JP6445422B2 - ゼブラフィッシュ割球細胞培養物における高スループット画像ベース化学スクリーニング - Google Patents
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Description
本願は、35 U.S.C. §119(e)に基づき、2012年3月14日に出願された米国仮出願第61/610,668号および2012年10月31日に出願された米国仮出願第61/720,713号の恩典を主張し、その両方の内容の全体を参照により本明細書に組み入れる。
本発明は、National Institutes of Healthによって授与された助成金第5P30 DK49216-19号、同第5R01CA103846-10号、同第DP2OD004345号および同第DK31036号の下で政府の支援を受けてなされたものである。政府は本発明において一定の権利を有している。
本開示は、概して、幹細胞から筋原細胞への分化を誘導するための組成物および方法ならびにそれらの使用に関する。より具体的に、本開示は、人工多能性幹細胞(iPSC)および胚性幹細胞(ESC)から筋原細胞への分化を誘導する組成物および方法に関する。本開示はまた、衛星細胞の増殖を誘導する方法およびその使用を提供する。本開示はまた、臓器発生のモジュレーターをアッセイするためのスクリーニングアッセイを提供する。
骨格筋は、制御された定向性の様式で力を発生させるよう収縮する非***性、多核性の筋線維から構成される高度に専門化された組織である。骨格筋は、胚形成時に、筋節として知られる胚の領域で見られる筋前駆細胞のサブセットから形成される。分化した筋線維を生成することに加えて、これらの細胞はまた、生涯を通じて筋線維に付随した状態で維持され筋肉の成長および修復を担う、衛星細胞として知られている専門化された筋形成性幹細胞を生成する(Gros et al., 2006; Seale et al., 2000)。受傷によって誘導される衛星細胞の増殖は、衛星細胞のプールを補充し、かつ既存の筋線維と相互融合して筋組織を再生する分化した筋芽細胞を生成する。
本開示は、胚性幹細胞および人工多能性幹細胞を含む幹細胞の分化に関する。より具体的には、本開示は、幹細胞から筋原細胞への分化を誘導する方法に関する。
[本発明1001]
幹細胞の筋原細胞への分化を誘導する方法であって、(i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質、の少なくとも2つと共に幹細胞を培養する工程を含む、方法。
[本発明1002]
培養する工程が、GSK3経路阻害物質、3',5'-環状アデノシン一リン酸の細胞内レベルを増加させる化合物、およびFGF経路活性化物質の存在下で行われる、本発明1001の方法。
[本発明1003]
幹細胞が、人工多能性幹(iPS)細胞、胚性幹(ES)細胞または多分化能性幹細胞である、本発明1001または1002の方法。
[本発明1004]
GSK3経路阻害物質が、GSK3β阻害物質である、本発明1001〜1003のいずれかの方法。
[本発明1005]
GSK3経路阻害物質が、6-ブロモインジルビン-3'-オキシム(BIO)、CHIR98014;CHIR99021;ARA014418;ヒメニアルジシン(hymenialdisine);フラボピリドール;アロイジンA;アロイジンB;CT20026;SU9516;スタウロスポリン;GF109203x;RO318220;SB216763;SB415286;I5;CGP60474;ケンパウロン(9-ブロモパウロン);アルスターパウロン;2-シアノエチル-アルスターパウロン;1-アザ-アルスターパウロン;1-アザ-ケンパウロン;9-シアノ-2,3-ジメトキシパウロン;2-ヨードパウロン;2-ブロモ-9-ニトロパウロン;2,3-ジメトキシ-9-ニトロパウロン;7-ブロモ-5-(4-ニトロフェニルヒドラゾノ)-4,5-ジヒドロ-1-H-[1]ベンゾアゼピン2(3H)-オン;7,8-ジメトキシ-5-(4-ニトロフェニルヒドラゾノ)-4,5ジヒドロ-1H-[1]ベンゾアゼピン-2-(3H)-オン;9-シアノパウロン;9-クロロパウロン;9-トリフルオロメチルパウロン;2,3-ジメトキシ-9-トリフルオロメチルパウロン;9-ブロモ-12-メチルオキシカルボニルメチルパウロン;9-フルオロパウロン;9-ブロモ-2,3-ジメトキシパウロン;9-ブロモ-2,3-ジメトキシパウロン;9-メチルパウロン;10-ブロモパウロン;2-ブロモパウロン;11-クロロパウロン;2-(3-ヒドロキシ-1-プロピニル)-9-トリフルオロメチルパウロン;9-ブロモ-12-(2-ヒドロキシエチル)-パウロン;ケンパウロン;アルスターパウロン;2-シアノエチル-アルスターパウロン;1-アザ-ケンパウロン;1-アザ-アルスターパウロン;9-ブロモ-12-メチルパウロン;9-ブロモ-5-(メチルオキシカルボニルメチル)パウロン;11-メチルパウロン;パウロン;11-エチルパウロン;9-ブロモ-7,12-ジヒドロ-6-(ヒドロキシアミノ)-インドロ[2-3-d][1]ベンゾアゼピン;2,9-ジブロモパウロン;11-ブロモパウロン;2,3-ジメトキシパウロン;9-ブロモ-7,12ジヒドロ-6-メチルチオ-インドロ[2-3-d][1]ベンゾアゼピン;(E)-2(3-オキソ-1-ブテニル)-9-トリフルオロメチルパウロン;9-ブロモ-12エチルパウロン;9-ブロモ-7,12-ジヒドロ-インドロ[2-3-d][1]ベンゾアゼピン-6(5H)-チオン;2-ブロモ-9-トリフルオロメチルパウロン;2-[2-(1-ヒドロキシシクロヘキシル)エチニル]-9-トリフルオロメチル-パウロン;9-ブロモ-5メチルパウロン;9-メトキシパウロン;2-ヨード-9-トリフルオロメチルパウロン;9-ブロモ-12-(tert-ブチルオキシカルボニル)-パウロン;9-ブロモ-12-(2-プロペニル)パウロン;9-ブロモ-4-ヒドロキシパウロン;8,10-ジクロロパウロン;5-ベンジル-9-ブロモパウロン;9-ブロモ-4-メトキシパウロン;9-ブロモ-5-エチルパウロン;9-ブロモ-5,7ビス-(tert-ブチルオキシカルボニル)-パウロン;4-メトキシパウロン;9-ブロモ-5,6,7,12-テトラヒドロベンゾ[6-7]シクロヘプト[1,2.b]インドール;2-フェニル-4-(2-チエニル)-5H-ピリド[2-3d][1]ベンゾアゼピン-6(7H)-チオン;9-ブロモ-5,7,12-トリ-(tert-ブチルオキシカルボニル)-パウロン;9-ブロモ-5,12-ビス-(tert-ブチルオキシカルボニル)パウロン;4-(4-クロロフェニル)-2-(2-ナフチル)-5H-ピリド[23-d][1]ベンゾアゼピン-6(7H)-チオン;5,6,7,12-テトラヒドロベンゾ[6-7]シクロヘプト[1,2-b]インドール;N-ブチル-N'-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ウレア;N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ペンタンアミド;1-{4-アミノ-2-[(4-メトキシフェニル)アミノ]-1,3-チアゾール-5-イル}エタノン;N-ベンジル-N'-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ウレア;N-(4-メトキシベンジル)-N'-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ウレア;3-(4-メトキシフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)プロパンアミド;4-(4-メトキシフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ブタンアミド;2-(3-メトキシフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2イル)アセトアミド;2-(4-フルオロフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)プロパンアミド;2-(3-メチルフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)アセトアミド;1-ベンジル-3-ナフタレン-1-イル-ウレアまたは1-ベンジル[1,3]ジオキソール-5-イル-3-ベンジル-ウレア;およびそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される、本発明1001〜1004のいずれかの方法。
[本発明1006]
GSK3経路阻害物質の濃度が、約0.05μM〜約50μMである、本発明1001〜1005のいずれかの方法。
[本発明1007]
cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物が、アデニリルシクラーゼの活性化物質である、本発明1001〜1006のいずれかの方法。
[本発明1008]
cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物が、フォルスコリン;フォルスコリン誘導体およびアナログ;cAMPの非加水分解性アナログ;イソプロテレノール(isoprotenol);血管作動性腸管ペプチド;カルシウムイオノフォア;膜脱分極;cAMPを刺激するマクロファージ由来因子;マクロファージの活性化を刺激する作用物質;ホスホジエステラーゼ阻害物質;下垂体アデニル酸シクラーゼ活性化ペプチド(PACAP);コレラ毒素;プロスタグランジン化合物;ベータ2-アドレナリン受容体アゴニスト;およびそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される、本発明1001〜1007のいずれかの方法。
[本発明1009]
cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物の濃度が、約0.1μM〜約500μMである、本発明1001〜1008のいずれかの方法。
[本発明1010]
FGF経路活性物質が、ホスファチジルイノシチド 3-キナーゼ(PI3K)PI3K活性化物質である、本発明1001〜1009のいずれかの方法。
[本発明1011]
FGF経路活性化物質が、線維芽細胞成長因子(bFGF、FGF2またはFGF-β);TGFα;TGFβ;EGF;NGF;Akt活性化物質;ニコチン;カルバコール;4-(メチルニトロソアミノ)-1-(3-ピリジル)-1-ブタノン(NNK);アドレノメデュリン;リゾホスファチジン酸;血小板活性化因子;マクロファージ刺激因子;スフィンゴシン-1-リン酸;インスリンおよびインスリン成長因子-1;血小板由来成長因子;ならびにそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される、本発明1001〜1000のいずれかの方法。
[本発明1012]
FGF経路活性化物質の濃度が、約0.25 ng/ml〜約100 ng/mlである、本発明1001〜1011のいずれかの方法。
[本発明1013]
GSK3経路阻害物質がBIOであり、3',5'-環状アデノシン一リン酸の細胞内レベルを増加させる化合物がフォルスコリンであり、かつFGF経路活性化物質がbFGFである、本発明1001〜1012のいずれかの方法。
[本発明1014]
筋原細胞が、骨格筋形成系譜の細胞である、本発明1001〜1013のいずれかの方法。
[本発明1015]
筋原細胞が、Pax3、Pax7、MyoD、Myf5、ミオゲニン、GATA2、MHCおよびそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される細胞マーカーを発現する、本発明1001〜1014のいずれかの方法。
[本発明1016]
筋原細胞が、中胚葉細胞である、本発明1001〜1015のいずれかの方法。
[本発明1017]
接触の前に幹細胞から胚様体を形成する工程をさらに含む、本発明1001〜1016のいずれかの方法。
[本発明1018]
接触が、少なくとも1日間行われる、本発明1001〜1017のいずれかの方法。
[本発明1019]
幹細胞が、損傷した筋組織または筋肉量の増加の処置を必要とする対象由来である、本発明1001〜1018のいずれかの方法。
[本発明1020]
損傷した筋組織が、身体的受傷または事故、疾患、感染、酷使、血液循環の喪失または筋萎縮もしくは筋消耗の結果である、本発明1019の方法。
[本発明1021]
本発明1001〜1020のいずれかの方法にしたがい生成される筋原細胞。
[本発明1022]
本発明1001〜1020のいずれかの方法のいずれかにしたがい生成される筋原細胞および薬学的に許容される担体を含む薬学的組成物。
[本発明1023]
(i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質、の少なくとも2つを含む、組成物。
[本発明1024]
GSK3経路阻害物質、3',5'-環状アデノシン一リン酸の細胞内レベルを増加させる化合物およびFGF経路活性化物質を含む、本発明1023の組成物。
[本発明1025]
幹細胞をさらに含む、本発明1023または1024の組成物。
[本発明1026]
(i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)bFGF経路活性化物質、の少なくとも2つを含む、細胞培養培地。
[本発明1027]
GSK3経路阻害物質、3',5'-環状アデノシン一リン酸の細胞内レベルを増加させる化合物およびFGF経路活性化物質を含む、本発明1026の細胞培養培地。
[本発明1028]
多能性幹細胞をさらに含む、本発明1006または1027の細胞培養培地。
[本発明1029]
(i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質、の少なくとも2つを含む、多能性細胞から骨格筋前駆細胞への分化を誘導するための試薬キット。
[本発明1030]
GSK3経路阻害物質、3',5'-環状アデノシン一リン酸の細胞内レベルを増加させる化合物およびFGF経路活性化物質を含む、本発明1029のキット。
[本発明1031]
幹細胞をさらに含む、本発明1029または1030のキット。
[本発明1032]
3',5'-環状アデノシン一リン酸の細胞内レベルを増加させる化合物の存在下で衛星細胞を培養する工程を含む、衛星細胞の増殖を増加させる方法。
[本発明1033]
該化合物がアデニリルシクラーゼの活性化物質である、本発明1032の方法。
[本発明1034]
該化合物が、フォルスコリン;フォルスコリン誘導体およびアナログ;cAMPの非加水分解性アナログ;イソプロテレノール;血管作動性腸管ペプチド;カルシウムイオノフォア;膜脱分極;cAMPを刺激するマクロファージ由来因子;マクロファージの活性化を刺激する作用物質;ホスホジエステラーゼ阻害物質;下垂体アデニル酸シクラーゼ活性化ペプチド(PACAP);コレラ毒素;プロスタグランジン化合物;ベータ2-アドレナリン受容体アゴニスト;およびそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される、本発明1032または1033の方法。
[本発明1035]
該化合物の濃度が、約0.01nM〜約100μMである、本発明1032〜1034のいずれかの方法。
[本発明1036]
接触が少なくとも1日間である、本発明1032〜1035のいずれかの方法。
[本発明1037]
衛星細胞が、損傷した筋組織または筋肉量の増加の処置を必要とする対象由来である、本発明1032〜1036のいずれかの方法。
[本発明1038]
損傷した筋組織が、身体的受傷または事故、疾患、感染、酷使、血液循環の喪失または筋萎縮もしくは筋消耗の結果である、本発明1037の方法。
[本発明1039]
本発明1032〜1038のいずれかの方法により生成される衛星細胞。
[本発明1040]
本発明1032〜1038のいずれかの方法により生成される衛星細胞および薬学的に許容される担体を含む薬学的組成物。
[本発明1041]
本発明1032〜1038のいずれかの方法にしたがい生成される衛星細胞を対象に植え込む工程を含む、対象に衛星細胞を移植する方法。
[本発明1042]
本発明1001〜1020のいずれかの方法にしたがい生成される筋原細胞を対象に植え込む工程を含む、対象に筋原細胞を移植する方法。
[本発明1043]
対象が、損傷した筋組織または筋肉量の増加の処置を必要としている、本発明1041または1042の方法。
[本発明1044]
損傷した筋組織または筋肉量の増加のために対象を処置する方法であって、それを必要とする対象に、(i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質、の少なくとも2つを共投与する工程を含む、方法。
[本発明1045]
スクリーニングアッセイであって、試験化合物の存在下で割球を培養する工程であって、割球がレポーター遺伝子を含み、レポーター遺伝子が細胞系譜特異的マーカーをコードしておりかつ発現されたときに検出可能なシグナルを生成する、工程;および検出可能なシグナルを測定/検出する工程であって、検出可能なシグナルのレベルまたは量の変化が、試験化合物が細胞系譜特異的マーカーを発現する細胞系譜の発生または機能を調整することを示す、工程、を含む、スクリーニングアッセイ。
[本発明1046]
レポーター遺伝子が、蛍光タンパク質に融合された細胞系譜特異的マーカーを含む融合タンパク質をコードする、本発明1045のスクリーニングアッセイ。
[本発明1047]
割球が2つの異なるレポーター遺伝子を含み、各レポーター遺伝子が異なる細胞系譜特異的マーカーをコードしておりかつ発現されたときに検出可能なシグナルを生成する、本発明1045または1046のスクリーニングアッセイ。
[本発明1048]
割球が、ゼブラフィッシュの割球である、本発明1045〜1047のいずれかのスクリーニングアッセイ。
[本発明1049]
試験化合物が、有機または無機低分子;サッカリン;オリゴ糖;多糖;ペプチド;タンパク質;ペプチドアナログおよび誘導体;ペプチド模倣体;核酸;核酸アナログおよび誘導体;生物材料から得られる抽出物;動物組織;天然に存在するまたは合成性の組成物;ならびにそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される、本発明1045〜1048のいずれかのスクリーニングアッセイ。
[本発明1050]
試験化合物が、0.01nm〜約10mMの最終濃度でインキュベートされる、本発明1045〜1049のいずれかのスクリーニングアッセイ。
[本発明1051]
高スループットスクリーニング(HTS)アッセイである、本発明1045〜1040のいずれかのスクリーニングアッセイ。
[本発明1052]
本発明1045〜1051のいずれかのスクリーニングアッセイによって選択される化合物。
本開示は、一部、幹細胞を遺伝子操作なしに骨格筋細胞に分化するよう誘導することができるという本発明者らの驚くべき予想外の発見に基いている。したがって、1つの局面において、幹細胞から筋原細胞への分化を誘導する方法が、本明細書に提供される。概して、この方法は、幹細胞と、(i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質の少なくとも2つを接触させる工程を含む。非限定的に、接触させる幹細胞は、インビトロ、エクスビボまたはインビボであり得る。
本明細書で使用される場合、「GSK3経路の阻害物質」は、GSK3経路の少なくとも1つの成分の活性を阻害することができる化合物および組成物を表す。GSK3経路の定義および詳細は、当技術分野で、例えばBiondi R.M. and Nebreda A.R. Biochem J. 372, 1-13 (2003); Jope R.S. and Johnson G.V. Trends Biochem Sci. 29, 95-102 (2004); and Polakis P. Curr. Biol. 12, R499-R501 (2002)に開示されており、これらすべての内容の全体が参照により本明細書に組み入れられる。
いくつかの態様において、cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物は、アデニリルシクラーゼの活性化物質である。アデニリルシクラーゼは、ATPから3',5'-環状AMP(cAMP)およびピロホスフェートへの変換を触媒する。通常、2価カチオン(通常Mg)が必要とされ、その酵素メカニズムに深く関与しているようである。アデニリルシクラーゼによって生成されたcAMPはその後、転写因子または他の酵素(例えば、cAMP依存性キナーゼ)のいずれかである特異的なcAMP結合タンパク質を介する調節シグナルとして機能する。
本明細書で使用される場合、「FGF経路活性化物質」は、FGF経路の少なくとも1つの成分の活性を増加または増強することができる化合物または組成物を表す。FGF経路の定義および詳細は、当技術分野で、例えばLee P.L. et al., Science. 245, 57-60 (1989); Mignatti P. et al., J. Cell Physiol. 151, 81-93 (1992); Miki T. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 89, 246-250 (1992); Gringel S. et al., J. Biol. Chem. 385, 1203-1208 (2004); Ornitz D. M. and Ioth, N. Genome Biol. 2, 1-12 (2001); Sorensen V. et al., Bioessays. 28, 504-514 (2006); Coulson E. J. Prog. Brain Res. 146, 41-62 (2004); Huang E. J. and Reichardt L. F. Annu. Rev. Biochem. 72, 609-642 (2003); Miller F. D. and Kaplan D. R. Cell Mol. Life Sci. 58, 1045-1053 (2001); およびRabizadeh S. and Bredesen D. E. Cytokine Growth Factor Rev. 14, 225-239 (2003)に開示されており、これらすべての内容の全体が参照により本明細書に組み入れられる。
1つの局面において、本開示は、衛星細胞の増殖を誘導、増強または増加させる方法を提供する。この方法は、衛星細胞を、3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物と接触させる工程を含む。接触させる衛星細胞は、インビトロ、エクスビボまたはインビボであり得る。cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物は、本明細書の他箇所に記載されている。
1つの局面において、本明細書には、(i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質、の少なくとも2つを含む、幹細胞から筋原細胞への分化を誘導するための組成物が提供される。
1つの局面において、本明細書には、(i)(a)GSK3経路阻害物質;(b)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(c)FGF経路活性化物質、の少なくとも2つ;ならびに(ii)使用説明書を含む、多能性幹細胞から骨格筋細胞への分化を誘導するための試薬キットが提供される。いくつかの態様において、キットは、GSK3経路阻害物質、3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;およびFGF経路活性化物質を含む。
1つの局面において、本明細書には、割球細胞、例えばゼブラフィッシュ割球において化学化合物または組成物をスクリーニングするための方法が提供される。この開示の態様は、臓器発生モジュレーターをスクリーニングするためのシステムを提供する。より詳細に、本開示は、臓器の発生および機能に影響するモジュレーターのための、高スループットスクリーニングを含む、スクリーニングを提供する。いくつかの態様において、スクリーニングアッセイは、ゼブラフィッシュ割球を利用する。
利便性を考慮して、本願の、詳細な説明、実施例および添付の特許請求の範囲で用いられている特定の用語をここにまとめる。そうでないことが示されていない限り、またはそれが文脈から暗示されていない限り、以下の用語およびフレーズは以下に提供される意味を含んでいる。そうでないことが明示的に示されていない限り、またはそれが文脈から明白でない限り、以下の用語およびフレーズは、その用語またはフレーズがそれらの属する技術分野において獲得している意味を排除しない。これらの定義は、個々の態様の説明を補助するために提供されるものであり、特許請求の範囲に記載の発明を限定することは意図されておらず、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定される。さらに、そうでないことが文脈によって必要とされない限り、単数形の用語はその複数形を包含し、複数形の用語はその単数形を包含している。
衛星細胞のエクスビボ拡大培養および多能性細胞の成熟骨格筋への定向分化は、再生生物学における困難な挑戦であると言われている。初期および後期骨格筋分化のレポーターを含むゼブラフィッシュ胚培養システムを用いて、我々は、2,400個の化学物質の筋形成に対する影響を試験し、3個のGSK3β阻害物質、2個のカルパイン阻害物質および1個のアデニリルシクラーゼ活性化物質フォルスコリンを含む、筋前駆体を拡大培養させる6個を同定した。フォルスコリンはまた、培養下でマウス衛星細胞の増殖を増強し、インビボで生着するそれらの能力を維持した。bFGF、フォルスコリンおよびGSK3β阻害物質BIOの組み合わせは、ヒト人工多能性幹細胞(iPSC)において骨格筋分化を誘導し、インビボで筋肉修復に寄与する生着可能な筋形成前駆体を生成した。遺伝子操作を行わずに衛星細胞を増殖させiPSCを筋肉に分化させるこれらのアプローチの定義は、骨格筋生物学に新しい知見を提供し、代謝および神経筋疾患の新規の治療をもたらし得る。
ゼブラフィッシュの世話およびトランスジェニック系:myf5-GFP;mylz2-mCherry2重トランスジェニック系を、標準的なゼブラフィッシュ飼育法(Westerfield, 1995)を用いて飼育および維持した。すべてのゼブラフィッシュ実験および手順を、Children's Hospital Boston Institutional Animal Care and Use Committeeの承認の下で行った。
骨格筋発生を試験するためのゼブラフィッシュ胚培養システム:筋形成の特異化に関与する因子をスクリーニングするためのプラットフォームを開発するため、我々は、骨格筋形成の異なる発生状態を区別することができる蛍光「レポーターフィッシュ」を構築することを模索した。ゼブラフィッシュの原腸形成時に、中胚葉前駆体は、退縮および収斂伸長運動を起こし、筋形成を開始する。筋形成の拘束は、myoDおよびmyf5の発現によって示され(Weinberg et al., 1996)、これらは機能的に冗長であり、最初期の筋形成前駆体において重複した発現を示す(Hinits et al., 2009)。これらの前駆体の最終分化は、速骨格筋において見られるミオシン軽鎖ポリペプチド2(mylz2)等の筋特異的構造タンパク質をコードする遺伝子を発現する細胞を生じる(Ju et al., 2003)。ゼブラフィッシュ胚において骨格筋細胞の異なる発生状態を標識するため、我々は、myf5-GFP;mylz2-mCherry 2重トランスジェニックゼブラフィッシュ系を作製した。その11体節期において、myf5-GFP発現は、新たに形成される体節に限定され、mylz2-mCherry発現は検出されなかった(図1A)。mylz2-mCherryの発現は受精30時間後(hpf)に前方体節において最初に検出され、その後に後方体節へと広がっていった(図1A)。これらのデータは、myf5-GFPおよびmylz2-mCherryの発現が、それらの対応する内因性遺伝子の発現パターン(Thisse et al., 2001)を再現すること、したがって胚発生時の筋形成の特異化および進行を追跡する有用な代理を提供することを示している。ゼブラフィッシュ割球細胞がインビトロで筋肉を形成することができるかどうかを試験するため、我々は、その楕円期でmyf5-GFP;mylz2-mCherry胚を解体し、それらをゼラチンコート皿にプレーティングした。細胞をゼブラフィッシュESC(zESC)培地中で培養すると(Fan and Collodi, 2006)、1〜10%がGFP陽性となり、それによってmyf5発現の上方調節が示された。GFP陽性細胞の中で、1〜5%はまたmCherry(mylz2)陽性であり、これによって我々のインビトロシステムにおいて筋形成の特異化および分化が起こったことが示唆された(図1B)。
表1は、具体的にはmylz2-mCherry発現の減少によって同定される化学物質を列挙している。この表現型は、おそらく筋前駆体分化のブロックに起因するものである。我々は、生物学的に既知の化学物質を含む化学物質ライブラリを使用した。化学物質が標的とする経路が右側に列挙されている。
表2は、myf5-GFPおよびmylz2-mCherrzの両方の発現の減少によって同定される化学物質を列挙している。この表現型は、おそらく骨格筋前駆体形成のブロックに起因するものである。我々は、生物学的に既知の化学物質を含む化学物質ライブラリを使用した。化学物質が標的とする経路が中央に列挙されている。そのヒットがインビボで機能するかどうかを試験するため、発生期の胚を個々の化学物質で処置し、myoD発現についてアッセイした。これらのヒットの3分の2が、異なるレベルのmyoD染色の低下を示し、これが図9Aに示されている。これらの染色結果が3番目のカラムに列挙されている。
本研究において、我々は、筋形成前駆細胞の特異化および増殖を制御する保存された機構を明らかにするために、ゼブラフィッシュにおいて利用可能な化学遺伝的アプローチを活用した。このプロセスによって、我々は、マウス衛星細胞の増殖を促進し、ヒトiPSCの筋形成分化を特異化する新しいアプローチを定義した。多くの以前の研究は、発生および疾患を調査するために、ゼブラフィッシュの全胚における化学遺伝学を用いていたが、このアプローチは、胚の手作業による操作を必要とし、かつしばしば時間のかかるホールマウントインサイチューハイブリダイゼーションによる読み取りを必要とする。いくつかの研究所は高速ピペッティングおよび画像化を用いて全胚をスクリーニングしたが、このアプローチは胚の3次元構造のために非常に困難である。ゼブラフィッシュの全胚を用いるスクリーニングと比較して、本明細書に記載される培養物ベースのスクリーニングシステムは、6分の1の時間しか要さず、かつ10分の1の胚しか使用しない。そのようなスループットは、非常に大きな化学ライブラリのスクリーニングを可能にし、哺乳動物細胞株における従来的な化学スクリーニングの速度を高速化する。インビボで特定の細胞型を標識することが知られている蛍光レポーターを有するトランスジェニックゼブラフィッシュを使用することができ、そして画像をイメージングサイトメーターによって自動的に読み込み保存することができるため、細胞を直ちに固定またはスコア付けする必要がない。最近、我々の胚培養システムに対して一定の類似性を有するゼブラフィッシュ外植片システムが、血管新生前駆体を拡大培養することができる化合物を同定した(Huang et al., 2012)。我々のシステムは、異なる色のレポーターの組み合わせにより、複数の異なる発生状態または系譜を同時に調査することができる。
Claims (26)
- 幹細胞の筋原細胞への分化を誘導する方法であって、(i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質の存在下で幹細胞を培養する工程を含む方法であり、
幹細胞が、人工多能性幹(iPS)細胞、胚性幹(ES)細胞、または多分化能性幹細胞であり、
cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物がフォルスコリンであり、ならびに
FGF経路活性化物質が塩基性線維芽細胞成長因子(bFGF)である、方法。 - 幹細胞が、人工多能性幹(iPS)細胞である、請求項1記載の方法。
- GSK3経路阻害物質が、GSK3β阻害物質である、請求項1または2記載の方法。
- GSK3経路阻害物質の濃度が、約0.05μM〜約50μMである、請求項1〜3のいずれか一項記載の方法。
- cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物の濃度が、約0.1μM〜約500μMである、請求項1〜4のいずれか一項記載の方法。
- FGF経路活性化物質の濃度が、約0.25 ng/ml〜約100 ng/mlである、請求項1〜5のいずれか一項記載の方法。
- 筋原細胞が、骨格筋形成系譜の細胞である、請求項1〜6のいずれか一項記載の方法。
- 筋原細胞が、Pax3、Pax7、MyoD、Myf5、ミオゲニン、GATA2、MHCおよびそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される細胞マーカーを発現する、請求項1〜7のいずれか一項記載の方法。
- 筋原細胞が、中胚葉細胞である、請求項1〜8のいずれか一項記載の方法。
- 接触の前に幹細胞から胚様体を形成する工程をさらに含む、請求項1〜9のいずれか一項記載の方法。
- 接触が、少なくとも1日間行われる、請求項1〜10のいずれか一項記載の方法。
- 幹細胞が、損傷した筋組織または筋肉量の増加の処置を必要とする対象由来である、請求項1〜11のいずれか一項記載の方法。
- 損傷した筋組織が、身体的受傷または事故、疾患、感染、酷使、血液循環の喪失または筋萎縮もしくは筋消耗の結果である、請求項12記載の方法。
- GSK3経路阻害物質がGSK3β阻害物質である、請求項1〜13のいずれか一項記載の方法。
- GSK3経路阻害物質が、6-ブロモインジルビン-3'-オキシム(BIO)、CHIR98014;CHIR99021;ARA014418;ヒメニアルジシン(hymenialdisine);フラボピリドール;アロイジンA;アロイジンB;CT20026;SU9516;スタウロスポリン;GF109203x;RO318220;SB216763;SB415286;I5;CGP60474;ケンパウロン(9-ブロモパウロン);アルスターパウロン;2-シアノエチル-アルスターパウロン;1-アザ-アルスターパウロン;1-アザ-ケンパウロン;9-シアノ-2,3-ジメトキシパウロン;2-ヨードパウロン;2-ブロモ-9-ニトロパウロン;2,3-ジメトキシ-9-ニトロパウロン;7-ブロモ-5-(4-ニトロフェニルヒドラゾノ)-4,5-ジヒドロ-1-H-[1]ベンゾアゼピン2(3H)-オン;7,8-ジメトキシ-5-(4-ニトロフェニルヒドラゾノ)-4,5ジヒドロ-1H-[1]ベンゾアゼピン-2-(3H)-オン;9-シアノパウロン;9-クロロパウロン;9-トリフルオロメチルパウロン;2,3-ジメトキシ-9-トリフルオロメチルパウロン;9-ブロモ-12-メチルオキシカルボニルメチルパウロン;9-フルオロパウロン;9-ブロモ-2,3-ジメトキシパウロン;9-ブロモ-2,3-ジメトキシパウロン;9-メチルパウロン;10-ブロモパウロン;2-ブロモパウロン;11-クロロパウロン;2-(3-ヒドロキシ-1-プロピニル)-9-トリフルオロメチルパウロン;9-ブロモ-12-(2-ヒドロキシエチル)-パウロン;ケンパウロン;アルスターパウロン;2-シアノエチル-アルスターパウロン;1-アザ-ケンパウロン;1-アザ-アルスターパウロン;9-ブロモ-12-メチルパウロン;9-ブロモ-5-(メチルオキシカルボニルメチル)パウロン;11-メチルパウロン;パウロン;11-エチルパウロン;9-ブロモ-7,12-ジヒドロ-6-(ヒドロキシアミノ)-インドロ[2-3-d][1]ベンゾアゼピン;2,9-ジブロモパウロン;11-ブロモパウロン;2,3-ジメトキシパウロン;9-ブロモ-7,12ジヒドロ-6-メチルチオ-インドロ[2-3-d][1]ベンゾアゼピン;(E)-2(3-オキソ-1-ブテニル)-9-トリフルオロメチルパウロン;9-ブロモ-12エチルパウロン;9-ブロモ-7,12-ジヒドロ-インドロ[2-3-d][1]ベンゾアゼピン-6(5H)-チオン;2-ブロモ-9-トリフルオロメチルパウロン;2-[2-(1-ヒドロキシシクロヘキシル)エチニル]-9-トリフルオロメチル-パウロン;9-ブロモ-5メチルパウロン;9-メトキシパウロン;2-ヨード-9-トリフルオロメチルパウロン;9-ブロモ-12-(tert-ブチルオキシカルボニル)-パウロン;9-ブロモ-12-(2-プロペニル)パウロン;9-ブロモ-4-ヒドロキシパウロン;8,10-ジクロロパウロン;5-ベンジル-9-ブロモパウロン;9-ブロモ-4-メトキシパウロン;9-ブロモ-5-エチルパウロン;9-ブロモ-5,7ビス-(tert-ブチルオキシカルボニル)-パウロン;4-メトキシパウロン;9-ブロモ-5,6,7,12-テトラヒドロベンゾ[6-7]シクロヘプト[1,2.b]インドール;2-フェニル-4-(2-チエニル)-5H-ピリド[2-3d][1]ベンゾアゼピン-6(7H)-チオン;9-ブロモ-5,7,12-トリ-(tert-ブチルオキシカルボニル)-パウロン;9-ブロモ-5,12-ビス-(tert-ブチルオキシカルボニル)パウロン;4-(4-クロロフェニル)-2-(2-ナフチル)-5H-ピリド[23-d][1]ベンゾアゼピン-6(7H)-チオン;5,6,7,12-テトラヒドロベンゾ[6-7]シクロヘプト[1,2-b]インドール;N-ブチル-N'-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ウレア;N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ペンタンアミド;1-{4-アミノ-2-[(4-メトキシフェニル)アミノ]-1,3-チアゾール-5-イル}エタノン;N-ベンジル-N'-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ウレア;N-(4-メトキシベンジル)-N'-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ウレア;3-(4-メトキシフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)プロパンアミド;4-(4-メトキシフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)ブタンアミド;2-(3-メトキシフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2イル)アセトアミド;2-(4-フルオロフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)プロパンアミド;2-(3-メチルフェニル)-N-(5-ニトロ-1,3-チアゾール-2-イル)アセトアミド;1-ベンジル-3-ナフタレン-1-イル-ウレアまたは1-ベンジル[1,3]ジオキソール-5-イル-3-ベンジル-ウレア;およびそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される、請求項1〜14のいずれか一項記載の方法。
- GSK3経路阻害物質がBIOである、請求項1〜15のいずれか一項記載の方法。
- (i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質を含む、組成物であって、
cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物がフォルスコリンであり、かつ
FGF経路活性化物質が塩基性線維芽細胞成長因子(bFGF)である、組成物。 - GSK3経路阻害物質がGSK3β阻害物質である、請求項17記載の組成物。
- 幹細胞をさらに含む、請求項17または18記載の組成物であって、幹細胞が、人工多能性幹(iPS)細胞、胚性幹(ES)細胞、または多分化能性幹細胞である、組成物。
- (i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質を含む、細胞培養培地であって、
cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物がフォルスコリンであり、かつ
FGF経路活性化物質が塩基性線維芽細胞成長因子(bFGF)である、細胞培養培地。 - GSK3経路阻害物質がGSK3β阻害物質である、請求項20記載の細胞培養培地。
- 多能性幹細胞をさらに含む、請求項20または21記載の細胞培養培地。
- (i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質を含む、幹細胞から骨格筋前駆細胞への分化を誘導するための試薬キットであって、
幹細胞が、人工多能性幹(iPS)細胞、胚性幹(ES)細胞、または多分化能性幹細胞であり、
cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物がフォルスコリンであり、ならびに
FGF経路活性化物質が塩基性線維芽細胞成長因子(bFGF)である、試薬キット。 - GSK3経路阻害物質がGSK3β阻害物質である、請求項23記載のキット。
- 幹細胞をさらに含む、請求項23または24記載のキットであって、幹細胞が、人工多能性幹(iPS)細胞、胚性幹(ES)細胞、または多分化能性幹細胞である、キット。
- (i)GSK3経路阻害物質;(ii)3',5'-環状アデノシン一リン酸(cAMP)の細胞内レベルを増加させる化合物;および(iii)FGF経路活性化物質を含む、薬学的組成物であって、
cAMPの細胞内レベルを増加させる化合物がフォルスコリンであり、かつ
FGF経路活性化物質が塩基性線維芽細胞成長因子(bFGF)である、薬学的組成物。
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