様において、陰窩絨毛オルガノイドはLgr5の天然発現を示す。一部の態様において、陰窩絨毛オルガノイドは、少なくともLgr5、ならびにCK19、ネスチン、ソマトスタチン、CXCR4+、CD133+、DCAMKL-1、CD44、Sord、Sox9、CD44、Prss23、Sp5、Hnflα、Hnf4a、Sox9、KRT7、およびKRT19からなる群からの幹細胞マーカーの1つもしくは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16)または全ての天然発現を示す。さらに、もしくはまたは、陰窩-絨毛オルガノイドはSordおよび/またはPrss23の1つもしくは複数または全て(例えば、1または2)の発現を特徴としてもよい。さらに、もしくはまたは、陰窩-絨毛オルガノイドはCD44および/またはSox9の発現を特徴としてもよい。別の態様において、陰窩-絨毛オルガノイドは、lgr5、lgr4、epcam(tacstd1)、Cd44、Tnfrsf19、Sox9、Sp5、Cd24a、Prom1、およびCdca7からなる群からのマーカーの1つもしくは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9)または全ての発現を示す。
一部の態様において、陰窩絨毛オルガノイドは、リゾチームを発現するパネート細胞を含む。
結腸オルガノイド
一部の態様において、結腸オルガノイドは、腸内分泌細胞(例えば、クロマグラニン(chromagranin)A染色を用いて検出可能)、杯細胞(ムチン2染色を用いて検出可能)を含有する。一部の態様において、結腸オルガノイド中の細胞の10％未満(例えば、0.01～5％、0.1～3％)が腸内分泌細胞である。一部の態様において、結腸オルガノイド中の細胞の30％未満(例えば、1～25％、1～15％、5～10％)が杯細胞である。一部の態様において、腸内分泌細胞および/または杯細胞の分布は図1dに示した通りである。
一部の態様において、結腸オルガノイドは、成熟腸細胞(例えば、アルカリホスファターゼ染色によって視覚化される)を含有する。一部の態様において、結腸オルガノイド中の細胞の10％未満(例えば、5％未満、3％未満、0.01～5％、0.1～3％、0.1～5％)が成熟腸細胞である。
好ましい態様において、天然インビボ結腸にはパネート細胞が存在しないので、結腸オルガノイドはパネート細胞を含まない。
一部の態様において、結腸オルガノイドはLgr5の天然発現を示す。
一部の態様において、結腸オルガノイドは、ビリン1、Alpi、ChgA、およびMuc2の1つまたは複数(例えば、1、2、3または4)を発現する。一部の態様において、新鮮に単離された結腸陰窩と比較した本発明の結腸オルガノイドによって発現されたビリン1 mRNAの相対量は、少なくとも3％(例えば、少なくとも5％、少なくとも8％、少なくとも10％)、例えば、5～15％である。一部の態様において、新鮮に単離された結腸陰窩と比較した、本発明の結腸オルガノイドによって発現されたAlpi mRNAの相対量は、少なくとも0.5％(例えば、少なくとも1％、少なくとも2％)、例えば、0.5～5％である。一部の態様において、新鮮に単離された結腸陰窩と比較した、本発明の結腸オルガノイドによって発現されたChgA mRNAの相対量は、少なくとも15％(例えば、少なくとも20％、少なくとも22％)、例えば、15～30％である。一部の態様において、新鮮に単離された結腸陰窩と比較した、本発明の結腸オルガノイドによって発現されたMuc2 mRNAの相対量は、少なくとも20％(例えば、少なくとも25％、少なくとも30％、少なくとも35％)、例えば、25～37％である。
一部の態様において、本発明のヒト結腸オルガノイドは公知の幹細胞マーカーを発現する。
膵臓オルガノイド
膵臓は、管細胞、腺房細胞、および内分泌細胞の3種類の細胞タイプを含有する。内分泌細胞は、血流に分泌され、身体の糖代謝を助けるホルモングルカゴン、インシュリン、ソマトスタチン、および膵臓ポリペプチド(PP)を産生する。腺房細胞は、消化酵素を産生する外分泌系の一部であり、管細胞は、腺房細胞と消化器官とをつなぐ膵管に由来する。発生中に、ランゲルハンス島は、膵管から現れる前駆内分泌細胞から生じ、分化後に凝集してランゲルハンス島を形成すると考えられている。ランゲルハンス島は、α細胞、β細胞、δ細胞、およびPP細胞を含む。
膵臓オルガノイド細胞は、管細胞マーカーに似た発現パターン、例えば、K7、K19、およびHnf1bの1つもしくは複数(例えば、1、2、もしくは全て)、ならびに/または1種もしくは複数種の一般的な幹細胞マーカー例えば、Sox9および/もしくはOnecut1を有してもよい。これは幹細胞シグネチャーの一部になる可能性が高い。一般的に、これより少ない分化マーカーが見られる。本発明の膵臓オルガノイドを作製するために膵管から細胞が単離される一部の態様において、本発明の膵臓オルガノイドを生じる細胞タイプは、管細胞(管を形成する、ケラチン7およびケラチン19が陽性の上皮細胞を意味する)でなく、膵管に付着している細胞である。膵管に付着している細胞とは、管が膵臓組織と接触した後に隣の細胞層に位置する(すなわち、管の管腔に面していない)細胞を意味する。したがって、膵臓オルガノイドを生じる細胞タイプが管細胞でない態様では、膵臓オルガノイドはK7もK19も発現しない。しかしながら、このような膵臓オルガノイドは、さらに好ましくは、1種または複数種の一般的な幹細胞前駆細胞マーカー、例えば、Sox9を発現する。
本発明の膵臓オルガノイドは、好ましくは、α細胞、β細胞、δ細胞、およびPP細胞を含む。さらに好ましい態様において、膵臓オルガノイドはβ細胞を含む。例えば、膵臓オルガノイドは、1％超、5％超、10％超、15％超、または20％超のβ細胞を含んでもよい。β細胞マーカーとしてインシュリンの発現が用いられてもよい。
別の態様において、膵臓オルガノイドは、ヒトまたは動物に移植されると分化細胞タイプを生じることができる前駆細胞タイプ、任意で、管に由来する前駆細胞タイプを含む。好ましい態様において、前駆細胞タイプは、ヒトまたは動物に移植されるとインシュリン分泌β細胞を生じることができる。本発明者らは、本発明の培地および方法に従って増殖させたヒト膵臓オルガノイドがマウスに移植され、1ヶ月以内にインシュリン分泌細胞を刺激することができることを示した(実施例4を参照されたい)。これは、糖尿病およびインシュリン欠乏症の患者に対する画期的な治療につながる可能性があると容易に理解することができる。
一部の態様において、本発明の膵臓オルガノイドは、管細胞、腺房細胞、および内分泌細胞を含んでもよい。一部の態様において、K19が管細胞マーカーとして用いられる。
一部の態様において、β細胞は膵島またはランゲルハンス島の中に存在する。インビボで1個の島には一般的に約1500個の細胞、例えば、1300～1700個の細胞が含まれる。1つの態様において、膵臓オルガノイドは、質量で少なくとも0.5％、少なくとも1％、少なくとも1.5％、少なくとも2％、少なくとも3％、少なくとも5％、少なくとも10％、少なくとも15％、少なくとも20％、少なくとも25％、少なくとも30％、またはそれより多いランゲルハンス島を含む。一部の態様において、膵臓オルガノイドのランゲルハンス島は、約65～90％のβ細胞、約15～20％のα細胞、約3～10％のδ細胞、および約1％のPP細胞からなる。しかしながら、これに決して限定されない。例えば、一部の態様において、本発明のオルガノイドには多くのβ細胞を有することが望ましい。または、オルガノイドは、インビボで分化するように移植され得る前駆細胞を含んでもよい。
一部の態様において、膵臓オルガノイドは、Pdx1、Nkx2.2、およびNkx6.1の1つ、2つ、または3つ全てを発現する。膵臓オルガノイドは、NeuroD、Pax6、Pax4、およびMafaの1つ、2つ、3つ、または4つ全てを発現してもよい。Pax4は、胚発生中にインシュリン産生細胞が内分泌前駆細胞に分化するのに必須の転写因子であるので、インシュリン産生細胞の存在についてのマーカーとして役立つ。膵臓オルガノイドはNgn3を発現してもよい。
一部の態様において、本発明の膵臓オルガノイドでは以下のマーカーの少なくとも1つ(例えば、1つ、2つ、3つ、4つ、5つ)を検出することができる: インシュリン(ins1および/またはins2)、グルカゴン(Gcg)、ソマトスタチン、Pdx1、ならびにNeuroD。一部の態様において、本発明の膵臓オルガノイドでは以下のマーカーの少なくとも1つ(例えば、1つ、2つ、3つ、4つ、5つ)を検出することができる: インシュリン(ins1および/またはins2)、グルカゴン(Gcg)、ソマトスタチン、Pdx1、ならびにNeuroD。以下のマーカーは検出されない: ptf1a、amy2a4、Pnlip、およびcela1。一部の態様において、本発明の膵臓オルガノイドでは以下のマーカーの少なくとも1つ(例えば、1つ、2つ、3つ、4つ、5つ、6つ、7つ、8つ、または9つ)を検出することができる: Ptf1a、膵臓アミラーゼ(Amy2a4)、膵臓リパーゼ(Pnlip)、インシュリン(ins1および/またはins2)、グルカゴン(Gcg)、ソマトスタチン、キモトリプシン(cela1)、Pdx1、ならびにNeuroD。
一部の態様において、膵臓オルガノイドはLgr5の天然発現を示す。一部の態様において、膵臓オルガノイドは、少なくともLgr5、ならびにCK19、ネスチン、CXCR4+、CD133+、DCAMKL-1、CD44、Sord、Sox9、CD44、Prss23、Sp5、Hnf1α、Hnf4a、Sox9、KRT7およびKRT19、prom1、Cd24a、Lgr4、epcamからなる群より選択される1つまたは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、または20)の幹細胞マーカーの天然発現を示す。または、もしくはさらに、一部の態様において、膵臓オルガノイドは、CK19、ネスチン、(インシュリン、グルカゴン)およびCXCR4+の1つまたは複数(例えば、1、2、3、または4)の天然発現を特徴としてもよい。
一部の態様において、本発明の膵臓オルガノイドまたは細胞はソマトスタチンを発現する。ソマトスタチンは、分化したδ細胞において発現されるホルモンであり、したがって、δ細胞のマーカーとして役立つ場合がある。
または、もしくはさらに、一部の態様において、膵臓オルガノイドは、初期内分泌マーカーの1つまたは複数、例えば、以下の初期内分泌マーカーの少なくとも1つまたは複数(例えば、1つ、2つ、3つ、4つ、5つ、6つ、または7つ)の天然発現を示す: Sox9、Hnf1b、Hnf6、Hnf1a、Nkx2.2、Nkx6.1、およびPdx1。
または、もしくはさらに、一部の態様において、膵臓オルガノイドは、1種または複数種の初期内分泌マーカー、例えば、以下の内分泌マーカーの少なくとも1つまたは複数(例えば、1、2、3、または4)の天然発現を示す: Foxa2、Hnf6、Hnf1b、およびSox9。一部の態様において、膵臓オルガノイドは、Foxa2、Hnf6、Hnf1b、およびSox9の内分泌マーカーの1つまたは複数(例えば、1、2、3、または4)の天然発現を示すが、Ngn3の発現を示さない。
または、もしくはさらに、一部の態様において、膵臓オルガノイドは、1種または複数種の管マーカー、例えば、ケラチン7およびケラチン19の一方または両方の天然発現を示す。一部の態様において、膵臓オルガノイドは、有意または検出可能なレベルで1種または複数種の管マーカーの天然発現を示す。したがって、一部の態様において、膵臓オルガノイドは管表現型を有する。一部の態様において、膵臓オルガノイドは、以下の群より選択される以下のマーカーの1つもしくは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15)または全ての発現を示す: Hnf1A、Hnf1B、Hnf4A、HHEX、ONECUT1、ONECUT2、CDH1、FOXA2、GATA6、CEBPB、CEBPD、CEBPG、Glu1、Krt7、Krt19、およびMET。
しかしながら、膵臓オルガノイドは、インシュリン産生前駆細胞の特徴と組み合わせて、いくつかの管特徴を有することがある。例えば、膵臓オルガノイドは、図16Bに示したように1種または複数種の管マーカーを発現することがある。一部の態様において、膵臓オルガノイドは、図16Bに示したものとほぼ同じように成体膵臓オルガノイドまたは肝臓オルガノイドと比べて遺伝子発現プロファイルを示す。例えば、一部の態様では、これらの遺伝子は、成体膵臓肝臓オルガノイドと比較して膵臓オルガノイドでは図16Bとほぼ同じ倍率比まで、例えば、+/-3％未満、+/-5％未満、+/-10％未満、+/-20％未満までアップレギュレートまたはダウンレギュレートされる。
一部の態様において、インシュリン陽性細胞は膵臓オルガノイドの中の管の内壁から現れる。
一部の態様において、肝臓オルガノイドと比較して膵臓オルガノイドでは以下の遺伝子の1つまたは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、または7)、好ましくは、全てがアップレギュレートされる: Aaas、Rps4y2、Atp2c2、Akap2、Uts2、Sox17、Agr2。例えば、一部の態様において、肝臓オルガノイドと比較して膵臓オルガノイドでは、これらの遺伝子は、図19とほぼ同じ倍率比、例えば、+/-3％未満、+/-5％未満、+/-10％未満、+/-20％未満までアップレギュレートされる。
1つの態様において、膵臓オルガノイドは、合計で少なくとも103個、少なくとも104個、少なくとも105個の、またはこれより多い細胞を含む。1つの態様において、膵臓オルガノイドは、50％超、60％超、70％超、または80％超の管様内分泌前駆細胞を含む。しかしながら、さらに低いパーセンテージの管様内分泌前駆細胞も想定される。
バレット食道(BE)オルガノイド
本発明のBEオルガノイドはKi67+ である。
好ましくは、BEオルガノイドは、拡大培地を分化培地に変えるために拡大培地からニコチンアミドおよびSB202190を取り除いて4日後に、最小数(例えば、25％未満、20％未満、10％未満、5％未満、2％未満、1％細胞未満)のPAS+ およびムチン+ 細胞を有する。
一部の態様において、BEオルガノイドは杯細胞を含む。これらは、分化培地をDBZ(例えば、10uM)などのγ-セクレターゼ阻害剤で、例えば、4日間、処理することによって誘導することができる。
一部の態様において、本発明のバレット食道オルガノイドはパネート細胞を含む。
一部の態様において、本発明のバレット食道オルガノイドはリゾチームを発現する。
胃オルガノイド
一部の態様において、本発明の胃オルガノイドはLgr5の天然発現を示す。一部の態様において、本発明の胃オルガノイドは、少なくともLgr5、ならびにCK19、ネスチン、ソマトスタチン、CXCR4+、CD133+、DCAMKL-1、CD44、Sord、Sox9、CD44、Prss23、Sp5、Hnf1α、Hnf4a、Sox9、KRT7、およびKRT19からなる群からの幹細胞マーカーの1つまたは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、または17)の天然発現を示す。または、もしくはさらに、一部の態様において、胃オルガノイドは、CD133+、DCAMKL-1およびCD44のうちの1つまたは複数(例えば、1、2、または3)の天然発現を特徴としてもよい。または、もしくはさらに、胃オルガノイドはCD44およびSox9を特徴としてもよい。
前立腺オルガノイド
一部の態様において、本発明の前立腺オルガノイド、例えば、マウス前立腺はLgr5の天然発現を示す。一部の態様において、前立腺オルガノイドは、管腔前立腺マーカー、例えば、サイトケラチン18(CK18)およびサイトケラチン8(CK8)の天然発現を示す。一部の態様において、本発明の前立腺オルガノイドはアンドロゲン受容体(AR)の天然発現を示す。一部の態様において、前立腺オルガノイドは基底マーカー、例えば、p63および/またはサイトケラチン5(CK5)を発現する。一部の態様において、テストステロン(例えば、DHT)が培地に添加された時、基底マーカーLgr5およびTnfrsf19の発現は、テストステロン(例えば、DHT)の非存在下で増殖させたオルガノイドと比較してダウンレギュレートされる。前立腺特異的転写因子NKX3.1は全ての条件において発現している。したがって、一部の態様において、本発明の前立腺オルガノイドは前立腺特異的マーカーNkx3.1の天然発現を示す。
一部の態様において、本発明の前立腺オルガノイド、例えば、正常ヒト前立腺オルガノイドまたは癌ヒト前立腺オルガノイドは、管腔マーカー、例えば、CK18、CK8、および/またはB-MSPの天然発現を示す。一部の態様において、前立腺オルガノイドはARの天然発現を示す。一部の態様において、基底上皮マーカー、例えば、CK14、CK5、および/またはp63が発現している。一部の態様において、TNFRSF19が発現している。前立腺特異的転写因子NKX3.1が全ての条件において発現している。したがって、一部の態様において、本発明の前立腺オルガノイドは前立腺特異的マーカーNkx3.1の天然発現を示す。
本発明による培養培地にテストステロン(例えば、DHT)を添加すると、幹細胞集団を維持しながら(テストステロンの非存在下の)3倍まで速く増殖する前立腺オルガノイドが増殖する。前立腺の(全てではないが)大部分の分化細胞タイプ(基底細胞および管腔細胞)も存在する。これらの条件は無限の細胞拡大を可能にする(今までに、1週間に2.5回の集団倍加で9ヶ月間)。したがって、一部の態様において、前立腺オルガノイドは、前立腺の全ての分化細胞タイプ、例えば、基底細胞および管腔細胞を含む。好ましい態様において、前立腺オルガノイドは、全ての分化細胞タイプ、例えば、基底細胞および管腔細胞、ならびに幹細胞を含む。
正常組織では、テストステロン(例えば、DHT)を添加すると、全ての培養条件においてAR発現が増加する。一部の態様において、前立腺オルガノイドは、テストステロンの非存在下で増殖させた前立腺細胞と比較してAR発現がアップレギュレートされている。腫瘍組織では、AR発現はテストステロン(例えば、DHT)添加の影響を受けない。したがって、一部の態様において、前立腺癌オルガノイドはインビボ前立腺癌細胞と比べてAR発現が増加していない。正常組織に由来する前立腺オルガノイドではENRF条件下で幹細胞マーカーLGR5が発現している。腫瘍組織から得られた前立腺オルガノイドではテストステロン(例えば、DHT)の添加によってLGR5発現が誘導される。一部の態様において、前立腺オルガノイドはLGR5を発現する。
オルガノイド機能
一部の態様において、本発明の培地および方法によって作製されたオルガノイドは、外因子に応答してインビボ細胞運命決定を模倣する。好ましくは、本発明に従って作製された細胞およびオルガノイドは組織特異的機能も有する。
膵臓オルガノイド
膵臓オルガノイドは、好ましくは、内分泌膵臓機能および外分泌膵臓機能を有し、例えば、インシュリン、グルカゴン、およびソマトスタチンのうちの1つまたは複数(例えば、1、2、または3つ全て)を発現する。これらのホルモンの発現は一組の内分泌膵臓特異的転写因子によって厳しく調節され、最も重要な内分泌膵臓特異的転写因子はPdx1およびNeuroDである。外分泌膵臓は、特に、消化酵素アミラーゼ、膵臓リパーゼ、およびキモトリプシンの産生を担う腺房区画および管区画によって形成される。これらの遺伝子の発現も特異的な外分泌膵臓遺伝子であるPtf1aによって調節される。
本発明による膵臓細胞およびオルガノイドは、好ましくは、インシュリンを分泌できることがあり、例えば、約1μg/時間/106細胞～10μg/時間/106細胞、例えば、2μg～6μg/時間/106細胞の速度でインシュリンを分泌できることがある。インシュリン分泌のレベルは、当技術分野において周知の方法によって、例えば、参照と比較してウエスタンブロットによって、またはC-ペプチドElisaによって検出することができる。膵臓オルガノイドがインシュリンを分泌できることを証明する好ましい方法は、C-ペプチド産生を試験することによる方法である。プロインシュリンC-ペプチドは、インシュリンのA鎖とB鎖との間の重要なリンカーとして役立ち、小胞体内でのインシュリンの効率的な構築、折り畳み、および処理を容易にする。次いで、等モル量のC-ペプチドおよびインシュリンは膵臓β細胞の分泌顆粒内に貯蔵され、いずれも最終的に門脈循環に放出される。したがって、C-ペプチドは好ましいインシュリン分泌マーカーである。
したがって、1つの態様において、インビボでの移植後にインシュリンを分泌する膵臓オルガノイドが提供される。一部の態様において、インビボでの移植後に、膵臓オルガノイドは、インシュリンを、少なくとも1μg/時間/106細胞、例えば、少なくとも2μg/時間/106細胞、少なくとも4μg/時間/106細胞、少なくとも6μg/時間/106細胞、少なくとも8μg/時間/106細胞、または少なくとも10μg/時間/106細胞の速度で分泌する。一部の態様において、膵臓オルガノイドの中の細胞はインシュリンを分泌することができない、および/またはインビトロで培養された時にマーカーとしてインシュリンを発現しない。しかしながら、本発明の膵臓オルガノイドに由来する細胞は、好ましくは、患者、例えば、患者の膵臓に移植された時にインビボでインシュリンを分泌することができる。一部の態様において、インシュリンを分泌する能力は、移植してすぐには存在しない場合があるが、移植から約1ヶ月後までに、例えば、移植から6週間後までに、2ヶ月後までに、または3ヶ月後までに存在する。
高濃度の内分泌細胞試料が本発明の膵臓オルガノイドから得られるのであれば、一部の態様において、高濃度の内分泌細胞試料中の細胞の75～85％がインシュリン分泌細胞であると考えられる。
一部の態様では、本発明は、糖尿病の治療において使用するための膵臓オルガノイドを提供する。一部の態様では、膵臓オルガノイドは、拡大中のオルガノイドであるのに対して、他の態様では、分化したオルガノイドでもよい。一部の態様では、1つまたは複数(例えば、1、2、3、4、5、6、7など)のオルガノイド全体が動物または患者に移植されるのに対して、他の態様では、細胞試料が患者に移植される。
陰窩-絨毛オルガノイド
陰窩-絨毛オルガノイドは、好ましくは、分泌機能および自己複製機能を有する。例えば、陰窩-絨毛オルガノイドは、好ましくは、ムチン、酵素分泌およびホルモン分泌、例えば、リゾチーム、コレシストキニン、セクレチンおよび胃抑制性ペプチド、ならびに他の糖タンパク質を分泌する。
胃オルガノイド
ヒト胃は、解剖学的および機能的に2つの主な領域に分けられる。腸に近接する幽門洞は主に保護粘液を産生し、ガストリンなどのホルモンを分泌する。胃体部は塩酸およびペプシノーゲンなどの胃酵素を分泌する。両領域の胃上皮は、腺と呼ばれる陥入部において組織化されている。これらの腺には胃幹細胞、前駆細胞、および分化細胞がある。分化細胞の正確な組成は解剖学的領域の機能によって変化する。幽門洞では、腺は主にムチン6産生細胞およびホルモン産生内分泌細胞からなる。体部では、ペプシノーゲン産生主細胞および酸分泌壁細胞が粘液産生細胞と低密度の内分泌細胞との間に分散している。胃腺間の表面領域は、主に表面ムチン5を産生する粘液産生細胞によって占められる。
胃オルガノイドは構造および機能が胃上皮に似ている。胃オルガノイドは概して球形であるが、ほぼ間違いなく腺構造に似た陥入部を有する領域を有することがある。ムチンおよびペプシノーゲンの染色から、胃オルガノイドにある最も豊富な細胞タイプがムチン6産生粘液細胞およびペプシノーゲン産生主細胞(ならびに/またはこれらの前駆細胞)であることが分かる。したがって、RT-PCRはペプシノーゲンおよびムチン6の発現を示す。さらに、ガストリンの発現は内分泌細胞の存在を示し、Lgr5の発現は幹細胞の存在を示す。
一部の態様において、胃オルガノイドは、ガストリン、ペプシノーゲン、ムチン6、および/またはLgr5のうちの1つまたは複数(例えば、1、2、3、または4)の天然発現を有する。一部の態様において、胃オルガノイドは、ムチン6産生粘液細胞およびペプシノーゲン産生主細胞、任意で、Lgr5+ 幹細胞を含む。一部の態様において、胃オルガノイドは内分泌細胞を含む。一部の態様において、胃オルガノイドは概して球形であるが、腺構造に似た陥入部を有する領域を有する。
前立腺オルガノイド
一部の態様において、前立腺オルガノイドは、2つの別個の上皮系列である基底細胞および管腔細胞を含むか、またはこれらからなる。一部の態様において、基底細胞および管腔細胞は前立腺液を分泌する。
インビボでは、前立腺上皮は表面積が最大になるように強く折り畳まれている。2つの上皮系列が単純な重層上皮を形成し、基底上皮細胞が基底/外層を形成し、上部に位置する著しく極性化した管腔上皮細胞が内層/管腔層を形成する。管腔区画は前立腺の分泌機能に必須である。前立腺液はアルカリ性であり、前立腺特異的抗原(PSA)、ヒトカリクレイン2(KLK2)、およびβ-マイクロセミノプロテイン(microseminoprotein)(β-MSP)などのいくつかのタンパク質からなる。前立腺液の主な機能は、1)精液のための子宮環境を用意することであり、この液体のアルカリ性およびβ-MSPのパラクライン機能によって行われる、ならびに2)精液の流動性を高めることであり、これによって精子は自由に泳げるようになり、セミノゲリン(seminogelin)を破壊するプロテアーゼPSAおよびKLK2によって行われる。
分泌タンパク質の発現は、テストステロンに結合し、その後に核に移動して転写を活性化するアンドロゲン受容体(AR)によって厳しく調節される。AR機能の破壊は、転写レベルおよびタンパク質レベルでの分泌タンパク質の著しいダウンレギュレーションを示す。
図43は、細胞外層を形成するサイトケラチン5+ 基底細胞および著しく極性化した内層を形成するサイトケラチン8+ 管腔細胞をはっきりと示す、ENR+ジヒドロテストステロン(DHT)条件下で増殖させた前立腺オルガノイドの重層を示す。一部の態様において、前立腺オルガノイドはサイトケラチン5+ 基底細胞およびサイトケラチン8+ 管腔細胞を含み、任意で、サイトケラチン5+ 基底細胞は細胞外層を形成し、サイトケラチン8+ 管腔細胞は著しく極性化した内層を形成する。一部の態様において、前立腺オルガノイドは、折り畳まれた細胞層を含み、任意で、強い折り畳みを含む。このような折り畳みは分泌細胞の表面積を最大にする。このことから、形態学的なレベルで前立腺オルガノイドはインビボ前立腺に似ていることが分かる。一部の態様において、前立腺オルガノイドの形態は前立腺のインビボ形態に似ている。
ENR条件で培養した前立腺オルガノイドは管腔に前立腺液を分泌しない。対照的に、テストステロン(例えば、DHT)を培地に添加すると、液体、例えば、前立腺液がオルガノイド管腔に分泌される。これは、前立腺オルガノイドにおいてAR依存性転写プログラムがテストステロン(例えば、DHT)によって活性化され、その結果、CK8+ 管腔細胞によって液体が分泌されたためである。データから、前立腺オルガノイドは形態学的および機能的にインビボ前立腺上皮に似ていることが分かる。
したがって、一部の態様において、例えば、前立腺オルガノイドが、テストステロン(例えば、DHT)を含む培養培地中で培養された場合、液体、例えば、前立腺液をオルガノイドの管腔に分泌する。一部の態様において、例えば、前立腺オルガノイドが、テストステロン(例えば、DHT)を含む培養培地中で培養された場合、前立腺オルガノイドの機能は前立腺のインビボ機能に似ている。
組織断片
本発明の文脈の中で、組織断片は、成体組織、好ましくは、ヒト成体組織の一部、例えば、ヒト成体の小腸、結腸、または膵臓の一部である。本発明の文脈においてヒト成体組織のさらなる例には、胃、肝臓、および前立腺が含まれる。組織は正常(健常)な組織でもよく、疾患組織または感染組織でもよい。したがって、好ましくは、本明細書において特定されたオルガノイドは組織断片でない。オルガノイドは、好ましくは、成体組織に由来する細胞、好ましくは、成体組織に由来する上皮幹細胞、任意で、成体組織断片に由来する上皮幹細胞、より好ましくは、Lgr5を発現する成体組織または成体組織断片に由来する上皮幹細胞を用いて得られる。したがって、本発明の文脈において組織断片は好ましくはLgr5+ 幹細胞を含む。
1つの態様において、オルガノイドは、本発明の方法を用いて(好ましくは、本発明の培養培地を用いて)培養されている、したがって、細胞外マトリックスと接触しているオルガノイドである。好ましくは、オルガノイドは非間葉系細胞外マトリックスに埋め込まれる。本発明の文脈の中で「接触している」とは、物理的または機械的または化学的に接触していることを意味する。物理的または機械的または化学的に接触しているとは、前記細胞外マトリックスから前記オルガノイドを分離するために力の使用が必要なことを意味する。一部の態様において、細胞外マトリックスは、Engelbreth-Holm-Swarm(EHS)マウス肉腫細胞によって分泌されたゼラチン状のタンパク質混合物、例えば、Matrigel(BD Biosciences)である。本発明の他の態様において、オルガノイドは培養物から取り出され、移植または再生の目的で使用されてもよい。したがって、本発明は、哺乳動物、好ましくは、ヒトへの移植において使用するための本発明のオルガノイドを提供する。
生存率
本発明者らは、ALK4、ALK5、ALK7、またはp38キナーゼの阻害剤を、以前に述べられた幹細胞培養培地に添加すると、培養プレーティング効率が少なくとも50％および場合によっては100％超、改善されることを初めてここで示した(表2を参照されたい)。本発明者らはまた、両阻害剤(ALK阻害剤およびp38阻害剤、例えば、A83-01およびSB-202190)を培養培地に含めると培養期間が相乗的に延びることも示した。
したがって、本発明の1つの態様において、幹細胞は、少なくとも3ヶ月間、好ましくは、少なくとも4ヶ月間、少なくとも5ヶ月間、少なくとも6ヶ月間、少なくとも7ヶ月間、少なくとも9ヶ月間、または少なくとも12ヶ月間、またはそれより長く生存する。
増殖速度
増殖速度は細胞集団倍加レベルで評価することができる。集団倍加レベルとは、集団内の細胞がインビトロで最初に単離されてから倍加した回数の総数をいう。集団倍加レベルは細胞を数えることによって求めることができる。または、増殖速度は細胞増殖アッセイによって評価することができる。例えば、細胞増殖アッセイでは、特異的蛍光プローブが、BrdUの取り込みによってDNA合成活性を特定し、Ki67発現によって細胞増殖状態を測定する(Thermo Scientific* Cellomics, Millipore)。
幹細胞を対象にした細胞増殖アッセイのさらなる例は容易に入手可能であり、オンラインまたはCurrent Protocolsなどの学術誌において見つけることができる。多くの細胞増殖アッセイのうちの一例が
Figure 0007275196000005
である。
本発明者らは、本発明の培養培地を使用すると、細胞は1週間に平均5倍まで拡大できることを観察した。例えば、単一の細胞を2週間増殖させると、平均して約25個の細胞が得られる。当業者であれば、継代数、培養条件、播種密度などのいくつかの要因に応じて、本発明の幹細胞の平均集団倍加時間が変化し得ると理解するだろう。
1つの態様において、平均集団倍加時間は6～48時間、12～36時間、18～30時間、または約24時間でもよい。例えば、本発明の培養培地を用いて培養された幹細胞集団は、1週間に約4～7回、または約5回、倍加すると予想され得る。
別の態様において、平均集団倍加時間は、12～96時間、24～72時間、または約72時間である。別の態様において、細胞集団は、平均して1週間に1回超、2回超、3回超、4回超、または5回超、倍加する。
本発明のオルガノイドの他の特性
好ましい態様において、オルガノイドは、少なくとも2週間、3週間、4週間、5週間、6週間、7週間、8週間、9週間、10週間、または1ヶ月間、2ヶ月間、3ヶ月間、4ヶ月間、5ヶ月間、6ヶ月間、またはそれより長く培養することができる。好ましい態様において、オルガノイドは、少なくとも2週間、3週間、4週間、5週間、6週間、7週間、8週間、9週間、10週間、または1ヶ月間、2ヶ月間、3ヶ月間、4ヶ月間、5ヶ月間、6ヶ月間、7ヶ月間、8ヶ月間、9ヶ月間、10ヶ月間、11ヶ月間、12ヶ月間、またはそれより長く培養することができる。別の好ましい態様において、オルガノイドは、単一の細胞、好ましくは、Lgr5を発現する単一の細胞から生じ、より好ましくは、単一の細胞は、関心対象の核酸分子を含む核酸構築物を含む。
さらに、本発明は、オルガノイド、好ましくは、少なくとも50％の生細胞、より好ましくは少なくとも60％の生細胞、より好ましくは少なくとも70％の生細胞、より好ましくは少なくとも80％の生細胞、より好ましくは少なくとも90％の生細胞を含むオルガノイドを提供する。細胞の生存率は、FACSにおいてヘキスト染色またはヨウ化プロピジウム染色を用いて評価することができる。
生細胞は、好ましくは、前記のように組織特異的機能または組織特異的機能の特徴を有する。
本発明者らはまた、本発明の培地および方法によって作製されたオルガノイドを、-80℃以下で、例えば、液体窒素中で凍結および保存できることも示した。凍結したオルガノイドは、その3D構造および完全性を失わせることなく、ならびに重大な細胞死なく、解凍し培養することができる。したがって、1つの態様において、本発明は、-5℃より低い温度、-10℃より低い温度、-20℃より低い温度、-40℃より低い温度、-60℃より低い温度、または-80℃より低い温度で保存された、凍結されたオルガノイドを提供する。
本発明の細胞およびオルガノイドは、以前に作られたいなかる細胞およびオルガノイド(WO2009/022907およびWO2010/016766)とも、前記で概説された方法によって確かめられたように、表現型完全性(陰窩-絨毛オルガノイドの場合、γセクレターゼ阻害剤を添加した時の杯細胞変換を含む分化プロファイルが優れている)および核型完全性が優れており、生存率が高く、細胞増殖速度が速い点で異なる。したがって、腸、結腸、および膵臓の態様の場合、本発明のオルガノイドは、表現型完全性および核型完全性が完全に保存され、増殖および分化が維持された、ヒト腸上皮、結腸上皮、または膵臓上皮をはっきりと示す。
本発明の幹細胞またはオルガノイドの使用
本発明は、薬物スクリーニング、(薬物)ターゲットバリデーション、(薬物)ターゲット発見、毒物学および毒性スクリーニング、個別化医療、再生医療において使用するための、および/またはエクスビボ細胞/臓器モデル、例えば、疾患モデルとして使用するための本発明のオルガノイドまたは拡大された細胞集団の使用を提供する。
本発明の培地および方法に従って培養された細胞およびオルガノイドはインビボの状況を忠実に表していると考えられる。これは、正常組織から増殖された拡大された細胞集団およびオルガノイド、ならびに疾患組織から増殖された拡大された細胞集団およびオルガノイドに当てはまる。したがって、本発明のオルガノイドまたは拡大された細胞集団は正常なエクスビボ細胞/臓器モデルを提供するだけでなく、エクスビボ疾患モデルとしても使用することができる。
本発明のオルガノイドはまた病原体を培養するのに使用することもでき、したがって、エクスビボ感染モデルとして使用することができる。本発明のオルガノイドを用いて培養され得る病原体の例には、動物宿主において疾患を引き起こすウイルス、細菌、プリオン、または菌類が含まれる。したがって、本発明のオルガノイドは、感染状態を表す疾患モデルとして使用することができる。本発明の一部の態様において、オルガノイドはワクチンの開発および/または生産において使用することができる。
したがって、本発明のオルガノイドによって研究することができる疾患は、遺伝病、代謝疾患、病原体疾患、炎症性疾患を含み、例えば、嚢胞性線維症、炎症性腸疾患(例えば、クローン病)、癌腫、腺腫、腺癌、結腸癌、糖尿病(例えば、I型またはII型)、バレット食道、ゴーシェ病、α-1-アンチトリプシン欠損症、レッシュ・ナイハン症候群、貧血、シュバッハマン・ボディアン・ダイアモンド症候群、真性多血症、原発性骨髄線維症、糖原貯蔵症、家族性高コレステロール血症、クリグラー・ナジャー症候群、遺伝性高チロシン血症、ポンペ病、進行性家族性胆汁うっ滞、ハーラー症候群、SCIDまたは漏出SCID、オーメン症候群、軟骨毛髪形成不全症、単純ヘルペス脳炎、硬皮症、骨形成不全症、ベッカー型筋ジストロフィー、デュシェンヌ型筋ジストロフィー、先天性角化異常症などを含むが、これに限定されない。
従来より、エクスビボ細胞/臓器モデルおよび/または疾患モデルとして、細胞株、つい最近ではiPS細胞が用いられてきた(例えば、Robinton et al. Nature 481, 295, 2012を参照されたい)。しかしながら、これらの方法には多くの問題および欠点がある。例えば、全ての患者から細胞株を得ることができない(ある特定の生検材料だけが、成功した細胞株になる)。したがって、個別化された診断法および医療において細胞株を使用することができない。iPS細胞は、通常、細胞を特定の細胞運命にリプログラミングするために、ある程度の遺伝子操作を必要とする。または、iPS細胞は、核型完全性に影響を及ぼす培養条件にかけられ、そのため、培養時間を最小限に抑えなければならない(これはヒト胚性幹細胞にも当てはまる)。これは、iPS細胞がインビボ状況を正確に表すことができず、その代わりに、インビボ細胞の挙動を模倣しようという試みであることを意味する。細胞株およびiPS細胞には遺伝的不安定性もある。
対照的に、本発明のオルガノイドは、インビボ状況を忠実に表す遺伝的に安定したプラットフォームを提供する。本発明のオルガノイドを連続して拡大させて、遺伝的に安定した細胞の優れた供給源とすることもできる。特に、拡大中の集団を「スプリット」することができる。「スプリット」とは、オルガノイドを分割し、オルガノイドの全ての細胞を分けて新たな培養皿またはフラスコに入れることを意味する。分けられた細胞はオルガノイドから取り出され、次いで、それ自身で培養および拡大させて、さらに拡大された集団を含有する新たなオルガノイドを生成することができ、次いで、新たなオルガノイドを再度スプリットすることができる。スプリットは本明細書において「継代」とも呼ばれる。本発明のオルガノイドは、1継代以上、例えば、1継代、2継代、3継代、4継代、5継代、6継代、7継代、8継代、9継代、10継代、15継代、20継代、25継代、30継代、またはそれより多く、例えば、20～30継代、30～35継代、32～40継代、またはそれより多く培養されてもよい。一部の態様において、拡大中の細胞集団またはオルガノイドは、1ヶ月に1回、2週間に1回、1週間に1回、1週間に2回、1週間に3回、1週間に4回、1週間に5回、1週間に6回、または毎日スプリットされる。したがって、本発明のオルガノイドは、遺伝的に安定した細胞材料の持続的な供給源を提供することができる。一部の態様において、本発明の拡大中のオルガノイドは、対応するインビボ状況に存在する全ての分化細胞タイプを含む。他の態様において、本発明のオルガノイドは、インビボで存在する全ての分化細胞タイプを提供するように分化され得る。したがって、本発明のオルガノイドを用いて、様々な疾患および治療剤への機構的洞察を得ることができる、インビトロ薬物スクリーニングを実施することができる、潜在的な治療剤を評価することができる、未来の新規の(薬物)療法開発のための可能性のある標的(例えば、タンパク質)を特定することができる、および/または細胞置換療法に関連した遺伝子修復を探索することができる。
遺伝子完全性および表現型特徴を失わせることなく、ならびに増殖能力を失わせることなく、本発明のオルガノイドを凍結および解凍し、培養することができる。したがって、オルガノイドを容易に保存および輸送することができる。
これらの理由のために、本発明のオルガノイドまたは拡大された細胞集団は、薬物スクリーニング、ターゲットバリデーション、ターゲット発見、毒物学および毒性スクリーニング、ならびに個別化医療のためのツールとなり得る。
したがって、さらなる局面において、本発明は、創薬スクリーニング、毒性アッセイ、または再生医療などの医療における、拡大された幹細胞集団またはオルガノイド、例えば、本発明による腸陰窩-絨毛オルガノイドまたは膵臓オルガノイドの使用を提供する。例えば、創薬スクリーニング、毒性アッセイ、または再生医療などの医療において、小腸オルガノイド、結腸オルガノイド、膵臓オルガノイド、胃オルガノイド、肝臓オルガノイド、または前立腺オルガノイドのいずれか1つが用いられてもよい。
粘膜ワクチン
オルガノイドのさらなる重要な使用は粘膜ワクチン接種の開発における使用である。粘膜ワクチンは、粘膜を介して投与されるワクチンである。これは、鼻、口、または直腸などの任意の粘膜表面でよい。これらは、吸入器、スプレー、または他の外部補助器具を介して投与することができる。これには、例えば、発展途上国において重要な場合がある、ワクチンの投与に医療従事者が必要とされないなどの注射を上回るいくつかの明白な利点がある。
腸において、M細胞(または「ミクロフォールド細胞」)は、回腸の集合リンパ小節の濾胞関連上皮に見出される細胞である。M細胞は、生物および粒子を、消化管管腔から上皮障壁を通って免疫細胞に輸送し、したがって、粘膜免疫の刺激において重要である。M細胞は、エンドサイトーシスまたは食作用を介して小腸管腔から抗原を吸収し、次いで、トランスサイトーシスを介して、基底外側の独特のポケット様構造にある樹状細胞(抗原提示細胞)およびリンパ球(すなわち、T細胞)に送達する独特の能力を有する。
図48は、マウスオルガノイドがRANKリガンドで刺激された時にM細胞に発達できることを示す。図49は、ヒト腸オルガノイドにおいてM細胞を作製できることも示す。したがって、本発明の一部の態様において、拡大された細胞集団はM細胞を含む。本発明の一部の態様において、オルガノイド、例えば、小腸オルガノイドはM細胞を含む。
粘膜ワクチンがM細胞に標的化された時に粘膜ワクチンの効率を実質的に高めることができる。したがって、M細胞が病原体または抗原を取り込み、免疫系に提示する能力を試験するために、本発明の拡大された幹細胞集団またはオルガノイドを使用することができる。したがって、一部の態様において、本発明は、薬物スクリーニング、例えば、ワクチン開発および/またはワクチン製造における、本発明の拡大された幹細胞集団またはオルガノイドの使用を提供する。例えば、一部の態様において、拡大された幹細胞集団またはオルガノイドは、コレラ、呼吸器合胞体ウイルス(RSV)、ロタウイルス、およびHIVなどがあるが(これらに限定されない)ウイルス感染、細菌感染、真菌感染、または他の寄生生物感染に対するワクチンの開発または製造に用いられてもよい。特定の態様において、本発明は、粘膜ワクチン開発において使用するための、RANKLを含む本発明の培養培地中で分化された小腸オルガノイドを提供する。
薬物スクリーニング
好ましくはハイスループット目的で、前記の本発明の拡大された幹細胞集団またはオルガノイド、例えば、陰窩-絨毛オルガノイドまたは膵臓オルガノイドは、マルチウェルプレート、例えば、96ウェルプレートまたは384ウェルプレートの中で培養される。前記オルガノイドに影響を及ぼす分子を特定するために分子ライブラリーが用いられる。好ましいライブラリーは、抗体断片ライブラリー、ペプチドファージディスプレイライブラリー、ペプチドライブラリー(例えば、LOPAP(商標), Sigma Aldrich)、脂質ライブラリー(BioMol)、合成化合物ライブラリー(例えば、LOP AC(商標), Sigma Aldrich)、または天然化合物ライブラリー(Specs, TimTec)を含む。さらに、幹細胞の子孫における1種または複数種の遺伝子の発現を誘導または抑制するために遺伝子ライブラリーを使用することができる。これらの遺伝子ライブラリーは、cDNAライブラリー、アンチセンスライブラリー、およびsiRNAライブラリーまたは他の非コードRNAライブラリーを含む。細胞は、好ましくは、ある特定の期間、複数の濃度の試験薬剤に曝露される。曝露期間の終わりに、培養物が評価される。「影響を及ぼす」という用語は、増殖、形態学的変化、および細胞死の低減または消失を含むが、これに限定されない細胞における任意の変化をカバーするために用いられる。前記の本発明の拡大された幹細胞集団またはオルガノイド、例えば、陰窩-絨毛オルガノイドまたは膵臓オルガノイドはまた、特異的に上皮癌腫細胞を標的とするが、前記の本発明の拡大された幹細胞集団またはオルガノイド、例えば、陰窩-絨毛オルガノイドまたは膵臓オルガノイドを標的としない薬物を特定するのに使用することもできる。
本発明者らは、小腸から生検材料を採取し、たった7～14日間、拡大させ、薬物スクリーニングを実施する準備が整っているオルガノイドを得ることが可能なことを示した。このような短時間で本発明の有用なオルガノイドを得ることができることから、このオルガノイドは、特定の薬物に対する個々の患者応答を試験し、応答性に合わせて治療を調整するのに極めて有用であることが分かる。一部の態様において、オルガノイドが患者に由来する生検材料から得られた場合、21日間未満、例えば、14日間未満、13日間未満、12日間未満、11日間未満、10日間未満、9日間未満、8日間未満、7日間未満(など)培養される。
オルガノイドはまた、さらに広範囲の創薬目的に有用である。例えば、図32～40は、健常患者および嚢胞性線維症患者から採取された小腸オルガノイドを用いて、嚢胞性線維症薬を試験できることを示す。具体的には、図32～40は、正常小腸オルガノイドのフォルスコリン誘導性膨張が嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子(CFTR)に依存し、したがって、陽性の読み取り値であるフォルスコリン誘導性膨張を用いてCFTR機能の修正を試験することが可能なことを示す。したがって、一部の態様において、本発明のオルガノイドは嚢胞性線維症薬のスクリーニングに使用することができる。しかしながら、本発明のオルガノイドは、ヒト胃腸管の感染性病態、炎症性病態、および新生物性病態ならびに他の胃腸管疾患、ならびに膵臓、肝臓、および前立腺を含む本明細書に記載の他の組織の感染性病態、炎症性病態、および新生物性病態ならびに他の疾患の薬物スクリーニングツールとして広範囲に適用できることが当業者によって理解されるだろう。一部の態様において、本発明のオルガノイドは癌の薬のスクリーニングに使用することができる。
一部の態様において、拡大された細胞集団、例えば、本発明のオルガノイドまたは本発明の培地および方法を用いて得られたオルガノイドは、化学薬品、抗体、天然物(植物抽出物)などのライブラリーを、薬物、化粧料、および/または予防薬としての使用のための適性について試験するのに使用することができる。例えば、一部の態様において、関心対象の患者に由来する細胞生検材料、例えば、癌患者に由来する腫瘍細胞を、本発明の培養培地および方法を用いて培養し、次いで、化合物または化合物ライブラリーで処理することができる。次いで、どの化合物が患者の細胞を効果的に改変、死滅、および/または治療するかを確かめることができる。これにより、特定の薬物に対する特定の患者の応答性を試験することが可能になり、したがって、治療を特定の患者に合わせることが可能になる。したがって、これにより個別化医療アプローチが可能になる。
このように薬物を特定するためにオルガノイドを使用する、さらなる利点は、どの薬物および化合物が健常組織に対して最低限の影響しか及ぼさないか調べるために、正常オルガノイド(健常組織に由来するオルガノイド)もスクリーニングできることである。これにより、最低限のオフターゲット活性または不必要な副作用しかない薬物のスクリーニングが可能になる。
このように任意の数の疾患の薬物をスクリーニングすることができる。例えば、嚢胞性線維症、バレット食道、癌腫、腺癌、腺腫、炎症性腸疾患(例えば、クローン病)、肝臓疾患などの薬物について本発明のオルガノイドをスクリーニングすることができる。試験パラメータは関心対象の疾患によって決まる。例えば、癌の薬をスクリーニングする場合、究極目的は、通常、癌細胞死である。嚢胞性線維症の場合、薬物およびCFTR刺激に応答したオルガノイドの拡大を測定することが関心対象である。他の態様において、関心対象の細胞またはオルガノイドに対するスクリーニングの化合物および薬物の効果を試験するために代謝または遺伝子発現が評価されることがある。
したがって、本発明は、治療用または予防用の薬物または化粧料をスクリーニングするための方法であって、
本発明の拡大された細胞集団(例えば、オルガノイド)を、例えば本発明の培養培地で、任意で21日間未満にわたって、培養する工程;
前記の本発明の拡大された細胞集団(例えば、オルガノイド)を候補分子の1つまたは候補分子のライブラリーに曝露する工程;
前記の拡大された細胞集団(例えば、オルガノイド)を、任意の効果について、例えば、増殖の低減もしくは消失などの任意の細胞変化、形態学的変化、および/または細胞死について評価する工程;
前記効果を引き起こす候補分子を、潜在的な薬物または化粧料として特定する工程
を含む方法を提供する。
一部の態様において、スクリーニングの処理量を増やすために、コンピュータまたはロボットの補助による培養方法およびデータ収集方法が用いられる。
一部の態様において、拡大された細胞集団(例えば、オルガノイド)は患者生検材料から得られる。一部の態様において、培養された拡大された細胞集団(例えば、オルガノイド)において望ましい効果を引き起こす候補分子が前記患者に投与される。
したがって、1つの局面において、患者を治療するための方法であって、
(a)患者において関心対象の疾患組織から生検材料を得る工程;
(b)本発明のスクリーニング方法を用いて適切な薬物をスクリーニングする工程; および
(c)工程(b)において得られた薬物を用いて前記患者を治療する工程
を含む方法が提供される。
一部の態様において、薬物または化粧料は、例えば、嚢胞性線維症、炎症性腸疾患(例えば、クローン病)、癌腫、腺腫、腺癌、結腸癌、糖尿病(例えば、I型またはII型)、バレット食道、ゴーシェ病、α-1-アンチトリプシン欠損症、レッシュ・ナイハン症候群、貧血、シュバッハマン・ボディアン・ダイアモンド症候群、真性多血症、原発性骨髄線維症、糖原貯蔵症、家族性高コレステロール血症、クリグラー・ナジャー症候群、遺伝性高チロシン血症、ポンペ病、進行性家族性胆汁うっ滞、ハーラー症候群、SCIDまたは漏出SCID、オーメン症候群、軟骨毛髪形成不全症、単純ヘルペス脳炎、硬皮症、骨形成不全症、ベッカー型筋ジストロフィー、デュシェンヌ型筋ジストロフィー、先天性角化異常症などを含むが、これに限定されない、遺伝病、代謝疾患、病原体疾患、炎症性疾患などの症状の治療、予防、または寛解に用いられる。
ターゲット発見
一部の態様において、本発明のオルガノイドまたは本発明の培養培地および方法を用いて増殖させた細胞をターゲット発見に使用することができる。健常組織または疾患組織から生じたオルガノイドの細胞が標的特定に用いられてもよい。本発明のオルガノイドは、嚢胞性線維症、炎症性腸疾患(例えば、クローン病)、癌腫、腺腫、腺癌、結腸癌、糖尿病(例えば、I型またはII型)、バレット食道ゴーシェ病、α-1-アンチトリプシン欠損症、レッシュ・ナイハン症候群、貧血、シュバッハマン・ボディアン・ダイアモンド症候群、真性多血症、原発性骨髄線維症、糖原貯蔵症、家族性高コレステロール血症、クリグラー・ナジャー症候群、遺伝性高チロシン血症、ポンペ病、進行性家族性胆汁うっ滞、ハーラー症候群、SCIDまたは漏出SCID、オーメン症候群、軟骨毛髪形成不全症、単純ヘルペス脳炎、硬皮症、骨形成不全症、ベッカー型筋ジストロフィー、デュシェンヌ型筋ジストロフィー、先天性角化異常症などの薬物標的の発見に用いられてもよい。本発明の培地および方法に従って培養された細胞およびオルガノイドは、インビボ状況を忠実に表していると考えられている。この理由から、本発明の培地および方法に従って培養された細胞およびオルガノイドは、特定の疾患において新規の(分子)標的を発見するツールになり得る。
新たな薬物標的を探索するために、化合物(例えば、siRNA)ライブラリーを用いて、細胞に形質導入し、特定の遺伝子を不活化することができる。一部の態様において、 (大きな)遺伝子グループの機能を阻害するためにsiRNAが細胞に形質導入される。遺伝子グループまたは特定の細胞機能の任意の機能読み取り値を用いて、標的が研究に関係するかどうか確かめることができる。疾患特異的な読み取り値は、当技術分野において周知のアッセイを用いて確かめることができる。例えば、癌に関与する遺伝子を試験するために細胞増殖がアッセイされる。例えば、本明細書に記載のTopflashアッセイを用いて、siRNA阻害によって引き起こされるWnt活性の変化を検出することができる。増殖の低下または細胞死が起こる場合、対応するsiRNA関連遺伝子を、当技術分野において公知の方法によって特定することができる。これらの遺伝子は、これらの細胞の増殖を阻害するための可能性のある標的である。特定されたら、試験された細胞プロセスに対する、特定された標的の特異性を、当技術分野において周知の方法によって確かめる必要がある。これらの方法を用いて、療法のための可能性のある薬物標的として新たな分子を特定することができる。
標的および薬物のバリデーションスクリーニング
疾患組織および/または正常組織から得られた患者特異的オルガノイドを、ハイスループットスクリーニングにおいて特定された分子のターゲットバリデーションに使用することができる。同じことが、ハイスループットスクリーニングにおいて可能性のある治療薬として特定された化合物のバリデーションについても当てはまる。ハイスループット創薬細胞株研究からの偽陽性などについて試験するために、オルガノイド培養システムにおいて拡大された初代患者材料の使用が有用な場合がある。
一部の態様において、ハイスループットスクリーニングにおいて可能性のある薬物または化粧料として特定された化合物のバリデーションのために、拡大された幹細胞集団(例えば、本発明のオルガノイド)、例えば、陰窩-絨毛オルガノイドまたは膵臓オルガノイドを使用することができる。
毒性アッセイ
さらに、潜在的な新規の薬物または公知もしくは新規の栄養補助食品の毒性アッセイにおけるCaco-2細胞などの細胞株の使用の代わりに、前記の拡大された幹細胞集団(例えば、本発明のオルガノイド)、例えば、陰窩-絨毛オルガノイドまたは膵臓オルガノイドを使用することができる。
毒性スクリーニングは薬物スクリーニング(前記)と同様に機能するが、薬物の毒性作用を試験し、治療効果を試験しない。したがって、一部の態様において、候補化合物の作用は毒性作用である。
病原体の培養
さらに、病原体、例えば、適切な組織培養または動物モデルが現在ないノロウイルスを培養するために、前記の拡大された幹細胞集団(例えば、本発明のオルガノイド)、例えば、陰窩-絨毛オルガノイドまたは膵臓オルガノイドを使用することができる。
再生医療および移植
拡大された幹細胞集団(例えば、本発明のオルガノイド)、例えば、陰窩-絨毛オルガノイドまたは膵臓オルガノイドを含む培養物は、再生医療において、例えば、放射線後および/もしくは手術後の腸上皮修復において、炎症性腸疾患、例えば、クローン病および潰瘍性大腸炎に罹患している患者における腸上皮の修復において、ならびに短腸症候群に罹患している患者における腸上皮の修復において有用である。小腸/結腸の遺伝性疾患を有する患者における腸上皮の修復において、さらなる使用が存在する。膵臓オルガノイドを含む培養物もまた、再生医療において、例えば、膵臓またはその一部の摘出後の移植片として、ならびに糖尿病Iおよび糖尿病IIなどの糖尿病の治療に有用である。
別の態様において、拡大された上皮幹細胞はリプログラミングされて、関連する組織運命、例えば、膵β細胞を含む膵臓細胞になる。したがって、今までに、成体幹細胞から膵臓細胞を再生することは不可能であった。本発明の培養方法は、密接に関連する上皮幹細胞を、膵β細胞を含む膵臓細胞に分化転換する因子について分析することができる。
さらに、損傷組織または疾患組織の修復に向けた方法において遺伝子療法を使用できることは当業者に明らかであろう。例えば、DNAおよび/またはRNAのような遺伝情報を幹細胞に送達するためにアデノウイルス遺伝子送達ビヒクルまたはレトロウイルス遺伝子送達ビヒクルを使用することができる。当業者であれば、遺伝子療法において標的化された特定の遺伝子を置換または修復することができる。例えば、非機能性遺伝子を置換するために、正常遺伝子がゲノム内の非特異的位置に挿入されてもよい。別の例では、相同組換えによって正常遺伝子配列の代わりに異常な遺伝子配列が置換されてもよい。または、選択的復帰変異によって遺伝子が正常機能に戻ることがある。さらなる例は、特定の遺伝子の調節(遺伝子がオンまたはオフされる程度)の変化である。好ましくは、幹細胞は遺伝子療法アプローチによってエクスビボ処理され、その後に、治療を必要とする哺乳動物、好ましくは、ヒトに導入される。
明らかな制限が無く、または遺伝子に害を与えずに成体ドナーから採取された小さな生検材料を拡大させることができるので、前記技術は、再生目的で移植可能な上皮を作製するのに役立ち得る。3D構造および完全性が失わせることなく、ならびに重大な細胞死なく、オルガノイドを凍結解凍し、培養することができるという事実は移植目的でのオルガノイドの適用性をさらに高める。さらに、一部の態様において、ECMに埋め込まれているオルガノイドまたはECMと接触しているオルガノイドを哺乳動物、好ましくは、ヒトに移植することができる。別の態様において、オルガノイドおよびECMを同時に哺乳動物、好ましくは、ヒトに移植することができる。
当業者であれば、本発明による拡大された細胞集団またはオルガノイドを含む組織様構造を得るための3DスキャフォールドとしてECMを使用することができると理解するだろう。次いで、当技術分野において周知の方法によって、このような構造を患者に移植することができる。ECMスキャフォールドは、コラーゲンおよび/またはラミニンなどのECMタンパク質を用いて合成により作ることができる。または、ECMスキャフォールドは、ECMからなるスキャフォールドを残すように、単離された臓器または組織断片を「脱細胞(decellularising)」することによって得ることができる(例えば、Macchiarini et al. The Lancet, Volume 372, Issue 9655, Pages 2023-2030, 2008を参照されたい)。一部の態様において、ECMスキャフォールドは臓器または組織断片を脱細胞することによって得ることができ、任意で、前記臓器または組織断片は膵臓、肝臓、腸、胃、または前立腺に由来する。
前述したように、本発明は、哺乳動物、好ましくは、ヒトへの移植において使用するための本発明のオルガノイドまたは細胞集団を提供する。移植片を必要とする患者を治療するための方法であって、哺乳動物、好ましくは、ヒトである該患者に本発明のオルガノイドまたは細胞集団を移植する工程を含む方法も提供される。
好都合なことに、本発明を用いると、小さな生検材料を成体ドナーから採取し、明らかな制限が無く、または遺伝子に害を与えずに拡大させることができる。したがって、本明細書において提供される技術は、再生目的で移植可能な上皮を作製するのに役立ち得る。
重要なことに、本発明者らは、本発明のヒト膵臓オルガノイドがマウスの腎傍被膜下に移植された時に、これらの細胞が分化して、インシュリンを分泌する成熟β細胞を形成することを発見した。これは、本発明の細胞集団またはオルガノイドがインビトロで培養されている間に検出可能なレベルでインシュリンを分泌しなくても、これらの細胞は、糖尿病などのインシュリン欠乏障害の治療のための患者への移植に役立ち得ることを意味するので重要なことである。
したがって、本発明は、糖尿病などのインシュリン欠乏障害または機能障害性の膵臓を有する患者を治療する方法であって、本発明の膵臓オルガノイドまたは本発明の膵臓オルガノイドに由来する細胞を患者に移植する工程を含む方法を含む。
一部の態様において、細胞またはオルガノイドは患者に移植された時にインシュリンを発現も分泌もしないが、インシュリンを分泌するように患者の中で分化する。例えば、インシュリンを分泌する能力は移植してすぐには検出できない場合があるが、移植から約1ヶ月後までに、例えば、移植から6週間後、2ヶ月後、または3ヶ月後までに存在することがある。
患者は、好ましくは、ヒトであるが、ネコ、イヌ、ウマ、ウシ、ブタ、ヒツジ、ウサギ、またはマウスなどの非ヒト哺乳動物でもよい。
したがって、細胞療法によってヒトまたは非ヒト動物患者を治療する方法が本発明の範囲内に含まれる。このような細胞療法は、任意の適切な手段によって本発明の幹細胞またはオルガノイドを患者に適用することを含む。具体的には、このような治療方法は損傷組織の再生を伴う。本発明によれば、患者を同種異系または自己由来の幹細胞またはオルガノイドで治療することができる。「自己由来」細胞は、細胞療法のために、例えば、組織を再生するために細胞が再導入されている生物と同じ生物に由来する細胞である。しかしながら、この細胞は、細胞が導入されている組織と同じ組織から単離されているとは限らない。自己由来細胞は、拒絶反応問題を克服するために患者との一致を必要としない。「同種異系」細胞は、細胞療法のために、例えば、組織を再生するために細胞が再導入されている個体と異なるが、同種の個体に由来する細胞である。拒絶反応問題を阻止するために、ある程度の患者一致がなお必要とされる場合がある。
一般的に、本発明の細胞またはオルガノイドは注射または移植によって患者の身体に導入される。一般的に、細胞は、細胞が作用するように意図されている組織に直接注射される。または、細胞は門脈を介して注射される。本発明の細胞および薬学的に許容される担体を含有する注射器が本発明の範囲内に含まれる。本発明の細胞および薬学的に許容される担体を含有する注射器に取り付けられたカテーテルが本発明の範囲内に含まれる。
当業者であれば、移植されている材料(すなわち、細胞集団、細胞懸濁液中の単一の細胞、オルガノイド、またはオルガノイド断片)ならびに治療を受けている臓器に応じて適切な投与方法および投与経路を選択することができるだろう。
前記で議論したように、本発明の細胞を組織再生において使用することができる。この機能を実現するために、細胞は損傷組織に直接、注射または移植されてもよく、この場所で増殖し、最終的に体内での細胞の位置に応じて必要とされる細胞タイプに分化する。または、オルガノイドを損傷組織に直接、注射または移植することができる。治療しやすい組織には、全ての損傷組織が含まれ、特に、疾患、損傷、外傷、自己免疫反応、またはウイルス感染もしくは細菌感染によって傷つけられた可能性のある組織が含まれる。本発明の一部の態様において、本発明の細胞またはオルガノイドは、結腸系、小腸系、膵臓系、食道系、または胃系を再生するのに用いられる。
例えば、1つの態様において、本発明の細胞またはオルガノイドはハミルトン(Hamilton)注射器を用いて患者に注射される。
当業者であれば、治療しようとする特定の条件について、本発明の細胞またはオルガノイドの適切な投与量がどれくらいであるかを知っているだろう。
1つの態様において、本発明の細胞またはオルガノイドは、溶解状態で、様々な組成物のマイクロスフェアまたは微小粒子に入れられて動脈に投与され、再生を必要とする損傷臓器の組織または一部に灌注される。一般的に、このような投与はカテーテルを用いて行われる。カテーテルは、血管形成術および/もしくは細胞送達に用いられる多種多様なバルーンカテーテルまたは身体の特定の局所領域に細胞を送達するという特定の目的のために設計されたカテーテルの1つでもよい。ある特定の用途では、細胞またはオルガノイドは、多数の異なる生分解性化合物で作られた、直径約15μmのマイクロスフェアに封入されてもよい。この方法を用いると、血管内に投与された細胞またはオルガノイドを損傷部位に留まらせ、初回通過において毛細血管網を通して体循環に入れることがないようにすることが可能となり得る。毛細血管網の動脈側に保持することにより、それらの血管外空間への移動も容易になり得る。
別の態様において、細胞またはオルガノイドは、全身に送達するように静脈を介して、または細胞もしくはオルガノイドが誘導される組織もしくは身体部分に流れ込む特定の静脈に局所的に、血管樹に逆行的に注射されてもよい。この態様のために、前記の調製物の多くを使用することができる。
別の態様において、本発明の細胞またはオルガノイドは生体適合性移植片に付着した状態で損傷組織に移植されてもよい。この態様の中で、細胞はインビトロで生体適合性移植片に付着された後に、患者に移植されてもよい。当業者に明らかなように、移植前に、細胞を移植片に付着させるために多数の接着剤のいずれか1つが用いられてもよい。一例にすぎないが、このような接着剤は、フィブリン、インテグリンファミリーの1つまたは複数のメンバー、カドヘリンファミリーの1つまたは複数のメンバー、セレクチンファミリーの1つまたは複数のメンバー、1種または複数種の細胞接着分子(CAM)、免疫グロブリンファミリーの1つまたは複数、および1種または複数種の人工接着剤を含んでもよい。このリストは例示にすぎないが、限定することを目的としない。1種または複数種の接着剤の任意の組み合わせを使用できることが当業者に明らかであろう。
別の態様において、マトリックスが患者に移植される前に、マトリックスに本発明の細胞またはオルガノイドが埋め込まれてもよい。一般的に、マトリックスは患者の損傷組織に移植される。マトリックスの例には、コラーゲンベースのマトリックス、フィブリンベースのマトリックス、ラミニンベースのマトリックス、フィブロネクチンベースのマトリックス、および人工マトリックスが含まれる。このリストは例としてしか示されず、限定することを目的としない。
さらなる態様において、本発明の細胞またはオルガノイドはマトリックス形成成分と共に患者に移植または注射されてもよい。これにより、注射後または移植後に細胞はマトリックスを形成することが可能になる場合があり、確実に、細胞またはオルガノイドは患者の中の適切な位置に留まる。マトリックス形成成分の例には、フィブリン糊、液体アルキル、シアノアクリレートモノマー、可塑剤、多糖、例えば、デキストラン、酸化エチレン含有オリゴマー、ブロックコポリマー、例えば、ポロキサマーおよびPluronic、非イオン性界面活性剤、例えば、TweenおよびTriton「8」、ならびに人工マトリックス形成成分が含まれる。このリストは例としてしか示されず、限定することを目的としない。1種または複数種のマトリックス形成成分の任意の組み合わせを使用できることが当業者に明らかであろう。
さらなる態様において、本発明の細胞またはオルガノイドはマイクロスフェア内に含まれてもよい。この態様の中で、細胞はマイクロスフェアの中心に封入されてもよい。また、この態様の中で、細胞はマイクロスフェアのマトリックス材料に埋め込まれてもよい。マトリックス材料は、アルギン酸塩、ポリエチレングリコール(PLGA)、およびポリウレタンを含むが、これに限定されない任意の適切な生分解性ポリマーを含んでもよい。このリストは例としてしか示されず、限定することを目的としない。
さらなる態様において、本発明の細胞またはオルガノイドは移植用の医療装置に付着されてもよい。このような医療装置の例には、ステント、ピン、縫合糸(stitch)、スプリット、ペースメーカー、人工関節、人工皮膚、およびロッドが含まれる。このリストは例としてしか示されず、限定することを目的としない。細胞は様々な方法によって医療装置に付着されてもよいことが当業者に明らかであろう。例えば、細胞またはオルガノイドは、フィブリン、インテグリンファミリーの1つまたは複数のメンバー、カドヘリンファミリーの1つまたは複数のメンバー、セレクチンファミリーの1つまたは複数のメンバー、1種または複数種の細胞接着分子(CAM)、免疫グロブリンファミリーの1つまたは複数、および1種または複数種の人工接着剤を用いて医療装置に付着されてもよい。このリストは例としてしか示されず、限定することを目的としない。1種または複数種の接着剤の任意の組み合わせを使用できることが当業者に明らかであろう。
本発明の方法
本発明はまた、幹細胞集団を拡大させるための方法であって、
a)幹細胞集団を用意する工程;
b)本発明による培養培地を用意する工程;
c)幹細胞を培養培地と接触させる工程; および
d)適切な条件下で細胞を培養する工程。
を含む方法を提供する。
さらに、本発明は、単離された組織断片を拡大させるための方法であって、
a)単離された組織断片を用意する工程;
b)本発明による培養培地を用意する工程;
c)単離された組織断片を培養培地と接触させる工程; および
d)適切な条件下で細胞を培養する工程
を含む方法を提供する。
細胞集団または単離された組織断片を「拡大させる」ための方法は、初期集団における幹細胞の数を維持して、または増やして、その未分化表現型および自己複製特性を保持している拡大された幹細胞集団を作製することを伴う方法である。しかしながら、これはまた、分化中の子孫の生成を含んでもよい。分化中の子孫は、例えば、オルガノイドに寄与する組織様構造を形成してもよい。したがって、オルガノイド、例えば、小腸(陰窩-絨毛)オルガノイド、結腸オルガノイド、膵臓オルガノイド、胃オルガノイド、前立腺オルガノイド、肝臓オルガノイド、腺癌オルガノイド、癌腫オルガノイド、またはバレット食道オルガノイドを得るための方法であって、本発明の培養培地中で幹細胞または該幹細胞を含む組織断片を培養する工程を含む方法が本明細書において提供される。本発明は、単一の幹細胞または幹細胞集団を拡大させるための方法、好ましくはオルガノイドを作製するためにそれらを拡大させる方法であって、本発明による培養培地中で単一の幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を培養する工程を含む方法を提供する。一部の態様において、オルガノイドを得るための方法は、第1の「拡大」培地と一緒に幹細胞または組織断片を培養した後に、第2の「分化」培地と一緒に幹細胞または組織断片を培養する工程を含む。一部の態様において、分化培地は、拡大培地のある特定の成分を含まない。例えば、分化培地は、Wnt、Rスポンジン、ニコチンアミド、TGF-β阻害剤、および/またはp38阻害剤を含まない。
一部の態様において、単一の幹細胞または幹細胞集団を拡大させるための方法、好ましくはオルガノイドを作製するためにそれらを拡大させる方法は、本発明による第1の培養培地中で単一の幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を拡大させる工程、および任意で、本発明による第2の培養培地中で拡大された細胞または組織断片を分化させる工程を含む。
したがって、本発明は、単一の幹細胞または幹細胞集団を拡大させるための方法、好ましくはオルガノイドを作製するためにそれらを拡大させる方法であって、
幹細胞、幹細胞集団、または単離された組織断片を用意する工程;
本発明による培養培地を用意する工程;
幹細胞を培養培地と接触させる工程;
適切な条件下で細胞を培養する工程
を含む方法を提供する。
一部の態様において、前記方法は、細胞外マトリックス、またはインテグリンなどの細胞膜タンパク質と相互作用することによって細胞外マトリックスを模倣する3Dマトリックス、例えば、Matrigel(商標)(BD Biosciences)などのラミニン含有細胞外マトリックスと、幹細胞、幹細胞集団、または単離された組織断片、および培養培地とを接触させる工程を含む。一部の態様において、培養培地は細胞外マトリックスの中に拡散される。
一部の態様において、本発明は、単一の幹細胞または幹細胞集団または組織断片を拡大させるための方法、好ましくはオルガノイドを作製するためにそれらを拡大させる方法であって、
第1の拡大培地中で幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を培養する工程;
幹細胞、幹細胞集団、または組織断片を培養し続ける工程、および
培地に分化培地を補充する工程
を含み、分化培地が、TGF-β阻害剤、p38阻害剤、ニコチンアミド、およびWntより選択される因子の1つまたは複数、好ましくは、全てを含まない、方法を提供する。
一部の態様において、本発明は、単一の幹細胞または幹細胞集団を拡大させるための方法、好ましくは関心対象の組織のオルガノイドを作製するためにそれらを拡大させる方法であって、
関心対象の前記組織に適した本発明の培養培地中で、関心対象の前記組織から幹細胞または組織断片を拡大させる工程; および任意で、
関心対象の前記組織に適した本発明の培養培地中で、拡大された幹細胞または組織断片を分化させる工程
を含む方法を提供する。
単離された幹細胞は、好ましくは、該幹細胞が天然で存在する細胞ニッチを少なくとも部分的に模倣する微小環境中で培養される。前記細胞ニッチは、幹細胞運命を制御する重要な調節シグナルである生体材料、例えば、マトリックス、スキャフォールド、および培養支持体の存在下で該幹細胞を培養することによって模倣される。前記生体材料は、天然生体材料、半合成生体材料、および合成生体材料、ならびに/またはその混合物を含む。スキャフォールドは二次元ネットワークまたは三次元ネットワークを提供する。前記スキャフォールドに適した合成材料は、多孔性固体、ナノファイバー、およびヒドロゲル、例えば、自己組織化ペプチドを含むペプチド、ポリエチレングリコールホスフェート、フマル酸ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリ酢酸セルロース、ならびに/またはそのコポリマーからなるヒドロゲル(例えば、Saha et al, 2007 Curr Opin Chem Biol 11(4) 381-387, Saha et al , 2008 Biophysical Journal 95 4426-4438, Little et al, 2008 Chem Rev 108, 1787-1796を参照されたい)より選択されるポリマーを含む。当業者に公知なように、機械的特性、例えば、スキャフォールドの弾力性は、幹細胞の増殖、分化、および移動に影響を及ぼす。好ましいスキャフォールドは、例えば、組織再生および/または創傷治癒を促進するように、対象において移植後に天然成分と取り替えられる生分解性(コ)ポリマーを含む。前記スキャフォールドは、対象において移植後に免疫原反応を実質的に誘導しないことがさらに好ましい。前記スキャフォールドには、天然リガンド、半合成リガンド、または合成リガンドが添加される。これらのリガンドは、幹細胞の増殖および/または分化および/または移動に必要なシグナルを提供する。好ましい態様において、前記リガンドは、規定されたアミノ酸断片を含む。前記合成ポリマーの例は、Pluronic(登録商標)F127ブロック共重合体界面活性剤(BASF)およびEthisorb(登録商標)(Johnson and Johnson)を含む。
細胞ニッチは、幹細胞および周囲の細胞、ならびにこれらの細胞が前記ニッチにおいて産生する細胞外マトリックス(ECM)によって部分的に決定される。本発明の1つの方法において、単離された陰窩または上皮幹細胞はECMに付着される。ECMは、様々な多糖(主にヘパリン硫酸プロテオグリカン)、水、エラスチン、および糖タンパク質からなり、糖タンパク質はコラーゲン、エンタクチン(ナイドジェン)、フィブロネクチン、およびラミニンを含む。ECMは結合組織細胞によって分泌される。異なるタイプの糖タンパク質および/または糖タンパク質の異なる組み合わせを含む異なる組成物を含む異なるタイプのECMが公知である。前記ECMは、入れ物の中でECM産生細胞、例えば、線維芽細胞を培養した後に、これらの細胞を取り出し、単離された陰窩または単離された上皮幹細胞を添加することによって提供することができる。細胞外マトリックス産生細胞の例は、主にコラーゲンおよびプロテオグリカンを産生する軟骨細胞、主にIV型コラーゲン、ラミニン、間質プロコラーゲン、およびフィブロネクチンを産生する線維芽細胞、ならびに主にコラーゲン(I型、III型、およびV型)、コンドロイチン硫酸プロテオグリカン、ヒアルロン酸、フィブロネクチン、およびテネイシン-Cを産生する結腸筋線維芽細胞である。または、前記ECMは商業的に供給されている。商業的に供給されているECMは典型的には合成ECMである。市販の細胞外マトリックスの例は細胞外マトリックスタンパク質(Invitrogen)およびMatrigel(商標)(BD Biosciences)である。幹細胞を培養するためにECMを使用すると、幹細胞の長期生存が延長し、未分化幹細胞の継続的存在が強化された。
本発明の方法において使用するためのECMの一例は、少なくとも2種類の別個の糖タンパク質、例えば、2つの異なるタイプのコラーゲンまたはコラーゲンおよびラミニンを含む。前記ECMは合成ヒドロゲル細胞外マトリックスでもよく、または天然ECMでもよい。最も好ましいECMはMatrigel(商標)(BD Biosciences)によって提供される。Matrigel(商標)(BD Biosciences)は、ラミニン、エンタクチン、およびコラーゲンIVを含む。したがって、一部の態様において、本発明の方法において使用するためのECMは、インテグリンなどの細胞膜タンパク質と相互作用することによって細胞外マトリックスを模倣する3Dマトリックスである。
したがって、一部の態様において、本発明の方法は、幹細胞、幹細胞集団、または単離された組織断片、および培養培地を、細胞外マトリックス、例えば、ラミニン含有細胞外マトリックス、例えば、Matrigel(商標)(BD Biosciences)と接触させる工程を含む。一部の態様において、培養培地は細胞外マトリックスの中に拡散される。
本発明の組成物および他の形態
本発明は、本発明による培養培地および幹細胞を含む組成物を提供する。本発明はまた、本発明による培養培地およびオルガノイドを含む組成物を提供する。さらに、本発明は、本発明による培養培地および細胞外マトリックスを含む組成物を提供する。
本発明はまた、本発明の培養培地、細胞外マトリックス、および本発明の幹細胞を含む組成物を提供する。本発明はまた、本発明の培養培地、細胞外マトリックス、および本発明の1つまたは複数のオルガノイドを含む組成物を提供する。本発明はまた、本明細書において開示された培養培地を生成するのに使用することができる培養培地サプリメントを提供する。「培養培地サプリメント」は、それ自体では幹細胞を支持することができないが、他の細胞培養成分と組み合わされた時に幹細胞培養を可能にする、または改善する成分の混合物である。したがって、サプリメントは、他の細胞培養成分と組み合わせて適切な培地製剤を生成することによって本発明の機能的な細胞培養培地を生成するのに使用することができる。培養培地サプリメントの使用は当技術分野において周知である。
本発明は、本発明による阻害剤を含む培養培地サプリメントを提供する。サプリメントは、本明細書において開示された任意の阻害剤(または阻害剤の組み合わせ)を含有してもよい。サプリメントはまた、本明細書において開示された1種または複数種の付加的な細胞培養成分、例えば、アミノ酸、ビタミン、無機塩、炭素エネルギー源、および緩衝液からなる群より選択される1種または複数種の細胞培養成分も含有してよい。
培養培地または培養培地サプリメントは、高濃度の液体培養培地またはサプリメント(例えば、2x～250xの高濃度の液体培養培地またはサプリメント)でもよく、乾燥した培養培地またはサプリメントでもよい。液体の培養培養培地またはサプリメントおよび乾燥した培養培地またはサプリメントはいずれも当技術分野において周知である。培養培地またはサプリメントは凍結乾燥されてもよい。
本発明の培養培地または培養培地サプリメントは、典型的には、汚染を阻止するために使用前に、例えば、紫外線、加熱、照射、または濾過によって滅菌される。培養培地または培養培地サプリメントは保存または輸送のために(例えば、-20℃または-80℃で)凍結されてもよい。一部の態様において、培養培地は液体として(例えば、約4℃で)保存されてもよい。一部の態様において、培養培地は、以下の2つの成分としてスプリットおよび保存されてもよい: (例えば、約-20℃～約-80℃では)凍結成分および(例えば、約4℃では)液体成分。特に、好ましくは、温度感受性のまたは時間に左右される(time-sensitive)分解性材料が凍結成分に含まれるのに対して、感受性の低い材料(例えば、DMEMまたはFCS)が液体型で保存され、したがって、保存および発送のために液体成分に含まれてもよい。
本発明はまた、本発明の培養培地または培養培地サプリメントを含有する、密閉封止された容器を提供する。密閉封止された容器は、汚染を防ぐために、本明細書において開示された培養培地または培養培地サプリメントの輸送または保存に好ましい場合がある。容器は、フラスコ、プレート、瓶、広口瓶、バイアル、またはバッグなどの任意の適切な容器でよい。
本発明はまた、本発明の培養培地、培養培地サプリメント、および/または組成物を含むキットを提供する。一部の態様において、キットは、少なくとも1種類の他の付加的な成分、例えば、ECM(例えば、Matrigel(商標))を含むリストより選択される少なくとも1種類の他の付加的な成分、細胞集団、およびオルガノイドをさらに含む。
総則
前記では「GI」番号を使用した。GI番号または「GenInfo Identifier」は、配列がNCBIのデータベースに加えられた時に、NCBIによって処理されたそれぞれの配列記録に連続して割り当てられた一連の数字である。GI番号は配列記録のアクセッション番号と全く異なる。(例えば、訂正のために、またはさらなるアノテーションもしくは情報を加えるために)配列が更新された時には、新たなGI番号が与えられる。したがって、ある特定のGI番号に関連した配列は決して変更されない。
「を含む(comprising)」という用語は、「を含む(including)」ならびに「からなる(consisting)」を包含する。例えば、Xを「を含む」組成物はXのみからなってもよく、さらなる何か、例えば、X+Yを含んでもよい。
「実質的に」という言葉は「完全に」を排除せず、例えば、Yが「実質的に無い」組成物は、完全にYが無くてもよい。必要な場合、「実質的に」という言葉は本発明の定義から省略されてもよい。
数値xに関連する「約」という用語は任意であり、例えば、x±10％を意味する。
特に定めのない限り、2つ以上の成分を混合する工程を含むプロセスは、混合の特定の順番を必要としない。したがって、成分を任意の順番で混合することができる。3つの成分がある場合、2つの成分を互いに組み合わせ、次いで、この組み合わせを第3の成分などと組み合わせてもよい。
本発明の様々な局面および態様が例として下記でさらに詳細に説明される。本発明の範囲から逸脱することなく、詳細の変更はなされ得ることが理解されると考えられる。
実施例1:
ヒト上皮幹細胞のための改善された培養培地および方法のニーズに対処するために、本発明者らは、ある特定の癌、例えば、結腸直腸癌において破壊されていることが知られているシグナル伝達経路を調べた。これらの経路は癌において細胞運命に影響を及ぼし、インビトロ細胞培養条件下での細胞運命の決定にも役割を果たしている可能性があると仮説を立てた。
第1のスクリーニング実験では、一連のビタミン、ホルモン、および増殖因子を標準的な幹細胞培養培地と組み合わせて試験した。ガストリンおよびニコチンアミドは、有意に改善された培養条件をもたらすと特定された。これらの因子を標準的な培養条件に組み込んで、第2のスクリーニング実験を行った。第2のスクリーニング実験では、関係のあるシグナル伝達経路、例えば、ERK、p38、JNK、PTEN、ROCK、およびヘッジホッグに関連する低分子阻害剤を試験した。最新技術には、培養培地特性に対する、これらの付加的な化合物のそれぞれのアウトカムがどんなものであるかを予測する妥当な手法はなかった。
（表２）ヒト腸オルガノイド培養を最適化するために用いられた試薬のリスト
Figure 0007275196000006
Figure 0007275196000007
*活性スケール(4日間培養した後のプレーティング効率を対照と比較した):
0 = 変化なし; 1+ = ＜50％増加; 2+ = 50～100％増加; 3+ = ＞100％増加;
1- = 0～50％; 2- = 50～100％減少; 3- = ＞100％減少。
**WENRは、EGF+ノギン+R-スポンジン+Wnt-3aを含む。
***培養培地に対して最大の改善を示した化合物を太字で強調した。
まとめると、本発明者らは、マウス小腸(SI)に由来する単一の陰窩または幹細胞が長期間にわたって拡大する長期培養条件を確立した。成長中の陰窩はいくつもの陰窩分裂事象を経ると同時に、全ての分化細胞タイプが存在する絨毛様上皮領域を生じる。今や、本発明者らは、マウス結腸ならびにヒトSIおよび結腸に由来する類似する上皮オルガノイドを増殖するように培養条件を適合させた。マウス小腸培養システムに基づいて、本発明者らはマウスおよびヒトの結腸培養システムを最適化した。本発明者らは、増殖因子カクテルにWnt3Aを添加すると、マウス結腸陰窩は無限に拡大できることを見出した。長期のヒトSI培養および結腸培養にはニコチンアミド、低分子Alk阻害剤、およびp38阻害剤のさらなる添加が好ましかった。この培養システムはまた、マウスApcmin腺腫、ヒト結腸直腸癌、およびヒト食道化生性バレット上皮の増殖も可能にした。この培養技術は、ヒト胃腸管の感染性病態、炎症性病態、および新生物性病態のための研究ツールとして広範囲に適用できるはずである。さらに、エクスビボで拡大された腸上皮を用いて再生用途が実現できる可能性がある。陰窩にある幹細胞およびその前駆細胞が増殖することによって小腸上皮および結腸上皮は自己複製される。いくつもの培養システムが述べられているが(Evans GS et al. J Cell Sci 1992;101 (Pt1):219-31; Fukamachi H. J Cell Sci 1992;103 (Pt2):511-9; Perreault N & Jean-Francois B. Exp Cell Res 1996;224:354-64; Whitehead RH et al. Gastroenterology 1999;117:858-65)、陰窩の基本生理機能を維持する長期培養システムが利用可能になったのはごく最近である。マウス小腸上皮の長期拡大を可能にする2つの異なるプロトコールが公表された。Kuoおよび同僚らは、上皮要素ならびに間質要素を含有する小さな断片の増殖因子非依存的な長期増殖を証明した(Ootani A et al. Nat Med 2009;15:701-6)。本発明者らは、腸上皮の増殖要件における以前に定義された洞察を組み合わせることによって単一の幹細胞のための培養システムを設計した。Wntシグナル伝達は陰窩増殖の極めて重要な要件であり(Korinek V et al. Nat Genet 1998;19:379-83; Pinto D et al. Genes Dev 2003;17:1709-13; Kuhnert F et al. Proc Natl Acad Sci U S A 2004;101:266-71)、WntアゴニストR-スポンジン1はインビボで劇的な陰窩過形成を誘導する(Kim KA et al. Science 2005;309:1256-9)。第2に、EGFシグナル伝達が腸増殖と関連する(Dignass AU & Sturm A. Eur J Gastroenterol Hepatol 2001; 13:763-70)。第3に、ノギンのトランスジェニック発現が陰窩数の拡大を誘導する(Haramis AP et al. Science 2004;303:1684-6)。第4に、単離された腸細胞は正常組織状況外でアノイキスを受ける(Hofmann C et al. Gastroenterology 2007;132:587-600)。ラミニン(α1およびα2)は陰窩底部に豊富にあるので(Sasaki T et al. Exp Cell Res 2002;275:185-)、本発明者らは、腸上皮増殖を支援するためにラミニンリッチMatrigelを探索した。Matrigelベース培養物は乳腺上皮の増殖に首尾良く用いられている(Stingl J et al. Breast Cancer Res Treat 2001;67:93-109)。この培養条件下で(R-スポンジン1、EGF、およびノギンを含むMatrigel)、本発明者らは、構造、細胞タイプ組成、および自己複製ダイナミクスの点で小腸上皮の全ての顕著な特徴を示す、絶えず拡大している小腸オルガノイドを得た。
多大な取り組みにもかかわらず、成体ヒト腸上皮細胞の長期培養は依然として困難であった。いくつかの長期培養モデルがあるが、これらの技法および細胞株は、おそらく、生細胞の抽出および維持における固有の技術的問題の結果として広く受け入れられていない(Rogler G et al. Scandinavian journal of gastroenterology 2001;36:389-98; Buset M et al. In vitro cellular & developmental biology: journal of the Tissue Culture Association 1987;23:403-12; Whitehead RH et al. In vitro cellular & developmental biology: journal of the Tissue Culture Association 1987;23:436-42; Deveney CW et al. The Journal of surgical research 1996;64: 161-9; Pang G et al. Gastroenterology 1996;111:8-18; Latella G et al. International journal of colorectal disease 1996;11:76-83; Panja A. Laboratory investigation; a journal of technical methods and pathology 2000;80: 1473-5; Grossmann J et al. European journal of cell biology 2003;82:262-70)。マウス小腸培養の確立に力を得て、本発明者らは培養条件をマウスおよびヒトの結腸上皮に合わせることを目標とした。今から、本発明者らは、初代結腸腺腫/腺癌およびバレット食道に合わせることができる、マウスおよびヒト結腸上皮のための長期培養プロトコールの確立を報告する。
結果
マウス結腸培養システムの確立
マウス結腸培養システムを確立しようとして、本発明者らは本発明者らの小腸培養条件を探索した(本明細書ではENR:EGF+ノギン+R-スポンジンと名付けた)。本発明者らの実験において、ENR培養条件下で結腸上皮の初期増殖がよく観察されたが、いつも失敗に終わった。マウス結腸の遠位部分から単離された上皮を用いてオルガノイド形成を研究した。ENR条件下では、単一の遠位結腸陰窩のプレーティング効率は小腸より非常に低く(1～3％対＞90％)、これらのオルガノイドを継代することができなかった。最近、本発明者らは、パネート細胞が数種類のWntリガンドを産生し(Gregorieff A et al. Gastroenterology 2005;129:626-38)、これらのパネート細胞によるWnt産生が腸幹細胞の維持に必須であることを示した(Sato T et al. Nature; 469:415-8)。結腸オルガノイドにおけるWntシグナル伝達状況を確かめるために、本発明者らは、Axin2-lacZマウス(忠実なWntレポーター)(Lustig B et al. Mol Cell Biol 2002;22: 1184-93)またはLgr5-GFPノックインマウス(Lgr5はWnt依存性幹細胞マーカーである)(Barker N et al. Nature 2007; 449:1003-7)に由来する結腸陰窩を培養した。
新鮮に単離された結腸陰窩は、その底部においてAxin2-LacZまたはLgr5-GFPを容易に発現したが、培養開始直後にWntレポーターの発現を失った(図1a、b、および図6)。対照的に、小腸オルガノイドはその出芽構造においてWntレポーターを構成的に発現した(Sato T et al. Nature;469:415-8; Sato T et al. Nature 2009;459:262-5)。これらの知見から、結腸オルガノイドは、結腸幹細胞を維持するのに十分な量のWntリガンドを産生しないことが示唆された。これを克服するために、本発明者らは組換えWnt3aまたはWnt3a条件培地をENR培養培地に添加した(WENR培地)。これによって、陰窩プレーティング効率は10倍程度、増加した。結腸陰窩は、非常に多くのAxin2-LacZ(図1a)またはLgr5-GFP+ (図1b)の芽を有するオルガノイド構造を形成した。このことは、Wnt活性化が回復したことを意味する。新鮮に単離された結腸陰窩はその上部分において完全に成熟した細胞を含有し、本発明者らは、これらの成熟細胞がオルガノイド増殖を妨げている可能性があると考えた。本発明者らが結腸陰窩を小さな細胞クラスターに穏やかに消化し、したがって、増殖性の陰窩底部を、分化した上部陰窩領域から物理的に分離した時に、陰窩上部に由来する断片のほとんどが死滅したが、結腸陰窩底部に由来する細胞クラスターはオルガノイドを効率的に形成した(図1c)。
ENR条件下で増殖させたマウス小腸上皮は、幹細胞自己複製に付随して全ての分化した上皮細胞タイプを生じた。本発明者らは、これらの培養物へのWnt3Aの添加が腸分化を妨げ、主に未分化前駆細胞からなるオルガノイドを生じることを以前に示した(SatoT et al. Nature; 469:415-8)。未分化陰窩前駆状態の維持におけるWntシグナル伝達の中心的な役割を考慮すれば、これは予想外のことではない(van de Wetering M et al. Cell 2002; 111:241-50)。この観察と一致して、WENR条件における結腸オルガノイドは正しく分化しなかった。本発明者らはWnt-3Aを取り除くと、全ての上皮系列に沿った分化を観察した(図1d～f)。注目すべきことに、ソーティングされた単一のLgr5+ 結腸上皮幹細胞はY-27632の存在下で最初の2日間培養された時にオルガノイドを形成することができる。
ヒト結腸培養システムの確立
改善されたマウス結腸陰窩培養の成功に力を得て、本発明者らは培養条件をヒト結腸陰窩に適用した。当初、これらの陰窩は生存していたが、その後、ほとんどの陰窩が7日以内に分解した。ヒト結腸陰窩のプレーティング効率を高めるために、本発明者らは、候補増殖因子、ホルモン、およびビタミン(図12のリスト)をスクリーニングした。これらのうち、本発明者らは、ガストリンおよびニコチンアミド(NAD+の前駆体。サーチュイン活性を抑制することが見出された(Denu JM. Trends Biochem Sci 2005;30:479-83))が培養効率を改善することを見出した(図12)。プレーティング効率に対するガストリンの効果はほんのわずかであった。しかしながら、このホルモンは腸分化を妨げず、本発明者らは、全てのヒト腸の培養条件においてガストリンを含めることにした(以下「g」と省略する)。重要なことに、ニコチンアミド(10mM)は、最初の7日間を超える培養期間の延長に必須であった(図2a)。この培養条件下で、ヒト結腸オルガノイドを少なくとも1ヶ月間拡大させることができた。1ヶ月以降、結腸オルガノイドは出芽オルガノイド構造から嚢胞構造へと形態を変えた(図2b左)。形態学的変換と一致して増殖は連続して減少した。時として、嚢胞オルガノイドはその増殖能を回復した。しかしながら、最終的に、全てのオルガノイドが3ヶ月以内に増殖を停止した。乳腺上皮細胞またはケラチノサイトなどの他の初代培養システムでは2段階の増殖停止が観察され、死亡段階(mortality stage)1(M1;老化)および死亡段階2(M2;危機(crisis))と呼ばれている(Shay et al.,2006)。この条件で培養されたヒト腸オルガノイドでは、Wntが取り除かれた後でも多系列分化は観察されなかった(データ示さず)。
本発明者らは、細胞に内在する老化/複製老化(replicative aging)特性ではなく不適切な培養条件のために増殖停止が起こったと考えた。したがって、本発明者らは、本発明者らの試みを、最適化された培養条件に広げた。本発明者らは、WENR+ガストリン+ニコチンアミド培養条件下で、MAPキナーゼ、結腸癌において変異しているシグナル伝達分子、およびヒストンモディファイヤーの様々な低分子モジュレーターをスクリーニングした(図12)。本発明者らは、2種類の低分子阻害剤、A83-01(Alk4/5/7阻害剤;nM)およびSB202190(p38阻害剤;10uM)がプレーティング効率を有意に改善したことを見出した。試験され、A83-01と同じ結果を示した他のTGF-β受容体1(ALK5)阻害剤は、LY364947、SB431542、SB505124であった。他のALK阻害剤も同様に作用すると予想される。さらに、2種類の化合物の組み合わせは培養期間を相乗的に延ばした。本発明者らは、10個の試験試料の全てが少なくとも6ヶ月間、毎週1:5にスプリットされて拡大したことを証明した。この培養条件下で、ヒト結腸オルガノイドは、以前の培養条件下で見られた嚢胞構造ではなく出芽オルガノイド構造を示した(図2b)。増殖細胞は芽に限定された(図2c)。3ヶ月を超えるオルガノイドのメタフェーズスプレッドは、それぞれの細胞において46本の染色体を一貫して明らかにした(3人の異なるドナーからそれぞれ20個の細胞;図2d)。本発明者らは、培養状態で2ヶ月後に結腸オルガノイドの全エクソーム(exome)(全てのエキソン)を配列決定した。オルガノイド中の変異数は極めて少なかった。実際に、1つのクローンに由来する4つの並行したオルガノイド培養において、全ての培養物に存在する変異は1つしか存在せず、したがって、親組織から生じた可能性が高かった。
これらの結果は、Alk受容体およびp38シグナル伝達がヒト腸上皮細胞の長期維持を負に調節することを意味した。本発明者らは、この最適化された培養条件をHISC(ヒト腸幹細胞培養)条件と呼ぶ。
ヒト腸オルガノイドはインビボ分化を模倣する
HISC条件下では、本発明者らは分化細胞を観察しなかった。マウス結腸オルガノイドにおいて見られたように、ヒトオルガノイドの成熟腸細胞分化にはWntを取り除くことが必要であった(図3a上パネルおよび図7)。しかしながら、杯細胞および腸内分泌細胞の分化は依然としてブロックされた。本発明者らは、ニコチンアミドおよびSB202190がこの分化を強力に阻害するが、2つの試薬が取り除かれるとオルガノイドは成熟した杯細胞および腸内分泌細胞を産生できることを見出した(図3a(中央パネルおよび下パネル)、図3b、ならびに図7)。Wnt、ニコチンアミド、およびSB202190の同じ分化阻害効果がヒト小腸オルガノイドにおいて観察された。リゾチーム+ パネート細胞が小腸オルガノイドにおいて観察されたが、結腸オルガノイドでは観察されなかった(図3d)。インビボでのp38阻害剤処理は杯細胞分化を阻害し、腸上皮増殖を増やすと報告されている(Otsuka M. Gastroenterology 2010;138: 1255-65, 1265 e1-9)。実際に、本発明者らは、p38阻害剤で処理された腸オルガノイドにおいて同じ表現型を観察した(図3d対e)。本発明者らは、Notch阻害に対するヒト腸オルガノイドの応答をさらに調べた。本発明者らは、γ-セクレターゼ阻害剤(ジベンザゼピン;DBZ)またはNotch経路転写因子CSLのコンディショナルターゲッティングによるNotch阻害がインビボで腸幹細胞を枯渇させ、腸上皮増殖を終結させ、杯細胞過形成を誘導すると以前に示した(van Es JH et al. Nature 2005;435:959-63)。実際に、DBZ処理されると腸オルガノイドはその増殖を止め、ほとんどの細胞は3日以内に杯細胞に変わった(図3g対f)。
APC欠損腺腫および結腸腺癌の樹立
最近、本発明者らは、Lgr5-GFP-ires-CreERT2xAPCflox/floxマウスにおいてタモキシフェン誘導性Cre活性化がなされるとLgr5幹細胞からマウス腸腺腫が効率的に形成されたことを報告した(Barker N et al. Genes Dev 2008;22:1856-64)。本発明者らは、誘導して10日後に腸腺腫を単離し、培養条件を最適化した。腺腫は出芽することなく嚢胞オルガノイド構造を効率的に形成した。APC消失がWnt経路を構成的に活性化するので、本発明者らは、R-スポンジン1が腺腫オルガノイド増殖に必要でないと予想した。実際に、このことが観察された。さらに、正常小腸の長期培養に必須のノギンは腺腫オルガノイドにおいて必要でなかった。興味深いことに、本発明者らは、腺腫オルガノイドにおいてノギンが取り除かれた7日後にLgr5-GFPの消失を観察したがAxin2-LacZの消失を観察しなかった(図4a、bおよびデータ示さず)。ER培地中で増殖させた時に正常腸オルガノイドについて同様の観察がなされた(Sato T et al. Nature 2009;459:262-5)。このことから、ノギンは、BMPシグナル阻害による可能性が最も高いが、Lgr5発現を維持するのに必要であるが、腺腫オルガノイドの拡大には必要でないことが分かった。腸陰窩から単離された新鮮に単離されたLgr5高細胞はインビトロでオルガノイド増殖を開始することができる(が、Lgr5低細胞はインビトロでオルガノイド増殖を開始することができない)(Sato T et al. Nature 2009;459:262-5)。腺腫内での同様のLgr5ヒエラルキーの存在を確かめるために、本発明者らは、EN培養オルガノイドからLgr5-GFP高細胞、GFP低細胞、およびGFP-ve細胞を単離し、これらのオルガノイド形成能を調べた。7日間の培養後に、Lgr5-GFP高は最も高いオルガノイド形成率を示した。だが、Lgr5-GFP低または-veもまたかなりの効率でオルガノイドを形成した(図4c)。注目すべきことに、ソーティングされたGFP-ve腺腫細胞はLgr5-GFP高オルガノイドを生じることができた((図8))。
過去40年間にわたって多くの結腸直腸癌細胞株が単離されてきた。典型的には、このような細胞株は、結腸腫瘍の初代培養物が組織培養危機に入った後に稀なクローン増殖として現れる。現在、培養に合わせられた細胞の培養危機およびその結果として起きるクローン増殖なく、初代ヒト結腸癌試料を首尾一貫して培養することができる頑強な培養システムは存在しない。次の段階として、本発明者らは、腸腺腫培養条件をヒト結腸直腸癌試料に適用した。予想通り、結腸癌細胞はR-スポンジンもノギンも必要としなかった。EGFはほとんどの結腸癌オルガノイドにおいて必要でなかったが、EGFが取り除かれた後に一部の結腸癌オルガノイドは増殖を減速した。マウス腸腺腫と異なり、この培養条件における結腸直腸癌オルガノイドは単純な嚢胞構造ではなく不規則で密な構造として増殖した(図4d)。
本発明者らは、腺腫オルガノイドおよび結腸癌オルガノイドの増殖/分化状況を調べた。予想通り、細胞のほとんどはKi67+ であった。腸細胞分化に対するWntの強力な阻害効果と一致して(図1fおよび図7)、両タイプのオルガノイドにおいてアルカリホスファターゼ染色は観察されなかった(図9)。対照的に、時として、本発明者らは、腺腫オルガノイドおよび一部の結腸癌オルガノイドにおいてPAS+ 杯細胞およびクロモグラニンA+ 内分泌細胞を観察した(図9)。
ヒト化生性バレット上皮の培養
バレット食道は、化生の結果として正常な扁平細胞上皮と置き換わった円柱上皮が下部食道に存在することを特徴とする(Odze RD. Nat Rev Gastroenterol Hepatol 2009;6:478-90)。バレット食道の顕著な組織学的な特徴は食道に腸杯細胞が存在することである。バレットと腸上皮との類似性を利用して、本発明者らは小さなバレット上皮(BE)生検材料をヒト結腸培養条件に供した。これらの培養条件下では、正常な食道扁平細胞は一過的に1週間増殖したが、オルガノイドを継代することができなかった。HISC条件下ではバレット食道上皮を最大1ヶ月間維持することができた(図5a)。BEオルガノイドは、老化したヒト結腸オルガノイドと区別がつかない嚢胞オルガノイド構造を形成し、典型的には、培養1ヶ月後に増殖を停止した。FGF10をHISC条件に添加すると、BEオルガノイドは出芽構造の形成が可能になり、培養期間を有意に延ばした(＞3ヶ月間)(図5b、c)。ヒト腸オルガノイドとは対照的に、ニコチンアミドおよびSB202190が取り除かれて4日後に、BEオルガノイドはKi67+ のままであり、最小数のPAS+ およびムチン+ 細胞を有した。取り除いた後に4日間、γ-セクレターゼ阻害剤DBZ(10uM)で処理すると増殖はブロックされ、杯細胞分化が誘導された(図5d～g)。このことによって、このような阻害剤の局所送達が、分化療法によってバレット食道病変を除去するための有用な治療方針となり得るという本発明者らの以前の提唱が裏付けられた(Menke V et al. Disease models & mechanisms 2010;3:104-10)。注目すべきことに、本発明者らは時としてリゾチーム+ パネート細胞を観察した(図10)。このことから、BEオルガノイドは多系列分化を保持していることが分かる。
考察
ここで開発されたプロトコールは、小腸、結腸、腺腫(腺癌)、およびバレット食道から単離された初代ヒト上皮細胞の頑強な、かつ長期の培養を可能にする(表3)。
（表３）オルガノイド培養システムの成分のリスト
Figure 0007275196000008
全ての原液および分注したMatrigelを-20℃で保存した。
マウス小腸とは対照的に、マウス結腸上皮細胞は培養培地中にWntリガンドを必要とする。本発明者らは、CD24高パネート細胞が、小腸における幹細胞維持に必須のWnt-3/11を産生することを以前に報告した(Sato T, et al. Nature 2011;469:415-8)。Wnt-6および-9b mRNAは結腸陰窩の底部で発現している(Gregorieff A, et al. Gastroenterology 2005;129:626-38)。結腸陰窩底部細胞によるこの局所的Wnt産生がインビボで古典的Wntシグナルを活性化するのに十分であるかどうか、または結腸粘膜に別のWntリガンド源があるかどうかはまだ確かめられていない。ヒト腸オルガノイド培養条件とマウス腸オルガノイド培養条件との違いは予想外に大きかった。A83-01は、マイクロアレイによってマウス陰窩およびヒト陰窩の両方で検出される受容体であるALK4/5/7を阻害する。現在、本発明者らは、ALKシグナルがヒトオルガノイド増殖を調節する機構を調査している。本発明者らは長期培養において細胞形質転換を観察したことがなく、最適化された培養条件下での染色体変化ははっきり分からない。さらに、このオルガノイドは、他の成体ヒト上皮培養システムについて報告されたものより相当に多い数の細胞分裂を経ることができる(Dey D et al. PloS one 2009;4:e5329; Garraway IP et al. The Prostate 2010;70:491-501)。体細胞は増殖能が有限であると一般に考えられており、これは複製老化と呼ばれる現象である(Walen KH. In vitro cellular & developmental biology. Animal 2004;40:150-8)。ほとんどの正常ヒト細胞は、分裂した回数を数えており、最終的に細胞老化と呼ばれる増殖停止を経ると考えられている。このプロセスは、テロメアの短縮、その結果として起きるDNA損傷シグナル活性化(M1)、またはテロメア減少(M2)によって誘発され得る。2つの低分子キナーゼ阻害剤の非存在下では、ヒト腸オルガノイドは10～20回の集団倍加後に増殖停止を受けた。対照的に、阻害剤が添加された時に、最適化された培養条件における複製能はヘーフリック限界を超える少なくとも100回の集団倍加まで拡大した(Hayflick L. The Journal of investigative dermatology 1979;73:8-14)。この結果から、最初の培養システムにおいて見られた老化表現型は、内在する複製老化ではなく不適切な増殖条件を反映していることがはっきりと分かる。
前記の培養法を用いて、幹細胞生物学の基本的な局面、ならびにNotch阻害剤処理後の幹細胞枯渇および杯細胞分化によって例示される分化制御を研究することができる。さらに、このオルガノイド培養プラットフォームは、CaCo2またはDLD1などのよく用いられる結腸癌細胞株より良好に腸上皮を表しているので腸管病態に関する薬理学研究、毒物学研究、または微生物学研究に使用され得る。最後に、明らかな制限が無く、または遺伝子に害を与えずに、成体ドナーから採取された小さな生検材料を拡大させることができるので、この技術は再生目的で移植可能な上皮を作製するのに役立ち得る。
実施例2-マウス膵臓オルガノイドの培養
マウス膵臓オルガノイド用の培養培地においてTGF-β阻害剤の使用も試験した。使用した拡大培地は、DMEM/F12培地(P/S、Glutamax、10mM Hepes、B27、N2、およびN-アセチルシステインが添加された)、EGF(50ng/ml)、R-スポンジン(10％)、ノギン(100ng/ml)、FGF10(100ng/ml)、A8301(TGF-β阻害剤、500nM)、ならびにガストリン(10μM)であった。これは、実施例2において使用された前記のHISC培養物の培地と、Wntアゴニスト(Rスポンジン以外)もニコチンアミドも無く、FGF10が加えられている点でわずかに異なる。しかしながら、これらの培養培地は多数の重要な成分(ENR+ガストリン+TGF-β阻害剤)を共有し、いずれの場合でもTGF-β阻害剤の添加は有利である。これらの条件で増殖させた膵臓オルガノイドは3ヶ月を超えて拡大し、少なくとも5回、継代することができた。
前記の拡大培地中で増殖させた膵臓オルガノイドについてマイクロアレイ実験を行い、結果を、成体膵臓、成体肝臓、および新生児肝臓と比較した(図16Aを参照されたい)。明らかに、膵臓オルガノイドは肝臓試料ではなく成体膵臓とクラスター化する。これは成体膵臓との優れた表現型類似性を証明している。
図16Bは、膵臓オルガノイド、成体膵臓、成体肝臓、および肝臓オルガノイドにおける管マーカー、内分泌マーカー、およびNgn3発現(Ngn3は内分泌系列の明確化に関連する転写因子である)に必要な転写因子の発現レベルを比較したマイクロアレイ実験からの生シグナルを示す。膵臓オルガノイドにおけるKrt19、Krt7、および他の管マーカーの高レベル発現は、膵臓オルガノイドがはっきりと管表現型を有することを示している。これらの膵臓オルガノイドは最初に管調製物から増殖された。Ngn3発現の必須の転写因子(Foxa2、Hnf6、Hnf1b、Sox9)も全て膵臓オルガノイドにおいて発現しているが、Ngn3それ自体の発現は拡大条件下で検出されなかった。
インシュリン産生細胞の発生に重要な遺伝子の発現レベルは低い。しかしながら、拡大培地中で、膵臓オルガノイドの増殖および発現パターンは初期前駆内分泌細胞において見られたものとよく似ていることがはっきり分かる。
膵臓は、腺房細胞、管細胞、および内分泌細胞の3つの異なる細胞タイプによって主に形成される。成体膵臓の全RNA試料において、RNAの90％は腺房細胞に由来し、そのため、内分泌マーカーの発現レベルは全膵臓試料中で非常に希釈されている。したがって、それぞれの特定の細胞タイプについて、さらなる実験が計画される。例えば、本発明者らは、本発明者らの膵臓オルガノイドにおける重要な遺伝子のmRNAレベルを、インシュリン産生細胞に存在するレベルと比較してさらに良く見積もるために、膵臓オルガノイド、高濃度の腺房細胞調製物、高濃度の管細胞調製物、および高濃度の内分泌細胞調製物間のマイクロアレイ比較を行うつもりである。例えば、高濃度の内分泌細胞試料において、存在する細胞の75～85％がインシュリン分泌細胞であると考えられる。
実施例3-拡大培地に対するノギンの効果
拡大培地におけるBMP阻害剤ノギンの役割を調べるために、本発明者らは、常にEGFRA培地中で培養された、したがって、ノギンの存在下で培養されたことがない膵臓オルガノイドにおける初期内分泌マーカーおよび管マーカーのmRNAレベルを、常にEGFRAN培地中で培養された(すなわち、常にノギンの存在下で培養された)オルガノイドにおける同じマーカーの発現レベルと比較した。本発明者らはまた、ノギンが添加された膵臓オルガノイドまたは培養物からノギンが除去された膵臓オルガノイドにおける、これらのマーカーのmRNAレベルも比較した。具体的には、膵臓オルガノイドの1つの試料をEGFRA培地中で培養し、次いで、ノギンを添加し、オルガノイドを、さらに2日間または4日間培養した。膵臓オルガノイドの別の試料をEGFRAN培地中で培養し、次いで、ノギンを除去し、さらに2日間または4日間培養した。遺伝子発現を比較し、結果を図17Aに示した。ノギンはケラチン7およびケラチン19(管マーカー)の発現を低減することが見出された。このことから、ノギンは管表現型への分化をブロックすることが分かる(白色および濃い灰色の試料におけるケラチンレベルは黒色の試料より低い)。インシュリン産生細胞の発生に必須のいくつかの転写因子(すなわち、Sox9、Hnf6、Hnf1a、Pdx1、Nkx2.2、Nkx6.1、およびHnf1b)の発現レベルはノギンの影響を受けなかった。ノギンは培養物が完全な管表現型を獲得するのを阻止し、インシュリン産生細胞への将来の分化を阻止する可能性が高いが、ノギンはいくつかの管特徴をインシュリン産生前駆細胞の特徴と組み合わせて維持しながら細胞が拡大するのを可能にするので、本発明者らはノギンを拡大培地に含める。
Lgr5遺伝子発現に対するノギンの存在もしくは非存在またはEGFRA培地へのノギンの添加もしくは除去の効果を、膵管から得られた膵臓オルガノイドを用いて評価した。図17Bの結果から、ノギンと共に培養した膵臓オルガノイドは、ノギンの非存在下で培養した膵臓オルガノイドより2倍超のLgr5を発現することが分かる(左から2番目の白色の柱と左側にある黒色の柱を比較のこと)。ノギンの添加(濃い灰色)または除去(薄い灰色)もLgr5レベルに影響を及ぼすことが示された。ノギンの存在下でのLgr5遺伝子発現の増加がLgr5+ 細胞の数の増加によるものか、または細胞1個あたりのLgr5発現レベルの増加によるものかどうかははっきりしない。しかしながら、本発明者らは、BMP阻害剤、例えば、ノギンがLgr5の発現を促進し、したがって、より多くの増殖性オルガノイドをもたらすことをここで示す。したがって、BMP阻害剤は拡大培地の有利な成分であることが示された。
膵臓細胞を分化培養するのにBMP活性が有用であると文献に述べられているので、これは驚くべきことである。この結論は、管細胞(ケラチン7および19の発現を参照されたい)ならびに内分泌細胞の両方に分化するにはBMPシグナル伝達が必要だという観察に基づく。したがって、当業者であれば、BMP阻害剤、例えば、ノギンを含めることは拡大培地において不利だと予想するだろう。しかしながら、驚いたことに、本発明者らは、BMP阻害剤の使用がより多くの増殖性オルガノイドおよびより高いLgr5発現をもたらすので有利であると見出した。
実施例4-マウスにおける腎被膜下へのヒト膵臓オルガノイドの移植
実施例1記載のプロトコールを用いて拡大された膵臓オルガノイド(図18Aを参照されたい)を免疫不全マウスの腎被膜下に移植した。
移植直前に、matrigel残渣を取り除くためにオルガノイドを細胞回収液(cell recovery solution)(BD#354253, BD Biosciences)で処理した。オルガノイドをPBSで数回洗浄し、ペレット化した。
免疫不全レシピエントの腎被膜下へのこれらのオルガノイドの移植を、腎被膜下島移植のためのNIH が推奨する手順(「Purified Human Pancreatic Islets, In Vivo Islets Function」, Document No. 3104, A04, Effective Date 7th July 2008, DAIT, NIAID, NIH)を用いて行った。移植1週間前に、レシピエントマウス(NOD/SCID/IL2RgammaKO a.k.a.NSG)において高用量130mg/kgストレプトゾトシン注射によって高血糖を化学的に誘導した。血糖値をモニタリングし、血糖が18mmol/lを超えるマウスを高血糖とみなした。
移植のために高血糖レシピエントに麻酔をかけた。左腎臓を露出するために左側腹部を小さく切開した。約2.5～3.0mm3のオルガノイドをシリコン処理したPE50移植用チューブに入れて収集し、ハミルトン注射器を用いて腎被膜下に移植した。損傷している被膜を焼灼した後に、腎臓を腹腔に戻した。次いで、腹膜および皮膚を5-0絹製縫合糸で閉じた。
移植して3時間後に1匹のマウスを屠殺し、移植片を成熟β細胞マーカーおよび前駆細胞マーカーについて分析した。このマウスのマウス腎傍被膜にはインシュリン産生細胞は見られなかった(図18B)。
もう1匹のマウスを厳重な監督下で加温パッド(heat pad)を有するケージに入れて回復させた。移植マウスの体重および血糖値を1ヶ月間モニタリングした。1ヶ月後、マウスを屠殺し、移植片を成熟β細胞マーカーおよび前駆細胞マーカーについて分析した。
移植1ヶ月後に、多数のインシュリン産生細胞を特定することができた。これらのインシュリン産生細胞は全て図18Cにある染色細胞である。分かりやすくするために染色細胞のうち選択したものを丸で囲んだ。特に、インシュリン陽性細胞は管の内壁から現れたが、初期調製物にはインシュリン陽性細胞は見られなかった。
移植1ヶ月後にインシュリン産生細胞が存在するが、移植3時間後に存在しなかったという知見は、インシュリン産生細胞が主に移植後に生じる、または移植後のみ生じることを証明している。
これらの結果から、本発明の培地および方法を用いて培養された本発明の膵臓オルガノイドから採取された細胞はマウスに移植することができ、膵臓におけるインシュリン産生細胞の増殖を促進できることが分かる。好奇心をそそることに、ヒト膵臓オルガノイドを移植することができた。このことは、インシュリン産生を促進するために、例えば、糖尿病を治療するために移植オルガノイド細胞を使用する多くの好奇心をそそる可能性を開く。
実施例5-TGF-β阻害剤を含む肝臓オルガノイド培養
ER条件下またはENRW条件下で、肝臓オルガノイド培養物を自己複製させ、1年まで毎週、維持および拡大させることができる(図20A)。1年後の核型分析は染色体異常の証拠を示さない。分析した細胞の66％超が正常な染色体数を示し、13％が肝細胞の特徴的な形質である倍数性も示した(図20B)。
培養物を長期間維持するには、FGF10(100ng/ml)、HGF(25～50ng/ml)、およびニコチンアミド(1～10mM)が添加された、EGF(50ng/ml)およびR-スポンジン1(1ug/ml)の組み合わせが好ましかった。これらの条件下で、本発明者らは、胆管マーカーおよびいくつかの肝芽細胞マーカーまたは未熟肝細胞マーカー(Glu1,アルブミン)を発現する長寿命の細胞培養物を得た。しかしながら、これらの肝細胞マーカーが陽性の細胞の数は非常に少なかった。これらの培養条件下で成熟肝細胞マーカー(例えば、p450チトクロム)は検出されなかった。これらの結果から、本明細書に記載の培養条件は、少数ではあるが、肝細胞様細胞を生じることができる肝臓前駆細胞の拡大を容易にするが、完全に成熟した肝細胞を生じないことが示唆される(図21A)。
インビトロで培養物の肝細胞性を強化するために、および成熟肝細胞を得るために、最初に、本発明者らは、EGFおよびRスポンジン1に添加された3種類の補助因子(FGF10、HGF、およびニコチンアミド)が肝細胞発現ならびに培養物の自己複製に対してプラスまたはマイナスの効果を発揮しているかどうか確かめた。本発明者らは肝臓オルガノイド培養物を作製し、EGFまたはEGFおよびRスポンジン1+FGF10またはHGFまたはニコチンアミドまたはこれらの組み合わせと共に培養し、計10週間、1週間に1回、培養物をスプリットした。各時点で、本発明者らはまた、いくつかの成熟肝細胞マーカー(FAH、CYP3A11)および肝芽細胞マーカー(アルブミン)の発現も分析した(図21B)。
肝臓培養物の増殖および自己複製にはRスポンジン1およびニコチンアミドとFGF10の組み合わせが必須であることが観察された(図21CおよびD)。Rスポンジン1およびニコチンアミドはいずれも成熟マーカーCYP3A11の発現を阻害するが、肝芽細胞マーカーアルブミンの発現を促進する。FGF10またはHGFを、EGFだけを含有する(Rスポンジン1を含まず、ニコチンアミドを含まない)培地に添加すると、非常に低レベルであるが成熟マーカーCYP3A11の発現が促進された(図21E)。肝細胞分化を容易にし得る付加的な化合物を特定するために、本発明者らは、EGF+HGFおよび/またはFGF10の基礎条件に基づく2つの異なるアプローチを使用した。
第1のアプローチは、EGF+FGF10またはHGF条件に加えて一連の化合物を試験することを伴った。分析した化合物の完全リストを表4に示した。
（表４）
Figure 0007275196000009
Figure 0007275196000010
Figure 0007275196000011
第2のアプローチは、インビボで胆管および肝細胞の分化を実現するのに必須の転写因子の発現に関する公表された発生研究からの知識を考慮に入れた。FGF10、HGF、およびニコチンアミドが添加されたE条件下またはER条件下またはENRW条件下でのオルガノイドの転写因子発現の比較分析を図21に示した。tbx3およびprox1に加えて肝細胞明確化に必要な全ての転写因子が存在した。しかしながら、本発明者らはまた、Rスポンジン1(R)を含有する培養物において特定の胆管転写因子の発現が高度にアップレギュレートされていたことも認めた。このことは、培養遺伝子発現が胆管細胞運命に向かって不均衡になっていたことを示している。
Notchシグナル伝達経路およびTGF-βシグナル伝達経路はインビボでの胆管細胞運命に結び付けられてきた。実際に、(活性Notchシグナル伝達を実現するのに必須である)Rbpjが欠失すると異常管形成が起こり(Zong Y. Development 2009)、TGFbを肝臓外植片に添加するとインビトロでの胆管分化が促進される(Clotman F. Genes and Development 2005)。Notchシグナル伝達経路およびTGFbシグナル伝達経路は肝臓培養物において高度にアップレギュレートされていたので(図22)、本発明者らは、胆管細胞運命の阻害は肝細胞表現型への細胞分化を誘発し得ると考えた。A8301を、TGFb受容体ALK5、4、および7の阻害剤として選択し、DAPTを、Notch経路を活性化するのに必須の活性プロテアーゼであるγ-セクレターゼの阻害剤として選択した。最初に、本発明者らは、細胞を拡大条件(ER培地)において2日間培養した。2日目に(図23A)、本発明者らは異なる化合物の組み合わせを添加することによって分化条件を開始した。培地を1日おきに交換し、8～9日後に分化マーカーの発現を分析した。ER条件およびENRW条件を負の対照として使用した。
驚いたことに、EGF+FGF10とDAPTおよびA8301の組み合わせによって、分析された肝細胞マーカー(CYP3A11、TAT、アルブミン)の発現が大幅に増大した(図23B)。この効果は既に5日目までに検出することができ、8～9日目でピークに達した(図23C)。最大濃度効率は、それぞれ、10uM(DAPT)および50nM(A8301)で実現した(図23D)。デキサメタゾン(公知の肝細胞分化分子)を添加しても遺伝子発現は改善しなかった。肝細胞マーカーアルブミンおよび2F8に対する免疫蛍光ならびにAlbCreLacZ由来オルガノイド上でのXgal染色によって評価された時に、EGF、FGF10、A8301、およびDAPTの組み合わせは発現を増強するだけでなく、肝細胞様細胞数も増やした(図23EおよびF)。したがって、本発明者らは、上述の分化プロトコールがインビトロでの肝臓幹細胞培養物からの肝細胞様細胞の発生を容易にすると結論付けることができる。
方法
試薬
培養実験に使用した試薬を表4に示した。
マウス
以前に述べられたように、Lgr5-EGFP-ires-creERT2マウス(Barker N et al. Nature 2007;449:1003-7)、APCfl/fl (Sansom OJ et al. Genes Dev 2004;18:1385-90)、Axin2-lacZマウス(Lustig B et al. Mol Cell Biol 2002;22:1184-93)、C57B/6野生型マウス(6～12週齢)の遺伝子型を同定し、これらを実験に使用した。Lgr5-EGFP-ires-creERT2マウスをAPCfl/flマウスと交雑させた。Cre酵素活性をタモキシフェン(2mg/マウス)の腹腔内注射によって誘導した。タモキシフェン誘導の4週間後にマウスを安楽死させた。マウスの小腸および結腸を縦方向に切開し、冷PBSで洗浄し、陰窩単離のためにさらに処理した。腸腺腫を含有する領域を実体顕微鏡を用いて特定し、外科用メスで切断し、冷PBSで洗浄した。
ヒト組織材料
外科的に切除された腸組織を、Diaconessen Hospital UtrechtまたはUMCU Hospitalにいる30人の患者から得た。
20人の結腸癌患者(9人の盲腸-上行結腸、7人のS状結腸、4人の直腸;33～86歳)、スクリーニング結腸鏡検査を受けた5人の患者(33～63歳)、および5人のバレット食道患者(45～78歳)から患者材料を収集した。正常組織の場合、腫瘍まで3cmを超える距離を保った。腸組織を洗浄し、下にある筋肉層から剥がした。組織を約5mmの断片に切り刻み、冷PBSでさらに洗浄した。内視鏡生検材料(腸または食道)をUMCU病院から得た。それぞれの症例について、少なくとも5個の生検試料を収集し、冷PBSに入れて保存した。この研究はDHUおよびUMCUの倫理委員会によって認可され、全ての試料はインフォームドコンセントを得て得られた。
陰窩/腺腫単離および細胞解離
上清が透明になるまで、腸断片(マウス正常結腸、ヒト正常小腸および結腸)を冷PBSでさらに洗浄した。次に、組織断片を、2mM EDTA冷キレート化緩衝液(5.6mM Na2HP04、8.0mM KH2P04、96.2mM NaCL、1.6mM KCl、43.4mMスクロース、54.9mM D-ソルビトール、0.5mM DL-ジチオスレイトールを含む蒸留水)の中で氷上で30分間インキュベートした(Gregorieff A Gastroenterology 2005(129)626-638)。EDTA緩衝液を除去した後に、腸陰窩を単離するために、組織断片を10mlピペットを用いて冷キレート化緩衝液中で勢いよく再懸濁した。組織断片を通常重力下で1分間、沈殿させ、倒立顕微鏡観察による検査のために上清を除去した。再懸濁/沈降手順は典型的には6～8回であり、陰窩を含有しない上清を捨てた。陰窩を含有する上清を、ウシ血清アルブミンでコーティングした50mlファルコンチューブに収集した。単離された陰窩をペレット化し、冷キレート化緩衝液で洗浄し、単一の細胞から陰窩を分離するために150～200gで3分間、遠心分離した。
マウス結腸陰窩をペレット化し、TrypLE express(Invitrogen)と共に再懸濁し、37℃で15分間インキュベートした。この解離条件において、結腸陰窩は穏やかに消化され、それによって、結腸陰窩上部から結腸陰窩底部が物理的に分離された。タモキシフェン誘導性Lgr5-EGFPires-creERT2/APCf1/f1マウスに由来する腺腫を含有する腸断片を、2mM EDTAキレート化緩衝液中で氷上で60分間インキュベートした。冷キレート化緩衝液で洗浄した後、正常腸上皮細胞の大部分は剥離したが、腺腫細胞は間葉にくっついたままであった。次に、腺腫断片を消化緩衝液(2.5％胎仔ウシ血清、ペニシリン/ストロプトマイシン(Stroptomycin)(Invitrogen)、75U/mlコラゲナーゼIX型(Sigma)、125□g/mlディスパーゼII型(Invitrogen)を含むDMEM)の中で37℃で30分間インキュベートした。腺腫断片を通常重力下で1分間、沈殿させ、上清を50mlファルコンチューブに収集し、ペレット化し、PBSで洗浄した。単一の細胞から陰窩を分離するために、単離された腺腫細胞を150～200gで3分間、遠心分離した。
バレット上皮およびヒト結腸癌試料に由来する生検試料を5mm断片に切り刻み、PBSで数回洗浄した。組織断片を消化緩衝液中で37℃で60分間インキュベートした。消化後、組織断片を顕微鏡下で手作業で選んだ。
ソーティング実験のために、単離された陰窩を、2,000U/ml DNアーゼ(Sigma)を含むTrypLE express(Invitrogen)で37℃で60分間解離した。解離した細胞を20μmセルストレイナー(CellTrics)に通し、PBSで洗浄した。生存している単一の上皮細胞を、前方散乱光、側方散乱光およびパルス幅、ならびにヨウ化プロピジウムまたは7-ADD(eBioscience)のネガティブ染色によってゲーティングした。
腸陰窩、腺腫、バレット上皮、および結腸癌の培養
単離された腸陰窩、バレット上皮、および結腸癌細胞を血球計を用いて計数した。陰窩、上皮断片、または単一の細胞を氷上でmatrigel(低増殖因子、フェノールレッドフリー; BD bioscience)に埋め込み、48ウェルプレート(500個の陰窩/断片または1000個の単一の細胞/25μl matrigel/ウェル)に播種した。matrigelを37℃で10分間、重合し、以下の最適化された増殖因子の組み合わせを含有する250μl/ウェル基本培地(ペニシリン/ストレプトマイシン、10mM HEPES、Glutamax、1xN2、1xB27(全てInvitrogenから)、および1mM N-アセチルシステイン(Sigma)が添加されたAdvanced DMEM/F12)被せた: マウス腸腺腫についてはマウスEGF、マウス小腸陰窩についてはENR(マウスEGF、マウスノギン、ヒトR-スポンジン-1)、マウス結腸陰窩についてはWENR(組換えヒトWnt-3AまたはWnt-3A条件培地+ENR)、ヒト小腸/結腸陰窩についてはHISC(ヒト腸幹細胞:WENR+ガストリン+ニコチンアミド+A83-01+SB202190)、バレット上皮についてはHISC+ヒトFGF10。結腸癌細胞は不均一な挙動を示し、増殖因子、マウスEGFおよび/またはA83-01および/またはSB202190の添加を必要としない。細胞選別実験のために、アノイキスを避けるために最初の2日間、Y-27632(10μM;Sigma)を培地に含めた。試薬および各増殖因子の濃度を図12に示した。各臓器について最適化された増殖因子および低分子阻害剤の組み合わせのまとめを図12に示した。
画像分析
オルガノイドの画像は、Leica SP5、倒立顕微鏡(Nikon DM-IL)を用いて共焦点顕微鏡観察によって、または実体顕微鏡(Leica, MZ16-FA)によって撮影した。免疫組織化学の場合、試料を4％パラホルムアルデヒド(PFA)で室温で1時間、固定し、パラフィン切片を標準的な技法で処理した。前述のように免疫組織化学を行った。ホールマウント免疫染色の場合、陰窩オルガノイドを、Recovery solution(BD bioscience)を用いてMatrigelから単離し、4％PFAで固定した後に、0.1％Triton X-100で透過処理した。一次抗体は、マウス抗Ki67(1:250, Monosan)、ウサギ抗Muc2(1:100, Santa Cruz)、ウサギ抗リゾチーム(1:1,000, Dako)、ウサギ抗シナプトフィジン(1:100, Dako)、および抗クロモグラニンA(1:100, Santa Cruz)であった。二次抗体はペルオキシダーゼ結合抗体またはAlexa-568結合抗体であった。EdU染色は製造業者のプロトコール(Click-IT; Invitrogen)に従った。DNAをDAPI(Molecular Probes)で染色した。三次元画像を共焦点顕微鏡観察によって取得し、Volocityソフトウェア(Improvision)によって再構築した。
マイクロアレイ分析およびリアルタイムPCR分析
データはアクセッション番号GSE28907でGEOデータベースに寄託された。
実施例6-プロスタグランジン-2またはアラキドン酸を含む肝臓オルガノイド培養
肝臓オルガノイドのインビトロ生存、増殖、および拡大は、基本培地へのプロスタグランジンE2(PGE2)またはアラキドン酸(AA)の添加によって強力に向上した。
図25および図26から、50nMのPGE2の添加(10～500nMの範囲でも作用するように見られる)または10ug/mlのAAの添加(100ug/mlでも作用するが、良好に作用しない)によって、基本培地単独の使用より大きなオルガノイドの数が増えることが分かる。重要なことに、PGE2またはAAを添加することによって拡大期間が長くなる。これは、増殖が減少または減速する前に、さらに多く集団倍加するようにオルガノイドを拡大できることを意味する。PGE2の非存在下では、1週間に5倍拡大して5週間培養した後に増殖低下が見られた。PGE2の存在下では、1週間に5倍拡大して少なくとも8週間より前では増殖は低下しない。PGE2はAAよりわずかに大きな効果を有するように見られた。使用した基本培地は、hEGF(100ng/ml, Invitrogen);ヒトノギン(hノギン)(25ng/ml, peprotech);ガストリン(10nM, sigma);hFGF10(peprotech);ニコチンアミド(10mM, sigma);A8301(500nM, Tocris);hHGF(50ng/ml, peprotech);Rspo条件培地(10％)であった。
PGE2およびAAはいずれも、リン脂質、プロスタグランジンG2(PGG2)、プロスタグランジンF2(PGF2)、プロスタグランジンH2(PGH2)、プロスタグランジンD2(PGD2)と共に同じプロスタグランジンシグナル伝達経路にある(図24を参照されたい)。この経路の他の任意の活性化成分の添加が培養培地に対して同じ有益な効果を有すると予想される。
PGE2またはAAの添加が拡大培養培地に特に有益である。しかしながら、ある状況では、これらは分化培地にも含まれる場合がある。
実施例7-GSK3阻害剤は培養培地において有効なWntアゴニストである
GSK3阻害剤であるCHIR99021は培養培地に有効なWntアゴニストだと示された。特に、CHIR99021は、結腸オルガノイドおよび肝臓オルガノイド用の培養培地における適切なWnt代用品であることが示された。
さらに、実施例6を発展させたものとして、図25は、CHIR99021(Wntアゴニスト)およびPGE2の存在下で増殖させたヒト肝臓細胞が、Wntアゴニスト単独またはPGE2単独と共に増殖させた細胞より多くのかつ大きなオルガノイドを生じ、基本培地のみより間違いなく多くの/大きなオルガノイドを生じることを示す。
したがって、WntもしくはRスポンジン1～4などの他のWntアゴニストの代わりに、またはこれらに加えてGSK3阻害剤を培養培地中に使用することができた。
GSK3がWnt経路だけではなく多数の異なる経路に関与しているので、CHIR99021が、このような有効なWnt代用品であったことは驚くべきことである。この知見は、培養培地において有用であり得る、GSK3を標的とする他のWntアゴニストを設計する可能性を開く。
実施例8-前立腺
前立腺上皮の単離(マウスプロトコール)
番号のついた工程は図47に対応する。
i)マウスから成熟前立腺を単離し、泌尿生殖洞を単離するために、最低8週齢の雄マウスを屠殺する。
ii)血管および結合組織を破壊/切断し、尿道の底部を切開することによって精嚢を除去する。
iii)尿道の底部付近にある膀胱を破壊/切断することによって膀胱を取り除く。
iv)残っている精嚢および脂肪組織を穏やかに引っ張り、切断することによって取り除く。残しておくべきものは、前立腺葉(前立腺葉のうち6つ)および中央にあるピンク色の構造、尿道である。
v)ピンク色で容易に認められる(写真の中では濃く染色されている)尿道を取り出す。前立腺葉を注意深く引っ張る。そのため、前立腺葉は尿道とくっついていない。引っ張ってばらばらにするだけで、それぞれの葉が1つ1つ分離する。または、前立腺全体を用いて続ける。
次に、前立腺(葉)を小さな断片に切り刻む。前立腺を1mlの10mg/mlコラゲナーゼII(ADMEM/F12に溶解)の中で1 1/2時間、37℃で消化する。コラゲナーゼ消化後には上皮細胞の「指状」構造しか残らないはずである。
-ADMEM/F12で洗浄する。
-塊を沈殿させ、上清を取り出す(低速遠心分離によって、ほとんどの間葉が取り除かれる)。
-50xG、4℃で5分間、遠心分離する。
-1mlトリプシン(TLE)に再懸濁し、37℃で約30分間、消化する。
確実に消化するために10分ごとに上下にピペッティングする。
-ADMEM/F12で洗浄する。
-ENRまたはENR+1nMジヒドロテストステロンの中で培養を開始する(約5000細胞/ウェルで播種する)(0.1nM～10uM)。本発明者らは上限を知らない。
-または、FACSによって特定の細胞タイプの単離を続ける。
結果
前記の方法に従ってENR+ジヒドロテストステロンの中で培養した前立腺上皮細胞は今までに35週間維持することができた。テストステロンの存在下で培養物はテストステロン非存在下と同様に拡大する。しかしながら、テストステロンの存在下では、幹細胞、TA細胞、および分化細胞を含む全ての細胞タイプが存在する。すなわち、幹細胞集団を維持しながら分化が増大する。テストステロンの存在下で増殖させた前立腺オルガノイドはまたインビボ臓器にもよく似ている(図41および図42を参照されたい)。さらに、IHCおよびRT-PCRから、テストステロンの存在下で増殖させた前立腺オルガノイドは基底細胞および管腔細胞を両方とも含有することが分かる。
本発明はまた以下の番号の態様も提供する。
1. TGFβ受容体キナーゼ1、ALK4、ALK5、ALK7、p38を含む群より選択される1種または複数種のセリン/スレオニンプロテインキナーゼ標的に結合しかつその活性を低減する少なくとも1種または複数種の阻害剤を含み、かつ少なくとも3ヶ月間の連続増殖を可能にする、幹細胞集団を拡大させるための培養培地。
2. 少なくとも1種または複数種の阻害剤が、
a) ALK5に結合しかつその活性を低減する阻害剤; および
b) p38に結合しかつその活性を低減する阻害剤
を含む、態様1記載の培養培地。
3. 阻害剤が、細胞アッセイによって評価された時に、阻害剤の標的に結合し、かつ該標的の活性を95％超低減する薬剤である、態様1または態様2記載の培養培地。
4. 阻害剤が100nM未満のIC50値を有する、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
5. 阻害剤が、競合的に; 非競合的に; 不競合的に; または混合阻害によって作用する、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
6. 阻害剤が競合的に作用し、かつセリン-スレオニンプロテインキナーゼ標的のATP結合ポケットに結合する、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
7. 阻害剤が、a) 低分子阻害剤; b) タンパク質もしくはペプチド; c) アンチセンスオリゴヌクレオチド; またはd) アプタマーである、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
8. 低分子阻害剤が50～800Daの分子量を有する、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
9. 阻害剤がピリジニルイミダゾールまたは2,4-二置換プテリジンまたはキナゾリン由来阻害剤である、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
10. 阻害剤が10nM～10μMの濃度で添加される、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
11. 阻害剤が、SB-202190、SB-203580、SB-206718、SB-227931、VX-702、VX-745、PD-169316、RO-4402257、BIRB-796、A83-01、LY364947、SB-431542、SB-505124、SB-525334、LY364947、SD-093、およびSJN2511を含む化合物の群より選択される、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
12. SB-202190またはSB-203580が50nM～100uMの濃度で添加される、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
13. 幹細胞がヒト幹細胞である、前記態様のいずれかに記載の培養培地。
14. 幹細胞が上皮幹細胞である、前記態様のいずれかに記載の培養培地。
15. ヒト上皮幹細胞が、a) 膵臓幹細胞; b) 腸幹細胞; またはc) 結腸幹細胞である、態様14記載の培養培地。
16. 幹細胞がオルガノイドの一部または単離された組織断片を形成する、前記態様のいずれかに記載の培養培地。
17. 幹細胞が癌幹細胞である、前記態様のいずれかに記載の培養培地。
18. 1ヶ月後、2ヶ月後、または3ヶ月後、またはそれより後で、幹細胞集団中の正常核型を有する細胞のパーセンテージが90％超である、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
19. 1ヶ月後、2ヶ月後、または3ヶ月後、またはそれより後で、幹細胞集団中の正常表現型を有する細胞のパーセンテージが90％超である、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
20. 幹細胞が3ヶ月間より長く、例えば6ヶ月間より長く生存する、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
21. 幹細胞が12～36時間、18～30時間、または約24時間の平均集団倍加時間を有する、前記態様のいずれか一つに記載の培養培地。
22. 動物細胞またはヒト細胞のための基本培地、ならびに
a) 1種または複数種の骨形成タンパク質(BMP)阻害剤;
b) 1種または複数種の分裂促進増殖因子; および
c) 1種または複数種のWntアゴニスト
を含む、前記態様のいずれかに記載の培養培地。
23. ガストリンおよび/またはニコチンアミドを含む、前記態様のいずれかに記載の培養培地。
24. 以下の工程を含む、幹細胞集団を拡大させるための方法:
a) 幹細胞集団を用意する工程;
b) 前記態様のいずれか一つに記載の培養培地を用意する工程;
c) 幹細胞を培養培地と接触させる工程; および
d) 適切な条件下で細胞を培養する工程。
25. 前記態様のいずれかに記載の培養培地および幹細胞を含む、組成物。
26. 本発明による培養培地および細胞外マトリックスを含む、組成物。
27. 前記態様のいずれかに記載の1種または複数種の阻害剤を含む、培養培地サプリメント。
28. 前記態様のいずれかに記載の培養培地または態様27記載の培養培地サプリメントを含有する、密閉封止された容器。
29. FGF10をさらに含む培養培地であって、バレット食道上皮を培養するための態様1～23のいずれかに記載の培養培地。
30. 移植目的または他の治療用途における使用のための、前記態様のいずれかに記載の培養培地を用いて得られた幹細胞またはオルガノイド。
31. β細胞を含む膵臓オルガノイド。
32. α細胞、δ細胞、およびPP細胞をさらに含む、態様31記載の膵臓オルガノイド。
33. α細胞、β細胞、δ細胞、およびPP細胞を含む、態様31または32のいずれか一つに記載の膵臓オルガノイド。
34. Pdx1、Nkx2.2、およびNkx6.1のうちの1つ、2つ、または3つ全てを発現する、態様31または33のいずれか一つに記載の膵臓オルガノイド。
35. NeuroD、Pax6、およびMafaのうちの1つ、2つ、または3つ全てを発現する、態様31～34のいずれか一つに記載の膵臓オルガノイド。
36. Ngn3を付加的に発現する、態様35記載の膵臓オルガノイド。
37. 患者にオルガノイドを移植した後にインシュリンを分泌することができる膵臓オルガノイド、例えば態様31～36のいずれか一つに記載の膵臓オルガノイド。
38. 糖尿病などのインシュリン欠乏障害を有する患者の治療における使用のための、態様31～37のいずれか一つに記載の膵臓オルガノイド。
39. 態様31～37のいずれか一つに記載の膵臓オルガノイドを患者に移植する工程を含む、糖尿病などのインシュリン欠乏障害を有する患者を治療する方法。
40. 陰窩-絨毛オルガノイド、結腸オルガノイド、膵臓オルガノイド、胃オルガノイド、バレット食道オルガノイド、腺癌オルガノイド、および結腸癌腫オルガノイドからなる群より選択される、ヒトオルガノイド。
41. 損傷上皮、例えば微絨毛封入体病(microvillous inclusion disease)(MVID)患者の損傷上皮の治療における使用のための、態様1～23のいずれかに記載の培養培地を用いて得られた小腸オルガノイドまたは陰窩-絨毛オルガノイド。
42. 分裂促進増殖因子(例えば、EGF)などの1種または複数種の受容体型チロシンキナーゼリガンド、ニコチンアミド、および好ましくはWntアゴニスト、好ましくはR-スポンジン1～4および/またはCHIR99021、ならびにa) PGE2および/もしくはAAなどのプロスタグランジン経路アクチベーターおよびb) A83-01などのTGF-β阻害剤の一方または両方が添加された、動物細胞またはヒト細胞のための基本培地を含む、または該基本培地からなる、肝臓培地。

Claims (21)

  1. 以下を含む、単一の成体上皮幹細胞または成体上皮幹細胞集団を培養するための培養培地：
    i. Lgr5のアゴニスト；および
    ii. p38阻害剤；および
    iii. EGF受容体のリガンド。
  2. Lgr5のアゴニストがRスポンジン1～4のいずれか1つである、請求項1記載の培養培地。
  3. p38阻害剤が、SB-202190、SB-203580、VX-702、VX-745、PD-169316、RO-4402257、およびBIRB-769からなる群より選択される、請求項1または2記載の培養培地。
  4. EGF受容体のリガンドがEGFである、請求項1～3のいずれか一項記載の培養培地。
  5. TGF-β阻害剤をさらに含む、請求項1～4のいずれか一項記載の培養培地。
  6. TGF-β阻害剤が、ALK5、ALK4および/またはALK7に結合し、かつその活性を低減する、請求項5記載の培養培地。
  7. ALK5、ALK4またはALK7に結合しかつその活性を低減する阻害剤が、A83-01、SB-431542、SB-505124、SB-525334、SD-208、LY-36494、およびSJN-2511からなる群より選択される、請求項6記載の培養培地。
  8. BMP阻害剤、Wntアゴニスト、受容体型チロシンキナーゼリガンド、ニコチンアミド、Rock阻害剤、ガストリン、RANKL、GSK3阻害剤、プロスタグランジンシグナル伝達経路のアクチベーター、およびテストステロンより選択される1種または複数種の付加的な成分を含む、請求項1～7のいずれか一項記載の培養培地。
  9. 請求項1～8のいずれか一項記載の培養培地、および細胞外マトリックス、またはインテグリンなどの細胞膜タンパク質と相互作用することによって細胞外マトリックスを模倣する3Dマトリックス、例えばMatrigel(商標)(BD Biosciences)などのラミニン含有細胞外マトリックスを含む、組成物。
  10. 請求項1～9のいずれか一項記載の培養培地または組成物を含有する、密閉封止された容器。
  11. 単一の成体上皮幹細胞、成体上皮幹細胞集団、単一の成体上皮幹細胞もしくは成体上皮幹細胞集団を含む組織断片、または単一の成体上皮幹細胞もしくは成体上皮幹細胞集団を含むオルガノイドを培養するための、請求項1～8のいずれか一項記載の培養培地の使用。
  12. 単一の成体上皮幹細胞または成体上皮幹細胞集団を請求項1～8のいずれか一項記載の培養培地中で培養する工程を含む、単一の成体上皮幹細胞、成体上皮幹細胞集団、または単一の成体上皮幹細胞もしくは成体上皮幹細胞集団を含む組織断片を拡大させるための、好ましくはオルガノイドを得るためにそれらを拡大させるための方法。
  13. 細胞外マトリックス、またはインテグリンなどの細胞膜タンパク質と相互作用することによって細胞外マトリックスを模倣する3Dマトリックス、例えばMatrigel(商標)(BD Biosciences)などのラミニン含有細胞外マトリックスと、成体上皮幹細胞、成体上皮幹細胞集団、または単一の成体上皮幹細胞もしくは成体上皮幹細胞集団を含む単離された組織断片、および請求項1～8のいずれか一項記載の培養培地とを接触させる工程を含む、請求項12記載の方法。
  14. 以下の工程を含む、請求項12または請求項13記載の方法:
    成体上皮幹細胞、成体上皮幹細胞集団、または単一の成体上皮幹細胞もしくは成体上皮幹細胞集団を含む組織断片を請求項1～8のいずれか一項記載の培養培地中で培養する工程;
    該成体上皮幹細胞、成体上皮幹細胞集団、または組織断片を培養し続け、かつ該培地に、TGF-β阻害剤、p38阻害剤、ニコチンアミド、およびWntより選択される因子の1つまたは複数、好ましくはそれらの全てを含まない分化培地を補充する工程。
  15. 請求項12～14のいずれか一項記載の方法によって得ることができる、培養の少なくとも3ヶ月後にその構造を保持しているオルガノイドまたは細胞集団。
  16. 以下を含む組成物:
    i) 請求項15記載の1つまたは複数のオルガノイドまたは細胞集団;ならびに
    ii) 請求項1～8のいずれか一項記載の培養培地および/または細胞外マトリックス。
  17. 薬物スクリーニング、ターゲットバリデーション、ターゲット発見、毒物学、毒性スクリーニング、またはエクスビボ細胞/臓器モデルのための、例えば疾患モデルとしての使用のための、請求項15記載のオルガノイドまたは請求項15記載の細胞集団または請求項16記載の組成物の使用。
  18. 薬物スクリーニング、ターゲットバリデーション、ターゲット発見、毒物学、毒性スクリーニング、またはエクスビボ細胞/臓器モデルのための、例えば疾患モデルとしての使用のための、請求項9記載の組成物の使用。
  19. 医療または診断で使用するための、請求項15記載のオルガノイドまたは請求項15記載の細胞集団または請求項16記載の組成物であって、任意で該医療は個別化医療または再生医療である、前記オルガノイドまたは細胞集団または組成物。
  20. 医療または診断で使用するための、請求項9記載の組成物であって、任意で該医療は個別化医療または再生医療である、前記組成物。
  21. 治療用もしくは予防用の薬物または化粧料をスクリーニングするための方法であって、
    請求項15記載のオルガノイドまたは細胞集団を、例えば請求項1～8に記載の培養培地で培養する工程；
    前記オルガノイドまたは細胞集団を候補分子の1つまたはライブラリーに曝露する工程；
    前記オルガノイドまたは細胞集団を任意の効果について、例えば、増殖の低減もしくは消失などの任意の細胞変化、形態学的変化、および/または細胞死について評価する工程；および
    前記効果を引き起こす候補分子を、潜在的な薬物または化粧料として特定する工程 を含む、前記方法。
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