WO2019189947A1 - ヒト臍帯由来間葉系幹細胞から骨芽細胞の製造を目的としたアクチン重合阻害剤による分化誘導技術 - Google Patents

ヒト臍帯由来間葉系幹細胞から骨芽細胞の製造を目的としたアクチン重合阻害剤による分化誘導技術 Download PDF

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differentiation
stem cells
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吉慶 住田
真弓 岩竹
泉 朝比奈
壽文 小守
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国立大学法人 長崎大学
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12Q1/6851Quantitative amplification

Definitions

  • the present invention relates to an osteoblast differentiation promoting agent, an osteoblast differentiation promoting agent, and a stem cell having osteoblast differentiation ability, which is cultured together with a bone differentiation inducing factor and an actin polymerization inhibitor. Etc.
  • Bone regenerative treatment has received much attention because it provides much faster healing than natural recovery.
  • the size of the regenerative medicine market for bones and joints is predicted to reach US $ 3.9 billion (BCC Research) in 2018 in the global total market size.
  • Periodontal disease has a high morbidity rate in Japan, and the number of patients with some symptoms of gingiva is about 94 million (Ministry of Health, Labor and Welfare, Health Administration, Dental Health Division, 2011 Survey of Dental Diseases). It is said. As periodontal disease progresses, the gums become inflamed and the alveolar bone is absorbed. Although local application of protein preparations such as basic fibroblast growth factor (bFGF) has been applied as a treatment for bone resorption caused by periodontal disease, long-term maintenance of the effect is difficult, The effects when absorption is extensive are limited.
  • bFGF basic fibroblast growth factor
  • MSCs mesenchymal stem cell
  • MSCs are cell populations characterized by self-proliferation and pluripotency that can be extracted from mesenchymal tissues. MSCs are derived from bone marrow, umbilical cord, and fat, but have different differentiation and proliferative properties depending on the tissue from which they are derived.
  • the most common source of bone marrow-derived stem cells (bone marrow MSC) is It can induce bone differentiation and has an immunosuppressive effect.
  • bone marrow collection is still highly invasive and requires culturing to ensure the number of cells required for transplantation, and there are individual differences in the proliferation and differentiation capacity of cultured cells, making it difficult to perform culturing operations. There is a problem.
  • Umbilical cord MSC has no HLAII expression and can be transplanted allogeneic (allo), and since banking is being advanced, stable supply of cells is possible and it has high utility. Furthermore, it has been reported that umbilical cord MSCs can be collected non-invasively and have high proliferative activity and ability to differentiate into bone tissue. However, it takes more time to induce differentiation into osteoblasts than MSCs isolated from other tissues, and even when differentiation is induced, Alkaline Phosphatase (ALP) activity is relatively low (FIG. 1). There are many unclear points about the mechanism.
  • ALP Alkaline Phosphatase
  • Fat-derived MSCs are not particularly high in bone differentiation ability, have many impurities, and have low quality. It is also invasive. MUSE cells and iPS / ES cells are also stem cells that have osteoblast differentiation ability. However, the former has a small number of cells and low proliferation, and the latter cannot be stably obtained in a homogeneous manner. slow.
  • BMP bone morphogenetic protein
  • the cytoskeleton may show a dynamic structural change due to polymerization / depolymerization during cell differentiation (Non-patent Document 1) or may be involved in mechanical signal transduction (Non-patent Document 2). It has never been known or expected that a polymerization inhibitor significantly promotes osteoblast differentiation.
  • An object of the present invention is to differentiate osteoblasts with high efficiency from stem cells having osteoblast differentiation ability. For example, if treatment conditions that enhance the differentiation induction efficiency of umbilical cord MSC to the same level as bone marrow MSC can be established, osteoblasts can be produced in large quantities, and thus inexpensive and safe cell therapy can be realized.
  • the present inventors have advanced efforts to develop a culture method that enables production of umbilical cord-derived mesenchymal stem cells having high osteoblast differentiation ability. As a result, it is possible to mass-produce osteoblasts as stem cells for bone regeneration from stem cells having the ability to differentiate osteoblasts by a novel culture technique using an actin polymerization inhibitor. Completed.
  • the present invention is as follows.
  • An osteoblast differentiation promoting agent comprising an actin polymerization inhibitor.
  • the agent according to [1], wherein the osteoblast differentiation is osteoblast differentiation from a stem cell having osteoblast differentiation ability.
  • the stem cells having osteoblast differentiation ability are mesenchymal stem cells.
  • the mesenchymal stem cells are umbilical cord-derived mesenchymal stem cells.
  • the agent according to any one of [1] to [4], wherein the actin polymerization inhibitor is latrunculin A and / or swinholide A.
  • a method for inducing osteoblast differentiation comprising culturing stem cells having osteoblast differentiation ability together with an osteoinduction factor and an actin polymerization inhibitor.
  • the stem cell having osteoblast differentiation ability is a mesenchymal stem cell.
  • the mesenchymal stem cells are umbilical cord-derived mesenchymal stem cells.
  • the bone differentiation-inducing factor is a bone morphogenetic protein.
  • the bone morphogenetic protein is BMP-2.
  • the bone differentiation-inducing factor is contained in the medium, [6] to [14] The method according to any one.
  • the method according to any one of [6] to [15] wherein an actin polymerization inhibitor is contained in the medium on the 13th, 14th or 15th.
  • the method according to any one of [6] to [16] which is a method for producing a bone treatment material.
  • a bone treatment kit comprising the osteoblast differentiation promoting agent according to any one of [1] to [5] and stem cells having osteoblast differentiation ability.
  • the present invention enables highly efficient osteoblast differentiation induction from stem cells, which has been difficult until now.
  • stem cells which has been difficult until now.
  • an umbilical cord-derived mesenchymal stem cell as a stem cell, it can be collected non-invasively, and since the stem cell does not express HLAII, it can be transplanted to another family, thereby reducing the burden on the patient to be treated.
  • FIG. 1 is a graph showing alkaline phosphatase (ALP) activity when osteoblast differentiation is induced in human mesenchymal stem cells derived from umbilical cord (UC) and bone marrow (BM) and in non-induced control.
  • FIG. 2 is a graph showing the expression of alkaline phosphatase (ALP) mRNA when osteoblast differentiation was induced in human mesenchymal stem cells derived from umbilical cord (UC) and bone marrow (BM) and in non-induced control.
  • Umbilical cord (UC) -derived human mesenchymal stem cells used were both cultured on a collagen gel (gel) and not (non-coat).
  • FIG. 3 is a diagram showing the state of migration between mesenchymal stem cells induced to differentiate in culture without coating, on collagen gel, and on collagen coating, and non-induced control cells.
  • FIG. 4 is a graph in which the travel distance is quantified based on the data of FIG.
  • FIG. 5 shows changes in cytoskeleton (actin) of human mesenchymal stem cells derived from umbilical cord (UC) and bone marrow (BM) during culture on collagen gel or without coating.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the BMP-2-BMP receptor II (BMPRII) -cofilin transmission pathway.
  • BMPRII BMP-2-BMP receptor II
  • FIG. 7 is a graph showing the expression of BMPRII mRNA when osteoblast differentiation was induced in umbilical cord (UC) -derived human mesenchymal stem cells and in non-induced controls.
  • umbilical cord (UC) -derived human mesenchymal stem cells both cells cultured on a collagen gel (gel) and those not cultured (non-coating) were used.
  • FIG. 8 is a graph showing cofilin mRNA expression when osteoblast differentiation was induced in umbilical cord (UC) -derived human mesenchymal stem cells and in non-induced controls.
  • FIG. 9 is a diagram showing the observation results of intracellular localization of actin in culture under the displayed conditions.
  • FIG. 10 shows ALP of cells treated with the actin inhibitors Latrunkulin A and Swinholide A on day 3 after induction of osteoblast differentiation, as well as non-differentiated and non-inhibitor cells. It is a figure which shows mRNA expression.
  • FIG. 11 shows changes in actin dynamics in cells treated with actin inhibitors Latrunkulin A, Swinholide A, and control cells on day 3 after induction of osteoblast differentiation. It is.
  • FIG. 12 shows actin in cells treated with actin inhibitors Latrunculin A and Swinholide A after induction of osteoblast differentiation, as well as non-differentiated, non-inhibitor, and collagen gel cultured actin cells. It is a figure which shows the dynamic change of.
  • FIG. 13 shows the expression of undifferentiated markers (Oct4, Nanog) of umbilical cord-derived human mesenchymal stem cells cultured on a collagen gel (gel) and umbilical cord-derived human mesenchymal stem cells (non-coating).
  • HE 14 is a Hematoxylin & Eosin (HE) -stained image of nude mice in which osteoblasts treated with an inhibitor of umbilical cord MSC were transplanted to the top of the head together with ⁇ -TCP and control specimens (4 weeks after transplantation).
  • HE Hematoxylin & Eosin
  • Osteoblast differentiation promoting agent The present invention provides an osteoblast differentiation promoting agent comprising an actin polymerization inhibitor.
  • Spherical actin is a spherical protein with a molecular weight of about 42 kD, which polymerizes in a helical fashion to form fibrillar actin (F-actin).
  • an actin polymerization inhibitor refers to a substance that inhibits this polymerization.
  • actin polymerization inhibitors include latrunculins such as latrunculin A, latrunculin B, latrunculin C, latrunculin D, Swinholide A, Swinholide B, Swinholide C, Swinholide D, Swinholide E, Swinholide F , Swinholide G, Swinholide H, Swinholide I, Swinholide J, Swinholide K, Swinholides, Cytochalasin A, Cytochalasin B, Cytochalasin C, Cytochalasin D, Cytochalasin E, Cytochalasin F, Cytochalasin H, Cytochalasin Low molecular weight compounds such as cytochalasins such as J, actin-binding proteins such as cofilin, profilin, villin, fragmin, actlinkin, gelsolin, depactin, and activity of actin-binding proteins Controlling the protein (e.g., L
  • La trunklins form a 1: 1 complex with G actin (monomer) and inhibit actin polymerization. By removing latrunculin from the complex by washing, the ability to polymerize actin is restored. Swinholides bind G Gactin 1: 1 to inhibit actin polymerization, and have F-actin cleavage activity to rapidly disrupt fibrillar actin.
  • the present invention provides an osteoblast differentiation promoting agent comprising a vector encoding an actin polymerization inhibitor.
  • actin polymerization inhibitor encoded by the vector examples include actin-binding proteins such as cofilin, profilin, villin, fragmin, actinkine, gelsolin, and depactin, and proteins that control the activity of actin-binding proteins (eg, the activity of cofilin).
  • actin-binding proteins such as cofilin, profilin, villin, fragmin, actinkine, gelsolin, and depactin
  • proteins that control the activity of actin-binding proteins eg, the activity of cofilin.
  • LIM kinase (LIMK) etc. which control) etc. are mentioned.
  • an actin polymerization inhibitor may be introduced by permeation (permeation) into a cell, for example, by adding it to a culture medium during culture, and may act by contacting with actin in bone cells.
  • concentration of the actin polymerization inhibitor in the medium can be appropriately set within a range where the effects of the present invention can be achieved.
  • the substance is usually used at a concentration of 1 nM to 10 ⁇ M, preferably 10 nM to 800 nM, more preferably 10 nM to 500 nM.
  • the actin polymerization inhibitor can be used alone as a differentiation promoter of the present invention, but may further contain components such as a dissolution promoter, a stabilizer, a preservative, and an antioxidant.
  • a dissolution promoter examples include dimethyl sulfoxide, ethanol, methanol, N, N-dimethylformamide and the like.
  • an actin polymerization inhibitor in the form of a low molecular weight compound or protein for example, lipofection, fusion with a cell membrane-permeable peptide (for example, HIV-derived TAT and polyarginine), culture using a technique such as microinjection, etc. It may be introduced into cells and allowed to act on intracellular actin.
  • a cell membrane-permeable peptide for example, HIV-derived TAT and polyarginine
  • a DNA form in the case of a DNA form, it can be introduced into a cell by a method such as a vector such as a virus, a plasmid, or an artificial chromosome, lipofection, liposome, or microinjection, and can act on actin in the cell.
  • viral vectors include retroviral vectors and lentiviral vectors (above, Cell, 126, pp. 663-676, 2006; Cell, 131, pp. 861-872, 2007; Science, 318, pp. 1917-1920, 2007). ), Adenovirus vectors (Science, 322, 945-949, 2008), adeno-associated virus vectors, and the like.
  • the artificial chromosome vector examples include human artificial chromosome (HAC), yeast artificial chromosome (YAC), bacterial artificial chromosome (BAC, PAC) and the like.
  • a plasmid a plasmid for mammalian cells can be used (Science, 322: 949-953, 2008).
  • the vector can contain a control sequence such as a promoter, an enhancer, a ribosome binding sequence, a terminator, a polyadenylation site, etc. so that an actin polymerization inhibitor can be expressed.
  • a puromycin resistance gene etc.
  • a thymidine kinase gene a selection marker sequence such as a diphtheria toxin gene
  • a reporter gene sequence such as green fluorescent protein (GFP), ⁇ -glucuronidase (GUS), FLAG, and the like can be included.
  • GFP green fluorescent protein
  • GUS ⁇ -glucuronidase
  • RNA it may be allowed to act on cells by, for example, lipofection, microinjection, etc.
  • RNA incorporating 5-methylcytidine and pseudouridine may be used. Good (Warren L, (2010) Cell Stem Cell. 7: 618-630).
  • the osteoblast differentiation promoting agent of the present invention can promote differentiation from stem cells having osteoblast differentiation ability into osteoblasts.
  • Osteoblasts are cells that exist on the surface of bone tissue and have a function of differentiating into bone cells to form new bone.
  • the osteoblast differentiation promoting agent of the present invention is used for stem cells having osteoblast differentiation ability
  • the differentiated cells have not only osteoblasts but also osteoblast differentiation ability. It means any cell observed in the differentiation from stem cells to bone, for example, some differentiation from bone cells (osteocyte), preosteoblast, osteoprogenitor cells, or mesenchymal stem cells.
  • osteocyte bone cells
  • preosteoblast preosteoblast
  • osteoprogenitor cells or mesenchymal stem cells.
  • mesenchymal precursor cell that has advanced is also included.
  • the stem cells having osteoblast differentiation ability that are promoted to differentiation into osteoblasts by the osteoblast differentiation promoter of the present invention are preferably vertebrate cells.
  • the vertebrates include mammals and birds.
  • mammals include, for example, laboratory animals such as rodents and rabbits such as mice, rats, hamsters, and guinea pigs, domestic animals such as pigs, cows, goats, horses, sheep and minks, pets such as dogs and cats, humans, Primates such as monkeys, rhesus monkeys, marmosets, orangutans and chimpanzees.
  • the vertebrate is preferably a mammal, more preferably a rodent (such as a mouse) or a primate (such as a human).
  • stem cells having osteoblast differentiation ability include mesenchymal stem (MS) cells, embryonic stem (ES) cells, cloned embryo-derived embryonic stem (ntES) cells obtained by nuclear transfer, and artificial pluripotency Examples include sex stem (iPS) cells, cultured fibroblasts, bone marrow stem cell-derived pluripotent cells (Muse cells), and the like.
  • MS mesenchymal stem
  • ES embryonic stem
  • ntES cloned embryo-derived embryonic stem
  • iPS sex stem
  • Muse cells bone marrow stem cell-derived pluripotent cells
  • Mesenchymal stem cells are somatic stem cells derived from mesenchyme and have the ability to differentiate into cells belonging to the mesenchymal system such as bone cells, fat cells and muscle cells. Moreover, it has been shown that it has a plasticity that can be differentiated into tissues that are not mesodermal, such as ectoderm-derived cells and endoderm-derived cells. Examples of mesenchymal stem cells include umbilical cord-derived stem cells, bone marrow mesenchymal cells, and adipose-derived stem cells.
  • Mesenchymal stem cells are thought to be present in all tissues with mesenchymal tissue (eg, cord blood, bone marrow, adipose tissue, endometrium, dermis, skeletal muscle, periosteum, periodontal ligament, pulp and tooth germ) ing.
  • Umbilical cord blood refers to blood contained in the umbilical cord (umbilical cord), which is a fetal tissue that connects the fetus and the mother.
  • Umbilical cord blood was known to contain a large amount of umbilical cord blood-derived stem cells (hematopoietic stem cells), but umbilical cord and umbilical cord blood are mesenchymal stem cells that are somatic stem cells other than hematopoietic stem cells.
  • Bone marrow mesenchymal stem cells derived from umbilical cord (blood) are known to exist.
  • bone marrow mesenchymal stem cells are contained in bone marrow stromal cells, and bone marrow stromal cells are a type of cells that support hematopoietic cells, which are the main components of bone marrow.
  • Bone marrow mesenchymal stem cells can be easily collected by bone marrow puncture, and culture techniques have been established. Adipose tissue-derived mesenchymal stem cells grow relatively quickly and have high cell activity.
  • mesenchymal stem cells are present at low frequency in, for example, bone marrow, peripheral blood, umbilical cord (blood), and adipose tissue.
  • Mesenchymal stem cells can be isolated or purified from these tissues by a known method. “Isolated or purified” means that the artificially placed in a state different from the naturally occurring state, for example, an operation to remove components other than the target component from the naturally occurring state. Means that
  • Romanov Y. et al. A. (Stem Cells. 2003; 21: 105-10) can be used to isolate mesenchymal stem cells.
  • Haynesworth S. E. (Bone. 1992; 13: 81-8.) Can be performed while collecting bone marrow cell fluid.
  • Pittenger M. et al. F. (Science. 1999; 284: 143-7.) Can be used to remove other cells present in the bone marrow cell fluid and isolate mesenchymal stem cells.
  • Zuk P when isolating mesenchymal stem cells from human adipose tissue.
  • mesenchymal stem cells can be collected as described above, the method is not limited to the above contents.
  • Mesenchymal stem cells can be immortalized cells. Immortalization means having acquired infinite autonomous proliferation ability. Immortalization of mesenchymal cells can be performed by introducing various immortalizing genes. For example, Bmi1 gene and TERT gene are introduced (BBRC, vol.353, p.60-66 (2007)), TERT gene and human papillomavirus E6 and E7 genes are introduced (BBRC, vol.295, p. 354-361 (2002)), the mesenchymal stem cells can be immortalized.
  • Bmi1 gene and TERT gene are introduced (BBRC, vol.353, p.60-66 (2007)
  • TERT gene and human papillomavirus E6 and E7 genes are introduced (BBRC, vol.295, p. 354-361 (2002))
  • the mesenchymal stem cells can be immortalized.
  • Embryonic stem cells can be obtained from a predetermined institution or commercially available products can be purchased.
  • human embryonic stem cells KhES-1, KhES-2, and KhES-3 are available from the Institute of Regenerative Medicine, Kyoto University.
  • EB5 cells both of which are mouse embryonic stem cells, are available from RIKEN, and the D3 strain is available from ATCC.
  • Nuclear transplanted ES cells (ntES cells) which is one of the ES cells, can be established from cloned embryos prepared by transplanting somatic cell nuclei into eggs from which cell lines have been removed.
  • EG cells can be produced by culturing primordial germ cells in a medium containing mSCF, LIF and bFGF (Cell, 70: 841-847, 1992).
  • Artificial pluripotent stem cells are cells that have induced pluripotency by reprogramming somatic cells by a known method or the like. Specifically, differentiated somatic cells such as fibroblasts and peripheral blood mononuclear cells are Oct3 / 4, Sox2, Klf4, Myc (c-Myc, N-Myc, L-Myc), Glis1, Nanog, Sall4, lin28. And cells that have been initialized by the expression of any of a combination of a plurality of genes selected from a group of reprogramming genes including Esrrb and the like to induce pluripotency.
  • differentiated somatic cells such as fibroblasts and peripheral blood mononuclear cells are Oct3 / 4, Sox2, Klf4, Myc (c-Myc, N-Myc, L-Myc), Glis1, Nanog, Sall4, lin28.
  • Preferred combinations of reprogramming factors include (1) Oct3 / 4, Sox2, Klf4, and Myc (c-Myc or L-Myc), (2) Oct3 / 4, Sox2, Klf4, Lin28 and L-Myc (Stem Cells, 2013; 31: 458-466).
  • Muse cells can be obtained from skin tissues such as bone marrow fluid and dermis connective tissue, and are also scattered in connective tissues of each organ.
  • this cell is a cell having the properties of both pluripotent stem cells and mesenchymal stem cells.
  • the cell surface markers “SSEA-3 (Stage-specific embryonic antigen-3)” and “ Identified as "CD105" double positive. Therefore, Muse cells or cell populations containing Muse cells can be separated from living tissues using these antigen markers as indicators, for example. Details of Muse cell isolation, identification, and features are disclosed in International Publication No. WO2011 / 007900. Also, Wakao, S, et al. , Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol.
  • Muse cells can be purified and used simply with SSEA-3 as an antigen marker.
  • Stem cells having osteoblast differentiation ability may be adherently cultured in an appropriate medium before the osteoblast differentiation promoter of the present invention is used.
  • the stem cells are grown on a suitable extracellular matrix, preferably an extracellular matrix solid-phased on the surface of the carrier, by culturing the stem cell suspension without differentiation.
  • the solution for suspending stem cells is not particularly limited, but a stem cell culture medium (culture solution) can be preferably used.
  • a stem cell medium a medium known per se suitable for culturing can be used according to the type of stem cell used.
  • the basal medium used is not particularly limited.
  • MEM medium for example, MEM medium, ⁇ -MEM medium, D-MEM medium, Eagle MEM medium, BME medium, IMDM medium, Medium 199 medium, RPMI1640 medium, BGJb medium, CMRL1066 medium, Glasgow Examples include MEM medium, Improved MEM Zinc Option medium, Ham medium, Fischer's medium, and mixed media thereof.
  • These media may contain serum (eg, fetal bovine serum, human serum, etc.).
  • an alternative serum additive for example, Knockout Serum Replacement (KSR) (manufactured by Invitrogen), etc.
  • KSR Knockout Serum Replacement
  • the concentration of serum is not particularly limited, but is usually in the range of 5 to 20 (v / v)%.
  • the medium can contain additives known per se.
  • the additive include, but are not particularly limited to, for example, growth factors (such as insulin), iron sources (such as transferrin), minerals (such as sodium selenate), saccharides (such as glucose), organic acids (such as pyruvic acid, Lactic acid etc.), serum proteins (eg albumin etc.), amino acids (eg L-glutamine etc.), reducing agents (eg 2-mercaptoethanol etc.), vitamins (eg ascorbic acid, d-biotin etc.), antibiotics (eg streptomycin) , Penicillin, gentamicin, etc.), buffering agents (eg, HEPES, etc.) and the like.
  • stem cell differentiation inhibitors eg, LIF, Wnt, TGF- ⁇ , bFGF, etc.
  • Each of these additives can be contained within a concentration range known per se.
  • the osteoblast differentiation promoter of the present invention When the osteoblast differentiation promoter of the present invention is used to promote the induction of differentiation of stem cells having osteoblast differentiation ability into osteoblasts, it is usually in advance or the osteoblast differentiation promoter of the present invention. At the same time, a bone differentiation-inducing factor is added to the medium. Such a bone differentiation-inducing factor can be appropriately determined according to the stem cell to be used.
  • immunosuppressive agents such as dexamethasone, tacrolimus and cyclosporine; BMP-2, BMP-4, BMP-5, BMP-6 , BMP-7 and BMP-9 and other bone morphogenetic proteins; TGF- ⁇ and other osteogenic factors; hydrocortisone, ascorbic acid, ⁇ -glycerophosphoric acid and the like can be used. More preferably, BMP-2 is used.
  • BMP-2 is used.
  • These bone differentiation-inducing factors can be used alone or in combination of two or more. Further, the concentration of the added bone differentiation-inducing factor is not particularly limited, and each can be within a known concentration range.
  • the bone differentiation-inducing factor is usually a concentration of about 0.01 ng / ml to about 300 ⁇ g / ml, preferably about 0.1 ng / ml to about 500 ng / ml, more preferably about 1 ng / ml to about 300 ng / ml. So that it can be added to the medium.
  • the number (density) of stem cells capable of differentiating osteoblasts to be seeded can be appropriately set according to the type of stem cells used, the culture method, the culture conditions, the target for inducing stem cell differentiation, and the like.
  • the number of cells is usually 10,000 to 500,000 cells / ml, preferably 10,000 to 100,000 cells / ml, more preferably 10,000 to 50,000 cells / ml. is there.
  • the number of cells is usually 100,000 to 1,000,000 cells / ml, preferably 100,000 to 500,000 cells / ml, more preferably 100,000 to 250. 1,000 pieces / ml.
  • the culture condition of the stem cell having osteoblast differentiation ability is not particularly limited as long as it is a condition normally used in the cell culture technique.
  • the culture temperature is usually in the range of 30 to 40 ° C., preferably about 37 ° C. Illustrated.
  • the CO 2 concentration is usually in the range of 1 to 10%, preferably about 5%.
  • the humidity is usually in the range of 70 to 100%, preferably 85 to 95%.
  • Osteoblast differentiation inducing method provides an osteoblast differentiation inducing method comprising culturing stem cells having osteoblast differentiation ability together with an osteoinduction factor and an actin polymerization inhibitor.
  • the stem cell having osteoblast differentiation ability As the osteoblast differentiation inducing method of the present invention, regarding “the stem cell having osteoblast differentiation ability”, “bone differentiation inducing factor”, and “actin polymerization inhibitor”, the above-mentioned 1. Those described in the osteoblast differentiation promoter can be used.
  • the culture of stem cells having osteoblast differentiation ability in the above method may be suspension culture, adhesion culture, or a combination thereof.
  • Floating culture in the present invention refers to culturing while maintaining a state in which cells (or cell aggregates) are suspended in a culture solution.
  • Adhesion culture refers to a culture performed under the condition in which cells (or cell aggregates) adhere to culture equipment or the like. In this case, the adhesion of cells means that a strong cell-substrate junction can be formed between the cells or cell aggregates and the culture equipment. More specifically, suspension culture refers to culture under conditions that do not allow the formation of a strong cell-substrate bond between cells or cell aggregates and culture equipment, and adhesion culture refers to cells or cells. Culture under conditions that allow a strong cell-substrate bond to be formed between the aggregate and the culture equipment.
  • the incubator used for suspension culture is not particularly limited as long as it can perform suspension culture, and can be appropriately determined by those skilled in the art.
  • Examples of such an incubator include a flask, a tissue culture flask, a culture dish (dish), a petri dish, a tissue culture dish, a multi-dish, a microplate, a microwell plate, a micropore, a multiplate, and a multiwell plate.
  • These incubators are preferably non-cell-adhesive in order to enable suspension culture.
  • the surface of the incubator was artificially treated (for example, super hydrophilic treatment such as MPC polymer, low protein adsorption treatment, etc.) for the purpose of reducing the adhesion to cells. Things can be used. You may carry out rotation culture using a spinner flask, a roller bottle, etc. The culture surface of the incubator may be flat bottom or uneven.
  • the incubator used for adhesion culture is not particularly limited as long as it can perform adhesion culture, and those skilled in the art appropriately select an incubator according to the culture scale, culture conditions, and culture period. Is possible.
  • Examples of such an incubator include a flask, a tissue culture flask, a culture dish (dish), a tissue culture dish, a multi-dish, a microplate, a microwell plate, a multiplate, a multiwell plate, a chamber slide, a petri dish, Examples include tubes, trays, culture bags, microcarriers, beads, stack plates, spinner flasks or roller bottles.
  • These incubators are preferably cell adhesive in order to enable adhesion culture.
  • Examples of the cell-adhesive incubator include an incubator in which the surface of the incubator is artificially treated for the purpose of improving adhesion with cells, specifically, a surface-treated incubator, or An incubator whose inside is coated with a coating agent can be mentioned.
  • Examples of the surface-treated incubator include a surface-treated culture vessel such as a positive charge treatment.
  • laminin examples include laminin [including laminin ⁇ 5 ⁇ 1 ⁇ 1 (hereinafter referred to as laminin 511), laminin ⁇ 1 ⁇ 1 ⁇ 1 (hereinafter referred to as laminin 111) and laminin fragments (such as laminin 511E8), entactin, collagen, gelatin, vitronectin (Vitronectin), Examples include an extracellular matrix such as Synthemax (Corning) and Matrigel, or a polymer such as polylysine and polyornithine.
  • the medium used for cell culture in the osteoblast differentiation inducing method of the present invention can be prepared using a medium usually used for animal cell culture as a basal medium.
  • the basal medium include BME medium, BGJb medium, CMRL 1066 medium, Glasgow MEM (GMEM) medium, Improved MEM Zinc Option medium, IMDM medium, Medium 199 medium, Eagle MEM medium, ⁇ MEM medium, D-MEM medium, F- Examples thereof include a medium that can be used for culturing animal cells, such as a 12 medium, a D-MEM / F12 medium, an IMDM / F12 medium, a ham medium, an RPMI1640 medium, a Fischer's medium, or a mixed medium thereof.
  • These media may be serum-free media or serum (eg, fetal bovine serum, human serum, etc.) media, but are preferably serum-free media.
  • Serum-free medium means medium that does not contain unconditioned or unpurified serum.
  • a medium containing purified blood-derived components or animal tissue-derived components is also included in the serum-free medium unless it contains unconditioned or unpurified serum.
  • Serum-free medium may contain a serum substitute.
  • serum substitutes include albumin, transferrin, fatty acid, collagen precursor, trace elements, 2-mercaptoethanol or 3 'thiolglycerol, or equivalents thereof as appropriate.
  • a serum replacement can be prepared, for example, by the method described in WO98 / 30679.
  • a commercially available product may be used as a serum substitute.
  • Such commercially available serum substitutes include, for example, Knockout TM Serum Replacement (manufactured by Life Technologies; currently ThermoFisher: hereinafter referred to as KSR), Chemically-defined Lipid concentrated (manufactured by the highly confined lipid concentrate). Co., Ltd.), B27 (manufactured by Life Technologies), N2 supplement (manufactured by Life Technologies).
  • an appropriate amount for example, about 0.5% to about 30%, preferably about 1%) of commercially available KSR (Life Technologies) is used as such a serum-free medium.
  • Serum-free medium about 20%
  • added for example, medium containing 10% KSR, 1 ⁇ Chemically Defined Lipid Concentrate (CDLC) and 450 ⁇ M 1-monothioglycerol in a 1: 1 mixture of F-12 medium and IMDM medium
  • CDLC Chemically Defined Lipid Concentrate
  • 450 ⁇ M 1-monothioglycerol in a 1: 1 mixture of F-12 medium and IMDM medium May be used.
  • the culture medium disclosed by the special table 2001-508302 is mentioned as a KSR equivalent article.
  • the culture in the osteoblast differentiation inducing method of the present invention is preferably performed under xenofree conditions.
  • “Zeno-free” means a condition in which a component derived from a biological species different from the biological species of the cell to be cultured is excluded.
  • the concentration of stem cells capable of differentiating osteoblasts to be seeded is, for example, about 1 ⁇ 10 3 to about 1 ⁇ 10 8 cells / ml, preferably about 3 ⁇ 10 3 to about 5 ⁇ 10 7 cells / ml, more preferably. Is about 4 ⁇ 10 3 to about 2 ⁇ 10 6 cells / ml, more preferably about 4 ⁇ 10 3 to about 1 ⁇ 10 6 cells / ml, even more preferably about 1 ⁇ 10 4 to about 1 ⁇ 10 6. Cells / ml.
  • Culture conditions such as culture temperature and CO 2 concentration can be set as appropriate.
  • the culture temperature is, for example, about 30 ° C. to about 40 ° C., preferably about 37 ° C.
  • the CO 2 concentration is, for example, from about 1% to about 10%, preferably about 5%.
  • the culture days in the osteoblast differentiation inducing method of the present invention are not particularly limited as long as the effects of the present invention are obtained. For example, 5 days or more, 6 days or more, 7 days or more, 8 days or more, 9 days or more, 10 days More than 15 days or more than 15 days and less than 20 days.
  • the culture period is preferably 10 days or more or 15 days or more and 20 days or less.
  • the bone differentiation inducing factor is not particularly limited as long as stem cells having osteoblast differentiation ability differentiate into osteoblasts, but usually about 0.01 ng / ml to about 300 ⁇ g / ml, preferably about 0.1 ng / ml to about 500 ng / ml, more preferably about 1 ng / ml to about 300 ng / ml.
  • the timing of adding the bone differentiation-inducing factor to the medium is not particularly limited as long as the stem cells having osteoblast differentiation ability differentiate into osteoblasts.
  • the timing of adding the bone differentiation-inducing factor to the medium is not particularly limited as long as the stem cells having osteoblast differentiation ability differentiate into osteoblasts.
  • the number of additions can be appropriately determined by those skilled in the art, but is usually one or more.
  • the time of adding a bone differentiation-inducing factor to a culture medium can be made into the culture
  • the stem cells having osteoblast differentiation ability can be cultured (precultured) in an appropriate medium up to this point.
  • the preculture period is, for example, 6 hours to 3 days, preferably 12 hours to 2 days, and more preferably 24 hours.
  • the time during which the bone differentiation-inducing factor is contained in the medium is not particularly limited as long as the stem cells having the ability to differentiate osteoblasts differentiate into osteoblasts, for example, 3 days or more, 5 days or more, 6 days or more, 7 days or more. 8 days or more, 9 days or more, 10 days or more, or 15 days or more, and 20 days or less.
  • the number of days is preferably 10 days or more or 15 days or more and 20 days or less.
  • the bone differentiation inducing factor may be allowed to act on the cells at all times during the culture.
  • the actin polymerization inhibitor is not particularly limited as long as it promotes the differentiation of stem cells having osteoblast differentiation ability into osteoblasts, but usually 1 nM to 10 ⁇ M, preferably 10 nM. It is used at a concentration of ⁇ 800 nM, more preferably 10 nM to 500 nM.
  • the timing of adding the actin polymerization inhibitor to the medium is not particularly limited as long as it promotes the differentiation of stem cells having osteoblast differentiation ability into osteoblasts, but for example, at the same time as the start of culture (day 0), the start of culture After 1 day, 2 days, 3 days, 4 days, 5 days, 6 days, 7 days, 8 days, 9 days, 10 days, 11 days, 12 days, 13 days, 14 days or 15 days, preferably Is 3 days and 7 days after the start of culture.
  • count of adding can be determined suitably by those skilled in the art, it is usually 1 or 2 times or more.
  • the time for which the actin polymerization inhibitor is contained in the medium is not particularly limited as long as it promotes the differentiation of stem cells having osteoblast differentiation ability into osteoblasts, but for example, 1 hour to 20 hours, 2 hours to 15 hours. Can be 3-10 hours, 4-8 hours, 5-7 hours
  • the culture of the actin polymerization inhibitor and the stem cell having osteoblast differentiation ability can be performed only once throughout the entire culture process, or can be performed in multiple steps.
  • the bone differentiation-inducing factor and / or actin polymerization inhibitor When culturing the stem cells having osteoblast differentiation ability and the bone differentiation-inducing factor and / or actin polymerization inhibitor during culturing, for example, the bone differentiation-inducing factor and / or actin polymerization inhibitor from the medium. Removed. The removal is performed, for example, by replacing the medium containing the original bone differentiation-inducing factor and the actin polymerization inhibitor with a medium not containing the bone differentiation-inducing factor and / or the actin polymerization inhibitor.
  • an operation of adding a new medium without discarding the original medium for example, an operation of adding a new medium without discarding the original medium (medium addition operation), about half of the original medium (about 30 to 90% of the volume of the original medium, for example, 40 to About 60%) Discard and add about half the amount of new medium (about 30 to 90% of the original medium volume, for example, about 40 to 60%).
  • Examples include an operation (90% or more of the volume of the medium) and adding a new medium (about 90% or more of the volume of the original medium) to discard (total medium replacement operation).
  • a specific component for example, bone differentiation-inducing factor, actin polymerization inhibitor
  • An operation of adding about half of a new medium containing a higher concentration may be performed. .
  • the medium exchange operation is performed several times a day, preferably several times within one hour (for example, 2 to 3 times). Also good.
  • the cells or aggregates may be transferred to another culture vessel.
  • the tool used for the medium exchange operation is not particularly limited, and examples thereof include a pipetter, a micropipette (pipette man), a multichannel micropipette (multichannel pipetman), and a continuous dispenser.
  • a pipetter a pipetter
  • a micropipette pipette man
  • a multichannel micropipette multichannel pipetman
  • a continuous dispenser for example, when a 96-well plate is used as a culture container, a multichannel micropipette (multichannel pipetteman) may be used.
  • differentiation from stem cells having osteoblast differentiation ability into osteoblasts can be induced by using the osteoblast differentiation inducing method of the present invention.
  • Confirmation that osteoblasts are obtained by the osteoblast differentiation inducing method of the present invention is the differentiation status of stem cells having the ability to differentiate osteoblasts by measuring bone differentiation marker gene expression or the activity of bone differentiation marker enzyme It can be implemented by confirming. Therefore, the osteoblast differentiation inducing method of the present invention may further include confirming the differentiation status of stem cells having osteoblast differentiation ability by measuring the bone differentiation marker gene expression or the activity of the bone differentiation marker enzyme.
  • the bone differentiation marker gene include ALP (alkaline phosphatase), osteocalcin (OC), osteopontin, Runx2, and the like, and preferably ALP.
  • Runx2 is an essential transcription factor in bone formation. Runx2 plays an essential role in the differentiation of mesenchymal stem cells into osteoblasts in vivo. Forced expression of Runx2 in mesenchymal stem cells increases osteoblast-specific genes such as OC (osteocalcin), BSP (Bone sialo-protein), ALP (alkaline phosphatase), COL1A1, and the like.
  • ALP alkaline phosphatase
  • Osteocalcin is expressed specifically in osteoblasts and is thought to contribute to the promotion of bone formation.
  • a method for detecting a calcified component produced by bone differentiated cells can also be used.
  • the detection method is not particularly limited, and examples thereof include von Kossa staining and alizarin red staining.
  • Von Kossa staining is a method of detecting calcium phosphate, which is a calcifying component, using silver nitrate. Specifically, 1 to 5% by weight of an aqueous silver nitrate solution is reacted with cells fixed with paraffin or the like. After the reaction, the portion where calcium phosphate is present is colored black by applying light. Bone differentiation can be evaluated by measuring the area of the colored portion.
  • Alizarin red staining is a method that utilizes the binding of alizarin red S specifically to calcium ions to stain the deposited portion of calcium ions. Specifically, when 0.01 to 5% by weight of alizarin red S solution is reacted with cells fixed with paraffin or the like, a reddish purple to orange red color reaction is observed. Bone differentiation can be evaluated by measuring the area of the colored portion.
  • Bone therapeutic material The present invention provides a bone therapeutic material comprising osteoblasts produced by the osteoblast differentiation inducing method of the present invention.
  • the osteoblast differentiation inducing method of the present invention can be a method for producing a bone treatment material.
  • Bone treatment material refers to a transplant material containing osteoblasts that is introduced into a living body for the repair and regeneration of bone tissue.
  • the transplant material includes a material in which bone tissue is regenerated partially or completely in vitro and transplanted to the same or another individual.
  • the osteoblast obtained by this invention can be used for preparation of a transplant material. Osteoblasts themselves are also transplant material. Therefore, osteoblasts can be transplanted to patients as cell preparations, and together with a base material (scaffold) made of artificial materials such as ⁇ -TCP ( ⁇ -tricalcium phosphate), hydroxyapatite, bioabsorbable ceramics, etc. It can be transplanted into bone tissue that requires repair or regeneration, or after being cultured with a scaffold.
  • ⁇ -TCP ⁇ -tricalcium phosphate
  • hydroxyapatite hydroxyapatite
  • bioabsorbable ceramics etc. It can be transplanted into bone tissue that requires repair or regeneration, or after being cultured with
  • the scaffold can make various three-dimensional shapes depending on the purpose of implantation.
  • the cell may be autologous or allogeneic for the subject of administration, and in the case of xenotransplantation, it may be any of allogeneic, allogeneic or xenogeneic cells.
  • allogeneic transplantation is possible because umbilical cord-derived mesenchymal stem cells do not express HLAII.
  • Examples of the diseases to be treated using the osteoblasts (bone treatment material) obtained by the present invention include periodontal disease, alveolar bone resorption, bone tumor, bone defect due to trauma, osteomyelitis, etc., bone tumor, etc. Bone loss after curettage, fractures, osteoporosis, intractable wounds related to oral cavity, jaw bone damage, rheumatoid arthritis, sudden femoral head necrosis, osteoarthritis, lumbar spondylotic spondylosis, spinal canal stenosis, disc herniation Spinal cord injury, spondylolysis, spondylolisthesis, scoliosis, cervical spondylotic myelopathy, posterior longitudinal ligament ossification, hip osteoarthritis, knee osteoarthritis, femoral head spondylosis, osteomalacia, Reconstruction of fracture sites destroyed by complex fractures such as mandibular reconstruction, bone repair after surgery (sternal repair after heart surgery, etc
  • osteoblasts are transplanted, there is a possibility that the therapeutic effect can be enhanced in combination with bone grafts, artificial bone grafts, artificial joints and implants. It is also possible to treat the above-mentioned diseases by culturing osteoblasts using a three-dimensional scaffold or the like to produce various forms of bone tissue outside the body and transplanting the bone tissue. In addition, various diseases related to osteoblast deficiency, deficiency, or functional deterioration are targeted.
  • the osteoblasts obtained by the present invention can also be used not only for treatment of diseases but also for cosmetic purposes. For example, by transplanting osteoblasts or bone tissue produced thereby into a site that has been lost due to an accident, surgery, or the like, a bone matrix can be produced to repair the defective site and make it less noticeable.
  • the bone treatment material of the present invention may contain, in addition to the above osteoblasts, any carrier, for example, a pharmaceutically acceptable carrier, a stabilizer or a buffer solution component, other therapeutic agents or supplements.
  • a pharmaceutically acceptable carrier include diluents such as water and physiological saline, but are not limited thereto.
  • the dose, number of administrations, administration period, etc. of the bone treatment material of the present invention, and the osteoblast concentration in the bone treatment material of the present invention are not particularly limited, and depend on the physical condition, medical condition, weight, age, sex, etc. of the administration target. It can be adjusted as appropriate, and other operations and medications can be used in combination.
  • the bone treatment material of the present invention includes, for example, rodents such as mice, rats, hamsters and guinea pigs, rabbit eyes such as rabbits, ungulates such as pigs, cows, goats, horses and sheep, and cats such as dogs and cats. It can be used for transplantation to primates such as eyes, humans, monkeys, rhesus monkeys, cynomolgus monkeys, marmosets, orangutans and chimpanzees.
  • the present bone treatment material is preferably used for transplantation into primates or rodents, and more preferably used for transplantation into humans.
  • the therapeutic material of the present invention is transplanted by a medical staff according to an appropriate transplanting method in accordance with the guidelines.
  • it can be transplanted by incising the mucosal periosteum, exposing the jawbone at the site of transplantation, and administering the therapeutic material of the present invention to the site.
  • the transplanted cells differentiate into bone cells, and the bone cells repair the defective site, thereby repairing the bone tissue.
  • the therapeutic effect is achieved.
  • the bone tissue can be regenerated by the therapeutic material of the present invention.
  • the “effective amount” means the amount of an active ingredient (eg, osteoblast) that produces a desired effect.
  • “therapeutically effective amount” means the amount of active ingredient that, when administered to a subject, provides the desired therapeutic effect (eg, bone regeneration, etc.).
  • a therapeutically effective amount may be administered (transplanted) at once, or may be administered (implanted) in multiple portions.
  • the number of transplants is determined according to the medical staff and guidelines according to the disease. Further, when transplanting a plurality of times, the interval is not particularly limited, but a period of several days to several weeks may be set.
  • Bone regeneration treatment method comprises culturing stem cells having osteoblast differentiation ability together with a bone differentiation inducer and an actin polymerization inhibitor, and transplanting the resulting osteoblasts to a bone defect site. A method of treatment is also provided.
  • the method can include isolating osteoblasts from the cultured cells.
  • the expression “isolated” of an osteoblast means that an operation to remove cells other than the target osteoblast has been performed, and the state that exists naturally has been removed. Therefore, most preferably, the “isolated osteoblast” does not include cells other than osteoblasts produced from the cell or tissue to be cultured and contained in the cell, tissue, or medium.
  • the purity of “isolated osteoblasts” (percentage of osteoblasts in the total number of cells) is usually 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and even more preferably 99% or more. More preferably, it is 100%.
  • the cells other than the osteoblast present in the “isolated osteoblast” are an osteocyte, Pre-osteoblast cells, osteoprogenitor cells, mesenchymal progenitor cells slightly differentiated from mesenchymal stem cells, or a combination thereof are preferable.
  • Bone treatment kit There is provided a bone treatment kit comprising the osteoblast differentiation promoting agent of the present invention and stem cells having osteoblast differentiation ability.
  • the bone treatment kit uses, for example, the osteoblast differentiation promoting agent of the present invention described above for stem cells having osteoblast differentiation ability as described in the osteoblast differentiation inducing method of the present invention. Then, the disease can be treated by producing osteoblasts, further producing a bone treatment material containing the osteoblasts, and transplanting the osteoblast to a subject having the disease.
  • the kit of the present invention contains the osteoblast differentiation promoting agent of the present invention and stem cells having osteoblast differentiation ability in separate containers.
  • the stem cells having the ability to differentiate osteoblasts are preferably provided in a cryopreserved form in order to enable proliferation and differentiation induction multiple times.
  • a physiological solution such as a culture solution containing a frost damage protective agent such as 5 to 20% dimethyl sulfoxide, glycerin, ethylene glycol, propylene glycol, and then cooled in a cryotube.
  • a frost damage protective agent such as 5 to 20% dimethyl sulfoxide, glycerin, ethylene glycol, propylene glycol
  • kit of the present invention includes instructions describing that the osteoblast differentiation promoter of the present invention and stem cells having osteoblast differentiation ability can be used for bone treatment or should be used. You may go out.
  • the bone treatment kit preferably further contains a substance capable of detecting the expression of a bone differentiation marker gene.
  • the bone differentiation marker is not particularly limited as long as it is a marker that can confirm bone differentiation of mesenchymal stem cells, and for example, the marker shown in the above differentiation induction method can be used.
  • BMP2, ALP and OCN bone differentiation markers are used.
  • the bone treatment kit may contain any carrier, for example, a pharmaceutically acceptable carrier, a stabilizer or a buffer solution component, other therapeutic agents or supplements.
  • a pharmaceutically acceptable carrier include diluents such as water and physiological saline, but are not limited thereto.
  • Example 1 (Experimental conditions) The experimental conditions in the on-gel culture are as follows. 0.5 ml of concentrated medium was added to 4 ml of Cellmatrix Type I-A, which was adjusted to 3.0 mg / ml, pH 3.0, from porcine tendon type I collagen solution, and 0.05N sodium hydroxide solution containing sodium bicarbonate and HEPES was stirred. In addition, the mixture further stirred was used as a collagen mixed solution, spread thinly on a 60 mm dish (manufactured by FALCON), and allowed to stand at 37 ° C. for 20 minutes.
  • 5 ⁇ 10 4 cell / ml D-MEM Low-glucose, 10% FBS, penicillin (100 U / ml), streptomycin (100 ⁇ g / ml) added
  • cell suspension was seeded in 5 ml / dish and incubated for 24 hours. did.
  • 5 ⁇ 10 4 cell / ml D-MEM Low-glucose, 10% FBS, penicillin (100 U / mL), streptomycin (100 ⁇ g / mL) added
  • BMP-2 was added to a final concentration of 300 ng / ml (this day is defined as culture day 0), and on the 3rd and 7th days of culture, Swinholide A was added to the serum-free medium at 100 nM, rat trunk. Phosphorus A was added to 400 nM and allowed to act for 6 hours. After the treatment, the medium was again returned to the medium containing BMP-2, and the cells were collected on the 10th day after the culture, and expression analysis of the ALP gene was performed by RT-PCR.
  • the conventional stem cell manipulation technology based on the design of the extracellular environment has mainly been the regulation of differentiation induction by exogenous signal induction by adding humoral factors such as BMP-2.
  • BMP-2 humoral factors
  • problems and problems in clinical application in terms of side effects such as the development of edema and the need for local administration to the necessary site. Therefore, in the present invention, a culture technique based on induction of endogenous signaling through cell behavior was considered as a novel differentiation control technique.
  • the umbilical cord MSC like other cell types, is surrounded by an extracellular matrix (ECM). It has been reported that ECM not only provides a scaffold for cell adhesion, but also contributes to many physiological activities such as cell proliferation, differentiation, and migration via receptors present on the cell membrane surface.
  • Collagen is a typical molecule constituting an extracellular matrix that can bind to cell adhesion molecules involved in cell adhesion and activate intracellular signals.
  • ALP activity and elevation were observed in both undifferentiated / osteoblasts, and particularly, a marked increase in ALP gene expression was observed in the culture on collagen gel, which increased to the same level as bone marrow MSCs. (FIG. 2).
  • FIG. 2 We have found that collagen gel culture is effective in collagen comparison experiments (FIGS. 3 to 5).
  • transplanted cells can be prepared without any special treatment as much as possible, and the handling of cells must be easy.
  • On-gel culture requires labor such as collagenase treatment for cell collection, and is not suitable for practical use. Therefore, it is important to design and optimize a new culture method for umbilical cord MSC that induces differentiation promotion while securing the number of cells in normal culture.
  • Umbilical cord MSCs maintain high expression of undifferentiated markers such as Oct4 and Nanog even after induction of differentiation, but in collagen gel culture, the expression of undifferentiated markers is significantly reduced after long-term culture (FIG. 13).
  • Osteoblasts treated with an inhibitor of umbilical cord MSC were transplanted together with ⁇ -TCP into the nude mouse to the parietal region under general anesthesia.
  • a control group was transplanted with a composite of osteoblasts induced to differentiate with BMP-2 and ⁇ -TCP.
  • Umbilical cord MSCs can be collected non-invasively and are usually handled as medical waste, and are easy to bank and can be supplied stably. Therefore, there are many advantages over bone regeneration using other adult tissue-derived MSCs.
  • This differentiation induction method makes it possible to mass-produce osteoblasts as a cell preparation for transplantation for bone regeneration from human umbilical cord MSC without genetic manipulation by a novel culture technique applying an actin polymerization inhibitor.
  • the present invention makes it possible to mass-produce osteoblasts as a cell preparation for transplantation for bone regeneration.
  • the cells can be collected non-invasively, and since they are usually handled as medical waste, they are further advantageous in that they are easy to bank and can be stably supplied.

Abstract

本発明は、骨芽細胞分化能を有する幹細胞から、骨芽細胞を、高い効率で分化させることに関する。本発明は、アクチン重合阻害物質を含む、骨芽細胞分化促進剤を提供する。

Description

ヒト臍帯由来間葉系幹細胞から骨芽細胞の製造を目的としたアクチン重合阻害剤による分化誘導技術
 本発明は、アクチン重合阻害物質を含む、骨芽細胞分化促進剤、骨芽細胞分化能を有する幹細胞を、骨分化誘導因子及びアクチン重合阻害物質と共に培養することを含む、骨芽細胞分化誘導方法等に関する。
 骨の再生治療は、自然回復よりも格段に早期の治癒をもたらすこと等から、大変注目されている。骨及び関節を対象とした再生医療市場の規模は、2018年には世界的総市場規模で39億米ドル(BCC Research)に到達することが予測されている。
 例えば歯周病は、日本において高い罹患率を有しており、歯肉に何らかの症状がみられる患者数は約9,400万人(厚生労働省医政局歯科保健課 平成23年歯科疾患実態調査)と言われている。歯周病が進行すると歯茎に炎症が生じ、歯槽骨の吸収が起こる。歯周病によって惹起された骨吸収の治療として、塩基性線維芽細胞成長因子(bFGF)等のタンパク質製剤の局所塗布が適用されているものの、効果発現の長期的な維持は困難であり、骨吸収が広範に及ぶ場合の効果は限定的である。
 歯周病に対する再生治療も行われているが、現在の骨再生では自家骨移植(患者数年間約1万件、平成25年社会医療診療行為別調査)を併用した侵襲性の大きい手術が必要であり患者への負担が大きい。そこで、低侵襲且つ有効性の高い新規骨再生法の開発が望まれている。
 近年、比較的低侵襲且つ有効性の高い新規骨再生法として間葉系幹細胞(MSC)を用いる方法が提案されているが克服すべき課題が多い。MSCは、間葉系組織から抽出可能な、自己増殖能及び多分化能を特徴とする細胞集団である。MSCは、骨髄、臍帯、脂肪に由来するものがあるが、由来する組織によって異なった分化能や増殖能特性を有しており、最も一般的な供給源である骨髄由来幹細胞(骨髄MSC)は骨分化誘導可能で免疫抑制作用も有する。しかし、骨髄採取はそれでも侵襲性が大きいことや移植の際に必要な細胞数の確保のために培養が必要な上に、培養細胞の増殖・分化能に個体差が大きく培養操作が困難であるといった問題がある。
 臍帯MSCはHLAII発現がなく同種異系(アロ)で移植可能であり、バンキングが進められているため細胞の安定供給が可能であり、高い有用性がある。更に臍帯MSCは採取が非侵襲的に可能で、高い増殖活性と骨組織への分化能を有することが報告されている。しかしながら、他の組織から単離されたMSCよりも骨芽細胞への分化誘導に時間を要し、分化を誘導してもAlkaline Phosphatase(ALP)活性は相対的に低く(図1)、その分化機構について不明な点が多い。
 脂肪由来のMSCは、骨分化能が特に高いわけではなく、夾雑物が多く、品質性が低い。侵襲性も大きい。MUSE細胞、iPS/ES細胞も骨芽細胞分化能を有する幹細胞であるが、前者は細胞数が少なくて増殖性が低く、後者は均質的なものが安定的に得られず、増殖・分化が遅い。
 更に、骨芽細胞分化能を有する幹細胞に骨芽細胞への分化を誘導する際に、骨形成タンパク質(BMP)を用いるが、BMPは高価な上に副作用が強いため、使用する量を抑制することが求められる。BMPをコートゲルに含ませると、少量でも強い誘導が観察されるが、人体内でコートゲルは使用できず、治療に用いることはできない。以上のように、低侵襲且つ有効性の高い新規骨再生法に用いるための骨芽細胞を、幹細胞から高い効率で分化させることは困難であった。
 一方、細胞骨格は、細胞分化に際して、重合・脱重合によるダイナミックな構造変化を示す場合や(非特許文献1)、機械的シグナル伝達に関与する場合(非特許文献2)があるが、特にアクチン重合阻害物質が、骨芽細胞分化を顕著に促進することは、これまで全く知られておらず、予想もされていなかった。
Nobusue H,Onishi N,Shimizu T,et al.Regulation of MKL1 via actin cytoskeleton dynamics drives adipocyte differentiation.Nat.Commun.2014;5:3368. J.Gao,et al.Cyclic stretch promotes osteogenesis−related gene expression in osteoblast−like cells through a cofilin−associated mechanism,Mol.Med.Rep.14,218−224(2016).
 本発明の課題は、骨芽細胞分化能を有する幹細胞から、骨芽細胞を、高い効率で分化させることである。例えば、臍帯MSCを骨髄MSCと同程度まで分化誘導効率を亢進する処理条件を確立できれば、大量に骨芽細胞を生産できるため、安価で安全な細胞治療を実現できる。
 本発明者らは、高い骨芽細胞分化能を有する臍帯由来間葉系幹細胞の製造を可能とする培養方法を開発する取り組みを進めた。その結果、アクチン重合阻害物質を応用した新規培養技術により、骨芽細胞分化能を有する幹細胞から、骨再生のための移植用細胞として、骨芽細胞を大量生産することを可能とし、本発明を完成させた。
 即ち、本発明は以下のとおりである。
[1] アクチン重合阻害物質を含む、骨芽細胞分化促准剤。
[2] 骨芽細胞分化が、骨芽細胞分化能を有する幹細胞からの骨芽細胞分化である、[1]に記載の剤。
[3] 骨芽細胞分化能を有する幹細胞が、間葉系幹細胞である、[2]に記載の剤。
[4] 間葉系幹細胞が、臍帯由来間葉系幹細胞である、[3]に記載の剤。
[5] アクチン重合阻害物質が、ラトランクリンA及び/又はスウィンホリドAである、[1]~[4]のいずれかに記載の剤。
[6] 骨芽細胞分化能を有する幹細胞を、骨分化誘導因子及びアクチン重合阻害物質と共に培養することを含む、骨芽細胞分化誘導方法。
[7] 骨芽細胞分化能を有する幹細胞が、間葉系幹細胞である、[6]に記載の方法。
[8] 間葉系幹細胞が、臍帯由来間葉系幹細胞である、[7]に記載の方法。
[9] 骨分化誘導因子が、骨形成タンパク質である、[6]~[8]のいずれかに記載の方法。
[10] 骨形成タンパク質がBMP−2である、[9]に記載の方法。
[11] アクチン重合阻害物質が、ラトランクリンA及び/又はスウィンホリドAである、[6]~[10]のいずれかに記載の方法。
[12] 骨分化マーカー遺伝子発現又は骨分化マーカー酵素の活性を測定して骨芽細胞分化能を有する幹細胞の分化状況を確認することを更に含む、[6]~[11]のいずれかに記載の方法。
[13] 骨分化マーカー遺伝子がALP遺伝子であり、骨分化マーカー酵素がALPである、[12]に記載の方法。
[14] 培養が、5日間以上行われる、[6]~[13]のいずれかに記載の方法。
[15] 培養開始と同時(0日)、培養開始後1日、2日、3日、4日又は5日に、培地中に骨分化誘導因子を含有させる、[6]~[14]のいずれかに記載の方法。
[16] 培養開始と同時(0日)、培養開始後1日、2日、3日、4日、5日、6日、7日、8日、9日、10日、11日、12日、13日、14日又は15日に、培地中にアクチン重合阻害物質を含有させる、[6]~[15]のいずれかに記載の方法。
[17] 骨治療材を製造するための方法である、[6]~[16]のいずれかに記載の方法。
[18] [1]~[5]のいずれかに記載の骨芽細胞分化促進剤及び
 骨芽細胞分化能を有する幹細胞
を含む、骨治療用キット。
 本発明により、これまで困難であった、幹細胞からの効率の高い骨芽細胞分化誘導が可能となる。特に、幹細胞として臍帯由来間葉系幹細胞を用いる場合、無侵襲で採取できること、該幹細胞にHLAII発現がないため他家移植できることから、治療対象患者の負担を軽減することが可能となる。
図1は、臍帯(UC)由来及び骨髄(BM)由来のヒト間葉系幹細胞に骨芽細胞分化を誘導した際と非誘導コントロールの、アルカリフォスファターゼ(ALP)活性を示すグラフである。 図2は、臍帯(UC)由来及び骨髄(BM)由来のヒト間葉系幹細胞に骨芽細胞分化を誘導した際と非誘導コントロールの、アルカリフォスファターゼ(ALP)mRNAの発現を示すグラフである。臍帯(UC)由来ヒト間葉系幹細胞は、コラーゲンゲル上で培養したもの(gel)と、そうでないもの(non−coat)を両方用いた。 図3は、コーティングなし、コラーゲンゲル上、コラーゲンコーティング上の培養で分化誘導した間葉系幹細胞と、非誘導コントロールの細胞の、遊走の様子を記録した図である。 図4は、図3のデータに基づき、遊走距離を定量化したグラフである。 図5は、コラーゲンゲル上又はコーティングなしでの培養の際の、臍帯(UC)由来及び骨髄(BM)由来のヒト間葉系幹細胞の細胞骨格(アクチン)の変化を示す図である。 図6は、BMP−2−BMP受容体II(BMPRII)−コフィリン伝達経路の模式図である。 図7は、臍帯(UC)由来のヒト間葉系幹細胞に骨芽細胞分化を誘導した際と非誘導コントロールの、BMPRII mRNAの発現を示すグラフである。臍帯(UC)由来ヒト間葉系幹細胞は、コラーゲンゲル上で培養したもの(gel)と、そうでないもの(non−coating)を両方用いた。 図8は、臍帯(UC)由来のヒト間葉系幹細胞に骨芽細胞分化を誘導した際と非誘導コントロールの、コフィリンmRNAの発現を示すグラフである。臍帯(UC)由来ヒト間葉系幹細胞は、コラーゲンゲル上で培養したもの(gel)と、そうでないもの(non−coating)を両方用いた。 図9は、表示された条件での培養におけるアクチンの細胞内局在の観察結果を示す図である。 図10は、骨芽細胞分化誘導後3日目にアクチン阻害剤のラトランクリンA(Latrunculin A)、スウィンホリドA(Swinholide A)で処理した細胞、並びに分化非誘導及び阻害剤なしの細胞のALP mRNA発現を示す図である。 図11は、骨芽細胞分化誘導後3日目にアクチン阻害剤のラトランクリンA(Latrunculin A)、スウィンホリドA(Swinholide A)で処理した細胞、及びコントロールの細胞のアクチンの動態変化を示す図である。 図12は、骨芽細胞分化誘導後にアクチン阻害剤のラトランクリンA(Latrunculin A)、スウィンホリドA(Swinholide A)で処理した細胞、並びに分化非誘導、阻害剤なし及びコラーゲンゲル培養の細胞のアクチンの動態変化を示す図である。 図13は、コラーゲンゲル上で培養した臍帯由来ヒト間葉系幹細胞もの(gel)と、そうでない臍帯由来ヒト間葉系幹細胞(non−coating)の、未分化マーカー(Oct4、Nanog)の発現を示す図である。 図14は、臍帯MSCを阻害剤処理した骨芽細胞をβ−TCPとともに頭頂部に移植したヌードマウス、及び対照の切片標本のHematoxylin&Eosin(HE)染色像である(移植4週間後)。
以下、本発明を詳細に説明する。
1.骨芽細胞分化促進剤
 本発明は、アクチン重合阻害物質を含む、骨芽細胞分化促進剤を提供する。
 球状アクチン(Gアクチン)は分子量約42kDの球形タンパク質であり、これが螺旋状に重合して線維状アクチン(Fアクチン)を形成する。本明細書中、アクチン重合阻害物質は、この重合を阻害する物質を指す。
 アクチン重合阻害物質としては、ラトランクリンA、ラトランクリンB、ラトランクリンC、ラトランクリンD等のラトランクリン類、スウィンホリドA、スウィンホリドB、スウィンホリドC、スウィンホリドD、スウィンホリドE、スウィンホリドF、スウィンホリドG、スウィンホリドH、スウィンホリドI、スウィンホリドJ、スウィンホリドK等のスウィンホリド類、サイトカラシンA、サイトカラシンB、サイトカラシンC、サイトカラシンD、サイトカラシンE、サイトカラシンF、サイトカラシンH、サイトカラシンJ等のサイトカラシン類等の低分子量化合物、コフィリン、プロフィリン、ビリン、フラグミン、アクトリンキン、ゲルゾリン、デパクチン等のアクチン結合タンパク質、及びアクチン結合タンパク質の活性を制御するタンパク質(例、コフィリンの活性を制御するLIMキナーゼ(LIMK)等)が挙げられ、好ましくは、ラトランクリンA、スウィンホリドAが挙げられる。
 ラトランクリン類は、Gアクチン(モノマー)と1:1の複合体を形成してアクチン重合を阻害する。洗浄によって複合体からラトランクリンを除去することにより、アクチンの重合能は回復する。スウィンホリド類は、Gアクチンと1:1で結合してアクチン重合を阻害する他、Fアクチンの切断活性を有し、線維状アクチンを速やかに崩壊させる。
 一態様において、本発明は、アクチン重合阻害物質をコードするベクターを含む、骨芽細胞分化促進剤を提供する。
 前記ベクターがコードするアクチン重合阻害物質としては、コフィリン、プロフィリン、ビリン、フラグミン、アクトリンキン、ゲルゾリン、デパクチン等のアクチン結合タンパク質、及びアクチン結合タンパク質の活性を制御するタンパク質(例、コフィリンの活性を制御するLIMキナーゼ(LIMK)等)が挙げられる。
 アクチン重合阻害物質は、低分子量化合物の場合、例えば培養中に培地に添加することによって、細胞内に浸透(透過)させることによって導入し、骨細胞内のアクチンに接触させて作用させてもよい。培地中のアクチン重合阻害物質の濃度は、本発明の効果を達成可能な範囲で適宜設定することが可能である。該物質は、通常、1nM~10μM、好ましくは10nM~800nM、更に好ましくは10nM~500nMの濃度で使用される。
 上記アクチン重合阻害物質は、単独で本発明の分化促進剤として用いることができるが、溶解促進剤、安定化剤、保存剤、抗酸化剤等の成分を更に含み得る。溶解促進剤としては、ジメチルスルホキシド、エタノール、メタノール、N,N−ジメチルホルムアミド等が挙げられる。
 なお、アクチン重合阻害物質は、低分子量化合物又はタンパク質の形態の場合、例えばリポフェクション、細胞膜透過性ペプチド(例えば、HIV由来のTAT及びポリアルギニン)との融合、マイクロインジェクション等の手法を用いた培養によって細胞内に導入し、細胞内のアクチンに作用させてもよい。
 一方、DNAの形態の場合、例えば、ウイルス、プラスミド、人工染色体等のベクター、リポフェクション、リポソーム、マイクロインジェクション等の手法によって細胞内に導入し、細胞内のアクチンに作用させることができる。ウイルスベクターとしては、レトロウイルスベクター、レンチウイルスベクター(以上、Cell,126,pp.663−676,2006;Cell,131,pp.861−872,2007;Science,318,pp.1917−1920,2007)、アデノウイルスベクター(Science,322,945−949,2008)、アデノ随伴ウイルスベクター等が例示される。また、人工染色体ベクターとしては、例えばヒト人工染色体(HAC)、酵母人工染色体(YAC)、細菌人工染色体(BAC、PAC)等が含まれる。プラスミドとしては、哺乳動物細胞用プラスミドを使用し得る(Science,322:949−953,2008)。ベクターには、アクチン重合阻害物質が発現可能なように、プロモーター、エンハンサー、リボゾーム結合配列、ターミネーター、ポリアデニル化サイト等の制御配列を含むことができるし、更に、必要に応じて、薬剤耐性遺伝子(例えばピューロマイシン耐性遺伝子等)、チミジンキナーゼ遺伝子、ジフテリアトキシン遺伝子等の選択マーカー配列、緑色蛍光タンパク質(GFP)、βグルクロニダーゼ(GUS)、FLAG等のレポーター遺伝子配列等を含むことができる。
 また、RNAの形態の場合、例えばリポフェクション、マイクロインジェクション等の手法によって細胞に作用させても良く、分解を抑制するため、5−メチルシチジン及びpseudouridine(TriLink Biotechnologies)を取り込ませたRNAを用いても良い(Warren L,(2010)Cell Stem Cell.7:618−630)。
 本発明の骨芽細胞分化促進剤は、骨芽細胞分化能を有する幹細胞から骨芽細胞への分化を促進することができる。
 骨芽細胞は、骨組織の表面に存在し、骨細胞に分化して新しい骨をつくる働きを有する細胞をいう。なお、本発明の骨芽細胞分化促進剤を骨芽細胞分化能を有する幹細胞に用いた場合、その分化細胞(分化誘導させた細胞)は骨芽細胞のみならず、骨芽細胞分化能を有する幹細胞から骨への分化において観察される任意の細胞を意味し、例えば、骨細胞(osteocyte)、前骨芽細胞(preosteoblast)、骨前駆細胞(osteoprogenitor cell)、又は間葉系幹細胞からやや分化が進行した間葉系前駆細胞等(mesenchymal precursor cell)も挙げることができる。
 本発明の骨芽細胞分化促進剤によって骨芽細胞への分化が促進される骨芽細胞分化能を有する幹細胞は、脊椎動物由来の細胞であることが好ましい。該脊椎動物としては、例えば、哺乳動物、鳥が挙げられる。哺乳動物としては、例えば、マウス、ラット、ハムスター、モルモット等のげっ歯類やウサギ等の実験動物、ブタ、ウシ、ヤギ、ウマ、ヒツジ、ミンク等の家畜、イヌ、ネコ等のペット、ヒト、サル、アカゲザル、マーモセット、オランウータン、チンパンジー等の霊長類等を挙げることが出来る。鳥類としては、ニワトリ、ウズラ、アヒル、ガチョウ、シチメンチョウ、オーストリッチ、エミュ、ダチョウ、ホロホロ鳥、ハト等を挙げることができる。脊椎動物は、好ましくは哺乳動物であり、より好ましくはげっ歯類(マウス等)又は霊長類(ヒト等)である。
 骨芽細胞分化能を有する幹細胞としては、例えば、間葉系幹(MS)細胞、胚性幹(ES)細胞、核移植により得られるクローン胚由来の胚性幹(ntES)細胞、人工多能性幹(iPS)細胞、培養線維芽細胞や骨髄幹細胞由来の多能性細胞(Muse細胞)等が挙げられる。
 間葉系幹細胞は、間葉に由来する体性幹細胞であり、骨系細胞、脂肪細胞及び筋肉細胞等の間葉系に属する細胞への分化能を持つ。また、外胚葉由来細胞、内胚葉由来細胞等、中胚葉性でない組織にまで分化できる可塑性を持っていることが示されている。間葉系幹細胞には、例えば、臍帯由来幹細胞、骨髄間葉系細胞及び脂肪由来幹細胞が含まれる。間葉系幹細胞は間葉系組織のある全ての組織(例、臍帯血、骨髄、脂肪組織、子宮内膜、真皮、骨格筋、骨膜、歯根膜、歯髄及び歯胚等)に存在すると考えられている。臍帯血とは、胎児と母体を繋ぐ胎児側の組織であるへその緒(臍帯)の中に含まれる血液をいう。臍帯血の中には、臍帯血由来幹細胞(造血幹細胞)が多量に含まれていることが知られていたが、臍帯や臍帯血には、造血幹細胞以外の体性幹細胞である間葉系幹細胞(臍帯(血)由来の間葉系幹細胞)が存在することが明らかとなっている。一方、骨髄間葉系幹細胞は骨髄間質細胞の中に含まれており、骨髄間質細胞は骨髄の中で主体となる造血細胞を支える細胞の一種である。骨髄間葉系幹細胞は、骨髄穿刺で容易に採取でき、培養技術も確立されている。脂肪組織由来の間葉系幹細胞は、比較的増殖が速く、細胞活性も高い。
 生体においては、間葉系幹細胞は、例えば骨髄、末梢血、臍帯(血)、脂肪組織中に低頻度で存在する。間葉系幹細胞は、これらの組織から公知の方法で単離又は精製することが出来る。「単離又は精製」とは、天然に存在する状態とは異なる状態に人為的に置かれること、例えば、天然に存在する状態から、目的とする成分以外の成分を除去する操作が施されていることを意味する。
 例えばヒトの臍帯から間葉系幹細胞を単離するには、Romanov Y.A.ら(Stem Cells.2003;21:105−10.)によって報告された方法に準じて間葉系幹細胞を単離することができる。また、例えばヒトの骨髄からは、Haynesworth S.E.ら(Bone.1992;13:81−8.)によって報告された方法に準じて、骨髄細胞液を採取しながら行うことができる。得られた骨髄細胞液からは、Pittenger M.F.ら(Science.1999;284:143−7.)によって報告された方法を用いて骨髄細胞液中に混在する他の細胞を除去し、間葉系幹細胞を単離することができる。また、例えばヒトの脂肪組織から間葉系幹細胞を単離する場合は、Zuk P.A.ら(Tissue Eng.2001 Apr;7:211−28.,Mol Biol Cell.2002 Dec;13(12):4279−95.)によって報告された方法を用いることができる。以上のようにして間葉系幹細胞を採取することができるが、その方法は上記の内容に限定されるものではない。
 間葉系幹細胞は不死化された細胞であり得る。不死化とは、無限自律増殖能を獲得したことを意味する。間葉系細胞の不死化は、種々の不死化遺伝子の導入により行うことが出来る。例えば、Bmi1遺伝子及びTERT遺伝子を導入したり(BBRC,vol.353,p.60−66(2007))、TERT遺伝子及びヒトパピローマウイルスのE6及びE7遺伝子を導入すること(BBRC,vol.295,p.354−361(2002))により、間葉系幹細胞を不死化することが出来る。
 胚性幹細胞は、所定の機関より入手でき、また、市販品を購入することもできる。例えば、ヒト胚性幹細胞であるKhES−1、KhES−2及びKhES−3は、京都大学再生医科学研究所より入手可能である。いずれもマウス胚性幹細胞である、EB5細胞は国立研究開発法人理化学研究所より、D3株はATCCより、入手可能である。ES細胞の一つである核移植ES細胞(ntES細胞)は、細胞株を取り除いた卵子に体細胞の細胞核を移植して作ったクローン胚から樹立することができる。EG細胞は、始原生殖細胞をmSCF、LIF及びbFGFを含む培地中で培養することにより製造することが出来る(Cell,70:841−847,1992)。
 人工多能性幹細胞は、体細胞を、公知の方法等により初期化(reprogramming)することにより、多能性を誘導した細胞である。具体的には、線維芽細胞や末梢血単核球等分化した体細胞をOct3/4、Sox2、Klf4、Myc(c−Myc、N−Myc、L−Myc)、Glis1、Nanog、Sall4、lin28、Esrrb等を含む初期化遺伝子群から選ばれる複数の遺伝子の組み合わせのいずれかの発現により初期化して多分化能を誘導した細胞が挙げられる。好ましい初期化因子の組み合わせとしては、(1)Oct3/4、Sox2、Klf4、及びMyc(c−Myc又はL−Myc)、(2)Oct3/4、Sox2、Klf4、Lin28及びL−Myc(Stem Cells,2013;31:458−466)を挙げることが出来る。
 Muse細胞は、骨髄液や真皮結合組織等の皮膚組織から得ることができ、各臓器の結合組織にも散在する。また、この細胞は、多能性幹細胞と間葉系幹細胞の両方の性質を有する細胞であり、例えば、それぞれの細胞表面マーカーである「SSEA−3(Stage−specific embryonic antigen−3)」と「CD105」のダブル陽性として同定される。従って、Muse細胞又はMuse細胞を含む細胞集団は、例えば、これらの抗原マーカーを指標として生体組織から分離することができる。Muse細胞の分離法、同定法、及び特徴等の詳細は、国際公開第WO2011/007900号に開示されている。また、Wakao,S,et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,Vol.108,p.9875−9880(2011)によって報告されているように、骨髄、皮膚等の間葉系細胞を培養して得たものをMuse細胞の母集団として用いる場合、SSEA−3陽性細胞の全てがCD105陽性細胞であることが分かっている。従って、本発明においては、生体の間葉系組織又は培養間葉系幹細胞からMuse細胞を分離する場合は、単にSSEA−3を抗原マーカーとしてMuse細胞を精製し、使用することができる。
 骨芽細胞分化能を有する幹細胞は、本発明の骨芽細胞分化促進剤を用いられる前に、適切な培地中で接着培養されていてもよい。具体的には、例えば、適切な細胞外マトリックス上に、好ましくは担体表面に固相化された細胞外マトリックス上に、幹細胞の懸濁液を乗せて培養することにより幹細胞を分化させずに増殖させることができる。幹細胞を懸濁する溶液としては、特に限定されないが、幹細胞の培地(培養液)を好適に用いることができる。かかる幹細胞の培地は、使用する幹細胞の種類に応じて培養に適した自体公知の培地を用いることができる。用いられる基礎培地としては、特に限定されないが、例えばMEM培地、α−MEM培地、D−MEM培地、Eagle MEM培地、BME培地、IMDM培地、Medium 199培地、RPMI1640培地、BGJb培地、CMRL1066培地、Glasgow MEM培地、Improved MEM Zinc Option培地、ハム培地、Fischer’s培地及びこれらの混合培地等が挙げられる。これらの培地は、血清(例えばウシ胎児血清、ヒト血清等)を含んでいてもよい。或いは、血清の代替添加物(例えばKnockout Serum Replacement(KSR)(Invitrogen社製)等)を用いてもよい。血清の濃度は特に限定されないが、通常5~20(v/v)%の範囲である。
 更に上記培地には、自体公知の添加物を含有させることもできる。添加物としては、特に限定されないが、例えば成長因子(例えばインスリン等)、鉄源(例えばトランスフェリン等)、ミネラル(例えばセレン酸ナトリウム等)、糖類(例えばグルコース等)、有機酸(例えばピルビン酸、乳酸等)、血清タンパク質(例えばアルブミン等)、アミノ酸(例えばL−グルタミン等)、還元剤(例えば2−メルカプトエタノール等)、ビタミン類(例えばアスコルビン酸、d−ビオチン等)、抗生物質(例えばストレプトマイシン、ペニシリン、ゲンタマイシン等)、緩衝剤(例えばHEPES等)等が挙げられる。また、幹細胞を増殖させる場合には、通常、幹細胞の分化抑制剤(例えばLIF、Wnt、TGF−β、bFGF等)が用いられる。これらの添加物は、それぞれ自体公知の濃度範囲内で含有させることができる。
 また、本発明の骨芽細胞分化促進剤で骨芽細胞分化能を有する幹細胞の骨芽細胞への分化の誘導を促進する場合には、通常、予め又は本発明の骨芽細胞分化促進剤と同時に骨分化誘導因子が培地に添加される。かかる骨分化誘導因子は、使用する幹細胞に応じて適宜決定することができる。例えば幹細胞として間葉系幹細胞を用いて、これを骨芽細胞に分化誘導させる場合には、デキサメタゾン、タクロリムス及びシクロスポリン等の免疫抑制剤;BMP−2、BMP−4、BMP−5、BMP−6、BMP−7及びBMP−9等の骨形成タンパク質;TGF−β等の骨形成液性因子;ヒドロコルチゾン、アスコルビン酸、β−グリセロリン酸等を用いることができるが、好ましくは、骨形成タンパク質が用いられ、更に好ましくは、BMP−2が用いられる。これらの骨分化誘導因子は単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。また、添加される骨分化誘導因子の濃度は特に限定されず、それぞれ自体公知の濃度範囲内とすることができる。例えば、骨分化誘導因子は、通常、約0.01ng/ml~約300μg/ml、好ましくは約0.1ng/ml~約500ng/ml、より好ましくは約1ng/ml~約300ng/mlの濃度となるように培地に添加することができる。
 播種する骨芽細胞分化能を有する幹細胞の数(密度)は、用いる幹細胞の種類、培養方法、培養条件及び幹細胞の分化を誘導する対象等に応じて適宜設定することができる。細胞増殖を行う場合、その細胞数は、通常10,000~500,000個/ml、好ましくは10,000~100,000個/ml、より好ましくは10,000~50,000個/mlである。また、細胞の分化誘導を行う場合、その細胞数は、通常100,000~1,000,000個/ml、好ましくは100,000~500,000個/ml、より好ましくは100,000~250,000個/mlである。
 骨芽細胞分化能を有する幹細胞の培養条件は、細胞培養技術において通常用いられる条件であれば特に限定されず、例えば、培養温度は通常30~40℃の範囲であり、好ましくは約37℃が例示される。CO濃度は通常1~10%の範囲であり、好ましくは約5%が例示される。湿度は通常70~100%の範囲であり、好ましくは85~95%が例示される。
2.骨芽細胞分化誘導方法
 本発明は、骨芽細胞分化能を有する幹細胞を、骨分化誘導因子及びアクチン重合阻害物質と共に培養することを含む、骨芽細胞分化誘導方法を提供する。
 本発明の骨芽細胞分化誘導方法においては、「骨芽細胞分化能を有する幹細胞」、「骨分化誘導因子」、「アクチン重合阻害物質」に関しては、上記の1.骨芽細胞分化促進剤に記載したものを用いることができる。
 上記方法における骨芽細胞分化能を有する幹細胞の培養は、浮遊培養若しくは接着培養又はそれらの組合せであり得る。本発明における「浮遊培養」は、細胞(又は細胞の凝集体)が培養液に浮遊して存在する状態を維持しつつ培養することを言う。「接着培養」は、細胞(又は細胞の凝集体)を培養器材等に接着させる条件で行う培養をいう。この場合、細胞が接着するとは、細胞又は細胞の凝集体と培養器材の間に、強固な細胞−基質間結合(cell−substratum junction)ができることをいう。より詳細には、浮遊培養とは、細胞又は細胞の凝集体と培養器材等との間に強固な細胞−基質間結合を作らせない条件での培養をいい、接着培養とは、細胞又は細胞の凝集体と培養器材等との間に強固な細胞−基質間結合を作らせる条件での培養をいう。
 浮遊培養を行う際に用いられる培養器は、浮遊培養することが可能なものであれば特に限定されず、当業者であれば適宜決定することが可能である。このような培養器としては、例えば、フラスコ、組織培養用フラスコ、培養皿(ディッシュ)、ペトリデッシュ、組織培養用ディッシュ、マルチディッシュ、マイクロプレート、マイクロウェルプレート、マイクロポア、マルチプレート、マルチウェルプレート、チャンバースライド、シャーレ、チューブ、トレイ、培養バック、三角フラスコ、スピナーフラスコ又はローラーボトルが挙げられる。これらの培養器は、浮遊培養を可能とするために、細胞非接着性であることが好ましい。細胞非接着性の培養器としては、培養器の表面が、細胞との接着性を低下させる目的で人工的に処理(例えば、MPCポリマー等の超親水性処理、タンパク低吸着処理等)されたもの等を使用できる。スピナーフラスコやローラーボトル等を用いて回転培養してもよい。培養器の培養面は、平底でもよいし、凹凸があってもよい。
 接着培養を行う際に用いられる培養器は、接着培養することが可能なものであれば特に限定されず、当業者であれば適宜培養のスケール、培養条件及び培養期間に応じた培養器を選択することが可能である。このような培養器としては、例えば、フラスコ、組織培養用フラスコ、培養皿(ディッシュ)、組織培養用ディッシュ、マルチディッシュ、マイクロプレート、マイクロウェルプレート、マルチプレート、マルチウェルプレート、チャンバースライド、シャーレ、チューブ、トレイ、培養バック、マイクロキャリア、ビーズ、スタックプレート、スピナーフラスコ又はローラーボトルが挙げられる。これらの培養器は、接着培養を可能とするために、細胞接着性であることが好ましい。細胞接着性の培養器としては、培養器の表面が、細胞との接着性を向上させる目的で人工的に処理された培養器が挙げられ、具体的には表面加工された培養器、又は、内部がコーティング剤で被覆された培養器が挙げられる。表面加工された培養器としては、正電荷処理等の表面加工された培養容器が挙げられる。コーティング剤としては、例えば、ラミニン[ラミニンα5β1γ1(以下、ラミニン511)、ラミニンα1β1γ1(以下、ラミニン111)等及びラミニン断片(ラミニン511E8等)を含む]、エンタクチン、コラーゲン、ゼラチン、ビトロネクチン(Vitronectin)、シンセマックス(コーニング社)、マトリゲル等の細胞外マトリクス等、又は、ポリリジン、ポリオルニチン等の高分子等が挙げられる。
 本発明の骨芽細胞分化誘導方法において細胞の培養に用いられる培地は、動物細胞の培養に通常用いられる培地を基礎培地として調製することができる。基礎培地としては、例えば、BME培地、BGJb培地、CMRL 1066培地、Glasgow MEM(GMEM)培地、Improved MEM Zinc Option培地、IMDM培地、Medium199培地、Eagle MEM培地、αMEM培地、D−MEM培地、F−12培地、D−MEM/F12培地、IMDM/F12培地、ハム培地、RPMI1640培地、Fischer’s培地、又はこれらの混合培地等、動物細胞の培養に用いることのできる培地を挙げることができる。これらの培地は、無血清培地であってもよいし、血清(例えばウシ胎児血清、ヒト血清等)培地であってもよいが、無血清培地であることが好ましい。
 無血清培地とは、無調整又は未精製の血清を含まない培地を意味する。本発明では、精製された血液由来成分や動物組織由来成分(例えば、増殖因子)が混入している培地も、無調整又は未精製の血清を含まない限り無血清培地に含まれる。
 無血清培地は、血清代替物を含有していてもよい。血清代替物としては、例えば、アルブミン、トランスフェリン、脂肪酸、コラーゲン前駆体、微量元素、2−メルカプトエタノール又は3’チオールグリセロール、或いはこれらの均等物等を適宜含有するものを挙げることができる。かかる血清代替物は、例えば、WO98/30679に記載の方法により調製することができる。血清代替物としては市販品を利用してもよい。かかる市販の血清代替物としては、例えば、KnockoutTM Serum Replacement(Life Technologies社製;現ThermoFisher:以下、KSRと記すこともある。)、Chemically−defined Lipid concentrated(Life Technologies社製)、GlutamaxTM(Life Technologies社製)、B27(Life Technologies社製)、N2サプリメント(Life Technologies社製)が挙げられる。
 調製の煩雑さを回避するために、かかる無血清培地として、市販のKSR(ライフテクノロジー(Life Technologies)社製)を適量(例えば、約0.5%から約30%、好ましくは約1%から約20%)添加した無血清培地(例えば、F−12培地とIMDM培地の1:1混合液に10%KSR、1 x Chemically Defined Lipid Concentrate(CDLC)及び450μM1−モノチオグリセロールを添加した培地)を使用してもよい。また、KSR同等品として特表2001−508302に開示された培地が挙げられる。
 本発明の骨芽細胞分化誘導方法における培養は、好ましくはゼノフリー条件で行われる。「ゼノフリー」とは、培養対象の細胞の生物種とは異なる生物種由来の成分が排除された条件を意味する。
 播種する骨芽細胞分化能を有する幹細胞の濃度は、例えば、約1×10~約1×10細胞/ml、好ましくは約3×10~約5×10細胞/ml、より好ましくは約4×10~約2×10細胞/ml、更に好ましくは、約4×10~約1×10細胞/ml、より更に好ましくは約1×10~約1×10細胞/mlとすることができる。
 培養温度、CO濃度等の培養条件は適宜設定できる。培養温度は、例えば約30℃から約40℃、好ましくは約37℃である。CO濃度は、例えば約1%から約10%、好ましくは約5%である。
 本発明の骨芽細胞分化誘導方法における培養日数は、本発明の効果が得られる限り特に限定されないが、例えば、5日間以上、6日間以上、7日間以上、8日間以上、9日間以上、10日間以上又は15日間以上であり、20日間以下である。上記培養日数は、好ましくは、10日間以上又は15日間以上であり、20日間以下である。
 本発明の骨芽細胞分化誘導方法において、骨分化誘導因子は、骨芽細胞分化能を有する幹細胞が骨芽細胞に分化する限り特に限定されないが、通常、約0.01ng/ml~約300μg/ml、好ましくは約0.1ng/ml~約500ng/ml、より好ましくは約1ng/ml~約300ng/mlの濃度となるように培地に添加することができる。
 また、骨分化誘導因子を培地に添加するタイミングは、骨芽細胞分化能を有する幹細胞が骨芽細胞に分化する限り特に限定されないが、例えば、培養開始と同時(0日)、培養開始後1日、2日、3日、4日又は5日であり得、好ましくは、培養開始と同時(0日)、培養開始後1日、2日又は3日であり得、より好ましくは、培養開始と同時(0日)である。また、添加する回数は、当業者が適宜決定することができるが、通常、1回以上である。尚、本発明の方法においては、必要に応じて、骨分化誘導因子を培地に添加した時点を培養0日目とすることができる。骨芽細胞分化能を有する幹細胞は、当該時点まで、適切な培地中で培養(前培養)され得る。前培養の期間は、例えば、6時間~3日、好ましくは12時間~2日、より好ましくは24時間である。
 骨分化誘導因子を培地に含有させる時間は、骨芽細胞分化能を有する幹細胞が骨芽細胞に分化する限り特に限定されないが、例えば、3日間以上、5日間以上、6日間以上、7日間以上、8日間以上、9日間以上、10日間以上又は15日間以上であり、20日間以下である。上記日数は、好ましくは、10日間以上又は15日間以上であり、20日間以下である。骨分化誘導因子は、培養の間常に細胞に作用させてもよい。
 本発明の骨芽細胞分化誘導方法において、アクチン重合阻害物質は、骨芽細胞分化能を有する幹細胞の骨芽細胞への分化を促進する限り特に限定されないが、通常、1nM~10μM、好ましくは10nM~800nM、更に好ましくは10nM~500nMの濃度で使用される。
 アクチン重合阻害物質を、培地に添加するタイミングは、骨芽細胞分化能を有する幹細胞の骨芽細胞への分化を促進する限り特に限定されないが、例えば、培養開始と同時(0日)、培養開始後1日、2日、3日、4日、5日、6日、7日、8日、9日、10日、11日、12日、13日、14日又は15日であり得、好ましくは、培養開始後3日及び7日である。また、添加する回数は、当業者が適宜決定することができるが、通常、1又は2回以上である。
 アクチン重合阻害物質を、培地に含有させる時間は、骨芽細胞分化能を有する幹細胞の骨芽細胞への分化を促進する限り特に限定されないが、例えば、1時間~20時間、2時間~15時間、3時間~10時間、4時間~8時間、5時間~7時間であり得る
 アクチン重合阻害物質と骨芽細胞分化能を有する幹細胞との培養は、全培養過程を通して1回のみとすることもできるし、複数回に分けて行うこともできる。
 培養中に、骨芽細胞分化能を有する幹細胞と骨分化誘導因子及び/又はアクチン重合阻害物質との培養を終了する場合、例えば、該骨分化誘導因子及び/又はアクチン重合阻害物質が培地中から除去される。当該除去は、例えば、元の骨分化誘導因子及びアクチン重合阻害物質を含む培地を、骨分化誘導因子及び/又はアクチン重合阻害物質を含まない培地と交換することにより行われる。培地交換操作を行う場合、例えば、元ある培地を捨てずに新しい培地を加える操作(培地添加操作)、元ある培地を半量程度(元ある培地の体積量の30~90%程度、例えば40~60%程度)捨てて新しい培地を半量程度(元ある培地の体積量の30~90%程度、例えば40~60%程度)加える操作(半量培地交換操作)、元ある培地を全量程度(元ある培地の体積量の90%以上)捨てて新しい培地を全量程度(元ある培地の体積量の90%以上)加える操作(全量培地交換操作)が挙げられる。
 ある時点で特定の成分(例えば、骨分化誘導因子、アクチン重合阻害物質)を添加する場合、例えば、終濃度を計算した上で、元ある培地を半量程度捨てて、特定の成分を終濃度よりも高い濃度(具体的には終濃度の1.5~3.0倍、例えば終濃度の約2倍の濃度)で含む新しい培地を半量程度加える操作(半量培地交換操作)を行ってもよい。
 ある時点で、元の培地に含まれる特定の成分の濃度を維持する場合、例えば元ある培地を半量程度捨てて、元の培地に含まれる濃度と同じ濃度の特定の成分を含む新しい培地を半量程度加える操作を行ってもよい。
 ある時点で、元の培地に含まれる成分を希釈して濃度を下げる場合、例えば、培地交換操作を、1日に複数回、好ましくは1時間以内に複数回(例えば2~3回)行ってもよい。また、ある時点で、元の培地に含まれる成分を希釈して濃度を下げる場合、細胞又は凝集体を別の培養容器に移してもよい。
 培地交換操作に用いる道具は特に限定されないが、例えば、ピペッター、マイクロピペット(ピペットマン)、マルチチャンネルマイクロピペット(マルチチャンネルピペットマン)、連続分注器、等が挙げられる。例えば、培養容器として96ウェルプレートを用いる場合、マルチチャンネルマイクロピペット(マルチチャンネルピペットマン)を使ってもよい。
 以上のように、本発明の骨芽細胞分化誘導方法を用いることにより骨芽細胞分化能を有する幹細胞から骨芽細胞への分化を誘導することができる。本発明の骨芽細胞分化誘導方法により骨芽細胞が得られていることの確認は、骨分化マーカー遺伝子発現又は骨分化マーカー酵素の活性を測定して骨芽細胞分化能を有する幹細胞の分化状況を確認することによって実施することができる。従って、本発明の骨芽細胞分化誘導方法は、骨分化マーカー遺伝子発現又は骨分化マーカー酵素の活性を測定して骨芽細胞分化能を有する幹細胞の分化状況を確認することを更に含んでよい。骨分化マーカー遺伝子としては、ALP(アルカリフォスファターゼ)、オステオカルシン(Osteocalcin、OC)、オステオポンチン(Osteopontin)、Runx2などが挙げられ、好ましくは、ALPが挙げられる。
 Runx2は骨形成において必須の転写因子である。Runx2は、生体での間葉系幹細胞から骨芽細胞への分化において必要不可欠な役割を果たしている。間葉系幹細胞へのRunx2の強制発現は、OC(オステオカルシン)、BSP(Bone sialo−protein)、ALP(アルカリフォスファターゼ)、COL1A1等の骨芽細胞特異的遺伝子を増大させる。
 ALP(アルカリフォスファターゼ)は、骨芽細胞の早期から中期分化マーカーである。骨芽細胞の膜表面と骨芽細胞より分泌される基質小胞に多く含まれ、石灰化基質産生の開始に関与する。
 オステオカルシン(Osteocalcin、OC)は骨芽細胞特異的に発現し、骨形成の促進に寄与すると考えられている。
 更に、骨分化細胞が産生した石灰化成分を検出する方法を用いることもできる。当該検出方法としては、特に限定されないが、例えばフォンコッサ(VonKossa)染色及びアリザリンレッド染色等が挙げられる。
 フォンコッサ染色は、硝酸銀を用いて石灰化成分であるリン酸カルシウムを検出する方法である。具体的には、パラフィン等で固定した細胞に1~5重量%の硝酸銀水溶液を反応させる。反応後、光を当てることによってリン酸カルシウムが存在する部分が黒く呈色されることになる。この呈色部分の面積を計測する等によって骨分化を評価することができる。
 アリザリンレッド染色は、アリザリンレッドSがカルシウムイオンに対して特異的に結合し、カルシウムイオンの沈着部分を染色することを利用した方法である。具体的には、パラフィン等で固定した細胞に0.01~5重量%のアリザリンレッドS溶液を反応させると、赤紫~橙赤色の呈色反応が見られる。この呈色部分の面積を計測する等によって骨分化を評価することができる。
3.骨治療材
 本発明は、本発明の骨芽細胞分化誘導方法により製造された骨芽細胞を含む、骨治療材を提供する。また、本発明の骨芽細胞分化誘導方法は、骨治療材を製造するための方法であり得る。
 骨治療材とは、骨組織の修復、再生のために生体内に導入する、骨芽細胞を含有する移植材料をいう。移植材料は、インビトロで部分的若しくは完全に骨組織を再生させて、同一又は別の個体に移植する材料を包含する。本発明で得られた骨芽細胞は、移植材料の作製に使用することができる。骨芽細胞自体も移植材料になる。従って、骨芽細胞を細胞製剤として患者に移植することもできるし、β−TCP(β−リン酸三カルシウム)、ヒドロキシアパタイト、生体吸収性セラミック等の人工材料からなる基材(スキャホールド)とともに修復や再生が必要な骨組織に移植したり、スキャホールドとともに培養してから移植することができる。これらの場合、スキャホールドは移植目的に応じて様々な3次元的な形状を作らせることができる。また、当該細胞は、投与対象にとって自家移植又は他家移植のいずれであってもよく、他家移植の場合、同種同系、同種異系又は異種細胞のいずれであっても良い。特に、本発明の骨治療材に臍帯由来の間葉系幹細胞から分化した骨芽細胞を用いる場合、臍帯由来の間葉系幹細胞はHLAII発現がないため、同種異系の移植が可能である。
 本発明により得られる骨芽細胞(骨治療材)を用いて治療する対象となる疾患としては、歯周病、歯槽骨吸収、骨腫瘍、外傷や骨髄炎等にともなう骨欠損、また骨腫瘍等の掻爬後の骨欠損、骨折、骨粗しょう症、口腔関連の難治性創傷、顎骨破損、関節リウマチ、突発性大腿骨頭壊死、変形性関節症、腰椎変形性脊椎症、脊柱管狭窄症、椎間板ヘルニア、脊髄損傷、脊椎分離症、脊椎分離すべり症、脊椎側弯症、頸椎症性脊髄症、後縦靭帯骨化症、変形性股関節症、変形性膝関節症、大腿骨頭すべり症、骨軟化症、下顎再建術等の複雑骨折により破壊された骨折部位の再建術、手術後の骨の修復(心臓手術後の胸骨の修復等)、人工足関節手術に伴う欠損部の修復、骨髄炎、骨壊死等が挙げられる。また、骨芽細胞を移植すれば、骨移植、人工骨移植、人工関節やインプラントと併用し治療効果を高められる可能性がある。また骨芽細胞を3次元的なスキャホールド等を用いて培養して種々な形態の骨組織を体外で作成し、その骨組織を移植することによって、上記の疾患の治療を行うこともできる。それ以外にも骨芽細胞の欠損、不足若しくは機能低下に関係するさまざまな疾患が対象となる。
 本発明で得られる骨芽細胞はまた、疾患の治療に限らず、美容目的で用いることもできる。例えば事故や手術等により欠損した部位に骨芽細胞若しくはそれにより作製された骨組織を移植することで、骨基質を産生させて欠損部位を修復し、目立たなくすることができる。
 本発明の骨治療材は、上記骨芽細胞に加え、任意の担体、例えば医薬上許容され得る担体、安定剤や緩衝液成分、他の治療薬やサプリメント等を含み得る。医薬上許容され得る担体としては、例えば、水、生理食塩水等の希釈剤等が挙げられるが、それらに限定されるものではない。
 本発明の骨治療材の投与量、投与回数、投与期間等、及び本発明の骨治療材における骨芽細胞の濃度は特に制限されず、投与対象の体調、病状、体重、年齢、性別等によって適宜調整することができ、他の手術や投薬治療を併用することもできる。
 本発明の骨治療材は、例えば、マウス、ラット、ハムスター、モルモット等のげっ歯類、ウサギ等のウサギ目、ブタ、ウシ、ヤギ、ウマ、ヒツジ等の有蹄目、イヌ、ネコ等のネコ目、ヒト、サル、アカゲザル、カニクイザル、マーモセット、オランウータン、チンパンジーなどの霊長類等への移植用として用いることができる。本発の骨治療材は、好ましくは霊長類又はげっ歯類への移植用であり、より好ましくはヒトへの移植用である。
 本発明の治療材は、医療従事者により、ガイドラインに沿った適切な移植方法に従って移植される。例えば、粘膜骨膜を切開して、移植予定部位の顎骨を露出させ該部位に本発明の治療材を投与することにより、移植することができる。
 治療上有効量の本発明の治療材を、骨組織修復を必要とする部位に移植すると、移植した細胞が骨細胞へと分化し、該骨細胞が欠損部位を補うことにより、骨組織が修復され治療効果が達成される。その結果、本発明の治療材により骨組織を再生することが可能となる。
 なお、本明細書中、「有効量」とは、所望の効果を生み出す活性成分(例、骨芽細胞)の量を意味する。本明細書中で使用される場合、「治療上有効量」とは、被験体に投与される場合、所望の治療効果(例、骨を再生する等)をもたらす活性成分の量を意味する。治療上有効量は、一度に投与(移植)されてもよく、複数回に分けて投与(移植)されてもよい。移植の適用回数は疾患に応じて医療従事者、ガイドラインに従って決定される。また複数回移植を行う場合、インターバルは特に限定されないが、数日~数週間の期間を置いても良い。
4.骨再生治療方法
 本発明は、骨芽細胞分化能を有する幹細胞を、骨分化誘導因子及びアクチン重合阻害物質と共に培養し、得られた骨芽細胞を骨欠損部位に移植することを含む、骨再生治療方法も提供する。
 上記方法は、培養された細胞から骨芽細胞を単離することを含み得る。骨芽細胞が「単離」されているとは、目的とする骨芽細胞以外の細胞を除去する操作がなされ、天然に存在する状態を脱していることを意味する。従って、最も好ましくは、「単離された骨芽細胞」には、培養対象の細胞や組織から産生され細胞や組織及び培地中に含まれている骨芽細胞以外の細胞は、包含されない。「単離された骨芽細胞」の純度(総細胞数に占める骨芽細胞数の百分率)は、通常70%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上、更に好ましくは99%以上、更に好ましくは100%である。本発明においては、「単離された骨芽細胞」の純度が100%未満の場合、「単離された骨芽細胞」中に存在する骨芽細胞以外の細胞は、骨細胞(osteocyte)、前骨芽細胞(preosteoblast)、骨前駆細胞(osteoprogenitor cell)、間葉系幹細胞からやや分化が進行した間葉系前駆細胞、又はこれらの組合せであることが好ましい。
5.骨治療用キット
 本発明は、
 上記本発明の骨芽細胞分化促進剤及び
 骨芽細胞分化能を有する幹細胞
を含む、骨治療用キットを提供する。
 上記骨治療用キットは、例えば、上記本発明の骨芽細胞分化促進剤を、上記本発明の骨芽細胞分化誘導方法に記載されたように、骨芽細胞分化能を有する幹細胞に対して使用して、骨芽細胞を製造し、更に該骨芽細胞を含む骨治療材を製造して、上記疾患を有する被験体に移植することによって、疾患の治療を行うことができる。
 本発明のキットは、上記本発明の骨芽細胞分化促進剤及び骨芽細胞分化能を有する幹細胞を別々の容器に含む。骨芽細胞分化能を有する幹細胞は、複数回にわたって増殖及び分化誘導を行うことを可能にするために、凍結保存された形態で提供されることが好ましい。凍結保存は、例えば、5~20%のジメチルスルホキシド、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコールなどの凍害防御剤を含む培養液などの生理的溶液に細胞を懸濁しクライオチューブに詰めて冷却し、最終的に−80℃若しくは−196℃で凍結することによって行われる。或いは、JP5630979B2に記載の方法に従って凍結保存を行ってもよい。
 更に本発明のキットは、本発明の骨芽細胞分化促進剤及び骨芽細胞分化能を有する幹細胞を、骨治療に使用することができる、又は使用すべきであることを記載した説明書を含んでいてもよい。
 上記骨治療用キットは、骨分化マーカー遺伝子の発現を検出し得る物質を更に含むことが好ましい。骨分化マーカーは、間葉系幹細胞の骨分化を確認し得るマーカーであれば特に限定されず、例えば上記の分化誘導方法で示したマーカーを用いることができる。好ましくは、BMP2、ALP及びOCNの骨分化マーカーが用いられる。
 上記骨治療用キットは、任意の担体、例えば医薬上許容され得る担体、安定剤や緩衝液成分、他の治療薬やサプリメント等を含み得る。医薬上許容され得る担体としては、例えば、水、生理食塩水等の希釈剤等が挙げられるが、それらに限定されるものではない。
 以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
[実施例1]
(実験条件)
 ゲル上培養における実験条件は以下の通りである。3.0mg/ml,pH3.0に調整された豚腱由来TypeIコラーゲン溶液Cellmatrix TypeI−A 4mlに濃縮培地を0.5ml加え撹拌し、重炭酸ナトリウム及びHEPESを含む0.05N水酸化ナトリウム溶液を加えて更に撹拌したものをコラーゲン混合溶液とし、60mmディッシュ(FALCON社製)に薄く広げて、37℃で20分静置した。そこへ5x10cell/mlのD−MEM(Low−glucose,10% FBS,penicillin(100U/ml),streptomycin(100μg/ml)添加)細胞懸濁液を5ml/ディッシュで播種し、24時間インキュベートした。
 また阻害剤実験については、5x10cell/mlのD−MEM(Low−glucose,10% FBS,penicillin(100U/mL),streptomycin(100μg/mL)添加)細胞懸濁液を、5ml/ディッシュで播種し24時間インキュベートした。その後、BMP−2を最終濃度300ng/mlとなるように添加し(この日を培養0日目とする)、培養3日目及び7日目に無血清培地中にスウィンホリドAを100nM、ラトランクリンAを400nMとなるように添加し、6時間作用させた。処理後、再びBMP−2を含む培地に戻し、培養後10日目に細胞を回収しALP遺伝子の発現解析をRT−PCRで行った。
 これまでの細胞外環境設計による幹細胞の操作技術は、BMP−2等の液性因子添加による外因性シグナル誘発による分化誘導調節が主体であった。しかしながら、浮腫発現等の副作用や必要な部位への局所投与が必要である等の面から臨床応用への問題点や課題があった。そこで本発明では新規な分化制御手法として細胞挙動を介した内因性シグナリング誘発に基づく培養手法を考察した。
 臍帯MSCは、他の細胞種と同様、細胞周囲を細胞外マトリックス(ECM;extracellular matrix)に囲まれている。ECMは、単に細胞接着のための足場を提供するだけでなく、細胞膜表面に存在する受容体を介し、細胞の増殖、分化、遊走等多くの生理活性に寄与することが報告されている。コラーゲンは細胞の接着に関与する細胞接着分子と結合し、細胞内シグナルを活性化することが可能であり、細胞外マトリックスを構成する代表的な分子である。このコラーゲン基質を用いて臍帯MSCを培養すると未分化/骨芽細胞ともにALP活性及び上昇が見られ、特にコラーゲンゲル上培養では顕著なALP遺伝子発現上昇が観察され、骨髄MSCと同レベルまで上昇した(図2)。我々はコラーゲン比較実験においてコラーゲンゲル上培養が有効であるという知見を得た(図3~5)。
 これらの制御機構について「BMP−2−BMP receptor II(BMPRII)−cofilin」伝達経路(図6)を解析したところ、BMPRIIとcofilinともにmRNA発現上昇が見られた(図7、8)。cofilinはアクチンフィラメント(F−actin)の脱重合・切断因子であるため、cofilinが活性化するとF−actinはG−actinへ移行することが知られている。
 細胞製品を製造・供給するシステムを実現するためには可及的に特別な処理をすることなく移植細胞を用意でき、細胞の取扱も容易でなければならない。ゲル上培養では細胞採取のためコラゲナーゼ処理を要する等手間がかかり、実用化には適していない。そのため、通常の培養で細胞数を確保しつつ、分化促進を誘導する臍帯MSCの新規培養法の設計と最適化が重要となる。
 ゲル上培養におけるアクチンの細胞内局在の観察結果から、分化前に発現が見られないG−actinは培養期間を経て細胞内での顕著な発現亢進を確認することができた(図9)。得られた知見から臍帯MSCは、ゲル上培養することにより骨芽細胞分化を促進するがその作用機序にはF−actinの脱重合が大きく関与していることが示唆された。そこで、アクチン重合阻害物質を用いて臍帯MSCを処理すれば骨芽細胞分化誘導できるのではないかと考えた。
 そこで、我々は2種類のアクチン重合阻害物質を用いて骨分化促進の検討を行った。BMP−2で骨芽細胞分化誘導後3日目にアクチン阻害剤のラトランクリンA(Latrunculin A)、スウィンホリドA(Swinholide A)で処理した場合、どちらの添加群においてもALP mRNAの発現上昇が見られた(図10)。アクチンの動態変化については、阻害剤で処理した細胞はゲル上培養で観察される形態(図9)と同様の細胞内局在変化を確認した。即ち、アクチンの動態変化については、阻害剤で処理した細胞はF−actinが崩壊するが、その後培養を重ねるとF−actinは再構成し、G−actinの発現も多く見られ(図11、12)、ゲル上培養での形態(図9)と同様の細胞内局在変化を示した。本実験の結果から、アクチン重合阻害物質で臍帯MSCを処理すれば、骨芽細胞分化を促進することが示唆された。
 一方で、幹細胞から多様な細胞が分化誘導される過程では均質な分化細胞群を安定して得ることが難しいことも課題としてある。その主な原因は細胞不均質性や多方向且つ段階的に進行する分化誘導過程において細胞間コミュニケーションや誘導等の細胞挙動を伴っているからと考えられる。臍帯MSCは分化誘導後もOct4、Nanog等の未分化マーカーの高発現が維持されるが、コラーゲンゲル培養では長期間の培養後、未分化マーカーの発現は顕著に減少する(図13)。
[実施例2]
(実験方法)
 臍帯MSCを10%FBS、penicillin(100U/mL)、streptomycin(100μg/mL)を含むD−MEM(Low−glucose)とともに100mmディッシュに播種し24時間インキュベートした。その後、BMP−2を最終濃度300ng/mlとなるように添加し400nMラトランクリンAを作用させ骨芽細胞を作製した(この日を培養0日目とする)。培養10日目に0.025%トリプシン溶液を用いて剥離し、3x10cellsの細胞とβ−リン酸三カルシウム(β−TCP)の複合体を形成し、10週齢の雄性ヌードマウス頭蓋骨に移植した。
(実験結果)
 臍帯MSCを阻害剤処理した骨芽細胞をβ−TCPとともにヌードマウスへ全身麻酔下、頭頂部に移植した。対照群にはBMP−2で分化誘導した骨芽細胞とβ−TCPの複合物を移植した。
 移植4週間後、切片標本を作成しHematoxylin&Eosin(HE)染色による評価を行ったところ、阻害剤処理した臍帯MSC移植群では複合体の吸収が進み、新生骨形成が確認された(図14)。
 臍帯MSCは無侵襲で採取でき、通常は医療廃棄物として取り扱われるためバンキングしやすく安定供給が可能であることから、他の成体組織由来MSCを用いた骨再生よりも利点が多い。
 本分化誘導法は、アクチン重合阻害物質を応用した新規培養技術により、遺伝子操作なしにヒト臍帯MSCから骨再生のために移植用細胞製剤として骨芽細胞を大量生産することを可能とする。
 本発明により、骨再生のための移植用細胞製剤として骨芽細胞を大量生産することが可能となる。特に、臍帯由来間葉系幹細胞を用いる場合、該細胞は無侵襲で採取でき、通常は医療廃棄物として取り扱われるためバンキングしやすく、安定供給が可能であるといった利点を更に有する。
 本出願は、2018年3月30日出願の日本国特許出願、特願2018−069695を基礎としており、その内容は全て本明細書に包含される。

Claims (18)

  1.  アクチン重合阻害物質を含む、骨芽細胞分化促進剤。
  2.  骨芽細胞分化が、骨芽細胞分化能を有する幹細胞からの骨芽細胞分化である、請求項1に記載の剤。
  3.  骨芽細胞分化能を有する幹細胞が、間葉系幹細胞である、請求項2に記載の剤。
  4.  間葉系幹細胞が、臍帯由来間葉系幹細胞である、請求項3に記載の剤。
  5.  アクチン重合阻害物質が、ラトランクリンA及び/又はスウィンホリドAである、請求項1~4のいずれか1項に記載の剤。
  6.  骨芽細胞分化能を有する幹細胞を、骨分化誘導因子及びアクチン重合阻害物質と共に培養することを含む、骨芽細胞分化誘導方法。
  7.  骨芽細胞分化能を有する幹細胞が、間葉系幹細胞である、請求項6に記載の方法。
  8.  間葉系幹細胞が、臍帯由来間葉系幹細胞である、請求項7に記載の方法。
  9.  骨分化誘導因子が、骨形成タンパク質である、請求項6~8のいずれか1項に記載の方法。
  10.  骨形成タンパク質がBMP−2である、請求項9に記載の方法。
  11.  アクチン重合阻害物質が、ラトランクリンA及び/又はスウィンホリドAである、請求項6~10のいずれか1項に記載の方法。
  12.  骨分化マーカー遺伝子発現又は骨分化マーカー酵素の活性を測定して骨芽細胞分化能を有する幹細胞の分化状況を確認することを更に含む、請求項6~11のいずれか1項に記載の方法。
  13.  骨分化マーカー遺伝子がALP遺伝子であり、骨分化マーカー酵素がALPである、請求項12に記載の方法。
  14.  培養が、5日間以上行われる、請求項6~13のいずれか1項に記載の方法。
  15.  培養開始と同時(0日)、培養開始後1日、2日、3日、4日又は5日に、培地中に骨分化誘導因子を含有させる、請求項6~14のいずれか1項に記載の方法。
  16.  培養開始と同時(0日)、培養開始後1日、2日、3日、4日、5日、6日、7日、8日、9日、10日、11日、12日、13日、14日又は15日に、培地中にアクチン重合阻害物質を含有させる、請求項6~15のいずれか1項に記載の方法。
  17.  骨治療材を製造するための方法である、請求項6~16のいずれか1項に記載の方法。
  18.  請求項1~5のいずれか1項に記載の骨芽細胞分化促進剤及び
     骨芽細胞分化能を有する幹細胞
    を含む、骨治療用キット。
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