iPS細胞分化誘導技術について

iPS細胞を高速かつ容易に分化させることで、より効率的にヒトの生物学や疾病をモデル化することが可能となり、さまざまな応用に適応することができます。

iPS細胞の可能性

ヒトiPS細胞は、ほぼすべての種類の細胞に変化することができる驚くべき能力を持つことから、医生物学の革命的発展の推進役として期待されています。ヒト体内から少量の体性幹細胞を集める代わりに、iPS細胞から神経細胞、骨格筋細胞、肝細胞などに分化させることで、これまで入手不可能であったヒト細胞の研究が可能になりました。また、ハイスループットスクリーニングや新しい細胞ベースの治療法の開発においては、iPS細胞から遺伝的に同一なヒト細胞を無制限に供給することができます。

さらに、ヒトiPS細胞は動物モデル由来の初代細胞よりも、ヒトの生物学や疾病のより良いモデルを提供出来るため、実験動物の使用を軽減することができます。

Bar graph depicting variations in published differentiation time scales for iPSC differentiation

iPS細胞の課題

一方で、iPS細胞の分化プロセスは技術的に難しく、手間と時間がかかることが判明しました。ヒト生物学の理解や人類の健康の向上において、iPS細胞は多くの科学者が期待していたほどの大きな影響を今だ与えていないのが現状です。実際、さまざまなiPS細胞株を、機能的で、純度の高い細胞集団を安定的に分化させることができる研究室は限られています。

すべての研究室にiPS細胞の可能性をもたらす技術とは?

エリクサジェン・サイエンティフィックが開発したiPS細胞分化技術は、どの研究室でもわずか1~2週間で高速かつ容易にiPS細胞から目的の細胞を作製することが可能で、iPS細胞由来分化細胞のあらゆる利点を生かすことができます。

エリクサジェン・サイエンティフィックのiPS細胞分化技術は、転写因子をmRNAまたはゲノムに挿入しないセンダイウイルスを用いる分化キットとして提供しています。いずれも同等に効率的な手法であり、ゲノムに手を加えることなく、細胞の生理的機能を維持したまま、目的とする組織細胞を確実に作製することができます。

転写因子によるiPS細胞の高速分化

当社技術は、エリクサジェン・サイエンティフィックの創業者および最高科学責任者である洪実(M.D.、Ph.D.)が、米国の国立老化研究所(National Institute on Aging、1998年~2011年)および慶應義塾大学医学部(2012年~現在)で行ってきた20年以上にわたる研究に基づいています。

そのアプローチは非常にシンプルで、特定の転写因子を適切な時期に適切な培地でiPS細胞/ES細胞に導入し、目的の細胞タイプへの分化を促すというものです。エリクサジェン・サイエンティフィックでは、最適な転写因子、最適なタイミング、最適な培地を特定するために最善を尽くしており、蓄積された経験があります。

当社のiPS細胞分化技術確立への歩み

米国国立老化研究所(National Institute on Aging)に所属していた創業者である洪実は、まずマウスES細胞を用いて、転写因子ベースのiPS細胞分化誘導の原理を確立し、実証しました。また、洪実の研究室では多数のマウスES細胞株と遺伝子発現プロファイルを作成、これらはCoriell Cell Repositoryを通じて研究コミュニティに提供されており、現在も広く利用されています。

慶應義塾大学の研究では、この研究をヒトES細胞やiPS細胞にまで拡大しました。これらの技術は、慶應義塾大学からエリクサジェン・サイエンティフィックに独占的にライセンスされています

アプリケーション

iPS細胞由来分化細胞は、3Dバイオプリンティング、毒性・薬剤スクリーニング、精密医療(個別化医療)、組織チップ、疾患モデル、移植治療など、ライフサイエンスのさまざまな分野に応用できる非常に有用な技術です。

3D Bioprinting

バイオエンジニアリングの分野で急速に成長している3Dバイオプリンティングは、細胞を複雑な3次元組織に「プリント」することで、臓器移植の新たな形として期待されています。Elixirgen ScientificのQuick-Tissue™をベースとした細胞とキットは他のどの技術よりも高速で簡単なワークフローを提供するため、3Dバイオプリンティングに理想的なキットです。当社の技術は、現在3Dバイオプリンティングで最も広く使用されている技術の1つである、足場上にプリントされた幹細胞の分化も可能にします。

High-throughput Compound Screening

Elixirgen ScientificのiPS細胞分化技術では、実質的に無制限に同一の機能性を維持した細胞を作製することができるため、不死化した細胞株よりも均質で、再現性の高いハイスループットスクリーニング(HTS)を可能にし、また初代細胞よりも入手が容易で拡張性に優れています。さらに、当社のワークフローは自動化プラットフォームにも対応しており、Quick-Tissue™シリーズは効率的なHTSオペレーションに最適です。

Precision Medicine, Cell-based Therapies

細胞を用いた治療法がより広く普及するためには、カスタムメイドの自家細胞を生産するコストを削減する必要があります。Elixirgen Scientificのキットは、患者特異的のiPS細胞を高速かつ一貫性のある効率的な方法で目的の細胞タイプに分化させることで、これらの研究を加速させます。

Tissue Chips

「組織チップ(Tissue Chips)」や「臓器チップ(organs-on-chips)」は、動物実験よりも人道的で生理学的に適切な方法で薬剤候補の安全性や有効性を試験するために開発されている技術です。Elixirgen ScientificのQuick-Tissue™シリーズのキットは、チップ上で直接行うことができる迅速かつ能率的な分化のワークフローにより、このアプリケーションにとって最適な選択肢となりえます。

Research Models

従来、研究者は、基礎研究、トランスレーショナルリサーチ、応用研究にマウスなどの非ヒト細胞を使用してきました。これは、適切なヒト細胞株がない、あるいはヒトから初代細胞を得ることができないためです。しかし、ヒトES細胞やiPS細胞の登場により、これらの多能性幹細胞は基本的に人体のあらゆる種類の細胞に分化できることから、この状況が大きく変わってきています。Quick-Tissue™シリーズのキットを用いれば、どのラボでもヒトiPS細胞からヒトの生物学や疾病に関する生理学的により適切なモデルを迅速かつ容易に作製することができるようになります。

Transplantation

再生医療では、ヒトES細胞やiPS細胞を目的の細胞に分化させ、その細胞を必要とする患者に移植することが重要なパラダイムの一つとなっています。例えば、筋ジストロフィーの骨格筋、パーキンソン病のドーパミン神経細胞、糖尿病の膵臓β細胞、心不全や心筋梗塞の心筋細胞などが挙げられます。Quick-Tissue™技術は、ヒトES細胞やiPS細胞から目的の細胞タイプを高速に再現性高く、均質に分化させることで、これらのアプローチの開発を可能にしています

関連文献

Nakatake Y, Ko SBH, Sharov AA, Wakabayashi S, Murakami M, Sakota M, Chikazawa N, Ookura C, Sato S, Ito N, Ishikawa-Hirayama M, Mak SS, Jakt LM, Ueno T, Hiratsuka K, Matsushita M, Goparaju SK, Akiyama T, Ishiguro KI, Oda M, Gouda N, Umezawa A, Akutsu H, Nishimura K, Matoba R, Ohara O, Ko MSH.

Generation and Profiling of 2,135 Human ESC Lines for the Systematic Analyses of Cell States Perturbed by Inducing Single Transcription Factors. Cell Rep. 2020 May 19;31(7). PubMed

Akiyama T, Sato S, Chikazawa-Nohtomi N, Soma A, Kimura H, Wakabayashi S, Ko SBH, Ko MSH.

Efficient differentiation of human pluripotent stem cells into skeletal muscle cells by combining RNA-based MYOD1-expression and POU5F1-silencing. Sci Rep. 2018 Jan 19;8(1):1189. PubMed

Matsushita M, Nakatake Y, Arai I, Ibata K, Kohda K, Goparaju SK, Murakami M, Sakota M, Chikazawa-Nohtomi N, Ko SBH, Kanai T, Yuzaki M, Ko MSH.

Neural differentiation of human embryonic stem cells induced by the transgene-mediated overexpression of single transcription factors. Biochem Biophys Res Commun. 2017 Aug 19;490(2):296-301. PubMed

Akiyama T, Wakabayashi S, Soma A, Sato S, Nakatake Y, Oda M, Murakami M, Sakota M, Chikazawa-Nohtomi N, Ko SBH, Ko MSH.

Epigenetic Manipulation Facilitates the Generation of Skeletal Muscle Cells from Pluripotent Stem Cells. Stem Cells Int. 2017;2017:7215010. PubMed

Goparaju SK, Kohda K, Ibata K, Soma A, Nakatake Y, Akiyama T, Wakabayashi S, Matsushita M, Sakota M, Kimura H, Yuzaki M, Ko SB, Ko MS.

Rapid differentiation of human pluripotent stem cells into functional neurons by mRNAs encoding transcription factors. Sci Rep. 2017 Feb 13;7:42367. PubMed

Hirayama M, Ko SB, Kawakita T, Akiyama T, Goparaju SK, Soma A, Nakatake Y, Sakota M, Chikazawa-Nohtomi N, Shimmura S, Tsubota K, Ko MS.

Identification of transcription factors that promote the differentiation of human pluripotent stem cells into lacrimal gland epithelium-like cells. npj Aging and Mechanisms of Disease 2017; 3: 1. PubMed

Akiyama T, Wakabayashi S, Soma A, Sato S, Nakatake Y, Oda M, Murakami M, Sakota M, Chikazawa-Nohtomi N, Ko SB, Ko MS.

Transient ectopic expression of the histone demethylase JMJD3 accelerates the differentiation of human pluripotent stem cells. Development. 2016 Oct 15;143(20):3674-3685. PubMed

Teratani-Ota Y, Yamamizu K, Piao Y, Sharova L, Amano M, Yu H, Schlessinger D, Ko MS, Sharov AA.

Induction of specific neuron types by overexpression of single transcription factors. In Vitro Cell Dev Biol Anim. 2016 Oct;52(9):961-973. PubMed

Yamamizu K, Sharov AA, Piao Y, Amano M, Yu H, Nishiyama A, Dudekula DB, Schlessinger D, Ko MS. (2016).

Generation and gene expression profiling of 48 transcription-factor-inducible mouse embryonic stem cell lines. Sci Rep. 2016 May 6;6:25667. PubMed

Yamamizu K, Piao Y, Sharov AA, Zsiros V, Yu H, Nakazawa K, Schlessinger D, Ko MS.

Identification of transcription factors for lineage-specific ESC differentiation. Stem Cell Reports. 2013 Nov 27;1(6):545-59. PubMed

Nishiyama A, Sharov AA, Piao Y, Amano M, Amano T, Hoang HG, Binder BY, Tapnio R, Bassey U, Malinou JN, Correa-Cerro LS, Yu H, Xin L, Meyers E, Zalzman M, Nakatake Y, Stagg C, Sharova L, Qian Y, Dudekula D, Sheer S, Cadet JS, Hirata T, Yang HT, Goldberg I, Evans MK, Longo DL, Schlessinger D, Ko MS. (2013).

Systematic repression of transcription factors reveals limited patterns of gene expression changes in ES cells. Sci Rep. 2013;3:1390. PubMed

Correa-Cerro LS, Piao Y, Sharov AA, Nishiyama A, Cadet JS, Yu H, Sharova LV, Xin L, Hoang HG, Thomas M, Qian Y, Dudekula DB, Meyers E, Binder BY, Mowrer G, Bassey U, Longo DL, Schlessinger D, Ko MS. (2011).

Generation of mouse ES cell lines engineered for the forced induction of transcription factors. Sci Rep 2011; 1: 167. PubMed

Nishiyama A, Xin L, Sharov AA, Thomas M, Mowrer G, Meyers E, Piao Y, Mehta S, Yee S, Nakatake Y, Stagg C, Sharova L, Correa-Cerro LS, Bassey U, Hoang H, Kim E, Tapnio R, Qian Y, Dudekula D, Zalzman M, Li M, Falco G, Yang HT, Lee SL, Monti M, Stanghellini I, Islam MN, Nagaraja R, Goldberg I, Wang W, Longo DL, Schlessinger D, Ko MS. (2009).

Uncovering early response of gene regulatory networks in ESCs by systematic induction of transcription factors. Cell Stem Cell. 2009 Oct 2;5(4):420-33. PubMed