【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】24240069 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体材料 / トランスレーショナルリサーチ / 人工骨 / 再生 / 骨 / バイオマテリアル / シグナル分子 / 低分子化合物

【研究成果の概要】

骨が欠損・変形した際の治療に使う、人工骨の必要が高まっているが、その機能を高めるために、骨を形成するのに必要なシグナルネットワークを明らかにし、組み合わせることとした。その結果、試験管の中で、血清もタンパク質も遺伝子も用いず、4つの低分子化合物だけで骨の細胞をインビトロで誘導することに成功した。この化合物を人工の骨に搭載してその放出を制御し、骨が欠損した動物モデルに投与することで、短期間で治療効果を出すことに成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2016-03-31

【配分額】46,280千円 (直接経費: 35,600千円、間接経費: 10,680千円)

【研究分野】整形外科学

【研究領域課題番号】15390452 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

胚性幹(ES)細胞 / 骨分化 / 軟骨分化 / 分化十分条件 / 培養方法 / 再生医学 / 骨 / 軟骨 / 再生 / 胚性幹細胞 / 分化誘導 / 幹細胞 / 胚性幹細胞(ES)

【研究成果の概要】

ラットI型コラーゲン遺伝子プロモーター下流にGFPを付けたトランスジーンを発現するマウス、マウスII型コラーゲン遺伝子プロモーター下流にGFPを付けたトランスジーンを発現するマウスを、それぞれ野生型のマウスと交配させて胚盤胞を分離し、そこからES細胞を樹立した。また、上記トランスジーンを発現するレトロウイルスを作成し、これを野生型ES細胞に感染させて株を樹立した。これらのES細胞は、骨芽および軟骨細胞に分化したときにのみ蛍光を発するので、分化誘導因子のスクリーニングに細胞センサーとして利用した。骨芽分化誘導因子としては、BMP受容体、Hhのシグナル伝達分子であるSmo、Wntの転写因子であるLEF-1、Runx2の発現アデノウイルスを作成し、上記ES細胞センサーに網羅的に組み合わせて加え、Runx2とBMPシグナルの組み合わせが相乗的に強力に骨芽細胞分化を誘導することを見出した。軟骨分化誘導因子としては、BMPおよびSoxシグナル伝達系をES細胞センサーに加え、Sox9と、Sox5あるいはSox6の組み合わせが強力に軟骨分化を誘導することを見出した。これらの実験により、骨芽あるいは軟骨細胞分化誘導のシグナルの最適化を行った。
また、樹立したES細胞を、最適条件で分化させることなく、平面培養で増殖させるための至適条件(継代のタイミングと、コロニーサイズ)を決定した。さらに将来ヒトES細胞を使うことを睨んで、カニクイザルのES細胞を購入し、これを用いて培養・分化方法について経験を積んだ。
上記のごとく決定した至適条件で分化した骨芽様細胞および軟骨様細胞を、それぞれアテロコラーゲンフィルム上に播種して培養し、十分な基質をつくらせ、基質の石灰化及び、トルイジンブルー染色でのメタクロマジーを確認した。このシートを骨・軟骨欠損モデルマウスの欠損部に移植し、移植後1〜4ヵ月後に麻酔後屠殺し、移植部分を組織学的、免疫組織学的に観察したところ、骨欠損のマウスにおいては、良好な再生誘導が見られたが、軟骨欠損に関しては、有意な治癒効果が見られなかった。この原因としては、軟骨分化誘導刺激がまだ十分に最適化されていない可能性が考えられ、今後他のシグナル経路との組み合わせを考慮してスクリーニングしていく予定である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】14,700千円 (直接経費: 14,700千円)

【研究分野】整形外科学

【研究領域課題番号】11470301 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

インスリン / IGF / IRS / 骨 / 軟骨 / 再生 / 骨粗鬆症 / 骨折 / 骨再生 / 骨芽細胞 / 破骨細胞 / IRS-1,-2 / IGF-I

【研究成果の概要】

インスリンは骨・軟骨組織における重要な同化因子であり、後縦靭帯骨化症患者の骨化傾向に血中のインスリンレベルが重要な役割を果たしていることが明らかとなった(J Bone Joint Surg Am 83:1537-1544,2001)。インスリンとIGF-Iの受容体キナーゼ共通の基質であるインスリン受容体基質(IRS-1,IRS-2)はこれらの細胞内情報伝達に必須の分子である。我々は既に、IRS-1欠損マウスの検討によりIRS-1シグナルが骨代謝回転の維持に必須であることを報告した(J Clin Invest105:935-943,2000)。また、IRS-1欠損マウスの骨折治癒は野生型マウスに比べて明らかに抑制されており、IRS-1は骨再生にも重要であることが明らかになった。一方、IRS-2欠損マウスは骨形成の低下と骨吸収の亢進というuncoupling状態を呈した。これは、IRS-2シグナルが骨芽細胞においてその骨形成促進作用を亢進させる一方、RANKL発現を抑制することにより、骨形成作用が骨吸収作用を上回るようにバランス維持に働いているためであるためであることが明らかとなった。この両シグナルの総和として、インスリン/IGF-1による骨代謝に対する強力な同化作用が実現されていることが示された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】12,400千円 (直接経費: 12,400千円)