微流体システムに基づく体節発生モデルの研究

背景と研究動機

体節の形成は脊椎動物の胚発生で極めて重要な役割を果たし、特に胚の筋骨格系のレイアウトと機能に決定的な影響を及ぼします。体節の発生は主に、両側の原節中胚葉（presomitic mesoderm, PSM）が頭尾方向に段階的に分節し、対称の上皮体節を形成する過程によります。このプロセスにおいて、生化学的シグナル（例えば、線維芽細胞増殖因子FGFやレチノイン酸RAなど）の勾配変化や生物力学的な影響が非常に重要です。しかし、既存の多くの体節発生モデルは懸濁培養を採用しており、生化学勾配や力学信号の精確な制御が困難であり、複雑な生化学-生物力学の相互作用の研究を制限しています。

この背景から、ミシガン大学とハーバード大学の研究チームが共同で研究を行い、微流体装置を用いてヒト多能性幹細胞（hPSC）由来のPSM組織モデルを構築し、このモデルに外因性生化学勾配を導入することで、体節発生の空間パターン制御を実現しました。研究チームはこのモデルを用いて、生物力学が体節形成において調整する役割を系統的に考察し、力学モデルに基づく体節サイズ制御の尺度律を提案し、細胞間接着、力の生成、上皮-間質転換などの力学的調整要因が体節発生において果たす役割を明らかにしました。この研究成果は《Cell Stem Cell》誌に発表され、体節発生研究の重要な進展を示しています。

研究プロセスと方法

1. 体節モデルの構築と微流体装置の設計

研究チームはPDMS（ポリジメチルシロキサン）を基材とした微流体装置を設計しました。この装置には三つのチャンネルが含まれ、中間チャンネルの底部に複数の微細溝が設けられ、hPSC由来のPSM組織を位置決めし制限することで、体節形成の力学的境界条件を模倣します。異なる貯液槽にFGF、RA、Wntなどのシグナル分子を加え、それらが受動的拡散によってPSM組織内に安定した生化学勾配を形成させます。蛍光標識を用いた拡散試験により、約36時間内に勾配が安定して形成されることが確認されました。

2. 体節形成のリアルタイムイメージングとマーカー検出

蛍光顕微鏡イメージング技術を用いて、研究者は体節の形成過程を追跡し、モデル内での体節の分節を頭から尾にかけて観察しました。免疫蛍光染色技術により、体節形成過程でのPax3やTbx6などのマーカーの発現パターンをさらに確認しました。Tbx6は主にPSM領域で発現し、Pax3は形成された体節で発現し、この空間的な発現パターンは時間の進行と共に尾端に向かって拡大します。

3. 生物力学調整の力学モデル

研究中、研究チームは体節形成における生物力学プロセスに基づく力学モデルを構築しました。このモデルでは、PSM頭部領域で細胞が上皮化し体節へ変換する過程で体節原体が徐々に収縮し、ひずみエネルギーを持つ組織境界を形成するとしています。ひずみエネルギーが体節形成に必要な表面エネルギーを超えると、PSMと新しい体節の間で分離が起こり、新たな体節が形成されます。このモデルに基づいて、研究者は尺度律を提案し、体節サイズとPSMの長さとの関係を明らかにしました。

4. 単一細胞トランスクリプトームシークエンス解析

体節形成過程での遺伝子発現の動態を探るため、研究チームは異なる時間点でモデル内の細胞を単一細胞RNAシークエンスで解析しました。結果は、PSM細胞が体節細胞に変換される過程で特定の遺伝子が段階的な調整パターンを示し、例えばTbx6、Foxc2、Pax3などの遺伝子の発現が体節形成中の細胞運命の転換に伴い徐々に変化することを示しています。

5. 体節形成の力学的影響要因のテスト

研究チームはさらに力学的、化学的、遺伝子の撹乱実験を通じて力学調整が体節形成において果たす役割を検証しました。例えば、微流体装置を用いて周期的な引っ張りひずみを加えることで、体節のサイズがひずみの増加に伴い小さくなることを発見しました。さらに、細胞骨格の収縮や細胞間接着を抑制することで、体節形成の効率が著しく低下することを観察し、力学的要因が体節形成において重要であることを示しています。

研究結果

体節形成の生物力学調整

研究結果は、体節発生が生化学と力学的要因によって共同で調整される複雑なプロセスであることを示しています。体節形成モデルを構築し、外因性生化学勾配と力学的制約を導入することで、研究者は体外システムで体節発生の重要なステップを模擬することができました。研究で提案されたひずみエネルギーと表面エネルギーに基づく尺度律は、体節のサイズ調整メカニズムをうまく説明し、マウス、ニワトリ、ゼブラフィッシュなどの動物モデルの体節形成データによって支持されています。

単一細胞RNAシークエンスのトランスクリプトームの動態

単一細胞RNAシークエンスの結果は、PSM細胞が体節細胞に変換される過程で特定の遺伝子発現が細胞分化の進行に伴い顕著な変化を示すことを示します。これらの遺伝子の発現の動態は、体節発生過程における生化学的勾配と細胞運命の分化と密接に関連しており、体節発生における分子メカニズムの深い理解に新しい視点を提供します。

体節形成の力学的および化学的撹乱

研究での力学的介入は、体節形成の領域が応力変化によって調整される可能性があることを発見し、力学的信号が体節のサイズと分節過程において果たす役割を示しています。また、細胞骨格収縮の化学的抑制により、体節の形成が著しく抑制されることを観察し、細胞の収縮力と接着力が体節発生において重要であることを示しています。遺伝子ノックアウト実験は、ある遺伝子（例：Tcf15）が体節の上皮化と境界形成の調整において重要な役割を果たすことをさらに検証しました。

研究の意義

本研究は、微流体システムを用いて体節発生モデルを構築し、人の体節形成過程における重要なステップを体外で模擬することに成功し、脊椎動物の体節発生における生化学-力学相互作用の理解に新しいツールと研究の視点を提供しました。既存の体節モデルと比較して、本研究で提案されたモデルは外因性信号と力学境界をより効果的に制御することができ、研究者が体節発生過程における各影響因子をよりよく分離し、その中の調整メカニズムを深く探索することを容易にします。

この研究は、体節発生における尺度律と生物力学的調整メカニズムを明らかにしただけでなく、今後さらに進んだ体節研究に重要な実験方法を提供します。特に、人の筋骨格系の発育障害や関連疾患のシミュレーション研究において、このモデルは潜在的な応用価値を有しています。将来、より多くの動的信号や四次元イメージング技術を導入することで、体節形成過程の分子および細胞レベルの詳細をさらに明らかにし、人の発育の基本メカニズムを理解するためのより豊富なデータ支援を提供することが期待されます。

まとめ

本研究は、微流体システムを用いて精密に制御された体節発生モデルを成功裏に構築し、体外条件下で人の体節形成の生物力学的プロセスを模擬しました。研究結果は、生化学-力学相互作用が体節発生に対する重要性を支持するだけでなく、新しい尺度律を提示して体節のサイズ調整メカニズムを説明しています。本研究は将来の発生生物学研究において重要な指導的意義を持ち、人の筋骨格系の発育と疾患研究に新たな実験基盤を提供します。