JP5938726B2 - 多能性幹細胞の分化誘導効率を改善するための方法及び培地 - Google Patents

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Description

本発明は、多能性幹細胞の分化誘導の技術に関する。より詳細には、本発明は、多能性幹細胞、例えば、ES細胞やiPS細胞の分化誘導効率を改善するための方法及び培地に関する。
個体のすべての細胞に分化しうる分化多能性(pluripotency)を保ちつつ、無限に増殖できる自己複製能を併せ持つ胚性幹細胞(ES細胞)がヒトにおいて樹立されて以来、ES細胞を、インビトロで主要臓器細胞へと分化誘導する研究が盛んに行われている。
また、体細胞へ特定の遺伝子を導入することにより、ES細胞のように分化多能性と自己複製能を併せ持つヒト人工多能性幹細胞(iPS細胞)が作られてからは、ES細胞に加え、iPS細胞を用いて、インビトロで主要臓器細胞へと分化誘導する研究が盛んに行われている。
例えば、マウスES細胞は、白血病阻害因子(Leukemia Inhibitory Factor: LIF)存在下、マウス胎児繊維芽細胞(Mouse Embryonic Fibroblast:MEF)等のフィーダー細胞上で共培養することにより未分化性を維持することができ、維持培地よりLIFを除去すると、ES細胞の分化が誘導されることが知られている(非特許文献1)。
一方、ヒトES細胞やヒトiPS細胞も、MEF等のフィーダー細胞と共培養することにより未分化のまま維持でき、分化培地に移すことにより分化が誘導されることが報告されている(非特許文献2)。
また、マウスES細胞においては、スレオニンデヒドロゲナーゼ遺伝子が多量に発現されているため、その増殖は、アミノ酸の一つであるスレオニン代謝に依存していることが報告されている(非特許文献3)。
ES細胞やiPS細胞は、その分化多能性のため、発生期の遺伝子機能の研究に有用なモデルであるとともに、医療用の移植可能な細胞源となる可能性があるため再生医療への応用が期待されている。しかし、例えば、糖尿病などの疾患において細胞補充療法や組織移植にES細胞やiPS細胞を用いるためには、分化を制御する必要がある。
そこで、近年、未分化細胞から組織細胞への分化を制御する研究が盛んに行われている。例えば、インビトロで、マウスやヒトのES細胞からの、内胚葉細胞やインスリン産生細胞の作成が報告されている(非特許文献4、非特許文献5)。
さらに、マウス胎仔由来中腎細胞株(mouse mesonephric cell line)M15細胞を支持細胞として用いて、かつアクチビン・FGF(fibroblast growth factor)・レチノイン酸を培地に加えることにより、ES細胞から膵前駆細胞を効率よく分化誘導する方法(特許文献1、非特許文献6)や、mmcM15細胞を支持細胞として用いて、特定の分泌成長因子(FGFやBMP(Bone Morphogenetic Proteins))を加除する培養条件により、マウス及びヒトのES細胞から肝臓細胞を効率よく分化誘導する方法(特許文献2、非特許文献7)が報告されている。
しかしながら、ES細胞やiPS細胞から様々な細胞を分化誘導した場合には、一部に未分化な幹細胞が残存・混入してしまう。再生医療においては、このような細胞が癌化する可能性が指摘されるなどその安全性に関する懸念がある。そのため、分化細胞中の未分化細胞を除去する又は分化誘導効率を上げて未分化細胞の混入を防ぐ技術が必要とされている。
未分化細胞の混入の確認や選別のために、種々の方法が提案されている。
例えば、未分化特異的マーカーである、Stm1のプロモーターを利用して、分化誘導後に残る未分化ES細胞を選択することを容易にし、除去することによって、分化誘導後に残る未分化ES細胞の除去を行う方法がある(特許文献3)。
さらには、ポドカリキシン様タンパク質を表面上に発現する細胞を同定することにより、未分化型ヒト胚性幹細胞を同定し、それら細胞を単離することによる、未分化型ヒト胚性幹細胞を除去する方法がある(特許文献4)。
最近、ヒトES細胞やヒトiPS細胞では、細胞株間で分化能に顕著な違いがあり、細胞株毎に特定の系譜に分化する傾向、分化指向性が異なることが報告されている(非特許文献8)。
今後、再生医療分野において、患者由来のiPS細胞株のバンク化が進むと考えられ、多くの種類のiPS細胞株を用いて目的の細胞を分化誘導することになると予想される。その際に、株毎の分化指向性のために、株間において分化抵抗性が存在すると、同一条件で分化誘導した場合、分化誘導効率が低下し、未分化細胞が多く混入するなど、最終産物の性質に影響を与えることが予想される。そのため、株間の分化抵抗性を回避して、目的の組織へと効率よく分化誘導できる方法が望まれている。
WO2006/126574号公報 WO2008/149807号公報 特開2005−095027号公報 特表2009−528838号公報
Smith et al., Inhibition of pluripotential embryonic stem cell differentiation by purified polypeptides. Nature, 336: 688-90, 1988. Takahashi K., Tanabe K., Ohnuki M., Narita M., Ichisaka T., Tomoda K. and Yamanaka S., Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell, 131: 861-872, 2007. Wang et al., Dependence of mouse embryonic stem cells on threonine catabolism. Science, 325: 435-439, 2009. Kubo A, Shinozaki K, Shannon JM et al. Development of definitive endoderm from embryonic stem cells in culture. Development, 131: 1651-1662, 2004. D'Amour KA, Bang AG, Eliazer S et al. Production of pancreatic hormone expressing endocrine cells from human embryonic stem cells. Nat Biotechnol 24: 1392-1401, 2006. Shiraki, N., Yoshida, T., Araki, K., Umezawa A., Higuchi, Y., Goto H., Kume, K., and Kume, S. Guided differentiation of ES cells into Pdx1-expressing regional specific definitive endoderm. Stem Cells, 26: 874-885, 2008. Yoshida T., Shiraki N., Baba, H., Goto , M., Fujiwara, S., Kume K. and Kume S. The expression patterns of Epiplakin1 in pancreas, pancreatic cancer and regenerating pancreas. Genes Cells, 13: 667-678, 2008. Osafune K., Caron L., Borowiak M., Martinez RJ., Fitz-Gerald CS., Sato Y., Cowan CA., Chien KR. and Melton DA. Marked differences in differentiation propensity among human embryonic stem cell lines. Nat Biotechnol., 26: 313-315, 2008.
未分化の多能性幹細胞、例えばES細胞やiPS細胞を、インビトロで、特定の組織細胞に分化誘導する場合、癌化しやすいなどの指摘がある未分化細胞が残るという問題がある。さらに、ヒトES細胞やヒトiPS細胞では、細胞株毎の分化指向性が異なるため、未分化細胞が残りやすいという問題がある。
本発明の目的は、簡便な手段で、多能性幹細胞、例えばES細胞やiPS細胞を、効率よく目的の細胞に分化誘導できる方法及び培地を提供することである。
本発明のさらなる目的は、簡便な手段で、多能性幹細胞、例えばES細胞やiPS細胞を分化誘導する際に、未分化細胞を除去する又は分化誘導効率を上げることにより、未分化細胞の混入を防ぐことができる方法及び培地を提供することである。
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、多能性幹細胞を分化誘導する際に、分化培地中から特定のアミノ酸を除くことにより、効率よく分化誘導できることを見いだし、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、
(1)培地中に、必須アミノ酸であるメチオニン、ロイシン、及び準必須アミノ酸であるシステイン、チロシン、アルギニンからなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない分化培地で、哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(2)必須アミノ酸であるメチオニン又はロイシン或いはその両者を含まない分化培地で、哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、(1)に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(3)メチオニンを含まない分化培地で、哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、(2)に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(4)準必須アミノ酸であるシステイン、チロシン及びアルギニンからなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない分化培地で、哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、(1)に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(5)哺乳動物由来の多能性幹細胞が、ES細胞又はiPS細胞である、(1)〜(4)のいずれか一つに記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(6)哺乳動物が、ヒト又はマウスである、(5)に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(7)哺乳動物由来の多能性幹細胞が、ヒトES細胞又はヒトiPS細胞である、(6)に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(8)(1)〜(4)のいずれか一つに記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法であって、前記分化培地で、ES細胞又はiPS細胞を、少なくとも5時間、好ましくは1日間、さらに好ましくは2日間培養することを含む、多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(9)(1)〜(4)のいずれか一つに記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法であって、前記分化培地が、内胚葉分化培地である、多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(10)(1)〜(4)のいずれか一つに記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法であって、前記多能性幹細胞を、前もって、必須アミノ酸(スレオニン、メチオニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、リジン及びヒスチジン)及び準必須アミノ酸(システイン、チロシン及びアルギニン)を含む分化誘導培地で培養することを含む多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(11)哺乳動物由来の多能性幹細胞を内胚葉まで分化誘導させる、(10)に記載の方法、
(12)さらに、分化した内胚葉を、肝臓分化培地で培養することにより、多能性幹細胞を肝臓細胞まで分化させる、(11)に記載の方法、
(13)さらに、分化した内胚葉を、膵臓分化培地で培養することにより、多能性幹細胞を膵臓細胞まで分化させる、(11)に記載の方法、
(14)前記肝臓分化培地又は膵臓分化培地が、プロリンを1mM以上10mM以下の濃度で添加した分化培地である、(12)又は(13)に記載の方法、
(15)多能性幹細胞が、ヒトES細胞又はヒトiPS細胞である、(10)〜(14)のいずれか一つに記載の方法、
(16)培地中に、必須アミノ酸であるメチオニン、ロイシン、及び準必須アミノ酸であるシステイン、チロシン及びアルギニンからなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない、多能性幹細胞を分化誘導するための培地、
(17)多能性幹細胞が、ヒト又はマウス由来のES細胞又はiPS細胞である、(16)に記載の培地
(18)前記分化誘導するための培地が、マウス又はヒト由来のES細胞又はiPS細胞を内胚葉に分化誘導するための内胚葉分化培地である、(16)に記載の培地、
(19)培地中に、アミノ酸として、必須アミノ酸であるスレオニン、バリン、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、リジン及びヒスチジンを含み、かつメチオニン、ロイシン、システイン、チロシン及びアルギニンからなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない分化培地で、哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(20)前記分化培地でES細胞又はiPS細胞を少なくとも5時間、好ましくは1日間、更に好ましくは2日間培養することを、前記多能性幹細胞から分化誘導された内胚葉の形成の直前又は形成が確認できる時期に行う、前記(8)に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法、
(21)培地中に、アミノ酸として少なくとも必須アミノ酸であるスレオニン、バリン、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、リジン及びヒスチジンを含み、かつメチオニン、ロイシン、システイン、チロシン及びアルギニンからなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない、前記(16)に記載の多能性幹細胞を分化誘導するための分化誘導培地、及び
(22)多能性幹細胞を分化誘導するための、培地中に、メチオニン、ロイシンシステイン、チロシン及びアルギニンからなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない培地の使用、
である。
本発明の方法又は培地を用いることにより、多能性幹細胞、例えばES細胞やiPS細胞を、効率よく分化誘導でき、未分化細胞の混入を軽減又は除去できる。また、本発明の方法又は培地を用いることにより、分化誘導効率の向上が達成できる。
図1は、ヒトES細胞及びヒトiPS細胞を内胚葉への分化過程における、Sox17及びOct3/4の発現を、免疫蛍光染色及びRT−PCRにより確認したものである。上段は、ヒトES細胞の、培養6日目(Day6)、8日目(Day8)及び10日目(Day10)におけるSox17及びOct3/4の発現を、免疫蛍光染色(Sox17の発現(赤色)及びOct3/4の発現(緑色)、左写真)、及びRT−PCR(Sox17及びOct3/4の発現、右写真)で確認を行った結果である。下段は、ヒトiPS細胞の、培養4日目(Day4)、6日目(Day6)、8日目(Day8)及び10日目(Day10)におけるSox17及びOct3/4の発現を、免疫蛍光染色(Sox17の発現(赤色)およびOct3/4の発現(緑色)、左写真)、及び培養10日目(Day10)におけるSox17及びOct3/4の発現をRT−PCR(右写真)で確認したものである。 図2は、ヒトES細胞及びヒトiPS細胞の肝臓への分化過程における、AFP(α−フェトプロテイン)及びアルブミンの発現を、RT−PCRにより確認したものである。左図は、AFPの発現を見たものであり、右図は、アルブミンの発現を見たものである。 図3は、ヒトiPS細胞を用いた内胚葉への分化におけるアミノ酸の影響を調べた結果である。図3Aは、培養のスケジュールを表した図である。図3Bは、コントロール培地での結果を示す(培養4日目(Day4)、6日目(Day6)、8日目(Day8)及び10日目(Day10)におけるSox17(赤色)およびOct3/4(緑色)の発現)。 図4は、ヒトiPS細胞を用いた内胚葉への分化におけるアミノ酸の影響を調べた結果である。培養6日目(Day6)に、アミノ酸除去培地に変更し、10日目(Day10)まで培養したヒトiPS細胞の免疫蛍光染色を行い、内胚葉分化マーカー(Sox17)と未分化マーカー(Oct3/4)の陽性細胞の割合を定量解析した結果である(DAPIで染色されたものに対するそれぞれの陽性細胞の割合を算出した)。X軸は除去したアミノ酸の種類、Y軸は陽性細胞率(%)を示している。 図5は、ヒトiPS細胞を用いた内胚葉への分化におけるアミノ酸の影響を調べた結果である。培養8日目(Day8)に、アミノ酸除去培地に変更し、10日目(Day10)まで培養したヒトiPS細胞の免疫蛍光染色を行い、内胚葉分化マーカー(Sox17)と未分化マーカー(Oct3/4)の陽性細胞の割合を定量解析した結果である(DAPIで染色されたものに対するそれぞれの陽性細胞の割合を算出した)。X軸は除去したアミノ酸の種類、Y軸は陽性細胞率(%)を示している。 図6は、メチオニン除去培地(δMet培地)を用いて内胚葉へ分化させたヒトiPS細胞を、抗Sox17抗体(赤色)及び抗Oct3/4抗体(緑色)を用いて免疫蛍光染色した結果である。 図7は、ヒトiPS細胞を用いた肝臓への分化における、メチオニンを除去した内胚葉分化培地の影響を調べた結果である。図7Aは、培養のスケジュールを示した図である。図7Bは、メチオニン除去培地及び種々の濃度のメチオニン添加培地を用いて培養後、肝臓分化培地を用いて培養したヒトiPS細胞のOct3/4陽性細胞およびAFP陽性細胞の割合を表した図である。X軸にメチオニン添加濃度、Y軸にOct3/4またはAFP陽性細胞の割合を示す(DAPIで染色されたものに対するそれぞれの陽性細胞の割合を算出した)。黒色バーはOct3/4陽性細胞、白色バーはAFP陽性細胞を示す。図7Cは、メチオニン除去培地及び種々の濃度のメチオニン添加培地を用いて培養後、肝臓分化培地を用いて培養した20日目(Day20)のヒトiPS細胞の免疫蛍光染色像である。上段が、抗AFP抗体を用いて染色した結果であり、AFP陽性細胞(緑色)を示しており、下段が、抗Oct3/4抗体で染色した結果であり、Oct3/4陽性細胞(赤色)を示している。 図8は、メチオニン除去培地で肝臓へと分化させたヒトiPS細胞における、各種肝臓マーカーを調べた結果である。図8Aは、20日間培養したヒトiPS細胞を、抗AFP抗体及び抗Oct3/4抗体を用いて、免疫蛍光染色を行った結果である。緑色がAFP陽性細胞、赤色がOct3/4陽性細胞である。図8Bは、30日間培養したヒトiPS細胞を、抗AFP抗体及び抗アルブミン抗体を用いて、免疫蛍光染色を行った結果である。緑色がAFP陽性細胞、赤色が分泌されたアルブミンである。図8Cは、30日目における、インドシアニングリーン(ICG)の取り込み−***試験を行った結果である。図8Dは、20日目及び30日目における、アルブミン分泌量の測定を行った結果である。図8Eは、30日におけるCYP3A4活性を調べた結果である。図8Fは、30日間培養したヒトiPS細胞に対してPAS染色を行った結果である。 図9は、ヒトiPS細胞の膵臓細胞への分化における、8日目〜10日目のメチオニン除去の影響を調べた結果である。図9Aは、上段が、10日目(Day10)のヒトiPS細胞を、抗Oct3/4抗体及び抗Sox17抗体を用いて免疫蛍光染色(赤色がSox17陽性細胞、緑色がOct3/4陽性細胞)を行った結果であり、下段が、13日目(Day13)のヒトiPS細胞を、抗Oct3/4抗体及び抗Pdx1抗体を用いて免疫蛍光染色(赤色がPdx1陽性細胞、緑色がOct3/4陽性細胞)を行った結果である。図9Bは、Sox17、Oct3/4、Pdx1のそれぞれの発現について、RT−PCRを行った結果を示している(コントロールとして、GAPDHの発現を確認した)。 図10は、フィーダーフリーの分化誘導系における、メチオニン除去の影響を調べた結果である。図10Aは、培養スケジュールを示している。図10Bは、培養10日目(Day10)の細胞を、抗Sox17抗体及び抗Oct3/4抗体を用いて免疫蛍光染色を行った結果を示している。赤色はSox17陽性細胞、緑色はOct3/4陽性細胞を示している。図10Cは、培養18日目(Day18)の細胞を、Oct3/4、アルブミン、AFPのそれぞれの発現について、RT−PCRを行った結果を示している(コントロールとして、GAPDHの発現を確認した)。図10Dは、17日目(Day17)、25日目(Day25)及び27日目(Day27)における、アルブミン分泌量の測定を行った結果である。 図11は、ヒトiPS細胞の肝臓分化におけるプロリン添加の影響を調べた結果である。それぞれの分化培地を用い、20日間培養した細胞を、抗Oct3/4抗体及び抗AFP抗体を用いて、免疫蛍光染色を行った結果を示している。上段はコントロール群、下段はプロリン添加群である。左列はコントロール群、右列はメチオニン除去群である。緑色はAFP陽性細胞、赤色はOct3/4陽性細胞を示す。 図12は、ヒトES細胞を用いた内胚葉への分化におけるアミノ酸除去の影響を調べた結果である。培養8日目(Day8)にアミノ酸除去培地に変更し、10日目(Day10)まで培養したヒトES細胞の内胚葉分化マーカー(Sox17)と未分化マーカー(Oct3/4)の遺伝子発現を、リアルタイムPCR法を用いて定量解析した結果である。 図13は、ヒトiPS細胞(Toe細胞株)を用いた内胚葉への分化における、4日目〜6日目及び8日目〜10日目の、メチオニン除去培地での培養の影響を調べた結果である。図12Aは、培養のスケジュールを示した図である。図12Bは、4日目〜6日目(Day6)にメチオニン除去培地で培養したヒトiPS細胞(Toe細胞株)を、図13Cは、8日目〜10日目(Day10)にメチオニン除去培地で培養したヒトiPS細胞(Toe細胞株)を、抗Sox17抗体(赤色)及び抗Oct3/4抗体(緑色)を用いて免疫蛍光染色した結果である。 図14は、ヒトiPS細胞の維持培養過程におけるメチオニン除去が、ヒトiPS細胞の生育に及ぼす影響を調べた結果である。図14Aは、細胞コロニーの明視野像を、図14Bは、定量化した細胞数を示している。 図15は、メチオニン除去培地での各処理時間後の細胞増殖及びアポトーシスを評価した結果である。図15Aは、細胞増殖をClick−iT EdU細胞増殖アッセイキット(Invitrogen社)を用いて評価した結果であり、図15Bは、アポトーシスをIn Situ細胞死検出キット(ロシュ社)を用いて評価した結果である。 図16は、種々のメチオニン除去期間(X軸)で培養したヒトiPS細胞を抗Sox17抗体及び抗Oct3/4抗体を用いて免疫蛍光染色し、その割合をグラフとして表した結果である。 図17は、メチオニンの生体内での代謝経路を示している。 図18は、ヒトiPS細胞の内胚葉分化におけるメチオニン及び/又はメチルドナー除去培地の影響を調べた結果である。図18Aは、抗Sox17抗体(赤色)及び抗Oct3/4抗体(緑色)を用いて免疫蛍光染色した結果である。図18Bは、その定量結果を表したグラフである。
本発明で用いる「多能性幹細胞」とは、自己複製能を有しインビトロにおいて培養することが可能で、かつ、個体を構成する細胞に分化しうる多分化能を有する細胞をいう。具体的には、胚性幹細胞(ES細胞)、胎児の始原生殖細胞由来の多能性幹細胞(GS細胞)、体細胞由来の人工多能性幹細胞(iPS細胞)等をあげることができるが、本発明で特に好ましく用いられるのはiPS細胞又はES細胞であり、特に好ましくは、ヒトiPS細胞及びヒトES細胞である。
本発明で用いるES細胞は、哺乳類動物由来のES細胞であればよく、その種類や取得方法などは特に限定されない。哺乳動物としては、例えば、マウス、ラット、モルモット、ハムスター、ウサギ、ネコ、イヌ、ヒツジ、ウシ、ウマ、ヤギ、サル又はヒト等をあげることができ、好ましくは、マウス又はヒトであり、さらに好ましくはヒトである。
ES細胞は、一般的には、胚盤胞期の受精卵をフィーダー細胞と一緒に培養し、増殖した内部細胞塊由来の細胞をばらばらにして、さらに、植え継ぐ操作を繰り返し、最終的に細胞株として樹立することができる。このように、ES細胞は、受精卵から取得することが多いが、受精卵以外、例えば、脂肪組織、胎盤、精巣細胞から取得することもでき、いずれのES細胞も本発明の対象である。
また、iPS細胞(人工多能性幹細胞)とは、分化多能性を獲得した細胞のことで、体細胞(例えば、線維芽細胞など)へ分化多能性を付与する数種類の転写因子(分化多能性因子)遺伝子を導入することにより、ES細胞と同等の分化多能性を獲得した細胞のことである。「分化多能性因子」としては、多くの因子が報告されており、特に限定しないが、例えば、Octファミリー(例えば、Oct3/4)、Soxファミリー(例えば、Sox2、Sox1、Sox3、Sox15及びSox17など)、Klfファミリー(例えば、Klf4、Klf2など)、Mycファミリー(例えば、c−Myc、N−Myc、L−Mycなど)、Nanog、LIN28などを挙げることができる。iPS細胞の樹立方法については、多くの報告がなされており、それらを参考にすることができる(例えば、Takahashiら,Cell 2006,126:663−676;Okitaら,Nature 2007,448:313−317;Wernigら,Nature 2007,448:318−324;Maheraliら,Cell Stem Cell 2007,1:55−70;Parkら,Nature 2007,451:141−146;Nakagawaら,Nat Biotechnol 2008,26:101−106;Wernigら,Cell Stem Cell 2008,10:10−12;Yuら,Science 2007,318:1917−1920;Takahashiら,Cell 2007,131:861−872;Stadtfeldら,Science 2008 322:945−949など)。
本発明で用いる「未分化細胞」とは、多分化能を有する細胞を意味し、また、文脈においては、多能性幹細胞、例えばES細胞やiPS細胞を分化誘導処理した後も、分化誘導が起こらず、引き続き多分化能を有している細胞を意味する。
哺乳動物由来のES細胞の培養方法は常法により行うことができる。例えば、フィーダー細胞としてマウス胎児線維芽細胞(MEF細胞)を用い、白血病阻害因子、KSR(ノックアウト血清代替物)、ウシ胎仔血清(FBS)、非必須アミノ酸、L-グルタミン、ピルビン酸、ペニシリン、ストレプトマイシン、β−メルカプトエタノールを加えた培地、例えばDMEM培地を用いて維持することができる。
iPS細胞の培養も定法により行うことができる。例えば、フィーダー細胞としてMEF細胞を用いて、bFGF、KSR(ノックアウト血清代替物)、非必須アミノ酸、L-グルタミン、ペニシリン、ストレプトマイシン、β−メルカプトエタノールを加えた培地、例えばDMEM/F12培地を用いて維持することができる。
本発明における多能性幹細胞、例えばES細胞又はiPS細胞の分化誘導は、フィーダー細胞を含む培養系、フィーダーフリーの培養系のいずれも含む。フィーダー細胞としては、例えば、mmcM15細胞をあげることができるが、これに限定されるものではない。また、フィーダーフリーの培養系としては、例えば、擬似基底膜sBM(synthesized Basement Membrane substratum)をあげることができるが、これに限定されるものではない。
本発明で言う多能性幹細胞の「分化」又は「分化誘導」とは、多能性幹細胞が、内胚葉、中胚葉又は外胚葉のいずれかに分化誘導されることを含む意味で用いられ、更にはまた、それらが、いずれかの生体を構成する臓器又は器官細胞へと分化することを含む意味でも用いられる。
本発明の培養方法で用いられる培地は、動物細胞の培養に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培地、Improved MEM培地、IMDM培地、Medium 199培地、Eagles MEM培地、αMEM培地、DMEM培地、ハム培地、RPMI 1640培地、Fischer’s、およびこれらの混合培地等をあげることができるが、動物細胞の培養に用いることのできる培地であれば特に限定されない。
本発明の培養方法で用いられる培地は、血清含有培地、無血清培地であり得るが、異種成分の排除による細胞移植の安全性の確保という観点からは、無血清培地が好ましい。ここで、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し、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は無血清培地に該当するものとする。かかる無血清培地としては、例えば、市販のKSRを適量(例えば、1−20%)添加した無血清培地、インスリンおよびトランスフェリンを添加した無血清培地、細胞由来の因子を添加した培地等をあげることができるが、これらに限定されない。
本発明の培地はまた、血清代替物を含んでいても、また含んでいなくともよい。血清代替物は、例えば、アルブミン(例えば、脂質リッチアルブミン)、トランスフェリン、脂肪酸、インスリン、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、あるいはこれらの均等物などを適宜含有するものが可能である。かかる血清代替物は、例えば、国際公開第93/30679号公報に記載の方法により調製することができるが、市販のものを利用することもできる。かかる市販の血清代替物としては、例えば、上記KSRがあげられる。
本発明の培地はまた、脂肪酸又は脂質、アミノ酸(例えば、非必須アミノ酸)、ビタミン、増殖因子、サイトカイン、抗酸化剤、2−メルカプトエタノール、ピルビン酸、緩衝剤、無機塩類等、任意の成分を含有できる。ただし、本発明に従って、特定のアミノ酸を培地から除く場合は、この限りではない。
本発明においては、多能性幹細胞、例えば、ES細胞やiPS細胞を分化する際に、特定のアミノ酸を培地より除くことにより、未分化細胞の減少や除去を行うことができ、その結果、分化誘導効率を向上させることができる。
アミノ酸は、一般に、必須アミノ酸(Thr、Met、Val、Leu、Ile、Phe、Trp、Lys,His)及び非必須アミノ酸(Gly、Ala、Ser、Cys、Gln、Asn、Asp、Tyr、Arg、Pro)に分けられる。しかし、非必須アミノ酸の内、Cys及びTyrはそれぞれ、前駆アミノ酸として必須アミノ酸であるMet及びPheが必要であるため、準必須アミノ酸と定義されている。また、Argは、未分化細胞(胎児・新生児)においては、アルギニン合成酵素の活性が低いため、未分化細胞においては、準必須アミノ酸と定義できる。
本発明及び本明細書においては、Cys、Tyr及びArgを準必須アミノ酸と呼ぶ。
本発明でいう「アミノ酸除去培地(以下、「δ(除去したアミノ酸)培地」と表記する場合がある)」とは、未分化多能性幹細胞の減少又は分化誘導効率を上げることができる、特定のアミノ酸を含有しない分化培地を意味する。分化培地としては、特に限定されないが、例えば消化管、肝臓、膵臓等への分化を望む場合は、特定のアミノ酸を含有しない内胚葉分化培地が該当し、例えば体腔、血管、心臓等への分化を望む場合は、特定のアミノ酸を含有しない中胚葉分化培地、例えば表皮や神経への分化を望む場合は、特定のアミノ酸を含有しない外胚葉分化培地が該当する。その他、特定の器官細胞への分化誘導を行う培地、例えば、肝臓分化培地や膵臓分化培地も、特定のアミノ酸を含有せずかつ未分化多能性幹細胞の減少又は分化誘導効率を上げることができる限り、本発明で言う「アミノ酸除去培地」に該当する。本発明で言う「アミノ酸除去培地」は、特定のアミノ酸を含まない内胚葉分化培地、中胚葉分化培地、及び外胚葉分化培地を含むが、好ましくは、特定のアミノ酸を含有しない内胚葉分化培地である。
本発明の「アミノ酸除去培地」において含まれない特定のアミノ酸とは、メチオニン、ロイシン、システイン、チロシン及びアルギニンのいずれか一つ、又は、それらの2以上の組み合わせ、或いは、それらのすべての組合せであるアミノ酸(群)である。上記アミノ酸の少なくとも一つが含まれていない分化培地であれば、未分化多能性幹細胞の減少又は分化誘導効率を上げることができるが、特に好ましくは、少なくともメチオニンを含有しない分化培地である。
言い換えれば、分化培地は一般に、アラニンを除くすべての必須アミノ酸、及び非必須アミノ酸を含有するが、本発明の「アミノ酸除去培地」は、必須アミノ酸であるメチオニン、ロイシン、及び準必須アミノ酸であるシステイン、チロシン、アルギニン、からなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含有しない分化培地である。
本明細書においては、「分化培地」又は「分化誘導培地」は、互いに同じ意味を表すものであり、相互に交換して使用できる。
「培地中に、アミノ酸として少なくとも必須アミノ酸であるスレオニン、バリン、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、リジン及びヒスチジンを含み、かつメチオニン、ロイシン、システイン、チロシン及びアルギニンからなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない」とは、培地中に、少なくとも上記8種の必須アミン酸を含み、更にそれ以外の任意のアミノ酸を含むことができるが、メチオニン、ロイシン、システイン、チロシン及びアルギニンからなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸又はそれらの2以上の組合せのアミノ酸群を培地中に含まないことを意味する。例えば、メチオニン以外の上記11種類のアミノ酸を含むがメチオニンを含まない培地、それに更に非必須アミノ酸を含む培地をあげることができる。
本発明の「アミノ酸除去培地におけるアミノ酸を含まない」とは、特定のアミノ酸を、全く含まない場合に加えて微量に含有する場合を含む。微量に含有する場合とは、特定のアミノ酸を低濃度でしか含有しないために、分化において未分化多能性幹細胞の減少又は除去或いは分化誘導効率を上げることができる場合を含む。より具体的には、本発明の「アミノ酸除去培地におけるアミノ酸を含まない」とは、特定のアミノ酸のいずれかを分化培地中に、全く含まない場合の他、20μM以下、好ましくは10μM以下、さらに好ましくは1μM以下、最も好ましくは0.1μM以下含有することを意味する。
本発明においては、多能性幹細胞を、本発明の「アミノ酸除去培地」において、少なくとも5時間、好ましくは少なくとも1日、更に好ましくは少なくとも2日培養する。また、本発明の「アミノ酸除去培地」で培養する期間は、好ましくは4日以下、特に好ましくは2日以下である。すべての培養期間、例えば、分化誘導初期の0〜10日間のすべてにおいて、本発明の「アミノ酸除去培地」で多能性幹細胞を培養すると、細胞の成長が妨げられ細胞が成育できない。
本発明においては、多能性幹細胞を必須アミノ酸及び準必須アミノ酸を含む分化培地で培養した後、本発明の「アミノ酸除去培地」で培養することが好ましい。
多能性幹細胞の分化誘導において、本発明の「アミノ酸除去培地」中で多能性幹細胞を培養する時期は、特に制限はなく、未分化多能性幹細胞の減少又は除去或いは分化誘導効率を上げることができる限り、分化誘導の初期(内胚葉、中胚葉又は外胚葉への分化の時期)であっても又は後期(内胚葉、中胚葉又は外胚葉から各種細胞への分化の時期)であってよいが、好ましくは、内胚葉、中胚葉又は外胚葉への分化の時期であり、さらに好ましくは、多能性幹細胞を内胚葉、中胚葉又は外胚葉に分化させる培養期間の後半の時期、言い換えれば、内胚葉、中胚葉又は外胚葉の形成の直前又は形成が確認できる時期である。
ヒトES細胞やヒトiPS細胞から肝臓細胞又は膵臓細胞への分化を例とした場合は、好ましくは、ES細胞/iPS細胞から内胚葉へと分化する分化誘導の初期の時期であり、さらに好ましくは内胚葉への分化誘導の終期、例えば、培養4日目から10日目までの間の数日間、例えば、培養4日目〜6日目又は培養8日目〜10日目までの時期であり、最も好ましくは培養8日目〜10日目までの時期である。
また、分化させた細胞を移植する場合は、移植直前において本発明の「アミノ酸除去培地」で培養することにより、移植細胞より、未分化多能性幹細胞を減少又は除去することが可能である。
本発明における多能性幹細胞の肝臓細胞又は膵臓細胞への分化誘導においては、本発明の「アミノ酸除去培地」で多能性幹細胞を培養した後に、プロリンを添加した分化培地で培養することができ、それにより、さらに分化誘導効率の改善が期待できる。
分化培地に添加するプロリンの量は、1.0mM以上100mM以下、好ましくは、1.0mM以上50mM以下、さらに好ましくは、1.0mM以上10mM以下である。
以下、実施例により、本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(A)材料と方法
(1)ヒトES細胞の維持・培養
ヒトES細胞(khES3)(Biochem Biophys Res Commun. 2006, 345(3), 926-32)は、中辻博士と末盛博士(京都大学)より分与されたものを、ヒトES細胞の使用に関する指針(文部科学省発行)に従って使用した。
未分化ヒトES細胞は、20% KSR(ノックアウト血清代替物;Invitrogen社)、100μM 非必須アミノ酸(NEAA;GIBCO社)、2mM L−グルタミン(ナカライテスク社)、50units/ml ペニシリン及び50μg/ml ストレプトマイシン(ナカライテスク社)、100μM β−メルカプトエタノール(Sigma社)及び5ng/ml bFGF(bovine fibroblast growth factor)を添加したKnockout Dulbecco’s Modified Eagle培地(DMEM/F12)(Invitrogen社)中にて、支持細胞であるマウス胎児線維芽細胞(MEF)のフィーダー層上で、37℃、5%CO2条件下で培養した。ヒトES細胞の継代には、20% KSRおよび1mM CaCl2を含むPBS内で、37℃、5分間、0.25%トリプシンと0.1mg/ml コラゲナーゼIVで処理することによりヒトES細胞コロニーを支持細胞層から分離し、その後、培養液を加え、ピペットで優しく数回吸引することでES細胞塊を小片にした(5〜20細胞)。継代は1:2の分割比で実施した。
(2)ヒトiPS細胞の維持・培養
ヒトiPS細胞株(201B7)は、高橋博士(Takahashi K et al. Cell. 131(5): 861-72, 2007)より分与されたものを使用した。また、ヒトiPS細胞(Toe細胞株)(JCRB1338)は、梅澤明弘博士(国立成育医療センター研究所)らが独立行政法人 医薬基盤研究所に寄託したものの分譲を受けて使用した。ただし、以下の実施例の記載において、特に断りのない限りは、用いたヒトiPS細胞は、201B7である。
未分化のヒトiPS細胞も、ヒトES細胞と同様にして、維持・培養を行った。
(3)フィーダー細胞(mmcM15細胞)の調整
mmcM15細胞(mouse mesonephros)は、登録番号ECACC95102517として、細胞バンク(CAMR Center for Applied Microbiology & Research (ECACC, Salisbury, Wiltshire))に登録されている。M15細胞は文献(Larsson, S. H., Charlieu, J. P., Miyagawa, K., et al. (1995). Subnuclear localization of WT1 in splicing or transcription factor domains is regulated by alternative splicing. Cell 81, 391-401)の記載に従って入手可能である。
(4)免疫細胞化学検査(免疫蛍光染色)
全マウント免疫組織化学検査を行う際、ES細胞又はiPS細胞をNunc Theranox Colerslips 24ウェルタイプ(Nunc社)上に置いた。細胞を、4% パラホルムアルデヒド中、室温で20分間固定し、0.1% Tween含有リン酸緩衝生理食塩水(PBS−T)で充分に洗浄した。1% TritonX−100を含有するPBS中、室温で10分間浸透させ、ブロッキング溶液(×5 Blocking One、ナカライタスク社)で1時間インキュベートした後、ブロッキング溶液中の一次抗体を試料に添加し、4℃で一夜インキュベートした。試料をPBS−Tで充分に洗浄し、PermaFluor Aqueous Mounting培地(IMMUNON社)でマウントした。共焦点画像をLeica Spectral Confocal Scanning System、TCS−SP2(Leica社)を用いて取得した。
検出に用いた抗体は以下の通りである。ウサギ抗α−フェトプロテイン(AFP、Dako社)、ヤギ抗アルブミン(Sigma社)、ウサギ抗Pdx1(Chemicon社)、マウス抗Oct3/4(Santa Cruz社)、ヤギ抗Sox17(R&D社)。二次抗体はAlexa568標識ヤギ抗ウサギ抗体とロバ抗ヤギ抗体、及びAlexa488標識ヤギ抗マウス抗体とヤギ抗ウサギ抗体、ロバ抗ヤギ抗体(Molecular Probes社)を用いた。細胞はDAPI(Roche社)で対比染色した。また、Sox17およびOct3/4陽性細胞数については、ImageXpress(モレキュラーデバイス社)を用いて定量化した。
(5)インドシアニングリーンテスト
インドシアニングリーン(ICG;第一三共株式会社)を培地で希釈し、最終濃度を1mg/mlとした。ICGテスト溶液を、分化したiPS細胞に加え、37℃、5%CO2下で30分間インキュベートした。その後、ICG含有培地を除去し、HBSSで3回洗浄した。ICG処理後24時間の間、ICGの細胞取り込みを、電子顕微鏡により観察した。
(6)アルブミン分泌テスト
培地を新鮮な培地に交換し、24時間もしくは48時間培養した後、培養上清を回収した。培養上清中へ分泌されたヒトアルブミンを、ELISA Quantitation kit(Bethyl Laboratories社)で測定した。
(7)CYP活性測定
チトクロームP450活性を確認するために、P450−Gro(商標) CYP3A4 Assay with Luciferin−IPA(Promega社)を用いた。分化誘導30日目に、適当な発光CYP基質を含む培地に交換した。製造者使用説明書に従って、細胞を、37℃で3時間培養した後、培養上清を同量の検出試薬と混合した。
(8)PAS染色(過ヨウ素酸シッフ染色)
分化した細胞中でのグリコーゲン貯蔵の検出のために、PAS染色キット(武藤化学株式会社)を用いた。30日間培養した細胞を、3.3% ホルマリン中で10分間固定した後、製造者使用説明書に従って染色を行った。
(9)リアルタイムPCR分析
RNeasy mini−kit(Qiagen社)を用いてES細胞からRNAを抽出した後、RNAをDNA分解酵素(Qiagen社)で処理した。RT反応を調べるため、MMLV逆転写酵素(東洋紡株式会社)とoligo dT primer(東洋紡株式会社)を用いて3μgのRNAを逆転写した。5倍に希釈したcDNA(RTプロダクトの1%)の1μlをPCR分析に使用した。定量RT−PCRを用いて、各アミノ酸培地の肝臓分化マーカー(AFP、Albumin)の発現を定量し、経時的に比較した。
(B)実施例
実施例1:ヒトES細胞及びヒトiPS細胞の内胚葉への分化
材料と方法(1)に従って維持・培養したヒトES細胞(KhES3株)及びヒトiPS細胞(201B7)を内胚葉に分化させた。
ヒトES細胞/iPS細胞を播種する前日に、mmcM15細胞を5.0×104細胞/ウェルの細胞密度で、ゼラチンコート済の96ウェルプレートに事前に播種しておいた(mmcM15プレート)。
ヒトES細胞/iPS細胞は、分化誘導に先立ち、ReproStem培地(ReproCell社)にRock inhibitor(Y27632;10μM、和光純薬工業株式会社)及び5ng/ml bFGFを添加した培地中で1日培養した。
分化誘導のため、ヒトES細胞/iPS細胞を、0.25%トリプシン−EDTA(Invitrogen社)を用いて培養皿から剥離し、マイトマイシンC処理をしたmmcM15細胞プレートに、1x104細胞/ウェルの細胞濃度にて播種した。
ES/iPS細胞は、播種の翌日、PBSで1回洗浄した後、分化培地に移した。内胚葉分化のための分化培地は、100ng/mlアクチビン(R&D Systems社)、B27培地添加物(Invitrogen社)、50units/mlペニシリン及び50μg/mlストレプトマイシン(ナカライテスク社)、2mM L−グルタミン(ナカライテスク社)、及び100μM β−メルカプトエタノール(Sigma社)を含んだRPMI 1640培地(Invitrogen社)を用いた。培地は、一日おきに、新しい培地と交換した。
ヒトES細胞/iPS細胞を、分化培地で10日間培養した。ヒトES細胞については、分化培地に移してから、培養6日目(Day6)、8日目(Day8)及び10日目(Day10)のそれぞれについて、抗Sox17抗体及びOct3/4抗体を用いた免疫蛍光染色を行った。また、ヒトiPS細胞については、培養4日目(Day4)、 培養6日目(Day6)、8日目(Day8)及び10日目(Day10)について、Sox17及びOct3/4の免疫蛍光染色を行った。
結果を図1に示す。免疫蛍光染色の結果、ヒトES細胞及びヒトiPS細胞ともに、培養10日目にはSox17(赤色)陽性の内胚葉細胞が確認できた。
また、材料と方法(9)に従い、Sox17、Oct3/4のそれぞれの発現について、RT−PCRを行った(コントロールとして、GAPDHの発現を確認した)。結果を図1に示す。RT−PCRの結果、培養10日目(Day10)のヒトES細胞では未分化細胞マーカーのOct3/4の発現が消失しているが、ヒトiPS細胞の場合は依然として発現が残っていた。このことから、ヒトiPS細胞株(201B7)はヒトES細胞株(KhES3株)と比べて、内胚葉への分化に対して抵抗性があることが示唆された。
実施例2:ヒトES細胞及びヒトiPS細胞の肝臓への分化
実施例1と同様にして、内胚葉分化培地で10日間培養した後、培地を肝臓分化培地に変更した。肝臓分化培地は、1μM デキサメタゾン(Sigma社)、10μ/ml ヒト組換えHGF(Peprotech社)、0.5% DMSO(Sigma社)、0.5mM ニコチンアミド(Sigma社)、0.2mM アスコルビン酸(Sigma社)、10% KSR、2000mg/l グルコース、50units/mlペニシリン及び50μg/mlストレプトマイシン(ナカライテスク社)、2mM L−グルタミン(ナカライテスク社)、及び100μM β−メルカプトエタノール(Sigma社)を含んだDMEM培地(Invitrogen社)を用いた。培地は、29日目まで、一日おきに新しい培地に交換した。
材料と方法(9)に従い、未熟肝臓細胞マーカーであるAFP及び成熟肝臓細胞マーカーであるアルブミンのそれぞれの発現について、RT−PCRを行った。結果を図2に示す。黒色バーがヒトES細胞であり、白色バーがヒトiPS細胞である。
その結果、AFPはすべての培養期間において、iPS細胞株の方がES細胞株よりも発現量が低かった。 さらに、アルブミンに関しては、iPS細胞ではES細胞と比較して顕著な低発現を示した。これらの結果から、ヒトiPS細胞株(201B7)はヒトES細胞株(KhES3株)と比べて、内胚葉のみならず肝臓への分化に対しても抵抗性があることが示唆された。
実施例3:ヒトiPS細胞を用いた、内胚葉への分化におけるアミノ酸の影響
アミノ酸を1種類ずつ除去した内胚葉分化培地を用いてヒトiPS細胞を内胚葉に分化誘導した。内胚葉への分化誘導は、mmcM15細胞を用いた内胚葉分化誘導法を用いた(非特許文献6参照)。
培地は、培養時期に応じて以下の培地を用いた。内胚葉分化培地として、培養開始(Day0)から培養6日目(Day6)又は8日目(Day8)までは、50units/mlペニシリン及び50μg/mlストレプトマイシン(GIBCO社)、2mM L−グルタミン(GIBCO社)、100μM β−メルカプトエタノール(Sigma社)、非必須アミノ酸(GIBCO社)、100ng/ml アクチビン(R&D Systems社)、及びB27培地添加物(Invitrogen社)を添加したRPMI 1640培地(Invitrogen社)を用いた。
内胚葉分化培地として、培養6日目(Day6)又は8日目(Day8)から培養10日(Day10)までは、50units/mlペニシリン及び50μg/mlストレプトマイシン、2mM L−グルタミン、100μM β−メルカプトエタノール、100ng/ml アクチビン、及びB27培地添加物を添加したRPMI 1640培地から1種類ずつアミノ酸を除去したアミノ酸除去培地又はアミノ酸を除去していない培地(コントロール培地)を用いた。
具体的には、ゼラチンコートした96ウェルプレートに、支持細胞としてmmcM15細胞を播種した。ヒトiPS細胞は、播種24時間前からY27632(10μM)で処理し、0.25% トリプシンを用いて剥離した。剥離したヒトiPS細胞を、mmcM15細胞上に1×104個/ウェルの細胞濃度で播種した。播種したヒトiPS細胞を10μM Y27632、5ng/ml bFGFを添加したES培地(ReproStem、ReproCell社)で37℃、5%CO2下で24時間培養した。24時間後にPBSで一回洗浄後に、内胚葉分化培地に培地を変更した(Day0)。培養6日目又は培養8日目まで内胚葉分化培地を1日おきに交換し、37℃、5%CO2下でヒトiPS細胞を培養した。培養6日目又は培養8日目に、アミノ酸除去培地又はコントロール培地に培地を変更した。アミノ酸除去培地又はコントロール培地を用いて培養10日目までヒトiPS細胞を培養した。培養10日目に、ヒトiPS細胞の免疫蛍光染色を行い、内胚葉分化マーカー(Sox17)と未分化マーカー(Oct3/4)の陽性細胞の割合を定量解析した。DAPIで染色されたものに対するそれぞれの陽性細胞の割合を算出した。
図3Aに、培養のスケジュールを示す。コントロール培地における、免疫蛍光染色の結果を図3Bに示す。
また、内胚葉分化マーカー(Sox17)と未分化マーカー(Oct3/4)の陽性細胞の割合を定量解析した結果を図4に示す。各陽性細胞の割合を、各アミノ酸除去培地とコントロールとの間で比較した。X軸は除去したアミノ酸の種類、Y軸は陽性細胞率(%)を示している。黒色バーはOct3/4陽性細胞、白色バーはSox17陽性細胞を示す。
6日目〜10日目の間のアミノ酸除去は、Oct3/4陽性細胞、Sox17陽性細胞の割合に影響した。各必須アミノ酸(Thr、Met、Val、Leu、Ile、Phe、Trp、Lys,His)及び準必須アミノ酸(Cys、Tyr、Arg))の除去はOct3/4陽性細胞率を減少させた。Serを除くいずれのアミノ酸除去においてSOX17陽性細胞率は増加しなかった
実施例4:ヒトiPS細胞の内胚葉への分化における、8日目〜10日目の間のアミノ酸除去の影響
実施例3と同様にして、ヒトiPS細胞を用いて、内胚葉分化における、8日目〜10日目の間のアミノ酸除去の影響を確認した。ただし、mmcM15細胞を用いた内胚葉分化誘導法を用いて8日目(Day0〜Day8)まで通常培地で培養した後、8日目〜10日目(Day8〜Day10)までアミノ酸除去培地又はコントロール培地に変更し、ヒトiPS細胞を培養した。
10日目(Day10)に、ヒトiPS細胞の免疫蛍光染色を行い、Sox17陽性細胞とOct3/4陽性細胞の割合を定量した。各陽性細胞の割合を、各アミノ酸除去培地とコントロール培地との間で比較した。結果を、図5に示す。X軸は各除去アミノ酸、Y軸は陽性細胞率(%)を示す。黒色バーはOct3/4陽性細胞、白色バーはSox17陽性細胞を示す。
8日目〜10日目の間のアミノ酸除去は、Oct3/4陽性細胞、Sox17陽性細胞の割合に影響した。非特許文献2において、マウスES細胞の生存に必須だと報告があったThrを除去した培地では、Oct3/4陽性細胞とともにSox17陽性細胞数も減少するため、選択培地としては不向きであった(斜線バー)。各必須アミノ酸(Thr、Met、Val、Leu、Ile、Phe、Trp、Lys,His)及び準必須アミノ酸(Cys、Tyr、Arg)の除去はOct3/4陽性細胞率を顕著に減少させた。Gly,Ser,Met,Cys,Gln,Leu又はArgの除去はSox17陽性細胞率を増加させた。Oct3/4の減少とSox17の増加の両方を示したのは、Met、Cys、Leu、Argを除去した培地(ドッドバー)であり、Sox17の変化なくOct3/4の減少を示したのがTyrを除去した培地(ドッドバー)であった。
8日目(Day8)〜10日目(Day10)の間、メチオニン除去培地(δMet培地)で培養して内胚葉へ分化させたヒトiPS細胞を免疫蛍光染色したものを図6に示す。コントロール培地を用いて培養したヒトiPS細胞には、Oct3/4陽性細胞が残存し、Sox17陽性細胞と混在している。一方、メチオニン除去培地を用いて培養したヒトiPS細胞にはOct3/4陽性細胞の残存を認めず、Sox17陽性細胞が均一に存在している。
実施例5:ヒトiPS細胞の肝臓細胞への分化における、8日目〜10日目の間のメチオニン除去の影響
ヒトiPS細胞の内胚葉分化過程におけるメチオニン濃度変化のヒトiPS細胞の肝臓への分化に対する影響を調べるために、メチオニン除去培地及び任意の濃度のメチオニン含有培地で8日目(Day8)〜10日目(Day10)まで処理した後、肝臓分化培地で培養した場合の、肝臓マーカーであるAFPの発現変化を調べた。8日目〜10日目の期間のメチオニン添加濃度は、それぞれ1、0.1、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100、200及び500μMとした。
実施例4と同様にして、mmcM15細胞を用いて、8日目までヒトiPS細胞を内胚葉に分化誘導し、8日目(Day8)〜10日目(Day10)まで、メチオニン除去培地及び任意の濃度のメチオニン含有培地に培地を変更し、37℃、5%CO2下で10日目(Day10)まで培養した。
10日目(Day10)に肝臓分化培地(10% KSR、2000mg/l D−グルコース、50units/mlペニシリン及び50μg/mlストレプトマイシン、2mM L−グルタミン、100μM β−メルカプトエタノール、10μ/ml ヒト組換えHGF、及び1μM デキサメタゾンを含んだMEME培地(以下「2000KSR−DMEM培地」という。)に培地を変更し、37℃、5%CO2下で20日目(Day20)まで培養した。10日目(Day10)〜20日目(Day20)の期間、培地を1日おきに交換した。20日目で(Day20)で、ヒトiPS細の免疫蛍光染色を行い、それぞれのメチオニン濃度毎にOct3/4陽性細胞およびAFP陽性細胞の割合を比較した。結果を図7に示す。
図7Bの結果より、以下のことがわかった。メチオニン濃度に依存して、20日目におけるOct3/4陽性細胞の割合が増加していた。また、AFP陽性細胞の割合は50μM以上のメチオニン添加で減少していた。
また、図7Cより、以下のことが確認された。メチオニン濃度に依存して、20日目(Day20)におけるOct3/4陽性細胞数が増加している。メチオニン濃度0μM〜0.1μMではOct3/4陽性細胞の残存はわずかで、AFP陽性細胞が均一に存在している。メチオニン濃度1μM〜20μMでは、Oct3/4陽性細胞数が軽度の増加を示すが、AFP陽性細胞数の減少を認めない。50μM 以上のメチオニン添加ではOct3/4陽性細胞の顕著な増加とSox17陽性細胞の顕著な減少を認める。
実施例6:ヒトiPS細胞の肝臓細胞への分化における、メチオニン除去の影響
実施例4と同様にして、mmcM15細胞を用いて、8日目までヒトiPS細胞を内胚葉に分化誘導し、8日目〜10日目までは、メチオニン除去培地(δMet培地)又はコントロール培地に培地を変更し、37℃、5%CO2下で培養した。
10日目(Day10)に肝臓分化培地(2000KSR−DMEM培地)に培地を変更し、37℃、5%CO2下で30日目(Day30)まで培養した。10日目(Day10)〜30日目(Day30)の期間、培地を1日おきに交換した。
(実施例6−1)
20日間培養したヒトiPS細胞を、抗AFP抗体及び抗Oct3/4抗体を用いて、免疫蛍光染色を行った。結果を図8A示す。コントロール培地を用いて培養したヒトiPS細胞では、20日目(Day20)においてOct3/4陽性細胞の残存を認めたが、これに対して、δMet培地を用いて培養したヒトiPS細胞では、20日目にけるOct3/4陽性細胞の残存を認めなかった。
(実施例6−2)
30日間培養したヒトiPS細胞を、抗AFP抗体及び抗アルブミン抗体を用いて、免疫蛍光染色を行った。結果を図8Bに示す。コントロール培地を用いて培養したヒトiPS細胞のものと同様にδMet培地を用いて培養したヒトiPS細胞においても、30日目(Day30)においてアルブミン陽性細胞が確認できた。
(実施例6−3)
材料と方法(5)に従い、30日目(Day30)における、インドシアニングリーン(ICG)の取り込み−***試験を行った。結果を図8Cに示す。
上段はコントロール培地で培養後、肝臓分化培地で培養したヒトiPS細胞(Day30)、下段はδMet培地で培養後、肝臓分化培地で培養したヒトiPS細胞(Day30)である。左欄は、ICG処理後0時間、右欄は、ICG処理後24時間である。
コントロール培地で培養したヒトiPS細胞及びδMet培地で培養したヒトiPS細胞の両方で、ICGの取り込みと、24時間後の***を認めた。
(実施例6−4)
材料と方法(6)に従い、20日目(Day20)及び30日目(Day30)における、アルブミン分泌量の測定を行った。20日目及び30日目で、培地交換48時間後の培養液中のアルブミン量を測定し、2日間に分泌されるアルブミン量を定量した(n=4)。結果を図8Dに示す。δMet培地で培養したヒトiPS細胞では、コントロールに比較して顕著に高いアルブミン分泌活性を示した。
(実施例6−5)
材料と方法(7)に従い、30日目(Day30)におけるCYP3A4活性を調べた。結果を図8Eに示す。δMet培地で培養したヒトiPS細胞では、コントロール培地(ct)に比較して高いCYP3A4活性を示した。
(実施例6−6)
材料と方法(8)に従い、30日間(Day30)培養したヒトiPS細胞に対してPAS染色を行った。結果を図8Fに示す。δMet培地で培養したものは、PAS陽性細胞が存在し、一部は、二核細胞(binuclear cell)であった(矢印)。
実施例7:ヒトiPS細胞の膵臓細胞への分化における、8日目〜10日目の間のメチオニン除去の影響
ヒトiPS細胞の内胚葉分化過程におけるメチオニン除去がヒトiPS細胞の膵臓への分化に対する影響を調べるために、コントロール培地又はメチオニン除去培地で8日目〜10日目まで処理した後、膵臓分化培地で13日目まで培養し、機能性膵β細胞マーカーであるPdx1の発現を調べた。
実施例4と同様にして、mmcM15細胞を用いて、8日目までヒトiPS細胞を内胚葉に分化誘導し、8日目〜10日目まで、コントロール培地又はメチオニン除去培地に培地を変更し、37℃、5%CO2下で10日目まで培養した。
10日目に膵臓分化培地(2000mg/l D−グルコース、50units/mlペニシリン及び50μg/mlストレプトマイシン(GIBCO社)、2mM L−グルタミン(GIBCO社)、100μM β−メルカプトエタノール(SIGMA社)、非必須アミノ酸(GIBCO社)、1μMレチノイン酸、50ng/ml Fgf10(Fibroblast growth factor−10)、0.25μM KAAD−シクロパミン、及びB27培地添加物を添加したDMEM培地)に移した。10日目〜13日目の間、毎日新しい培地と交換した。
10日目(Day10)のヒトiPS細胞を、抗Oct3/4抗体及び抗Sox17抗体を用いて、13日目(Day13)のヒトiPS細胞を、抗Oct3/4抗体及び抗Pdx1抗体を用いて、免疫蛍光染色をした。結果を、図9A示す。
また、材料と方法(9)に従い、Sox17、Oct3/4、Pdx1のそれぞれの発現について、RT−PCRを行った(コントロールとして、GAPDHの発現を確認した)。結果を図9B(Day10)及び図9C(Day13)に示す。
免疫蛍光染色の結果より、メチオニン除去群では、Oct3/4陽性細胞が顕著に減少していた。また、RT−PCT解析でも同様の結果が得られた。
実施例8:フィーダーフリーの分化誘導系における、メチオニン除去の影響
フィーダー細胞(mmcM15細胞)を用いないヒトiPS細胞の内胚葉分化過程におけるメチオニン除去がヒトiPS細胞の肝臓分化に及ぼす影響を調べた。具体的には、RPMI1640培地で40倍希釈したマトリゲル(BD)で一晩コートした96ウェルプレートを培養に用いた。ヒトiPS細胞は、播種24時間前からY27632(10μM)で処理し、0.25% トリプシンを用いて剥離した。剥離したヒトiPS細胞を、マトリゲルコートプレートに1×105個/ウェルの細胞濃度で播種した。播種したヒトiPS細胞を10μM Y27632、5ng/ml bFGFを添加したES培地(ReproStem、ReproCell社)で37℃、5%CO2下で24時間培養した。24時間後にPBSで一回洗浄後に、内胚葉分化培地に培地を変更した(Day0)。培養8日目まで内胚葉分化培地を1日おきに交換し、37℃、5%CO2下でヒトiPS細胞を培養した。培養8日目に、メチオニン除去培地(δMet培地)又はコントロール培地に培地を変更した。メチオニン除去培地又はコントロール培地を用いて培養10日目までヒトiPS細胞を培養した。培養10日目に、ヒトiPS細胞の免疫蛍光染色を行い、内胚葉分化マーカー(Sox17)と未分化マーカー(Oct3/4)の陽性細胞を解析した。培養10日目に肝臓分化培地(2000KSR−DMEM培地)に交換し、それ以降は1日おきに培地交換した。
培養10日目(Day10)の細胞を、抗Sox17抗体及び抗Oct3/4抗体を用いて免疫蛍光染色を行った。結果を図10Bに示す。M15細胞を用いた分化誘導方法と同様に、フィーダーフリーの培養系においても8日目〜10日目までのメチオニン除去は未分化細胞の除去効果があることが確認された。
また、培養18日目(Day18)の細胞を、Oct3/4、アルブミン、AFPのそれぞれの発現について、RT−PCRを行った(コントロールとして、GAPDHの発現を確認した)。結果を図10Cに示す。メチオニン除去群において、未分化細胞マーカーのOct3/4の発現が顕著に減少している一方、肝臓マーカーであるアルブミンの発現が高くなっていることが確認された。また、17日目(Day17)、25日目(Day25)及び27日目(Day27)における、アルブミン分泌量の測定を行った。17,25および27日目で、培地交換24時間後の培養液中のアルブミン量を測定し、1日間に分泌されるアルブミン量を定量した。結果を図10Dに示す。メチオニン除去培地で培養したヒトiPS細胞(黒色バー)では、コントロール(白色バー)に比較して顕著に高いアルブミン分泌活性を示した。
実施例9:ヒトiPS細胞の肝臓分化におけるプロリン添加の影響
(実施例9−1)
肝臓分化におけるプロリン添加分化培地の影響を調べるために、プロリンを1mMの濃度に添加した肝臓分化培地を用いてヒトiPS細胞を肝臓前駆細胞に分化誘導した。
ゼラチンコートした96ウェルプレートに支持細胞としてmmcM15細胞を播種した。ヒトiPS細胞は、播種24時間前からY27632(10μM)で処理し、0.25%トリプシンを用いて剥離した。剥離したヒトiPS細胞をmmcM15細胞上に1×104個/ウェルの細胞濃度で播種した。播種したヒトiPS細胞をY27632及びbFGFを添加したES培地で37℃、5%CO2下で24時間培養した。24時間後に内胚葉分化培地に培地を変更した(Day0)。
実施例3と同様にして、培養開始日(Day0)〜8日目(Day8)まで内胚葉分化培地を1日おきに交換し、37℃、5%CO2下でヒトiPS細胞を培養した。8日目(Day8)にメチオニン除去培地又はコントロール培地に培地を変更した。メチオニン除去培地またはコントロール培地を用いて10日目(Day10)までヒトiPS細胞を培養した。
10日目(Day10)に、肝臓分化培地(2000KSR−DMEM培地、コントロール培地)又はコントロール培地にさらにプロリン1mMを添加したPro含有2000KSR−DMEM培地に培地を変更し、37℃、5%CO2下で19日目(Day19)まで培養した。10日目〜19日目の期間、培地を1日おきに交換した。19日目(Day19)において、抗Oct3/4抗体及び抗AFP抗体を用いて、ヒトiPS細胞の免疫蛍光染色を行った。結果を図11に示す。
メチオニン除去群では、コントロール群に比較して、AFP陽性細胞が均一に存在し、Oct3/4陽性細胞が減少していた。プロリン添加群では、コントロール群に比較してAFP陽性細胞が多く、Oct3/4陽性細胞が減少していた。メチオニン除去とプロリン添加を行った群ではAFP陽性細胞の増加とOct3/4陽性細胞の顕著な減少を認めた。
(実施例9−2)
プロリンの添加量を1mMから10mMに変えた他は、実施例9−1と同様にして実験を行った。プロリンを10mMした場合も、1mM添加の場合と、同様の結果が得られた。
実施例10:ヒトES細胞を用いた、内胚葉への分化におけるアミノ酸の影響
実施例1と同様にして、ヒトES細胞(khES3)を内胚葉へと分化させた。ただし、培養8日目〜10日目は、ヒトiPS細胞の場合と同様に、メチオニンを除去したメチオニン除去培地で培養した。培養10日目(Day10)に、内胚葉未分化マーカー(Sox17)と未分化マーカー(Oct3/4)の遺伝子発現を、リアルタイムPCR法を用いて定量解析した。結果を図12に示す。培養8日目〜10日目にメチオニン除去培地で培養することにより、未分化マーカーであるOct3/4の発現が顕著に減少して、内胚葉マーカーであるSox17の発現が顕著に増加していた。
このことから、アミノ酸除去培地の効果は、ヒトES細胞にも有効であることが示された。
実施例11:フィーダーフリー系でのヒトiPS細胞の分化における、4日目〜6日目の間のメチオニン除去培地の効果
実施例8と同様にして、フィーダー細胞を用いない系において、iPS細胞(Toe細胞株)を内胚葉へと分化させた。ただし、メチオニン除去培地での培養は、8日目〜10日目及び4日目〜6日目に行い、それぞれ10日目(Day10)及び6日目(Day6)における細胞を、抗Sox17抗体及び抗Oct3/4抗体を用いて、免疫蛍光染色を行った。結果を図13に示す。
その結果、4日目〜6日目までのメチオニン除去培地での培養においても、8日目〜10日目と同様に、未分化細胞の除去効果があることが確認された。
実施例12:ヒトiPS細胞の維持培養過程におけるメチオニン除去の影響
ヒトiPS細胞の維持培養過程におけるメチオニン除去が、ヒトiPS細胞の生育に及ぼす影響を調べた。具体的には、RPMI1640培地で40倍希釈したマトリゲル(BD)で一晩コートした96ウェルプレートを培養に用いた。ヒトiPS細胞は、播種24時間前からY27632(10μM)で処理し、0.25% トリプシンを用いて剥離した。剥離したヒトiPS細胞を、マトリゲルコートプレートに5×104個/ウェルの細胞濃度で播種した。播種したヒトiPS細胞を10μM Y27632、5ng/ml bFGFを添加したES培地(CSTI−7, 細胞科学研究所)で37℃、5%CO2下で24時間培養した。24時間後にPBSで一回洗浄後に、CSTI−7培地(Complete)、CSTI−7からメチオニンを除去した培地(ΔMet)およびΔMetに様々な濃度のメチオニンを添加した培地(ΔMet+Met)に変更した(Day0)。培養2日目まで、37℃、5%CO2下でヒトiPS細胞を培養した。培養2日目に、ヒトiPS細胞の細胞数を、PrestBlue(Invitrogen)を用いて定量した。
結果を図14に示す。図14Aは、培養2日後の各条件の明視野像を示している。メチオニン除去することにより、ヒトiPS細胞のコロニーは減少した。図4Bはメチオニン除去後の細胞数を定量化した結果である。メチオニンの除去により、(未分化の)iPS細胞の生育が妨げられていることが確認された。
実施例13:メチオニン除去培地での処理時間の影響
内胚葉分化におけるメチオニン除去培地の処理時間の影響を調べるために、分化8日目にメチオニン除去培地に培地交換し、5、24及び48時間後の細胞増殖及びアポトーシスについて評価した。具体的には、ゼラチンコートした96ウェルプレートに支持細胞としてmmcM15細胞を播種した。ヒトiPS細胞は、播種24時間前からY27632(10μM)で処理し、0.25%トリプシンを用いて剥離した。剥離したヒトiPS細胞をmmcM15細胞上に1×104個/ウェルの細胞濃度で播種した。播種したヒトiPS細胞をY27632及びbFGFを添加したES培地で37℃、5%CO2下で24時間培養した。24時間後に内胚葉分化培地に培地を変更した(Day0)。
培養開始日(Day0)〜8日目(Day8)まで内胚葉分化培地を1日おきに交換し、37℃、5%CO2下でヒトiPS細胞を培養した。8日目(Day8)にメチオニン除去培地又はコントロール培地に培地を変更した。メチオニン除去培地またはコントロール培地を用いて10日目(Day10)までヒトiPS細胞を培養した。8日目の培地交換の5、24及び48時間後の細胞増殖をClick−iT EdU細胞増殖アッセイキット(Invitrogen社)を用いて評価し、アポトーシスをIn Situ細胞死検出キット(ロシュ社)を用いて評価した。さらに、メチオニン除去の期間について検討するために除去期間をD6−10、D7−10、D8−10、及びD9−10として、培養10日目のOct3/4およびSox17陽性細胞をカウントした。結果を図15及び図16に示す。
図15Aは、Oct3/4およびSox17陽性細胞におけるEdU取り込みを抗体染色で評価した結果を示し、Bに定量結果をグラフで示した。メチオニン除去5時間後には、細胞増殖は著しく阻害され、その効果は、Oct3/4陽性細胞で顕著であった。Cは、Oct3/4およびSox17陽性細胞におけるアポトーシスをTunel染色で評価した結果を示し、Dに定量結果をグラフで示した。メチオニン除去5時間後には、Oct3/4陽性細胞において特異的にアポトーシスが誘導されている。
また、メチオニン除去の期間について検討するために除去期間をD6−10、D7−10、D8−10、及びD9−10として、培養10日目のOct3/4およびSox17陽性細胞をカウントした。結果を図16に示す。培養6日目からの除去ではSox17陽性細胞の減少が確認された。
実施例14:メチルドナー除去培地の影響
内胚葉分化におけるメチオニンおよびメチルドナー除去培地の影響を調べるために、分化8日目に培地中よりメチオニンおよびメチルドナーを除去し、10日目まで培養しOct3/4及びSox17陽性細胞数を抗体染色で評価した。具体的には、ゼラチンコートした96ウェルプレートに支持細胞としてmmcM15細胞を播種した。ヒトiPS細胞は、播種24時間前からY27632(10μM)で処理し、0.25%トリプシンを用いて剥離した。剥離したヒトiPS細胞をmmcM15細胞上に1×104個/ウェルの細胞濃度で播種した。播種したヒトiPS細胞をY27632及びbFGFを添加したES培地で37℃、5%CO2下で24時間培養した。24時間後に内胚葉分化培地に培地を変更した(Day0)。培養開始日(Day0)〜8日目(Day8)まで内胚葉分化培地を1日おきに交換し、37℃、5%CO2下でヒトiPS細胞を培養した。8日目(Day8)に各種培地に培地を変更した。培地中からメチオニン・葉酸・ビタミンB12・ベタイン・コリンを除去したものをメチルドナー除去培地とした。各種培地を用いて10日目(Day10)までヒトiPS細胞を培養し、Oct3/4およびSox17陽性細胞をカウントした。
図17に示すように、メチオニンは生体内でビタミンB12(VB12)・葉酸(Folic Acid)・コリン・ベタインを利用して、S−アデノシルメチオニン(SAM)・S−アデノシルホモシステイン(SAH)・ホモシステイン(Hcy)から生合成される。また、メチオニンは代謝されてシステイン(Cys)になることが知られている。そこで、メチオニン除去培地(△Met)又はメチルドナー除去培地(△MD)に、Met,SAM,Hcy,SAH,Cysを添加して、メチオニン除去によるOct3/4陽性細胞の減少作用を阻害できるかを試した。結果を図18に示した。図中、△MDは、メチルドナーである、メチオニン、葉酸、ビタミンB12、ベタイン及びコリンを含まない培地を意味する。図18Aは、Oct3/4及びSox17陽性細胞の染色像を示し、図18Bに定量結果をグラフで示した。Bに示すように、Met,SAM,Hcy,SAH添加により、Oct3/4陽性細胞の減少効果は阻害され、Cys添加は影響がなかった。
さらに、メチルドナー除去培地を用いてメチオニン生合成が行われない系で同様の検討を行ったところMet,SAMの添加は、Oct3/4陽性細胞の減少効果を阻害したが、Hcy,SAHの添加は影響がなかった。このことからメチオニン除去による未分化細胞の減少は、細胞中のSAMがなくなることに起因することが示唆された。
上記の詳細な記載は、本発明の目的及び対象を単に説明するものであり、添付の特許請求の範囲を限定するものではない。添付の特許請求の範囲から離れることなしに、記載された実施態様に対しての、種々の変更及び置換は、本明細書に記載された教示より当業者にとって明らかである。
本発明によれば、多能性幹細胞、例えばES細胞やiPS細胞を効率よく分化誘導できる。また、本発明により分化誘導されたES細胞又はiPS細胞は、未分化細胞の混入が少なく又は無いので、未分化細胞の混入に伴うリスクを回避することができる。
従って、本発明により分化誘導された細胞は、各種組織細胞の分析や再生医療において有用なものである。

Claims (20)

  1. 培地中に、以下の(i)〜(iii)の3種のアミノ酸:(i)メチオニン、(ii)ロイシン、及び、(iii)システイン及びシスチン、からなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない分化培地で、哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  2. 培地中に、アミノ酸として少なくとも必須アミノ酸であるスレオニン、バリン、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、リジン及びヒスチジンを含み、かつ以下の(i)〜(iii)の3種のアミノ酸:(i)メチオニン、(ii)ロイシン、及び、(iii)システイン及びシスチン、からなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない分化培地で、哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、請求項1に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  3. メチオニンを含まない分化培地で、哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、請求項1又は2に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  4. 哺乳動物由来の多能性幹細胞が、ヒト又はマウス由来のES細胞又はiPS細胞である、請求項1〜3のいずれか一つに記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  5. 請求項1〜4のいずれか一つに記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法であって、前記分化培地で、ES細胞又はiPS細胞を、少なくとも5時間培養することを含む、多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  6. 請求項1〜4のいずれか一つに記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法であって、前記分化培地で、ES細胞又はiPS細胞を、少なくとも1日間培養することを含む、多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  7. 前記分化培地でES細胞又はiPS細胞を培養することを、前記多能性幹細胞から分化誘導された内胚葉の形成の直前又は形成が確認できる時期に行う、請求項5又は6に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  8. 請求項1〜7のいずれか一つに記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法であって、前記分化培地が、内胚葉分化培地である、多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  9. 多能性幹細胞を、必須アミノ酸(スレオニン、メチオニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、リジン及びヒスチジン)及び準必須アミノ酸(システイン、チロシン及びアルギニン)を含む分化誘導培地で培養した後、以下の(i)〜(iii)の3種のアミノ酸:(i)メチオニン、(ii)ロイシン、及び、(iii)システイン及びシスチン、からなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない分化培地で哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  10. メチオニンを含まない分化培地で哺乳動物由来の多能性幹細胞を培養することを含む、請求項9に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法。
  11. 哺乳動物由来の多能性幹細胞が、ヒト又はマウス由来のES細胞又はiPS細胞である、請求項9又は10に記載の多能性幹細胞を分化誘導する方法
  12. 哺乳動物由来の多能性幹細胞を内胚葉まで分化誘導させる、請求項9〜11のいずれか一つに記載の方法。
  13. さらに、分化した内胚葉を、肝臓分化培地で培養することにより、多能性幹細胞を肝臓細胞まで分化させる、請求項12に記載の方法。
  14. さらに、分化した内胚葉を、膵臓分化培地で培養することにより、多能性幹細胞を膵臓細胞まで分化させる、請求項12に記載の方法。
  15. 前記肝臓分化培地又は膵臓分化培地がプロリンを1.0mM以上10mM以下の濃度で添加した培地である、請求項13又は14に記載の方法。
  16. 培地中に、以下の(i)〜(iii)の3種のアミノ酸:(i)メチオニン、(ii)ロイシン、及び、(iii)システイン及びシスチン、からなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない、多能性幹細胞を分化誘導するための培地。
  17. 培地中に、アミノ酸として少なくとも必須アミノ酸であるスレオニン、バリン、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、リジン及びヒスチジンを含み、かつ以下の(i)〜(iii)の3種のアミノ酸:(i)メチオニン、(ii)ロイシン、及び、(iii)システイン及びシスチン、からなる群より選ばれる少なくとも一つのアミノ酸を含まない、請求項16に記載の多能性幹細胞を分化誘導するための分化誘導培地。
  18. メチオニンを含まない請求項16又は17に記載の培地。
  19. 多能性幹細胞が、ヒト又はマウス由来のES細胞又はiPS細胞である、請求項16〜18のいずれか一つに記載の培地。
  20. 前記分化誘導するための培地が、マウス又はヒト由来のES細胞又はiPS細胞を内胚葉に分化誘導するための内胚葉分化培地である、請求項16〜18のいずれか一つに記載の培地。
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Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160027217A (ko) * 2012-05-23 2016-03-09 에프. 호프만-라 로슈 아게 내배엽 및 간세포를 수득하고 사용하는 조성물 및 방법
US8916339B1 (en) 2013-10-31 2014-12-23 Vivex Biomedical, Inc. Spinal cord tissue dehydrated and micronized
JP6351018B2 (ja) * 2014-02-21 2018-07-04 国立大学法人 熊本大学 アミノ酸組成変更培地を用いた幹細胞の分化誘導方法、及び該培地を含む培地キット
WO2015166845A1 (ja) * 2014-05-01 2015-11-05 株式会社島津製作所 細胞の分化状態の評価方法
US10006005B2 (en) * 2014-06-27 2018-06-26 National University Corporation Chiba University Culture medium and method for inducing differentiation of pluripotent stem cells to hepatoblasts
EP3184627B1 (en) 2014-08-21 2020-12-23 Ajinomoto Co., Inc. Culture medium for mesenchymal stem cells
EP3196297B1 (en) 2014-09-16 2020-11-04 Osaka University Method for producing cardiomyocyte population from pluripotent stem cells
WO2016084850A1 (ja) * 2014-11-25 2016-06-02 国立大学法人 東京大学 造血幹細胞を減少させる組成物およびその製造方法
US9402869B1 (en) 2015-03-27 2016-08-02 Vivex Biomedical, Inc. Treated neural tissue composition
JP6853467B2 (ja) * 2015-03-30 2021-03-31 国立大学法人 岡山大学 骨折治療剤
JP6954711B2 (ja) 2015-04-24 2021-10-27 ユニバーシティ オブ コペンハーゲン 真正膵臓前駆細胞の単離
JP6732226B2 (ja) * 2016-08-05 2020-07-29 国立大学法人 東京大学 成人t細胞白血病リンパ腫を処置することに用いるための組成物およびその製造方法
CA3058306A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-04 Ajinomoto Co., Inc. Additive for undifferentiation maintaining medium
CN110506109B (zh) 2017-06-05 2024-03-12 泰尔茂株式会社 细胞培养物的制造方法
CA2983845C (en) 2017-10-26 2024-01-30 University Of Copenhagen Generation of glucose-responsive beta cells
CN111630052B (zh) 2018-01-18 2023-04-18 第一三共株式会社 二氢吲嗪酮衍生物
JP7287948B2 (ja) * 2018-03-22 2023-06-06 オリエンタル酵母工業株式会社 多分化能性幹細胞分化促進剤
WO2020067438A1 (ja) 2018-09-27 2020-04-02 国立大学法人大阪大学 多能性幹細胞由来細胞のシート化方法
CN111187750B (zh) * 2020-01-17 2022-08-16 复旦大学附属中山医院 生物胺诱导多功能干细胞向心肌细胞分化的方法与应用
JP2023516484A (ja) 2020-03-11 2023-04-19 ビット バイオ リミテッド 肝細胞作製方法
CN111235094B (zh) * 2020-03-11 2023-06-30 上海东方星际干细胞科技有限公司 一种人多能干细胞向内胚层分化的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008212150A (ja) * 2001-12-07 2008-09-18 Geron Corp ヒト胚幹細胞由来の膵島細胞
WO2009018453A1 (en) * 2007-07-31 2009-02-05 Lifescan, Inc. Differentiation of human embryonic stem cells
JP2009100702A (ja) * 2007-10-25 2009-05-14 Chiba Univ 胚性幹細胞から肝芽細胞を得る方法
WO2009116951A2 (en) * 2008-03-17 2009-09-24 Agency For Science, Technology And Research Microcarriers for stem cell culture
WO2010059775A1 (en) * 2008-11-20 2010-05-27 Centocor Ortho Biotech Inc. Pluripotent stem cell culture on micro-carriers

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005095027A (ja) 2003-09-22 2005-04-14 Reprocell Inc 細胞の未分化状態マーカープロモーターおよびその利用
JP5092124B2 (ja) 2005-05-24 2012-12-05 国立大学法人 熊本大学 Es細胞の分化誘導方法
WO2007102787A1 (en) 2006-03-06 2007-09-13 Agency For Science, Technology & Research Human embryonic stem cell methods and podxl expression
GB2452186B (en) * 2006-05-02 2011-01-26 Wisconsin Alumni Res Found Method of differentiating stem cells into cells of the endoderm and pancreatic lineage
EP2169051B1 (en) 2007-05-30 2016-02-10 Kumamoto University Method for induction of differentiation of es cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008212150A (ja) * 2001-12-07 2008-09-18 Geron Corp ヒト胚幹細胞由来の膵島細胞
WO2009018453A1 (en) * 2007-07-31 2009-02-05 Lifescan, Inc. Differentiation of human embryonic stem cells
JP2009100702A (ja) * 2007-10-25 2009-05-14 Chiba Univ 胚性幹細胞から肝芽細胞を得る方法
WO2009116951A2 (en) * 2008-03-17 2009-09-24 Agency For Science, Technology And Research Microcarriers for stem cell culture
WO2010059775A1 (en) * 2008-11-20 2010-05-27 Centocor Ortho Biotech Inc. Pluripotent stem cell culture on micro-carriers

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6015044457; 新生化学実験講座「細胞培養技術」 , 1990, 第27-29頁, 株式会社東京化学同人 *

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