間質流を再現した多層小腸様組織の構築

2024-11-12 Tue
微小腸システムの多層組織構築が間質流れを再現研究背景近年、人体小腸のin vitroモデルの構築は著しい進展を遂げていますが、その複雑な構造と機能を完全に再現することは依然として課題です。微小腸組織モデルの目的は、薬物代謝や感染症研究に応用可能な組織システムを作成することですが、従来の方法では小腸の構造の層化と成熟化を実現できていません。研究チームは、胚発生時に血漿循環によって駆動される間質流れが、これらの複雑な構造を形成する鍵となる要素かもしれないと仮定しました。このプロセスをより適切に模倣するため、出口佐也香教授らは人間多能性幹細胞（pluripotent stem cells, PSCs）を利用し、微流体装置で間質流れを再現することで、人間胎児の小腸に類似した多層組織を構築しました。
研究出所この研究は、京都大学CiRA（誘導多能性幹細胞応用センター）の出口佐也香教授と高山和夫教授によって共同主導され、著者チームには京都大学、立命館大学、日本医療研究開発機構など多くの単位の研究者が参加し、その成果は《Cell Stem Cell》誌の2024年9月5日号に発表されました。
研究プロセス研究設計と方法本研究ではPSCsを研究対象とし、微流体技術を利用して特定の条件下でPSCsを小腸上皮および非上皮細胞に分化誘導しました。主要なプロセスは以下の通りです：
PSCsの分化：まず、多孔性微流体装置の上部に分化したPSCsを注入し、一連の因子（Activin A、FGF2など）による処理を行い、小腸上皮および非上皮細胞に分化させました。
間質流れの模倣：微流体装置の底部チャンネルで特定の低速で培養液をゆっくり流し、血漿循環による間質流れを模倣しました。数値シミュレーションにより、この流れの速度は非常に低く、ほとんど剪断流動の特性がないことが示され、小腸組織の自己組織化形成を効果的に促進しました。
組織構築：5日から24日の期間中に底部チャンネルの培養液の流れを維持し、その間に上皮細胞が次第に小腸絨毛に類似した三次元構造を形成し、基底側には間質層が整列し、多層組織を徐々に構築しました。
新型実験装置研究チームは新型の微流体装置を設計しました。この装置は2層のチャンネルで構成され、ポリエチレンテレフタレート膜で仕切られており、上層の細胞培養環境と下層の間質流れが分離されています。体内の間質流れ環境を模倣するために使用されました。さらに、チームは数値シミュレーションを通じて底部チャンネルの流速を最適化し、ほとんど剪断のない流れを実現し、PSCsの組織自己組織化プロセスを効果的に促進しました。
研究結果多層小腸組織の生成実験分析を通じて、研究チームは人間胎児の小腸に類似した組織構造、上皮細胞の層構造、および基底側に位置する間質層を成功裏に生成しました。具体的には：
上皮細胞の極性と層化：流動条件下で生成された上皮細胞は細胞極性を獲得し、小腸特有の絨毛状構造を形成しました。Goblet細胞およびPaneth細胞などの細胞タイプが表現されました。
間質層の整列：静的条件と比較して、流動条件下の間質細胞は基底側に整列構造を形成し、免疫染色および質量分析を通じて間質層の成熟度を検証しました。
多様な細胞タイプの分布：単一細胞RNAシークエンス分析により、生成された小腸組織には平滑筋細胞、線維芽細胞など多様な細胞タイプが含まれ、その組成割合が胎児小腸組織に類似していることが確認されました。
実験データサポート遺伝子とタンパク質発現の解析：qPCRとプロテオミクス分析により、間質流動環境下では小腸特定のマーカーの発現量が顕著に増加したことが示されました。これには、Villin、Sucrase-Isomaltaseなどの小腸上皮マーカーが含まれます。
透過率テスト：薬物の吸収およびウイルス感染の応用に向けて、研究チームはFITC標識のデキストランを用いて組織の透過率を検査しました。その結果、間質流動環境下の組織はより高いバリア機能を備えていることが示されました。
薬物代謝酵素活性：流動条件下で、組織中の細胞はより高い薬物代謝酵素（CYP、UGT、SULTなど）の活性を示し、このモデルが薬物代謝研究において有望であることをさらに証明しました。
ウイルス感染モデルの応用研究チームは、このモデルにおける人間コロナウイルス-229Eの感染反応をテストしました。実験結果では、ウイルスの頂端からの感染の効率が基底端からの感染よりも著しく高いことが示されました。また、流動条件下では細胞がより高いANPEP（コロナウイルス受容体）の発現を示し、これは上皮表面の頂端に集中していることが確認されました。これにより、このモデルが人体小腸のウイルス感染メカニズムに近いことを示しています。
研究結論と価値この微小腸システムは、多層小腸組織の三次元構造を成功裡に再現しただけでなく、上皮極性と機能的成熟を実現しました。薬物代謝および感染症研究において広範な応用の可能性があり、小腸バリア機能、薬物吸収と代謝、腸内感染の分子的メカニズム研究に利用できます。また、このモデルの構造と細胞組成は胎児小腸組織に類似しており、小腸の発育過程を探索するための重要なツールを提供します。
研究の特徴革新的な微流体装置：間質流れを模倣することで、小腸組織の成熟化と多層構造構築を促進する、既存の腸モデルでは実現できない成果。
多層組織構造：このシステムは小腸の多層構造を再現し、in vitro小腸組織モデルの新標準を提供。
広範な応用可能性：薬物代謝研究、腸内感染研究に適用可能で、ヒト腸疾患研究における動物モデルの代替として役立つ。
総括と展望出口教授チームが開発した微小腸システムは、人間小腸の多層構造を成功裏に再現し、薬物代謝および感染研究の新たな道を開きました。今後、研究チームはこのシステムをさらに最適化し、より長期間の培養周期と異なる流動条件を用いて小腸組織の成熟度を高め、小腸発育研究および人間疾患モデルにおいてさらに大きな役割を果たせるようにする計画です。