JPWO2018168955A1 - 細胞のin vivoでの特性を反映した細胞の反応の評価 - Google Patents
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Abstract
Description
このように、細胞は、その細胞が接する周辺組織の微小環境に応じて、状態や分化の方向性を変える。
発明者らの検討により、このような人工的な剛性条件では、本来生体内で細胞に起きている反応が観察できない場合があることが明らかとなった。
項1.細胞のin vivoでの特性をin vitroで発現するために、細胞が生体内で認識する周囲環境の剛性を反映した剛性を有し、かつ前記剛性が剪断弾性率で100kPa以下である支持体と細胞とを接触させる工程と、
in vivoの細胞の特性をin vitroで導入及び/又は発現した細胞の特性をin vitroで維持する工程と、
前記特性が導入、及び/又は維持されている細胞に、シグナルを入力する工程と、
入力されたシグナルに対する細胞の反応を測定する工程と、
を含む、細胞の反応の評価方法(ただし、前記細胞に間葉系幹細胞は含まない)。
項2.前記シグナルは、化学的因子及、物理的因子及び生物学的因子よりなる群から選択される少なくとも一つの因子を細胞に負荷することによって細胞に入力される、項1に記載の方法。
項3.化学的因子が、化合物、イオン、気体、核酸、糖質、脂質、糖タンパク質、糖脂質、リポタンパク質、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、ポリフェノール類、サイトカイン類及びケモカインよりなる群から選択される少なくとも一種である、項1又は2に記載の方法。
項4.物理的因子が、細胞の周囲環境の剛性、圧力、張力、光、放射線、酸素濃度、pH及び温度よりなる群から選択される少なくとも一種である、項1又は2に記載の方法。
項5.生物学的因子が、細菌、真菌、ウイルス、アレルゲン、ヒト細胞、ヒト以外の動物細胞及びこれらに含まれる成分より選択される少なくとも一種である、項1又は2に記載の方法。
項6.細胞が肝細胞であり、支持体の剛性が0.2〜5kpaである、項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
項7.細胞の反応が薬物代謝酵素の誘導、非アルコール性脂肪肝炎のメカニズム、又は特発性肝障害を示す、項6に記載の方法。
項8.細胞の反応が前記因子の効能又は毒性である、項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
項9.細胞が心筋細胞であり、支持体の剛性が5〜100kpaである、項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
項10.化学的因子が酸化ストレス誘導物質であり、細胞の反応が酸化ストレス応答である、項9に記載の方法。
項11.酸化ストレス誘導物質がグルコースである、項10に記載の方法。
項12.細胞のin vivoでの特性をin vitroで発現するために、細胞が生体内で認識する周囲環境の剛性を反映した剛性を有し、かつ前記剛性が剪断弾性率で100kPa以下である支持体と細胞とを接触させる工程と、
in vivoの細胞の特性をin vitroで導入及び/又は発現した細胞の特性をin vitroで維持する工程と、
前記特性が導入、及び/又は維持されている細胞に、シグナルを入力する工程と、
シグナルの入力に先立って、シグナルの入力と同時に、又はシグナルの入力の後に、疾患、又は障害を予防、治療又は改善するための候補物質と細胞とを接触させる工程と、
入力されたシグナルに対する細胞の反応を測定する工程と、
を含む、疾患、又は障害を予防、治療又は改善するための候補物質のスクリーニング方法(ただし、前記細胞に間葉系幹細胞は含まない)。
項13.前記シグナルは、化学的因子及、物理的因子及び生物学的因子よりなる群から選択される少なくとも一つの因子を細胞に負荷することによって細胞に入力される、項12に記載の方法。
項14.化学的因子が、化合物、イオン、気体、核酸、糖質、脂質、糖タンパク質、糖脂質、リポタンパク質、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、ポリフェノール類、サイトカイン類及びケモカインよりなる群から選択される少なくとも一種である、項12又は13に記載の方法。
項15.物理的因子が、細胞の周囲環境の剛性、圧力、張力、光、放射線、酸素濃度、pH及び温度よりなる群から選択される少なくとも一種である、項12又は13に記載の方法。
項16.生物学的因子が、細菌、真菌、ウイルス、アレルゲン、ヒト細胞、ヒト以外の動物細胞及びこれらに含まれる成分より選択される少なくとも一種である、項12又は13に記載の方法。
項17.細胞が肝細胞であり、支持体の剛性が0.2〜5kPaである、項12〜16のいずれか一項に記載の方法。
項18.細胞の反応が薬物代謝酵素の誘導、非アルコール性脂肪肝炎のメカニズム、又は特発性肝障害を示す、項17に記載の方法。
項19.細胞の反応が前記因子の効能又は毒性である、項12〜16のいずれか一項に記載の方法。
項20.細胞が心筋細胞であり、支持体の剛性が5〜100kPaである、項12〜16のいずれか一項に記載の方法。
項21.化学的因子が酸化ストレス誘導物質であり、細胞の反応が酸化ストレス応答である、項20に記載の方法。
項22.酸化ストレス誘導物質がグルコースである、項20に記載の方法。
項23.細胞のin vivoでの特性をin vitroで発現するために、細胞が生体内で認識する周囲環境の剛性を反映した剛性を有し、かつ前記剛性が剪断弾性率で100kPa以下である支持体を含む、請求項12〜22に記載の細胞の反応の評価方法、又は請求項1〜11に記載のスクリーニング方法を実施するためのキット。
項24.さらに目的とする細胞の反応の評価又はスクリーニングを実施するために適した細胞を含む、項23に記載のキット。
細胞の反応の評価方法(以下、単に「評価方法」とする)について説明する。
評価方法において、物理的因子、化学的因子又は生物学的因子として、例えば疾患、又は障害を予防、治療又は改善するための候補物質を用いてもよい。また、シグナルの入力(好ましくは細胞に障害を来すシグナルの入力)と、疾患、又は障害を予防、治療又は改善するための候補物質の添加を組み合わせて細胞の反応の評価を行ってもよい。すなわち評価方法は、疾患、又は障害を予防、治療又は改善するための候補物質のスクリーニング方法としても使用できる。
評価方法の一態様は、筋細胞を使用した評価方法に関する。また、筋細胞障害モデル、及び筋細胞障害を予防、治療又は改善するための候補物質のスクリーニング方法に関する。評価方法の項に記載された用語で、本項でも使用される用語については、評価方法の項の説明をここに援用する。
評価方法の一態様は、肝細胞を使用した評価方法に関する。また、評価方法は、肝細胞障害(特に特発性薬剤性肝障害)の評価、非アルコール性脂肪肝炎のメカニズムの解析方法、及び肝細胞障害を予防、治療又は改善するための候補物質のスクリーニング方法を含む。評価方法の項に記載された用語で、本項でも使用される用語については、評価方法の項の説明をここに援用する。
「剛性」の定義は、評価方法の項の説明にしたがう。
本発明には、上記1.〜4.で述べた細胞の反応の評価方法、スクリーニング方法、筋細胞障害モデル、及び肝細胞障害モデルを実現するためのキットを含む。キットは、細胞の反応の評価方法、スクリーニング方法、筋細胞障害モデル、及び肝細胞障害モデルを実施するために必要な細胞が、in vivoにける特性をin vitroで発現するように、生体内で認識する周囲環境の剛性を反映した剛性を有し、かつ前記剛性が剪断弾性率で100kPa以下である支持体(上記1.〜4.で述べた支持体)を含む。また、キットは、目的とする細胞の反応の評価方法、スクリーニング方法、筋細胞障害モデル、及び肝細胞障害モデルを実施するために適した細胞を含んでいてもよい。この他、キットは、前記細胞に適した培地、サイトカインやインヒビター等の添加物、抗生物質、バッファー等を含んでいてもよい。上記1.〜4.に記載の細胞の反応の評価方法、スクリーニング方法、筋細胞障害モデル、及び肝細胞障害モデルの説明は、ここに援用される。
(1)ポリアクリルアミドゲルの剛性
ゲルの剛性を変化させるために、ポリマー質量を一定の7.5%とし、ビスアクリルアミド濃度を0.01%、0.03%または0.3%に変化させて、アクリルアミドおよびビスアクリルアミド(Fisher Biotech, Loughborough, Leicestershire, UK)溶液を調製した。アクリルアミド及びビスアクリルアミドを含む溶液を後述するひずみ制御型rheometrics fluids spectrometer IIIのプレート間に流し込み、過硫酸アンモニウム及びN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン(TEMED)を添加してとのまま重合させ、動的剛性率を測定した。
0.1NのNaOHを200μlのピペットで滴下し、直径22 mmのガラス製カバーガラス(Fisherbrandカタログ番号12-545-101;Fisher Scientific, Pittsburgh, PA)の表面を5分間覆った。NaOH溶液を吸引し、3-APTMS(3−アミノプロピルトリメトキシシラン、Sigma社のNo.28-1778、Sigma, St. Louis, MO)200μlを3分間適用した。このガラス製カバーガラスを脱イオン水で十分にすすいで残っている3-APTMS溶液を洗い流し、0.5%vグルタルアルデヒド(Sigma社のNo.G7651)水溶液200μlを20分間カバーガラスに加えた。
カバーグラスを培養皿中に置き、0.05mg/mlのフィブロネクチン及び0.1mg/mlのI型コラーゲンの混合液またはIV型コラーゲン溶液を加えて、30分間UV照射の後、室温で2-3時間静置し、表面を被覆した。
(1)15 kPaのポリアミドゲル支持体での初代培養心筋細胞の培養
図4に示すように、Wistarラットの生後1〜3日の新生児の心室を採取し、IV型のコラゲナーゼとディスパーゼで消化した。酵素的に単離した細胞を、プラスチックの培養皿に播種し、37℃で5%炭酸ガスを含む細胞培養インキュベーター内で40分間培養した。そして共存する線維芽細胞を培養皿の底に定着させて除去した後に上清を回収、遠心分離して回収した心筋細胞を、上記ポリアクリルアミド支持体に播種し、5 mMグルコース(正常血糖に相当)を含む5%FCS加DMEM(低グルコース)(L-グルタミン、フェノールレッド含有)で培養した。
図5に示すように、心筋収縮に寄与する細胞骨格系を評価した。ガラスの上では、心筋細胞は不整列なアクチン・ネットワークと筋線維分節を示した。生体の心臓の剛性に近い、15 kPaの支持体上で培養された場合にのみ、心筋細胞は整列した筋線維分節を作り上げて行くことが分かった。生理学的な剛性の15 kPaであれば、心筋細胞は細長い形状を形成することが示された。
以上の結果は、心筋細胞が整列した筋線維分節の構造を形成するには、生理学的な剛性を持った支持体が必要であることを示している。
(1)方法
実施例1と同様に心筋細胞の培養を15 kPaの支持体上で行い、最後に5 mM〜25 mMのグルコース濃度の培地に交換して1〜2日の培養を行った。細胞骨格の評価は、α−アクチニン抗体と、F−アクチンに結合するPhalloidinを蛍光ラベルされたものを用いて蛍光免疫染色を行い評価した。
図6に示すように、25 mMの高グルコース濃度で培養すると、細胞骨格構造(α-アクチニン、及びF−アクチン)は15 kPaゲル上の培養心筋細胞で崩壊したが、ガラス上の培養細胞ではその崩壊は認められなかった。また、高グルコース刺激と同様の浸透圧刺激を与える高マンニトール刺激では15 kPaゲル上の培養心筋細胞における細胞骨格構造の崩壊が見られず、高グルコースでの細胞骨格の崩壊は浸透圧による影響ではないことが明らかとなった。
(1)方法
実施例1と同様に初代培養心筋細胞を単離した後1〜2日間正常な濃度(5 mM)のグルコースを含む10%FCS加DMEMで培養し、最後に1時間過酸化水素を負荷した(10μM、50μM)。細胞骨格の評価は、α−アクチニン抗体を用いて蛍光免疫染色を行い評価した。
図7に示すように、10μM、50μMの過酸化水素を曝露すると、細胞骨格構造(α-アクチニン)は15 kPaゲル上の培養心筋細胞で崩壊したが、ガラス上ではその崩壊は認められなかった。高グルコース負荷で細胞骨格の崩壊が起きることの原因の一つに酸化ストレスの蓄積が考えられるため、過酸化水素を直接負荷したが、やはり高グルコース負荷と同様の変化がみられた。
心筋細胞における慢性合併症に繋がるイベントを確認するため、2型糖尿病患者のありふれた高血糖である10〜15 mMグルコース濃度がミトコンドリアに及ぼす影響を、15 kPaのゲル上の培養心筋細胞と、ガラス上の培養心筋細胞とで比較することを行った。
図8に示すような方法で行った。N−アセチルシステイン(NAC)をROSの除去剤(scavenger)として使用した。まず、新たに調製された初代培養心筋細胞のミトコンドリアにおけるROS蓄積を、蛍光試薬CM-H2DCFDAを指示薬として評価した。CM-H2DCFDAは、細胞膜透過性を有するROSの蛍光指示薬であり細胞内のROS、特に過酸化水素やヒドロキシラジカルによって酸化されることにより緑色の蛍光が増加することが知られている。
図9に示されるように、正常なグルコース濃度におけるROSの蓄積量は、ガラス支持体よりも15 kPaゲル支持体での培養心筋細胞で顕著に低い値を示した。一方、高グルコース濃度では、ガラス支持体と15 kPaゲル支持体上の培養心筋細胞は共にROS蓄積量が増加した。しかし、ROS除去剤であるNACの作用で15 kPa支持体上の培養心筋細胞では、ガラス上の培養心筋細胞に比較し、高グルコース負荷によるROS蓄積が極めて効率よく除去された。
6.実施例5:15 mMグルコース濃度が初代培養心筋細胞のミトコンドリア膜電位に及ぼす影響
ミトコンドリアの膜電位の評価は、JC-I染色により評価する。ミトコンドリア膜電位を検出するプローブであるJC-1色素は、正に荷電しているため、電気陰性的なミトコンドリア内部に蓄積する。JC-I色素によるミトコンドリア膜電位依存的なミトコンドリア内部への蓄積は、緑色(約529 nm)から赤色(約590 nm)への蛍光波長シフトによって示される。すなわち、ミトコンドリアが障害を受けた時には、JC-I色素のミトコンドリア内部への蓄積が減少するため、赤色の比率が低下し、緑色が支配的になってくる。このことから、ミトコンドリアの膜電位は、赤色/緑色の蛍光強度比の減少によって示すことができる(Circulation.2005;111:p2752-2759)。そこで、心筋細胞に24時間の高グルコース負荷を行った後、JC-1色素を取り込ませて(37℃、30分)共焦点レーザー顕微鏡で蛍光画像を取得し評価した。
図10及び図11に示されるように、正常グルコース濃度でのミトコンドリア膜電位は、ガラス支持体での培養心筋細胞よりも、15 kPaゲル支持体上の培養心筋細胞の方がより顕著に高くなっていることが見出された。更に、15 kPaゲル支持体上の培養心筋細胞においては、中程度の高グルコース濃度(15 mM)でミトコンドリア膜電位が、有意に減少するが、ROS除去剤NAC(1 mM)によってROSを除去すると顕著に回復した。この結果は、ミトコンドリア内でのROS蓄積の結果と相関していた。一方でガラス上の培養心筋細胞では、高グルコース負荷で低下した膜電位がROS除去剤によって回復せず、ROS蓄積レベルとミトコンドリア膜電位の減少との間に相関性は見られなかった。即ち、ガラス支持体よりも、15 kPaゲル支持体上の培養心筋細胞の方が、基底状態におけるミトコンドリア活性が高く、かつグルコース濃度上昇に伴うROS蓄積に応じてミトコンドリア活性が低下し、生体内で心筋細胞が酸化ストレスに暴露された際の挙動に近いことを示している。この相違点については次のアポトーシスアッセイの結果と合わせて考察する。
(1)方法
15 kPaゲル支持体上とガラス支持体上での初代培養心筋細胞のアポトーシスの相違を比較するため、In situ Cell Death Detection kit-FITC (Roche)を用いてTUNEL(terminal deoxynucleotidyl-transferase-mediated dUTP nick end-labeling)アッセイを行った。なお、TUNELアッセイは、アポトーシスのシグナル伝達経路の中で派生してくるDNA断片を検知する一般的な方法である(Cell Death and Disease(2014)5, e1479; doi:10.1038/cddis. 2014.430)。DNAの断片化を起こした細胞をラベル化し緑色の蛍光として捕捉することができる。細胞核を染めるDAPI色素と二重染色することで、一視野あたりの死細胞(TUNEL陽性核/全核数)を算出することができる。心筋細胞を高グルコース負荷した後、TUNEL色素を取り込ませ反応させた(37℃、60分)。その後、DAPIを含んだ蛍光劣化防止剤で封入し正立蛍光顕微鏡で画像を取得して解析した。
a)培養支持体の相違による初代培養心筋細胞のアポトーシス確認
図12に示すように、DNaseI処理によるTUNEL陽性核は、ガラス支持体と15 kPaゲル支持体のどちらでも同様に観察された。この結果から、15 kPaゲル支持体上でのアポトーシス細胞を評価できると考えられた。
図13及び図15に示すように、高グルコース濃度がアポトーシスにもたらす影響を、TUNELアッセイで評価した。その結果、ガラス支持体上での培養心筋細胞では正常グルコース濃度においてもアポトーシスを認め、高グルコース濃度に曝露するとアポトーシスが著明に誘導された。更にROS除外剤NAC(1 mM)を添加してもアポトーシスは抑制されなかった。
図14及び図15に示すように、15 kPaゲル支持体上の培養心筋細胞中のTUNEL陽性核は、ガラス支持体上の培養心筋細胞と比較すると顕著に少なかった。
(1) 方法
実施例5と同様に行った。15 kPaゲル支持体上とガラス支持体上での初代培養心筋細胞を培養し、高グルコース負荷を行った(15 mM、24時間)。その後、培養液をROS除去剤、あるいは正常グルコース濃度(5 mM)のものに交換して24時間培養した後JC-1色素を取り込ませて(37℃、30分)共焦点レーザー顕微鏡で蛍光画像を取得し評価した。
図16に示すように、15 kPaゲル上の培養心筋細胞のミトコンドリア膜電位は、高グルコース濃度(15 mM)による培養の後にROS除去剤の入った培養液に交換することで回復した。また、正常グルコース濃度の培養液に交換すると、部分的にミトコンドリア膜電位が回復することがわかった。一方、ガラス支持体上の心筋細胞のミトコンドリア膜電位は、ROS除去剤入りの培養液に交換、あるいは正常グルコース濃度の培養液に交換しても回復しないことがわかった。
骨格筋細胞における高血糖の影響を確認するため、2型糖尿病患者のありふれた高血糖である10〜15 mMグルコース濃度がミトコンドリアに及ぼす影響を、15 kPaのゲル上の培養骨格筋細胞と、ガラス上の培養骨格筋細胞とで比較することを行った。
(1)方法
ラット骨格筋芽細胞はコスモバイオから入手した。細胞と共に提供された分化用培地(内容非公開)を用い、コスモバイオ指定のプロトコールに則って骨格筋細胞に分化させた。この骨格筋細胞を実施例1に記載と同様の方法で準備したカバーグラス上、または15 kPaのゲル上に蒔いた。実施例5に記載の方法で高血糖処理およびROS除去剤(NAC)処理を行い、ROS蓄積を蛍光試薬CM-H2DCFDAによる染色(図17A)で、ミトコンドリア膜電位をJC-1による染色(図17B)で評価した。
(2)結果
図17に示すように、培養心筋細胞と同様、培養骨格筋細胞においても正常グルコース濃度でのROS蓄積はガラス支持体での培養よりも15 kPaゲル支持体上の培養の方がより顕著に低く、またミトコンドリア膜電位は、ガラス支持体での培養よりも15 kPaゲル支持体上の培養の方がより顕著に高くなっていることが見出された。更に、15 kPaゲル支持体上の培養骨格筋細胞においては、中程度の高グルコース濃度(15 mM)でROSが優位に蓄積してミトコンドリア膜電位が有意に減少するが、ROS除去剤NAC(1 mM)によってROSが除去されると同時にミトコンドリア膜電位も顕著に回復した。一方ガラス支持体上の骨格筋細胞においてはROS除去剤によるROSの低下やミトコンドリア膜電位の回復は見られなかった。この結果は、培養心筋細胞の場合と同様に、ガラス支持体よりも15 kPaゲル支持体上の培養骨格筋細胞の方が、生体内で骨格筋細胞が酸化ストレスに暴露された際の挙動に近いことを示している。
(1)方法
ヒト初代培養肝細胞において、従来の初代培養肝細胞培養で最も生体内の機能を忠実に反映しうると考えられているスフェロイド培養に対し、正常肝組織の剛性に一致する500 Paの支持体の優位性の有無を評価した。IV型コラーゲンで表面をコーティングした500 Paの支持体または細胞培養で通常使用されるが非生理的に高い剛性であるガラスにヒト初代培養肝細胞を蒔き、実施例9と同様に培養した。またCell-able(住友ベークライト)を用い、ヒト初代培養肝細胞でスフェロイドを形成させた。12日間培養後、CYP3A4を誘導することで知られているリファンピシンを用い、0または40 μMのリファンピシンで46時間刺激した。CYP3A4活性をP450-Glo CYP3A4 Assay (Luciferin-IPA) (Promega)で測定して細胞数で除し、リファンピシン刺激時のCYP3A4活性を基底状態のCYP3A4活性で除することにより、リファンピシンによるCYP3A4活性の上昇度を求めた。
ヒト初代培養細胞においてリファンピシン刺激によるCYP3A4活性上昇度は、500 Paの支持体が最高であった。したがって正常肝組織の剛性に近い支持体上での培養が、スフェロイドによる三次元培養に比較し、CYP3A4発現を誘導する薬剤刺激時でCYP3A4活性上昇において優位であることが示唆された(図18)。
ジクロフェナク、トログリタゾン、ラニチジン等は、特発性薬剤肝障害を起こすことが知られている。一方、アセトアミノフェン、エタノール等は、過剰摂取すれば肝毒性を示すものの、特発性薬剤肝障害を惹起することはない。特発性薬剤肝障害のリスクをスクリーニングするための評価系を探索するため、以下の実験を行った。
正常肝組織の硬度に一致する500 Paの支持体上で培養されている初代培養肝細胞は、細胞培養で通常使用されるが非生理的に高い硬度であるガラス上で培養されている初代培養肝細胞に比較し、生体内における肝細胞機能をより正確に発現すると想定される。そこで化合物による特発性薬剤性肝障害の発生予測において、500 Paの支持体上で培養されている初代培養肝細胞の優位性の証明を目指した。High-mobility group box 1 protein (HMGB1)は細胞死の過程で細胞外に放出され、免疫細胞を活性化する作用を持つ(Immunol Rev. 2017 Nov;280(1):74-82)。そこで特発性薬剤性肝障害の過程の早期検出マーカーに、肝細胞が放出するHMGB1が有用であるとの仮説を設定し、その証明を行った。
ジクロフェナクは250 μM以上の高濃度で、アセトアミノフェンは2.5 mM以上の高濃度で細胞毒性を示すことが報告されている(J Toxicol Sci. 2016;41(5):605-15)。特発性薬剤性肝障害を起こしうるジクロフェナク刺激の場合、500 Paの支持体において既報の毒性領域と一致して濃度依存性に肝細胞によるHMGB1放出が見られた。ガラスにおいては毒性領域より低濃度のジクロフェナクでHMGB1放出が見られた。また特発性薬剤性肝障害を起こさないアセトアミノフェン刺激の場合、500 Paの支持体、ガラス支持体のいずれでも毒性領域である高濃度でもHMGB1放出は見られなかった。したがってHMGB1は化合物による特発性薬剤性肝障害の発生を予測するマーカーになりうること、またその予測において正常肝組織の剛性と同等な支持体上で培養された初代培養肝細胞が有用であることが示唆された(図19)。
非アルコール性脂肪肝炎は、生活習慣が原因で肝細胞が死滅しないまでも、肝細胞が障害され引き起こされると考えられる。
非アルコール性脂肪肝炎のメカニズムを解明するため、以下の実験を行った。
ラットの初代培養肝細胞は以下の方法で採取した。
5〜6週齢のWistar rat(オス)に麻酔をした後、腹部を切開し門脈がよくみえるように結合組織類を剥離した。20 Gのサーフローで門脈をクランプし、クリップで固定した。37℃に加温したEGTA灌流液で灌流し肝臓の血液を洗い流した。肝臓が黄土色に変わった後、37℃に加温したコラゲナーゼ液で灌流した。十分にコラゲナーゼを作用させた後、肝臓を摘出しシャーレに移し、ハサミやメスで細断した。その後、遠心分離、セルストレイナーでろ過し、再度遠心分離した。沈殿に培養液を加えピペッティング後、トリパンブルー染色で細胞の生存率を確認した。生存率が75%以下のものは除外した。同時に細胞数のカウントも行い3.5x10^5個/well(6ウェルプレート)ずつ細胞を500 Paの支持体、またはガラス支持体に蒔き、5%FCS及び Hepatocyte Maintenance Supplement Pack(サーモフィッシャー株式会社CM4000)加D-MEM(低グルコース)(L−グルタミン、フェノールレッド含有)で3日間培養した。 その後、被験物質として、フルクトース(5.5mM)、パルミチン酸(0.5mM)、又はオレイン酸−パルミチン酸(0.5mM、OA:PA=2:1)を添加し、24時間後に脂肪滴染色、及びROSの定量を行った。被験物質を添加する際、培養培地は5 mMグルコースを含む10%FCS加DMEMに交換した。コントロールには何も加えなかった。コントロール群は脂質を溶解するときに使用した10%ウシ血清アルブミンを添加した。
図20に示すように脂肪滴の蓄積は、ガラス支持体上で培養された初代培養肝細胞においては、コントロール(control)と、フルクトース(fructose)、パルミチン酸(PA)、又はオレイン酸−パルミチン酸混合液(OA:PA(2:1))との間に差は認められなかった。一方500Paの支持体上で培養された初代培養肝細胞では、フルクトース、パルミチン酸、オレイン酸−パルミチン酸混合液を添加された細胞は、コントロールと比較して顕著な脂肪滴の蓄積が認められた。このことから、ガラス支持体では、細胞への脂肪の蓄積は観察できないが、正常肝組織の剛性と同等な支持体上で培養された初代培養肝細胞では、脂肪の蓄積をin vitroで発現できることが示された。
非アルコール性脂肪肝炎のメカニズムを解明するため、以下の実験を行った。
培養支持体の硬度の相違による、肝細胞のマクロファージに対する炎症惹起作用への影響を評価するため、ラット初代培養肝細胞を、正常肝組織の硬度に一致する500 Paのポリアクリルアミドゲル、または細胞培養で通常使用されるが非生理的に高い硬度であるガラス上で培養した。細胞の接着を促すため、それぞれの培養支持体の表面をIV型コラーゲンでコーティングした。翌日、ラット初代培養肝細胞を含むウェルに106個/ウェルのマウス腹腔マクロファージを加え、共培養を開始した。マウス腹腔マクロファージは、invitrogenの「マウス初代腹腔マクロファージへの遺伝子導入の検討」に記載の方法でチオグリコネート刺激、および腹腔マクロファージの採取を行った。具体的には、C57/BL6J マウス腹腔内に5%thioglycollate medium (Sigma) 2 mlを注入し、3.5日後に断頭の上、シリンジ及び注射針を用いて計15mlのPBS(7 ml+8 ml) にて2 回腹腔内を洗浄し腹腔マクロファージを回収した。回収した腹腔洗浄液は1000rpm、4℃、5 分間遠心後、PBSにて2 回洗浄し、細胞数を算定した。同肝細胞-マクロファージ共培養開始24時間後にフルクトース刺激を加え、その24時間後に培養液を採取してTNFα分泌量をELISAにて測定した。
図22に示すように、500 Paのポリアクリルアミドゲルを用いた場合、マクロファージ共培養でTNFα分泌量が増加しており、マクロファージによるTNFα分泌を観測できた。フルクトース刺激による過栄養状態でTNFα分泌がさらに有意に増加しており、脂肪肝の状態を模倣した肝細胞がマクロファージを刺激し、マクロファージによるTNFα分泌を増加させたものと考えられた。一方ガラスを用いた場合でも、マクロファージ共培養でTNFα分泌量が増加しており、マクロファージによるTNFα分泌を観測できているが、フルクトース刺激によるTNFα分泌増加は見られなかった。
Claims (24)
- 細胞のin vivoでの特性をin vitroで発現するために、細胞が生体内で認識する周囲環境の剛性を反映した剛性を有し、かつ前記剛性が剪断弾性率で100kPa以下である支持体と細胞とを接触させる工程と、
in vivoの細胞の特性をin vitroで導入及び/又は発現した細胞の特性をin vitroで維持する工程と、
前記特性が導入、及び/又は維持されている細胞に、シグナルを入力する工程と、
入力されたシグナルに対する細胞の反応を測定する工程と、
を含む、細胞の反応の評価方法(ただし、前記細胞に間葉系幹細胞は含まない)。 - 前記シグナルは、化学的因子及、物理的因子及び生物学的因子よりなる群から選択される少なくとも一つの因子を細胞に負荷することによって細胞に入力される、請求項1に記載の方法。
- 化学的因子が、化合物、イオン、気体、核酸、糖質、脂質、糖タンパク質、糖脂質、リポタンパク質、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、ポリフェノール類、サイトカイン類及びケモカインよりなる群から選択される少なくとも一種である、請求項1又は2に記載の方法。
- 物理的因子が、細胞の周囲環境の剛性、圧力、張力、光、放射線、酸素濃度、pH及び温度よりなる群から選択される少なくとも一種である、請求項1又は2に記載の方法。
- 生物学的因子が、細菌、真菌、ウイルス、アレルゲン、ヒト細胞、ヒト以外の動物細胞及びこれらに含まれる成分より選択される少なくとも一種である、請求項1又は2に記載の方法。
- 細胞が肝細胞であり、支持体の剛性が0.2〜5kpaである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 細胞の反応が薬物代謝酵素の誘導、非アルコール性脂肪肝炎のメカニズム、又は特発性肝障害を示す、請求項6に記載の方法。
- 細胞の反応が前記因子の効能又は毒性である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 細胞が心筋細胞であり、支持体の剛性が5〜100kpaである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 化学的因子が酸化ストレス誘導物質であり、細胞の反応が酸化ストレス応答である、請求項9に記載の方法。
- 酸化ストレス誘導物質が、グルコースである、請求項10に記載の方法。
- 細胞のin vivoでの特性をin vitroで発現するために、細胞が生体内で認識する周囲環境の剛性を反映した剛性を有し、かつ前記剛性が剪断弾性率で100kPa以下である支持体と細胞とを接触させる工程と、
in vivoの細胞の特性をin vitroで導入及び/又は発現した細胞の特性をin vitroで維持する工程と、
前記特性が導入、及び/又は維持されている細胞に、シグナルを入力する工程と、
シグナルの入力に先立って、シグナルの入力と同時に、又はシグナルの入力の後に、疾患、又は障害を予防、治療又は改善するための候補物質と細胞とを接触させる工程と、
入力されたシグナルに対する細胞の反応を測定する工程と、
を含む、疾患、又は障害を予防、治療又は改善するための候補物質のスクリーニング方法(ただし、前記細胞に間葉系幹細胞は含まない)。 - 前記シグナルは、化学的因子及、物理的因子及び生物学的因子よりなる群から選択される少なくとも一つの因子を細胞に負荷することによって細胞に入力される、請求項12に記載の方法。
- 化学的因子が、化合物、イオン、気体、核酸、糖質、脂質、糖タンパク質、糖脂質、リポタンパク質、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、ポリフェノール類、サイトカイン類及びケモカインよりなる群から選択される少なくとも一種である、請求項12又は13に記載の方法。
- 物理的因子が、細胞の周囲環境の剛性、圧力、張力、光、放射線、酸素濃度、pH及び温度よりなる群から選択される少なくとも一種である、請求項12又は13に記載の方法。
- 生物学的因子が、細菌、真菌、ウイルス、アレルゲン、ヒト細胞、ヒト以外の動物細胞及びこれらに含まれる成分より選択される少なくとも一種である、請求項12又は13に記載の方法。
- 細胞が肝細胞であり、支持体の剛性が0.2〜5kpaである、請求項12〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 細胞の反応が薬物代謝酵素の誘導、非アルコール性脂肪肝炎のメカニズム、又は特発性肝障害を示す、請求項17に記載の方法。
- 細胞の反応が前記因子の効能又は毒性である、請求項12〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 細胞が心筋細胞であり、支持体の剛性が5〜100kPaである、請求項12〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 化学的因子が酸化ストレス誘導物質であり、細胞の反応が酸化ストレス応答である、請求項20に記載の方法。
- 酸化ストレス誘導物質が、グルコースである、請求項20に記載の方法。
- 細胞のin vivoでの特性をin vitroで発現するために、細胞が生体内で認識する周囲環境の剛性を反映した剛性を有し、かつ前記剛性が剪断弾性率で100kPa以下である支持体を含む、請求項1〜11に記載の細胞の反応の評価方法、又は請求項12〜22に記載のスクリーニング方法を実施するためのキット。
- さらに目的とする細胞の反応の評価又はスクリーニングを実施するために適した細胞を含む、請求項23に記載のキット。
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